CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ MANET
2.2.GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN CHO MẠNG ADHOC
2.2.1. Các yêu cầu chung
Do các nút trong mạng Ad Hoc ln di động và có nhiều đặc tính khác biệt nên khơng thể áp dụng các giao thức định tuyến thông thƣờng. Các mạng Ad Hoc thƣờng đƣợc đặc trƣng bởi một topo động do các nút di chuyển làm thay đổi vị trí vật lý của chúng. Đối với mạng Ad Hoc, giao thức định tuyến động tỏ ra hiệu quả và phù hợp hơn các phƣơng pháp định tuyến dựa trên vectơ khoảng cách và trạng thái liên kết. Thách thức trong việc thiết kế các giao thức định tuyến là khả năng cập nhật đƣợc mức di động của nút mạng. Chích mức di động này là nguyên nhân làm thay đổi toàn bộ cấu trúc topo của mạng. Một nút di động thƣờng bị giới hạn bởi khả năng xử lý của CPU, dung lƣợng lƣu trữ, công suất nguồn và dải thông.
Môi trƣờng truy cập, mơi trƣờng vơ tuyến c ng có những thuộc tính đặc biệt cần phải chú ý khi thiết kế các giao thức cho mạng Ad Hoc. Ví dụ các đƣờng truyền vô hƣớng. Những đƣờng truyền này xuất hiện khi hai nút có cƣờng độ khác nhau và cho phép chỉ một nút nghe đƣợc nút kia. Nhƣng chúng c ng có thể xuất hiện do nhiễu từ môi trƣờng xung quanh. Đa chặng trong mơi trƣờng vơ tuyến có thể gây ra tăng ích cơng suất truyền và tăng ích cơng suất do mối quan hệ căn bậc hai giữa vùng phủ sóng và cơng suất phát ra. B ng cách sử dụng đa chặng, các nút có thể truyền các gói tin đi sử dụng cơng suất ra thấp.
Hình 2.1 Mơ tả các trục cơ bản có thể sử dụng để đặc tả môi trƣờng mạng Ad Hoc. Trục đầu tiên là số các nút trong mạng. Trục thứ hai là tốc độ mà tại đó topo mạng thay đổi. Trục thứ ba là tải lƣu lƣợng trong mạng. Khi môi trƣờng di chuyển từ gốc của 3 trục, vấn đề định tuyến trở nên khó khăn hơn. Tăng số nút, tăng tốc độ thay đổi topo (nghĩa là tăng tính di động của
nút), hoặc tăng tải lƣu lƣợng mong muốn trên mạng là thách thức đói với các giao thức trong mạng Ad Hoc.
Hình 2.1. H ơ b ườ A H
Yêu cầu đối với một giao thức định tuyến cho mạng Ad hoc là gì? Sau đây là một số yêu cầu quan trọng:
Hoạt động phân tán: Giao thức định tuyến trong mạng Ad Hoc phải là giao thức phân tán yêu cầu độ tin cậy cao. Do các nút là di động nên giao thức định tuyến tập trung là không phù hợp. Mỗi nút mạng phải đủ thông minh để tạo các quyết định định tuyến sử dụng các nút lân cận.
Không lặp v ng: Để nâng cao chất lƣợng hoạt động, giao thức định tuyến cần đảm bảo đƣờng định đƣợc cung cấp không bị lặp v ng, điều này s làm giảm l ng phí băng thơng và cơng suất tiêu hao của CPU.
Sử dụng các siêu nút: Tất cả các giao thức hiện có đều giả định r ng các nút di động là có cùng các đặc tính dựa trên bản chất của mạng tự tổ chức là tập hợp của các nút ngang hàng. Mặc dù điều này có thể đúng trong một số trƣờng hợp, tuy nhiên, có trƣờng hợp mà ở đó mạng có các nút có băng thơng cao, nguồn ni ổn định, liên kết không dây tốc độ cao hơn so với các nút khác. Các nút nhƣ vậy đƣợc gọi là các siêu nút. Các mạng tự tổ chức trong trƣờng hợp này thƣờng có cấu trúc 2 mức: vùng backbone và vùng phụ. Vùng backbone bao gồm các siêu nút. Thêm vào đó các siêu nút thƣờng đƣợc giả
định là có độ di chuyển thấp hơn các nút thƣờng để duy trì sự ổn định của backbone. Các nút thƣờng khơng cần có quyết định định tuyến.
Hoạt động dựa trên yêu cầu: Tối thiểu hóa phần thơng tin điều khiển trong mạng, giao thức định tuyến thuộc nhóm định tuyến theo yêu cầu có thể đáp ứng đƣợc điều này. Nó chỉ tìm đƣờng khi cần thiết và không quảng bá thông tin điều khiển liên tục.
