Giao thức định tuyến QCLR được đề xuất trên cơ sở cải tiến giao thức AOMDV với sự tích hợp độ đo định tuyến mới được lượng giá bằng hàm RMV trong công thức (26). Giao thức QCLR kế thừa các cơ chế định tuyến cơ bản từ giao thức AOMDV như cơ chế tìm đường, cơ chế trả lời đường, cơ chế bảo trì đường và cơ chế báo lỗi đường. Sự kế thừa này đảm bảo hoạt động của một giao thức định tuyến đa đường trong giao thức QCLR. Tuy nhiên, để đạt được khả năng hỗ trợ định tuyến theo yêu cầu QoS từ tầng Ứng dụng, các điều chỉnh sau đã thực hiện trong giao thức QCLR khi so sánh với giao thức gốc AOMDV: 1. Bổ sung hai trường: PKT_DELAY và PKT_PLR vào các gói RREQ và RREP. Hai trường này được dùng để lưu giá trị tương ứng của độ trễ và tỉ lệ mất gói của đường nghịch (gói RREQ) và đường thuận (gói RREP). 2. Bổ sung ba trường: PATH_DELAY, PATH_PLR và PATH_STABILITY
vào mỗi con đường trong danh sách đường của mỗi điểm truy cập trong bảng định tuyến. Các trường này chứa các giá trị tương ứng của độ trễ, tỉ lệ mất gói và độ bền của mỗi con đường tìm được. Độ bền của đường định tuyến được ước lượng trên cơ sở thời gian một đường tồn tại sau những lần cập nhật bảng định tuyến.
3. Bổ sung hai trường: LINK_DELAY and LINK_PLR vào mỗi điểm truy cập trong bảng láng giềng của mỗi nút. Các trường này chứa giá trị
tương ứng của độ trễ và tỉ lệ mất gói của liên kết giữa nút hiện tại với nút tương ứng trong bảng láng giềng của nó.
4. Thay thế độ đo định tuyến số chặng trong tiến trình tìm đường áp dụng cho các lớp lưu lượng QoS khác nhau bằng độ đo định tuyến được lượng giá bằng hàm RMV trong công thức (26).
Hoạt động của giao thức QCLR được mô tả như sau:
Khi một nút nhận được một gói RREQ hoặc RREP, nó sẽ tạo một đường mới hoặc cập nhật danh sách đường của entry có địa chỉ đích là địa chỉ nút nguồn (đối với đường nghịch) hoặc địa chỉ nút đích (đối với đường thuận). Sau đó, nút này sẽ đọc giá trị của các trường LINK_DELAY và
LINK_PLR từ entry tương ứng với nút đã gửi gói RREQ hoặc RREP cho nó trong bảng láng giềng của mình và cập nhật lại giá trị của các trường PATH_DELAY và PATH_PLR của đường tương ứng trong danh sách đường thuộc entry theo công thức (27) và (28).
𝑃𝐴𝑇𝐻_𝐷𝐸𝐿𝐴𝑌 = 𝐿𝐼𝑁𝐾_𝐷𝐸𝐿𝐴𝑌 + 𝑃𝐾𝑇_𝐷𝐸𝐿𝐴𝑌 (27)
𝑃𝐴𝑇𝐻_𝑃𝐿𝑅 = 1 − (1 − 𝐿𝐼𝑁𝐾_𝑃𝐿𝑅) ∙ (1 − 𝑃𝐾𝑇_𝑃𝐿𝑅) (28)
Nếu một nút cần phải chuyển tiếp gói RREQ hoặc RREP,nó sẽ cập nhật giá trị của các trường PKT_DELAY và PKT_PLR của gói bằng giá trị tương ứng của PATH_DELAY và PATH_PLR của đường tương ứng trong entry.
Khi một nút cập nhật bảng định tuyến của mình, giá trị của trường
PATH_STABILITY của các đường hiện có trong bảng định tuyến sẽ được tăng thêm một đơn vị. Giá trị ban đầu của trường này được khởi tạo bằng 1 khi một con đường được thêm mới danh sách đường của một điểm truy cập trong bảng định tuyến.
