(LUẬN VĂN THẠC SĨ) Broadcast xác suất cho kỹ thuật Flooding trong mạng Manet Luận văn ThS Công nghệ thông tin 1 01 10

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

DƯƠNG LÊ MINH

BROADCAST XÁC SUẤT CHO KỸ THUẬT
FLOODING TRONG MẠNG MANET
Chuyên ngành: Công nghệ thông tin
Mã số

: 1.01.10

LUẬN VĂN THẠC SỸ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. BÙI THẾ DUY

Hà Nội - 2007

TIEU LUAN MOI download :


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT............................................................1
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .......................................................................................2
CHƢƠNG MỞ ĐẦU .....................................................................................................3
CHƢƠNG I. MẠNG AD HOC KHÔNG DÂY DI ĐỘNG ........................................6
1.1. Giới thiệu chung .....................................................................................................6
1.1.1. Lịch sử phát triển và phân loại mạng không dây ...............................................6
1.1.1.1. Các đặc trưng của truyền thông không dây.................................................7
1.1.1.2. Phân loại các mạng không dây ....................................................................8
1.1.2. Đặc điểm và ứng dụng của MANET ...............................................................10

1.1.2.1. Đặc điểm của MANET .............................................................................10
1.1.2.2. Các ứng dụng của MANET ......................................................................12
1.2. Một số vấn đề nổi bật của mạng adhoc di động .................................................14
1.2.1. Điều khiển hình trạng mạng.............................................................................14
1.2.1.1. Giới thiệu...................................................................................................14
1.2.1.2. Mơ hình tiếp cận dùng trong điều khiển hình trạng mạng ........................15
1.2.2. Bảo tồn năng lượng ..........................................................................................16
1.2.2.1. Giới thiệu...................................................................................................16
1.2.2.2. Một số hướng xây dựng các kỹ thuật duy trì năng lượng .........................17
1.2.3. Định tuyến ........................................................................................................19
1.2.3.1. Giới thiệu...................................................................................................19
1.2.3.2. Một số đặc trưng của các nhóm giao thức ................................................20
1.2.4. An ninh trong mạng ad hoc..............................................................................23
1.2.4.1. Giới thiệu...................................................................................................23
1.2.4.2. Những nguy cơ tấn cơng và một số giải pháp phịng tránh ......................24
1.3. Kết luận chƣơng....................................................................................................27
CHƢƠNG II. FLOODING TRONG MANET VÀ PHƢƠNG PHÁP CẢI TIẾN .....28
2.1. Broadcast trong MANET và những vấn đề liên quan ......................................28
2.1.1. Broadcast trong MANET .................................................................................28
2.1.1.1. Một số ứng dụng .......................................................................................28
2.1.1.2. Flooding mù ..............................................................................................29
2.1.2. Dư thừa gói tin, tranh chấp và xung đột khi Broadcast ...................................30
2.1.2.1. Dư thừa hoạt động broadcast ....................................................................31
2.1.2.2. Tranh chấp broadcast ................................................................................32

TIEU LUAN MOI download :


2.1.2.3. Va chạm khi broadcast ..............................................................................33
2.1.3. Một số kỹ thuật Flooding cải tiến dùng cho Broadcast ...................................33

2.1.3.1. Flooding dựa trên phân cụm (clustering-based flooding) .........................33
2.1.3.2. Flooding dựa trên bộ đếm (counter-based flooding) ................................35
2.1.3.3. Flooding dựa trên khoảng cách (distance-based flooding) .......................35
2.1.3.4. Flooding dựa trên xác suất (probabilistic-based flooding) .......................37
2.2. Broadcast xác suất dùng trong kỹ thuật flooding ............................................37
2.2.1. Hiện tượng chuyển pha ....................................................................................37
2.2.1.1. Lý thuyết thẩm thấu ..................................................................................38
2.2.1.2. Đồ thị ngẫu nhiên ......................................................................................39
2.2.2. Ứng dụng hiện tượng chuyển pha vào kỹ thuật flooding ................................40
2.2.2.1. Mơ hình lưới vng (square grid model) ..................................................41
2.2.2.2. Mơ hình bán kính cố định (fixed radius model) .......................................41
2.3. Kết luận chƣơng....................................................................................................42
CHƢƠNG III. THỬ NGHIỆM THÔNG QUA MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ .....43

