Luận văn Đánh giá ảnh hưởng của sự di động của nút mạng đến hiệu quả của các thuật toán định tuyến trong mạng manet

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHAN HỮU DŨNG ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ DI ĐỘNG CỦA NÚT MẠNG ĐẾN HIỆU QUẢ CỦA CÁC THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG MANET LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội - 2011 2 Lời cảm ơn Đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo trong Trường Đại học Công nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội, Viện Khoa học kỹ thuật Bưu điện và Viện Công nghệ Thông tin - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tận tình chỉ bảo tôi trong suốt khóa học; cảm ơn tập thể lớp K15T1, tập thể lớp K15 chuyên ngành Mạng và Truyền thông máy tính. Cảm ơn các thành viên trong nhóm nghiên cứu với những ý kiến góp ý quý báu trong quá trình tôi thực hiện đề tài, và đặc biệt tôi chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn - PGS.TS Nguyễn Đình Việt, người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo tôi trong học tập và nghiên cứu. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân và bạn bè của tôi, những người đã luôn ở bên động viên và khích lệ tôi trong suốt khóa học. Do thời gian và điều kiện có hạn nên luận văn không tránh khỏi có những thiếu sót, tôi rất mong nhận được sự góp ý từ bạn bè, thầy cô và những người quan tâm đến đề tài này. Let’s start at the very beginning, a very nice place to start, when you sing, you begin with A, B, C, when you simulate, you begin with the topology - The ns Manual 3 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan kết quả đạt được trong luận văn là sản phẩm của riêng cá nhân tôi, không sao chép lại của người khác. Trong toàn bộ nội dung của luận văn, những điều được trình bày hoặc là của cá nhân hoặc là được tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định cho lời cam đoan của mình. Hà Nội, ngày 01 tháng 05 năm 2011 Phan Hữu Dũng 4 Mục lục Lời cảm ơn ..................................................................................................................1 Lời cam đoan ...............................................................................................................3 Danh mục hình vẽ........................................................................................................7 Danh mục bảng............................................................................................................9 Bảng ký hiệu các chữ viết tắt .....................................................................................10 Chương 1: GIỚI THIỆU ............................................................................................12 1.1. Đặt vấn đề.......................................................................................................12 1.2. Mục tiêu nghiên cứu........................................................................................12 1.3. Tổ chức của luận văn ......................................................................................13 Chương 2: MẠNG WLAN VÀ MẠNG MANET ......................................................14 2.1. Mạng không dây .............................................................................................14 2.1.1. Mạng cục bộ WLAN ................................................................................14 2.1.1.1. Lịch sử ra đời mạng WLAN ..............................................................15 2.1.1.2. Phân loại mạng WLAN .....................................................................15 2.1.1.3. Các chuẩn đối với mạng WLAN........................................................17 2.1.2. Một số mạng không dây phổ biến khác.....................................................18 2.1.2.1. Mạng cá nhân WPAN theo chuẩn 802.15.1, 802.15.3 và 802.15.4.....18 2.1.2.2. Mạng đô thị WMAN theo chuẩn 802.16 ............................................18 2.1.2.3. Mạng diện rộng WWAN theo chuẩn 802.20 ......................................19 2.2. Mạng di động không dây đặc biệt MANET.....................................................19 2.2.1. Giới thiệu mạng MANET.........................................................................19 2.2.2. Các đặc điểm của mạng MANET .............................................................22 2.2.3. Phân loại ..................................................................................................22 2.2.3.1. Phân loại mạng MANET theo cách thức định tuyến ..........................22 2.2.3.2. Phân loại mạng MANET theo chức năng của Nút..............................23 Chương 3: CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG MANET ................26 3.1. Các giao thức định tuyến phổ biến trong mạng có dây truyền thống................26 3.1.1. Distance Vector........................................................................................26 3.1.2. Link State.................................................................................................26 3.1.3. Source Routing.........................................................................................27 3.1.4. Kỹ thuật Flooding ....................................................................................27 3.2. Các yêu cầu đối với thuật toán định tuyến trong mạng MANET......................27 3.2.1. Mục tiêu thiết kế các giao thức định tuyến cho mạng MANET.................27 5 3.2.2. Áp dụng các thuật toán định tuyến truyền thống trong mạng MANET......28 3.3. Phân loại các giao thức định tuyến cho MANET [16]........................................29 3.3.1. Các khái niệm liên quan ...........................................................................30 3.3.1.1. Định tuyến chủ ứng và định tuyến phản ứng......................................30 3.3.1.2. Cập nhật định kỳ và cập nhật theo sự kiện .........................................30 3.3.1.3. Tính toán phi tập trung và tính toán phân tán .....................................31 3.3.1.4. Đơn đường và đa đường ....................................................................31 3.3.2. Phân loại các giao thức định tuyến ...........................................................31 3.3.2.1. Destination-Sequence Distance Vector (DSDV) ................................32 3.3.2.2. Optimized Link State Routing Protocol (OLSR)................................33 3.3.2.3. Ad hoc On-demand Distance Vector Routing (AODV) .....................35 3.3.2.4. Dynamic Source Routing (DSR) [12] ..................................................36 3.3.2.5. So sánh các giao thức định tuyến cho MANET..................................38 Chương 4: NGHIÊN CỨU VIỆC SỬ DỤNG CÔNG CỤ MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ .......................................................................................................41 4.1. Lựa chọn phương pháp và công cụ đánh giá hiệu năng mạng [1] ......................41 4.1.1. Lựa chọn phương pháp .............................................................................41 4.1.1.1. Mô hình Giải tích ..............................................................................42 4.1.1.2. Mô phỏng mạng bằng chương trình máy tính ....................................42 4.1.1.3. Đo trên mạng thực .............................................................................42 4.1.1.4. Lý do sử dụng phương pháp mô phỏng để đánh giá hiệu năng mạng .43 4.1.2. Công cụ mô phỏng NS-2 [1, 12, 15]...............................................................43 4.1.2.1. Các chức năng mô phỏng chính của NS.............................................45 4.1.2.2 Cấu trúc phần mềm của NS ................................................................46 4.1.2.3. Lập trình mô phỏng bằng NS.............................................................46 4.1.3 Công cụ hỗ trợ phân tích kết quả mô phỏng...............................................46 4.1.3.1 Cấu trúc tệp vết chứa kết quả mô phỏng mạng không dây ..................46 4.1.3.2 Một số công cụ hỗ trợ việc phân tích và hiển thị kết quả mô phỏng ....47 4.1.4. Công cụ hiển thị trực quan mạng MANET trong quá trình hoạt động iNSPECT ...........................................................................................................48 4.2. Thiết lập mô phỏng mạng MANET trong NS..................................................53 4.2.1. Tạo các nút mạng trong MANET .............................................................53 4.2.1.1 Nút di động.........................................................................................53 4.4.1.2 Mô hình phương tiện chia sẻ trong NS2..............................................54 4.4.1.3 Hoạt động của nút di động..................................................................55 4.4.1.4 Cấu hình nút di động trong NS ...........................................................56 6 4.4.1.5 Tạo sự di chuyển của nút trong NS .....................................................57 4.4.2. Tạo các đường truyền không dây (air interface) trong MANET................58 4.4.2.1 Mô hình FreeSpace.............................................................................58 4.4.2.2 Mô hình Two Ray Ground..................................................................58 4.4.2.3 Mô hình Shadowing ...........................................................................59 4.4.3. Tạo ngữ cảnh chuyển động.......................................................................59 4.4.3.1 Tạo diện tích mô phỏng ......................................................................60 4.4.3.2. Tạo các thực thể giao thức và các nguồn sinh lưu lượng ....................60 4.4.3.3. Tạo các dạng chuyển động theo mẫu .................................................61 4.4.4. Sơ đồ khái quát quá trình mô phỏng .........................................................64 4.5 Các tham số hoạt động của các giao thức định tuyến trong NS-2......................65 4.5.1 Giao thức định tuyến DSDV......................................................................65 4.5.2 Giao thức định tuyến OLSR ......................................................................66 4.5.3 Giao thức định tuyến AODV .....................................................................66 4.5.4 Giao thức định tuyến DSR.........................................................................67 Chương 5: ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN THEO MỨC ĐỘ LINH ĐỘNG CỦA CÁC NÚT MẠNG.....................................................68 5.1. Thực nghiệm mô phỏng ..................................................................................68 5.1.1 Các thông số mô phỏng .............................................................................68 5.1.2 Chương trình mô phỏng ............................................................................69 5.2. Các độ đo hiệu năng được dùng trong luận văn ...............................................70 5.3. Kết quả mô phỏng...........................................................................................70 5.3.1 Mô phỏng sử dụng mô hình Random Waypoint.........................................70 5.3.1.1 Thiết lập thông số mô phỏng ..............................................................70 5.3.2.2 Kết quả và nhận xét ............................................................................72 5.3.3 Mô phỏng sử dụng mô hình Random Walk ...............................................75 5.3.3.1 Thiết lập thông số mô phỏng ..............................................................75 5.3.3.2 Kết quả và nhận xét ............................................................................77 5.3.4 Đánh giá hiệu quả của các giao thức định tuyến ........................................79 Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU...............................................81 6.1. Kết quả đạt được của luận văn.........................................................................81 