Từ các nhận xét và đánh giá ở phần trên, luận án tập trung nghiên cứu đề xuất cải tiến giao thức định tuyến điều khiển theo yêu cầu DSR và AODV, trong đó đưa ra mô hình tưởng, đề xuất các hàm tính toán trọng số, đánh giá và so sánh kết quả cải tiến so với giao thức DSR và AODV, cụ thể:
+ Với thuật toán cải tiến giao thức định tuyến DSR, tác giả đã tích hợp tác tử vào điều khiển giai đoạn khám phá lộ trình của giao thức định tuyến này nhằm nâng cao hiệu quả của giao thức định tuyến bằng cách giảm tỷ lệ gói tin rơi. Tác tử thực hiện chức năng cập nhật thường xuyên tình trạng tắc nghẽn tại mỗi nút nhằm hạn chế các lộ trình định tuyến qua các nút có mật độ lưu lượng cao. Tình trạng tắc nghẽn của mỗi nút được xác định bằng tỷ lệ gói tin rơi tại nút đó.
+ Với thuật toán cải tiến AODV, tác giả cũng tích hợp tác tử vào điều khiển giai đoạn khám phá lộ trình của giao thức định tuyến này bằng cách sử dụng tác tử để tính toán tình trạng tắc nghẽn tại mỗi nút. Tình trạng tắc nghẽn được xác định dựa trên thông tin trong bảng định tuyến của mỗi nút, được ước lượng bằng tổng số lộ trình đi qua nút đó trên tổng số lộ trình trong mạng và có đánh giá thêm tình trạng nghẽn dựa vào thông tin nghẽn của các nút láng giềng.
+ Sử dụng phương pháp mô phỏng để đánh giá kết quả các cải tiến đề xuất (sử dụng phần mềm mô phỏng OMNeT++). So sánh với các kết quả đã khảo sát để đánh giá về mặt lý thuyết cũng như tính khả thi và hiệu quả của việc áp dụng tác tử trong đề xuất cải tiến giao thức định tuyến thực tế đã nêu trên.
+ Từ kết quả của các thuật toán cải tiến, tác giả đề xuất phạm vi ứng dụng để tăng hiệu quả định tuyến và góp phần tăng hiệu năng cho mạng MANET nói chung, trong đó đưa ra mô hình tác tử để tác động vào quá trình khám phá và duy trì đường đi cho các trường hợp giao thức định tuyến điều khiển theo yêu cầu sử dụng cùng nguyên tắc khám phá lộ trình.
2.4 Kết luận Chƣơng 2
Chương 2 tập trung vào trình bày về các giao thức định tuyến cho mạng MANET, bao gồm các thuật toán và kỹ thuật định tuyến cơ bản, trình bày các giao thức định tuyến điển hình trong ba nhóm định tuyến điều khiển theo yêu cầu, bản ghi và kết hợp. Trong đó tập trung mô tả chi tiết nguyên lý hoạt động của hai giao thức định tuyến điều khiển theo yêu cầu là DSR và AODV để có cơ sở đánh giá, so sánh và đề xuất cải tiến trong Chương 3.
Một nội dung quan trọng khác của chương này là trình bày một số nghiên cứu về định tuyến cho mạng MANET, trong đó tập trung vào các nghiên cứu tương tự của các nhóm tác giả liên quan đến đánh giá, cải tiến giao thức định tuyến điều khiển theo yêu cầu DSR, AODV trong nước và ngoài nước để từ đó đánh giá các vấn đề mà các nhóm nghiên cứu đã thực hiện, các vấn đề chưa thực hiện hoặc các vấn đề nghiên cứu còn mở để chọn
55
lựa hướng nghiên cứu, nội dung nghiên cứu cải tiến các giao thức định tuyến cho mạng MANET trong đó lựa chọn giao thức định tuyến điều khiển theo yêu cầu và chọn hai giao thức DSR và AODV để nghiên cứu các đề xuất cải tiến.
56
CHƢƠNG 3. GIẢI PHÁP CẢI TIẾN GIAO THỨC ĐỊNH
TUYẾN MANET SỬ DỤNG TÁC TỬ
Như đã phân tích và trình bày ở mục 1.4 Chương 1 và mục 2.3 Chương 2, luận án thực hiện đề xuất cải tiến các giao thức định tuyến theo yêu cầu DSR và AODV sử dụng tác tử đưa vào trong điều khiển quá trình khám phá lộ trình và duy trì, cập nhật lộ trình.