3.1. Giới thiệu về thử nghiệm thông qua mô phỏng .................................................43
3.2. Lựa chọn công cụ mô phỏng ................................................................................44
3.2.1. Một số công cụ mô phỏng phổ biến.................................................................44
3.2.2. Network simulator 2 (NS-2) ............................................................................45
3.3. Xây dựng các kịch bản mô phỏng .......................................................................46
3.3.1. Một số tham số chung cho các kịch bản ..........................................................46
3.3.2. Flooding xác suất trong điều kiện mạng lý tưởng ...........................................47
3.3.3. Flooding xác suất trong điều kiện mạng thực tế ..............................................47
3.3.4. Cài đặt kỹ thuật flooding theo xác suất trong NS-2.........................................48
3.4. Kết quả mô phỏng và đánh giá ............................................................................49
3.4.1. Một số cấu hình chung khi mô phỏng .............................................................49
3.4.2. Kết quả đầu ra của mô phỏng ..........................................................................49
3.4.3. Kết quả mô phỏng trong điều kiện lý tưởng ....................................................50
3.4.4. Kết quả mô phỏng trong điều kiện mạng thực ................................................52
3.5. Kết luận chƣơng....................................................................................................56
KẾT LUẬN ..................................................................................................................57

DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................58

TIEU LUAN MOI download :


DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
AODV

Ad hoc On-demand Distance Vector

CDMA
Code Division Multiple Access
CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access with
Collision Avoidance

Vectơ khoảng cách theo yêu cầu
trong mạng ad hoc
Đa truy cập phân chia mã
Đa truy cập sóng mang với khả
năng tránh đụng độ

DARPA

Defense Advanced Research Projects Cơ quan quản lý các dự án cao
Agency
cấp Bộ Quốc phòng Mỹ

DSDV

Destination-Sequence Distance

Vectơ khoảng cách theo trình tự

Vector

đích

GPS
MANET
MSC
OLSR

Global System for Mobile
Communications
Global Positioning System
Mobile Adhoc Network
Mobile switching centre
Optimized Link State Routing

OSI

Open Systems Interconnection

Hệ thống liên lạc di động toàn
cầu
Hệ thống định vị toàn cầu
Mạng ad hoc không dây di động
Trung tâm chuyển mạch
Định tuyến trạng thái kết nối tối
ưu

Mơ hình liên kết các hệ thống mở

PAN
PSTN

Personal Area Network
Public switched telephone network

RTS/CTS
TDMA
UAV
UGV
WLAN
WMAN
WNIC

Request To Send/Clear To Send
Time Division Multiple Access
Unmanned Airbone Vehicles
Unmanned Ground Vehicles
Wireless Local Area Network
Wireless Metropolian Area Network
Wireless Network Interface Card

Mạng cá nhân
Mạng điện thoại chuyển mạch
công cộng
Yêu cầu gửi/Làm sạch để gửi
Đa truy cập phân chia thời gian
Thiết bị tự trị trên không

Thiết bị tự trị mặt đất
Mạng không dây cục bộ
Mạng không dây thành phố
Cạc giao diện mạng không dây

WPAN

Wireless Personal Area Network

Mạng không dây cá nhân

GSM

TIEU LUAN MOI download :


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1. Hai mơ hình broadcast tối ưu trong MANET. Mỗi gạch nối biểu cho một liên
kết giữa 2 nút. Nút trắng là nút nguồn, nút xám là nút broadcast lại. ..............31
Hình 2. Vùng hưởng lợi từ broadcast lại: A gửi một thông điệp broadcast và B quyết
định xem có nên broadcast lại khơng. ..............................................................31
Hình 3. Bốn cụm B, C, F và J với ba hoặc bốn nút gateway.........................................34
Hình 4. Chuyển pha. ......................................................................................................38
Hình 5. Thẩm thấu khung (các cạnh mở được tơ đậm) .................................................39
Hình 6. Thẩm thấu khối (các ơ mở được tơ đen)...........................................................39
Hình 7. Đồ thị con GB ....................................................................................................40
Hình 8. Mơ hình lưới vng (square grid model) .........................................................41
Hình 9. Mơ hình bán kính cố định (fixed radius model) ...............................................41
Hình 10. Tỷ lệ sử dụng một số cơng cụ mơ phỏng [11] ................................................44
Hình 11. Mạng khơng dây với điều kiện lý tưởng. Số lượng hàng xóm của mỗi node