Tính tiên phong (proactive): Trong một số trƣờng hợp, trễ lớn do hoạt động dựa trên yêu cầu là khơng chấp nhận đƣợc. Do đó phải sử dụng đặc tính tiên phong nếu tài nguyên của mạng (về mặt giải thông) n m trong khoảng cho phép.
Hỗ trợ các liên kết một chiều: Mơi trƣờng vơ tuyến có thể là ngun nhân hình thành các liên kết theo một hƣớng. Sử dụng kiểu liên kết này và kiểu liên kết hai chiều s nâng cao hiệu năng của giao thức định tuyến.
Bảo mật: Môi trƣờng vô tuyến rất dễ bị tấn công, khai thác thông tin, do đó m hóa và chứng thực là cách bảo mật thông thƣờng nhất đƣợc áp dụng hiện nay.Vấn đề là việc phân bổ các khóa và các nút trong mạng Ad hoc.
Bảo toàn năng lƣợng: Nút mạng trong mạng Ad hoc có thể là máy tính xách tay hay loại client nhỏ gọn khác nhƣ PDA thƣờng có giới hạn về thời gian sử dụng của pin, nên cần có chế độ chờ (standby mode) để tiết kiệm năng lƣợng. Do đó, giao thức định tuyến sử dụng cần hỗ trợ chế độ chờ của nút mạng.
Nhiều đƣờng định tuyến: Nh m giảm số lần tác động do sự thay đổi về cấu trúc mạng và khi nhiều đƣờng định tuyến bị ngh n. Nếu nhƣ một đƣờng định tuyến khơng sử dụng đƣợc nữa thì một đƣờng định tuyến khác có thể thay thế. Nhƣ vậy, giao thức khơng cần khởi tạo lại thủ tục tìm đƣờng.
Hỗ trợ QoS: Có nhiều loại QoS cần đƣợc sự hỗ trợ của các giao thức định tuyến, nó phụ thuộc vào mục đích của mạng; chẳng hạn, hỗ trợ lƣu lƣợng thời gian thực,...
2.2.2. Phân loại
Để so sách và phân tích các giao thức định tuyến cho mạng Ad hoc, các phƣơng thức phân loại hợp lý là rất quan trọng. Các phƣơng thức phân loại giúp cho các nhà nghiên cứu và các nhà thiết kế hiểu đƣợc những đặc trƣng khác nhau và mối quan hệ giữa các giao thức. Các đặc trƣng này chủ yếu liên quan đến việc tập hợp thông tin định tuyến, đến vai tr mà một nút có thể đảm nhận trong quá trình định tuyến[7].
a. Định tuyến theo b ng, định tuyến theo yêu cầu và định tuyến ai
Một trong những phƣơng thức phổ biến nhất để phân loại các giao thức định tuyến cho mang Ad hoc là dựa trên việc thông tin định tuyến đƣợc tập hợp và đƣợc duy trì nhƣ thế nào bới các nút di động. Sử dụng phƣơng thức này, các giao thức định tuyến cho mạnh Ad hoc đƣợc phân chia nhƣ bảng 2.2.
Hình 2.2.P l ứ ế A
Các giao thức định tuyến proactive: c n đƣợc gọi là các giao thức định tuyến theo bảng (table-driven). Sử dụng các giao thức này, các nút di động cố gắng đánh giá liên tục các tuyến trong mạng để khi một gói cần phải chuyển tiếp thì tuyến đó đ sẵn sàng để sử dụng. Mỗi nút duy trì một hay nhiều bảng
ZRP, HARP…. Adhoc Routing Protocols
Table-Driven Demand-Driven DSDV WRP OLSR CGSR AODV LMR DSR TORA ABR SSR
chứa thông tin định tuyến tới các nút trong mạng. Tất cả các nút trong mạng s cập nhật các bảng này để duy trì một cách phù hợp thơng tin và tình trạng của mạng, do đó tiêu đề định tuyến trong các giao thức này là khá lớn. Khi topo mạng thay đổi, các nút truyền các bản tin thông báo cho nhau để cập nhật thông tin về tuyến của toàn bộ mạng. Giao thức định tuyến trạng thái liên kết tối ƣu OLSR (Optimized Link State Routing) và giao thức định tuyến vector khoảng cách tuần tự đích DSDV (Dynamic Destination-Sequenced Distance-Vector Routing) là hai ví dụ của giao thức định tuyến proactive
Các giao thức định tuyến reactive: c n đƣợc gọi là các giao thức định tuyến theo yêu cầu (on-demand). Sử dụng các giao thức này, thủ tục xác định tuyến chỉ đƣợc gọi theo yêu cầu. Việc này đƣợc thực hiện thông qua hoạt động khám phá tuyến đƣờng (route discovery). Quá trình khám phá tuyến kết thúc sau khi hoặc có một tuyến đƣợc tìm ra hoặc khơng có tuyến nào sẵn có sau khi đ kiểm tra toàn bộ các tuyến đƣờng. Trong mạng Ad hoc, các tuyến đang hoạt động có thể bị đứt do tính di động của nút. Do đó, duy trì tuyến là một hoạt động quan trọng của định tuyến theo yêu cầu. So sánh với định tuyến theo bảng, ít tiêu đề định tuyến là 1 ƣu điểm của định tuyến theo yêu cầu. Tuy nhiên, sử dụng định tuyến theo yêu cầu thì việc gửi gói tin s có trễ lớn do nút nguồn phải tìm đƣờng trƣớc khi gửi dữ liệu. Hai giao thức reactive điển hình là giao thức định tuyến vector khoảng cách theo yêu cầu AODV (Ad hoc On-demand Distance Vector Routing) và giao thức định tuyến định tuyến nguồn động DSR (Dynamic Source Routing).
