Mạng MANET (Mobile Ad hoc Network) là một loại mạng Ad hoc cho phép các máy tính, thiết bị mạng thực hiện kết nối và truyền thông với nhau mà không cần dựa vào hạ tầng mạng và hệ thống điều khiển trung tâm [28][81](p.24-49). Với sự phát triển của các dịch vụ mạng theo hướng cá nhân hóa, di động hóa và hướng đến các dịch vụ tích hợp thì khả năng phát triển mạng MANET có nhiều triển vọng. Về mặt thực tiễn, mạng MANET rất hữu ích cho các nhu cầu truyền thông có tính chất tạm thời như trong một khu vực hội nghị, hội thảo hoặc sự kiện nơi mà khó khăn trong việc thiết lập hệ thống mạng có sử dụng cơ sở hạ tầng.
Với đặc điểm là mạng tự cấu hình gồm các nút kết nối với nhau thông qua các kết nối vô tuyến tạo nên mạng không có cơ sở hạ tầng. Các nút mạng có thể di chuyển một cách tự do theo mọi hướng, do đó kết nối của nó với các nút khác cũng thay đổi một cách thường xuyên. Do khoảng truyền dẫn của mỗi nút mạng là hạn chế nên chúng truyền tin bằng phương pháp truyền gói tin đa chặng (multihops). Để thực hiện điều này, các nút mạng phải có khả năng chuyển tiếp gói tin đến nút mạng khác. Mạng MANET được mô tả có cấu trúc thay đổi do sự thay đổi vị trí của các nút mạng. Các giao thức định tuyến có cơ chế tự phát hiện các thay đổi về đường đi thông qua các thuật toán định tuyến cơ bản như véc tơ khoảng cách và trạng thái liên kết.
Mạng MANET được ứng dụng trong các lĩnh vực:
+ Ứng dụng trong hoạt động quân sự: với cơ chế hoạt động không tập trung của mạng Ad hoc và không phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng mạng là một yếu tố cần thiết đối với lĩnh vực quân sự, nhất là trong các trường hợp các đơn vị tham gia các chiến dịch, các cơ sở hạ tầng mạng bị phá hủy. Khi đó, mạng Ad hoc là lựa chọn tối ưu để các thiết bị truyền thông liên lạc với nhau một cách nhanh chóng, không phụ thuộc vào hạ tầng sẵn có tại khu vực đó [57][93];
+ Ứng dụng trong hội nghị, sân bay, trường học: chúng ta cũng có thể thiết lập các mạng Ad hoc trong trường học, thư viện, sân trường, sân bay để kết nối các thiết bị di động (máy tính xách tay, điện thoại thông minh, các thiết bị khác) lại với nhau, để mọi người có thể trao đổi, chia sẻ dữ liệu, làm việc với nhau [68](pp.6-22)[81](pp.293-306);
+ Ứng dụng trong các dịch vụ khẩn cấp: trong các trường hợp này ứng dụng rất nhiều trong thực tế, ví dụ các trường hợp thiên tai, hỏa hoạn hoặc các trường hợp khẩn cấp thì giải pháp thông thường là dùng thiết bị vô tuyến. Tuy nhiên khi đó không thể sử dụng hạ tầng vô tuyến đang sẵn có vì có thể bị hỏng hoặc không có sẵn, do đó mạng MANET là gải pháp hiệu quả trong trường hợp này [93];
+ Ứng dụng hệ thống nhúng, kết nối các hệ thống điện tử, mạng cảm biến: ngày càng nhiều hệ thống tại gia đình, hoặc các thiết bị kết nối với nhau như ti vi, thiết bị trò chơi điện tử, điện thoại, hoặc các hệ thống điều khiển khác, để giúp chúng có thể giao tiếp với nhau thì mạng Ad hoc sẽ rất phù hợp để tạo nên một hệ thống thông minh có khả năng kết nối với nhau. Một ứng dụng khác đang áp dụng trong quân sự, y tế, tình báo, khảo cổ học
13
bao gồm các bộ cảm biến có kích thước nhỏ sẽ kết nối với nhau để thực hiện các công việc như cảm biến môi trường, thời tiết, y tế, nông nghiệp [42][48];
+ Ứng dụng cho các thiết bị thông minh kết nối Internet: đây là một lĩnh vực mới và khá tiềm năng của mạng MANET, một thực tế đối với các thiết bị thông minh như ô tô, hoặc các thiết bị khác có thể kết nối Internet thông qua mạng MANET là một cách tiếp cận hợp lý [20];
+ Ứng dụng trong giao thông: đây là một hướng ứng dụng quan trọng hiện nay, là hệ thống mạng không cần cơ sở hạ tầng, các phương tiện giao thông là các nút mạng và có thể tự thu phát để có thể liên lạc, chia sẻ và trao đổi thông tin với nhau, điều này cũng tương tự với tàu biển, ô tô và các phương tiện khác [76].