lần lượt là 4 và 8. ..............................................................................................51
Hình 12. Mạng thực: tỷ lệ thành công với 9 và 25 node, phạm vi truyền sóng 100m. 53
Hình 13. Mạng thực: tỷ lệ thành công với 25 và 100 node (với 100 node thì thử với tần
suất phát tin là 5pkt/s và 8pkt/s), phạm vi truyền sóng 250m. .........................54

TIEU LUAN MOI download :


CHƢƠNG MỞ ĐẦU
Lĩnh vực mạng không dây đang phát triển với tốc độ rất cao, đặc biệt là trong
vòng một thập kỷ gần đây. Sự phát triển nhanh chóng của các ứng dụng khơng dây
cũng như tính năng của các thiết bị ngày càng được nâng cao và giá thành thấp đã làm
cho chúng ngày càng đóng một vai trị quan trọng trong cuộc sống của chúng ta. Ngày
nay chúng ta có thể thấy sự hiện diện của các thiết bị di động ở khắp mọi nơi như máy
tính xách tay, PDA, điện thoại di động… Rất nhiều ứng dụng và dịch vụ dành cho các
thiết bị không dây đã và đang được phát triển và sử dụng. Người dùng có thể sử dụng
các thiết bị khơng dây và các dịch vụ kết nối mạng tương ứng để thực hiện những công
việc mà trước đây không thể làm được với các mạng hữu tuyến như vừa đi mua hàng,
vừa duyệt web để so sánh giá cả; đọc email trong khi đang đi trên xe buýt hay có thể
theo dõi tiến độ của dự án thông qua Internet trong khi đang ngồi ở quán cafe… Các
kỹ thuật mạng không dây vẫn khơng ngừng được cải tiến để có thể đáp ứng tốt hơn
yêu cầu của người dùng.
Nếu dựa vào kiến trúc của mạng, chúng ta có thể phân chia mạng khơng dây
thành hai loại: mạng không dây dựa trên cơ sở hạ tầng cố định và mạng adhoc. Loại
thứ nhất là loại mạng khơng dây có cấu tạo dựa trên một số các nút và các gateway của
mạng cố định hữu tuyến (các thiết bị không dây liên lạc với nhau và kết nối Internet
thông qua một Access point chẳng hạn). Trong khi đó, mạng khơng dây đi động ad hoc
có thể hiểu là một mạng được thiết lập trong trường hợp đặc biệt khi mà các thiết bị di
động cần các ứng dụng mạng để hoạt động trong khi cơ sở hạ tầng mạng cố định
khơng có sẵn hoặc khơng được sử dụng. Các nút trong mạng ad hoc là bình đẳng và

liên lạc với nhau thơng qua những nút trung gian khác trong mạng.
Trong thời gian gần đây, công nghệ mạng ad hoc đang được quan tâm một cách
đặc biệt vì vai trị quan trọng của nó trong những nhu cầu ứng dụng mới như thiết lập
liên lạc giữa các thiết bị agent tự trị trong quân đội, thiết lập nhóm làm việc qua mạng
trong bãi hoạt động ngoại khoá của các trường học hay như việc liên lạc hỗ trợ nhau
giữa các xe hơi trên đường phố…
Một trong những vấn đề đầu tiên gặp phải khi triển khai những ứng dụng của
mạng ad hoc là việc mạng phải có khả năng tự cấu hình khi mà các node trong mạng
được chuyển động tự do. Các node trong mạng phải tự động cập nhật bảng định tuyến
của mình một cách thường xuyên để có thể giữ được liên lạc với các node khác trong
mạng. Do tính di động của các node nên hình trạng của các mạng khơng dây ad hoc là
khơng cố định. Chính vì lý do đó, hầu hết các thuật toán định tuyến hiện nay đều sử