6.2. Hướng nghiên cứu...........................................................................................82 TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................................83 PHỤ LỤC..................................................................................................................84 7 Danh mục hình vẽ Hình 1. Phân loại các mạng không dây dựa trên quy mô. ..........................................14 Hình 2. Mạng WLAN có cơ sở hạ tầng .....................................................................16 Hình 3. Mạng WLAN không có cơ sở hạ tầng [10] ...................................................17 Hình 4. Mạng MANET và Sensor không dây [14].....................................................21 Hình 5. Định tuyến Single-hop..................................................................................23 Hình 6. Định tuyến Multi-hop ...................................................................................23 Hình 7. Mạng MANET phân cấp ..............................................................................24 Hình 8. Mạng MANET kết hợp.................................................................................24 Hình 9. Phân loại các giao thức định tuyến trong mạng MANET [13].......................32 Hình 10. Tập chuyển tiếp đa điểm MPRs ..................................................................34 Hình 11. Định tuyến Link State và định tuyến cải tiến trong OLSR............................34 Hình 12. AODV tìm kiếm và duy trì tuyến đường .....................................................36 Hình 13. Ví dụ về Route discovery: nút A là nút nguồn, nút E là nút đích. ................37 Hình 14. Ví dụ về Route maintenance: ......................................................................38 Hình 15. Kiến trúc NS-2 ...........................................................................................44 Hình 16. Ba giai đoạn của một phiên truyền từ nút nguồn 1 đến nút đích 48 .............49 Hình 17. Hình tròn bao phủ biểu diễn khu vực tắc nghẽn ..........................................50 Hình 18. Hình tròn bao phủ biểu diễn khu vực nguy hiểm.........................................51 Hình 19. iNSpect hiển thị tọa độ (x, y) của các nút ....................................................52 Hình 20. Nút di động mô phỏng trong NS2 ...............................................................53 Hình 21. Mô hình phương tiện chia sẻ trong NS2......................................................55 Hình 22. Sơ đồ của một mobilenode dưới chuẩn wireless của Monarch CMU mở rộng ra NS [12] ..................................................................................................................57 Hình 23. Các mô hình truyền thông trong NS2..........................................................60 Hình 24. Di chuyển của một nút theo mô hình Random Waypoint ............................62 Hình 25. Di chuyển của một nút theo mô hình Random Walk ...................................63 Hình 26. Sơ đồ tổng quan quá trình mô phỏng ..........................................................64 Hình 27. Đánh giá kết quả phân phát gói tin trong mô hình Random Waypoint.........72 Hình 28. Đánh giá kết quả trễ đầu cuối trong mô hình Random Waypoint ................72 Hình 29. Đánh giá kết quả thông lượng trong mô hình Random Waypoint................73 Hình 30. Đánh giá kết quả tải chuẩn hóa trong mô hình Random Waypoint ..............73 Hình 31. Đánh giá kết quả phân phát gói tin trong mô hình Random Walk ...............77 Hình 32. Đánh giá kết quả trễ đầu cuối trong mô hình Random Walk .......................77 Hình 33. Đánh giá kết quả thông lượng trong mô hình Random Walk.......................78 8 Hình 34. Đánh giá kết quả tải chuẩn hóa trong mô hình Random Walk.....................78 9 Danh mục bảng Bảng 1. Tổng quan về họ các chuẩn IEEE 802.11 [2] ................................................17 Bảng 2. Tổng quan về họ các chuẩn ETSI HIPERLAN [2]........................................17 Bảng 3. Tổng quan về họ các chuẩn IEEE 802.15 .....................................................18 Bảng 4: So sánh độ phức tạp của các giao thức định tuyến ........................................39 Bảng 5: So sánh các đặc điểm của các giao thức định tuyến ......................................39 Bảng 6: So sánh các đặc điểm của các giao thức định tuyến ......................................40 Bảng 7. Các tham số của mô hình Random Waypoint ..............................................62 Bảng 8. Các tham số của mô hình Random Walk ......................................................63 Bảng 9. Các tham số hoạt động của DSDV trong NS2...............................................65 Bảng 10. Các tham số hoạt động của OLSR trong NS2 .............................................66 Bảng 11. Các tham số hoạt động của AODV trong NS2 ............................................66 Bảng 12. Các tham số hoạt động của DSR trong NS2................................................67 Bảng 13. Cấu hình các mạng mô phỏng trong mô hình Random Waypoint ...............71 Bảng 14. Cấu hình các mạng mô phỏng theo mô hình Random Walk........................76 10 Bảng ký hiệu các chữ viết tắt AODV Ad hoc On-demand Distance Vector CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance DARPA Defense Advanced Research Projects Agency DSDV Destination-Sequenced Distance Vector DSR Dynamic Source Routing DV Distance Vector ETSI European Telecommunications Standards Institute FCC US Federal Communications Commission FIFO First In First Out GPRS General Packet Radio Service GSM Global System for Mobile communication HiperLAN High Performance European Radio LAN IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineering IETF Internet Engineering Task Force iNSpect interactive NS-2 protocol and environment confirmation tool ISM Industrial, Scientific and Medical bands LAN Local Area Network LS Link State MAC Media Access Control MANET Mobile Wireless Adhoc Network NEST Network Simulation Testbed NS2 Network Simulator 2 OLSF Open Shortest Path First OLSR Optimized Link State Routing Protocol 11 PDA Personal Digital Assistant PRnet Packet Radio Network QoS Quality of Service REAL Realistic and Large RIP Routing Information Protocol RREP Route Reply RREQ Route Request RTS Request To Send SURAN Survivable Radio Network TDMA/TDD Time Division Multiple Access/ Time Division Duplex TORA Temporally-Ordered Routing Algorithm UMTS Universal Mobile Telecommunications Systems VINT Virtual InterNetwork Testbed WIFI Wireless Fidelity WiMAX World Interoperability for MicroAccess WLAN Wireless Local Area Network WMAN Wireless Metropolitan Area Networks WPAN Wireless Personal Area Networks WRP Wireless Routing Protocol WWAN Wireless Wide Area Networks ZRP Zone Routing Protocol 12 Chương 1: GIỚI THIỆU 1.1. Đặt vấn đề Mạng di động không dây đặc biệt MANET (Mobile Wireless Adhoc Network) cho phép các máy tính di động thực hiện kết nối và truyền thông với nhau không cần dựa trên cơ sở hạ tầng mạng có dây. Trong MANET mọi nút mạng đều có thể thực hiện chức năng của một router, chúng cộng tác với nhau, thực hiện chuyển tiếp các gói tin hộ các nút mạng khác nếu các nút mạng này không thể truyền trực tiếp với nút nhận. Định tuyến là bài toán quan trọng nhất đối với việc nghiên cứu MANET. Cho đến nay, đã có nhiều thuật toán định tuyến được đề xuất, mỗi thuật toán đều có các ưu và nhược điểm riêng. Điều đặc biệt là mức độ của các ưu nhược điểm phụ thuộc rất nhiều vào mức độ di động của các nút mạng. Một số thuật toán là ưu việt hơn các thuật toán khác trong điều kiện các nút mạng di động ở mức độ thấp nhưng lại kém hơn hẳn khi mức độ di động của các nút mạng tăng cao. Đề tài luận văn này nhằm mục đích đánh giá và so sánh ảnh hưởng của sự di động của nút mạng đến hiệu quả của một số thuật toán định tuyến trong mạng MANET. Về mặt thực tiễn, mạng MANET rất hữu ích cho các nhu cầu thiết lập mạng khẩn cấp tại những nơi xảy ra thảm họa như: hỏa hoạn, lụt lội, động đất ... hay những nơi yêu cầu tính nhanh chóng, tạm thời như trong các trận chiến, do thám …Việc đánh giá và so sánh ảnh hưởng của sự di động đến hiệu quả của các thuật toán định tuyến giúp cho việc lựa chọn thuật toán định tuyến thích hợp cho các điều kiện cụ thể khi sử dụng MANET. 1.2. Mục tiêu nghiên cứu Các mạng AD HOC ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực cuộc sống như khoa học, giáo dục, y tế, quân sự … do nó có ưu điểm nổi bật là loại bỏ sự phụ thuộc vào các cơ sở hạ tầng mạng cố định. Vấn đề đặt ra là đánh giá hiệu quả hoạt động của các giao thức định tuyến trong mạng MANET trên nhiều khía cạnh và phương diện khác nhau. Một trong những yếu tố ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả của các giao thức định tuyến đó là sự linh động của các nút mạng. Mục đích của luận văn là nghiên cứu các giao thức định tuyến kết hợp với việc đưa ra các kết quả mô phỏng để đánh giá hiệu quả làm việc của chúng. Căn cứ vào mục đích chính của luận văn, tôi xin đưa ra các mục tiêu cụ thể như sau:  Giới thiệu tổng quan về mạng LAN không dây (Wireless LAN) và Mạng di động không dây đặc biệt – MANET (Mobile Wireless Adhoc Network).  Nghiên cứu một số giao thức định tuyến không dây sử dụng trong mạng MANET: DSDV, OLSR, AODV, DSR.  Xác định các tham số hiệu suất chính của các giao thức định tuyến.  Tìm hiểu khả năng mô phỏng các giao thức định tuyến cũng như các mô hình chuyển động khác nhau của bộ mô phỏng mạng NS-2. 13  Đánh giá bằng mô phỏng một số giao thức định tuyến phổ biến trong các ngữ cảnh chuyển động của các nút mạng khác nhau. 1.3. Tổ chức của luận văn Luận văn được tổ chức thành sáu chương, cụ thể như sau:  Chương 1: GIỚI THIỆU  Chương 2: MẠNG WLAN VÀ MẠNG MANET  Chương 3: CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG MANET  Chương 4: NGHIÊN CỨU VIỆC SỬ DỤNG CÔNG CỤ MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ  Chương 5: ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN THEO MỨC ĐỘ LINH ĐỘNG CỦA CÁC NÚT MẠNG  Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU Trong đó, chương một trình bày cơ sở khoa học và tính thực tiễn cũng như mục tiêu nghiên cứu của luận văn. Chương hai đưa ra kiến thức cơ sở về mạng WLAN và mạng MANET. Các kỹ thuật định tuyến truyền thống được sử dụng trong mạng cố định và các giao thức định tuyến dùng trong mạng MANET được trình bày chương ba. Chương bốn đưa ra cái nhìn tổng quan về bộ mô phỏng NS-2 và giới thiệu công cụ mô phỏng mới iNSpect từ đó ứng dụng vào việc mô phỏng các giao thức định tuyến. Chương năm sử dụng những kết quả mô phỏng thu được trong chương bốn để tính toán các độ đo hiệu năng sau đó kết hợp với cơ sở lý thuyết về các giao thức định tuyến trình bày trong chương ba để rút ra những đánh giá về ảnh hưởng của sự di dộng của nút mạng đến hiệu quả của các giao thức định tuyến trong mạng MANET. Cuối cùng, trong chương sáu là những nhận xét về kết quả đạt được và hướng nghiên cứu tiếp theo của luận văn. 14 Chương 2: MẠNG WLAN VÀ MẠNG MANET Mục tiêu của chương này là giới thiệu với người đọc những kiến thức cơ sở về mạng WLAN và mạng MANET bao gồm lịch sử ra đời, các đặc điểm, những ưu nhược điểm cũng như các ứng dụng trong khoa học, công nhệ và cuộc sống từ đó có cái nhìn tổng quan về hai mạng này và dễ dàng phân biệt được chúng. 