Nội dung khóa luận
Ngày nay, mạng không dây trong đời sống con người đang ngày càng đóng vị trí
quan trọng. Trong số các mạng không dây, mạng adhoc được quan tâm một cách đặc
biệt. Không giống như mạng có dây truyền thống hay mạng không dây có sơ sở hạ
tầng, với tính linh động cao, dễ dàng thiết lập nên mạng adhoc đang được ứng dụng
trong nhiều lĩnh vực của xã hội. Trong đó, vấn đề định tuyến trong mạng adhoc là một
trong những vấn đề quan trọng, đang được nghiên cứu rất nhiều vì nó ảnh hưởng rất
lớn đến hiệu suất của mạng. Đây là những nội dung chính trong khóa luận này.
Khóa luận gồm 4 chương. Chương đầu là khái quát chung về mạng không dây
WLAN và mạng adhoc. Chương 2 đi sâu vào trình bày cấu trúc vật lý của mạng không
dây theo chuẩn 802.11. Chương ba nói về tầm quan trọng của giao thức định tuyến
trong mạng adhoc và trình bày cụ thể một số giao thức định tuyến phổ biến của mạng
adhoc. Chương cuối cùng, dựa vào một số thực nghiệm thông qua bộ mô phỏng của
những người nghiên cứu trước, tôi rút ra một số đánh giá và so sánh giữa các giao thức
định tuyến.
-------------------------------------------------------------------------------------------------
Chương 1: Giới thiệu chung
1.1. Đặt vấn đề
Ngày nay, cùng với sự phát triển vượt bậc của khoa học công nghệ nói chung,
ngành công nghệ thông tin đang ngày càng được đầu tư và phát triển mạnh mẽ. Khi mà
ngày càng nhiều các lĩnh vực trong đời sống xã hội như y tế, giáo dục, xây dựng, kinh
tế, . ứng dụng tin học vào trong công việc thì Internet ngày càng khẳng định vị trí
quan trọng của mình trong đời sống xã hội. Khi mà cuộc sống con người ngày càng
phát triển thì nhu cầu trao đổi thông tin và giải trí của con người ngày càng cao. Con
người muốn mình có thể kết nối với thế giới bất cứ lúc nào, bất cứ nơi đâu. Đó là lý do
mà mạng không dây ra đời. Ngày nay, chúng ta có thể thấy được sự hiện diện của
mạng không dây ở nhiều nơi như trong các tòa nhà, nơi công sở, bệnh viện hay các
quán cà phê. Cùng với sự phát triển của mạng có dây truyền thống, mạng không dây
cũng đang có những bước phát triển nhanh chóng nhằm đáp ứng như cầu truyền thông
và giải trí của con người một cách tốt nhất.
Khi mà mạng không dây ngày càng được quan tâm, đầu tư và phát triển thì ngày
càng nhiều mô hình, kiến trúc mạng được đề xuất. Các mô hình, kiến trúc mạng này
được đề ra nhằm làm cho mạng không dây dần thoát khỏi hoàn toàn sự phụ thuộc vào
cơ sở hạ tầng. Một trong những mô hình mạng được đề xuất đó chính là mạng Adhoc
(Mobile Adhoc Network) thường được viết tắt là MANET. Việc các mạng không dây
ít phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng là một điều rất thuận lợi nhưng lại có những vấn đề
khác đặt ra như tốc độ mạng không ổn định như mạng có dây truyền thống, các nút
mạng hay di chuyển, . Do đó, cùng với vấn đề bảo mật của mạng không dây thì vấn
đề định tuyến trong mạng là vô cùng quan trọng. Nó quyết định rất lớn đến hiệu suất
của toàn mạng. Mạng cục bộ không dây (WLAN)
-----------------------------------------------------------------------------------------------------
-----------------------------------------------------------------------------------------------------
-----------------------------------------------------------------------------------------------------
Mục Lục
Nội dung khóa luận .1
Danh sách các từ viết tắt 5
Chương 1: Giới thiệu chung .7
1.1. Đặt vấn đề 7
1.1.1. Khái niệm về WLAN .7
1.1.2. Lịch sử ra đời mạng WLAN .8
1.1.3. Một số ưu và nhược điểm của WLAN 8
1.2. Mạng adhoc 10
1.2.1. Khái niệm và một số đặc điểm chung của mạng adhoc 10
1.2.2. Ví dụ về mạng adhoc 11
1.2.3. Các ứng dụng của mạng adhoc 12
1.2.4. Một số vấn đề cần quan tâm trong mạng adhoc .13
1.3. Mục tiêu của luận văn .14
Chương 2: Mạng LAN không dây .15
2.1. Mạng WLAN theo chuẩn 802.11[1], [2],[6] 15
2.1.1. Mạng WLAN có cơ sở hạ tầng .15
2.1.2. Mạng adhoc 16
2.2. Kiến trúc giao thức mạng WLAN theo chuẩn 802.11 17
2.2.1. Lớp Vật Lý 18
2.2.2. Lớp điều khiển truy cập môi trường truyền MAC 22
2.2.3. Lớp quản lý tầng MAC 28
Chương 3: Định tuyến trong mạng adhoc 31
3.1. Giới thiệu về thuật toán định tuyến .31
3.2. Yêu cầu của thuật toán định tuyến cho mạng không dây adhoc 31
3.3. Phân loại các thuật toán định tuyến cho mạng adhoc .35
3.3.1. DSDV (Destination Sequence Distance Vector) 35
3.3.2. AODV (Adhoc On-Demand Distance Vector Routing) 37
3.3.3. DSR (Dynamic Source Routing) 38
3.3.4. TORA (Temporally Ordered Routing Algorithm) 40
Chương 4: Đánh giá hiệu suất các giao thức định tuyến bằng bộ mô phỏng mạng NS2 42
4.1. Giới thiệu bộ mô phỏng NS2 . .42
4.2. Khả năng mô phỏng các mạng của NS2 43
4.3. Mô phỏng mạng adhoc và các giao thức định tuyến trong mạng adhoc .43
4.3.1. Mô phỏng mạng adhoc 43
4.3.2. Mô phỏng các giao thức định tuyến trong mạng adhoc [1, T.Việt], [4], [5] .45
4.4. Phân tích và so sánh hiệu suất của các giao thức định tuyến trong mạng adhoc 48
4.4.1. Các tham số của môi trường: .48
4.4.2. Các thông số đánh giá hiệu suất: 49
4.4.3. Các thí nghiệm mô phỏng [1, T.Việt] .49
4.4.4. Nhận xét về hiệu suất của các giao thức định tuyến .52
Kết luận 54
Phụ Lục 55
Tài liệu tham khảo . 61
Phụ Lục
Biểu đồ kết quả so sánh các giao thức định tuyến trong mạng adhoc thông qua bộ mô phỏng mạng NS2
(Luận văn dài 61 trang)
61 trang |
Chia sẻ: lvcdongnoi | Lượt xem: 5001 | Lượt tải: 2
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Mạng adhoc và các giao thức định tuyến phổ biến của mạng adhoc, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
ể nhận gói tin này. Đồng thời
đối chiếu xem mình có tên trong ánh xạ định danh truyền thông không. Nếu có tồn tại,
nó sẽ giữ nguyên trạng thái “thức” và thực hiện quá trình nhận dữ liệu. Ngược lại, trạm
sẽ trở lại trạng thái “nghỉ” và chờ gói beacon kế tiếp.
Đối với mạng adhoc, do không có trạm truy cập cơ sở nên các nút mạng phải tự
lưu lại dữ liệu mình muốn gửi và gửi định danh của trạm cần gửi dữ liệu đến các trạm
xung quanh trong giai đoạn nó thức nhờ sử dụng ánh xạ định danh truyền thông adhoc
(Adhoc Traffic Indication Map – ATIM).
2.2.3.3. Quản lý chuyển vùng (hand-off)
Trong một khu vực lớn, mạng không dây cần lắp nhiều trạm truy cập cơ sở để có
thể mở rộng vùng phủ sóng, giúp người sử dụng có thể truy cập tại bất kì điểm nào
trong khu vực đó. Khi một thiết bị không dây di chuyển giữa các điểm trong khu vực,
cần có một cơ chế quản lý việc chuyển vùng để đảm bảo tính truyền thông của thiết bị
không bị gián đoạn. Việc chuyển vùng này được thực hiện theo các bước:
- Một trạm nhận thấy tín hiệu liên kết giữa mình với trạm truy cập cơ sở là quá
yếu (tín hiệu quá yếu), nó sẽ tìm kiếm một trạm cơ sở khác cung cấp dịch vụ với một
liên kết tốt hơn.
Mạng Adhoc, Khóa luận tốt nghiệp Cử nhân CNTT, Ngô Hải Sơn, 2008
30
- Trong quá trình quét tín hiệu mạng được chia làm hai dạng là quét chủ động và
quét bị động. Quét chủ động là máy trạm trực tiếp phát đi một gói tin tín hiệu đến mỗi
kênh truyền và chờ đợi phản hồi từ các kênh truyền đó. Quét thụ động là máy trạm
nghe môi trường truyền để tìm ra một BS mới.