Khi nhận được nhiều gói RREP được gửi từ cùng một nút đích qua các con đường khác nhau, nút nhận sẽ sắp xếp các con đường này theo thứ
tự tăng dần của độ đo định tuyến được lượng giá bằng hàm RMV trong công thức (26).
Sau tiến trình tìm đường và thực hiện các thủ tục ở trên, với mỗi đích, chỉ có tối đa là 3 đường có giá trị của độ đo định tuyến lớn nhất sẽ được cài đặt vào entry tương ứng với đích trong bảng định tuyến. Đường có giá trị RMV lớn nhất sẽ được chọn làm đường chính và hai đường còn lại sẽ đóng vai trò các đường dự phòng. Các đường dự phòng chỉ được sử dụng khi đường chính bị lỗi hoặc bị xoá khỏi bảng định tuyến.
Nếu tồn tại hai con đường có cùng giá trị RMV, đường nào có giá trị
PATH_STABILITY lớn hơn sẽ được chọn làm đường chính để chuyển tiếp dữ liệu.
Nếu tồn tại hai con đường có cùng cả giá trị RMV và
PATH_STABILITY, đường có giá trị của các tham số thành phần trong độ đo định tuyến phù hợp hơn với lớp lưu lượng cần chuyển tiếp sẽ được chọn làm đường chính. Nếu lưu lượng dữ liệu hiện tại cần chuyển tiếp thuộc Lớp 1 hoặc Lớp 2, đường có giá trị PATH_DELAY nhỏ hơn sẽ được chọn. Nếu lưu lượng dữ liệu cần chuyển tiếp thuộc Lớp 3, đường có PATH_PLR nhỏ hơn sẽ được chọn.
2.5. Tổng kết Chương 2
Nội dung trọng tâm của Chương 2 là các phương pháp cải tiến giao thức định tuyến AOMDV trong mạng MANET được triển khai trong giao thức QCLR. Cải tiến này được thực hiện trên cơ sở phân loại các lưu lượng dữ liệu từ tầng Ứng dụng thành các lớp theo các yêu cầu QoS và xây dựng độ đo định tuyến động phù hợp với từng lớp lưu lượng cần chuyển tiếp. Để xây dựng được độ đo định tuyến này, phương pháp tiếp cận theo hướng xuyên tầng để thu thập thông tin về chất lượng các liên kết tại tầng Liên kết dữ liệu đã được sử dụng. Các thông tin về chất lượng liên kết được thu thập bao gồm tỉ lệ mất gói tin và độ trễ theo thời gian phục vụ. Bằng cách sử dụng các cặp trọng số khác nhau
cho từng lớp lưu lượng dữ liệu, hàm lượng giá đường đã được đề xuất nhằm ước lượng giá trị của đường phù hợp với yêu cầu QoS của dữ liệu cần chuyển tiếp từ tầng Ứng dụng. Để kiểm nghiệm các kết quả của các đề xuất cải tiến, giao thức AOMDV đã được lựa chọn để cải tiến thành giao thức QCLR.
Chương tiếp theo sẽ trình bày các kết quả thực nghiệm bằng mô phỏng để đánh giá mức độ hiệu quả của các phương pháp cải tiến trong giao thức QCLR so với giao thức gốc AOMDV.
