Mạng Ad hoc di động (MANET) là một nhóm thiết bị tự trị di động cung cấp khả năng truyền thông đa chặng qua việc sử dụng các liên kết không dây và hình thành cấu trúc liên kết động. Các mạng như vậy không có cơ sở hạ tầng vật lý đầy đủ như bộ định tuyến, máy chủ, điểm truy cập, cáp truyền dẫn hoặc cơ chế quản trị tập trung. Mỗi nút di động trong MANET hoạt động với cả hai vai trò là định tuyến và nút người dùng đầu cuối. Điều này khiến mạng MANET được kỳ vọng sẽ có những ứng dụng rộng rãi trong các khu vực chiến tranh, khắc phục thảm họa, hàng không và thông tin liên lạc hàng hải, công nghiệp, gia đình...
Định tuyến là một trong những vấn đề quan trọng nhất cần được xem xét trong số nhiều vấn đề cần giải quyết trong MANET. Giao thức AOMDV là một giao thức định tuyến đa đường điển hình cho lớp các giao thức định tuyến đa đường theo vector khoảng cách trong mạng MANET.
Vấn đề trọng tâm của giao thức AOMDV là vấn đề đảm bảo phát hiện được nhiều đường không lặp và phân tách trong tiến trình tìm đường hiệu quả bằng cách sử dụng tiến trình khám phá đường dựa vào kỹ thuật “làm ngập tràn” (flooding). Các quy tắc cập nhật đường của giao thức AOMDV được áp dụng cục bộ tại mỗi nút đóng vai trò chính trong việc tìm và duy trì các đường không lặp và tách biệt giữa một cặp nút nguồn-đích cho trước. Những ván đề được xem xét sửa đổi chính từ giao thức định tuyến AODV để tạo thành giao thức định tuyến AOMDV bao
gồm: cấu trúc gói tin, bảng định tuyến, thuật toán cập nhật đường, tiến trình khám phá đường, cơ chế bảo trì đường và cơ chế chuyển tiếp và phân phối dữ liệu.
Đã có nhiều nghiên cứu đề xuất cải tiến giao thức định tuyến đa đường AOMDV nhằm nâng cao hiệu năng của giao thức trong mạng MANET như giao thức OMMRE-AOMDV, giao thức MMRE-AOMDV, giao thức OMMRE- AOMDV, giao thức LR-EE-AOMDV. Hiệu năng của các giao thức này đã được chứng minh qua thực nghiệm mô phỏng là tốt hơn so với giao thức định tuyến AOMDV. Hiệu quả của một giao thức định tuyến phụ thuộc nhiều vào độ đo định tuyến của giao thức. Giao thức định tuyến E2E-LREEMR được đề xuất bởi [11] cũng là một giao thức định tuyến đa đường được cải tiến từ giao thức định tuyến AOMDV. Tuy nhiên, với cách tiếp cận theo độ đo định tuyến là chất lượng đường và độ tiêu hao năng lượng, giao thức định tuyến E2E-LREEMR cung cấp một hướng đi khác trong việc thiết kế các giao thức định tuyến đảm bảo hiệu năng thoả mãn chất lượng dịch vụ của mạng MANET. Mục tiêu chính của đề tài này là nghiên cứu về giao thức định tuyến đa đường E2E-LREEMR, cài đặt, thử nghiệm và so sánh đánh giá độ hiệu quả về hiệu năng định tuyến so với giao thức định tuyến AOMDV trong môi trường mạng ad hoc di động.
CHƯƠNG 2. KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN ĐA ĐƯỜNG HIỆU QUẢ, TIN CẬY VÀ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG CỦA GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN
E2E-LREEMR 2.1. Xây dựng độ đo định tuyến
Các đường tốt nhất trong số nhiều đường dưới góc nhìn của tiến trình định tuyến của một giao thức được chọn bằng các thước đo định tính được gọi là độ đo định tuyến. Các độ đo định tuyến được phân loại thành hai hai nhóm:
(i) Độ đo định tuyến theo nút. Độ đo này được thiết lập trên cơ sở thông tin sẵn có của các nút thành viên như năng lượng, số chặng, v.v. (ii) Độ đo định tuyến theo liên kết. Độ đo này được thiết lập dựa trên
thông tin sẵn có của các liên kết thành viên như thông lượng, độ tin cậy, v.v.
Truyền dữ liệu đầu cuối một cách tin cậy là một vấn đề trong định tuyến đa đường của mạng MANET vì các nút dễ bị tác động bởi tính không dự đoán trước được của các liên kết giữa chúng.