- Sau khi nhận được tín hiệu phản hồi, trạm cần chuyển vùng sẽ chọn máy trạm
cơ sở cung cấp dịch vụ liên kết tốt nhất đến nó và gửi một yêu cầu cung cấp dịch vụ.
- Trạm truy cập cơ sở sẽ trả lời yêu cầu của máy trạm chuyển vùng. Nếu chấp
nhận thì máy trạm chuyển vùng sẽ gia nhập một BS mới. Ngược lại, nó sẽ phải quét lại
để tìm một máy trạm cơ sở mới chấp nhận cho nó tham gia vào BS mới.
Mạng Adhoc, Khóa luận tốt nghiệp Cử nhân CNTT, Ngô Hải Sơn, 2008
31
Chương 3: Định tuyến trong mạng adhoc
3.1. Giới thiệu về thuật toán định tuyến
Trong một hệ thống mạng, một trong những yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến hiệu
suất của mạng đó là thời gian truyền các gói tin từ điểm đầu đến điểm cuối sao cho
nhanh và chính xác nhất. Để đạt được điều đó thì tầng mạng có nhiệm vụ là tìm đường
đi, xác định các router trung gian để chuyển gói tin từ điểm đầu đến điểm cuối. Các
thuật toán giúp xác định đường đi như vậy gọi là thuật toán định tuyến. Như vậy chức
năng của thuật toán định tuyến chính là xác định đường đi tốt nhất cho gói tin từ bên
gửi đến bên nhận.
Đối với mạng không dây có cơ sở hạ tầng, việc truyền thông giữa các nút mạng
trong mạng phụ thuộc rất nhiều vào base station. Các nút mạng muốn liên lạc với nhau
đều phải nằm trong vùng phủ sóng của base station (nếu một nút mạng mà nằm ngoài
vùng phủ sóng của base station thì nó không thể nào liên lạc được với các nút mạng
khác). Nhưng với mạng adhoc thì lại khác. Các nút mạng dù nằm ngoài vùng phủ sóng
của nhau vẫn có thể liên lạc được với nhau thông qua các nút mạng trung gian. Do đó,
việc tìm ra các nút mạng trung gian để truyền gói tin giữa nút mạng đầu và nút mạng
cuối là rất quan trọng.
Ngoài ra, một số đặc điểm khác biệt của mạng adhoc so với các mạng khác như
các nút mạng có thể di động, dẫn đến topo mạng thay đổi theo; băng thông của mạng
cũng thay đổi liên tục, tốc độ truyền tín hiệu của mạng phụ thuộc nhiều vào tính chất
vật lý của các nút mạng và giao diện mạng, ... Chính những đặc điểm này làm cho việc
thiết kế các giao thức định tuyến cho mạng adhoc là một bài toán khó.
3.2.Yêu cầu của thuật toán định tuyến cho mạng không dây adhoc
Như đã trình bày ở trên, do các đặc điểm khác biệt của mạng adhoc, chúng ta
không thể áp dụng các thuật toán định tuyến truyền thống như Trạng thái liên kết
(Link State) hay Vector khoảng cách (Distance Vector) cho mạng adhoc được. Cả hai
thuật toán này đều yêu cầu các router quảng bá thông tin định tuyến theo kiểu định kì.
Những hoạt động này hạn chế khả năng thích ứng của giao thức với các thay đổi của
topo mạng. Nếu khoảng thời gian định kỳ khá ngắn, giao thức sẽ hoạt động không hiệu
quả bởi nó phải làm việc nhiều hơn so với sự thay đổi của topo mạng và gây lãng phí
băng thông và năng lượng của các nút mạng một cách không cần thiết. Còn nếu thời
gian định kì quá dài, giao thức sẽ không phản ứng kịp với sự thay đổi của topo mạng.
Mạng Adhoc, Khóa luận tốt nghiệp Cử nhân CNTT, Ngô Hải Sơn, 2008
32
Với thuật toán Link State, các router sẽ gửi thông tin quảng bá định kì về các
hàng xóm và giá của đường đi tới các hàng xóm đến tất cả các router trong mạng. Từ
đó, các router sẽ biết được toàn bộ topo của mạng để tính toán đường đi tới đích ngắn
nhất có thể.
Còn với thuật toán Distance Vector, mỗi router lại gửi định kì các thông tin
khoảng cách từ nó đến các router khác. Bằng việc tính toán, so sánh khoảng cách từ
mỗi hàng xóm đến một đích nào đó, các router sẽ quyết định tuyến đường đi ngắn nhất
đến nút mạng đích.
Như vậy, nếu sử dụng các thuật toán thông thường với mạng adhoc có thể dẫn
đến một loạt các vấn đề sau:
- Đặc điểm đầu tiên của các thuật toán định tuyến thông thường đã không phù
hợp với mạng adhoc. Đó là việc các router liên tục gửi quảng bá định kì đến các nút
mạng trong mạng. Việc gửi quảng bá định tuyến định kì gây ra hai vấn đề sau:
o Thứ nhất, nó sẽ gây lãng phí băng thông cho các nút mạng trong mạng
adhoc. Có những khi không có sự thay đổi nào trong mạng nhưng các router tiếp tục
gửi các cập nhật thông tin định tuyến theo định kì làm các nút mạng phải tính toán lại
các tuyến đường. Nếu trong vùng phủ sóng của một nút mạng có quá nhiều nút mạng
khác thì nút mạng này phải nhận rất nhiều thông tin cập nhật định tuyến. Điều này gây
lãng phí băng thông một cách không cần thiết.
o Thứ hai, việc gửi các cập nhật định tuyến theo định kì cũng gây lãng phí
năng lượng không cần thiết cho các nút mạng trong mạng. Chúng ta đã biết năng
lượng của các nút mạng trong mạng adhoc chủ yếu là pin. Việc sử dụng năng lượng
một cách tiết kiệm và hợp lý là rất cần thiết. Nếu các nút mạng phải gửi quảng bá định
tuyến theo định kì sẽ tốn rất nhiều năng lượng, bởi năng lượng để gửi một gói tin
không phải là nhỏ. Bên cạnh đó, việc nhận một gói tin tốn ít năng lượng nhưng việc
phải cập nhật, tính toán các tuyến đường lại cản trở việc tiết kiệm năng lượng của các
nút mạng.
- Ở các mạng thông thường, liên kết giữa hai nút mạng trong mạng hoặc giữa nút
mạng với base station là các liên kết đối xứng. Trong khi đó, liên kết giữa hai nút
mạng của mạng adhoc có thể là liên kết không đối xứng, nghĩa là việc truyền thông
giữa hai nút mạng không thể thực hiện tốt trên cả hai hướng. Lý do là vì khả năng
truyền tín hiệu của các nút mạng là khác nhau: nút mạng nào có năng lượng truyền tín
hiệu mạnh thì nút mạng đó có liên kết tốt với các nút mạng nhận tín hiệu của nó,
Mạng Adhoc, Khóa luận tốt nghiệp Cử nhân CNTT, Ngô Hải Sơn, 2008
33
ngược lại, nút mạng có năng lượng truyền tín hiệu yếu thì khả năng không liên kết
được với các nút mạng nhận tín hiệu là khó tránh khỏi, nếu có liên kết được thì đó
cũng chỉ là những liên kết yếu, không ổn định. Do đó, giao thức định tuyến thông
thường không thể hoạt động trong môi trường mạng như vậy.
- Một đặc điểm nữa của mạng adhoc làm chúng ta không thể áp dụng được các
thuật toán định tuyến thông thường cho nó. Đó là trong mạng adhoc tồn tại nhiều liên
kết dư thừa. Với mạng có dây truyền thống, người ta thường chỉ dùng rất ít các router
để nối hai mạng với nhau. Vì thế các tuyến đường dư thừa trong mạng có dây là không
nhiều và các thuật toán định tuyến thông thường vẫn tính đến cả những liên kết đó.
Nhưng với mạng adhoc lại khác. Mỗi nút mạng lại đóng vai trò như một router, mạng
adhoc có bao nhiêu nút mạng thì có bấy nhiêu router. Điều này làm cho việc truyền dữ
liệu từ nút mạng nguồn đến nút mạng đích có thể phải đi qua nhiều hơn một nút mạng
trung gian, và tuyến đường mà dữ liệu di chuyển cũng không phải là duy nhất. Bên
cạnh tuyến đường tốt nhất vẫn có thể tồn tại nhiều tuyến đường khác có thể hoạt động
bình thường. Với mạng có quá nhiều tuyến đường dư thừa như vậy, các thuật toán
định tuyến nếu tính cả đến chúng sẽ làm cho việc cập nhật và tính toán tuyến đường
trở lên nhiều hơn. Điều đó là không cần thiết.
