5.1.1 Các thông số mô phỏng
Mạng MANET có những đặc điểm là: cấu hình mạng động, các liên kết với dung lượng thay đổi - băng tần hạn chế, các nút có năng lượng thấp và bảo mật vật lý hạn chế. Do đó, khi phân tích hiệu suất các giao thức định tuyến AD HOC ta cần xem xét một số tham số của ngữ cảnh mạng như sau [24]:
Kích thước mạng: được thể hiện bằng số các nút trong mạng.
Kết nối mạng: được thể hiện bằng số trung bình các hàng xóm của một nút.
Tốc độ thay đổi mạng: là tốc độ thay đổi tô-pô của mạng theo thời gian.
Khả năng của liên kết: là băng thông của liên kết không dây, được tính bằng bps.
Dạng truyền thông: được thể hiện bằng các mức độ tải trong mạng, có thể là đồng dạng, không đồng dạng hoặc bùng phát.
Dạng di chuyển: được thể hiện các mô hình chuyển động cụ thể.
Mục đích các thí nghiệm của tôi là đánh giá khả năng của các giao thức định tuyến trong việc phản hồi lại các thay đổi cấu hình mạng gây ra bởi sự di động của các nút mạng. Phương pháp của chúng tôi là áp dụng nhiều dạng di chuyển với vận tốc chuyển động của các nút khác nhau. Các mạng AD HOC mô phỏng được xây dựng dựa trên các mô hình di chuyển và mô hình truyền thông. Đối với mô hình di chuyển, chúng tôi sử dụng hai mô hình tiêu biểu Random Waypoint và Random Walk thể hiện các dạng di chuyển khác nhau được mô tả trong phần 4.3.1.2. Đối với mỗi mô hình, chúng tôi thay đổi các giá trị tham số để thay đổi các trạng thái của mạng như vận tốc chuyển động của các nút mạng, lần lượt là 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30 m/s.
Khi so sánh các giao thức định tuyến, để đảm bảo tính công bằng, điều quan trọng là phải áp dụng các điều kiện tải và môi trường giống nhau với từng giao thức. Chính vì vậy, với mỗi mô hình di chuyển tôi xây dựng các file ngữ cảnh mô tả chính xác chuyển động của mỗi nút cùng với thời gian diễn ra sự thay đổi của nút. Còn đối với các mô hình truyền thông, các file ngữ cảnh truyền thông được tạo ra thể hiện chính xác các kết nối giữa các nút và thời gian các truyền thông này diễn ra. Do đó, tập các file ngữ cảnh chuyển động và truyền thông giống nhau được áp dụng cho từng giao thức.
Trong tất cả các thí nghiệm, tôi lựa chọn mô hình truyền thông là CBR. Tôi không sử dụng các mô hình truyền thông là các ứng dụng mô phỏng sử dụng TCP để gửi các gói tin. Vì TCP điều phối tải theo tình trạng mạng, có nghĩa là thời gian gửi
gói tin thay đổi dựa trên khả năng truyền tải hiện tại của mạng. Do vậy, thời gian mỗi gói tin được tạo ra tại bên gửi và vị trí của nút khi gửi các gói tin sẽ khác nhau giữa các giao thức do vậy khó có thể thực hiện các so sánh giữa các giao thức với nhau.
Lần lượt áp dụng các giao thức AODV, DSR, DSDV, OLSR vào các ngữ cảnh mạng khác nhau. Bộ mô phỏng ghi nhận lại các hoạt động mạng diễn ra tại các lớp. Từ các ghi nhận này, ta đánh giá khả năng làm việc của các giao thức, chủ yếu là trên lớp ứng dụng và lớp mạng. Các thí nghiệm và các đánh giá được thể hiện trong các phần sau bao gồm thí nghiệm với mô hình Random Waypoint, thí nghiệm với mô hình Random Walk. Các nhận xét về hiệu suất các giao thức được trình bày trong phần 5.3.3.
5.1.2 Chương trình mô phỏng
Chương trình mô phỏng của tôi được đặt tên là: dsdv-cbr10-rwp0-speed10.tcl, được trình bày tại phụ lục.
