chuẩn IEEE 802.11 [18]-[20]-[21]
3.2.1. Một số độ đo đánh giá hiệu năng.
3.2.1.1. Các độ đo định tính
Để đánh giá chất lượng của một giao thức định tuyến, cần các độ đo cả về mặt định tính lẫn định lượng để đo độ phù hợp và hiệu năng của các giao thức.
Các độ đo này là độc lập với bất kỳ một giao thức nào. Danh sách sau là danh sách các độ đo định tính đối với các giao thức định tuyến của mạng Ad-Hoc:
• Hoạt động phân bố: Đây là một tính chất thiết yếu tuy nhiên nó có thể là trạng thái.
• Tránh hiện tượng lặp vòng: Không yêu cầu phải định lượng nhưng thường được đưa ra để tránh khỏi các vấn đề xảy ra trong trường hợp tồi nhất. Ví dụ như một phần nhỏ của gói tin chạy vòng tròn trong mạng với thời gian tùy ý. Các giải pháp trong mạng ad hoc chẳng hạn như các giá trị TTL có thể giới hạn vấn đề này, nhưng việc tiếp cận một cách chuẩn hóa và có cấu trúc hơn là một việc làm cần thiết để đạt được một hiệu năng tổng thể của hệ thống tốt hơn.
• Hoạt động trên cơ sở yêu cầu: Thay vì việc giả định một phân bố lưu lượng đồng bộ trong mạng (và duy trì thông tin định tuyến giữa các nút mạng ở mọi thời điểm), các thuật toán định tuyến có thể hoạt động để phù hợp với dạng lưu lượng trong mạng theo nhu cầu hoặc yêu cầu cơ bản. Nếu điều này được thực hiện một cách thông minh, nguồn tài nguyên năng lượng và băng thông của mạng sẽ được sử dụng một cách hiệu quả hơn cùng với việc tăng giá của thời gian trễ khi tìm đường.
• Hoạt động thường xuyên: Đây là hoạt động ngược lại với kiểu hoạt động trên cơ sở yêu cầu. Trong một vài hoàn cảnh nào đó, thời gian trễ của hoạt động trên cơ sở yêu cầu có khả năng không thể chấp nhận được. Nếu các nguồn tài nguyên về băng thông và năng lượng cho phép, hoạt động theo kiểu thường xuyên là phù hợp với các hoàn cảnh này.
• Bảo mật: Một giao thức định tuyến cho mạng Ad-Hoc sẽ là một giao thức dễ bị tấn công theo một số dạng nào đó nếu không có sự bảo mật ở tầng mạng hoặc tầng liên kết dữ liệu. Các kiểu tấn công có thể thực hiện một cách khá đơn giản để đọc trộm dữ liệu trên mạng, truyền lại dữ liệu, sửa đổi phần header của các gói dữ liệu và định hướng sai lệch các thông điệp định tuyến. Trong khi những mối quan tâm này tồn tại trong cả các cơ sở hạ tầng mạng có dây cũng như với các giao thức định tuyến, vấn đề bảo mật môi trường truyền vật lý trong mạng Ad-Hoc sẽ trở nên khó khăn hơn rất nhiều so với vấn đề này trong mạng có dây. Các giao thức định tuyến có đủ sự bảo mật cần thiết để ngăn chặn những thay đổi không hợp lệ là các giao thức định tuyến được yêu cầu.
• Hoạt động “ngủ” theo chu kỳ: Với mục tiêu bảo tồn năng lượng hoặc cần thiết phải đưa một nút vào tình trạng không hoạt động, các nút trong một mạng Ad- Hoc có thể ngừng truyền hoặc ngừng nhận trong các khoảng thời gian tùy ý. Một giao thức định tuyến phải có khả năng phù hợp với các chu kỳ “ngủ” của các nút này mà không làm kết quả đảo ngược lại hoàn toàn. Tính chất này có thể yêu cầu đóng sự kêt nối giữa với giao thức tầng liên kết dữ liệu qua một giao tiếp đã được chuẩn hóa.
• Khả năng hỗ trợ liên kết một chiều: Khi thiết kế các thuật toán định tuyến, người ta thường giả sử có các liên kết hai chiều và nhiều thuật toán không có khả năng hoạt động một cách hoàn hảo qua các liên kết một chiều. Tuy nhiên, các liên kết một chiều hoàn toàn có thể tồn tại trong mạng không dây. Thông thường số lượng các liên kết song công đang tồn tại đủ để việc sử dụng các liên kết một chiều không có ý nghĩa nhiều lắm. Tuy nhiên trong tình huống một cặp liên kết một chiều
(ở hai chiều ngược nhau) chỉ hình thành một liên kết hai chiều giữa hai vùng của mạng ad hoc thì khả năng các giao thức định tuyến có thể hoạt động tốt được lại có giá trị rất lớn.
