Mặc dù có rất nhiều ứng dụng tiềm năng trong cuộc sống của con ngƣời nhƣng so với mạng truyền thống, mạng không dây phi cấu trúc có nhiều điểm khác biệt thể hiện ở cấu trúc mạng động, ở hạn chế về chất lƣợng liên kết và năng lƣợng nguồn pin, ở mức độ bảo mật thấp.
Do tính chất động của topo mạng nên các giao thức định tuyến sử dụng trong mạng không dây phi cấu trúc cần đƣợc thiết kế để đáp ứng với các yêu cầu đảm bảo hiệu năng mạng. Cụ thể là các yêu cầu về việc tối thiếu hoá tải điều khiển và tải xử lý, hỗ trợ định tuyến đa chặng, đáp ứng những thay đổi về topo mạng và ngăn chặn định tuyến lặp. Các giao thức định tuyến có thể sử dụng một trong nhiều chiến lƣợc định tuyến khác nhau.
AODV là một giao thức định tuyến theo yêu cầu dạng véctơ khoảng cách tiêu biểu của mạng không dây phi cấu trúc. Hoạt động cơ bản của giao thức AODV đƣợc thể hiện trong cơ chế tìm đƣờng bằng gói RREQ, cơ chế trả lời đƣờng bằng gói RREP, cơ chế duy trì đƣờng bằng gói RRER và cơ chế duy trì liên kết bằng gói HELLO.
(RREQ) theo đích trong mạng và sau đó chờ trả lời đƣờng (RREP). Khi một nút trung gian nhận đƣợc bản sao đầu tiên của gói RREQ, nó sẽ thiết lập một đƣờng nghịch tới nguồn bằng cách sử dụng chặng trƣớc mà RREQ đã đi qua làm chặng kế tiếp của đƣờng nghịch. Ngoài ra, nếu có một đƣờng hợp lệ có sẵn cho đích, nó sẽ gửi gói RREP trở lại nguồn thông qua đƣờng dẫn ngƣợc theo kiểu unicast; ngƣợc lại, nó sẽ tiếp tục quảng bá gói RREQ. Các bản sao của cùng một gói RREQ sẽ bị loại bỏ ngay lập tức khi nhận tại mỗi nút. Nút đích khi nhận bản sao đầu tiên của gói RREQ sẽ tạo một đƣờng nghịch giống nhƣ các nút trung gian; nó cũng gửi gói RREP trở lại nguồn dọc theo đƣờng nghịch. Khi gói RREP tiến tới nguồn, nó thiết lập đƣờng thuận tiến tới đích tại mỗi chặng.
Việc bảo trì đƣờng đƣợc thực hiện bằng các gói báo lỗi đƣờng (RERR). Khi một nút trung gian phát hiện lỗi liên kết (chẳng hạn nhƣ thông qua phản hồi của lớp liên kết), nó sẽ tạo ra gói RERR. Gói RERR đƣợc truyền hƣớng tới tất cả các nút nguồn có đƣờng đi qua liên kết bị lỗi và xóa tất cả các đƣờng bị lỗi trên đƣờng nó đi qua. Một nút nguồn khi nhận đƣợc gói RERR sẽ bắt đầu một tiến trình khám phá đƣờng mới nếu nó vẫn có nhu cầu. Ngoài cơ chế bảo trì đƣờng này, AODV còn có cơ chế dựa trên bộ đếm thời gian để thanh lọc các đƣờng cũ.
Do AODV là giao thức định tuyến đơn đƣờng nên chỉ có tối đa một đƣờng đƣợc khám phá và sử dụng nên tần suất khám phá đƣờng sẽ tăng lên trong tình huống topo mạng thƣờng xuyên biến đổi dẫn đến sự phá hủy các con đƣờng đã tìm thấy mà không có đƣờng dự phòng thay thế. Vì vậy, một trong số những hƣớng cải tiến giao thức AODV là phát triển nó thành giao thức định tuyến đa đƣờng cho phép mỗi nút mạng tìm đƣợc nhiều hơn một con đƣờng trong quá trình khám phá đƣờng. AOMDV là một giao thức định tuyến theo yêu cầu đa đƣờng đƣợc đề xuất phát triển trong [7] từ giao thức AODV. Các nghiên cứu đề
xuất kỹ thuật định tuyến đa đƣờng của giao thức AOMDV đƣợc trình bày chi tiết trong Chƣơng 2.
