CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.2 Tổng quan về mạng MANET (Mobile Ad-hoc Network)
2.2.1 Khái niệm cơ bản:
Các thiết bị di động như các máy tính xách tay, với đặc trưng là công suất CPU, bộ
nhớ lớn, dung lượng đĩa hàng trăm gigabyte, khả năng âm thanh đa phương tiện và màn hình màu đã trở nên phổ biến trong đời sống hàng ngày và trong công việc. Đồng thời, các yêu cầu kết nối mạng để sử dụng các thiết bị di động gia tăng đáng kể, bao gồm việc hỗ trợ các sản phẩm mạng vô tuyến dựa trên vô tuyến hoặc hồng ngoại ngày càng nhiều.
Với kiểu thiết bị điện toán di động này, thì giữa những người sử dụng di động luôn mong muốn có sự chia sẻ thông tin.
Một mạng tùy biến là một tập hợp các thiết bị di động hình thành nên một mạng tạm thời mà không cần sự trợ giúp của bất kỳ sự quản lý tập trung hoặc các dịch vụ hỗ trợ chuẩn nào thường có trên mạng diện rộng mà ở đó các thiết bị di động có thể kết nối được. Các node được tự do di chuyển và thiết lập nó tùy ý. Do đó, topology mạng không dây có thể thay đổi một cách nhanh chóng và không thể dự báo => Nó có thể hoạt động một mình hoặc có thể được kết nối tới internet.
Hình 2.1 Mạng MANET
Vậy MANET (mobile ad hoc network) là một tập hợp các nút mạng di động không dây, nằm phân tán về mặt địa lý tạo thành một mạng tạm thời mà không sử dụng bất cứ cấu trúc hạ tầng mạng có sẵn hay quản lý tập trung nào. Mối thiết bị kết nối trực tiếp với các thiết bị khác trong mạng, các nút di động trao đổi trực tiếp với nhau thông qua một bộ biến đổi vô tuyến. Về cơ bản, hai máy tính được thêm Card adapter vô tuyến có thể hình thành một mạng độc lập khi chúng ở trong dải tần của nhau. Mô hình này thích hợp cho việc kết nối một nhóm nhỏ các thiết bị và không cần giao tiếp với các hệ thống mạng khác, như trong các hội nghị
thương mại hoặc trong các nhóm làm việc tạm thời. Các mạng hình thành theo nhu cầu như vậy không nhất thiết phải quản lý hay thiết lập cấu hình từ trước. Nút di động có thể truy cập vào các tài nguyên của máy khác mà không trải qua một
máy trung tâm. Tuy nhiên, chúng có thể có những nhược điểm vùng phủ sóng bị giới hạn, mọi người sử dụng đều nghe được lẫn nhau.
Trong chuẩn IEEE 802.11 tham chiếu với mô hình OSI (Open Systems Interconnection), tầng liên kết dữ liệu gồm hai tầng con là MAC và LLC (Logical Link Control) .
Tầng MAC: Chịu trách nhiệm tạo khuôn dạng gói số liệu theo cấu trúc quy định. Điều khiển việc truy nhập vào kênh truyền chung một cách bình đẳng đồng thời phát hiện và
Tầng LLC: Chịu trách nhiệm thực hiện các biện pháp điều khiển lưu lượng và điều
khiển tắc nghẽn, đồng thời phát hiện lỗi và sửa lỗi. Nhiệm vụ chung của lớp conLLC là đảm bảo chuyển tiếp số liệu chính xác giữa các thực thể cuối của giao thức trao đổi số liệu và hỗ trợ ứng dụng ở các mức chức năng cao hơn trong LAN. Ngoài ra, tầng LLC còn sử dụng các dịch vụ của tầng MAC để cung cấp dịch vụ vận chuyển giống nhau cho tầng mạng bên trên. Trong mạng Ad hoc, mỗi nút mạng đóng vai trò là trạm trung chuyển của các nút khác.