2.1. Mạng không dây Các mạng không dây (Wireless networks) thường được phân thành mạng cá nhân WPAN - chuẩn IEEE 802.15, mạng cục bộ WLAN - chuẩn IEEE 802.11, mạng đô thị WMAN - chuẩn IEEE 802.16 và mạng diện rộng WWAN - chuẩn IEEE 802.20. Sự phân chia này dựa trên quy mô và phạm vi truyền dẫn của các bộ phát (transmitter) vô tuyến và mỗi lớp mạng có thể gồm một vài tiêu chuẩn và công nghệ riêng. Hình 1 bên dưới minh họa sự phân lớp các mạng không dây dựa trên quy mô: Hình 1. Phân loại các mạng không dây dựa trên quy mô. 2.1.1. Mạng cục bộ WLAN Wireless Local Area Network (WLAN) là một mạng cục bộ kết nối hai hay nhiều máy tính với nhau mà không cần các kết nối vật lý giữa chúng. Môi trường truyền được sử dụng trong WLAN là môi trường không khí với một dải tần số được quy định cho các loại hình truyền thông. Có hai công nghệ chính được sử dụng để truyền thông trong WLAN là truyền thông bằng tia hồng ngoại (bước sóng 900 nm) hoặc truyền thông bằng sóng vô tuyến, thông thường thì sóng vô tuyến được dùng phổ biến hơn vì nó truyền xa hơn, lâu hơn, rộng hơn và có băng thông cao hơn. WLAN cũng có hai dạng kiến trúc là WLAN có cơ sở hạ tầng (sử dụng các Access Point) hoặc trạm cơ sở (Base Station) để kết nối phần mạng không dây với phần mạng có dây truyền thống và mạng không có cơ sở hạ tầng (mạng Ad hoc). 15 2.1.1.1. Lịch sử ra đời mạng WLAN Năm 1971, tại Đại học Hawaii các công nghệ mạng và truyền thông vô tuyến đã được kết hợp lần đầu tiên trong dự án Alohanet. Dự án này sử dụng các thiết bị máy tính tại bảy điểm khác nhau nằm rải rác trên bốn hòn đảo thực hiện việc giao tiếp với máy tính trung tâm trên đảo Oahu bằng cách sử dụng không khí làm môi trường truyền. Nó thiết lập một topo Star và các trạm từ xa chỉ có thể giao tiếp thông qua máy tính trung tâm đặt tại đảo Oahu. Tuy nhiên, đến giữa thập niên 1980 thì mạng WLAN mới phát triển mạnh khi Uỷ ban Truyền thông Liên bang Mỹ FCC (US Federal Communications Commission) quyết định cho phép sử dụng phổ biến các dải tần số công nghiệp, khoa học và y tế ISM (Industrial, Scientific and Medical bands). Quyết định này cho phép các công ty và người dùng sản xuất và sử dụng các sản phẩm không dây của họ mà không cần FCC cấp giấy phép hoạt động. Từ đó, dẫn đến sự tăng trưởng vượt bậc trong lĩnh vực mạng WLAN. Tuy nhiên, do sự xuất hiện của nhiều sản phẩm độc quyền nhưng lại không có một tiêu chuẩn chung thống nhất, dẫn đến các sản phẩm không cùng một công ty sản xuất có thể sẽ không tương thích với nhau. Vì vậy, yêu cầu đặt ra là phải chuẩn hóa trong lĩnh vực mạng WLAN. Hiện nay, trên thế giới chủ yếu sử dụng hai chuẩn phổ biến cho mạng WLAN là: Chuẩn IEEE 802.11x do các Nhóm công tác của Viện công nghệ Điện và Điện Tử IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) phát triển và chuẩn HiperLAN/x (High Performance European Radio LAN) được phát triển bởi nhóm RES10 thuộc Viện Tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu ETSI (European Telecommunications Standards Institute). Chuẩn IEEE 802.11x sử dụng giao thức CSMA/CA, còn chuẩn HiperLAN/x là giao thức TDMA/TDD. Chuẩn IEEE 802.11x được sử dụng phổ biến hơn so với chuẩn HiperLAN/x nhưng chuẩn HiperLAN/x có những ưu điểm nổi trội khi đối phó với vấn đề lưu lượng thời gian thực. 2.1.1.2. Phân loại mạng WLAN Mạng WLAN có cơ sở hạ tầng Mạng WLAN có cơ sở hạ tầng là mạng mà các nút mạng truyền thông với nhau sử dụng một thiết bị trung tâm gọi là điểm truy cập chung AP (Access Point), hay còn được gọi là trạm cơ sở BS (Base Station). Các trạm cơ sở không chỉ cung cấp khả năng kết nối mạng mà nó còn thực hiện chức năng điều khiển truy cập đường truyền nhằm chuyển tiếp thông tin từ nguồn đến đích. Ngoài ra, các điểm truy cập mạng còn thường được kết nối với mạng có dây và được kết nối với Internet nên nó đóng vai trò như là cầu nối giữa các mạng không dây và mạng có dây với nhau tạo thành một mạng diện rộng. Tốc độ truyền dữ liệu của mạng không chỉ phụ thuộc vào đặc điểm của các nút mạng mà còn phụ thuộc vào bán kính phủ sóng của các điểm truy cập mạng. Các nút mạng càng gần điểm truy cập mạng AP thì sóng thu được càng mạnh và tốc độ truyền dữ liệu càng cao. Do đó, việc lựa chọn tốc độ truyền và phạm vi hoạt động của điểm 16 truy cập mạng khiến chúng ta cần phải cân nhắc, khi đó nó sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới hiệu năng hoạt động của mạng và của điểm truy cập mạng. Khái niệm Indoor và Outdoor: Indoor là khái niệm sử dụng sóng vô tuyến trong phạm vi không gian nhỏ, như trong một tòa nhà, một văn phòng. Outdoor là khái niệm sử dụng sóng vô tuyến trong phạm vi không gian lớn hơn, với WLAN thì bán kính đến các thiết bị mà nó quản lý có thể lên đến 5km. Hình 2. Mạng WLAN có cơ sở hạ tầng Mạng WLAN không có cơ sở hạ tầng (mạng Ad Hoc) Một mạng Ad Hoc là một tập hợp các nút không dây di động (có chứ năng như routers) cấu thành nên một mạng tạm thời mà không cần sử dụng cơ sở hạ tầng có sẵn hoặc việc quản trị tập trung. Các routers được tự do di chuyển ngẫu nhiên và tự thiết lập tùy ý, vì vậy topo mạng không dây có thể thay đổi nhanh chóng và không thể biết trước [10]. Mạng Ad Hoc là mạng mà các nút trong mạng có thể tự thiết lập, tự tổ chức và tự thích nghi khi có một nút mới gia nhập mạng, các nút trong mạng cần có cơ chế phát hiện nút mới gia nhập mạng, thông tin về nút mới sẽ được cập nhật vào bảng định tuyến của các nút hàng xóm và gửi đi. Khi có một nút ra khỏi mạng, thông tin về nút đó sẽ được xóa khỏi bảng định tuyến và hiệu chỉnh lại tuyến, ...Mạng Ad Hoc có nhiều loại thiết bị khác nhau tham gia mạng lên các nút mạng không những phát hiện được khả năng kết nối của các thiết bị, mà còn phải phát hiện ra được loại thiết bị và các đặc tính tương ứng của các loại thiết bị đó (vì các thiết bị khác nhau sẽ có các đặc tính khác nhau ví dụ như: khả năng tính toán, lưu trữ hay truyền dữ liệu trong mạng,...) 17 Hình 3. Mạng WLAN không có cơ sở hạ tầng [10] 2.1.1.3. Các chuẩn đối với mạng WLAN Chuẩn IEEE 802.11/x 802.11 802.11a 802.11b 802.11g Frequency Range (GHz) 2.4-2.4835 5.15-5.25 (lower) 5.25-5.35 (middle) 5.725-5.825 (upper) 2.4-2.4835 2.4-2.4835 Max.DataRate (Mbps) 2 55 11 54 Range < 10 m 27-30(lowerband) 75-100 30 Bảng 1. Tổng quan về họ các chuẩn IEEE 802.11 [2] Chuẩn HIPERLAN/x HIPERLAN 1 HIPERLAN 2 HIPERLAN 3 HIPERLAN 4 Application WLAN WATM Indoor Access Fixed Wireless Access - WATM Remote Access Wireless Point to Point Links - WATM interconnection Frequency Range (GHz) 5 5 5 17 Max.DataRate (Mbps) 23.5 20 20 155 Bảng 2. Tổng quan về họ các chuẩn ETSI HIPERLAN [2] 18 2.1.2. Một số mạng không dây phổ biến khác 2.1.2.1. Mạng cá nhân WPAN theo chuẩn 802.15.1, 802.15.3 và 802.15.4 Mạng WPAN (Wireless Personal Area Networks) thường liên quan đến khái niệm văn phòng không dây. Phạm vi của mạng PAN là một vài mét, cung cấp khả năng đồng bộ hóa các máy tính, truyền files và truy cập được vào thiết bị ngoại vi cục bộ như máy in hay các thiết bị cầm tay khác như điện thoại di động và PDAs. Hiện tại, công nghệ nổi tiếng nhất của PAN là Bluetooth. Viện công nghệ Điện và Điện Tử IEEE đưa ra chuẩn 802.15 sử dụng cho mạng WPAN với các tốc độ truyền dữ liệu như sau: 802.15.1 đặc tả công nghệ Bluetooth có tốc độ truyền dữ liệu ở mức trung bình, trong khi 802.15.3 được phát triển cho mạng Ad hoc với lớp MAC phù hợp cho truyền dữ liệu đa phương tiện có tốc độ truyền dữ liệu ở mức cao và 802.15.4 định nghĩa giao thức liên kết nối các thiết bị ngoại vi truyền thông sóng vô tuyến trong hệ thống mạng một người dùng có tốc độ truyền ở mức thấp. 802.15.1 802.15.3 802.15.4 Frequency Range 2.4 Ghz 2.4 Ghz 2.45 Ghz 915MHz 868MHz Max.Data Rate 1 Mpbs 55 Mpbs 250 Kpbs 40 Kbps 20 Kbps Range < 10 m < 10 m 10 - 75 m Bảng 3. Tổng quan về họ các chuẩn IEEE 802.15 2.1.2.2. Mạng đô thị WMAN theo chuẩn 802.16 Mạng đô thị không dây WMAN (Wireless Metropolitan Area Networks) được định nghĩa là mạng có qui mô lớn có thể bao phủ một vùng đô thị như một thành phố, một quận, huyện hoặc là một khu vực dân cư rộng lớn nào đó. Mạng này sử dụng các công nghệ dành cho mạng diện rộng (WAN), có tốc độ truyền dẫn cao và khả năng kháng lỗi mạnh. Năm 2001, chuẩn IEEE 802.16 đã được thiết kế để mở ra một tập hợp các giao tiếp dựa trên giao thức tầng MAC và lớp vật lý. Chuẩn 802.16 cũng đề cập đến công nghệ WiMax là công nghệ không dây băng thông rộng đang phát triển rất nhanh với khả năng triển khai trên phạm vi rộng và mang lại khả năng kết nối Internet tốc độ cao tới các gia đình và công sở. Giao thức lớp MAC của chuẩn IEEE 802.16 hỗ trợ truy cập không dây băng rộng điểm - đa điểm với tốc độ truyền dữ liệu cao trên cả hai hướng truyền đa người dùng, trong cùng thời gian có thể cho phép hàng trăm thiết bị trên kênh đó có thể được chia sẻ đa người dùng. IEEE 802.16 là giao diện cho hệ thống truy nhập băng rộng cố định, lớp MAC và lớp vật lý (PHY) hoạt động ở 10 GHz - 66 GHz. Ngoài ra chúng ta có thể kể ra các chuẩn mở rộng của chuẩn IEEE 802.16 như chuẩn IEEE 802.16a ra đời năm 2003, chuẩn 802.16d được đưa ra năm 2004 là sự kết hợp của chuẩn IEEE 802.16 và chuẩn IEEE 802.16a có thay đổi lớp MAC và lớp vật lý PHY. 19 Mạng WiMax là tập hợp các mạng WiFi và được thiết kế riêng cho việc phân bố và di động rộng, phục vụ cho: các xí nghiệp, các khu dân cư nhỏ lẻ, mạng cáp truy nhập WLAN công cộng nối tới mạng đô thị, các trạm gốc BS của mạng thông tin di động và các mạch điều khiển trạm BS. WiMax đem lại tốc độ cao, trên 30 Mbps. Hiện nay, công nghệ WiMAX được chia ra thành 2 công nghệ chính đó là công nghệ WiMAX cố định theo chuẩn IEEE 802.16d - 2004 và công nghệ WiMAX di động theo chuẩn IEEE 802.16e - 2005. Ưu điểm của WiMax là:  Được thiết kế riêng cho hoạt động mạng không dây diện rộng. Những khó khăn của WiMax bao gồm:  Giá thành sản phẩm WiMax đắt hơn rất nhiều so với WiFi. 2.1.2.3. Mạng diện rộng WWAN theo chuẩn 802.20 Các mạng trải dài trên một quốc gia hoặc thậm chí toàn thế giới được gọi là mạng diện rộng WWAN (Wireless Wide Area Networks), Internet là một trong những mạng WAN cố định nổi tiếng nhất và các mạng GSM/GPRS và 3G đại diện cho các mạng WAN không dây. GSM (Global System for Mobile communication) hiện là hệ thống thông tin liên lạc di động lớn nhất thế giới cung cấp các dịch vụ chuyển mạch kênh. GPRS (General Packet Radio Service) được giới thiệu như là một phần mở rộng dịch vụ chuyển mạch gói được chuẩn hóa của kiến trúc GSM cung cấp tốc độ truyền tối đa cao hơn. Với dịch vụ chuyển mạch gói ta có thể sử dụng thiết bị di động kết nối GPRS tương tự như một máy tính kết nối với Internet, mạng GPRS hoạt động chỉ khi dữ liệu đang được truyền đi, do đó làm giảm chi phí sử dụng. Các mạng di động thế hệ thứ ba (3G), phát triển bởi ETSI vào năm 1999, được thiết kế để cung cấp cuối cùng tốc độ truyền ngang bằng với các mạng cố định. Điều này làm 3G trở thành một thay thế thú vị cho các mạng WLAN. Mặc dù mục tiêu ban đầu của mạng không dây toàn cầu cuối cùng là hai công nghệ khác nhau cùng tồn tại. Tại châu Âu WCDMA được chọn là công nghệ chính, trong khi CDMA2000 đang phổ biến ở Mỹ, 85% các mạng 3G trên thế giới được dựa trên công nghệ WCDMA. 2.2. Mạng di động không dây đặc biệt MANET 2.2.1. Giới thiệu mạng MANET MANET là chữ viết tắt của cụm từ Mobile wireless Ad hoc NETwork, là tập hợp các nút di động có trang bị các giao tiếp mạng không dây khi thiết lập truyền thông không cần tới sự hiện diện của các cơ sở hạ tầng mạng và các quản trị trung tâm. Trong MANET mọi nút mạng đều thực hiện chức năng của một router, chúng cộng tác với nhau, thực hiện chuyển tiếp các gói tin hộ các nút mạng khác nếu các nút mạng này không thể truyền trực tiếp với nút nhận. Mobile = di động, không chịu sự quản lý của quản trị mạng. MANET = Adhoc = không hạ tầng mạng, topo mạng động. NETwork 20 Năm 1971, tại Đại học Hawaii các công nghệ mạng và truyền thông vô tuyến đã được kết hợp lần đầu tiên trong dự án Alohanet. Mục tiêu của mạng này là kết nối các cơ sở giáo dục ở Hawaii. Mặc dù các trạm làm việc là cố định nhưng giao thức ALOHA thực hiện việc quản lý truy cập kênh truyền dưới dạng phân tán, do đó cung cấp cơ sở cho sự phát triển về sau của các lược đồ truy cập kênh phân tán cho phép hoạt động của mạng Ad Hoc. Mạng MANET có khởi nguồn từ mạng PRNet (Packet Radio Network) và dự án SURAN (Survivable Radio Network) của tổ chức DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) thuộc chính phủ Mỹ. Năm 1972, mạng PRnet ra đời. Đây là mạng vô tuyến gói tin đa chặng đầu tiên. Trong ngữ cảnh này, đa chặng có nghĩa là các nút hợp tác để chuyển tiếp truyền thông cho các nút ở xa nằm ngoài dải truyền thông của một nút khác. PRnet cung cấp cơ chế để quản lý hoạt động trên cơ sở tập trung cũng như phân tán. PRnet cũng là mạng đầu tiên sử dụng trạm điều khiển tập trung, sử dụng những công nghệ sau này là tiền đề để cấu thành một mạng MANET như sau:  Phát triển kiến trúc phân tán  Là mạng sử dụng sóng vô tuyến quảng bá  Tối thiểu hóa quản lý tập trung  Sử dụng định tuyến nhớ và chuyển tiếp đa chặng (sử dụng Aloha/CSMA, phổ trải rộng trong thập kỷ 80 thế kỷ 20) Vào năm 1983, dự án SURAN được phát triển. Động lực thúc đẩy là:  Xu hướng kích thước thiết bị truyền dẫn ngày càng nhỏ hơn, chí phí giảm, công suất sóng vô tuyến thấp.  