CHƢƠNG 2. GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN ĐA ĐƢỜNG AOMDV 2.1. Tổng quan về giao thức AOMDV
Giao thức AOMDV [7] là giao thức định tuyến đa đƣờng theo yêu cầu dạng vectơ khoảng cách đƣợc thiết kế dành cho mạng không dây phi cấu trúc. Nó đƣợc phát triển từ giao thức AODV trên cơ sở chia sẻ một số đặc điểm với giao thức AODV. Nó dựa trên khái niệm vectơ khoảng cách và sử dụng phƣơng pháp định tuyến từng chặng. Hơn nữa, giao thức AOMDV cũng tìm thấy các đƣờng theo yêu cầu bằng cách sử dụng tiến trình khám phá đƣờng. Sự khác biệt chính giữa hai giao thức này nằm ở số lƣợng đƣờng tìm đƣợc sau mỗi tiến trình khám phá tuyến. Trong giao thức AOMDV, việc truyền gói RREQ từ nguồn tới đích sẽ thiết lập nhiều đƣờng dẫn ngƣợc ở cả các nút trung gian cũng nhƣ nút đích. Nhiều gói RREP đi qua các đƣờng nghịch hƣớng về nút nguồn để tạo thành nhiều đƣờng thuận đến đích tại các nút nguồn và nút trung gian. Giao thức AOMDV cũng cung cấp cho các nút trung gian các đƣờng dự phòng nhằm làm giảm tần suất khám phá đƣờng [8].
Vấn đề trọng tâm của giao thức AOMDV là vấn đề đảm bảo phát hiện đƣợc nhiều đƣờng không lặp và phân tách trong tiến trình tìm đƣờng hiệu quả bằng cách sử dụng tiến trình khám phá đƣờng dựa vào kỹ thuật “làm ngập tràn” (flooding). Các quy tắc cập nhật đƣờng của giao thức AOMDV đƣợc áp dụng cục bộ tại mỗi nút đóng vai trò chính trong việc duy trì các đƣờng không lặp và phân tách. Các nội dung đƣợc trình bày trong chƣơng này là các ý tƣởng chính để đạt đƣợc hai thuộc tính này. Các phần tiếp sẽ trình bày cách đƣa những ý tƣởng đó vào giao thức AOMDV bao gồm mô tả chi tiết các quy tắc cập nhật đƣờng tại mỗi nút và tiến trình khám phá đa đƣờng.
Đề xuất thiết kế giao thức AOMDV tái sử dụng nhiều nhất có thể những thông tin định tuyến đã có sẵn trong giao thức AODV. Do đó, nó hạn chế chi phí phát sinh trong việc khám phá nhiều đƣờng. Đặc biệt, nó không sử dụng thêm bất kỳ gói điều khiển đặc biệt nào. Trên thực tế, các gói RREP và RERR bổ sung để phát hiện và bảo trì đa đƣờng cùng với một vài trƣờng bổ sung trong các gói điều khiển định tuyến (RREQ, RREP và RERR) là chi phí bổ sung duy nhất trong giao thức AOMDV so với giao thức AODV.