3.2.1.2. Các độ đo định lượng
Các độ đo định lượng được sử dụng khi đánh giá hiệu năng của một giao thức định tuyến nào đó bao gồm:
- Thông lượng dữ liệu đầu cuối và độ trễ: Các độ đo thống kê về hiệu năng định tuyến dữ liệu chẳng hạn như giá trị trung bình, phương sai, khả năng phân bố là rất quan trọng. Đây là các độ đo tính hiệu quả của một phương pháp định tuyến. Nói cách khác, các độ đo này sẽ đo xem một giao thức định tuyến tực hiện công việc của nó tốt đến mức nào.
- Thời gian tìm đường: Đây là một dạng độ đo thời gian trễ đầu cuối được áp dụng khi đánh giá hiệu năng của các giao thức định tuyến hoạt động theo yêu cầu. Thời gian tìm đường là thời gian cần thiết để thiết lập một con đường khi có yêu cầu. - Phần trăm truyền không theo thứ tự: Một độ đo ngoài khi đánh giá hiệu năng của các giao thức định tuyến dạng không kết nối liên quan đến toàn bộ các giao thức ở tầng chuyển vận chẳng hạn như TCP (yêu cầu truyền theo thứ tự).
- Độ hiệu quả: Nếu tính hiệu quả định tuyến dữ liệu là một độ đo ngoài về hiệu năng một chính sách định tuyến thì độ hiệu quả là độ đo trong của tính hiệu quả của các chính sách định tuyến. Để đạt được một cấp độ về hiệu năng định tuyến dữ liệu cho trước nào đó, hai chính sách định tuyến khác nhau có thể sử dụng lượng thông tin điều khiển khác nhau phụ thuộc vào độ hiệu quả trong của chúng. Độ hiệu quả của giao thức có thể hoặc không có thể ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu năng định tuyến dữ liệu. Nếu việc truyền dữ liệu và thông tin điều khiển phải chia sẻ chung một kênh truyền và dung lượng của kênh truyền bị giới hạn thì việc đòi hỏi truyền thông tin điều khiển quá nhiều sẽ làm giảm hiệu năng định tuyến dữ liệu. Để làm rõ hơn độ hiệu quả trong của một giao thức, có một số thông số sau được đưa ra:
+ Giá trị trung bình của số lượng bit dữ liệu phải truyền chia cho số lượng bit cần truyền. Đây là một độ đo độ hiệu quả của việc truyền dữ liệu trong mạng. Nói một cách gián tiếp, nó cung cấp số chặng trung bình mà các gói dữ liệu phải vượt qua.
+ Giá trị trung bình của số bit điều khiển phải truyền chia cho số bit dữ liệu cần truyền. Độ đo này là độ đo tính hiệu quả của giao thức về khả năng sử dụng dung lượng đường truyền dữ liệu để truyền các thông tin điều khiển. Thông tin điều khiển ở đây không chỉ là các bit trong các gói tin điều khiển định tuyến và còn là các bit trong phần header của các gói tin dữ liệu. Nói cách khác, những gì không phải là dữ liệu trong các gói tin sẽ là thông tin điều khiển và nó sẽ được tính là phần điều khiển của một giao thức.
+ Giá trị trung bình của số lượng gói tin dữ liệu và gói tin điều khiển chia được truyền chia cho số lượng gói tin dữ liệu cần truyền. Thay vì việc đo độ hiệu quả của thuật toán theo dạng tính bằng bit, độ đo này sẽ đo độ hiệu quả của việc truy nhập kênh truyền của một giao thức.
Một số tham số sau cần phải quan tâm tới là “ngữ cảnh” của mạng khi ta thực hiện việc đánh giá hiệu năng của một giao thức:
• Kích thước mạng – được đo bằng số lượng các nút.
• Kết nối mạng – số lượng các nút hàng xóm trung bình quanh mỗi nút. • Tốc độ thay đổi hình trạng mạng.
• Dung lượng của liên kết – tốc độ liên kết có thật được đo bằng số bit/giây. • Phần các liên kết một chiều – liên quan đến tính hiệu quả của một giao thức thực hiện khi có mặt các liên kết một chiều.