Hỗ trợ nhiều giao thức sóng vô tuyến phức tạp.  Phát triển và chứng minh được các thuật toán có tính khả mở rộng (scalable algorithms), mạng có thể có đến 10.000 nút.  Phát triển và chứng minh sức chịu đựng và khả năng tồn tại chống lại các cuộc tấn công tinh vi. (cải tiến trải phổ rộng, topo mạng phân cấp, tạo nhóm động …) Trong quân đội (Army Research Office-ARO):  Đầu tiên, họ sử dụng MANET cho các ứng dụng trên mặt đất.  Được sử dụng chính thay cho các mạng có cơ sở hạ tầng cố định. Trong hải quân (Office of Naval Research-ONR):  Ban đầu được dùng cho các tàu trên biển.  Mạng MANET trên biển không có mật độ dày như mạng trên đất liền.  Đòi hỏi kết hợp với liên kết vệ tinh. Trong lực lượng không quân:  Khảo sát sử dụng những máy bay để cung cấp truyền thông với các trạm mặt đất. 21 Ứng dụng của mạng MANET Truyền dữ liệu không dây di động có những bước tiến cả về công nghệ và khả năng sử dụng, động lực thúc đẩy là sự phát triển mạnh mẽ của Internet và sự thành công của thế hệ hệ thống di động thứ hai (2G), thế hệ hệ thống di động thứ ba (3G). Dự kiến trong tương lai gần, vai trò truyền dữ liệu khoảng cách ngắn sẽ phát triển, là một phần bổ sung cho truyền thông quy mô lớn truyền thống bởi phần lớn các thiết bị thông tin liên lạc cũng như giao tiếp giữa con người xảy ra ở khoảng cách nhỏ hơn mười mét. Một yếu tố khác thúc đẩy sự phát triển của mạng Ad Hoc là các dải tần số được cấp phép miễn phí đem đến việc sử dụng các công nghệ truyền thông phát triển (như Bluetooth) triển khai dễ dàng và không tốn kém. Mạng MANET có tiềm năng to lớn cho các ứng dụng thương mại và quân sự, và đặc biệt hữu ích cho việc cung cấp sự hỗ trợ thông tin liên lạc tại những nơi không có cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc sẵn có hoặc việc triển khai một cơ sở hạ tầng cố định về mặt kinh tế là không khả thi. Ứng dụng của MANET bao gồm các hoạt động quân sự, cứu trợ khẩn cấp, chăm sóc y tế, hoạt động mạng gia đình, môi trường học thuật và các hoạt động khắc phục thảm họa. Ví dụ về các tình huống thiên tai bao gồm động đất và lũ lụt, nơi các đội cứu hộ cần phải phối hợp với nhau mà không có các mạng cố định sẵn có; các hoạt động quân sự, nơi thông tin liên lạc trong một môi trường thù địch; các doanh nghiệp, nơi nhân viên chia sẻ thông tin trong hội nghị… Hình 4. Mạng MANET và Sensor không dây [14] 22 2.2.2. Các đặc điểm của mạng MANET Trong mạng AD HOC, các nút là di động và được trang bị các bộ phát và bộ nhận không dây sử dụng các loại ăng ten đẳng hướng để phát quảng bá hoặc ăng ten định hướng để phát điểm-điểm, có thể điều chỉnh được, hoặc kết hợp các loại ăng ten này. Tại một thời điểm, tùy thuộc vào vị trí của nút và dạng bao phủ của bộ nhận và phát tín hiệu, mức công suất phát và các mức giao thoa cùng kênh, kết nối không dây giữa các nút có dạng ngẫu nhiên, đồ thị đa chặng. Cấu hình này thay đổi theo thời gian do các nút di chuyển hoặc điều chỉnh các thông số phát và nhận sóng. Mạng MANET có một số đặc điểm nổi bật có ảnh hưởng tới thiết kế và hiệu suất của các giao thức trong mạng được trình bày dưới đây: 1. Cấu hình mạng động: Các nốt di chuyển tự do, do vậy cấu hình mạng gồm nhiều chặng có thể thay đổi ngẫu nhiên và liên tục tại bất kì thời điểm nào, và có thể bao gồm cả liên kết song hướng và một hướng. 2. Các liên kết với dung lượng thay đổi - băng tần hạn chế: Các liên kết vô tuyến có dung lượng thấp hơn nhiều so với các liên kết hữu tuyến tương ứng. Ngoài ra, thông lượng thực của liên kết vô tuyến sau khi tính toán ảnh hưởng của đa truy nhập, fading, tạp âm và nhiễu... thường nhỏ hơn nhiều so với tốc độ truyền dẫn tối đa. Dung lượng thấp thường gây ra vấn đề tắc nghẽn, nghĩa là lưu lượng tổng thường vượt quá dung lượng của mạng. 3. Hoạt động tiết kiệm năng lượng: Một số hoặc tất cả các nút trong mạng MANET có thể dùng pin làm nguồn cung cấp năng lượng hoạt động. Đối với các nút này, tiêu chí thiết kế hệ thống quan trọng nhất của việc tối ưu hóa là vấn đề tiết kiệm năng lượng. Để thực hiện tiêu chí này, các nút trong mạng Ad Hoc bị hạn chế về khả năng tính toán của CPU, kích thước bộ nhớ, khả năng xử lý tín hiệu, và mức năng lượng phát và nhận sóng. 4. Bảo mật vật lý hạn chế: Đối với các mạng di động vô tuyến, khả năng bị nghe trộm, giả mạo và tấn công từ chối dịch vụ DOS (denial-of-service) cần được xem xét cẩn thận. Các kỹ thuật bảo mật cần được triển khai trên nhiều tầng giao thức để làm giảm các nguy cơ bảo mật. 2.2.3. Phân loại 2.2.3.1. Phân loại mạng MANET theo cách thức định tuyến Mạng MANET định tuyến một chặng (Single-hop) Mạng MANET định tuyến một chặng là loại mô hình mạng Ad Hoc đơn giản nhất, trong đó, tất cả các nút đều nằm trong cùng một vùng phủ sóng, nghĩa là các nút có thể kết nối trực tiếp với các nút khác mà không cần thông qua các nút trung gian. Trong mô hình này, các nút có thể di chuyển tự do nhưng chỉ trong một phạm vi nhất định đủ để nút có thể liên lạc trực tiếp với các node khác trong mạng. 23 Hình 5. Định tuyến Single-hop Mạng MANET định tuyến đa chặng Multi-hop Đây là mô hình phổ biến nhất trong mạng MANET, mô hình này khác với mô hình trước là các nút có thể kết nối với các nút khác trong mạng mà có thể không cần phải có kết nối trực tiếp với nhau. Các nút có thể định tuyến đến nút khác thông qua các nút trung gian trong mạng. Để mô hình này có thể hoạt động một cách hoàn hảo thì cần phải có các giao thức định tuyến phù hợp với mô hình mạng MANET. Hình 6. Định tuyến Multi-hop Mô hình MANET định tuyến Mobile Multi-hop Mô hình này là sự mở rộng của mô hình thứ hai với một chút khác biệt: mô hình này tập trung vào các ứng dụng có tính chất thời gian thực như audio, video. 2.2.3.2. Phân loại mạng MANET theo chức năng của Nút Mạng MANET đẳng cấp (Flat MANET) Trong kiến trúc này, tất cả các nút có vai trò ngang hàng với nhau (peer-to- peer) và các nút cũng đóng vai trò như các router dùng để định tuyến các gói dữ liệu truyền trên mạng. Trong những mạng lớn thì kiến trúc Flat không tối ưu cho việc sử dụng tài nguyên băng thông của mạng vì những thông báo điều khiển (control message) phải truyền trên toàn bộ mạng. Tuy nhiên, nó thích hợp trong những cấu hình mà các nút di chuyển nhiều. Mạng MANET phân cấp (Hierarchical MANET) Đây là mô hình mạng được sử dụng phổ biến nhất trong mạng MANET. Trong kiến trúc này, mạng chia làm các domain, trong mỗi domain bao gồm một hoặc nhiều cluster với mỗi cluster bao gồm một hoặc nhiều nút. Do đó, nút trong kiến trúc này chia làm hai loại: 24  Master node là node quản trị một cluster và có nhiệm vụ chuyển dữ liệu của các nút trong cluster đến các nút trong các cluster khác và ngược lại. Nói cách khác, nó có chức năng như một gateway.  Normal node là các nút nằm trong cùng một cluster và chỉ có thể kết nối với các nút trong cùng một cluster hoặc kết nối với các nút trong các cluster khác thông qua master node. Hình 7. Mạng MANET phân cấp Với các cơ chế trên, mạng sử dụng tài nguyên băng thông mạng hiệu quả hơn vì các thông báo điều khiển chỉ phải truyền trong một cluster. Tuy nhiên, việc quản lý tính chuyển động của các nút trở nên phức tạp hơn. Kiến trúc mạng phân cấp thích hợp cho các mạng có tính chuyển động thấp. Mạng MANET kết hợp (Aggregate MANET) Trong kiến trúc mạng này, mạng phân thành các zone và các nút được chia vào trong các zone. Mỗi nút bao gồm hai mức topo (topology ): topo mức thấp (node level) và topo mức cao (zone level) (high level topology). Ngoài ra, mỗi nút còn đặc trưng bởi hai ID: node ID và zone ID. Trong một zone có thể áp dụng kiến trúc đẳng cấp hoặc kiến trúc phân cấp. Hình 8. Mạng MANET kết hợp 25 Vấn đề định tuyến trong mạng MANET Trên thực tế trước khi một gói tin đến được đích, nó có thể phải được truyền qua nhiều chặng, như vậy cần có một giao thức định tuyến để tìm đường đi từ nguồn tới đích qua hệ thống mạng. Giao thức định tuyến có hai chức năng chính, lựa chọn các tuyến đường cho các cặp nguồn-đích và phân phối các gói tin đến đích chính xác. Truyền thông trong mạng MANET dựa trên các đường đi đa chặng và mọi nút mạng đều thực hiện chức năng của một router, chúng cộng tác với nhau, thực hiện chuyển tiếp các gói tin hộ các nút mạng khác nếu các nút mạng này không thể truyền trực tiếp với nút nhận, do vậy định tuyến là bài toán quan trọng nhất đối với việc nghiên cứu MANET. Cho đến nay, đã có nhiều thuật toán định tuyến được đề xuất, mỗi thuật toán đều có các ưu và nhược điểm riêng. Điều đặc biệt là mức độ của các ưu nhược điểm phụ thuộc rất nhiều vào mức độ di động của các nút mạng. Một số thuật toán là ưu việt hơn các thuật toán khác trong điều kiện các nút mạng di động ở mức độ thấp nhưng lại kém hơn hẳn khi mức độ di động của các nút mạng tăng cao. Đề tài luận văn này chỉ nghiên cứu sâu vấn đề định tuyến trong mạng MANET nhằm mục đích đánh giá và so sánh ảnh hưởng của sự di động của nút mạng đến hiệu quả của một số thuật toán định tuyến trong mạng MANET. 26 Chương 3: CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG MANET Chương 3 trình bày vấn đề định tuyến trong mạng có dây truyền thống cùng những yêu cầu chung đối với các thuật toán trong mạng MANET để giải thích cho việc tạo và sử dụng những thuật toán định tuyến mới phù hợp với những đặc điểm của mạng MANET. 3.1. Các giao thức định tuyến phổ biến trong mạng có dây truyền thống Định tuyến là việc tìm đường đi từ nguồn tới đích qua hệ thống mạng. Giao thức định tuyến có chức năng chính là lựa chọn đường cho các cặp nguồn-đích và phân phát gói tin tới đích chính xác. Với đặc điểm tỉ lệ lỗi gói tin thấp, cấu hình ít thay đổi và thay đổi chậm truyền thông trong mạng có dây truyền thống có thể áp dụng các thuật toán định tuyến dựa trên bảng là giải thuật trạng thái liên kết (Link State Routing) hoặc véc tơ khoảng cách (Distance Vector Routing). Thuật toán Link State được sử dụng trong giao thức OLSF (Open Shortest Path First) của Internet. Thuật toán Distance Vector còn được gọi là thuật toán Bellman-Ford, được dùng trong mạng ARPANET lúc mới ra đời và được sử dụng trong mạng Internet với tên gọi là RIP (Routing Information Protocol). Các giao thức định tuyến truyền thống cũng sử dụng định tuyến nguồn (Source Routing) và kỹ thuật flooding để tìm đường đi cho các gói tin trong mạng. 3.1.1. Distance Vector Trong Distance Vector mỗi nút chỉ theo dõi chi phí của các liên kết đi ra của nó, nhưng thay vì quảng bá thông tin này đến tất cả các nút, nó quảng bá định kỳ đến các hàng xóm của nó một ước tính các khoảng cách ngắn nhất đến tất cả các nút khác trong mạng. Các nút nhận sau đó sử dụng thông tin này để tính toán lại các bảng định tuyến, bằng cách sử dụng thuật toán đường đi ngắn nhất. So với Link State, Distance Vector tính toán hiệu quả hơn, dễ dàng hơn để thực hiện và đòi hỏi không gian lưu trữ ít hơn nhiều. Tuy nhiên, Distance Vector có thể gây ra sự hình thành các vòng lặp định tuyến ngắn và dài. Nguyên nhân chính cho việc này là các nút chọn chặng tiếp theo của chúng một cách hoàn toàn dựa trên thông tin có thể là cũ. 3.1.2. Link State Trong định tuyến Link State, mỗi nút duy trì một khung nhìn đầy đủ về cấu hình mạng với chi phí cho từng liên kết. Để giữ cho các chi phí này phù hợp, mỗi nút quảng bá định kỳ các chi phí liên kết của các liên kết đi ra của nó cho tất cả các nút khác bằng cách sử dụng kỹ thuật flooding. Khi một nút nhận thông tin này, nó cập nhật khung nhìn của nó về mạng và áp dụng thuật toán tìm đường đi ngắn nhất để chọn chặng tiếp theo cho từng đích đến. 27 Một số chi phí liên kết trong một khung nhìn của nút có thể không xác định được do độ trễ lan truyền lớn, mạng phân vùng… như vậy không phù hợp với khung nhìn cấu hình mạng có thể dẫn đến hình thành các vòng lặp định tuyến. Tuy nhiên, những vòng lặp là ngắn, vì các gói tin sẽ bị loại bỏ nếu đi quá một số chặng nhất định trong mạng. 3.1.3. Source Routing Source routing có nghĩa là mỗi gói tin phải mang theo đường dẫn đầy đủ mà gói tin nên đi trong mạng trong tiêu đề của nó, khi đó các nút trung gian chỉ việc chuyển tiếp các gói tin theo đường dẫn đó. Như vậy, việc xác định đường dẫn đầy đủ (định tuyến) được thực hiện tại nút nguồn. Ưu điểm của phương pháp này là loại bỏ nhu cầu quảng cáo đường định kỳ, các gói tin phát hiện hàng xóm và nó rất dễ dàng tránh các vòng lặp định tuyến. Vấn đề lớn nhất với định tuyến nguồn là khi mạng lớn và đường đi dài, việc đặt toàn bộ đường trong tiêu đề gói tin sẽ làm lãng phí băng thông. 