3.2.1. Mục tiêu thiết kế các giao thức định tuyến cho mạng MANET
Như ta đã biết, các đặc tính xác định của mạng ad hoc bao gồm các thiết bị có tài nguyên hạn chế, băng thông thấp, tỷ lệ lỗi cao và topo động. Trong số các nguồn tài nguyên của nút mạng, năng lượng pin thường là bị ràng buộc nhất. Do đó, mục tiêu thiết kế điển hình cho các giao thức định tuyến mạng Ad Hoc thường bao gồm:
Phụ tải điều khiển tối thiểu (Minimal control overhead). Kiểm soát việc gửi gói tin để tiết kiệm băng thông, chi phí xử lý và năng lượng pin cho cả việc truyền và nhận gói tin. Bởi vì sử dụng băng thông là một phần chi phí, giao thức định tuyến không nên gửi nhiều hơn số lượng tối thiểu các thông báo điều khiển cần cho các hoạt động, và cần được thiết kế sao cho con số này là tương đối nhỏ. Trong khi truyền năng lượng tiêu thụ gấp nhiều lần khi nhận, do đó việc giảm kiểm soát thông báo cũng giúp bảo tồn năng lượng pin.
Phụ tải xử lý tối thiểu (Minimal processingoverhead). Các thuật toán tính toán phức tạp đòi hỏi nhiều chu trình xử lý trong các thiết bị. Các chu trình xử lý làm cho các thiết bị di động sử dụng nguồn tài nguyên, tiêu thụ nhiều năng lượng pin. Các giao thức đơn giản với yêu cầu quá trình xử lý tối thiểu từ thiết bị di
động dẫn đến năng lượng pin được dự trữ cho các nhiệm vụ theo định hướng người sử dụng nhiều hơn, đồng thời kéo dài tuổi thọ pin.
Khả năng định tuyến đa chặng (Multihop routing capability). Phạm vi truyền dẫn không dây của các nút di động thường được giới hạn, các nguồn và đích có thể không nằm trong phạm vi truyền dẫn trực tiếp của nhau. Do đó, các giao thức định tuyến phải có khả năng khám phá các tuyến đường đa chặng giữa nguồn và đích để giao tiếp giữa các nút là có thể xảy ra.
3.2.2. Áp dụng các thuật toán định tuyến truyền thống trong mạng MANET
Các giao thức truyền thống như Distance Vector Routing hay Link State Routing được sử dụng trong các mạng truyền thống với tỉ lệ lỗi gói tin thấp, băng thông lớn, cấu hình ít thay đổi và thay đổi chậm. Ngược lại, những đặc điểm nổi bật của mạng MANET là tỉ lệ lỗi gói tin cao, băng thông thấp, cấu hình động. Vậy chúng ta có thể sử dụng các giao thức truyền thống Distance Vector Routing hay Link State Routing để định tuyến trong mạng Ad Hoc không? Câu trả lời là không, vì các lý do sau:
Thứ nhất, Link State và Distance Vector được thiết kế cho một topo tĩnh, có nghĩa là chúng sẽ gặp vấn đề về tính hội tụ về trạng thái ổn định cấu hình mạng ad hoc thường xuyên thay đổi. Link State và distance vector sẽ làm việc rất tốt trong một ad hoc có tính di động thấp, tức là một mạng mà ở đó topo không thay đổi thường xuyên. Vấn đề tồn tại là link-state và distance vector phụ thuộc nhiều vào các thông báo kiểm soát định kỳ. Mà số lượng các nút mạng lớn dẫn đến số lượng các đích đến cũng lớn. Điều này đòi hỏi trao đổi dữ liệu lớn và thường xuyên giữa các nút mạng, mâu thuẫn với thực tế là tất cả các thông tin cập nhật trong một mạng ad hoc kết nối không dây được truyền qua không khí và do đó tốn kém các tài nguyên như băng thông, năng lượng pin và thời gian CPU. Bởi vì cả link-state và distance vector cố gắng để duy trì các tuyến đường cho tất cả các đích đến có thể truy cập, điều này cần thiết để duy trì các tuyến đường và cũng làm lãng phí nguồn tài nguyên.
Thứ hai, một đặc trưng khác của các giao thức truyền thống là chúng giả định các liên kết là theo hai hướng cân xứng, ví dụ: việc truyền giữa hai host hoạt động tốt như nhau trong cả hai hướng. Trong môi trường vô tuyến không dây điều này không luôn luôn đúng như vậy.