Một đường có số bước chặng ít hơn trong số các đường có thể đi đến nút đích từ nút nguồn được một nút thông thường chọn căn cứ vào một độ đo định tuyến được gọi là số chặng hay độ dài đường. Trong mạng MANET, hầu hết các giao thức định tuyến sử dụng số chặng làm độ đo cơ sở của chúng. Mức độ phù hợp của một đường được đánh giá một cách đơn giản dựa trên độ dài đường mà không tính đến việc các tính chất khác như độ mất gói, băng thông của liên kết hay năng lượng của nút.
Số lần truyền và truyền lại cần thiết để gửi một gói dữ liệu qua một liên kết được ước lượng bằng một độ đo định tuyến theo liên kết được gọi là “số lần truyền
phần trên một đường được gọi là ETX của đường hay P-LQE hoặc CETX. Các gói RREQ hoặc RREP ban đầu được sử dụng để xác định RSSI trong quá trình khám phá đường và sau đó các gói HELLO được sử dụng để xác định RSSI trong quá trình lựa chọn và bảo trì đường. Trong giao thức E2E-LREEMR, độ ổn định của liên kết giữa các nút trong quá trình khám phá đường được xác định thông qua việc tính giá trị của ETX và CETX theo các gói RREQ hoặc RREP. Trong giao thức E2E-LREEMR, ETX của một liên kết giữa các nút theo đường thuận và đường nghịch được tính tương ứng bằng cách sử dụng gói RREP và RREQ.
Lượng năng lượng mà một nút cần để gửi một gói dữ liệu đến một nút khác qua một liên kết được ước lượng bằng một độ đô định tuyến theo nút gọi là “năng
lượng truyền dự kiến (ETE)”. Tổng giá trị ETE của tất cả các nút thành phần của
đường được gọi là “tổng năng lượng truyền dự kiến (CETE)” hay “ETE của
đường” hoặc P-NEE. Giá trị nhỏ nhất của năng lượng còn lại của các nút thành
phần của một đường được gọi là “năng lượng còn lại tối thiểu (MRE)”. Giá trị này được sử dụng làm ngưỡng cho CETE trong quá trình chọn đường.
Đã có nhiều nghiên cứu sử dụng độ đo năng lượng còn lại tối thiểu và số chặng làm độ đo định tuyến để chọn đường trong các giao thức định tuyến. Lỗi tại nút sẽ xảy ra khi năng lượng còn lại tối thiểu của các nút trên đường không đáp ứng đủ cho năng lượng cần thiết để truyền dữ liệu. Mặc định, tất cả các giao thức định tuyến sử dụng “thời gian hết hạn liên kết (LET)” để đo độ ổn định của liên kết. Một liên kết giữa hai nút không thể truyền dữ liệu khi nó còn sống (LET của liên kết đó chưa hết hạn) nhưng nút nhận không nằm trong phạm vi truyền của nút gửi. Ngoài cơ chế LET, giao thức E2E-LREEMR thực hiện việc ước lượng giá trị động CETX để đảm bảo độ tin cậy của liên kết và ước lượng giá trị CETE nhằm đảm bảo tìm được các con đường có hiệu quả về năng lượng qua các liên kết tin
cậy để truyền dữ liệu. Giao thức E2E-LREEMR sử dụng độ đo định tuyến kết hợp giữa chất lượng liên kết thuộc đường P-LQE và năng lượng nút thuộc đường P- NEE để chọn nhiều đường có hiệu quả về năng lượng qua các liên kết tin cậy để truyền dữ liệu. Giao thức AOMDV sử dụng độ đo định tuyến truyền thống là số chặng để tìm nhiều đường và chọn đường có một số chặng nhỏ nhất trong đó để truyền dữ liệu. Do đó, quá trình truyền dữ liệu của giao thức AOMDV sẽ bị mất dữ liệu nếu một liên kết bất kỳ giữa các nút của đường đó đang sử dụng bị lỗi hoặc năng lượng của một nút bất kỳ thuộc đường hiện tại không đáp ứng yêu cầu truyền dữ liệu. Để giải quyết vấn đề này, giao thức định tuyến E2E-LREEMR đã được đề xuất trên cơ sở cải tiến giao thức định tuyến AOMDV qua việc sử dụng cả CETX và CETE làm độ đo định tuyến.
