Chương 3 Thuật toán định tuyến theo vùng ZRP 3.1 Giới thiệu chung
3.3.2. Mô phỏng hoạt động của thuật toán ZRP bằng hệ mô phỏng Qualnet
Qualnet
Qualnet là hệ mô phỏng phiên bản thương mại của Glomosim được công ty Scalable Network Technologies phát triển. Bản thử nghiệm mới nhất hiện nay là Qualnet 3.9.5, được đưa ra vào tháng 6 năm 2006 . Các phần mềm mô phỏng Qualnet đã được sử dụng trong hơn 200 trường đại học ở 30 nước trên toàn thế giới. Ta có thể tải được các gói phần mềm Qualnet cài đặt trên Linux, Unix hay Windows từ địa chỉ http://www.scalable-networks.com hoặc http://www.qualnet.com. Qualnet cũng cho phép người dùng tự xây dựng phát triển các module chương trình riêng và tích hợp vào hệ mô phỏng [11]. Qualnet 3.9.5 đã hỗ trợ thuật toán định tuyến ZRP. Giao diện của Qualnet khá thuận tiện cho người dùng. Người sử dụng thuộc các trường đại học được sử dụng thử Qualnet 3.9.5 trong vòng hai tuần sau khi cung cấp địa chỉ email của bản thân - địa chỉ do trường cấp phát và quản lý. Qualnet được cho là hệ mô phỏng có khả năng tính toán tốt, có thể sử dụng để tiến hành các thí nghiệm với các mô hình mạng có kích thước lớn, lưu lượng dữ liệu nhiều và các trạm làm việc có tính di động cao. Tuy nhiên, phiên bản Qualnet 3.9.5 mới chỉ hỗ trợ một số thuật toán định tuyến dành cho mạng ad-hoc như AODV, DSR, ZRP, HSLS.
Luận văn sử dụng hệ mô phỏng Qualnet để thực hiện các thí nghiệm và đánh giá hiệu quả làm việc của thuật toán ZRP. Các thí nghiệm được thực hiện với mô hình có 100 trạm làm việc, trên diện tích mô phỏng 1500m x 1500m trong khoảng thời gian 200 giây. Một chương trình nhỏ được xây dựng để sinh ngẫu nhiên các mẫu mô phỏng, chỉ rõ vị trí và sự di chuyển của các trạm làm việc. Các mẫu này được áp dụng chung cho các thí nghiệm đối với tất cả các thuật toán định tuyến. Tốc độ di chuyển tối đa của các trạm làm việc trong các mẫu mô phỏng khác nhau được thiết lập ở mức 5m/s, 10m/s và 20m/s. Để dễ dàng đánh giá hiệu quả làm việc của thuật toán, trong tất cả các thí nghiệm, 10 kết nối CBR (Constant Bit Rate) được tạo ra giữa các cặp trạm làm việc 1->10, 11->20, 21->30, 31->40, 41->50, 51->60, 61->70, 71->80, 81->90 và 91->100. Các trạm làm việc nguồn bắt đầu phát lần lượt 900 gói tin UDP từ giây thứ 10 (sau khi các trạm làm việc trên mạng đã trao đổi thông tin định tuyến cho nhau) của quá trình mô phỏng cho đến giây thứ 190, với tần suất phát 5 gói tin/giây. Mỗi gói tin có kích thước 1024 byte, đủ nhỏ để các gói IP không phải phân chia (segment), giúp cho việc phân tích kết quả được dễ dàng hơn. Các thí nghiệm sử dụng thuật toán định
tuyến ZRP được tiến hành với kích thước vùng định tuyến chọn bằng 2 hoặc 3 và tất cả các trạm làm việc trong cùng một thí nghiệm đều sử dụng chung một giá trị kích thước vùng định tuyến.
Hình 32. Thí nghiệm mô phỏng hoạt động của thuật toán ZRP trên hệ mô phỏng Qualnet
Trong khi tiến hành thí nghiệm, ta có thể quan sát thí nghiệm trên cửa sổ hiển thị Animator như trong hình 32. Kết quả của thí nghiệm sẽ được tổng kết và lưu vào một file, khi thí nghiệm kết thúc. Kết quả này có thể được công cụ phân tích Analyser của Qualnet hiển thị bằng biểu đồ và cho phép trích xuất dữ liệu.
Để đánh giá hiệu quả làm việc của thuật toán, các yếu tố được so sánh bao gồm: • Tỷ lệ gói tin truyền thành công: Hiệu quả hoạt động của mạng được đánh giá
qua nhiều thông số, trong đó có tỷ lệ các gói tin bị mất (packet loss). Mạng có nhất lượng cao phải có tỷ lệ mất gói tin thấp (dưới 1%), hay tỷ lệ các gói tin truyền thành công phải cao. Tỷ lệ này được tính bằng cách lấy tổng số gói số liệu mà trạm làm việc đích nhận được chia cho tổng số gói số liệu đã được các trạm làm việc nguồn phát đi.