2.1.1. Vấn đề chống định tuyến lặp
Các quy tắc cập nhật tuyến của giao thức AODV giới hạn một nút chỉ tìm đƣợc tối đa một đƣờng cho mỗi đích. Do đó, cần thiết phải sửa đổi các quy tắc cập nhật đƣờng này để tại mỗi nút có nhiều hơn một đƣờng cho mỗi đích. Tuy nhiên, những sửa đổi này cần đƣợc thực hiện để đảm bảo vấn đề tránh định tuyến lặp. Có hai vấn đề phát sinh khi tính toán nhiều đƣờng dẫn không lặp tại một nút cho một đích. Một là, mỗi nút sẽ chọn đƣờng nào trong nhiều đƣờng để cung cấp hoặc quảng bá cho các nút khác? Do mỗi tuyến đƣờng có thể có số chặng khác nhau nên việc lựa chọn một đƣờng bất kỳ có thể tạo thành các đƣờng lặp vòng. Hai là, một nút khi nhận đƣợc quảng bá đƣờng có chấp nhận đƣờng nhận đƣợc hay không? Việc chấp nhận tất cả các con đƣờng có thể gây ra hiện tƣợng định tuyến lặp.
Hình 2.1 minh họa vấn đề đƣờng lặp vòng bằng các ví dụ đơn giản. Trong Hình 2.1(a), nút D là đích và nút I có hai đƣờng đến D - một đƣờng 5 chặng qua nút M (I –M –N –O–P –D) và một đƣờng một chặng trực tiếp (I - D). Giả sử tuyến đƣờng (I –M –N –O–P –D) đƣợc quảng bá đến nút J và tiếp theo tuyến đƣờng (I – D) đƣợc quảng bá đến nút K. Sau đó, cả J và K đều có đƣờng đến nút
D qua nút I, nhƣng mỗi tuyến đƣờng đều có chặng khác nhau. Nếu sau đó nút I nhận đƣợc một đƣờng 4 chặng đến đích D từ nút L (L–K–I–D), nút I sẽ không thể xác định đƣợc L là nút trƣớc hay nút sau nó trên con đƣờng tới đích D vì chỉ có thông tin số chặng đƣợc đƣa vào quảng bá đƣờng. Vì vậy, tại nút I sẽ hình thành một tuyến đƣờng tới nút đích D thông qua nút L làm dẫn đến một vòng lặp. Tình huống nhƣ vậy xảy ra do một nút (ở đây là nút I) quảng bá một đƣờng ngắn hơn (I - D) trong khi nó đã có một đƣờng dự phòng dài hơn (I –M –N –O–P –D).
Hình 2.1. Ví dụ về các trường hợp có thể xảy ra định tuyến lặp
Hình 2.1(b) cho thấy một tình huống tiềm năng khác xảy ra lặp vòng. Trong đó nút D là đích. Nút J có đƣờng dẫn 3 chặng đến nút D thông qua nút (J– K–I–D). Nút L cũng có một đƣờng 3 chặng đến nút D thông qua nút M (L - M - N - D). Giả sử nút I nhận đƣợc một đƣờng dẫn 4 chặng đến nút D từ nút L. Trong trƣờng hợp này, nút I không thể xác định đƣợc liệu nút L có phải là nút đứng trƣớc hay không bởi vì nút J cũng có thể cung cấp một con đƣờng 4 chặng tới nút D. Do đó, việc một nút chấp nhận một đƣờng dài hơn sau khi nó đã quảng bá một đƣờng ngắn hơn tới các nút láng giềng cũng có thể gây ra định tuyến lặp.
Dựa trên các phân tích ở trên, tập các điều kiện chống định tuyến lặp đƣợc đề xuất [7]. Những điều kiện này cho phép một nút có thể duy trì nhiều đƣờng tới cùng một đích. Tập các điều kiện này đƣợc phát biểu nhƣ sau:
(i) Quy tắc số thứ tự: Chỉ duy trì các tuyến đƣờng cho số thứ tự đích có giá trị cao nhất. Tại mỗi nút, nhiều tuyến đƣờng có cùng số thứ tự đích đƣợc duy trì. Với quy tắc này, tính chất không lặp vòng của các tuyến đƣờng có thể đạt đƣợc tƣơng tự nhƣ giao thức AODV. Khi một nút nhận đƣợc quảng bá đƣờng chứa số thứ tự đích cao hơn, tất cả các đƣờng có số thứ tự cũ hơn tới đích tƣơng ứng sẽ bị loại bỏ. Tuy nhiên, các nút khác nhau (trên cùng một tuyến đƣờng) có thể có các số thứ tự khác nhau cho cùng một đích.