Tôi đã cho thi hành chương trình mô phỏng như sau:
ns dsdv-cbr10-rwp0-speed10.tcl
Kết xuất thông tin ra tệp dsdv-cbr10-rwp0-speed10-out.tr để phân tích bằng các script perl như sau:
perl average_end-end_delay.pl dsdv-cbr10-rwp0-speed10-out.tr 10 >> avg_rwp1_dsdv.out
perl normalized_routing_overhead.pl dsdv-cbr10-rwp0-speed10-out.tr 10 >> nro_rwp1_dsdv.out
perl packet_delivery_fraction.pl dsdv-cbr10-rwp0-speed10-out.tr 10 >> pdf_rwp1_dsdv.out
perl routing_overhead.pl dsdv-cbr10-rwp0-speed10-out.tr 10 >>
ro_rwp1_dsdv.out
perl throughput.pl dsdv-cbr10-rwp0-speed10-out.tr 10 >>thr_rwp1_dsdv.out
Kết quả nhận được lưu trong các file sau:
avg_rwp1_dsdv.out nro_rwp1_dsdv.out pdf_rwp1_dsdv.out ro_rwp1_dsdv.out thr_rwp1_dsdv.out
Để kết quả đạt độ chính xác cao hơn, ứng với mỗi vận tốc 0, 5, 10, 15, 20, 25 và 30 m/s tôi tạo 5 tệp mẫu di chuyển khác nhau. Như vậy, tổng số tệp vết được tạo ra là: 2 (mô hình di chuyển) x 4 (giao thức định tuyến) x 7 (vận tốc) x 5 (kiểu tệp mẫu di chuyển) = 280 tệp vết (*.tr). Từ những tệp vết thu được ta dùng các script perl phân tích để tính toán các độ đo hiệu năng mạng. Kết quả cuối cùng (của các độ đo hiệu năng mạng) được chọn là trung bình của 5 kết quả đã được tính toán và được trả về trong các file: avg_rwp_dsdv.out, nro_rwp_dsdv.out, pdf_rwp_dsdv.out, ro_rwp_dsdv.out, thr_rwp_dsdv.out
5.2. Các độ đo hiệu năng được dùng trong luận văn
Theo nghĩa chung, hiệu năng là một độ đo công việc mà một hệ thống thực hiện được. Hiệu năng chủ yếu được xác định bởi tính sẵn sàng để dùng, thông lượng và thời gian đáp ứng. Trong mạng Ad Hoc, các giới hạn về tài nguyên mạng yêu cầu các giao thức bên cạnh các yếu tố hiệu suất nêu trên cần đảm bảo việc dùng hiệu quả các tài nguyên hạn chế này. Với các giao thức định tuyến, đó chính là chi phí để thực hiện các yêu cầu định tuyến được thể hiện bởi mức tải định tuyến.
Do vậy, chúng tôi sử dụng các độ đo sau để đánh giá hiệu quả các giao thức định tuyến trong các mạng mô phỏng:
Phần trăm gói tin được phân phát thành công (Packet delivery fraction): Là tỷ lệ giữa số các gói tin được phân phát thành công tới đích so với số các gói tin tạo ra bởi nguồn phát.
Trễ đầu cuối trung bình của các gói dữ liệu (Average end to end data packet delay): Là độ trễ toàn phần được tính từ khi gói tin phát đi từ ứng dụng phát cho tới khi được nhận bởi ứng dụng nhận bao gồm các trễ có thể như trễ do quá trình phát hiện đường, xếp hàng tại các hàng đợi, trễ phát lại tại tầng MAC, và thời gian trễ truyền.
Thông lượng dữ liệu đầu cuối (End-to-end data throughput): Tổng số dữ liệu của các gói tin tạo bởi mọi nguồn đo được trong một khoảng thời gian mô phỏng, tính bằng k bit/s.
Tải định tuyến chuẩn hóa (Normalized Routing Load): Là tỷ lệ giữa số các gói tin định tuyến trên số gói tin dữ liệu được phân phát thành công. Nếu gói tin định tuyến đi qua nhiều chặng thì mỗi chặng được tính như một lần truyền thông.
Hai độ đo đầu đánh giá kết quả làm việc của các giao thức. Các độ đo này có ý nghĩa đối với hoạt động của các giao thức lớp trên như các giao thức giao vận và các giao thức ứng dụng. Độ đo tải định tuyến chuẩn hóa thể hiện việc sử dụng các tài nguyên mạng.
5.3. Kết quả mô phỏng
5.3.1 Mô phỏng sử dụng mô hình Random Waypoint 5.3.1.1 Thiết lập thông số mô phỏng 5.3.1.1 Thiết lập thông số mô phỏng
Đối với mô hình RW, chúng tôi xây dựng mạng mô phỏng gồm 50 nút di động, hình thành nên một mạng ad hoc. Các nút này di chuyển trong một khu vực địa lý rộng 1500m x 900m (không gian phẳng). Toạ độ của các nút tại mỗi thời điểm là (x, y, z), trong đó tọa độ z = 0. Chúng tôi lựa chọn không gian hình chữ nhật để đường đi giữa các nút có độ dài lớn hơn so với trong các không gian hình vuông với mật độ nút tương đương. Cụ thể là độ dài đường lớn nhất trong mạng mô phỏng của chúng tôi là 8 chặng (trong khi không gian hình vuông là 4 chặng). Thời gian mô phỏng là 900 giây.