Các đặc điểm cơ bản của mạng MANET
Với những đặc tính và hướng ứng dụng, mỗi nút 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 mọi hướng theo tốc độ khác nhau, với đặc điểm các thiết bị khác nhau, do đó chúng ta có thể thấy được một số đặc điểm chính của mạng MANET [68](pp.1-6) như sau:
+ Cấu hình mạng động và tự trị: Mạng MANET không phụ thuộc vào bất kỳ cơ sở hạ tầng nào, các nút di chuyển và hoạt động như một bộ định tuyến độc lập do đó cấu hình mạng luôn thay đổi tùy theo các mức độ di chuyển của các nút mạng. Đây là đặc điểm cơ bản và quan trọng của mạng MANET, và nó ảnh hưởng đến việc định tuyến chọn đường đi và duy trì đường đi trong các thuật toán định tuyến. Do đó cần định tuyến lại đường đi liên tục và khả năng mất gói tin cao hơn do việc xác định lại đường đi không kịp thời;
+ Khoảng cách sóng ngắn: Mạng MANET dựa trên các công nghệ mạng WLAN do đó khoảng cách phát sóng của các thiết bị mạng cũng là các thiết bị di động tham gia vào mạng, do đó khoảng cách phát sóng khá hạn chế;
+ Định tuyến đa chặng: Do không sử dụng các bộ định tuyến chuyên biệt, do đó mỗi nút phải có chức năng như một bộ định tuyến và gói tin chuyển tiếp từ nút này đến nút khác để cho phép chia sẻ, truyền tin giữa các nút;
+ Các nút mạng với năng lượng hạn chế: Hầu hết các thiết bị di động đều sử dụng nguồn nuôi là pin nên khi tham gia vào mạng MANET chúng bị hạn chế về năng lượng, khả năng xử lý của vi xử lý (CPU), kích thước bộ nhớ, khả năng xử lý tín hiệu và mức năng lượng phát và nhận sóng, tín hiệu. Điều này cũng là vấn đề quan trọng cho việc định tuyến vì cần năng lượng nhiều hơn để chuyển tiếp các gói tin với vai trò là bộ định tuyến của các nút;
+ Băng thông hạn chế: Các kết nối không dây có băng thông thấp hơn so với đường truyền cáp và chúng còn chịu ảnh hưởng của nhiễu, suy giảm tín hiệu, các điều kiện giao thoa vì thế mà thường nhỏ hơn băng thông truyền dẫn tối đa. Dung lượng thấp thường gây ra các vấn đề tắc nghẽn, nghĩa là mật độ lưu lượng tổng thường vượt quá dung lượng của mạng đặc biệt khi số nút của mạng trong một vùng tăng lên trong lúc năng lực của mạng thì không tăng tương ứng [66];
14
+ Bảo mật vật lý hạn chế: Đặc điểm của mạng MANET là truyền sóng qua môi trường không khí, điều này khiến cho cơ chế bảo mật kém hơn so với môi trường truyền cáp vì nó tiềm ẩn nhiều nguy cơ bị tấn công, nghe lén đường truyền, giả mạo, tấn công kiểu DoS [68](pp.249-264).