• Lưu lượng gói tin định tuyến: Yếu tố này cho biết số lượng các gói tin định tuyến (bao gồm cả gói tin yêu cầu định tuyến và các gói tin được truyền cho mục đích bảo trì định tuyến) được truyền trên mạng để đảm bảo thông tin định
đánh giá thuật toán. Nếu thuật toán gửi quá nhiều gói tin định tuyến, sẽ dẫn đến hiện tượng nghẽn mạng, xung đột truyền dữ liệu (collision), do đó làm tăng độ trễ truyền tin trong các mạng có kích thước lớn. Việc tiến hành so sánh lưu lượng gói tin định tuyến có thể được thay bằng so sánh tổng số gói tin truyền trên mạng, vì số lượng các gói số liệu (của tầng ứng dụng) truyền trong tất cả các thí nghiệm là như nhau. Sự khác nhau về tổng số gói tin truyền trên mạng là do sự chênh lệch về số lượng các gói tin định tuyến.
• Thời gian trễ: Thời gian trễ là khoảng thời gian được tính từ khi gói tin CBR được truyền từ tầng ứng dụng của trạm làm việc nguồn tới khi tầng ứng dụng của trạm làm việc đích nhận được. Giá trị này cũng phản ánh hiệu quả định tuyến của các thuật toán. Trong thực tế, thuật toán định tuyến nào chọn được đường đi ngắn hơn, dung lượng đường truyền tốt hơn, tỷ lệ mất gói tin ít hơn, sẽ có thời gian trễ truyền tin ít hơn. Thời gian trễ truyền số liệu sẽ được tính trung bình tại mỗi trạm làm việc đích.
Tổng kết số liệu cho thấy, trong các thí nghiệm có các trạm làm việc di chuyển với tốc độ cao, khi sử dụng thuật toán định tuyến ZRP, chọn kích thước vùng định tuyến bằng 2, lưu lượng các gói tin truyền trên mạng thấp nhất. Nhưng nếu kích thước vùng định tuyến được lấy bằng 3 thì lưu lượng các gói tin tăng đáng kể và trở nên lớn nhất, so với các thuật toán khác. Các hình 33 và 34 là biểu đồ so sánh lưu lượng các gói tin truyền trên mạng của các thuật toán định tuyến trong một thí nghiệm mà các trạm làm việc có tốc độ di chuyển tối đa 20m/s.
Hình 33. Số lượng gói tin truyền trên từng trạm
Tuy nhiên, các thí nghiệm đối với mô hình mạng có các trạm làm việc di chuyển với tốc độ thấp (tối đa 5m/s) cho thấy, trên mạng sử dụng thuật toán định tuyến ZRP, cho dù chọn kích thước vùng định tuyến bằng 3, lưu lượng truyền tin vẫn thấp hơn so với mạng sử dụng thuật toán AODV.
Hình 34. Lưu lượng gói tin truyền trên mạng có tính di động cao
Bằng việc tiến hành nhiều thí nghiệm và tính toán độ trễ truyền tin trung bình, kết quả cho thấy, độ trễ của các gói tin trong các thí nghiệm sử dụng thuật toán ZRP khá thấp so với các thuật toán khác. Điều này phù hợp với các đánh giá trên cơ sở lý luận. Biểu đồ hình 35 thể hiện tương quan về thời gian trễ truyền tin trung bình của các thuật toán định tuyến.
Hình 35. Thời gian trễ trung bình của các gói tin
Tuy nhiên, kết quả mô phỏng cũng cho thấy số lượng các gói tin gửi thành công trong thuật toán định tuyến ZRP khá thấp, so với khi sử dụng thuật toán AODV. Biểu đồ trong hình 36 thể hiện điều này (trong biểu đồ, 10 trạm làm việc được đánh số từ 1 đến 10 tương ứng với 10 trạm đích 10, 20, 30,...100 trong các thí nghiệm được thực hiện). Tính bình quân, tỷ lệ các gói tin truyền thành công khi sử dụng thuật toán định tuyến ZRP chỉ là 34% so với 69% khi sử dụng thuật toán định tuyến AODV (con số này là 25,2% khi sử dụng thuật toán DSR).
Hình 36. Số lượng gói tin gửi thành công
Trong quá trình phân tích, tìm hiểu nguyên nhân, việc theo dõi hoạt động của các trạm làm việc trong một số thí nghiệm cho thấy có những trạm không gửi đi một gói tin yêu cầu định tuyến nào trong suốt thí nghiệm mô phỏng, mặc dù trạm nguồn và trạm đích di chuyển xa nhau trong thời gian cuối của thí nghiệm. Biểu đồ hình 37 biểu diễn số liệu của một thí nghiệm, cho thấy trạm 41 không gửi đi các gói tin yêu cầu định tuyến. Tiếp tục thống kê các gói tin cập nhật định tuyến nội vùng cho thấy, thành phần IARP của tất cả các trạm làm việc chỉ định kỳ gửi đi các gói tin cập nhật định tuyến mà không tiến hành cập nhật tức thời thông tin định tuyến (triggered update), trong khi các trạm làm việc thường xuyên di chuyển. Như vậy, các trạm làm việc đã không có được thông tin định tuyến chính xác phục vụ cho việc chuyển tiếp các gói tin. Đây chính là nguyên nhân khiến cho, trong các thí nghiệm sử dụng thuật toán định tuyến ZRP bằng hệ mô phỏng Qualnet, tỷ lệ các gói tin gửi thành công không cao.