3.1.4. Kỹ thuật Flooding Nhiều giao thức định tuyến sử dụng quảng bá để phân phối thông tin điều khiển, có nghĩa là, gửi thông tin điều khiển từ nút nguồn gốc cho tất cả các nút khác. Một hình thức quảng bá được sử dụng rộng rãi là kỹ thuật flooding hoạt động như sau. Nút nguồn gửi thông tin của nó cho các nút hàng xóm. Những nút hàng xóm sẽ chuyển tiếp cho hàng xóm của chúng và cứ tiếp tục như vậy, cho đến khi các gói tin đến được tất cả các nút trong mạng. Một nút sẽ chỉ chuyển tiếp một gói một lần và để đảm bảo điều này một số kiểu số thứ tự có thể được sử dụng. Số thứ tự này được tăng lên khi mỗi gói tin mới được một nút gửi. 3.2. Các yêu cầu đối với thuật toán định tuyến trong mạng MANET 3.2.1. Mục tiêu thiết kế các giao thức định tuyến cho mạng MANET Như ta đã biết, các đặc tính xác định của mạng ad hoc bao gồm các thiết bị có tài nguyên hạn chế, băng thông thấp, tỷ lệ lỗi cao và topo động. Trong số các nguồn tài nguyên của nút mạng, năng lượng pin thường là bị ràng buộc nhất. Do đó, mục tiêu thiết kế điển hình cho các giao thức định tuyến mạng Ad Hoc thường bao gồm:  Phụ tải điều khiển tối thiểu (Minimal control overhead). Kiểm soát việc gửi gói tin để tiết kiệm băng thông, chi phí xử lý và năng lượng pin cho cả việc truyền và nhận gói tin. Bởi vì sử dụng băng thông là một phần chi phí, giao thức định tuyến 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 bảo tồn năng lượng pin.  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 nguồn tài nguyên, tiêu thụ nhiều năng lượng pin. Các giao thức đơn giản với yêu cầu quá trình xử lý tối thiểu từ thiết bị di 28 động dẫn đến năng lượng pin được dự trữ cho các nhiệm vụ theo định hướng người sử dụng nhiều hơn, đồng thời kéo dài tuổi thọ pin.  Khả năng định tuyến đa chặng (Multihop routing capability). Phạm vi truyền dẫn không dây của các nút di động thường được giới hạn, các 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 tuyến đường đa chặng giữa nguồn và đích để giao tiếp giữa các nút là có thể xảy ra. 3.2.2. Áp dụng các thuật toán định tuyến truyền thống trong mạng MANET Các giao thức truyền thống như Distance Vector Routing hay Link State Routing được sử dụng trong các mạng truyền thống với tỉ lệ lỗi gói tin thấp, băng thông lớn, cấu hình ít thay đổi và thay đổi chậm. Ngược lại, những đặc điểm nổi bật của mạng MANET là tỉ lệ lỗi gói tin cao, băng thông thấp, cấu hình động. Vậy chúng ta có thể sử dụng các giao thức truyền thống Distance Vector Routing hay Link State Routing để định tuyến trong mạng Ad Hoc không? Câu trả lời là không, vì các lý do sau:  Thứ nhất, Link State và Distance Vector được thiết kế cho một topo tĩnh, có nghĩa là chúng sẽ gặp vấn đề về tính hội tụ về trạng thái ổn định cấu hình mạng ad hoc thường xuyên thay đổi. Link State và distance vector sẽ làm việc rất tốt trong một ad hoc có tính di động thấp, tức là một mạng mà ở đó topo không thay đổi thường xuyên. Vấn đề tồn tại là link-state và distance vector phụ thuộc nhiều vào các thông báo kiểm soát định kỳ. Mà 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, mâu thuẫn với thực tế là tất cả các thông tin cập nhật trong một mạng ad hoc kết nối không dây được truyền qua không khí và do đó tốn kém các tài nguyên như băng thông, năng lượng pin và thời gian CPU. Bởi vì cả link-state và distance vector cố gắng để duy trì các tuyến đường cho tất cả các đích đến có thể truy cập, điều này cần thiết để duy trì các tuyến đường và cũng làm lãng phí nguồn tài nguyên.  Thứ hai, một đặc trưng khác của các giao thức truyền thống là chúng giả định các liên kết là theo hai hướng cân xứng, ví dụ: việc truyền giữa hai host hoạt động tốt như nhau trong cả hai hướng. Trong môi trường vô tuyến không dây điều này không luôn luôn đúng như vậy. Như đã trình bày ở trên, các giao thức định tuyến truyền thống như Link State và Distance Vector không thể áp dụng trong mạng MANET vì chúng được thiết kế cho mạng có topo tĩnh và các liên kết là liên kết đối xứng. Vì vậy, khi thiết kế các giao thức định tuyến mới cho mạng MANET ta cần phải xem xét các yêu cầu sau đây: 1. Phù hợp với topo động của mạng: Thuật toán phải được thiết kế sao cho phù hợp với tính động của topo mạng và các liên kết bất đối xứng. 2. Không để xảy ra hiện tượng lặp định tuyến: 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 thêm một, và đến một giá trị nào đó thì gói tin sẽ bị loại bỏ. 29 3. Chi phí tìm đường thấp: Tổng số gói tin tìm đường thấp và thời gian cần thiết để tìm được đường đi nhỏ là những yêu cầu quan trọng đối với vấn đề định tuyến trong mạng không dây. 4. 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 tốn băng thông và năng lượng, vốn là những tài nguyên ”quý hiếm” 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. 5. Hoạt động phân tán: Cách tiếp cận tập trung cho mạng ad hoc 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. 6. 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. 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 mâu thuẫn với nhau? Ta xét yêu cầu thứ nhất và yêu cầu thứ ba, dễ thấy theo yêu cầu thứ nhất thuật toán phải hoạt động tốt trong điều kiện topo của mạng thay đổi liên tục khi đó các nút mạng di chuyển liên tục dẫn đến số gói tin dùng tìm đường từ các cặp nguồn-đích nhiều hơn đồng thời làm tăng thời gian tìm đường, điều này mâu thuẫn với yêu cầu thứ ba. Chính vì vậy, ta cần đánh giá ảnh hưởng của mức độ linh động của các nút mạng đến hiệu quả của các giao thức định tuyến. Để từ đó:  Đề xuất chọn sử dụng giao thức định tuyến thích hợp với mức độ linh hoạt của mạng cụ thể.  Có thể điều chỉnh (tinh chỉnh) các tham số hoạt động của các giao thức định tuyến cho tối ưu. 3.3. Phân loại các giao thức định tuyến cho MANET [16] Các giao thức định tuyến trong mạng MANET ra đời bằng cách cải tiến, bổ sung và kết hợp các thuật toán của các giao thức định tuyến truyền thống (Link State Routing, Distance Vector Routing, Source Routing) với nhau. Dưới đây tôi trình bày sơ lược về bốn giao thức định tuyến DSDV, OLSR, AODV và DSR được trình bày trong luận văn. 30 Destination-Sequenced Distance-Vector Routing (DSDV) là giao thức định tuyến bảng cho các mạng ad hoc dựa trên thuật toán Bellman-Ford. Nó được phát triển bởi C. Perkins và P.Bhagwat vào năm 1994. Đóng góp chính của thuật toán là giải quyết vấn đề lặp định tuyến. Optimized Link State Routing Protocol (OLSR) là giao thức định tuyến IP tối ưu hóa cho các mạng ad hoc đặc biệt. Nó thuộc nhóm giao thức định tuyến chủ ứng dựa trên trạng thái liên kết, sử dụng thông báo Hello and Topology Control (TC) để tìm và sau đó lan truyền thông tin trạng thái liên kết trong toàn mạng. Từng nút sử dụng thông tin topo mạng để tính toán những chặng tiếp theo đến mọi đích trong mạng theo đường đi có số chặng chuyển tiếp nhỏ nhất. Ad hoc On-Demand Distance Vector (AODV) là giao thức định tuyến cho các mạng MANET. Nó được phát triển bởi trung tâm nghiên cứu Nokia, Đại học California, Santa Barbara và Đại học Cincinnati bởi Perkins, E. Belding-Royer và S. Das. AODV là giao thức định tuyến phản ứng, nó thiết lập một tuyến đường đến đích khi có yêu cầu. Cũng giống như DSDV, AODV sử dụng số sequence number để cập nhật tuyến đường để tránh vấn đề lặp định tuyến. Dynamic Source Routing (DSR) là giao thức định tuyến cho các mạng ad hoc. Tương tự như AODV, DSR là định tuyến theo yêu cầu. Tuy nhiên, nó sử dụng định tuyến nguồn thay vì sử dụng bảng định tuyến tại từng điểm trung gian. 3.3.1. Các khái niệm liên quan 3.3.1.1. Định tuyến chủ ứng và định tuyến phản ứng Định tuyến chủ ứng (Proactive routing) là phương pháp định tuyến của các giao thức mà đường tới tất cả các đích được tính toán trước. Các thông tin định tuyến được cập nhật định kỳ hoặc bất cứ khi nào cấu hình mạng thay đổi. Ưu điểm của phương pháp là độ trễ phát gói tin thấp. Tuy nhiên, một số đường không cần dùng đến và việc truyền các thông điệp định kỳ tiêu tốn băng thông khi mạng thay đổi nhanh. Định tuyến phản ứng (Reactive routing) là phương pháp định tuyến theo yêu cầu. Đường tới đích không được tính toán trước và chỉ được xác định khi cần đến. Quá trình phát hiện liên kết bị hỏng và xây dựng lại đường được gọi là quá trình duy trì đường. Ưu điểm của định tuyến phản ứng là hạn chế được băng thông do chỉ cần đường tới các đích cần thiết và loại bỏ các cập nhật định kỳ. Tuy nhiên, vấn đề với phương pháp là độ trễ lớn trước khi phát do việc phát hiện đường. 3.3.1.2. Cập nhật định kỳ và cập nhật theo sự kiện Cập nhật định kỳ thực hiện bằng việc phát các gói tin định tuyến một cách định kỳ. Kỹ thuật này làm đơn giản hóa các giao thức và cho phép các nút học được về cấu hình và trạng thái của toàn bộ mạng. Tuy nhiên, giá trị quãng thời gian cập nhật là một tham số quan trọng. Cập nhật theo sự kiện diễn ra khi có sự kiện xảy ra trong mạng như liên kết hỏng hoặc liên kết mới xuất hiện. Khi đó, gói tin cập nhật sẽ được quảng bá và trạng 31 thái cập nhật được truyền trong toàn bộ mạng. Nhưng khi mạng thay đổi nhanh, số lượng gói tin cập nhật sẽ lớn và có thể gây ra các dao động về đường. Một số các giao thức sử dụng kết hợp hai cơ chế này như DSDV. 3.3.1.3. Tính toán phi tập trung và tính toán phân tán Trong giao thức dựa trên tính toán phi tập trung, mọi nút trong mạng duy trì thông tin toàn cục hoàn chỉnh về cấu hình mạng để tính toán các đường đi ngay khi cần. Tính toán đường trong Link state là ví dụ của tính toán phi tập trung. Trong giao thức dựa trên tính toán phân tán, mọi nút trong mạng chỉ duy trì thông tin bộ phận hoặc cục bộ về cấu hình mạng. Khi một đường cần được tính toán, nhiều nút sẽ phối hợp để tính toán đường. Tính toán đường trong Distance vector và phát hiện đường trong các giao thức theo yêu cầu thuộc vào tiếp cận này. 3.3.1.4. Đơn đường và đa đường Một số giao thức định tuyến tìm một đường duy nhất từ nguồn tới đích. Do đó, giao thức trở lên đơn giản và tiết kiệm được không gian lưu trữ. Tuy nhiên, một số giao thức khác lại áp dụng việc tìm nhiều đường. Mục tiêu của các giao thức này là sự tin cậy và mạnh mẽ. 3.3.2. Phân loại các giao thức định tuyến Các giao thức định tuyến có thể được phân lớp tùy thuộc vào đặc tính của chúng. Ta có thể phân lớp theo 3 cách như sau: Cách đầu tiên để phân loại các giao thức định tuyến là phân chia chúng theo các thuật toán tập trung và phân tán. Trong các thuật toán tập trung, tất cả các lựa chọn tuyến đường được thực hiện tại một nút trung tâm, trong khi ở các thuật toán phân tán, việc tính toán các tuyến đường được chia sẻ giữa các nút mạng. Cách thứ hai phân loại các giao thức định tuyến liên quan đến sự thích ứng với lưu lượng trên mạng. Trong các thuật toán tĩnh (Static), tuyến đường sử dụng bởi các cặp nguồn-đích được cố định bất kể các điều kiện lưu lượng. Nó chỉ có thể thay đổi để thích ứng với một nút hoặc liên kết bị lỗi. Kiểu thuật toán này không thể đạt được thông lượng cao trong nhiều mô hình đầu vào lưu lượng lớn. Hầu hết các mạng gói tin quan trọng sử dụng một số hình thức định tuyến thích nghi, nơi các tuyến đường được sử dụng để định tuyến giữa các cặp nguồn-đích có thể thay đổi để phản ứng với tắc nghẽn. Còn cách phân loại thứ ba có liên quan nhiều đến các mạng Ad Hoc là phân loại các thuật toán định tuyến dựa trên cách thông tin định tuyến được tìm