Các giao thức định tuyến lai (hybrid) đƣợc đề xuất để kết hợp ƣu điểm của 2 loại giao thức trên và khắc phục các nhƣợc điểm của chúng. Thông thƣờng, các giao thức lai đƣợc triển khai trong mạng có cấu trúc phân cấp. Khi đó, các đặc tính định tuyến theo bảng và định tuyến theo yêu cầu s đƣợc
khai thác độc lập ở các mức phân cấp khác nhau. Zone Routing Protocol (ZRP) và Hybrid Ad Hoc Routing Protocol là những ví dụ của giao thức lai.
b. C u trúc và ph n bổ tiến trình định tuyến (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Một phƣơng thức phân loại khác là dựa trên vai tr có thế có của nút trong cơ chế định tuyến. Trong giao thức định tuyến đồng bộ, tất cả các nút di động có cùng vai tr và chức năng. WRP, DSR, AODV và DSDV là những ví dụ về định tuyến đồng bộ. Các giao thức này thƣờng giả định r ng cấu trúc mạng là phẳng. Trong một giao thức định tuyến bất đồng bộ, một số nút đảm nhận vai tr quản lý và chức năng khác nhau. Thuật toán phân tán đƣợc sử dụng để lựa chọn các nút đặc biệt này. Trong một số trƣờng hợp, các phƣơng pháp định tuyến bất đồng bộ gắn liền với cấu trúc mạng phân cấp để dể dàng tổ chức và quản lý các nút. Các giao thức định tuyến bất đồng bộ có thể đƣợc phân chia dựa trên việc tổ chức các nút di động, chức năng định tuyến và quản lý đƣợc thực hiện nhƣ thế nào. Theo đó, các giao thức định tuyến bất đồng bộ trong mạng Ad hoc đƣợc chia thành định tuyến phân cấp theo vùng, định tuyến phân cấp theo nhóm và định tuyến theo nút lõi.
Trong các giao thức định tuyến theo vùng, các thuật toán xây dựng vùng khác nhau đƣợc triển khai cho việc tổ chức nút; ví dụ, một số thuật toán xây dựng vùng sử dụng thơng tin vị trí địa lý. Khai thác hiệu quả việc phân chia vùng s giảm đƣợc đáng kể tiêu đề để duy trì thơng tin định tuyến. Các nút di động trong cùng một vùng biết đƣờng đến các nút khác s có chi phí nhỏ hơn so với việc duy trì thơng tin định tuyến tới tất cả các nút trong toàn mạng. Một số nút hoạt động nhƣ là gateway và đảm nhận truyền thông liên vùng. ZRP và ZHLS là hai giao thức định tuyến theo vùng cho mạng Ad hoc.
Các giao thức định tuyến theo nhóm sử dụng thuật tốn xây dựng nhóm cho việc bầu chọn trƣởng nhóm (cluster-head). Các nút di động đƣợc nhóm
thành các nhóm, trƣởng nhóm đóng vai tr quản lý thành viên và đảm nhận chức năng định tuyến. Clusterhead Gateway Switch Routing (CGSR) là một ví dụ của định tuyến theo nhóm.
Trong các giao thức định tuyến theo nút lõi, các nút đặc biệt đƣợc tự động lựa chọn để gộp thành 1 backbone trong mạng. Các nút “backbone” đảm nhận các vai tr đặc biệt, nhƣ là xây dựng và theo dõi đƣờng định tuyến, quảng bá gói tin dữ liệu. Core-Extraction Distributed Ad Hoc Routing (CEDAR) là một ví dụ điển hình của loại định tuyến này.