(ii) Đối với cùng một số thứ tự đích,
(a) Quy tắc quảng bá đƣờng: Không quảng bá đƣờng ngắn hơn đƣờng đã đƣợc quảng bá trƣớc đó.
(b) Quy tắc nhận đƣờng: Không nhận đƣờng dài hơn đƣờng đã đƣợc quảng bá trƣớc đó.
Để duy trì nhiều đƣờng cho cùng một số thứ tự, giao thức AOMDV sử dụng khái niệm “số chặng đƣợc quảng bá”. Mỗi nút duy trì một biến gọi là số chặng đƣợc quảng bá cho mỗi đích. Biến này đƣợc thiết lập giá trị bằng độ dài của đƣờng (tính theo số chặng) dài nhất tại thời điểm quảng bá đầu tiên cho một số thứ tự đích cụ thể. Số lƣợng chặng đƣợc quảng bá không thay đổi cho đến khi số thứ tự đích thay đổi. Việc quảng bá độ dài đƣờng dài nhất cho phép có nhiều hơn các đƣờng thay thế đƣợc duy trì. Mục 2.2 sẽ trình bày chi tiết cách xác định số chặng đƣợc quảng bá cùng mô tả về các quy tắc cập nhật đƣờng. Chứng minh về tính không lặp của đƣờng đƣợc trình bày trong Mục 2.3.1.
2.1.2. Các đường tách biệt
Bên cạnh việc duy trì nhiều đƣờng không lặp vòng, giao thức AOMDV còn có khả năng tìm các đƣờng dự phòng không giao nhau. Với mục đích cải thiện khả năng chịu lỗi bằng nhiều đƣờng thì các đƣờng tách biệt là một lựa chọn tự nhiên để chọn một tập con các đƣờng dự phòng hiệu quả từ một tập lớn các đƣờng tiềm năng vì khả năng lỗi dây chuyền và đồng thời của các đƣờng trong tập này nhỏ hơn so với tập các đƣờng có giao cắt. Có hai loại đƣờng tách biệt đƣợc xem xét là đƣờng tách biệt theo liên kết và đƣờng tách biệt theo nút. Đƣờng tách biệt theo liên kết là tập hợp các đƣờng không có liên kết chung giữa một cặp nút, trong khi đó, đƣờng tách biệt theo nút còn thêm điều kiện là không có nút giao nhau.
Không giống nhƣ vấn đề đƣờng tách biệt trong lý thuyết đồ thị và tài liệu, khái niệm không giao ở đây chỉ giới hạn ở một cặp nút và không xem xét đến tính không giao giữa các cặp nút khác. Cụ thể là cần đảm bảo mọi con đƣờng có thể đi đƣợc từ một nút P bất kỳ tới một nút đích D là không giao nhau. Điều này có nghĩa là không nhất thiết tất cả các đƣờng đi trong mạng dẫn đến nút D đều phải là đƣờng tách biệt. Sự khác biệt này đƣợc minh họa bằng một ví dụ trong Hình 2.2. Giới hạn đƣờng tách biệt ở trên là đủ khi nhìn từ góc độ về khả năng chịu lỗi và thực tế đƣợc sử dụng trong hầu hết các giao thức định tuyến đa đƣờng khác nhau.
Hình 2.2. Ví dụ về các đường giao nhau
Trong Hình 2.2, các đƣờng đƣợc duy trì tại các nút khác nhau đến đích có thể giao nhau. Ở đây D là đích đến. Nút A có hai đƣờng dẫn không giao nhau đến nút D là A–B–D và A–C–D. Tƣơng tự, nút E có hai đƣờng tách biệt đến nút D là E–C–D và E–F–D. Tuy nhiên, các và A–C–D và E–C–D lại giao nhau khi chúng chia sẻ một liên kết C–D.