thấy và duy trì bởi các nút di động như thế nào, gồm có: định tuyến chủ ứng, định tuyến phản ứng và định tuyến lai. Các giao thức chủ ứng cố gắng để đánh giá liên tục các tuyến đường trong mạng, để khi một gói tin cần được chuyển tiếp, tuyến đường đã được biết và có thể được sử dụng ngay lập tức. Tập hợp các giao thức Distance-Vector là một ví dụ của một giao thức chủ ứng. Các giao thức phản ứng, chỉ gọi một thủ tục xác định lộ trình theo yêu cầu. Vì vậy, khi một tuyến đường được yêu cầu, một số loại thủ tục tìm 32 kiếm toàn cục được thực hiện. Tập hợp các giao thức sử dụng thuật toán flooding cổ điển thuộc nhóm phản ứng. Các giao thức chủ ứng có lợi thế là khi một tuyến đường được yêu cầu, độ trễ trước khi các gói tin thực có thể được gửi là rất nhỏ. Mặt khác các giao thức chủ ứng cần thời gian để hội tụ về một trạng thái ổn định. Điều này có thể gây ra các vấn đề nếu topo thay đổi thường xuyên. Trong luận văn này, chúng ta sẽ phân lớp theo cách thứ ba: Hình 9. Phân loại các giao thức định tuyến trong mạng MANET [13] 3.3.2.1. Destination-Sequence Distance Vector (DSDV) Giao thức định tuyến DSDV là giao thức định tuyến chủ ứng dựa trên véc tơ khoảng cách theo chặng, được sửa đổi từ giao thức vector khoảng cách để hoạt động của nó phù hợp với mạng MANET. Cơ sở của DSDV là thuật toán Bellman-Ford truyền thống. Vì DSDV là một giao thức chủ ứng nên mỗi nút trong mạng duy trì một bảng định tuyến có chứa chặng tiếp theo và số chặng tới từng đích trong mạng. Để giữ cho các bảng định tuyến được cập nhật, DSDV yêu cầu mỗi nút phát quảng bá định kỳ các cập nhật định tuyến tới các hàng xóm và phát ngay các gói tin cập nhật khi có các thay đổi quan trọng xảy ra trong mạng. Bảng định tuyến chứa các thông tin sau đây: địa chỉ IP đích, số thứ tự đích, địa chỉ IP chặng tiếp theo, số chặng và thời gian cài đặt. DSDV sử dụng cả cập nhật bảng định tuyến định kỳ và sự kiện thường xuyên. Trong cập nhật định kỳ, ứng với khoảng thời gian cố định, mỗi nút quảng bá đến các hàng xóm số thứ tự hiện tại của nó, cùng với bản cập nhật bảng định tuyến. Các cập nhật bảng định tuyến có dạng: Sau khi nhận dữ liệu cập nhật, các nút hàng xóm sẽ sử dụng thông tin này để tính toán các tuyến rồi cập nhật vào bảng định tuyến của mình nhờ các phương pháp lặp vestor khoảng cách. Ngoài việc cập nhật định kỳ, DSDV cũng sử dụng bảng cập nhật sự kiện thường xuyên được dùng để thông báo thay đổi liên kết quan trọng, chẳng hạn như các 33 liên kết bị hỏng, một nút nào đó di chuyển... Cập nhật sự kiện thường xuyên được kích hoạt sẽ đảm bảo phát hiện kịp thời các thay đổi đường dẫn định tuyến. Để tránh lặp định tuyến, DSDV sử dụng số thứ tự gắn với mỗi đường. Số thứ tự cho thấy độ mới của đường. Đường có số thứ tự cao hơn được xem là tốt hơn. Tuy nhiên, hai đường có cùng số thứ tự nhưng đường nào có độ đo tốt hơn thì sẽ tốt hơn. Số thứ tự này được khởi tạo ban đầu bởi nút đích. Mỗi nút trong mạng quảng bá bằng việc tăng đều đặn số thứ tự chẵn của mình. Số thứ tự được tăng lên một khi một nút phát hiện đường tới đích có liên kết hỏng khi không nhận được các cập nhật định kỳ. Trong lần quảng bá đường sau, nút phát hiện liên kết hỏng sẽ quảng bá đường tới đích có số chặng vô hạn và tăng thứ tự đường. DSDV thực hiện hai tối ưu hóa chính để cải thiện hiệu suất trong các mạng di động. Một là sử dụng hai loại thông điệp cập nhật là: cập nhật đầy đủ (full dump) và cập nhật bổ sung (incremental dump). Cập nhật đầy đủ mang tất cả thông tin định tuyến có trong nút và cập nhật bổ sung chỉ mang các thông tin về những thay đổi từ lần cập nhật đầy đủ gần nhất. Để làm được điều này, DSDV lưu trữ hai bảng khác nhau, một dùng để chuyển tiếp các gói tin, một để phát các gói tin cập nhật bổ sung. Cập nhật đầy đủ được truyền tương đối ít khi các nút ít di chuyển. Còn khi các nút di chuyển thường xuyên, cập nhật đầy đủ được phát trong khi các cập nhật bổ sung sẽ ít đi. Tuy nhiên, khi chỉ có các thay đổi thông thường trong mạng các nút chỉ phát cập nhật bổ sung. Điều này làm giảm chi phí xử lý và tiêu thụ băng thông ít hơn. Hai là, để tránh sự bùng nổ các cập nhật định tuyến tại các thời điểm cấu hình mạng thay đổi nhanh, DSDV cũng áp dụng cơ chế hãm các cập nhật tức thời khi có các thay đổi xảy ra trong mạng. Bằng việc ghi nhận các quãng thời gian xảy ra những thay đổi về đường, DSDV làm trễ các cập nhật tức thời theo thời gian đó. Thời gian làm trễ thường là thời gian trung bình để có được tất cả các quảng bá cập nhật cho một tuyến đường. Bằng cách này, các nút có thể chắc chắn nhận được tất cả những thay đổi đường dẫn định tuyến đến một đích trước khi lan truyền bất cứ thay đổi nào. Điều này làm giảm việc sử dụng băng thông và tiêu thụ điện năng của các nút hàng xóm. 3.3.2.2. Optimized Link State Routing Protocol (OLSR) OLSR là giao thức định tuyến chủ ứng dựa trên trạng thái liên kết. Sự khác nhau giữa OLSR và định tuyến link state trong mạng có dây là OLSR dựa trên các chuyển tiếp đa điểm (MultiPoint Relays - MPRs) để giảm chi phí flooding mạng và kích thước của các gói tin cập nhật link state. Các điểm chuyển tiếp MPR là số tối thiểu các nút trong số các hàng xóm trực tiếp có thể chuyển tiếp các gói tin của nút tới các nút xa hơn. Ý tưởng của chuyển tiếp đa điểm là tối thiểu hóa việc phát tràn các thông điệp quảng bá trong mạng. 34 Hình 10. Tập chuyển tiếp đa điểm MPRs (S là nút nguồn, các nút được tô đậm là các nút MPR) Mỗi nút tính MPRs của nó từ tập các hàng xóm của nó. Tập MPR được chọn như vậy khi một nút quảng bá một thông báo, các truyền tiếp của thông báo đó bằng tập MPR sẽ đảm bảo rằng thông điệp được nhận bởi mỗi nút có số chặng bằng 2. Do đó, bất cứ khi nào một nút quảng bá một thông báo, chỉ có những người hàng xóm trong tập MPR của nó phát quảng bá lại thông báo đó. Các hàng xóm không trong tập MPR thì chỉ xử lý thông báo nhưng không phát quảng bá lại nó. Hơn nữa, khi trao đổi thông tin định tuyến link state, một nút chỉ liệt kê các liên kết của nó cho những hàng xóm rằng đã chọn chúng như là một MPR. Tập các hàng xóm được gọi là MPR Selectors. Hình 11. Định tuyến Link State và định tuyến cải tiến trong OLSR OLSR sử dụng hai loại thông điệp điều khiển HELLO và TC (Topology Control). Thông điệp HELLO được phát định kỳ để cảm nhận trạng thái liên kết với các hàng xóm, và xây dựng nên tập MPR. Thông điệp HELLO chỉ được gửi đi một chặng nhưng thông điệp TC được quảng bá trong toàn mạng. Các thông điệp TC được dùng để quảng bá thông tin về danh sách các MPR của mỗi nút và được phát định kỳ. Tuy nhiên, chỉ các nút trong tập MPR mới chuyển tiếp các thông điệp TC. Mỗi nút duy trì một bảng định tuyến được xây dựng từ thông tin cấu hình trong các thông điệp TC và thông tin liên kết cục bộ trong các thông điệp HELLO. Khi có bất cứ thay đổi nào trong các thông tin này, bảng định tuyến được tính toán lại. Do 35 OLSR là giao thức chủ ứng, bảng định tuyến có chứa đường đi tới tất cả các nút trong mạng. Các đường đi trong bảng định tuyến được tính dựa trên giải thuật đường đi ngắn nhất, như là một biến thể của thuật toán Dijkstra. 3.3.2.3. Ad hoc On-demand Distance Vector Routing (AODV) Một mạng adhoc là sự tham gia hợp tác của một tập hợp các nút di động không có sự can thiệp cần thiết của bất kỳ điểm truy cập tập trung hoặc cơ sở hạ tầng có sẵn. AODV là một thuật toán mới cho hoạt động mạng adhoc. Mỗi nút di động hoạt động như một router chuyên biệt. AODV cung cấp các tuyến đường không có vòng lặp kể cả trong khi sửa chữa các liên kết bị hỏng. Giao thức này không yêu cầu các quảng bá định tuyến định kỳ toàn mạng, nên nhu cầu về băng thông sẵn có cho các nút di động là ít hơn đáng kể so với những giao thức đòi hỏi phải quảng bá toàn mạng. AODV sử dụng liên kết đối xứng giữa các nút hàng xóm. Nó không cố gắng đi theo các đường dẫn giữa các nút khi một trong các nút không thể “nghe thấy” một nút khác. Với những nút không nằm trên tuyến đường hoạt động, chúng không duy trì bất kỳ thông tin định tuyến và cũng không tham gia vào bất kỳ trao đổi bảng định tuyến định kỳ. Hơn nữa, một nút không thể phát hiện và duy trì một tuyến đường đến một nút khác cho đến khi cả hai cần giao tiếp với nhau, trừ khi nút đó đưa ra những dịch vụ của nó như một trạm chuyển tiếp trung gian để duy trì kết nối giữa hai nút khác. Khi kết nối cục bộ của nút di động được quan tâm, mỗi nút di động có thể nằm trong “hiểu biết” của các nút khác trong lân cận của các nút đó bằng việc sử dụng một vài kỹ thuật, bao gồm quảng bá cục bộ như thông điệp Hello. Các bảng định tuyến của các nút trong lân cận được tổ chức để tối ưu hóa thời gian phản ứng các di chuyển cục bộ và cung cấp thời gian phản ứng nhanh cho các yêu cầu thành lập các tuyến đường mới. Những mục tiêu chính của thuật toán bao gồm:  Quảng bá quá trình tìm đường bằng các gói tin chỉ khi cần thiết.  Phân biệt sự dò tìm trong vùng lân cận để quản lý kết nối cục bộ và duy trì cấu hình mạng tổng thể.  Phổ biến thông tin về những thay đổi trong kết nối cục bộ với những nút di động lân cận có khả năng cần thông tin. AODV sử dụng cơ chế broadcast route discovery được sử dụng với những điều chỉnh trong thuật toán DSR. Thay vì định tuyến nguồn, AODV dựa vào thiết lập động các bảng tuyến đường tại các nút trung gian. Sự khác biệt này làm cho chi phí trong những mạng có nhiều nút giảm xuống vì loại bỏ phụ tải lớn do truyền từng gói tin dữ liệu chứa các tuyến đường nguồn trong tiêu đề gói tin. Để duy trì thông tin định tuyến mới nhất giữa các nút, ta sử dụng khái niệm về số thứ tự đích từ DSDV. Không giống như trong DSDV, mỗi nút duy trì một số tăng đơn điệu được sử dụng để loại bỏ các tuyến đường được lưu trữ đã cũ. Sự kết hợp của những kỹ thuật này đem đến một thuật toán sử dụng băng thông hiệu quả bằng cách giảm thiểu các tải mạng dùng cho điều khiển, và lưu lượng dữ liệu đáp ứng được với những thay đổi trong cấu hình mạng. 36 AODV sử dụng các thông điệp khác nhau để phát hiện và duy trì các liên kết. Khi có yêu cầu về đường, nếu đường chưa được biết hoặc đã quá hạn, nút quảng bá thông điệp yêu cầu tìm đường Route REQuest (RREQ) tới tất cả các hàng xóm. RREQ được phát đi toàn mạng cho tới khi đến được đích hoặc một nút có đường đi tới đích. Trên đường đi qua mạng, RREQ khởi tạo đường quay trở về nguồn tạm thời tại các nút đi qua. Nút cũng lưu trữ định danh của các RREQ đã nhận để loại bỏ các RREQ được nhận lại. Một RREQ chứa các thông tin sau đây: Các cặp nhận biết duy nhất một RREQ. broadcast_id được tăng lên bất cứ khi nào nguồn phát một RREQ mới. Mỗi hàng xóm hoặc thỏa mãn gói tin RREQ bằng cách gửi một gói tin Route REPly (RREP) trở về nguồn, hoặc quảng bá gói tin RREQ đến hàng xóm của mình sau khi tăng số hop_cnt. Khi RREQ tới đích hoặc nút có đường hợp lệ tới đích, gói tin trả lời RREP được khởi tạo và gửi quay trở lại nút nguồn qua đường đi đã được thiết lập bởi RREQ. Trong quá trình đó, RREP thiết lập đường hướng tới đích tại các nút chuyển tiếp. Khi RREP tới được nguồn, đường từ nguồn tới đích đã được thiết lập. Nếu nút nguồn không nhận được RREP trong khoảng thời gian ít nhất là đủ thời gian cho các RREQ đi qua mạng và tạo một trả lời cho nơi gửi, nút nguồn sẽ gửi lại RREQ hoặc giả thiết là không có đường tới đích. Một RREP chứa các thông tin sau: Để cảm nhận liên kết, AODV sử dụng các thông điệp HELLO được quảng bá định kỳ tới các hàng xóm. Thông điệp HELLO cho biết về sự tồn tại của nút và liên kết với nút vẫn hoạt động. Khi thông điệp HELLO không đến từ một hàng xóm trước đó, nút đánh dấu liên kết tới hàng xóm đó là hỏng và thông báo cho các nút bị ảnh hưởng bằng việc gửi thông báo lỗi đường Route ERRor (RERR). Trong cài đặt, việc phát hiện liên kết lỗi có thể thực hiện bởi lớp vật lý hoặc lớp liên kết. Hình 12. AODV tìm kiếm và duy trì tuyến đường 3.3.2.4. Dynamic Source Routing (DSR) [12] Giao thức DSR là một giao thức định tuyến đơn giản và hiệu quả được thiết kế riêng cho việc sử dụng trong các mạng ad hoc không dây đa chặng với các nút di động. Sử dụng DSR, mạng hoàn toàn tự tổ chức và tự cấu hình, không cần cơ sở hạ tầng mạng sẵn có hoặc quản trị trung tâm. Các nút mạng hợp