CHƯƠNG 3. KIỂM NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 3.1. Kịch bản mô phỏng
Phần mềm mô phỏng NS2 được sử dụng để đánh giá hiệu năng của giao thức được đề xuất QCLR so với giao thức AOMDV. Các tham số và mô hình mô phỏng được lựa chọn trên cơ sở làm nổi bật cơ chế định tuyến QoS cho các lớp lưu lượng dữ liệu khác nhau. Mô phỏng được thực hiện trên một không gian vuông với kích thước mỗi cạnh là 2000 mét. Kích thước mạng được thay đổi từ 16 nút đến 25 nút, 36 nút và 49 nút. Tải lưu lượng được định nghĩa là tỷ lệ phần trăm giữa số luồng dữ liệu sử dụng trong mô phỏng chia cho số lượng luồng dữ liệu tối đa. Công nghệ IEEE 802.11b được sử dụng cho hoạt động của các nút ở tầng MAC và tầng Vật lý với khoảng cách truyền tối đa của mỗi nút là 250 mét, tốc độ truyền tối đa của mỗi nút qua kênh truyền là 11 Mbps và mô hình truyền tín hiệu là Shadowing. Cấu trúc mạng với vị trí khởi tạo ban đầu của các nút được thiết lập dưới dạng ma trận để đảm bảo tồn tại các con đường kết nối giữa các cặp nút bất kỳ trong mạng. Khoảng cách ban đầu giữa hai nút trong ma trận là 200 mét. Các nút trong mạng được thành 2 nhóm có số lượng nút xấp xỉ bằng nhau. Trong quá trình mô phỏng, tất cả các nút đều di chuyển một cách ngẫu nhiên với vận tốc 10 m/s. Thời gian mô phỏng là 1000 giây và mỗi nút nguồn sẽ khởi tạo tiến trình truyền lưu lượng của mình ở giây thứ 5. Mô hình sinh lưu lượng được lựa chọn là mô hình sinh lưu lượng với tốc độ cố định (CBR) với giao thức ở tầng Chuyển vận là UDP. Để phân biệt các lớp lưu lượng dữ liệu, trường ClassID sẽ được bổ sung vào các gói dữ liệu do CBR sinh ra. Hiệu năng của hai giao thức sẽ được đánh giá cho các lưu lượng dữ liệu Lớp 1 và Lớp 2 tương ứng với các luồng lưu lượng CBR hoạt động ở tốc độ 64 kbps và 200 kbps. Mỗi mô phỏng được thực hiện lặp lại 10 lần với sự thay đổi ngẫu nhiên về cách lựa chọn các cặp nút nguồn-đích.
Chi tiết về các tham số chung và tham số riêng sử dụng trong mô phỏng được tổng kết tương ứng trong Bảng 3.1 và Bảng 3.2.
Tham số Giá trị
Kích thước mạng (16, 25, 36, 49) nút
Topo mạng ban đầu Ma trận vuông
Khoảng cách ban đầu giữa các nút 200m
Diện tích mô phỏng 2000m x 2000m
Khoảng cách truyền tối đa 250m
Tải lưu lượng (20%, 40%, 60%, 80%)
Công nghệ tầng PHY/MAC 802.11b
Mô hình truyền Shadowing
Mô hình di chuyển Random way point
Vận tốc di chuyển trung bình 10 m/s
Thời gian mô phỏng 1000 giây
Thời điểm sinh lưu lượng Giây thứ 5
Bảng 3.1. Các tham số chung của mô phỏng
Tham số Lớp 1 Lớp 2
Mô hình sinh lưu lượng CBR CBR
Giao thức tầng Chuyển vận UDP UDP Tốc độ lưu lượng dữ liệu 64 kbps 200 kbps Trọng số (WD; WL) (0,53; 0,47) (0,40; 0,60)
Bảng 3.2. Các tham số riêng của mô phỏng
3.2. Các độ đo đánh giá hiệu năng
Hiệu năng của giao thức QCLR và AOMDV được đánh giá theo các độ đo hiệu năng sau:
Độ trễ truyền gói tin trung bình: Thời gian trung bình để truyền một gói tin từ nút nguồn tới nút đích. Đơn vị tính là mili giây (ms).
Thông lượng trung bình: Tổng lượng dữ liệu các nút đích nhận được trong một đơn vị thời gian. Đơn vị tính là kilo-bit / giây (kpbs).
Tải định tuyến: Tỉ lệ số gói tin điều khiển trên tổng số gói tin đã gửi đi.
Tỉ lệ truyền gói thành công: Tỉ lệ phần trăm tổng số gói tin nhận được tại các nút đích trên tổng số gói tin đã gửi đi tại các nút nguồn.