- Một vấn đề cuối cùng quan trọng hơn cả, đó là các thuật toán đó không được
thiết kế dành cho mạng có topo động như của mạng adhoc. Với mạng có dây truyền
thống, liên kết giữa các router gần như là không đổi, giá (chất lượng) của một liên kết
có thể thay đổi do tắc nghẽn chứ vị trí của các router là cố định trong cấu trúc mạng.
Nhưng trong mạng adhoc, điều đó lại không hề có.
Với những vấn đề nêu ra ở trên, chúng ta có thể rút ra được một số yêu cầu với
các thuật toán định tuyến cho mạng adhoc:
- Thuật toán phải được thiết kế sao cho phù hợp với tính động của topo mạng và
các liên kết bất đối xứng.
- Hoạt động phân tán: cách tiếp cận tập trung cho mạng adhoc sẽ thất bại do 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 nó cho các nút mạng. Trong thời gian đó, cấu hình mạng có thể
đã thay đổi rất nhiều.
- Tính toán đến vấn đề năng lượng và băng thông của mạng: Do các nút mạng có
nguồn năng lượng hạn chế nên cần phải tính toán đến vấn đề tiết kiệm năng lượng.
Giao thức định tuyến có thể cung cấp yêu cầu bảo tồn năng lượng ở các nút mạng khi
Mạng Adhoc, Khóa luận tốt nghiệp Cử nhân CNTT, Ngô Hải Sơn, 2008
34
có thể. Băng thông của mạng cũng cần được tính đến để tránh gây lãng phí băng thông
không cần thiết.
- Không để xảy ra hiện tượng lặp định tuyến: Hiện tượng này xảy ra khi một
phần nhỏ các gói tin di chuyển vòng vòng quanh mạng trong một khoảng thời gian nào
đó. Giải pháp đưa ra có thể là sử dụng bộ đếm chặng trong mỗi gói tin. Mỗi khi gói tin
di chuyển đến một nút mạng mới, bộ đếm chặng sẽ tăng lên một, và đến một giá trị
nào đó thì gói tin sẽ bị loại bỏ.
- Thiết lập những cụm mạng nhỏ: Nếu giao thức định tuyến có thể xác định được
các nút mạng gần nhau và thiết lập chúng thành một cụm mạng nhỏ thì sẽ rất thuận
tiện trong định tuyến. Nếu các nút mạng đơn di chuyển nhanh hơn thì các cụm mạng
lại ổn định hơn. Do đó, định tuyến trong các cụm mạng sẽ đơn giản hơn rất nhiều.
Hình 14: Ví dụ về các cụm mạng nhỏ trong mạng adhoc
- Bảo mật: Giao thức định tuyến của mạng adhoc 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 tốn băng thông và năng lượng,
vốn là những tài nguyên ”quý hiếm” trong mạng adhoc. Do vậy cần có những phương
pháp bảo mật thích hợp để ngăn chặn việc sửa đổi hoạt động của giao thức.
Mạng Adhoc, Khóa luận tốt nghiệp Cử nhân CNTT, Ngô Hải Sơn, 2008
35
3.3. Phân loại các thuật toán định tuyến cho mạng adhoc
Có rất nhiều giao thức định tuyến trong mạng không dây adhoc. Với mỗi cách
tiếp cận khác nhau thì lại có một cách phân loại khác nhau. Song nhìn chung có thể
phân thành hai loại chính là định tuyến điều khiển bằng bảng ghi (Table-Driven
Routing Protocols) và định tuyến theo yêu cầu khởi phát từ nguồn (Source Initiated
On-demand Routing).
- Định tuyến điều khiển theo bảng ghi: phương pháp này cố gắng duy trì thông tin
định tuyến cập nhật liên tục từ mỗi nút mạng đến mọi nút mạng khác trong mạng. Các giao
thức loại này yêu cầu mỗi nút mạng luôn duy trì một hoặc nhiều bảng ghi để lưu trữ thông
tin định tuyến, và chúng đáp ứng những thay đổi trong topo mạng bằng cách phát quảng bá
rộng rãi các thông tin cập nhật tuyến qua mạng để duy trì tầm kiểm soát mạng một cách liên
tục, duy trì một cái nhìn nhất quán về mạng. Các vùng nào khác nhau về số bảng ghi liên
quan đến định tuyến cần thiết và các phương thức thay đổi cấu trúc mạng sẽ được phát
quảng bá để cho tất cả mọi nút mạng đều có thể biết được
- Định tuyến theo yêu cầu khởi phát từ nguồn: Phương pháp này chỉ tạo ra các
tuyến khi nút mạng nguồn cần đến. Khi một nút mạng yêu cầu một tuyến đến đích, nó
phải khởi đầu một quá trình khám phá tuyến. Quá trình này chỉ hoàn tất khi đã tìm ra
một tuyến sẵn sàng hoặc tất cả các tuyến khả thi đều được kiểm tra. Khi mà một tuyến
đã được khám phá và thiết lập, nó được duy trì bởi một số dạng thủ tục cho đến khi
tuyến đó không thể truy nhập được từ nút mạng nguồn hoặc là không còn cần thiết đến
nó nữa.
Sau đây, tôi xin trình bày một số giao thức định tuyến phổ biến trong mạng
adhoc:
3.3.1. DSDV (Destination Sequence Distance Vector)
DSDV là giao thức định tuyến theo bảng, dựa trên vector khoảng cách theo
chặng. Kĩ thuật này vẫn giữ được những nét cổ điển của thuật toán Bellman-Ford
nhưng đã được cải tiến để loại bỏ khả năng sinh ra vòng lặp trong các bảng định tuyến
để phù hợp với mạng adhoc.
Trong thuật toán này, mỗi nút mạng sẽ duy trì một bảng định tuyến chứa các nút
mạng đích có thể đến trong mạng và số chặng tới mỗi đích trong mạng. Để duy trì tính
nhất quán trong mạng, DSDV yêu cầu các nút mạng phát quảng bá định kỳ các cập
nhật định tuyến tới các nút mạng hàng xóm và phát ngay các cập nhật khi có những
thay đổi quan trọng xảy ra trong mạng. Ngoài để tránh việc các thông tin định tuyến
Mạng Adhoc, Khóa luận tốt nghiệp Cử nhân CNTT, Ngô Hải Sơn, 2008
36
được phát quảng bá quá nhiều khi topo mạng có những thay đổi nhanh, DSDV sử
dụng một cơ chế hãm các cập nhật tức thời khi có các thay đổi quá nhanh xảy ra trong
mạng. Với cơ chế này, DSDV sử dụng hai loại thông điệp cập nhật: cập nhật đầy đủ –
chứa tất cả thông tin định tuyến hiện có và cập nhật thông tin bổ sung – mang những
thông tin về những thay đổi từ lần cập nhật đầy đủ gần nhất. Để làm được điều này,
DSDV sử dụng hai bảng ghi khác nhau, một để chuyển tiếp các gói tin, một để phát
các gói tin cập nhật bổ sung. Thực tế, nếu những thay đổi trong mạng không xảy ra
một cách thường xuyên thì những thông điệp cập nhật đầy đủ sẽ ít được sử dụng. Thay
vào đó là những gói tin cập nhật bổ sung. Do đó, các nút mạng di động cũng phải sử
dụng một bảng ghi để nhớ những thông tin của các gói cập nhật bổ sung này.
Ngoài ra để tránh lặp tuyến, DSDV còn sử dụng số thứ tự gắn với mỗi đường. Số
thứ tự này xác định độ mới của tuyến đường, cho phép các nút mạng di động có thể
phân biệt được các tuyến đường mới và các tuyến đường cũ. Số thứ tự của tuyến
đường được tăng lên 1 mỗi khi có một tuyến đường mới được phát quảng bá. Đường
có số thứ tự cao hơn được xem là tốt hơn. Nếu hai đường có cùng số thứ tự, đường nào
có số chặng ít hơn sẽ được sử dụng. Khi có một liên kết hỏng (nút mạng không nhận
được các quảng bá định kì), trong lần quảng bá sau, nút mạng phát hiện ra liên kết
hỏng sẽ phát quảng bá đường tới đích có số chặng là vô cùng và tăng thứ tự đường.
Destination
Next
Hop
Metric Seq.No
Install
Time
Stable
Data
A A 0 A-864 001000 Ptr_A
B B 1 B-470 001200 Ptr_B
C B 3 C-920 001500 Ptr_C
D B 4 D-502 001200 Ptr_D
Hình 15: Ví dụ về bảng định tuyến khi dùng thuật toán DSDV
Trên đây là hình vẽ miêu tả một bảng định tuyến trong DSDV. Trong đó, next
hop là chặng tiếp theo, metric là số các chặng để tới đích, Seq.no là số thức tự của
quảng cáo cuối cùng tới nút mạng và install time là thời gian đường được cài đặt lần
đầu tiên. Ngoài ra, bảng còn chứa các trường nút mạng đích (Destination) và thời gian
tồn tại của các đường (Stable Data).