tác để chuyển tiếp các gói tin 37 cho nhau từ đó cho phép giao tiếp qua nhiều “chặng” giữa những nút không trực tiếp nằm trong phạm vi truyền dẫn không dây của nút khác. Khi các nút trong mạng lưới di chuyển xung quanh hoặc gia nhập hoặc rời khỏi mạng, hoặc các điều kiện truyền dẫn không dây như các nguồn nhiễu thay đổi, thì tất cả định tuyến được tự động xác định và duy trì bởi các giao thức định tuyến DSR. Vì số lượng các chặng trung gian cần để đến được đích đến bất kỳ có thể thay đổi bất cứ khi nào, nên topo mạng có thể được thay đổi khá đa dạng và nhanh chóng. Giao thức DSR là giao thức phản ứng dựa trên định tuyến nguồn, nó cho phép các nút tìm kiếm tự động một tuyến đường nguồn qua nhiều chặng đến đích bất kỳ trong mạng ad hoc. Mỗi gói tin dữ liệu gửi đi mang trong tiêu đề của nó danh sách xếp thứ tự đầy đủ các nút mà nó phải đi qua, cho phép định tuyến gói tin ở các nút trung gian có thể thực hiện nhanh chóng không có vòng lặp và tránh yêu cầu phải cập nhật thông tin định tuyến tại các nút trung gian mà các gói tin được chuyển tiếp. Bằng cách thêm tuyến đường nguồn trong header của mỗi gói dữ liệu, các nút đang chuyển tiếp hoặc đang nghe bất kỳ gói tin nào trong các gói tin đó có thể dễ dàng lưu giữ thông tin định tuyến để sử dụng trong tương lai. Giao thức DSR gồm có hai cơ chế làm việc cùng nhau cho phép tìm kiếm và duy trì các tuyến đường nguồn trong mạng ad hoc:  Route discovery (Cơ chế tìm kiếm tuyến đường): Là cơ chế mà theo đó một nút nguồn S có nhu cầu gửi một gói tin đến một node đích D có được một tuyến đường từ nguồn đến nút đích D. Route discovery được sử dụng chỉ khi S cố gắng gửi một gói tin đến D mà không thực sự biết một tuyến đường đến D. Route discovery hoạt động như sau: Mỗi nút duy trì một bộ nhớ route cache có chứa các tuyến đường đi đã biết. Khi tuyến đường được cần đến không có trong route cache, Route discovery được khởi tạo bằng việc phát gói tin yêu cầu đường Route Request. Khi một nút nhận được gói tin yêu cầu đường, nút tìm trong route cache đường tới đích được yêu cầu. Nếu đường trong route cache không tìm thấy, nút chuyển tiếp gói tin yêu cầu đường cho các hàng xóm sau khi bổ sung địa chỉ vào thứ tự các chặng được lưu trong gói tin yêu cầu đường. Gói tin yêu cầu đường được truyền qua mạng cho tới khi đến đích hoặc nút có đường đi tới đích. Nếu đường được tìm thấy, gói tin trả lời (Route Reply) có chứa thứ tự các chặng tới đích được gửi trở lại nguồn. Hình 13. Ví dụ về Route discovery: nút A là nút nguồn, nút E là nút đích. 38  Route maintenance (Cơ chế duy trì tuyến đường): Là cơ chế mà theo đó nút S có thể phát hiện ra hiện tượng: một tuyến đường mà nó đã biết không còn sử dụng được để sửa lại. Tức là trong khi sử dụng một tuyến đường từ nguồn S đến đích D, nếu topo mạng thay đổi khiến S có thể không sử dụng được tuyến đường của nó đến D vì một liên kết trên tuyến đường không còn hoạt đông. Khi đó cơ chế Route maintenance cho biết một tuyến đường nguồn bị đứt liên kết, S có thể cố gắng sử dụng tuyến đường khác bất kỳ có trong bộ nhớ route cache của nó để đến D, hoặc có thể gọi cơ chế Route discovery một lần nữa để tìm kiếm một tuyến đường mới. được sử dụng chỉ khi S thực sự đang gửi các gói tin đến D. Cơ chế Route maintenance bao gồm việc thực hiện các biên nhận theo chặng hoặc đầu cuối, kèm theo đó là phát các gói tin Route Error để thông báo về hiện tượng đứt liên kết. DSR có thể sử dụng lớp MAC để thông báo về hiện tượng đứt liên kết. Trong trường hợp có hiện tượng đứt liên kết, gói tin Route Error được gửi lại cho nút nguồn. Nút nguồn sau đó 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 trung gian chuyển tiếp gói tin Route Error có thể cập nhật route cache theo cách tương tự. Hình 14. Ví dụ về Route maintenance: (nút C không thể chuyển tiếp gói tin từ nút A đến nút E do liên kết giữa C và D bị hỏng) Đặc biệt, không giống như các giao thức khác, DSR không yêu cầu phát các gói tin định tuyến định kỳ trong bất kỳ trường hợp nào, tại bất kỳ tầng nào trong mạng. Ví dụ, DSR không sử dụng quảng bá định tuyến định kỳ, cảm nhận trạng thái liên kết, hoặc các gói tin tìm kiếm nút hàng xóm và không dựa vào các chức năng từ bất kỳ giao thức cơ bản trong mạng. Các thông tin điều khiển của route discovery and route maintenance trong DSR được thiết kế để cho phép các liên kết một chiều và các tuyến đường bất đối xứng được hỗ trợ một cách dễ dàng. Như ta đã biết, trong các mạng không dây có thể xảy ra trường hợp một liên kết giữa hai nút có thể không làm việc tốt như nhau trong cả hai hướng, do khác biệt về ăng ten hoặc các mô hình lan truyền hoặc các nguồn nhiễu. DSR cho phép liên kết một chiều sẽ được sử dụng khi cần thiết, điều này nâng cao hiệu năng tổng thể và tính liên kết mạng trong hệ thống. 3.3.2.5. So sánh các giao thức định tuyến cho MANET Bảng 4 so sánh độ phức tạp của các giao thức với các tiêu chuẩn:  Độ phức tạp lưu trữ: kích thước lưu trữ mỗi nút cần để lưu các thông tin cần thiết.  Độ phức tạp thời gian: số các bước cần để thực hiện một hoạt động của giao thức. 39  Độ phức tạp truyền thông: số thông điệp cần để thực hiện một hoạt động của giao thức. Giao thức Độ phức tạp lưu trữ Độ phức tạp thời gian Độ phức tạp truyền thông DSDV O(N) O(D) O(N) OLSR O(MxA) O(D) O(M) AODV O(Dd) O(2D) O(2N) DSR O(D) O(2D) O(2N) Bảng 4: So sánh độ phức tạp của các giao thức định tuyến Trong đó:  M: số các nút lựa chọn chuyển tiếp sóng (MPR).  N: Tổng số nút trong mạng.  A: Số trung bình các nút liền kề (các nút hàng xóm).  D: Đường kính mạng (số chặng lớn nhất trong mạng).  Dd: Số các đích giao tiếp lớn nhất. Bảng 5 và 6 tổng kết và so sánh các đặc điểm của các giao thức: Giao thức Thông tin lưu trữ Thời gian cập nhật Thông tin cập nhật Đối tượng cập nhật DSDV Vectơ khoảng cách Định kỳ và theo sự kiện Vectơ khoảng cách Các hàng xóm DSR Đường đi tới các đích có giao tiếp Cơ chế duy trì đường theo sự kiện Thông điệp lỗi đường (route error) Nút nguồn AODV Chặng tiếp theo tới mỗi đích có giao tiếp Cơ chế duy trì đường theo sự kiện Thông điệp lỗi đường (route error) Nút nguồn OLSR Toàn bộ cấu hình mạng Định kỳ Thông điệp Hello: thông tin liên kết cục bộ, và hàng xóm (MPR). Thông điệp TC: thông tin về các MPR Tất cả các nút trong mạng Bảng 5: So sánh các đặc điểm của các giao thức định tuyến 40 Trong đó:  Thông tin lưu trữ: Thông tin được lưu tại mỗi nút.  Thời gian cập nhật: Áp dụng trong các giao thức định tuyến chủ ứng. Các giá trị so sánh là: định kỳ, theo sự kiện và lai (kết hợp cả hai cơ chế). Đối với các giao thức phản ứng, khi liên kết bị hỏng, cơ chế duy trì đường được thực hiện, việc xây dựng lại đường được gọi là hướng sự kiện.  Thông tin cập nhật: Thông tin về trạng thái liên kết. Đối với các giao thức phản ứng, cơ chế duy trì đường theo sự kiện, thông tin cập nhật là các thông điệp ROUTE-ERROR.  Đối tượng cập nhật: là các hàng xóm hoặc các nút nguồn bị ảnh hưởng. Giao thức Phương pháp cập nhật Tính toán đường Số đường Duy trì đường DSDV Quảng bá tới các hàng xóm Trước, phân tán Một đường (đường đi ngắn nhất) Gửi các cập nhật định kỳ và theo sự kiện DSR Unicast Phản ứng theo yêu cầu, quảng bá thông điệp truy vấn Nhiều đường Xóa đường, thông báo cho nút nguồn AODV Unicast Phản ứng theo yêu cầu, quảng bá thông điệp truy vấn Một đường (đường đầu tiên nhận được bởi thông điệp trả lời) Xóa đường, thông báo tới tất cả các nút nguồn bị ảnh hưởng OLSR Quảng bá Trước, thực hiện bởi nút Một đường (đường đi ngắn nhất) Gửi các cập nhật Bảng 6: So sánh các đặc điểm của các giao thức định tuyến Trong đó:  Phương pháp cập nhật: quảng bá hoặc unicast.  Tính toán đường: Khi nào đường được tính toán. Có ba trường hợp: tính toán trước, theo yêu cầu, và lai giữa hai cơ chế. Đối với các giao thức định tuyến trước, việc tính toán có thể thực hiện bởi nút hoặc hợp tác, phân tán giữa các nút. Tuy nhiên, trong các giao thức định tuyến phản ứng, việc tính toán đường thông thường là việc gửi quảng bá thông điệp truy vấn đường được truyền qua toàn mạng để phát hiện đường.  Số đường: Số đường tìm thấy được lưu trữ.  Duy trì đường: Việc có áp dụng hay không cơ chế duy trì đường trong các giao thức. 41 Chương 4: NGHIÊN CỨU VIỆC SỬ DỤNG CÔNG CỤ MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ Chương 4 trình bày các phương pháp mô phỏng mạng quan trọng từ đó đưa ra lựa chọn phương pháp mô phỏng bằng cách sử dụng công cụ NS-2 là tối ưu nhất trong luận văn. Chương này cũng trình bày công cụ hiển thị trực quan mạng MANET trong quá trình hoạt động là INSPECT. Nội dung chính tiếp theo là việc thiết lập mô phỏng mạng MANET trong NS-2 và các tham số hoạt động của bốn giao thức định tuyến DSDV, OLSR, AODV, DSR trong NS-2. 4.1. Lựa chọn phương pháp và công cụ đánh giá hiệu năng mạng [1] 4.1.1. Lựa chọn phương pháp Trong quá trình hình thành và phát triển của mạng máy tính từ xưa đến nay, những nhà thiết kế và người nghiên cứu mạng luôn dành sự quan tâm lớn đến vấn đề đánh giá và dự đoán hiệu năng mạng; mục đích chính là để nắm được và cải thiện đặc trưng giá - hiệu năng. Xuyên suốt trong quá trình thiết kế - xây dựng - vận hành - bảo trì hệ thống mạng, ngay từ giai đoạn bắt đầu cho đến khi mạng đã được lắp đặt và đưa vào hoạt động thì yêu cầu đánh giá và dự đoán hiệu năng mạng luôn song hành. Trong giai đoạn đầu của quá trình thiết kế, người ta thường phải dự đoán hai vấn đề. Vấn đề thứ nhất là bản chất của các ứng dụng sẽ chạy trên mạng và các yêu cầu dịch vụ mà các ứng dụng này đòi hỏi hệ thống mạng phải đáp ứng. Vấn đề dự đoán thứ hai liên quan tới việc lựa chọn một trong các thiết kế kiến trúc, dựa trên các công nghệ phần cứng và phần mềm sẽ được phát triển và đưa ra thị trường trong tương lai, khi hệ thống mạng bước vào giai đoạn triển khai thực hiện. Để tìm được các khiếm khuyết chính trong thiết kế hoặc các lỗi trong việc lập trình hệ thống, các nhà nghiên cứu thường so sánh hiệu năng dự đoán với hiệu năng thực tế đạt được. Ngày nay, việc dự đoán và đánh giá hiệu năng thường được coi là một phần không thể thiếu được của công việc thiết kế và triển khai thực hiện hệ thống nhằm đạt được mục tiêu là tối ưu hóa hiệu năng hệ thống.  Định cấu hình mạng: Sau khi hoàn thành triển khai và đưa mạng vào hoạt động, việc dự đoán và đánh giá hiệu năng mạng đối với các ứng dụng cụ thể cũng có ý nghĩa quan trọng. Để tối ưu hoá hiệu năng mạng, nhà sản xuất phải chỉ ra được các cách kết hợp và tổ chức phần cứng và phần mềm mạng để đem lại một giải pháp tốt nhất cho các yêu cầu của khách hàng, việc này thường được gọi là định cấu hình mạng.  Tinh chỉnh hệ thống: Sau khi hệ thống sản phẩm đã được lắp đặt tại địa điểm của khách hàng, nhà cung cấp sản phẩm cần phải làm sao cho hệ thống mà họ bán cho khách hàng đạt được hiệu năng hoạt động như họ đã hứa hẹn khi chào hàng, việc này được gọi là tinh chỉnh hệ thống. Đối với các hệ thống mạng, việc tìm ra được điểm làm việc tối ưu và ổn định trên toàn mạng là rất khó. 42 4.1.1.1. Mô hình Giải tích Đối với mạng máy tính, ta có thể thiết lập mô hình như một mạng hàng đợi. Khách hàng (customer) của các hàng đợi là các gói số liệu đến với yêu cầu được truyền đi, còn người phục vụ (server) chính là các phương tiện truyền, bao gồm hệ chuyển mạch và đường kết nối vật lý. Hầu hết các vấn đề liên quan đến hiệu năng đều liên quan tới thời gian mà các gói số liệu phải xếp hàng chờ được phục vụ. Trong các mạng chuyển mạch gói, gói số liệu là các khối dữ liệu có chiều dài thay đổi được, và được truyền qua mạng từ nguồn tới đích theo một con đường nào đó do hệ thống mạng quyết định. Khi các gói số liệu này đi qua mạng, chúng sẽ cùng nhau chia sẻ các tài nguyên mạng. Nói chung, tất cả các tham số như: số lượng và chiều dài các gói số liệu đi vào hoặc đi qua mạng tại mọi thời điểm, thời gian kéo dài các cuộc kết nối … thay đổi một cách thống kê. Do đó, cần phải sử dụng các khái niệm về xác suất để nghiên cứu sự tương tác của chúng với mạng khi xác định các tiêu chuẩn đo lường định lượng về hiệu năng. Lý thuyết Hàng đợi đóng vai trò mấu chốt trong việc phân tích mạng, bởi vì đó là công cụ Toán học thích hợp nhất để phát biểu và giải các bài toán về hiệu năng. Theo phương pháp này, chúng ta viết ra các mối quan hệ hàm giữa các tiêu chuẩn hiệu năng cần quan tâm và các tham số của hệ thống mạng bằng các phương trình có thể giải được bằng giải tích. 4.1.1.2. Mô phỏng mạng bằng chương trình máy tính Mô phỏng, theo nghĩa chung nhất là sự bắt chước một hay nhiều khía cạnh của sự vật có thực, bằng một cách nào đó càng giống càng tốt. Trong các lĩnh vực nghiên cứu hiện đại nói chung và lĩnh vực đánh giá hiệu năng mạng nói riêng, mô phỏng được hiểu là một kỹ thuật sử dụng máy tính điện tử số để làm các thí nghiệm về mạng có liên quan đến thời gian. Chúng ta có thể xem hoạt động của mạng máy tính là một dãy các sự kiện xảy ra liên tiếp, tại các thời điểm xác định, rời rạc; mỗi sự kiện diễn ra trong một khoảng thời gian xác định. Do vậy, mô hình Mô phỏng hoàn toàn mô tả được hành vi động của mạng, ngay cả khi người nghiên cứu chỉ quan tâm đến giá trị trung bình của một số độ đo trong trạng thái dừng. Bằng cách sử dụng máy tính điện tử số, chúng ta có thể xây dựng các mô-đun chương trình phần mềm để mô phỏng các thành phần khác nhau của mạng thực cũng như hành vi của chúng. Các mô-đun chương trình phần mềm nói trên thường được gộp thành bộ mô phỏng với cấu trúc và độ phức tạp phụ thuộc vào phạm vi của thí nghiệm mô phỏng. 