Như đã trình bày ở trên, các giao thức định tuyến truyền thống như Link State
và Distance Vector không thể áp dụng trong mạng MANET vì chúng được thiết kế cho
mạng có topo tĩnh và các liên kết là liên kết đối xứng. Vì vậy, khi thiết kế các giao thức định tuyến mới cho mạng MANET ta cần phải xem xét các yêu cầu sau đây:
1. Phù hợp với topo động của mạng: Thuật toán phải được thiết kế sao cho phù hợp với tính động của topo mạng và các liên kết bất đối xứng.
2. Không để xảy ra hiện tượng lặp định tuyến: Giải pháp đưa ra có thể là sử dụng bộ đếm chặng trong mỗi gói tin. Mỗi khi gói tin di chuyển đến một nút mạng mới, bộ đếm chặng sẽ tăng thêm một, và đến một giá trị nào đó thì gói tin sẽ bị loại bỏ.
3. Chi phí tìm đường thấp: Tổng số gói tin tìm đường thấp và thời gian cần thiết để tìm được đường đi nhỏ là những yêu cầu quan trọng đối với vấn đề định tuyến trong mạng không dây.
4. Bảo mật: Giao thức định tuyến của mạng Ad Hoc có thể bị tấn công dễ dàng ở một số dạng như đưa ra các cập nhật định tuyến không chính xác hoặc ngăn cản việc chuyển tiếp gói tin, gián tiếp gây ra việc từ chối dịch vụ dẫn đến gói tin không bao giờ đến được đích. Chúng cũng có thể thay đổi thông tin định tuyến trong mạng, cho dù các thông tin đó là không nguy hiểm nhưng cũng gây tốn băng thông và năng lượng, vốn là những tài nguyên ”quý hiếm” trong mạng ad hoc. Do vậy cần có những phương pháp bảo mật thích hợp để ngăn chặn việc sửa đổi hoạt động của giao thức.
5. Hoạt động phân tán: Cách tiếp cận tập trung cho mạng ad hoc sẽ thất bại do sẽ tốn rất nhiều thời gian để tập hợp các thông tin trạng thái hiện tại của mạng để tính toán rồi lại phát tán lại nó cho các nút mạng. Trong thời gian đó, cấu hình mạng có thể đã thay đổi rất nhiều.
6. Thiết lập những cụm mạng nhỏ: Nếu giao thức định tuyến có thể xác định được các nút mạng gần nhau và thiết lập chúng thành một cụm mạng nhỏ thì sẽ rất thuận tiện trong định tuyến. Nếu các nút mạng đơn di chuyển nhanh hơn thì các cụm mạng lại ổn định hơn. Do đó, định tuyến trong các cụm mạng sẽ đơn giản hơn rất nhiều.
Vấn đề đặt ra là làm thế nào để đồng thời đạt được một số trong các yêu cầu nêu trên khi chúng có thể mâu thuẫn với nhau? Ta xét yêu cầu thứ nhất và yêu cầu thứ ba, dễ thấy theo yêu cầu thứ nhất thuật toán phải hoạt động tốt trong điều kiện topo của mạng thay đổi liên tục khi đó các nút mạng di chuyển liên tục dẫn đến số gói tin dùng tìm đường từ các cặp nguồn-đích nhiều hơn đồng thời làm tăng thời gian tìm đường, điều này mâu thuẫn với yêu cầu thứ ba. Chính vì vậy, ta cần đánh giá ảnh hưởng của mức độ linh động của các nút mạng đến hiệu quả của các giao thức định tuyến. Để từ đó:
Đề xuất chọn sử dụng giao thức định tuyến thích hợp với mức độ linh hoạt của mạng cụ thể.
Có thể điều chỉnh (tinh chỉnh) các tham số hoạt động của các giao thức định tuyến cho tối ưu.
3.3. Phân loại các giao thức định tuyến cho MANET [16]
Các giao thức định tuyến trong mạng MANET ra đời bằng cách cải tiến, bổ sung và kết hợp các thuật toán của các giao thức định tuyến truyền thống (Link State Routing, Distance Vector Routing, Source Routing) với nhau. Dưới đây tôi trình bày sơ lược về bốn giao thức định tuyến DSDV, OLSR, AODV và DSR được trình bày trong luận văn.
Destination-Sequenced Distance-Vector Routing (DSDV) là giao thức định tuyến bảng cho các mạng ad hoc dựa trên thuật toán Bellman-Ford. Nó được phát triển bởi C. Perkins và P.Bhagwat vào năm 1994. Đóng góp chính của thuật toán là giải quyết vấn đề lặp định tuyến.