Mạng Adhoc, Khóa luận tốt nghiệp Cử nhân CNTT, Ngô Hải Sơn, 2008
37
3.3.2. AODV (Adhoc On-Demand Distance Vector Routing)
AODVlà giao thức định tuyến dựa trên giao thức DSDV được trình bày ở trên.
Nó cùng được phát triển bởi C. Perkins và S. Das tại trung tâm nghiên cứu Nokia
thuộc trường đại học California và đại học Cincinnati. Giống như DSDV, AODV cũng
loại bỏ được vấn đề lặp định tuyến của các giao thức Distance Vector khác bằng việc
dùng số thứ tự gắn với mỗi đường. Tuy nhiên, nếu như DSDV luôn duy trì một danh
sách các tuyến đường hoàn chỉnh, AODV chỉ tạo ra các tuyến đường khi được yêu
cầu. Điều này giúp nó tối thiểu hóa được việc phát quảng bá trong mạng. Mỗi nút
mạng trong mạng sẽ duy trì một bảng ghi định tuyến chứa thông tin về đường đi (như
địa chỉ đích, số thứ tự đích, số chặng, chặng tiếp theo, thời gian tồn tại của đường, các
nút mạng hàng xóm, thông tin ghi nhận các yêu cầu đã được xử lý) mà nút mạng giao
tiếp. Với những nút mạng không nằm trên đường đi đến đích thì không cần phải duy
trì thông tin định tuyến hoặc tham gia vào việc trao đổi các bảng định tuyến. Để phát
hiện và duy trì liên kết, AODV sử dụng các thông điệp khác nhau là Route REQuest
(RREQ) và HELLO.
Khi nút mạng nguồn muốn gửi một gói tin đến nút mạng đích mà tuyến đường
chưa được xác lập, nó sẽ gửi thông điệp yêu cầu tuyến đường RREQ đến tất cả các nút
mạng hàng xóm. Quá trình này chỉ dừng lại khi gói RREQ tới được đích hoặc một nút
mạng có đường đi tới đích. Tại các nút mạng đã đi qua, RREQ cũng lưu định danh các
nút mạng để tạo đường quay trở về nguồn tạm thời. Đồng thời, các nút mạng cũng lưu
định danh của các RREQ đã nhận để loại bỏ các RREQ được gửi lại.
Hình 16: Quá trình truyền của RREQ
Khi RREQ tới được đích hoặc nút mạng có đường tới được đích, gói tin trả lời
Route REPly (RREP) được khởi tạo và được chuyển về nút mạng nguồn theo tuyến
Mạng Adhoc, Khóa luận tốt nghiệp Cử nhân CNTT, Ngô Hải Sơn, 2008
38
đường tạm thời mà gói RREQ thiết lập. Trong quá trình đó, RREP thiết lập đường
hướng đến đích tại các nút mạng chuyển tiếp. Khi RREP đến được nút mạng nguồn
cũng là lúc tuyến đường từ nguồn tới đích được thiết lập. Nếu nút mạng nguồn không
nhận được gói tin RREP, nút mạng sẽ gửi lại thông điệp RREQ hoặc giả thiết không
có đường tới đích. Mặt khác, do RREP được chuyển tiếp dọc theo các tuyến đường
được RREQ thiết lập nên AODV chỉ có thế hỗ trợ tìm đường đi qua các liên kết đối
xứng.
Hình 17: Đường đi của gói tin RREP trở về nguồn
Để cảm nhận và duy trì các liên kết, AODV sử dụng thông điệp HELLO phát
quảng bá định tuyến đến các hàng xóm. Thông điệp này cho biết sự tồn tại của nút
mạng và liên kết tới nút mạng đó vẫn hoạt động. Khi thông điệp HELLO không đến
được nút mạng hàng xóm nào đó, điều đó chứng tỏ liên kết bị hỏng. Nút mạng gửi
HELOO sẽ đánh dấu liên kết đến hàng xóm đó là hỏng và gửi thông điệp Route
ERRor (RERR) báo lỗi tới tất cả các nút mạng liên quan. Việc phát hiện lỗi này là do
lớp vật lý và lớp liên kết thực hiện.
3.3.3. DSR (Dynamic Source Routing)
DSR là thuật toán định tuyến phổ biến trong mạng adhoc hiện nay. So với các
thuật toán định tuyến khác, nó có những điểm vượt trội hơn như: không phát quảng bá
định tuyến định kì, hỗ trợ tìm đường đi qua cả các liên kết không đối xứng và phù hợp
với tính động của topo mạng. DSR chia cơ chế định tuyến thành hai phần là cơ chế tìm
kiếm đường đi (Route Discovery) và cơ chế duy trì tuyến đường (Route Maintenance).
DSR sử dụng kĩ thuật định tuyến nguồn (source route). Theo đó, khi muốn gửi
một gói tin, một tuyến nguồn sẽ được hình thành và lưu ở tiêu đề của gói tin. Tuyến
Mạng Adhoc, Khóa luận tốt nghiệp Cử nhân CNTT, Ngô Hải Sơn, 2008
39
nguồn này chứa một danh sách có thứ tự và đầy đủ về các nút mạng cần đi qua để tới
đích. Do đó, các nút mạng trung gian chỉ cần duy trì liên kết với các nút mạng hàng
xóm để chuyển tiếp các gói tin. Nút mạng nguồn thì cần biết toàn bộ thứ tự tuyến
đường để đến đích.
Mỗi nút mạng đều duy trì một bộ nhớ gọi là route cache để lưu các tuyến đường
khởi đầu từ nút mạng này mà nó tìm được. Khi có yêu cầu về tìm đường đi, nút mạng
sẽ kiểm tra trong route cache có tuyến đường mà nó mong muốn hay không. Nếu có,
tuyến đường này sẽ được sử dụng để truyền gói tin. Ngược lại, cơ chế tìm kiếm đường
đi sẽ được khởi động bằng việc phát quảng bá đi một gói tin yêu cầu đường (Route
Request). Khi một nút mạng nhận được gói tin yêu cầu, nó sẽ kiểm tra trong route
cache của mình có địa chỉ nút mạng đích hay không. Nếu không có, nó lại chuyển gói
tin đó sang nút mạng hàng xóm của mình, đồng thời, bổ sung địa chỉ của nó vào thứ tự
chặng được lưu trong gói tin yêu cầu. Gói tin yêu cầu được truyền trong mạng cho tới
khi tới được nút mạng đích hoặc nút mạng có chứa đường đi đến nút mạng đích. Khi
đường được tìm thấy, gói tin trả lời (route reply) chứa toàn bộ tuyến đường sẽ được
gửi trở lại nút mạng nguồn. Lúc này cũng cần phải có một cơ chế để loại bỏ gói tin
Route Request để tránh cho nó truyền vô hạn trong mạng. Do đó, DSR thêm vào tiêu
đề của gói một trường time-to-live. Mỗi khi qua một nút mạng, trường time-to-live sẽ
được tăng lên một, khi time-to-live vượt quá một giá trị nào đó, nó sẽ bị loại bỏ. Ngoài
ra để giảm thời gian tìm kiếm đường, các nút mạng thường xuyên bổ sung những
tuyến đường mới mà nó học được trong quá trình các nút mạng khác chọn đường.
Trong quá trình sử dụng route cache để ghi dữ liệu, các nút mạng vẫn có thể theo
dõi sự thay đổi của các liên kết thông qua cơ chế duy trì tuyền đường. Cơ chế duy trì
tuyến đường thực hiện biên nhận theo chặng hoặc biên nhận đầu cuối, kèm theo đó là
cơ chế thông báo lỗi khi có liên kết bị đứt gẫy. Khi gói tin Route Error được gửi về nút
mạng nguồn, nó sẽ xoá bỏ liên kết bị hỏng ra khỏi route cache và tất cả các đường có
chứa chặng này được cắt tại điểm có liên kết hỏng. Ngoài ra, các nút mạng trung gian
chuyển tiếp gói tin route error có thể cập nhật route cache theo cách tương tự.
Mạng Adhoc, Khóa luận tốt nghiệp Cử nhân CNTT, Ngô Hải Sơn, 2008
40
Hình 18: Quá trình tìm kiếm đường của DSR
Hình 19: Gửi trả lại tuyến đường về cho nút nguồn
3.3.4. TORA (Temporally Ordered Routing Algorithm)
TORA là giao thức định tuyến phân bố không lặp vòng và độ thích nghi cao dựa
theo phương thức đảo ngược các liên kết. TORA được đề xuất cho môi trường nối
mạng có tính linh động cao. Giao thức được thiết kế để phát hiện đường theo yêu cầu,
cung cấp nhiều đường, thiết lập đường nhanh và tối thiểu hóa chi phí truyền thông
bằng cách cục bộ hóa phản ứng của giải thuật đối với các thay đổi cấu hình khi có thể.
Giao thức chỉ phản ứng khi tất cả đường tới đích bị mất. Giao thức thực hiện ba chức
năng cơ bản: tạo tuyến, duy trì tuyến và xóa tuyến. Giống như các giao thức đảo ngược
liên kết khác, việc tạo đường về cơ bản là thực hiện gán các hướng cho các liên kết
trong một mạng hoặc phần mạng vô hướng hình thành nên đồ thị có hướng không có
vòng lặp (Directed Acyclic Graph - DAG) có gốc đặt tại đích.