Tôi tạo ra 7 tệp mẫu di chuyển của nút với 7 giá trị vận tốc nút khác nhau là 0, 5, 10, 15, 20, 25 và 30 m/s. Thời gian tạm dừng 0 giây tương ứng với việc các nút di chuyển liên tục trong suốt thời gian mô phỏng.
Mô hình truyền thông được lựa chọn là CBR (constant bit rate). Đây là mô hình truyền thông được mô phỏng bởi NS2 với tốc độ phát gói tin không đổi. Tôi chọn tham số cho nguồn phát CBR có tốc độ gửi là 4 gói tin/giây với kích thước các gói tin là 512 bytes. Số lượng kết nối cho mỗi mô hình di chuyển nút là 10 nguồn phát.
Tổng kết về các cấu hình mạng mô phỏng và các tham số của các mô hình di chuyển, mô hình truyền thông được cho trong bảng 13.
Tham số mô phỏng Giá trị
Số nút tham gia mô phỏng 50
Kích thước vùng mô phỏng (m x m) 1500 x 900
Phạm vi truyền sóng vô tuyến (m) 250
Băng thông (Mbps) 2
Kích thước gói tin (bytes) 512
Tốc độ gửi gói tin (packets/ s) 4
Dạng truyền thông Cbr
Số lượng nguồn phát 10
Thời gian tạm dừng (s) 0
Tốc độ nút di chuyển (m/s) 0-5-10-15-20-25-30
Thời gian mô phỏng (s) 900
Giao thức định tuyến mô phỏng AODV-DSDV-DSR-OLSR
5.3.2.2 Kết quả và nhận xét
Phần trăm gói tin được phân phát thành công
Hình 27. Đánh giá kết quả phân phát gói tin trong mô hình Random Waypoint
Trễ đầu cuối trung bình
Thông lượng đầu cuối trung bình
Hình 29. Đánh giá kết quả thông lượngtrong mô hình Random Waypoint
Tải định tuyến chuẩn hóa
Hình 30. Đánh giá kết quả tải chuẩn hóatrong mô hình Random Waypoint Với tập các cấu hình mạng mô phỏng được xây dựng ở trên, tôi tiến hành mô phỏng, phân tích, đánh giá các kết quả làm việc giữa các giao thức dựa trên các độ đo hiệu suất. Các kết quả so sánh được cho thấy sau đây bao gồm: kết quả phân phát gói tin, độ trễ đầu cuối trung bình, thông lượng đầu cuối trung bình và tải định tuyến chuẩn hóa của bốn giao thức.
Từ hình 27, nếu coi tỷ lệ phân phát gói tin thành công là độ đo quan trọng nhất thì ta có thể đánh giá giao thức AODV hoạt động ổn định, đạt hiệu quả tốt nhất với tỷ
lệ phân phát gói tin thành công trung bình trên 80%. Còn lại, 3 giao thức DSDV, DSR và OLSR thì tỷ lệ phân phát gói tin thành công xuống thấp khi vận tốc nút tăng lên. Điều này phù hợp với thông lượng đầu cuối trung bình, hình 29 cho thấy kết quả là thông lượng của AODV lớn nhất trung bình đạt trên 130 kpbs, trong khi thông lượng của DSDV, DSR và OLSR giảm dần khi vận tốc nút tăng. Những cải tiến từ DSR giúp AODV hoạt động tốt hơn, cụ thể là AODV dựa vào thiết lập động các bảng định tuyến ở các nút trung gian, điều này làm giảm rất nhiều tải định tuyến chuẩn hóa so với việc truyền từng gói tin dữ liệu chứa các tuyến đường nguồn trong tiêu đề như trong DSR. Hai nguyên nhân: Một là, DSR là giao thức phản ứng dựa trên định tuyến nguồn; hai là, trong bộ mô phỏng ns-2.34 thời gian giữa các ROUTE REQUEST được phát lại chỉ là 500 ms trong khi thời gian giữ các gói tin chờ đường là 30s dẫn đến số lượng gói tin ROUTE REQUEST là rất lớn lý giải cho vấn đề thông lượng đầu cuối trung bình thấp và độ trễ đầu cuối trung bình cao của DSR. Cuối cùng, ta thấy DSR có tải định tuyến chuẩn hóa rất cao. Từ bốn độ đo trên, trong mô hình này ta có thể đánh giá DSR hoạt động tồi khi vận tốc các nút lớn. Còn đối với AODV, đây là giao thức định tuyến phản ứng dựa trên vec tơ khoảng cách với các bảng định tuyến của các nút hàng xóm được tổ chức để tối ưu hóa thời gian phản ứng các di chuyển cục bộ và cung cấp thời gian phản ứng nhanh cho các yêu cầu thành lập tuyến đường mới. Chính sự linh hoạt này đã khiến AODV hoạt động ổn định, hiệu quả kể cả khi vận tốc các nút tăng.