Optimized Link State Routing Protocol (OLSR) là giao thức định tuyến IP tối ưu hóa cho các mạng ad hoc đặc biệt. Nó thuộc nhóm giao thức định tuyến chủ ứng dựa trên trạng thái liên kết, sử dụng thông báo Hello and Topology Control (TC) để tìm và sau đó lan truyền thông tin trạng thái liên kết trong toàn mạng. Từng nút sử dụng thông tin topo mạng để tính toán những chặng tiếp theo đến mọi đích trong mạng theo đường đi có số chặng chuyển tiếp nhỏ nhất.
Ad hoc On-Demand Distance Vector (AODV) là giao thức định tuyến cho các mạng MANET. Nó được phát triển bởi trung tâm nghiên cứu Nokia, Đại học California, Santa Barbara và Đại học Cincinnati bởi Perkins, E. Belding-Royer và S. Das. AODV là giao thức định tuyến phản ứng, nó thiết lập một tuyến đường đến đích khi có yêu cầu. Cũng giống như DSDV, AODV sử dụng số sequence number để cập nhật tuyến đường để tránh vấn đề lặp định tuyến.
Dynamic Source Routing (DSR) là giao thức định tuyến cho các mạng ad hoc. Tương tự như AODV, DSR là định tuyến theo yêu cầu. Tuy nhiên, nó sử dụng định tuyến nguồn thay vì sử dụng bảng định tuyến tại từng điểm trung gian.
3.3.1. Các khái niệm liên quan
3.3.1.1. Định tuyến chủ ứng và định tuyến phản ứng
Định tuyến chủ ứng (Proactive routing) là phương pháp định tuyến của các giao thức mà đường tới tất cả các đích được tính toán trước. Các thông tin định tuyến được cập nhật định kỳ hoặc bất cứ khi nào cấu hình mạng thay đổi. Ưu điểm của phương pháp là độ trễ phát gói tin thấp. Tuy nhiên, một số đường không cần dùng đến và việc truyền các thông điệp định kỳ tiêu tốn băng thông khi mạng thay đổi nhanh.
Định tuyến phản ứng (Reactive routing) là phương pháp định tuyến theo yêu cầu. Đường tới đích không được tính toán trước và chỉ được xác định khi cần đến. Quá trình phát hiện liên kết bị hỏng và xây dựng lại đường được gọi là quá trình duy trì đường. Ưu điểm của định tuyến phản ứng là hạn chế được băng thông do chỉ cần đường tới các đích cần thiết và loại bỏ các cập nhật định kỳ. Tuy nhiên, vấn đề với phương pháp là độ trễ lớn trước khi phát do việc phát hiện đường.
3.3.1.2. Cập nhật định kỳ và cập nhật theo sự kiện
Cập nhật định kỳ thực hiện bằng việc phát các gói tin định tuyến một cách định kỳ. Kỹ thuật này làm đơn giản hóa các giao thức và cho phép các nút học được về cấu hình và trạng thái của toàn bộ mạng. Tuy nhiên, giá trị quãng thời gian cập nhật là một tham số quan trọng.
Cập nhật theo sự kiện diễn ra khi có sự kiện xảy ra trong mạng như liên kết hỏng hoặc liên kết mới xuất hiện. Khi đó, gói tin cập nhật sẽ được quảng bá và trạng
thái cập nhật được truyền trong toàn bộ mạng. Nhưng khi mạng thay đổi nhanh, số lượng gói tin cập nhật sẽ lớn và có thể gây ra các dao động về đường.
Một số các giao thức sử dụng kết hợp hai cơ chế này như DSDV.
3.3.1.3. Tính toán phi tập trung và tính toán phân tán
Trong giao thức dựa trên tính toán phi tập trung, mọi nút trong mạng duy trì thông tin toàn cục hoàn chỉnh về cấu hình mạng để tính toán các đường đi ngay khi cần. Tính toán đường trong Link state là ví dụ của tính toán phi tập trung. Trong giao thức dựa trên tính toán phân tán, mọi nút trong mạng chỉ duy trì thông tin bộ phận hoặc cục bộ về cấu hình mạng. Khi một đường cần được tính toán, nhiều nút sẽ phối hợp để tính toán đường. Tính toán đường trong Distance vector và phát hiện đường trong các giao thức theo yêu cầu thuộc vào tiếp cận này.
3.3.1.4. Đơn đường và đa đường
Một số giao thức định tuyến tìm một đường duy nhất từ nguồn tới đích. Do đó, giao thức trở lên đơn giản và tiết kiệm được không gian lưu trữ. Tuy nhiên, một số giao thức khác lại áp dụng việc tìm nhiều đường. Mục tiêu của các giao thức này là sự tin cậy và mạnh mẽ.