TORA gắn cho mỗi nút mạng trong mạng một độ cao tương ứng. Các thông điệp
trong mạng được truyền từ các nút mạng có độ cao lớn hơn đến các nút mạng có độ
Mạng Adhoc, Khóa luận tốt nghiệp Cử nhân CNTT, Ngô Hải Sơn, 2008
41
cao thấp hơn. Để phát hiện tuyến đường, TORA sử dụng hai gói tin truy vấn
(QUERY) và cập nhật (UPDATE). Khi một nút mạng cần đường đi đến đích, nó sẽ
phát quảng bá gói tin truy vấn QUERY. Gói tin sẽ được truyền qua mạng cho đến khi
gặp nút mạng đích hoặc gặp nút mạng có đường đi đến nút mạng đích. Khi nút mạng
nào nhận được gói tin truy vấn QUERY, nó sẽ gửi phản hồi trở lại gói tin cập nhật
(UPDATE) có chứa trọng số của nút mạng đó. Các nút mạng nhận được gói tin cập
nhật này sẽ phải thiết lập lại trọng số của nó lớn hơn trọng số của nút mạng hàng xóm
gửi gói tin cập nhật cho nó.
Cơ chế duy trì tuyến đường thực ra chính là phản ứng của TORA với các thay
đổi cấu hình trong mạng. Khi một nút mạng nào đó phát hiện ra đường đi tới đích
không còn hợp lệ, nó sẽ điều chỉnh độ cao của mình là lớn nhất so với nút mạng hàng
xóm, đồng thời phát đi một gói tin UPDATE. Các tuyến đường được đảo ngược để
phản ánh những thay đổi để thích nghi với mức tham chiếu mới. Việc này có hiệu quả
giống như sự đảo hướng của một hay nhiều tuyến đường khi một nút mạng không có
tuyến đường xuống các nút mạng dưới. Khi mà có nút mạng nào đó không còn tuyến
đường đi đến nút mạng đích, nó sẽ bị đánh dấu là vô hướng và bị xóa ra khỏi đường đi.
Việc xóa các tuyến không còn hiệu lực của TORA bao gồm việc phát quảng bá đi
thông điệp CLEAR tới toàn mạng.
Mạng Adhoc, Khóa luận tốt nghiệp Cử nhân CNTT, Ngô Hải Sơn, 2008
42
Chương 4: Đánh giá hiệu suất các giao thức định tuyến bằng bộ mô
phỏng mạng NS2
4.1. Giới thiệu bộ mô phỏng NS2[4],[5]
NS2 là bộ mô phỏng mạng vận hành theo sự kiện rời rạc (Discrete Event-Drivent
Simulator), được phát triển như một phần của dự án VINT (Virtual Internet Testbeb).
Nó được xây dựng dựa trên hai ngôn ngữ là C++ và OTcl. Phần “nhân” của nó ít thay
đổi được viết bằng ngôn ngữ C++, bao gồm các module thực hiện mô phỏng và các
chức năng cơ bản nhất của mạng. Phần vỏ được viết bằng ngôn ngữ Otcl, là một dạng
ngôn ngữ kịch bản, thực hiện việc định cấu hình và điều khiển mô phỏng.
Hình 20: Tiến trình hoạt động của một trình mô phỏng
Hình trên cho ta thấy, NS2 là bộ thông dịch ngôn ngữ kịch bản hướng đối tượng
Otcl bao gồm bộ lập lịch sự kiện, các thành phần mạng và các module thiết đặt mạng.
Để cài đặt và chạy chương trình, người ta phải viết một chương trình mô phỏng bằng
ngôn ngữ kịch bản Otcl. Chương trình này sẽ khởi tạo bộ lập lịch, thiết lập cấu hình
mạng với các đối tượng mạng và các hàm thiết đặt mạng. Trong quá trình chạy chương
trình, chúng ta có thể quan sát trực quan các sự kiện qua công cụ NAM. Khi kết thúc
quá trình chạy, kết quả mô phỏng sẽ được ghi lại trong các file vết (trace file). Chúng
ta có thể đánh giá, phân tích mạng thông qua các file này.
Ngày nay, NS2 có thể coi là một công cụ quan trọng để nghiên cứu, thiết kế và
mô phỏng mạng. Với những mạng quy mô lớn, việc thiết kế, đánh giá hiệu suất mạng
trước khi triển khai là vô cùng quan trọng vì nó giúp hạn chế xảy ra các sự cố như ắc
nghẽn mạng hay hiệu suất mạng không được như mong muốn. Vì là một phần mềm
mã nguồn mở nên nó có thể cài được trên cả Windows 32 bit hay Linux. Cộng đồng sử
Mạng Adhoc, Khóa luận tốt nghiệp Cử nhân CNTT, Ngô Hải Sơn, 2008
43
dụng NS2 cũng rất lớn: trên một nghìn trường đại học, viện nghiên cứu, ... với hơn
mười nghìn người sử dụng trên toàn thế giới.
4.2. Khả năng mô phỏng các mạng của NS2
NS2 có thể hỗ trợ những người nghiên cứu mạng những điểm sau:
- Khả năng trừu tượng hóa: giúp nghiên cứu các giao thức mạng ở nhiều mức
khác nhau, từ hành vi đơn lẻ của một giao thức đến kết hợp của nhiều luồng dữ liệu và
tương tác của nhiều giao thức. Điều này giúp người nghiên cứu có thể dễ dàng so sánh
và phân tích các kết quả chi tiết với trừu tượng.
- Khả năng tương tác với mạng thực: Cho phép chương trình mô phỏng đang
chạy tương tác với các nút mạng đang hoạt đông.
- Khả năng tạo ngữ cảnh: Người nghiên cứu có thể tạo các mẫu lưu lượng, các
hiện trạng mạng phức tạp và các sự kiện động như lỗi liên kết một cách dễ dàng. Điều
này giúp cho việc nghiên cứu, kiểm chứng các giao thức mạng trong các mô hình
mạng khác nhau được đúng đắn hơn.
- Khả năng trực quan hóa: Thông qua công cụ NAM, người nghiên cứu có thể
nhìn trực quan các hoạt động của mạng, từ đó dễ dàng hiểu được các hành vi phức tạp
của mô phỏng mạng.
- Khả năng mở rộng được: NS2 cho phép mở rộng các chức năng mới một cách
dễ dàng; ví dụ thêm nút mạng, thay đổi các giao thức truyền dữ liệu, ... Vì thế có thể
thực hiện nghiên cứu các giao thức mới.
4.3. Mô phỏng mạng adhoc và các giao thức định tuyến trong mạng
adhoc
4.3.1. Mô phỏng mạng adhoc
Các mạng adhoc được mô tả dựa trên hai mô hình là mô hình di chuyển thể hiện
sự chuyển động của các nút trong mạng và mô hình truyền thông thể hiện khuôn dạng
truyền thông giữa các nút trong mạng.
4.3.1.1. Các mô hình di chuyển
Có ba mô hình tiêu biểu mô phỏng mạng adhoc trong NS2 là: Random
Waypoint, Random Walk, và Random Direction.
Mạng Adhoc, Khóa luận tốt nghiệp Cử nhân CNTT, Ngô Hải Sơn, 2008
44
- Mô hình Random Waypoint:
Theo mô hình này, có hai khái niệm là thời gian tạm dừng (khoảng thời gian mà
một nút không thay đổi vị trí của mình) và tốc độ di chuyển của nút từ vị trí này sang
vị trí khác. Bốn tham số được sử dụng để xây dựng mô hình này là: Speedmin(tốc độ
nhỏ nhất), Speedmax(tốc độ lớn nhất), Pmin(thời gian tạm dừng nhỏ nhất), Pmax(thời gian
tạm dừng lớn nhất).
Ban đầu nút ở một vị trí bất kì trong khu vực mô phỏng và thời gian tạm dừng
của nó là P1 (P1 được chọn theo phân bố đồng đều trong [Pmin, Pmax]). Sau khi hết
khoảng thời gian P1, nút sẽ di chuyển đến vị trí mới trong khu vực mô phỏng với tốc
độ được chọn trong [Speedmin, Speedmax]. Sau đó quá trình lại tiếp tục được lặp lại. Mô
hình này rất linh động, nó mô tả theo cách người ta di chuyển trong các hội nghị. Đây
là mô hình phổ biến nhất trong các nghiên cứu về mạng adhoc.
- Mô hình Random Walk :
Mô hình mô phỏng chuyển động ngẫu nhiên của các thực thể trong tự nhiên. Nút
mạng di chuyển từ vị trí hiện tại đến vị trí khác bằng việc chọn ngẫu nhiên một hướng
[0o,180o], với tốc độ [Speedmin, Speedmax] trong khoảng thời gian là travel_time
(khoảng thời gian di chuyển). Không có khái niệm khoảng thời gian tạm dừng trong
mô hình này.