Trong chương này tác giả trình bày nội dung chính của nghiên cứu gồm đề xuất ý tưởng của giải pháp cải tiến, đưa ra mô hình tác tử trong điều khiển định tuyến, đề xuất hàm trọng số để tính toán trọng số cho thuật toán định tuyến chọn đường đi của hai giao thức cải tiến DSR và AODV trong mục 3.2. Đề xuất cải tiến giao thức DSR trong mục 3.3.1, đề xuất cải tiến giao thức AODV trong mục 3.3.2. Chương này cũng trình bày phần kết quả mô phỏng, đánh giá kết quả của các thuật toán đề xuất trong mục 3.4 để đánh giá, so sánh giữa các đề xuất cải tiến và mục 3.5 đề nghị áp dụng cho các đề xuất trong trường hợp cụ thể. Phần kết luận của Chương 3 nêu kết quả chính của các giải pháp đề xuất mà luận án nghiên cứu.
3.1 Đánh giá giao thức định tuyến DSR và AODV 3.1.1 DSR 3.1.1 DSR
Từ việc phân tích cơ chế hoạt động của giao thức định tuyến theo yêu cầu DSR, tác giả đưa ra một số nhận xét như sau:
Tiến trình khám phá lộ trình được thực hiện dựa trên việc gửi quảng bá và nhận phản hồi. Thông tin định tuyến được lưu trữ tại tất cả các nút trung gian. Với cơ chế hoạt động như vậy, giao thức định tuyến DSR có một số nhược điểm: tại mỗi nút luôn duy trì thông tin về toàn bộ đường đi về đích hoặc về nguồn, do đó khi có vấn đề nảy sinh về lỗi của đường đi hoặc vấn đề tắc nghẽn cục bộ tại một điểm nút nào đó trong đường đi đã xác định thì sẽ xảy ra vấn đề rơi gói tin hoặc lỗi truyền không xác định trước, vấn đề tương tự đối với bảng thông tin cập nhật trong lộ trình đã được khám phá.
Giao thức DSR sử dụng cơ chế định tuyến nguồn, do đó nó luôn trả lời cho tất cả các yêu cầu tìm đường đi. Cơ chế này giúp DSR thu thập được nhiều đường đi từ nguồn đến đích dẫn đến khả năng phát gói tin tốt. Tuy nhiên, điều này chỉ tốt trong trường hợp mạng có ít nguồn phát và mức độ di chuyển không cao, trong trường hợp mức di chuyển của các nút cao khả năng các nút sẽ bị mất kết nối với nhau nhiều hơn là nguyên nhân dẫn đến số lượng đường đi mất hiệu lực trong bộ nhớ đệm tăng thêm và làm tăng các gói RREP dẫn đến giảm hiệu năng của giao thức định tuyến DSR [71].
Như vậy, với thuật toán này khi duy trì lộ trình không quan tâm đến trạng thái của các nút trên lộ trình. Cụ thể là, khi có yêu cầu đến, nếu đã có lộ trình trong bộ nhớ đệm thì thực hiện truyền tin ngay, cho dù có tồn tại một nút trung gian nào đó trên lộ trình đã bị
57
nghẽn hoặc đã mất kết nối (nhưng chưa cập nhật lại lộ trình). Khi truyền đến nút này thì sẽ xảy ra tình trạng tắc nghẽn và đây là nhược điểm cơ bản của các thuật toán này cần phải nghiên cứu cải tiến [81].
3.1.2 AODV
Theo nguyên lý hoạt động của giao thức định tuyến AODV, tại mỗi nút chỉ duy trì thông tin đến các nút láng giềng của nó. Đồng thời, quá trình tìm đường trong giao thức AODV có kiểm tra về độ mới của thông tin đường đi về đích. Do vậy, lộ trình đã thực hiện việc khám phá luôn đảm bảo còn hiệu lực.
Trong quá trình thiết lập đường dẫn ngược về nguồn bởi phản hồi gói RREP, AODV thực hiện kiểm tra và lựa chọn giá trị tổng số bước truyền (Hop count) nhỏ nhất trong trường hợp có nhiều đường đi đến đích. Do vậy, đường đi lựa chọn trong giao thức AODV luôn là đường đi ngắn nhất (“ngắn nhất” ở đây được hiểu là đi qua ít bước truyền nhất nghĩa là qua ít nút nhất).
Tuy nhiên, việc chọn lộ trình ngắn nhất chỉ hiệu quả trong trường hợp mật độ lưu lượng phát sinh trong mạng ở mức trung bình. Trong trường hợp mật độ lưu lượng cao, việc truyền dữ liệu theo đường đi ngắn nhất sẽ gây ra tình trạng tắc nghẽn tại các nút trung gian, do mật độ lưu lượng không được phân phối đồng đều giữa các nút [26].