Như vậy, với các đặc điểm của mạng MANET như đã trình bày ở trên, chúng ta thấy rằng mạng MANET có được ứng dụng rất phổ biến và việc nghiên cứu về mạng MANET để tăng hiệu năng, tính ứng dụng của mạng MANET là một vấn đề có tính thời sự và thực tiễn cao để góp phần nâng cao chất lượng mạng đáp ứng các yêu cầu truyền thông, truyền dữ liệu và ứng dụng trong các lĩnh vực như đã đề cập. Đây cũng chính là nội dung chính mà đề tài luận án nghiên cứu thực hiện.
1.3 Các yếu tố ảnh hƣởng hiệu năng và phƣơng pháp đánh giá hiệu năng mạng MANET
1.3.1 Các vấn đề định tuyến trong mạng MANET
Như đã phân tích ở phần trên, các đặc tính chính của mạng Ad hoc nói chung và mạng MANET nói riêng bao gồm các thiết bị có tài nguyên hạn chế (chủ yếu sử dụng nguồn là pin), băng thông thấp, tỷ lệ lỗi cao và tô pô mạng động. Do đó, mục tiêu thiết kế tiêu chuẩn cho các giao thức định tuyến mạng Ad hoc thường bao gồm các đặc tính sau:
+ Phụ tải điều khiển tối thiểu (Minimal control overhead): Kiểm soát việc gửi gói tin để tiết kiệm băng thông, chi phí xử l và năng lượng pin cho cả việc truyền và nhận gói tin. Bởi vì sử dụng băng thông là một phần chi phí của giao thức định tuyến, giao thức định tuyến phải được thiết kế theo hướng 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 sử dụng năng lượng pin hiệu quả hơn;
+ Phụ tải xử lý tối thiểu (Minimal processing overhead): 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 nhiều nguồn tài nguyên và tiêu thụ nhiều năng lượng pin hơn. Các giao thức đơn giản hơn với yêu cầu quá trình xử lý tối thiểu từ thiết bị di động thì sẽ dẫn đến năng lượng pin được dự trữ cho các nhiệm vụ theo định hướng người sử dụng nhiều hơn, đồng thời kéo dài thời gian sử dụng nguồn năng lượng hơn;
+ Khả năng định tuyến đa chặng (Multihop routing capability): Phạm vi truyền dẫn không dây của các nút thường bị giới hạn, các nút 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 đường đi đa chặng giữa nguồn và đích để kết nối giữa các nút là có thể xảy ra.
Như vậy, một trong những vấn đề quan trọng đối với hệ thống mạng không dây là việc tối ưu định tuyến để truyền dữ liệu trong hệ thống mạng không dây là khá phức tạp, đòi hỏi phải có các cơ chế điều khiển phù hợp với từng mô hình cụ thể, đây là một trong những hạn chế lớn nhất của mạng Ad hoc làm ảnh hưởng đến tốc độ truyền dữ liệu. Bên
15
cạnh đó khả năng gây nhiễu và mất gói tin trong quá trình truyền dữ liệu của mạng không dây là khá cao. Do đó cần phải tập trung vào nghiên cứu để cải tiến, đưa ra mô hình, cơ chế hiệu quả dựa trên các giao thức chuẩn để nâng cao hiệu quả của định tuyến và hiệu năng mạng.