3.3.2. Phân loại các giao thức định tuyến
Các giao thức định tuyến có thể được phân lớp tùy thuộc vào đặc tính của chúng. Ta có thể phân lớp theo 3 cách như sau:
Cách đầu tiên để phân loại các giao thức định tuyến là phân chia chúng theo các thuật toán tập trung và phân tán. Trong các thuật toán tập trung, tất cả các lựa chọn tuyến đường được thực hiện tại một nút trung tâm, trong khi ở các thuật toán phân tán, việc tính toán các tuyến đường được chia sẻ giữa các nút mạng.
Cách thứ hai phân loại các giao thức định tuyến liên quan đến sự thích ứng với lưu lượng trên mạng. Trong các thuật toán tĩnh (Static), tuyến đường sử dụng bởi các cặp nguồn-đích được cố định bất kể các điều kiện lưu lượng. Nó chỉ có thể thay đổi để thích ứng với một nút hoặc liên kết bị lỗi. Kiểu thuật toán này không thể đạt được thông lượng cao trong nhiều mô hình đầu vào lưu lượng lớn. Hầu hết các mạng gói tin quan trọng sử dụng một số hình thức định tuyến thích nghi, nơi các tuyến đường được sử dụng để định tuyến giữa các cặp nguồn-đích có thể thay đổi để phản ứng với tắc nghẽn.
Còn cách phân loại thứ ba có liên quan nhiều đến các mạng Ad Hoc là phân loại các thuật toán định tuyến dựa trên cách thông tin định tuyến được tìm thấy và duy trì bởi các nút di động như thế nào, gồm có: định tuyến chủ ứng, định tuyến phản ứng
và định tuyến lai. Các giao thức chủ ứng cố gắng để đánh giá liên tục các tuyến đường
trong mạng, để khi một gói tin cần được chuyển tiếp, tuyến đường đã được biết và có thể được sử dụng ngay lập tức. Tập hợp các giao thức Distance-Vector là một ví dụ của một giao thức chủ ứng. Các giao thức phản ứng, chỉ gọi một thủ tục xác định lộ trình theo yêu cầu. Vì vậy, khi một tuyến đường được yêu cầu, một số loại thủ tục tìm
kiếm toàn cục được thực hiện. Tập hợp các giao thức sử dụng thuật toán flooding cổ điển thuộc nhóm phản ứng. Các giao thức chủ ứng có lợi thế là khi một tuyến đường được yêu cầu, độ trễ trước khi các gói tin thực có thể được gửi là rất nhỏ. Mặt khác các giao thức chủ ứng cần thời gian để hội tụ về một trạng thái ổn định. Điều này có thể gây ra các vấn đề nếu topo thay đổi thường xuyên.
Trong luận văn này, chúng ta sẽ phân lớp theo cách thứ ba:
Hình 9. Phân loại các giao thức định tuyến trong mạng MANET [13]
3.3.2.1. Destination-Sequence Distance Vector (DSDV)
Giao thức định tuyến DSDV là giao thức định tuyến chủ ứng dựa trên véc tơ khoảng cách theo chặng, được sửa đổi từ giao thức vector khoảng cách để hoạt động của nó phù hợp với mạng MANET. Cơ sở của DSDV là thuật toán Bellman-Ford truyền thống. Vì DSDV là một giao thức chủ ứng nên mỗi nút trong mạng duy trì một bảng định tuyến có chứa chặng tiếp theo và số chặng tới từng đích trong mạng. Để giữ cho các bảng định tuyến được cập nhật, DSDV yêu cầu mỗi nút phát quảng bá định kỳ các cập nhật định tuyến tới các hàng xóm và phát ngay các gói tin cập nhật khi có các thay đổi quan trọng xảy ra trong mạng.
Bảng định tuyến chứa các thông tin sau đây: địa chỉ IP đích, số thứ tự đích, địa chỉ IP chặng tiếp theo, số chặng và thời gian cài đặt. DSDV sử dụng cả cập nhật bảng định tuyến định kỳ và sự kiện thường xuyên. Trong cập nhật định kỳ, ứng với khoảng thời gian cố định, mỗi nút quảng bá đến các hàng xóm số thứ tự hiện tại của nó, cùng với bản cập nhật bảng định tuyến. Các cập nhật bảng định tuyến có dạng:
<địa_chỉ_IP_đích số_thứ_tự_đích số_chặng>
Sau khi nhận dữ liệu cập nhật, các nút hàng xóm sẽ sử dụng thông tin này để tính toán các tuyến rồi cập nhật vào bảng định tuyến của mình nhờ các phương pháp lặp vestor khoảng cách.
Ngoài việc cập nhật định kỳ, DSDV cũng sử dụng bảng cập nhật sự kiện