• Dạng truyền – liên quan đến tính hiệu quả của một giao thức trong việc thích nghi với các dạng thức truyền khác nhau.
• Tính di động – hình trạng mạng biến đổi theo thời gian và không gian đều ảnh hưởng đến hiệu năng của một giao thức định tuyến nào đó.
• Số lượng và tần số xuất hiện các nút không hoạt động - liên quan đến cách thực hiện của một giao thức khi có một cả các nút đang hoạt động và nút không hoạt động.
Một giao thức trong mạng Ad-Hoc có thể hoạt động một cách có hiệu quả qua nhiều hoàn cảnh mạng khác nhau – từ mạng nhỏ, mạng trong phòng thí nghiệm, nhóm mạng ad hoc đến các mạng di động lớn và nhiều chặng. Các đặc tính và độ đo đánh giá hiệu năng trong mạng Ad-Hoc đôi khi hơi khác biệt so với các mạng có dây và đa chặng truyền thống. Môi trường mạng không dây luôn là một môi trường khan hiếm về băng thông và năng lượng của các nút mạng.
Tóm lại, việc đưa mạng Ad-Hoc vào thị trường thương mại còn rất nhiều thách thức và các cơ hội nghiên cứu về mạng Ad-Hoc còn rất nhiều. Một sự thiết lập khác đi về hiệu năng đưa ra yêu cầu về các giao thức định tuyến mới để điều khiển mạng. Một câu hỏi có thể nảy sinh là “độ „tốt‟ của một giao thức có thể được đo như thể nào”. Các độ đo về hiệu năng của các giao thức định tuyến có thể giúp ta trả lời được câu hỏi này và chúng rất có ý nghĩa khi so sánh và đánh giá hiệu năng của các giao thức. Có thể nhận ra rằng một giao thức định tuyến có khuynh hướng phù hợp với một dạng mạng đặc biệt nào đó nhưng lại không thích hợp với các dạng mạng khác. Các đặc tính của các giao thức cả về ưu điểm lẫn sự hạn chế cần phải được chú ý đến để xem chúng có phù hợp với ngữ cảnh của mạng định áp dụng hay không. Các thuộc tính này của một giao thức thường có thể tính toán được một cách „định tính‟, ví dụ như một giao thức có thể hỗ trợ hay không thể hỗ trợ cơ chế định tuyến theo con đường ngắn nhất. Các mô tả định lượng cho phép đánh giá định lượng một cách chi tiết hơn về hiệu năng của các giao thức.
3.2.2. Đánh giá hiệu năng dựa trên kết quả mô phỏng
Hình 3.4 mô tả một trong số các kịch bản mô phỏng, gồm 9 nút di chuyển với vận tốc 20 m/s. Tám kịch bản được mô phỏng và thời gian chạy mỗi kịch bản là 900 giây (simulation time). Các kịch bản mô phỏng được thực hiện lặp lại nhiều lần với mục đích xác thực độ tin cậy của kết quả. Mỗi loại kịch bản sẽ mô phỏng bốn giao thức AODV, DSR, TORA, và DSDV. Việc phân loại các kịch bản mô phỏng nhằm mục đích kiểm tra tác động của tải và tốc độ di chuyển tới kết quả cuối cùng. Quá trình thu thập các thông số thống kê sự kiện riêng lẻ sẽ cho phép kiểm tra các thông số đánh giá hiệu năng cần thiết như khả năng truyền, tỉ lệ chuyển tiếp gói tin và độ tối ưu về đường đi.
Hình 3.4. Một mô hình kịch bản mô phỏng
Các kịch bản được xây dụng trên quy mô mạng trường học trải rộng trên diện tích 1000m x 500m. Các nút mạng là các đầu cuối vô tuyến và server phân bố ngẫu nhiên trên vùng địa lý này. Trong các kịch bản, các nút di động sẽ trao đổi lưu lượng dữ liệu với cùng một server. Di chuyển của các nút được cấu hình với cùng một mobility config với chế độ di chuyển ngẫu nhiên nhằm mô tả sự di chuyển giống như trên thực tế. các nút di chuyển với vận tốc tối đa là 20m/s tùy theo các kịch bản khác nhau. Di chuyển của các nút được thực hiện dựa trên cơ chế giả ngẫu
nhiên. Với cơ chế này, một nút sẽ chọn cho nó một đích để bám theo, khi đến được đích, nó sẽ tạm dừng 30 giây hoặc hơn để tính toán trạng thái tương quan và sau đó chọn cho nó một nút đích ngẫu nhiên khác rồi tiếp tục di chuyển. Cơ chế này được cấu hình với mục đích so sánh các thông số thống kê trong các khoảng thời gian dừng và di chuyển trong cùng một kịch bản.