Trong việc tìm kiếm các đƣờng tách biệt, lực lƣợng hoặc độ dài của các đƣờng dự phòng không đƣợc tối ƣu hóa một cách rõ ràng. Trên thực tế, số lƣợng và chất lƣợng của các đƣờng tách biệt đƣợc giao thức AOMDV phát hiện phần lớn đƣợc xác định qua tiến trình khám phá đƣờng. Tuy nhiên, có thể kiểm soát các thuộc tính này bằng cách đặt giới hạn về số lƣợng và độ dài của các đƣờng dự phòng đƣợc duy trì tại mỗi nút. Đây là cách tiếp cận hợp lý vì tính chất tồn tại trong thời gian ngắn của các đƣờng trong mạng ad hoc di động và việc tính toán tối ƣu cho các đƣờng dự phòng không giao nhau phải sẽ phải chịu chi phí cao hơn.
Giao thức AOMDV có thể tìm thấy đƣờng tách biệt theo liên kết hoặc nút. Ý tƣởng chính tìm đƣờng tách biệt theo liên kết đƣợc trình bày ở đây. Việc chứng minh đƣợc trình bày trong Mục 2.3.2. Cơ chế tìm đƣờng tách biệt theo nút
A
C D
E
B
đƣợc trình bày trong Mục 2.3.2 khi thực hiện một số sửa đổi đơn giản trên cơ chế tìm đƣờng tách biệt theo liên kết.
Trong các thuật toán định tuyến phân tán của loại vectơ khoảng cách, một nút sẽ hình thành từng bƣớc các đƣờng đến đích dựa trên các đƣờng thu đƣợc từ các nút láng giềng hƣớng đích. Vì vậy, việc tìm một tập hợp các đƣờng tách biệt theo liên kết tại một nút đƣợc xem là một quá trình gồm hai bƣớc: (1) xác định một tập các nút láng giềng hƣớng đích có các đƣờng tách biệt đến đích; (2) hình thành chính xác từng con đƣờng qua mỗi nút láng giềng hƣớng đích. Lƣu ý rằng bƣớc thứ hai là đƣơng nhiên đƣợc thực hiện khi mỗi nút chỉ cần đảm bảo rằng mọi đƣờng của nó chặng kế tiếp là duy nhất. Đây là một hoạt động đƣợc thực hiện cục bộ tại mỗi nút. Tuy nhiên, để thực hiện đƣợc bƣớc đầu tiên, mỗi nút cần có thông tin về một số hoặc tất cả các nút hƣớng đích trên mỗi tuyến đƣờng.
Trong giao thức vectơ khoảng cách thông thƣờng (bao gồm giao thức AODV), một nút chỉ theo dõi chặng kế tiếp và khoảng cách qua chặng kế tiếp cho mỗi con đƣờng. Sự giới hạn thông tin trong một chặng này không đủ để một nút xác định liệu hai con đƣờng thu đƣợc từ hai nút láng giềng khác nhau có thực sự là các đƣờng tách biệt hay không (Hình 2.3). Vì vậy, cần bổ sung thông tin cho mỗi con đƣờng để kiểm tra tính chất không giao theo liên kết. Giao thức định tuyến nguồn có khả năng duy trì thông tin đầy đủ mọi con đƣờng đầy đủ tại mỗi nút. Trong trƣờng hợp nhƣ vậy, việc kiểm tra tính không giao theo liên kết sẽ trở thành đơn giản. Tuy nhiên, giải pháp này có chi phí cao về việc truyền
thông và duy trì thông tin đầy đủ của đƣờng
Hình 2.3. Ví dụ về việc hình thành các đường giao nhau theo liên kết
Trong Hình 2.3, thông tin về chặng kế tiếp là không đủ để đảm bảo tính không giao theo liên kết của các con đƣờng. Ở đây D là đích. Nút A có một con đƣờng qua I đến D (A-I–D). Tƣơng tự, nút B cũng có một con đƣờng qua I đến D (B-I-D). Nút P chỉ biết về các chặng kế tiếp A và B mà không thể xác định liệu các đƣờng từ A và B đến D (lần lƣợt là A-I-D và B-I-D) có giao nhau hay