Trong mô hình này, tham số thay đổi hướng của nút di động quyết định đến độ
phức tạp của mạng. Tham số này càng lớn thì mạng càng phức tạp.
- Mô hình Random Direction:
Nút mạng sẽ chọn một hướng ngẫu nhiên, di chuyến với tốc độ được phân bố
đồng đều trong khoảng [Speedmin,Speedmax]. Khi đến biên của khu vực mô phỏng, nút
mạng sẽ dừng lại ở đó trong một khoảng thời gian [Pmin, Pmax] trước khi chọn một
hướng khác và tiếp tục quá trình. Mô hình này được xây dựng để khắc phục số trung
bình các hàng xóm cao và ít thay đổi trong mô hình Random Waypoint với sự tập
trung của các nút tại trung tâm khu vực mô phỏng. Số chặng trung bình của các gói tin
dữ liệu sử dụng mô hình Random Direction sẽ nhiều hơn số chặng trung bình của các
mô hình mạng khác.
4.3.1.2. Mô hình mạng truyền thông
Các mô hình truyền thông được mô tả trong NS2 gồm hai loại là: bộ tạo truyền
thông (traffic generator) và các ứng dụng mô phỏng (simulated application). Các bộ
Mạng Adhoc, Khóa luận tốt nghiệp Cử nhân CNTT, Ngô Hải Sơn, 2008
45
tạo truyền thông sử dụng giao thức UDP để truyền các gói tin và các ứng dụng mô
phỏng sử dụng giao thức TCP. Bộ tạo truyền thông có nhiệm vụ là gửi các gói tin có
kích thước không đổi với tốc độ cố định. Bộ tạo truyền thông có bốn loại là: lũy thừa,
pareto, CBR và theo file vết. Các ứng dụng mô phỏng có hai loại là Telnet và FTP.
4.3.2. Mô phỏng các giao thức định tuyến trong mạng adhoc [1, T.Việt], [4], [5]
Bốn giao thức định tuyến được NS2 hỗ trợ sẵn trong mạng adhoc đó là : DSDV,
AODV, DSR và TORA. Do thời gian có hạn nên tôi xin phân tích và so sánh các giao
thức định tuyến của mạng adhoc thông qua các kết quả mô phỏng sẵn có của một số
người nghiên cứu đi trước. Sau đây là các tham số hoạt động của bốn giao thức trên và
một số lưu ý khi cài đặt các giao thức trong mô phỏng theo tài liệu của NS2 và các file
cài đặt các giao thức:
4.3.2.1. Giao thức DSDV
Các tham số hoạt động của DSDV trong mô phỏng là:
Tham số Giá trị
Quãng cập nhật đường định kỳ 15s
Số cập nhật định kỳ bị mất trước khi liên kết được xem
là bị hỏng
3
Thời gian cập nhật tức thời đầu tiên được giữ lại trong
hiệu ứng hãm
6s
Thời gian kết hợp các quảng cáo đường 1s
Số lượng các gói tin lớn nhất trong bộ đệm mỗi nút 5
Bảng 1: Các tham số hoạt động của DSDV trong mô phỏng
Trong giao thức DSDV, thông điệp được trao đổi giữa các nút hàng xóm. Các
cập nhật có thể là định kì hoặc tức thời. Cập nhật tức thời chỉ xảy ra khi bảng định
tuyến của một nút bị thay dổi bởi thông tin định tuyến của một trong các nút hàng
xóm. Các gói tin chưa có đường đến đích sẽ được lưu lại trong bộ đệm khi truy vấn về
đường được gửi. Khi nhận được trả lời đường từ nút đích, các gói tin sẽ được chuyển
đi. Kích thước của bộ đệm để lưu các gói tin đang chờ thông tin về đường được quy
định sẵn. Nếu quá khả năng này, gói tin sẽ bị loại bỏ.
Mạng Adhoc, Khóa luận tốt nghiệp Cử nhân CNTT, Ngô Hải Sơn, 2008
46
Tất cả các gói tin có đích là nút di động được bộ phận tách địa chỉ đưa đến bộ
phận tách cổng. Bộ phận tách cổng sử dụng một trong 255 cổng để chuyển gói tin đến
đích tương ứng. Đích mặc định trong bộ phân tách địa chỉ là thành phần định tuyến.
Khi đích của gói tin không được tìm thấy bởi bộ phân tách địa chỉ, gói tin sẽ được
chuyển cho đích mặc định. Thành phần định tuyến gắn chặng tiếp theo của gói tin và
gửi nó xuống lớp liên kết.
4.3.2.2. Giao thức AODV
Các tham số hoạt động của giao thức AODV
Tham số Giá trị
Thời gian đường được xem là hợp lệ 300s
Thời gian tồn tại của RREP được gửi bởi đích 600s
Số RREQ được phát lại 3
Thời gian trước khi một RREQ được phát lại 6s
Thời gian broadcastID của một gói tin RREQ được giữ 3s
Thời gian đường đi ngược lại cho RREP được giữ 3s
Thời gian trước khi liên kết bị hỏng được xóa khỏi bảng
định tuyến
3s
Phát hiện liên kết hỏng bằng lớp MAC có
Bảng 2: Các tham số hoạt động của AODV trong mô phỏng
Trong đặc tả của giao thức AODV, các nút mạng phát hiện các nút hàng xóm
thông qua việc gửi thông điệp HELLO theo định kì. Khi mô phỏng AODV bằng NS2,
việc phát hiện liên kết hỏng được thay thế bằng thông báo từ tầng MAC. Điều này
giúp loại bỏ được tổng phí của việc gửi định kì các thông điệp HELLO.
Mạng Adhoc, Khóa luận tốt nghiệp Cử nhân CNTT, Ngô Hải Sơn, 2008
47
4.3.2.3. Giao thức DSR
Các tham số đặc tả DSR trong mô phỏng:
Tham số Giá trị
Thời gian giữa các ROUTE REQUEST được phát lại 500ms
Kích thước tiêu đề gói tin mang địa chỉ đường với n
chặng
4n + 4byte
Thời gian hết hạn tìm kiếm đường trong các hàng
xóm
30ms
Thời gian giữ các gói tin chờ đường 30s
Tốc độ cao nhất việc gửi các gói tin REPLY cho một
đường
1/s
Bảng 3: Các tham số hoạt động của DSR trong mô phỏng
Tất cả các gói tin được nhận bởi nút mạng đều được chuyển đến thành phần định
tuyến theo mặc định. Tại đây có ba trường hợp xảy ra:
- Thành phần định tuyến DSR nhận gói tin cho chính nó bằng việc chuyền
gói tin tới bộ phận tách cổng..
- Chuyển tiếp gói tin theo thông tin về đường trong gói tin
- Gửi các yêu cầu về đường và trả lời đường.
Mặc dù DSR hỗ trợ đường đi đơn hướng, nhưng do IEEE802.11 yêu cầu trao đổi
RTS/CTS/DATA/ACK đối với các gói tin unicast nên DSR trong NS2 chỉ phát hiện
các đường đi hai chiều.
Mạng Adhoc, Khóa luận tốt nghiệp Cử nhân CNTT, Ngô Hải Sơn, 2008
48
4.3.2.4. Giao thức TORA
Các tham số hoạt động của TORA theo mô phỏng:
Tham số Giá trị
Quãng thời gian phát các BEACON 1s
Thời gian liên kết được xem là bị hỏng khi không có
các thông tin BEACON hoặc HELLO được trao đổi
3s
Thời gian phát lại object block khi không nhận được
biên nhận
500ms
Thời gian object block không được phát lại và liên
kết tới đích được xem là bị hỏng
1500ms
Bảng 4: các tham số hoạt động của TORA trong mô phỏng
Trong mô phỏng, TORA được đặt trên giao thức IMEP (Internet MANET
Encapsulation Protocol). Giao thức này có các đặc điểm chính sau:
- Phát tin cậy và đúng thứ tự các gói tin định tuyến của TORA tới các hàng xóm
và thông báo cho giao thức về liên kết tồn tại với các hàng xóm.
- Trước khi tiến hành phát, IMEP kết hợp các gói tin định tuyến của TORA với
IMEP thành một gói tin gọi là object block.
- Để cảm nhận trạng thaí liên kết và duy trì danh sách hàng xóm, IMEP gửi gói
tin beacon. Các nút nhận được gói tin beacon sẽ trả lời bằng gói tin HELLO.
4.4. Phân tích và so sánh hiệu suất của các giao thức định tuyến
trong mạng adhoc
4.4.1. Các tham số của môi trường:
Do đặc thù của mạng adhoc là topo mạng động, băng thông hạn chế, khả năng
liên kết giữa các nút mạng có thể thay đổi, nên việc phân tích hiệu suất của các giao
thức trong mạng adhoc phải xét đến các tham số sau:
- Độ lớn của mạng: được thể hiện bằng số các nút mạng.