Độ biến thiên trễ truyền gói: Độ chênh lệch về giá trị trễ truyền từ nguồn tới đích giữa hai gói tin liên tiếp nhận được ở nút đích. Đơn vị tính là mili-giây (ms).
3.3. Các kết quả và đánh giá
3.3.1. Độ trễ truyền gói tin trung bình
Độ trễ gói tin trung bình được đo trong kịch bản sử dụng các luồng lưu lượng dữ liệu thuộc Lớp 1 và Lớp 2, kích thước mạng là 36 nút và tải lưu lượng được thay đổi từ 10% tới 90%. Kết quả của mô phỏng này được đưa ra trong Bảng 3.3 và được biểu diễn bằng đồ thị trong Hình 3.1.
Tải lưu lượng (%)
Trễ truyền gói trung bình lưu lượng Lớp 1
(ms)
Trễ truyền gói trung bình lưu lượng Lớp 2 (ms) QCLR AOMDV QCLR AOMDV 10 19,87 23,41 40,72 52,16 20 36,04 52,48 74,98 90,45 30 38,62 65,15 99,63 125,07 40 43,98 72,73 112,37 175,94 50 44,39 75,32 142,81 198,54 60 44,55 83,49 167,38 234,64 70 51,27 90,66 209,75 297,19 80 67,38 104,94 266,80 332,18 90 87,48 116,32 312,64 359,29 Trung bình 48,18 76,06 158,56 207,27
Bảng 3.3. Trễ truyền gói trung bình của giao thức QCLR và AOMDV
Hình 3.1. Trễ truyền gói trung bình của giao thức QCLR & AOMDV
cả hai lớp lưu lượng dữ liệu. Độ giảm trung bình của trễ truyền gói với lưu lượng Lớp 1, lưu lượng Lớp 2 và trung bình của cả hai lớp tương ứng là xấp xỉ 37%, 24% và 31%. Mặc dù giao thức QCLR cần nhiều thời gian hơn để xử lý các gói tin điều khiển tại mỗi nút so với giao thức AOMDV nhưng do độ đo định tuyến của giao thức QCLR có chứa tham số thành phần là trễ thời gian phục vụ nên giao thức này sẽ ưu tiên chọn các con đường có tổng trễ theo thời gian phục vụ nhỏ nhất. Vì vậy, thời gian trễ khi các nút mạng sử dụng giao thức QCLR để chuyển tiếp gói tin sẽ nhỏ hơn so với giao thức AOMDV.
3.3.2. Thông lượng trung bình
Kiểm nghiệm thứ hai sử dụng lưu lượng dữ liệu Lớp 2 với hai tải lưu lượng là 20% và 80%. Với mỗi tải lưu lượng, kích thước mạng được thay đổi từ 16 tới 25, 36 và 49 nút. Kết quả mô phỏng được đưa ra trong Bảng 3.4 và đồ thị biểu diễn sự biến đổi của thông lượng trung bình theo kích thước mạng trong Hình 3.2.
Số nút
Thông lượng trung bình lưu lượng 20% (kpbs)
Thông lượng trung bình lưu lượng 80% (kpbs) QCLR AOMDV QCLR AOMDV 16 183,49 130,85 162,53 115,94 25 125,93 87,94 93,93 64,93 36 106,40 63,66 85,94 41,04 49 60,66 50,11 37,33 17,04 Trung bình 119,12 83,14 94,93 59,74
Bảng 3.4. Thông lượng trung bình của giao thức QCLR và AOMDV
Kết quả này cho thấy giao thức QCLR đạt được thông lượng trung bình với tải lưu lượng 20%, 80% và trung bình hai tải lưu lượng so với giao thức AOMDV tương ứng là xấp xỉ 30%, 37% và 34%. Khi kích thước mạng tăng
lên, thông lượng của cả hai giao thức đều giảm nhưng thông lượng của giao thức QCLR vẫn cao hơn so với thông lượng của giao thức AOMDV.