Với các thể hiện của DSDV, ta có thể nhận thấy rõ hoạt động rất hiệu quả của giao thức chủ ứng dựa trên vecto khoảng cách này trong việc định tuyến khi vận tốc nút tăng. Trễ đầu cuối trung bình của DSDV rất nhỏ, khá ổn định với các mức độ linh động của nút khác nhau mặc dù độ trễ có tăng lên khi vận tốc tăng. Mặt khác, tỷ lệ phân phát gói tin thành công là khá tốt trong khi tải định tuyến chuẩn hóa rất nhỏ, điều này minh chứng cho nhận xét của ta về hoạt động hiệu quả của DSDV. Ta lý giải như sau: DSDV sử dụng cập nhật định kỳ và cập nhật sự kiện nên phản ứng tốt với sự thay đổi cấu hình mạng nhanh, mặt khác nó tối ưu hóa cập nhật bằng cách sử dụng hai loại thông điệp cập nhật là thông điệp cập nhật đầy đủ và thông điệp cập nhật bổ xung do đó trong bốn giao thức, tải định tuyến chuẩn hóa của DSDV là tốt nhất. Để tránh sự bùng nổ các cập nhật định tuyến tại các thời điểm cấu hình mạng thay đổi nhanh, DSDV cũng áp dụng cơ chế hãm các cập nhật tức thời khi có các thay đổi xảy ra trong mạng. Bằng việc ghi nhận các quãng thời gian xảy ra những thay đổi về đường, DSDV làm trễ các cập nhật tức thời theo thời gian đó. Thời gian làm trễ thường là thời gian trung bình để có được tất cả các quảng bá cập nhật cho một tuyến đường. Bằng cách này, các nút có thể chắc chắn nhận được tất cả những thay đổi đường dẫn định tuyến đến một đích trước khi lan truyền bất cứ thay đổi nào. Điều này làm giảm việc sử dụng băng thông và tiêu thụ điện năng của các nút hàng xóm. Kết quả là, trong hình 29 thông lượng của DSDV là khá tốt. Trong mô hình Random Waypoint, giao thức định tuyến OLSR chỉ đạt hiệu quả trung bình. Mặc dù là giao thức định tuyến chủ ứng nhưng tải định tuyến chuẩn hóa của OLSR cao hơn nhiều so với DSDV do nó dựa trên
định tuyến trạng thái liên kết dù đã được cải tiến bằng cách sử dụng các chuyển tiếp đa điểm (MultiPoint Relays - MPRs) để giảm chi phí flooding mạng và kích thước của các bản cập nhật trạng thái liên kết. Nhưng so với các giao thức phản ứng như AODV, DSR thì tải định tuyến chuẩn hóa của OLSR khá nhỏ. Tuy nhiên, trễ đầu cuối trung bình của OLSR là rất cao, đi kèm với phần trăm phân phát gói tin thành công thấp. Điều này là phù hợp với thông lượng đầu cuối trung bình chỉ ở mức thấp.
5.3.3 Mô phỏng sử dụng mô hình Random Walk 5.3.3.1 Thiết lập thông số mô phỏng 5.3.3.1 Thiết lập thông số mô phỏng
Với mô hình Random Walk, tôi lựa chọn cấu hình gồm 50 nút di động di chuyển trong không gian phẳng 1500m x 900m. Như đã phân tích trong phần 4.4.2.2 về các mô hình di chuyển, tham số quan trọng trong mô hình Random Walk là quãng thời gian dịch chuyển của nút trước khi thay đổi hướng và tốc độ. Nếu quãng thời gian này nhỏ, sự di chuyển của các nút sẽ bị giới hạn trong phạm vi nhỏ của khu vực mô phỏng, mạng nửa tĩnh. Nếu quãng thời gian này lớn, thay đổi của mạng sẽ thường xuyên hơn. Với mục đích chọn ra một cấu hình mạng tiêu biểu, chúng tôi đã kiểm tra các trạng thái vật lý của mạng với các giá trị thời gian dịch chuyển là 5, 10, 30, 60 và 120 giây. Cuối cùng, tôi đã sử dụng giá trị thời gian dịch chuyển của nút là 10 giây để xây dựng mạng mô phỏng cho việc đánh giá các giao thức.
Tương tự như mô hình Random Waypoint, trong mô hình Random Walk tôi cũng sử dụng 7 mẫu di chuyển của nút với 7 giá trị vận tốc nút khác nhau là 0, 5, 10, 15, 20, 25 và 30 m/s.
Về mô hình truyền thông, tôi vẫn sử dụng nguồn phát CBR với các tham số tốc độ gửi 4 gói tin/giây, kích thước gói tin 512byte. Trong thí nghiệm này, số nguồn phát là 10 nguồn.
Tổng kết về các cấu hình mạng mô phỏng được cho trong bảng 14