Mạng Adhoc, Khóa luận tốt nghiệp Cử nhân CNTT, Ngô Hải Sơn, 2008
49
- Kết nối mạng: được thể hiện thông qua số lượng trung bình các hàng xóm của
một nút.
- Tốc độ biến thiên của mạng: là thay đổi cấu hình vật lý của mạng theo thời gian.
- Khả năng liên kết: băng thông của liên kết không dây tính bằng bps.
- Dạng truyền thông: có thể là đồng dạng, không đồng dạng hoặc bùng phát. Đây
chính là mức độ tải trong mạng.
- Dạng di chuyển: chính là hình thái của mạng được thể hiện tương ứng theo
không gian và thời gian.
4.4.2. Các thông số đánh giá hiệu suất:
Đối với hệ thống nói chung, hiệu suất là độ đo công việc mà hệ thống thực hiện
được bao gồm tính sẵn sàng, thông lượng, và thời gian đáp ứng. Vì thế, ở đây người ta
đã sử dụng các thông số sau để đánh giá hiệu suất của các giao thức định tuyến trong
mạng mô phỏng:
- Phần trăm gói tin được gửi thành công: Là tỉ lệ giữa số lượng các gói tin đến
được đích với số lượng các gói tin được tạo ra bởi nút phát.
- Trễ đầu cuối trung bình của các gói dữ liệu: Là tổng độ trễ được tính từ khi nút
nguồn phát gói tin đến khi nút đích nhận được gói tin. Nó bao gồm các độ trễ có thể
như trễ do quá trình phát hiện đường, xếp hàng tại các hàng đợi, trễ do phát lại tại tầng
MAC và trễ thời gian truyền.
Hai độ đo này đánh giá kết quả hoạt động của giao thức định tuyến. Nó có ý
nghĩa đối với hoạt động của giao thức lớp trên như giao thức giao vận và giao thức
ứng dụng.
Ngoài ra, đối với mạng adhoc, việc hạn chế tài nguyên mạng đòi hỏi các giao
thức phải sử dụng hiệu quả các tài nguyên này. Với giao thức định tuyến, đó chính là
chi phí để thực hiện các yêu cầu định tuyến. Do đó, người ta đã xét thêm một thông số
nữa để thể hiện việc sử dụng các tài nguyên mạng. Đó là tải định tuyến chuẩn hóa: là tỉ
lệ giữa số các gói tin định tuyến trên số gói tin dữ liệu được gửi đi. Nếu gói tin định
tuyến đi qua nhiều chặng thì mỗi chặng được tính như là một truyền thông.
4.4.3. Các thí nghiệm mô phỏng [1, T.Việt]
4.4.3.1. Mục đích của các thí nghiệm:
Đánh giá khả năng của các giao thức định tuyến trước sự thay đổi của topo mạng.
Mạng Adhoc, Khóa luận tốt nghiệp Cử nhân CNTT, Ngô Hải Sơn, 2008
50
4.4.3.2. Phương pháp thực hiện:
Áp dụng các dạng di chuyển khác nhau với các mức tải khác nhau. Các mạng
adhoc được mô phỏng dựa trên các mô hình di chuyển và mô hình truyền thông. Các
mô hình di chuyển được sử dụng là ba mô hình Random Waypoint, Random Walk và
Random Direction. Với mỗi mô hình, các tham số của mạng được thay đổi để các
trạng thái của mạng như kết nối mạng, thời gian và tốc độ chuyển động của các nút
mạng thay đổi theo. Các mức tải mạng của từng mạng cũng là khác nhau. Để việc
đánh giá được chính xác, các điều kiện tải và môi trường áp dụng với các giao thức
phải giống nhau. Mô hình truyền thông được sử dụng ở đây là mô hình CBR.
4.4.3.3. Đánh giá các thí nghiệm với từng mô hình mạng
- Mô hình Random Waypoint
Xét về phần trăm gói tin gửi thành công: Khi số nguồn phát nhỏ các giao thức
hoạt động khá tốt, ngoại trừ giao thức TORA. Kết quả không tốt của giao thức TORA
là do sự tắc nghẽn trong cơ chế làm việc của giao thức. Điều này thể hiện rất rõ ở độ
trễ trong việc gửi các gói và tải định tuyến cao của TORA. Các giao thức AODV, DSR
thể hiện làm việc tốt hơn so với DSDV. Khi số nguồn phát được tăng lên, khả năng gửi
các gói tin của các giao thức đã có sự phân biệt khá rõ rệt. AODV có hiệu suất cao hơn
so với DSDV. Và hiệu suất của giao thức DSR giảm xuống rõ rệt. Điều này chứng tỏ
trong môi trường tải tăng, cơ chế làm việc của DSR chưa đạt được phản ứng tốt. Hoạt
động yếu kém của giao thức TORA cũng đã khẳng định hơn nữa sự không hiệu quả
của giao thức này khi một động trong môi trường tải tăng và cấu hình có nhiều thay
đổi. Như vậy, khi mà số nguồn phát và sự di chuyển tăng lên thì phần trăm gửi thành
công các gói tin của các giao thức định tuyến đều giảm.
Xét độ trễ trung bình trong việc gửi các gói tin: Ta thấy rằng, độ trễ trung bình
của các giao thức DSDV và AODV là tương đương nhau. Độ trễ trung bình của hai
giao thức này là khá thấp. Ngay cả khi nguồn phát có tăng lên và mức độ di chuyển
khác nhau, độ trễ trung bình của hai giao thức cũng chỉ tăng lên một cách không đáng
kể. Với giao thức DSR, độ trễ đầu cuối trung bình của giao thức này thể hiện sự nhạy
cảm rõ rệt với sự di chuyển của các nút mạng và tăng nguồn phát. Độ trễ đầu cuối của
DSR tăng khi mà thời gian tạm dừng giảm và số nguồn phát tăng lên. Độ trễ đầu cuối
trung bình của giao thức TORA rất cao và tăng mạnh khi sự di chuyển của các nút
mạng gia tăng. Đó là do xảy ra tắc nghẽn trong hoạt động mạng của TORA.
Mạng Adhoc, Khóa luận tốt nghiệp Cử nhân CNTT, Ngô Hải Sơn, 2008
51
Một yếu tố quan trọng nữa trong việc đánh giá hiệu suất của các giao thức là việc
sử dụng hiệu quả các tài nguyên mạng thông qua tải định tuyến. Trong trương hợp tải
thấp và mức độ di chuyển không cao, tải định tuyến của các giao thức AODV và DSR
thấp hơn so với DSDV. Đó là do các giao thức này không thực hiện định tuyến theo
yêu cầu nên số gói tin định tuyến thay đổi không đáng kể. Tuy nhiên, khi mà các nút
mạng di chuyển nhanh và số nguồn phát tăng lên, tải định tuyến của hai giao thức định
tuyến này lại tăng lên nhanh chóng. Đó là do sự bùng phát của các gói tin phát hiện
đường, trả lời đường và thông báo lỗi. Tải định tuyến cao có thể gây ra hạn chế về
băng thông của toàn mạng và dẫn đến tắc nghẽn. Điều này có thể nhận thấy rõ nhất ở
giao thức định tuyến TORA. Có thể kết luận rằng, hiệu suất của giao thức TORA là rất
thấp trong mô phỏng.
- Mô hình Random Walk
Trong mô hình này, với cấu hình mạng thay đổi ở mức trung bình, điều dễ nhận
thấy nhất là giao thức TORA hoạt động hiệu quả hơn so với mô hình Random
Waypoint. Tuy nhiên, trong trường hợp nguồn phát tăng, tỉ lệ phần trăm gửi thành
công các gói tin của TORA lại thấp hơn nhiều so với các giao thức khác. Trong cả hai
trường hợp ít và nhiều nguồn phát, phần trăm gửi thành công của giao thức DSDV vẫn
thấp hơn so với hai giao thức AODV và DSR. Ngoài ra, hiệu suất của các giao thức
này là khá ổn định kể cả khi nguồn phát có tăng lên.
Trễ đầu cuối trung bình của các giao thức AODV và DSR vẫn tốt hơn so với
DSDV. So với mô hình trên, kết quả này không có gì khác biệt. Khi mà nguồn, phát
tăng lên, giao thức AODV có phản hồi tốt nhất so với các giao thức còn lại. Trong khi
đó, cơ chế của TORA gây tắc nghẽn làm đỗ trễ trung bình đầu cuối tăng cao.
So với mô hình Random Waypoint, DSDV vẫn có mức tải định tuyến thấp và
khá ổn định, DSR có mức tải định tuyến thấp. AODV có mức tải ổn định trong cả hai
trường hợp số lượng nguồn phát là nhiều hay ít. Riêng với TORA, việc xảy ra tắc
nghẽn khi số lượng nguồn phát tăng được thấy rõ qua việc tải định tuyến rất cao.