3.1.3 So sánh nguyên lý hoạt động của hai giao thức DSR và AODV
Qua đánh giá hai giao thức định tuyến điều khiển theo yêu cầu DSR và AODV và theo các đặc tính cơ bản của hai giao thức này như trình bày trong [24][46][81](pp.101- 110). Để so sánh một số đặc điểm giống nhau và khác nhau của hai giao thức, Bảng 3.1 dưới đây trình bày một số đặc điểm hoạt động của hai giao thức DSR và AODV.
Bảng 3.1 So sánh các đặc điểm giữa DSR và AODV
Các hoạt động của giao thức định tuyến
DSR AODV
Khám phá lộ trình Gửi thông tin quảng bá và nhận phản hồi
Gửi thông tin quảng bá và nhận phản hồi
Lưu trữ thông tin định tuyến
Tại nút trung gian Tại nút trung gian Khả năng cập nhật đường
đi của nút trung gian
Có Có
Nguyên tắc lưu trữ đường đi được chọn
Chọn theo định tuyến nguồn, có nghĩa là sau khi phám phá lộ trình sẽ lưu đường đi từ nguồn đến đích.
Không lưu đường đi từ nguồn đến đích mà chỉ lưu thông tin đường đi đến nút láng giềng
58
tuyến (cập nhật khi có phát sinh yêu cầu)
mới thông tin đường đi từ nút hiện tại đến nút láng giềng
Nguyên tắc chọn lộ trình Chọn đường đi ngắn nhất (theo trọng số “khoảng cách”)
Chọn theo Hop count nhỏ nhất
Phản hồi thông tin gói RREP, RREQ
Phản hồi tất cả các yêu cầu tìm đường;
Chỉ phản hồi các yêu cầu đến nút liên quan
Như vậy, dựa trên các đặc điểm của hai giao thức được tổng hợp tại Bảng 3.1, chúng ta có thể rút ra một số nhận xét như sau:
- Giao thức định tuyến DSR sẽ duy trì và sử dụng những đường không còn hiệu lực cho đến khi phát hiện lỗi trong quá trình truyền, khi đó nó mới có cơ chế cập nhật lại thông tin về đường đi, đây cũng là vấn đề cần cải tiến trong phần đề xuất ở luận án này;
- Trong quá trình khám phá lộ trình, việc thiết lập đường trở về nguồn (bằng cách phản hồi gói RREP), AODV kiểm tra và chọn lựa đường đi có giá trị Hop count nhỏ nhất trong trường hợp có nhiều đường đi đến đích. Do đó, đường đi được chọn trong giao thức AODV là hiệu quả hơn trong DSR.
- DSR luôn trả lời tất cả các yêu cầu tìm đường đi, cơ chế này giúp DSR thu thập được nhiều đường đi từ nguồn đến đích dẫn đến khả năng chọn đường đề truyền tin tốt hơn AODV. Tuy nhiên, trong trường hợp các nút di chuyển ở mức cao, hiệu năng của DSR giảm hơn AODV.
3.1.4 Đánh giá kết quả mô phỏng của giao thức DSR và AODV 3.1.4.1 Xây dựng kịch bản mô phỏng 3.1.4.1 Xây dựng kịch bản mô phỏng
Để có cơ sở đánh giá hai giao thức định tuyến DSR, AODV cũng như các thuật toán định tuyến cải tiến được đề xuất trong luận án, tác giả thực hiện đánh giá các kết quả nghiên cứu bằng mô phỏng trên phần mềm OMNeT++, sử dụng mô đun INET-MANET [8] là mô đun đã được thiết kế dành riêng cho việc mô phỏng các thuật toán định tuyến cho mạng MANET và mô đun AdHocSim[8] để phát triển các các chương trình mô phỏng. Kịch bản mô phỏng được xây dựng với các tham số cơ bản thống nhất sử dụng trong các trường hợp mô phỏng, đây cũng là kịch bản chung được áp dụng cho các mô phỏng ở phần sau với một số tham số thay đổi theo yêu cầu của từng trường hợp mô phỏng. Các tham số cơ bản được mô tả như sau:
Tổng số nút mô phỏng là 50 hoặc 60, trong đó thiết lập số lượng nguồn phát thay đổi từ 4 đến 20 hoặc số lượng nguồn phát tối đa tùy theo yêu cầu của từng kịch bản mô phỏng
59
Tốc độ kênh: được thiết lập theo chuẩn IEEE 802.11, cụ thể là 11 Mbit/s, tỷ lệ lỗi bit trung bình trên các kênh là 10-6.
Kích thước vùng mô phỏng: 550m x 700m. Kích thước bộ đệm: 1 Mbyte.