1.3.2 Vấn đề sử dụng các thuật toán định tuyến trong mạng MANET
Với những đặc điểm nổi bật của mạng MANET là tỷ lệ lỗi gói tin cao, băng thông thấp, tô pô mạng động, do đó khi xem xét áp dụng các thuật toán định tuyến như đã sử dụng cho các giao thức mạng với các đặc điểm tỷ lệ lỗi gói tin thấp, băng thông lớn, cấu hình mạng ít thay đổi như thuật toán định tuyến theo véc tơ khoảng cách (Distance Vector Routing) hay thuật toán định tuyến theo trạng thái liên kết (Link State Routing) thì cần phải nghiên cứu, xem xét phù hợp và có thể áp dụng hiệu quả. Chúng ta đánh giá một số vấn đề của thuật toán định tuyến véc tơ khoảng cách và trạng thái liên kết khi áp dụng trong mạng MANET như sau:
Thứ nhất, thuật toán định tuyến theo trạng thái liên kết và véc tơ khoảng cách được thiết kế cho một tô pô tĩnh. Như vậy thuật toán trạng thái liên kết và thuật toán véc tơ khoảng cách sẽ làm việc tốt trong mạng Ad hoc có tính di động thấp, tức là một mạng mà tô pô không thay đổi thường xuyên. Một nhược điểm là thuật toán trạng thái liên kết và thuật toán véc tơ khoảng cách phụ thuộc nhiều vào các thông báo kiểm soát định kỳ. Giả sử mật độ phát sinh lưu lượng của mỗi nút là như nhau, khi 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. Với thực tế là tất cả các thông tin cập nhật trong một mạng Ad hoc được kết nối và truyền không dây và do đó tiêu tốn các tài nguyên như băng thông, năng lượng nguồn pin và thời gian vi xử lý. Bởi vì cả phương pháp định tuyến theo trạng thái liên kết và theo véc tơ khoảng cách đều cố gắng để duy trì các đường đi cho tất cả các đích đến có thể truy cập, điều này cần thiết để duy trì các đường đi luôn sẵn sàng sử dụng được và cũng làm tăng nguồn tài nguyên yêu cầu.
Thứ hai, một đặc tính khác của các giao thức truyền thống là chúng giả định các liên kết theo hai hướng đối xứng, ví dụ: việc truyền giữa hai nút mạng hoặc hai trạm hoạt động tốt như nhau trong cả hai hướng, tuy nhiên trong môi trường truyền không dây đều này không phải lúc nào cũng đúng như vậy.
Như đã trình bày ở trên, các thuật toán giao thức định tuyến như trạng thái liên kết và véc tơ khoảng cách không thể áp dụng hoàn toàn trong mạng MANET vì chúng được thiết kế trong mạng có tô pô tĩnh và các kết nối là đối xứng. Vì vậy, khi thiết kế các giao thức định tuyến cho mạng MANET ta cần phải xem xét các yêu cầu sau đây:
+ Phù hợp với tô pô động của mạng: Thuật toán phải được thiết kế sao cho phù hợp với tính động của tô pô mạng và các kết nối có thể là bất đối xứng;
16
+ Không để xảy ra hiện tượng lặp định tuyến: Giải pháp đưa ra có thể là sử dụng bộ đếm chặng đường đi trong mỗi gói tin. Mỗi khi gói tin di chuyển đến một nút mạng mới, bộ đếm số chặng sẽ tăng thêm một, và đến một giá trị nào đó thì gói tin sẽ bị loại bỏ;
+ Chi phí tìm đường đi thấp: Tổng số gói tin tìm đường đi thấp và thời gian cần thiết để tìm được đường đi là nhỏ là những yêu cầu quan trọng đối với vấn đề định tuyến trong mạng không dây;
+ 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 tiêu tốn băng thông và năng lượng, vốn là những tài nguyên hạn chế 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;
+ Hoạt động phân tán: Cách tiếp cận tập trung trong mạng Ad hoc sẽ không hiệu quả vì 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 cho các nút mạng. Trong thời gian đó, cấu hình mạng có thể đã thay đổi rất nhiều [10];
+ Thiết lập những cụm mạng nhỏ: Nếu giao thức định tuyến có thể xác định được các nút mạng láng giềng và thiết lập chúng thành một cụm mạng nhỏ thì sẽ hiệu quả trong định tuyến, trong trường hợp các nút mạng di chuyển nhanh và thay đổi khi đó việc định tuyến chọn các nút khó khăn vì phải liên tục cập nhật lại đường đi thì định tuyến cho các cụm mạng sẽ tốt hơn vì chỉ xác định nút đại diện cho cụm mạng, đến lượt nó tiếp tục định tuyến cho các nút trong cụm. Do đó, định tuyến trong các cụm mạng sẽ đơn giản hơn trong một số trường hợp như mạng rất lớn và phức tạp.
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 có những mâu thuẫn khi có lợi ở tiêu chí này thì bị thiệt ở các tiêu chí