Giao thức MAC trong chuẩn IEEE 802.11 cho việc truy cập đường truyền trong WLANs là một chuẩn không chính thức (de facto) cho các mạng Ad hoc. Trong môi trường mạng Ad hoc, các thiết bị di động của người dùng hình thành nên mạng và chúng phải cộng tác với nhau để cung cấp chức năng thông thường được cung cấp bởi cơ sở hạ tầng mạng (ví dụ routers, switches, và servers). Cách tiếp cận này đòi hỏi mật độ người dùng phải đủ lớn để đảm bảo việc chuyển tiếp các gói tin giữa bên gửi và bên nhận. Nếu mật độ người dùng thấp, mạng có thể trở nên không hoạt động được. Tuy nhiên, nếu mật độ người dùng cao thì hiệu năng của mạng như độ trễ, tính công bằng sẽ suy giảm nghiêm trọng. Trong các mạng Ad hoc đa chặng, các trạm cộng tác để chuyển tiếp các gói tin từ các trạm khác qua mạng. Do đó, một trạm phải truyền đi cả luồng
trực tiếp (direct flow), sinh ra bởi chính trạm đó và các luồng chuyển tiếp (forwarding
flow), được sinh ra bởi các trạm hàng xóm, do đó nó chia sẻ dung lượng kênh truyền với các trạm hàng xóm. Hiệu ứng của sự tranh chấp tại tầng MAC và tầng liên kết sẽ ảnh hưởng đến hiệu năng của mạng, đặc biệt là sự công bằng.
Trong mạng không dây, tránh xung đột phải được thực hiện để đảm bảo các gói tin đến được đích. Để giảm thiểu xung đột, Chức năng điều phối phân tán – DCF (Distributed Coordination Function) dựa trên phương pháp điều khiển CSMA/CA yêu cầu một nút muốn truyền phải lắng nghe môi trường trong một khoảng thời gian DIFS (DCF InterFrame Space). Trong khoảng thời gian này, nếu nút cảm nhận môi trường đang bận, nó sẽ trì hoãn quá trình truyền của chính mình. Khi có nhiều nút đồng thời đang chờ cảm nhận môi trường, chúng cũng sẽ đồng thời nhận thấy kênh truyền được giải phóng và sau đó cố gắng truy cập kênh truyền cùng một lúc. Do đó, xung đột có thể xảy ra.
2.2.2 Các đặc điểm chính của mạng MANET:
Mỗi nút di động khác nhau trong mạng MANET đều có những đặc điểm về nguồn năng lượng, bộ phận thu phát sóng khác nhau. Chúng có thể di chuyển về mọi hướng
theo các tốc độ khác nhau, do đó ta có thể nhận thấy rõ một số đặc điểm chính của mạng MANET như sau:
• Thiết bị tự trị đầu cuối: Trong Manet, mỗi thiết bị di động đầu cuối là một node tự
trị. Nó có thể mang chức năng của một thiết bị đầu cuối và thiết bị định tuyến. Vì vậy thiết bị đầu cuối và định tuyến là không thể phân biệt được trong mạng Manet.
• Phân chia hoạt động: Vì không có hệ thống mạng nền tảng cho trung tâm kiểm soát
hoạt động của mạng, nên việc kiểm sát và quản lý hoạt động của mạng được chia cho
các thiết bị đầu cuối. Các node trong MANET đòi hỏi phải có sự phối hợp với nhau.
• Định tuyến đa đường: Thuật toán định tuyến không dây cơ bản có thể định tuyến một chặng và nhiều chặng dựa vào các thuộc tính liên kết khác nhau và giao thức định tuyến. Singlehop Manet đơn giản hơn multihop ở vấn đề cấu trúc và thực hiện với chi phí thấp và ít ứng dụng. Khi truyền các gói dữ liệu từ một nguồn của nó đến điểm trong phạm vi truyền tải trực tiếp không dây, các gói dữ liệu sẽ được chuyển tiếp qua một hoặc nhiều trung gian các nút.
• Sơ đồ mạng động: vì các node là di động, nên cấu trúc mạng có thể thay đổi nhanh và
không biết trước và các kết nối giữa các thiết bị đầu cuối có thể thay đổi theo thời gian.
MANET sẽ thích ứng tuyến vàđiều kiện lan truyền giống như mẫu di động và các node mạng di động. Các node di động các nút trong mạng thiết lập định tuyến động với nhau khi chúng di chuyển, hìnhthành mạng riêng của chúng trong không trung. Hơn nữa, một User trong Manet có thể không chỉ hoạt động trong mạng lưới di động đặc biệt, mà còn có thể yêu cầu truy cập vào một mạng cố định công cộng (Ví dụ: Internet).