Trễ kênh trung bình: 10 s. Loại lưu lượng: CBR.
Giao thức MAC: MACSimple (một giao thức MAC đã được cài đặt sẵn trong OMNeT++). Sử dụng cơ chế truy nhập cơ bản (basic access) [65].
Vùng phủ sóng (radio range): 230 m Kích thước trung bình của gói tin: 512 byte
Thời gian mô phỏng: 120 phút. Với thời gian mô phỏng này, nếu như các nút di chuyển với tốc độ thấp nhất 2 m/s thì mỗi nút vẫn có thể di chuyển đến biên vùng mô phỏng và quay lại hơn 10 lần, để đảm bảo tính tin cậy của các kết quả mô phỏng.
Kịch bản mô phỏng được trình bày trong Phụ lục 1 trong đó trình bày một số giao diện chính của chương trình mô phỏng và một số đoạn mã chương trình chính về phương thức hoạt động của tác tử FA, BA, thực hiện lấy thông tin và tính toán các hàm trọng số.
3.1.4.2 Đánh giá kết quả mô phỏng
Để đánh giá hoạt động về các giao thức DSR và AODV, tác giả thực hiện mô phỏng với kết quả mô phỏng trên Hình 3.1 là sự thay đổi của tỷ lệ phát gói tin thành công theo số lượng nguồn phát. Trong đó, tỷ lệ phát gói tin thành công được định nghĩa bằng tổng số gói tin được phát thành công đến đích trên tổng số gói tin được phát đi tại tất cả các nút trong mạng.
(a) Tốc độ di chuyển trung bình 5 m/s (b) Tốc độ di chuyển trung bình 20 m/s
60
Từ kết quả mô phỏng trên Hình 3.1 ta thấy rằng, trong hầu hết các trường hợp, thuật toán DSR cho kết quả tổng số gói tin phát thành công cao hơn thuật toán AODV. Bên cạnh đó, tỷ lệ phát gói tin thành công của hai giao thức giảm khi số lượng nguồn phát tăng lên.
DSR cho kết quả tương đối ổn định khoảng 80% trong trường hợp số nguồn phát nhỏ hơn 12, trong trường hợp số nguồn phát lớn hơn 12 thì tỷ lệ này giảm dần. Trong khi đó AODV cho kết quả khoảng 90% trong trường hợp số nguồn phát nhỏ hơn 8, sau đó tỷ lệ giảm dần khi số nguồn phát tăng lên.
Kết quả này cho thấy khả năng thích ứng với môi trường mạng mà các nút ổn định của DSR là tốt hơn AODV. Ngoài ra, khi tốc độ di chuyển trung bình của nút thay đổi thì DSR hoạt động hiệu quả hơn AODV.
(a) Tốc độ di chuyển trung bình 5 m/s (b) Tốc độ di chuyển trung bình 20 m/s Hình 3.2. Xác suất tắc nghẽn của DSR và AODV
Kết quả trên Hình 3.3 cho ta thấy xác suất gói tin rơi của các thuật toán DSR và AODV. Trong đó độ đo về xác suất gói tin rơi được định nghĩa bằng tổng số gói tin bị nghẽn trên toàn mạng trên tổng số gói tin được phát đi. Tác giả thấy rằng, thuật toán DSR cho tỷ lệ tắc nghẽn nhỏ hơn AODV trong cả hai trường hợp tốc độ di chuyển của nút trung bình là 5 m/s và 20 m/s. Tuy nhiên, khi số nguồn phát lớn, xác suất tắc nghẽn của thuật toán AODV tăng cao hơn so với thuật toán DSR. Điều này cho thấy rằng giao thức định tuyến AODV hoạt động không ổn định khi tổng số nguồn phát thay đổi.
61
(a) Tốc độ di chuyển trung bình 5 m/s (b) Tốc độ di chuyển trung bình 20 m/s Hình 3.3. Trễ truyền gói trung bình của DSR và AODV
Kết quả trên Hình 3.3 cho ta thấy độ trễ trung bình toàn bộ hệ thống mạng. Trong trường hợp số lượng nguồn phát cố định, độ trễ trung bình của toàn hệ thống tỷ lệ thuận với số lượng nút, AODV có độ trễ trung bình toàn bộ hệ thống lớn hơn DSR, đặc biệt là trong trường hợp số nguồn phát lớn.
Hình 3.4. Trễ truyền gói trung bình của DSR và AODV khi mật độ lưu lượng thay đổi
Trên Hình 3.4, chúng tôi phân tích trễ truyền gói trung bình của thuật toán DSR và AODV trong trường hợp tốc độ di chuyển trung bình của mỗi nút là 20 m/s, số lượng