- Mô hình Random Direction
So với mô hình Random Walk, kết quả gửi các gói tin thành công trong mô hình
có giá trị thấp hơn. Bên cạnh giao thức TORA bị ảnh hưởng bởi việc tăng số lượng
nguồn phát, giao thức DSR cũng bị tác động mạnh khi số lượng nguồn phát tăng và
cấu hình mạng thay đổi nhanh. DSDV vẫn cho kết quả thấp hơn so với các giao thức
Mạng Adhoc, Khóa luận tốt nghiệp Cử nhân CNTT, Ngô Hải Sơn, 2008
52
khác. Và kết quả tốt nhất thuộc về giao thức AODV khi mà phần trăm gửi thành công
của các gói tin là ổn định ngay cả khi tăng số lượng nguồn phát.
Độ trễ đầu cuối trung bình trong việc gửi các gói tin của giao thức DSR khi số
lượng nguồn phát tăng trong mô hình này cao hơn rất nhiều so với mô hình Random
Walk. Rõ ràng, với mô hình di chuyển phi tập trung, độ dài đường đi của các gói tin
dài hơn, cơ chế DSR thể hiện sự khó khăn. Giao thức AODV và DSDV vẫn cho các
kết quả rất tốt. TORA thể hiện sự thay đổi mạnh khi mà số lượng nguồn phát tăng, độ
trễ cũng tăng lên.
Ngoài việc TORA có tải định tuyến cao do xảy ra tắc nghẽn, AODV có mức tải
định tuyến cao hơn hai giao thức còn lại do cấu hình mạng phi tập trung và tải mạng
cao. Nhờ có cơ chế lưu trữ nhiều đường đi và các phương pháp học hỏi đường một
cách linh động, DSR có mức độ tải định tuyến thấp hơn AODV. DSDV có mức độ tải
định tuyến thấp nhất trong mô hình này.
4.4.4. Nhận xét về hiệu suất của các giao thức định tuyến
Tổng hợp các thí nghiệm trên, có thể rút ra các nhận xét sau:
DSDV là giao thức dựa trên vector khoảng cách. Giao thức hoạt động tốt trong
trường hợp cấu hình mạng có tốc độ thay đổi chậm, và giảm khi mà cấu hình mạng thay
đổi tăng lên. Khi mạng có nhiều thay đổi, DSDV hội tụ chậm. Khi mà số lượng nguồn
phát gói tin thấp, độ trễ trung bình cuối của DSDV là thấp và ổn định. Nhưng khi số lượng
nguồn phát tăng lên, độ trễ phát gói tin của DSDV cao hơn so với AODV và DSR. Ngoài
ra, tải định tuyến của DSDV là khá ổn định so với sự thay đổi của mạng.
AODV là sự kết hợp của cơ chế định tuyến theo vector khoảng cách của DSDV
với cơ chế định tuyến theo yêu cầu của DSR. Khả năng gửi thành công các gói tin của
AODV là rất lớn, luôn cao hơn so với giao thức DSDV. So với DSR, trong trường hợp
mức di chuyển của các nút mạng thấp, phần trăm gửi các gói tin là tương đương,
nhưng khi mức độ di chuyển của nút mạng tăng lên, AODV có phần trăm gửi các gói
tin cao hơn so với DSR. Độ trễ trung bình của các gói tin trong AODV là tương đương
với DSDV. Trong trường hợp các nút mạng di chuyển nhanh trong mạng, tải định
tuyến của AODV cao hơn so với DSR.
DSR là giao thức dựa trên định tuyến nguồn. Mục tiêu trong thiết kế của DSR là
loại bỏ các chi phí cho cập nhật định kì đường và phát hiện hàng xóm. Tuy nhiên, theo
kết quả mô phỏng, DSR chỉ thực hiện tốt với mức di chuyển và tải trung bình. Khi
mức di chuyển và tải tăng, hiệu suất của DSR sẽ giảm rõ rệt. Đó là do DSR áp dụng cơ
Mạng Adhoc, Khóa luận tốt nghiệp Cử nhân CNTT, Ngô Hải Sơn, 2008
53
chế trả lời tất cả các yêu cầu đường. Cơ chế này giúp DSR thu thập được nhiều đường
đi và phân phát các gói tin tốt hơn. Tuy nhiên, khi mà mức di chuyển trong mạng tăng,
khả năng các đường đi trong cache bị hết hạn tăng lên do DSR chưa có đặc tả hết hạn
đường đi trong cache. Khả năng “học” và “nghe trộm” đường của DSR cũng giúp phát
tán các tuyến đường hết hạn trong cache. Cơ chế gửi route error của DSR cũng rất hạn
chế. Nó chỉ truyền với các nút nằm trên đường đi qua của dữ liệu.
TORA là giao thức dựa trên thuật toán đảo ngược liên kết (link reserval). Trong
mô phỏng, việc cảm nhận liên lết của TORA được thực hiện bởi giao thức IMEP. Khi
số lượng nguồn phát nhỏ, TORA cho các kết quả khá tốt. Tuy nhiên, khi số lượng
nguồn phát tăng lên, mô hình mạng biến đổi một cách nhanh chóng, hiệu suất hoạt
động của TORA là rất thấp. Mạng không thể thao tác được với các truyền thông được
tạo ra bởi giao thức định tuyến, phần lớn các gói tin dữ liệu bị loại bỏ.
Mạng Adhoc, Khóa luận tốt nghiệp Cử nhân CNTT, Ngô Hải Sơn, 2008
54
Kết luận
1. Kết quả thu được
- Hiểu thêm về mạng WLAN và cấu trúc của mạng theo mô hình 802.11
- Trang bị thêm kiến thức về mạng adhoc và một số giao thức định tuyến
trong mạng adhoc
- Đánh giá tổng quan về hiệu suất của các giao thức định tuyến trong
mạng adhoc thông qua bộ mô phỏng NS2
2. Định hướng phát triển của luận văn
Với sự phát triển nhanh chóng của mạng adhoc trong đời sống, nhu cầu nâng
cao hiệu suất của mạng cần được quan tâm nhiều hơn. Các giao thức mạng cần phải
được nghiên cứu và phát triển để nâng cao hiệu suất sử dụng mạng trong tương lai.
Việc tìm ra giao thức định tuyến mới cho mạng adhoc cũng là hướng phát triển trong
đề tài này.
Mạng Adhoc, Khóa luận tốt nghiệp Cử nhân CNTT, Ngô Hải Sơn, 2008
55
Phụ Lục
Biểu đồ kết quả so sánh các giao thức định tuyến trong mạng adhoc thông
qua bộ mô phỏng mạng NS2
1. Mô hình Random Waypoint
So sánh kết quả phân phát gói tin dữ liệu khi có 10 và 20 nguồn phát của các giao thức
định tuyến trong mô hình Random Waypoint
Mạng Adhoc, Khóa luận tốt nghiệp Cử nhân CNTT, Ngô Hải Sơn, 2008
56
So sánh thời gian trễ đầu cuối của các giao thức định tuyến trong hai trường hợp có 10
nguồn phát và 20 nguồn phát trong mô hình Random Waypoint
Mạng Adhoc, Khóa luận tốt nghiệp Cử nhân CNTT, Ngô Hải Sơn, 2008
57
So sánh tải định tuyến chuẩn hóa trong trường hợp có 10 nguồn phát và 20 nguồn phát
Bảng tải định tuyến của giao thức TORA
2. Mô hình Random Walk
Mạng Adhoc, Khóa luận tốt nghiệp Cử nhân CNTT, Ngô Hải Sơn, 2008
58
Bảng so sánh kết quả phân phát gói tin dữ liệu trong mô hình Random Walk
Bảng so sánh trễ đầu cuối trung bình của các giao thức định tuyến trong mô hình Random
Walk
Mạng Adhoc, Khóa luận tốt nghiệp Cử nhân CNTT, Ngô Hải Sơn, 2008
59
Bảng so sánh tải định tuyến chuẩn hóa trong mô hình Random Walk
3. Mô hình Random Direction
So sánh kết quả phân phát gói tin dữ liệu trong mô hình Random
Direction
Mạng Adhoc, Khóa luận tốt nghiệp Cử nhân CNTT, Ngô Hải Sơn, 2008
60
So sánh thời gian trễ đầu cuối trung bình trong mô hình Random
Direction
So sánh tải định tuyến chuẩn hóa trong mô hình Random Direction
(Nguồn: Luận văn cao học 2005-Nguyễn Thị Minh
Nguyệt)
Mạng Adhoc, Khóa luận tốt nghiệp Cử nhân CNTT, Ngô Hải Sơn, 2008
61
Tài liệu tham khảo
Tiếng Việt:
1. Luận văn Cao Học(2005) - Nguyễn Thị Minh Nguyệt
Tiếng Anh:
1. Andrew S. Tanenbaum (2003), Computer Networks, Prentice Hall, New
Jersey, Fourth Edition.
2. ANSI/IEEE Std 802.11, 1999 Edition
3.
4.
5.
6. Jochen H. Schiller (2000), Mobile Communications, Addition-Wesley,
London.
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- Mạng adhoc và các giao thức định tuyến phổ biến của mạng adhoc.pdf