• Dao động về dung lượng liên kết: Bản chất tỉ lệ bit lỗi cao của kết nối không dây cần
quan tâm trong mạng MANET. Từ đầu cuối này đến đầu cuối kia có thể được chia sẻ
qua một vài chặng. Kênh giao tiếp ở đầu cuối chịu ảnh hưởng của nhiễu, hiệu ứng đa đường, sự giao thoa, và băng thông của nó ít hơn so với mạng có dây. Trong một vài tình huống, truy cập của hai người dùng có thể qua nhiều liên kết không dây và các liên kết này có thể không đồng nhất.
• Tối ưu hóa cho thiết bị đầu cuối: Trong hầu hết các trường hợp các node trong mạng
MANET là thiết bị với tốc độ xử lý của CPU thấp, bộ nhớ ít và lưu trữ điện năng ít. Vì vậy cần phải tối ưu hóa các thuật toán và cơ chế.
• Băng thông hạn chế: Các liên kết không dây có băng thông thấp hơn so với đường
truyền cáp và chúng còn chịu ảnh hưởng của sự nhiễu, suy giảm tín hiệu, các điều kiện
• Bảo mật yếu: Đặc điểm của mạng MANET là truyền sóng qua môi trường không khí,
điều này khiến cho cơ chế bảo mật kém hơn so vơi môi trường truyền cáp vì nó tiềm ẩn nhiều nguy cơ bị tấn công, nghe lén đường truyền, giả mạo, DoS…
• Tối ưu hóa thiết kế: Trong hầu hết các trường hợp các node trong mạng MANET là
thiết bị với tốc độ xử lý của CPU thấp, bộ nhớ ít và lưu trữ điện năng ít. Vì vậy cần
phải tối ưu hóa các thuật toán và cơ chế.
• Chi phí: chi phí có thể giảm khi sử dụng kỹ thuật không dây, thiết bị hoạt động theo
chuẩn 802.11 có thể dùng để tạo cầu nối không dây giữa hai tòa nhà; để thiết lập một cầu nối không dây càn những chi phí ban đầu như thiết bị ngoài trời, các điểm truy cập và những giao tiếp không dây.
2.2.3 Ứng dụng của MANET:
Ở bảng 2.3 cung cấp 1 cái nhìn tổng quan về những ứng dụng của MANET ở hiện tại cũng như trong tương lai.
Bảng 2 3 Ứng dụng MANET
ỨNG DỤNG CỦA MOBILE AD HOC NETWORK APPLICATION ( MANET)
Mạng chiến lược • Thông tin liên lạc và điều hành trong
quân đội.
• Tự động hóa chiến trường.
Các dịch vụ khẩn cấp • Các hoạt động tìm kiếm và cứu hộ
• Khắc phục thảm họa.
• Thay thế hệ thống mạng cố định trong trường hợp thiên tai, thảm họa.
• Cảnh báo và phòng chữa cháy.
• Hổ trợ các bác sĩ và y tá trong các bệnh viện.
Môi trường thương mại và dân sự • Thương mại điện tử: thanh toán điện tử
mọi lúc mọi nơi.
• Kinh doanh: truy cập cơ sở dữ liệu động, văn phòng office di động
• Dịch vụ xe cộ: chỉ dẩn thông tin tai nạn, lưu lượng trên đường, thông tin thời tiết,
thành lập mạng giữa các phương tiện xe cộ với nhau.
• Ứng dụng trong sân vận động, hội chợ thương mại, trung tâm mua sắm.
Mạng tại nhà và doanh nghiệp • Mạng không dây văn phòng / nhà ở.
• Phòng hội nghị, phòng họp.
• Mạng cá nhân Personal Area Networks (PÁN), Personal Networks (PN). Ví dụ:
Home networking,Bluetooth và Zigbee.
• Mạng lưới tại các địa điểm xây dựng
Giáo dục • Ứng dụng tại các trường đại học, trong
khuân viên trường.
• Lớp học môi trường ảo.
• Giao tiếp Ad hoc trong suốt quá trình cuộc họp hay những buổi học.
Giải trí • Những trò chơi điện tử đa người
dùng.
• Mạng Peer to Peer không dây.
• Truy cập internet ngoài trời.
• Thú cưng robot.
Mạng cảm biến • Ứng dụng trong gia đình: cảm biến
thông minh và truyền động nhúng trong
các thiết bị điện tử tiêu dùng.
• Body area network (BAN), ví dụ: cảm
biến được gắn vào người.
• Cảm biến theo dõi điều kiện tự nhiên môi trường, sự di chuyển của động vật, phát hiện hóa học/ sinh học.