c. Khai thác các metric mạng cho định tuyến
Các metric sử dụng cho việc xây dựng tuyến đƣờng có thể đƣợc sử dụng để phân loại các giao thức định tuyến trong mạng Ad hoc. Gần nhƣ mọi giao thức định tuyến cho mạng Ad hoc sử dụng “số chặng” làm metric. Nếu có nhiều tuyến đƣờng có sẵn, tuyến nào có số chặng nhỏ nhất s đƣợc lựa chọn. Nếu tất cả các liên kết khơng dây có cùng xác suất lỗi thì đƣờng định tuyến ngắn s ổn định hơn đƣờng định tuyến dài và có thể giảm tiêu đề lƣu lƣợng, giảm xung đột gói tin. Tuy nhiên, giả định có cùng xác suất lỗi có thể khơng tồn tại trong mạng Ad hoc. Theo đó, sự ổn định liên kết phải đƣợc cân nhắc trong pha xây dựng tuyến đƣờng. Vi dụ, Associatively Based Routing (ARB) và Signal-Based Routing (SSR) đƣợc đề xuất để sử dụng sự ổn định liên kết và độ mạnh tín hiệu nhƣ là một metric cho định tuyến.
Với sự phổ biến của điện tốn di động, một số ứng dụng di động có thể có các yêu cầu QoS khác nhau. Để đáp ứng các yêu cầu này, các metric QoS tƣơng ứng lên đƣợc sử dụng cho việc định tuyến và chuyển tiếp gói tin trong mạng Ad hoc. Giống nhƣ mạng có dây, các giao thức định tuyến QoS cho mạng Ad hoc có thể sử dụng các metric, nhƣ là băng thông, trễ, trễ jitter, tỉ lệ
lỗi gói tin và chi phí. Ví dụ, băng thơng và độ ổn định liên kết đƣợc sử dụng trong CEDAR làm metric cho việc xây dựng tuyến đƣờng.
d. Ước ượng topo, đích, vị trí cho định tuyến
Trong một giao thức định tuyến theo topo cho mạng Ad hoc, các nút tập hợp thông tin topo mạng cho việc định tuyến. Ngoài các giao thức định tuyến theo topo, một số giao thức định tuyến theo đích đƣợc đề xuất cho mạng Ad hoc. Trong các giao thức này, một nút chỉ cần biết next-hop trên đƣờng định tuyến khi chuyển tiếp gói tin tới đích. Ví dụ, DSR là giao thức định tuyến theo topo và AODV, DSDV là giao thức định tuyến theo đích. Việc sẵn có của hệ thống định vị tồn cầu (GPS) hoặc các hệ thống định vị tƣơng đƣơng cho phép các nút di động truy nhập thơng tin vị trí địa lý một cách dễ dàng. Trong các giao thức định tuyến theo vị trí, mối quan hệ về vị trí giữa các nút chuyển tiếp gói tin và nút đích, cùng với sự di chuyển của nút, có thể đƣợc sử dụng trong cả quá trình khám phá tuyến và chuyển tiếp gói tin. Location Aided Routing (LAR) và Distance Routing Effect Algorithm for Mobility (DREAM) là các giao thức định tuyến theo vị trí cho mạng Ad hoc.
2.3. GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN AODV
Yêu cầu cơ bản của thuật tốn có thể đƣợc gọi là các hệ thống tiếp nhận đƣờng đi theo yêu cầu thuần túy; các nút không n m trên tuyến hoạt động thì khơng duy trì bất kì thơng tin định tuyến c ng nhƣ khơng tham gia vào bất kì bảng định tuyến nào. Hơn nữa, một nút khơng có gì để khám phá và duy trì tuyến tới nút khác cho đến khi hai nút phải kết nối, trừ khi các nút trƣớc cung cấp các dịch vụ của mình nhƣ là trạm trung chuyển để duy trì kết nối giữa hai nút khác. Khi khu vực kết nối của nút di động đƣợc quan tâm, mỗi nút di động có thể nhận biết đƣợc các nút hàng xóm nhờ việc sử dụng một số kĩ thuật, bao gồm quảng bá nội vùng ( khơng phải tồn hệ thống) đƣợc biết đến
nhƣ các bản tin Hello. Bảng định tuyến của các nút lân cận đƣợc tổ chức tối ƣu hóa thời gian để đáp ứng nội vùng và cung cấp cho các yêu cầu thành lập tuyến mới. Mục tiêu chính của thuật tốn là:
1. Chỉ phát gói quảng bá khi cần thiết
2. Để phân biệt giữa quản lý kết nối nội vùng và duy trì topo mạng nói chung.
3. Để phổ biến thơng tin về các thay đổi trong kết nối nội cùng với các nút di động hàng xóm có khả năng cần thơng tin.
AODV sử dụng một cơ chế khám phá tuyến, c ng nhƣ đƣợc sử dụng ( với sửa đổi, bổ sung) trong thuật toán định tuyến nguồn động DSR. Thay vì dùng tuyến nguồn, AODV lại dựa vào bảng định tuyến thiết lập động tại các nút trung gian. Sự khác biệt này phải trả giá trong mạng mà có nhiều nút, nơi