2.2. Cơ chế hoạt động
Giao thức định tuyến E2E-LREEMR là một phiên bản cải tiến của giao thức định tuyến đa đường AOMDV. Nó sử dụng hai độ đo định tuyến là chất lượng liên kết thuộc đường P-LQE (còn gọi là CETX) và năng lượng nút thuộc đường P-NEE (còn gọi là CETE) để tìm nhiều nhiều con đường có hiệu quả năng lượng qua các liên kết tin cậy. Giao thức này giảm được chi phí định tuyến, tỷ lệ mất gói, chi phí định tuyến chuẩn hóa, độ trễ trung bình đầu cuối và mức tiêu thụ năng lượng. Đồng thời, nó cũng cải thiện tỷ lệ phân phối dữ liệu và thông lượng. Giao thức E2E-LREEMR bao gồm 6 thủ tục chính là:
1. Xác định năng lượng còn lại và năng lượng còn lại tối thiểu (RE & MRE)
2. Xác định năng lượng truyền dự kiến (ETE)
3. Xác định tổng năng lượng truyền dự kiến (CETE) 4. Xác định số lần truyền dự kiến (ETX)
5. Xác định tổng số lần truyền dự kiến (CETX) 6. Chọn đường dựa trên CETX và CETE
Các thủ tục này được triển khai thông qua việc điều chỉnh cấu trúc một số gói tin và bảng định tuyến của giao thức định tuyến cũng như quy tắc cập nhật đường của thuật toán định tuyến được đưa ra trong Thuật toán 2.
2.3. Xác định năng lượng còn lại và năng lượng còn lại tối thiểu
Để xác định năng lượng còn lại của mỗi nút trong giao thức E2E-LREEMR, mỗi gói tin RREQ và RREP được bổ sung trường re_energy chứa giá trị năng lượng còn lại của nút trên một con đường Định dạng mới của gói RREQ/RREP của giao thức E2E-LREEMR được minh hoạ trong Hình 2.1.
SA DA Seq.No Expire pHop CETX CETE re_energy
Hình 2.1. Định dạng gói tin RREQ/RREP của giao thức E2E-LREEMR
Để xác định năng lượng còn lại tối thiểu của nút trên đường, bảng định tuyến của mỗi nút được bổ sung trường mre. Bảng 1 minh hoạ cấu trúc của một điểm truy cập (entry) trong bảng định tuyến của giao thức E2E-LREEMR.
AOMDV E2E-LREEMR
Địa chỉ đích (destination address) Địa chỉ đích (destination address) Số thứ tự (sequence number) Số thứ tự (sequence number)
Danh sách đường (route list) {(nexthop1, hopcount1), (nexthop2,
hopcount2),…}
Danh sách đường (route list) {(nexthop1, cetx1, cete1, mre1), (nexthop2, cetx2, cete2, mre2),…} Thời gian quá hạn (expiration time out) Thời gian quá hạn (expiration time out)
Bảng 2.1. Cấu trúc entry bảng định tuyến của giao thức AOMDV và E2E- LREEMR
Thuật toán 2: Quy tắc cập nhật đường của giao thức E2E-LREEMR
Input: Thông tin quảng bá đường
Output: Quy tắc cập nhật đường
1 cetxdj :cetxdj etxdj 2 cetedj :cetedj etedj
3 re energy_ i :initial energy_ i consumed_energyi
4 if ( _ d)
i j
re energy mre then
5 mredj :re energy_ i
6 end if
7 if (seqnumid seqnumdj) then
8 seqnumid :seqnumdj 9 if (id) then 10 cetxid :cetxdj 11 ceteid :cetedj 12 advertised hopcount_ id : 13 else 14 advertised hopcount_ id : 0 15 end if
16 route list_ id :NULL
17 insert ( , _ d 1, d, d, d)
j j j j
j advertised hopcount cetx cete mre into route list_ id
18 else if (seqnumid seqnumdj) and ((cetx iid, )(cetxdj, ))j
and ((cete iid, )mredj) then
19 insert ( , _ d 1, d, d, d)
j j j j
j advertised hopcount cetx cete mre into route list_ id
// Chèn một đường dự phòng tách biệt mới vào bảng định tuyến 20 if ( _ d _ _ )
i
num path max num path and ((cetxjd min(cetx iid, )) 1.0)
and ((cete iid, )mredj) then
21 insert ( , _ d 1, d, d, d)
j j j j
j advertised hopcount cetx cete mre into _ d
i
route list
22 cetxid :cetxdj
24 end if
25 end if
Việc xác định năng lượng còn lại và năng lượng còn lại tối thiểu được thể hiện từ dòng 3 đến dòng 6 trong Thuật toán 2. Trong đó, năng lượng còn lại của nút i (re_energyi) được tính trong dòng 3 bằng cách lấy năng lượng ban đầu của nút (initial_energyi) trừ đi năng lượng nút đó đã tiêu thụ (consumed_energyi). Các dòng 4 đến 6 của Thuật toán 2 được sử dụng để đảm bảo giá trị của trường mre trong bảng định tuyến của nút i là giá trị năng lượng còn lại nhỏ nhất của một nút trong số các nút thuộc đường d. Giá trị này được biểu diễn toán học bằng công thức (1).