4.1.1.3. Đo trên mạng thực Đây là phương pháp xác định hiệu năng dựa trên việc đo trên mạng thực các tham số mạng cấu thành độ đo hiệu năng cần quan tâm. Việc đo hiệu năng nhằm thực hiện một trong ba nhiệm vụ sau. Một là, giám sát hiệu năng của mạng . Hai là, thu thập số liệu để lập mô hình dữ liệu vào cho các phương pháp đánh giá hiệu năng bằng giải tích hoặc mô phỏng. Nhiệm vụ thứ ba là kiểm chứng các mô hình khác dựa trên các số liệu đo được. Đo hiệu năng không chỉ quan trọng trong các giai đoạn triển khai thực 43 hiện và tích hợp hệ thống mà còn cả trong các giai đoạn lắp đặt và vận hành hệ thống. Bởi vì sau khi lắp đặt và đưa vào sử dụng, mỗi một hệ thống cụ thể sẽ có một tải hệ thống và các độ đo hiệu năng được quan tâm riêng của nó, cho nên sau khi lắp đặt, người ta thường phải điều chỉnh cấu hình cho phù hợp. Các tham số cấu hình sẽ được chọn sau khi các phép đo hiệu năng cho thấy các tham số cấu hình này làm cho hệ thống đạt được hiệu năng tốt nhất. 4.1.1.4. Lý do sử dụng phương pháp mô phỏng để đánh giá hiệu năng mạng Trong những trường hợp mô hình Giải tích mà chúng ta nhận được, dù đã được đơn giản hoá, hoặc phân rã nhưng vẫn không thể giải được bằng Toán học, khi đó, nói chung, chúng ta sẽ chỉ còn một phương pháp là mô phỏng. Phương pháp mô phỏng có thể được sử dụng ngay trong giai đoạn đầu của việc thiết kế hệ thống mạng, cho đến giai đoạn triển khai thực hiện và tích hợp hệ thống. Phương pháp này nói chung, đòi hỏi một chi phí rất cao cho việc xây dựng bộ mô phỏng cũng như kiểm chứng tính đúng đắn của nó. Tuy nhiên, sau khi đã xây dựng xong bộ mô phỏng, người nghiên cứu có thể tiến hành chạy chương trình mô phỏng bao nhiêu lần tuỳ ý, với độ chính xác theo yêu cầu và chi phí cho mỗi lần chạy thường là rất thấp. Các kết quả mô phỏng nói chung vẫn cần được kiểm chứng, bằng phương pháp giải tích hoặc đo. Phương pháp mô hình Giải tích và mô hình Mô phỏng đóng vai trò rất quan trọng trong việc thiết kế và triển khai thực hiện hệ thống, đặc biệt là ở giai đoạn đầu. Trong luận văn này, tôi sử dụng bộ mô phỏng NS-2 kết hợp với các độ đo hiệu năng để đánh giá ảnh hưởng của sự di động của nút mạng đến hiệu quả của các giao thức định tuyến trong mạng MANET. 4.1.2. Công cụ mô phỏng NS-2 [1, 12, 15] NS là chữ viết tắt của cụm từ Network Simulation, là bộ mô phỏng mạng theo sự kiện rời rạc do nhóm nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley, Hoa Kỳ xây dựng và được tiếp tục phát triển bởi dự án VINT (Virtual InterNetwork Testbed) do Bộ Quốc phòng Mỹ cấp kinh phí. NS được phát triển từ bộ mô phỏng REAL (Realistic and Large) của S. Keshav từ năm 1989, còn REAL thì bắt nguồn từ bộ mô phỏng NEST (Network Simulation Testbed). Sau năm 1997, các phiên bản 2.xx của NS ra đời và bắt đầu từ đây người ta thường gọi bộ mô phỏng NS là NS- 2, nó có những khác biệt khá nhiều so với các phiên bản 1.xx ban đầu. Khi sử dụng NS-2, ta có thể lập trình thay đổi cấu hình và mở rộng mô hình mạng mô phỏng một cách dễ dàng, ngay cả khi chương trình mô phỏng đang chạy. Ban đầu, NS chỉ được thiết kế để chạy trên nền hệ điều hành Unix/Linux, sau này người ta cũng xây dựng một số phiên bản NS chạy trong môi trường Windows. 44 Hình 15. Kiến trúc NS-2 Hiện nay, cộng đồng sử dụng NS có trên 1000 trường đại học, viện nghiên cứu, công ty... với hơn 10 nghìn người sử dụng trên toàn thế giới. Cộng đồng sử dụng NS có một diễn đàn chung để trao đổi các vấn đề có liên quan. Ba chủ đề chính thường được nghiên cứu bằng NS là: lựa chọn một trong một số cơ chế, nghiên cứu tỉ mỉ các hành vi phức tạp và điều tra các tương tác còn chưa biết giữa các giao thức. Các đặc điểm nổi bật chính bộ mô phỏng NS là:  Khả năng trừu tượng hoá: có thể thay đổi độ mịn của mô phỏng cho phù hợp với cả các mô phỏng chi tiết lẫn các mô phỏng mức cao.  Khả năng phát sinh ra kịch bản: NS có khả năng tạo ra một cách tự động các mẫu lưu lượng, các hình trạng mạng, các sự kiện thay đổi động và phức tạp, kể cả việc mô phỏng các nút mạng và đường truyền bị hỏng.  Khả năng mô phỏng tương tác với mạng thực: NS có một giao diện đặc biệt, cho phép lưu lượng thực đi qua nút mạng tương tác với bộ mô phỏng chạy trên nút mạng đó.  Khả năng hiển thị trực quan: Công cụ hiển thị NAM giúp chúng ta thấy được hình ảnh hoạt động của mạng bằng trực giác và trợ giúp cho việc gỡ rối giao thức cần nghiên cứu.  Khả năng mở rộng được: Bộ mô phỏng NS có khả năng mở rộng được dễ dàng khi người nghiên cứu muốn bổ sung các chức năng mới, thử nghiệm các kịch bản khác nhau và nghiên cứu các giao thức mới. Các thành phần của bộ chương trình mô phỏng NS Trong bộ chương trình mô phỏng mạng NS, hai thành phần quan trọng nhất là chương trình mô phỏng NS và các công cụ hiển thị trực quan. Khi sử dụng chương trình mô phỏng NS, ta có thể lập trình cho nó để định ra hình trạng (tô-pô) mạng là tĩnh hoặc động, cũng như tạo ra các luồng lưu lượng theo một số phân bố đã được định nghĩa trước. Mặt khác, ta có thể lựa chọn chính sách quản lý hàng đợi tại các nút mạng, cũng như có thể đưa các mô hình sinh lỗi vào các đường truyền. 45 Thành phần thứ hai là các công cụ hiển thị trực quan NAM và XGRAPH. NAM là công cụ hiển thị, cho phép người nghiên cứu nhìn thấy bằng đồ hoạ hình trạng mạng, gồm các nút mạng, các đường truyền nối các nút ở dạng tĩnh và động; NAM cũng có thể hiển thị hành vi động của hàng đợi tại các nút, cũng như sự chuyển động của các gói số liệu trên mạng. Đối với mạng di động không dây, các phiên bản mới của NAM có thể hiển thị hình trạng động của mạng, tức là sự chuyển động của các nút mạng trong không gian hai chiều. Hiện nay, ta có thể sử dụng công cụ iNSpect để thay thế NAM trong hiển thị hình ảnh động của các mạng di động không dây. Công cụ mới này được phát triển bởi nhóm Toilers Research Group gồm những thành viên thuộc trường Colorado School of Mines và khoa Công nghệ an ninh – trường Fraunhofer Institute. XGRAPH là một chương trình ứng dụng chạy trong X-Windows. Những tệp vết dạng text do chương trình mô phỏng sinh ra được XGRAPH sử dụng làm dữ liệu đầu vào để vẽ đồ thị trong không gian hai chiều. Các dạng đồ thị mà XGRAPH có thể vẽ là đồ thị dạng đường (Line graph), đồ thị điểm (Scatter plots) và đồ thị cột (Bar charts). Các đồ thị này có thể được sao lưu dưới dạng các file ảnh thông dụng và sử dụng cho các chương trình ứng dụng khác nhau. 4.1.2.1. Các chức năng mô phỏng chính của NS Đối với mạng có dây:  Các đường truyền điểm-điểm đơn công, song công, mạng cục bộ LAN.  Các chính sách phục vụ hàng đợi.  Các mô hình sinh lỗi.  Vấn đề định tuyến Unicast/Multicast (Unicast/Multicast routing).  Các giao thức tầng Giao vận: TCP/Tahoe/Reno/New-Reno/Sack/Vegas, UDP, điều khiển lưu lượng và điều khiển tắc nghẽn.  Các giao thức tầng Ứng dụng, Web caching, truyền luồng dữ liệu đa phương tiện. Đối với mạng không dây:  Kênh truyền.  Sự di chuyển của các nút mạng trong không gian hai chiều.  Mạng LAN không dây (WLAN) 802.11.  Mobile IP.  Các thuật toán định tuyến trong mạng không dây đặc biệt (Adhoc networks): DSDV, DSR, AODV, TORA...  Liên mạng sử dụng vệ tinh (Satellite Networking). Trong lĩnh vực mạng hỗn hợp có dây và không dây:  Trạm cơ sở (BS) đóng vai trò gateway giữa mạng có dây và mạng không dây.  Snoop TCP. 46 4.1.2.2 Cấu trúc phần mềm của NS Lập trình tách biệt Người ta đã xây dựng NS theo tư tưởng tạo cho nó khả năng mở rộng được dễ dàng khi người nghiên cứu muốn bổ sung các chức năng mới, thử nghiệm các kịch bản khác nhau và nghiên cứu các giao thức mới. Để đạt được mục tiêu trên, NS sử dụng một mô hình lập trình phân tách làm hai phần; ngôn ngữ C++ được sử dụng để triển khai thực hiện hạt nhân của bộ mô phỏng, gồm các chức năng căn bản nhất của mô phỏng cần chạy ở tốc độ cao. Phần thứ hai của NS sử dụng ngôn ngữ Tcl, thực hiện các nhiệm vụ định nghĩa, định cấu hình và điều khiển mô phỏng. Lập trình hướng đối tượng Việc phân chia NS làm hai phần được lập trình bằng các ngôn ngữ khác nhau cũng thường thay đổi trong quá trình nghiên cứu các giao thức. Vì vậy, việc tái sử dụng các môđun chương trình có ý nghĩa hết sức quan trọng, điều này dẫn đến sự lựa chọn lập trình hướng đối tượng. Tuy nhiên, ban đầu khi người ta thiết kế NS, ngôn ngữ Tcl không hỗ trợ việc lập trình hướng đối tượng, vì thế dự án VINT đã chấp nhận sử dụng các mở rộng hướng đối tượng của ngôn ngữ Tcl, được phát triển tại Viện Công nghệ Massachuset (MIT), ngôn ngữ này được gọi là OTcl. Ngoài ra, VINT cũng chấp nhận một sự mở rộng đơn giản của Tcl, đó là các lớp (TclCL). Nhờ đó có thể dễ dàng tạo ra một đối tượng được xây dựng bằng cả hai ngôn ngữ C++ và OTcl. 4.1.2.3. Lập trình mô phỏng bằng NS Dưới đây chúng tôi liệt kê các thao tác cơ bản trong việc lập trình mô phỏng bằng NS, mỗi thao tác này nói chung được biểu diễn bằng một dòng lệnh trong chương trình mô phỏng, sử dụng “ngôn ngữ” của NS. Các hướng dẫn chi tiết hơn có thể tra cứu trong tài liệu ns-Manual. 1. Các thao tác đối với bộ lập lịch các sự kiện. 2. Tạo ra mạng. 3. Chọn thuật toán định tuyến. 4. Tạo ra kết nối và lưu lượng. 5. Đưa mô-đun sinh lỗi vào đường truyền của mạng mô phỏng. 6. Ghi lại vết của mô phỏng (Tracing) để xử lý và phân tích sau. 7. Ghi lại vết của các sự kiện để hiển thị trực quan bằng chương trình NAM. 4.1.3 Công cụ hỗ trợ phân tích kết quả mô phỏng 4.1.3.1 Cấu trúc tệp vết chứa kết quả mô phỏng mạng không dây Tệp vết có tên mở rộng là .tr: mỗi dòng ghi lại một sự kiện trong mạng và các thông tin liên quan đến sự kiện. Trong NS-2, có hai kiểu cấu trúc tệp vết chứa kết quả mô phỏng mạng không dây là: Kiễu cũ: r 160.093884945 _6_ RTR --- 5 tcp 1492 [a2 4 6 800] ------- [655 36:0 16777984:0 31 16777984] [1 0] 2 0 47 Kiểu mới: s -t 0.267662078 -Hs 0 -Hd -1 -Ni 0 -Nx 5.00 -Ny 2.00 -Nz 0.00 -Ne -1.000000 -Nl RTR -Nw --- -Ma 0 -Md 0 -Ms 0 -Mt 0 -Is 0.255 -Id -1.255 -It message -Il 32 -If 0 -Ii 0 -Iv 32 Ngoài 2 loại tệp vết có cấu trúc như trên, người lập trình mô phỏng (bằng Otcl) có thể thay đổi (thí dụ bỏ bớt...) một số trường (field) trong tệp vết, nhằm giảm kích thước của tệp vết và các thông tin không cần quan tâm. 4.1.3.2 Một số công cụ hỗ trợ việc phân tích và hiển thị kết quả mô phỏng Với tệp vết ghi lại các sự kiện trong mạng có cấu trúc được định nghĩa rõ ràng, người phân tích có thể xử lý và kết xuất thông tin bằng mọi công cụ có thể, thí dụ các ngôn ngữ lập trình hoặc các phần mềm chuyên dụng. Dưới đây là các phần mềm và ngôn ngữ thường được sử dụng, trong đó phần lớn là các sản phẩm thuộc dự án GNU. Grep Grep là thuật ngữ viết tắt của cụm từ Global Regular Expression Parser, nó là một lệnh trong Unix|Linux. Grep là một bộ lọc, nó tìm và hiển thị (hoặc kết xuất kiểu pipling) các dòng trong input có chứa mẫu ký tự mà người sử dụng chỉ ra. Awk AWK là một ngôn ngữ lập trình được sáng tạo