3.2.2.2. Khảo sát và phân tích kết quả
Trong mục này sẽ thực hiện phân tích các kết quả mô phỏng thu được đồng thời đánh giá hiệu năng của các giao thức AODV, DSDV, TORA, DSR thông qua các thông số đầu vào.
– Mạng gồm 9 nút di động.
– Phạm vi trường học, diện tích 1000m x 500m. – Thời gian mô phỏng 900 giây.
– Thời gian không di chuyển (Pause Time) gồm 7 mức: 0,30,60,120,300,600, và 900.
– Tốc độ di chuyển tối đa là 20 m/s.
a. Tỷ lệ chuyển tiếp gói tin
Tỷ lệ chuyển tiếp gói tin (PDR - Packet Delivery Ratio) là tỷ số giữa số gói tin được phát và số gói tin nhận được trong mạng. Thông số này đánh giá tỷ lệ mát dữ liệu cũng như độ chính xác và hiệu quả của giao thức định tuyến. Hình 3.5 biểu diễn tỷ lệ chuyển tiếp gói tin của các giao thức AODV, DSDV, TORA, DSR tại vận tốc 20m/s.
Hình 3.5. Tỷ lệ chuyển tiếp gói tin của các giao thức
Tỷ lệ này khá cao với các giao thức DSR, AODV, TORA ngoại trừ giao thức DSDV tại thời điểm 300 giây đầu tiên, sau đó tỷ lệ này lại tăng lên khá cao. Do bản chất, DSDV là một giao thức định tuyến sửa đổi từ thuật toán định tuyến Bellman-Ford. Nó mất thời gian cho việc tạo và cập nhật bảng định tuyến tại mỗi nút. Tuy nhiên DSDV là một giao thức không hiệu quả bởi vì nó yêu cầu truyền các gói tin cập nhật một cách định kỳ mà không cần để ý đến số lần thay đổi hình trạng mạng. Sau đó tỷ lệ này cao hơn rất nhiều vào các giai đoạn sau đó. DSR có tỷ lệ chuyển tiếp gói tin cao nhất trong toàn bộ thời gian hoạt động và khá ổn định, thấp hơn là AODV. Hầu hết các giao thức đều có tỷ lệ không ổn định tại ba chặng đầu tiên của quá trình. TORA cũng giống như vậy nhưng thấp hơn và chỉ cao hơn DSDV.
Nhìn chung giao thức DSR và AODV thực thi việc truyền nhận gói tin tốt hơn hai giao thức còn lại và DSDV hoạt động kém hiệu quả nhất. Tuy nhiên khi hình trạng mạng khá ổn định thì các giao thức hoạt động tốt hơn.
b. Khả năng truyền gói tin
Hình 3.6. Khả năng truyền gói tin của các giao thức
Có sự khác biệt rõ ràng về khả năng truyền gói tin giữa các giao thức. Nhận thấy rằng giao thức TORA có khả năng truyền gói tin đạt hiệu quả cao nhất, tuy có sự suy giảm đáng kể về giao đoạn cuối nhưng vẫn là giao thức đạt hiệu quả cao. Điều này chứng tỏ TORA hoạt động tốt hơn khi có vận tốc di chuyển lớn. Đỉnh cao lưu lượng tại thời điểm bắt đầu mô phỏng cho thấy có nhiều lưu lượng định tuyến được đưa vào mạng tại thời điểm thiết lập ban đầu. Tiếp sau đó là AODV, giao thức này luôn chứng tở được khả năng truyền tin khá ổn định trong các môi trường khác nhau. DSDV đạt hiểu quả không cao nhưng lại khá ổn định. Khả năng truyền gói tin thấp nhất là giao thức DSR, có thể vận tốc di chuyển cao làm tăng khả năng gãy liên kết dẫn đến DSR phải phản ứng với tần số cao hơn, tác động của nó thể hiện rõ rệt.
c. Độ tối ƣu về đƣờng đi
Hình 3.7. Tối ƣu về đƣờng đi
Dễ dàng nhận thấy tại thời điểm ban đầu, số lượng gói tin gửi đi là rất cao,