( , ) min( ) ( , )
path S D i
MRE RE i path S D (1)
trong đó MREpath S D( , ) là năng lượng còn lại tối thiểu của một con đường từ nguồn S đến đích D. Nó được xác định bằng năng lượng còn lại (REi) nhỏ nhất của các nút i thuộc con đường này trong quá trình khám phá đường.
2.4. Xác định năng lượng truyền dự kiến
Năng lượng tiêu thụ của một nút thành phần trong một con đường tách biệt theo nút để truyền các gói RREQ/RREP nhằm tìm đường nghịch/thuận được gọi là năng lượng truyền dự kiến (ETE) của nút đó. Độ đo định tuyến truyền thống là số chặng không được được sử dụng trong giao thức E2E-LREEMR để chọn nhiều đường giữa một cặp nút nguồn và đích bất kỳ. Thay vào đó, giao thức E2E- LREEMR sử dụng độ đo định tuyến kết hợp giữa CETX và CETE để tìm kiếm và lựa chọn các con đường tin cậy chứa các liên kết hiệu quả về năng lượng để truyền dữ liệu. Trong giai đoạn khám phá đường, giao thức E2E-LREEMR ước
lượng giá trị năng lượng truyền dự kiến ETEi path S D ( , ) của một nút i trên đường (S,D) theo công thức (2).
( , ) ( , )
i path S D i path S D
ETE EC (2)
trong đó ECi path S D ( , ) là lượng năng lượng tiêu thụ của nút i trong quá trình khám phá đường từ nút nguồn S đến nút đích D.
2.5. Xác định tổng năng lượng truyền dự kiến
Trong giao thức E2E-LREEMR, mỗi gói tin RREQ và RREP mang một trường CETE được bổ sung thêm để chứa giá trị tổng năng lượng truyền dự kiến tích lũy (Hình 2.1). Khi một nút nguồn S bắt đầu truyền gói RREQ kiểu quảng bá tràn ngập, nó khởi tạo giá trị CETE trong gói RREQ của nó bằng 0. Tương tự, khi nút đích D gửi lại gói RREP, nó khởi tạo giá trị CETE trong gói RREP của nó bằng 0. Sau khi tính toán giá trị ETE của các nút thành phần trên con đường từ nút nguồn S đến nút đích D, giá trị tổng năng lượng truyền dự kiến CETE của đường được xác định bằng cách tính tổng năng lượng tiêu thụ của tất cả các nút trên đường theo công thức (3) và dòng 2 của Thuật toán 2.
( , ) 1, ( , ) n path S D i i i path S D CETE ETE (3)
trong đó CETEpath S D( , ) là tổng năng lượng truyền dự kiến của đường giữa nút nguồn S và nút đích D. ETEi là năng lượng truyền dự kiến của nút thành phần
2.6. Xác định số lần truyền dự kiến
Chất lượng của một liên kết giữa các nút thành phần trên một con đường được xác định theo số lượng gói RREQ hoặc RREP trong một khoảng thời gian được gọi là số lần truyền dự kiến (ETX). Giao thức E2E-LREEMR ước lượng các giá trị PRRforward i j( , ), PRRbackward i j( , ) và ETXlink i j( , ) trong giai đoạn khám phá tuyến đường tương ứng theo các công thức (4), (5) và (6).
( , ) i generated forward i j n PRR w (4)
Tốc độ nhận gói (PRR) của một liên kết thuộc đường thuận giữa nút gửi i đến nút nhận j được kí hiệu là PRRforward i j( , ) được ước lượng bằng cách đếm số gói RREQ hoặc RREP do nút i gửi đi (ngeneratedi ) trong khoảng thời gian w giây theo công thức (4). ( , ) i received backward i j n PRR w (5)
Tốc độ nhận gói của một liên kết thuộc đường nghịch giữa nút nhận j đến nút gửi i được kí hiệu là PRRbackward i j( , ) được ước lượng bằng cách đếm số gói RREQ hoặc RREP mà nút j nhận được (nireceived) trong khoảng thời gian w giây theo công thức (5). ( , ) ( , ) ( , ) 1 link i j forward i j backward i j ETX PRR PRR (6)
Số lần truyền dự kiến ETXlink i j( , ) của liên kết giữa nút i và nút j được ước lượng theo giá trị tốc độ nhận gói của liên kết thuận PRRforward i j( , )và tốc độ nhận gói của liên kết nghịch PRRbackward i j( , ) theo công thức (6)
Các thành phần trong cấu trúc bảng định tuyến của các giao thức AOMDV và E2E-LREEMR được minh họa trong Bảng 1. Các kí hiệu và mô tả của chúng sử dụng trong chương này được trình bày trong Bảng 2.2.
Kí hiệu Mô tả
ETXlink(i,j) ETX của liên kết giữa nút i và nút j