Hình 3.3. Thông lượng trung bình của giao thức QCLR & AOMDV
Kết quả này phản ánh sự khác biệt của độ đo định tuyến và cơ chế định tuyến giữa hai giao thức. Do giao thức QCLR chọn đường theo cơ chế ưu tiên đường có tỉ lệ lỗi gói tin và độ trễ nhỏ trong khi giao thức AOMDV chọn đường theo cơ chế ưu tiên đường ngắn nhất về số chặng nên lượng dữ liệu chuyển tiếp đến các nút đích theo các con đường của giao thức QCLR sẽ lớn hơn so với giao thức AOMDV.
3.3.3. Tỉ lệ truyền gói thành công
Kết quả mô phỏng về tỉ lệ truyền gói thành công của hai giao thức QCLR và AOMDV được đưa ra trong Bảng 3.5 và đồ thị biểu diễn sự biến đổi của tỉ lệ truyền gói thành công theo tải lưu lượng được biểu diễn trong Hình 3.3. Trong kịch bản mô phỏng này, kích thước mạng được cố định là 36 nút trong
khi tải lưu lượng được thay đổi từ 20% tới 40%, 60 % và 80% đối với cả lưu lượng thuộc Lớp 1 và Lớp 2.
Tải lưu lượng (%)
Tỉ lệ truyền thành công lưu lượng Lớp 1
(%)
Tỉ lệ truyền thành công lưu lượng Lớp 2
(%) QCLR AOMDV QCLR AOMDV 20 93,74 85,02 70,08 62,94 40 90,39 80,73 64,30 55,38 60 88,91 78,13 32,83 15,89 80 85,84 76,95 25,94 9,10 Trung bình 89,72 80,21 48,29 35,83
Bảng 3.5. Tỉ lệ truyền thành công của giao thức QCLR và AOMDV
Kết quả mô phỏng cho thấy giao thức QCLR có tỉ lệ truyền gói tin thành công cao hơn so với giao thức AOMDV đối với cả hai lớp lưu lượng. Độ chênh lệch về thông số hiệu năng này đối với lưu lượng Lớp 1, Lớp 2 và trung bình 2 lớp tương ứng xấp xỉ là 11%, 26% và 19%. Tỉ lệ truyền thành công của cả hai giao thức chênh lệch không lớn đối với lưu lượng dữ liệu thuộc Lớp 1 khi tải lưu lượng biến đổi. Đối với lưu lượng Lớp 2, tỉ lệ truyền thành công của cả hai giao thức đều giảm xuống nhưng giá trị của tham số hiệu năng này mà giao thức QCLR đạt được vẫn cao hơn so với giao thức AOMDV. Đây là kết quả của việc giao thức QCLR ưu tiên chọn đường có độ bền cao hơn, tỉ lệ lỗi gói tin nhỏ hơn và độ trễ nhỏ hơn trong khi giao thức AOMDV ưu tiên chọn đường có số chặng nhỏ hơn.
Hình 3.3. Tỉ lệ truyền thành công của giao thức QCLR & AOMDV
3.3.4. Tải định tuyến
Tải định tuyến được đo khi cố định tải lưu lượng ở mức 80% trong khi kích thước mạng biến đổi từ 16 nút đến 25 nút, 36 nút và 49 nút. Lưu lượng dữ liệu thuộc Lớp 1 được sử dụng để đo và so sánh tải định tuyến của giao thức QCLR và giao thức AOMDV. Kết quả này được đưa ra trong Bảng 3.6 và được biểu diễn bằng đồ thị trong Hình 3.4.
Kết quả mô phỏng cho thấy, tải định tuyến trung bình của giao thức QCLR nhỏ hơn xấp xỉ 21% so với giao thức AOMDV. Kết quả này cho thấy giao thức QCLR có hiệu năng về tải định tuyến tốt hơn so với giao thức AOMDV. Nói cách khác, trong cùng một điều kiện về các tham số của mạng, giao thức QCLR sinh ra các gói tin điều khiển ít hơn giao thức AOMDV khi vận hành cơ chế định tuyến của mình. Điều này được giải thích bằng việc giao thức QCLR có