TIEU LUAN MOI download :


dụng kỹ thuật flooding để làm công việc lấy thông tin về các tuyến đường vì kỹ thuật
này khơng địi hỏi phải biết được hình trạng của mạng. Tư tưởng của kỹ thuật này là
node gốc thực hiện việc broadcast các gói tin đến các node hàng xóm của nó. Đến lượt
mình, các node này lại chuyến tiếp các gói tin đó đến các node hàng xóm khác cho đến
khi mọi node trong mạng đều nhận được gói tin này. Một nhược điểm có thể nhìn thấy
ngay đó là một node có thể nhận được nhiều gói tin giống nhau trong quá trình
flooding. Vấn đề là ở chỗ, khi mà băng thông của kênh liên lạc không dây là rất hạn
chế và số lượng của các node trong mạng là lớn thì việc có nhiều gói tin giống nhau
như vậy sẽ làm lãng phí một lượng lớn băng thơng và tài nguyên của các node trong
mạng. Điều này dẫn đến nhu cầu cần phải có các biện pháp cải tiến nhằm giảm thiểu
được sự dư thừa, lãng phí này.
Một trong những giải pháp cải tiến kỹ thuật flooding chính là cách tiếp cận xác
suất đối với broadcast. Thay vì việc chuyển tiếp mọi gói tin đến mình, mỗi node sẽ chỉ
chuyển tiếp gói tin theo một xác suất nào đó. Như vậy, khơng phải node nào cũng

chuyển tiếp gói tin đến các node hàng xóm của nó nhưng gói tin broadcast của node
nguồn vẫn sẽ đến được tất cả các node trong mạng. Khi mà số lượng các node
broadcast lại gói tin giảm đi thì rõ ràng số lượng gói tin dư thừa sinh ra trong quát
trình flooding sẽ được giảm thiểu.
Đây là một giải pháp tốt và hiệu quả cho vấn đề giảm tải băng thông của mạng
adhoc. Việc tìm ra xác suất phù hợp với từng mơ hình mạng và các tham số điều chỉnh
liên quan có ý nghĩa hết sức quan trọng trong việc đưa các ứng dụng mạng ad hoc vào
cuộc sống hàng ngày. Công việc tìm hiểu, nghiên cứu và thực thi giải pháp này là thiết
thực và cần có sự đầu tư nghiên cứu lâu dài. Ở nước ta, hiện tại các cơng trình nghiên
cứu về mạng di động không dây ad hoc là chưa nhiều và kết quả thu được còn hạn chế.
Hiện nay, việc nghiên cứu những thuật toán, giao thức trên các mạng ad hoc
không dây di động thực gặp rất nhiều khó khăn bởi khả năng thiết lập được những
mạng này địi hỏi nhiều cơng sức và tài chính. Do vậy, hầu hết các nghiên cứu này đều
được thực hiện dựa trên các công cụ mô phỏng. Nhiều công cụ mơ phỏng với tính
chính xác cao đã được xây dựng và được đông đảo các nhà nghiên cứu sử dụng, các
kết quả đạt được thông qua mô phỏng trên các cơng cụ này đã được đăng trên nhiều
tạp chí khoa học lớn và có uy tín trên thế giới. Tuy nhiên, do sự phát triển ngày càng
hoàn thiện của các công cụ mô phỏng nên các kết quả nghiên cứu vẫn cần phải được
kiểm nghiệm lại một cách cẩn trọng hơn.

TIEU LUAN MOI download :


Luận văn “Broadcast xác suất cho kỹ thuật flooding trong mạng MANET” đi
vào nghiên cứu một trong những cải tiến ở mức thấp của các thuật toán định tuyến –
kỹ thuật flooding theo xác suất - nhằm đưa ra được kết luận về tính khả thi của kỹ
thuật cải tiến này trong việc góp phần cải thiện hiệu suất của hoạt động mạng. Việc
triển khai thử nghiệm kỹ thuật này trong luận văn, khơng nằm ngồi xu hướng nghiên
cứu chung, cũng đã được thực hiện dựa trên công cụ mô phỏng tin cậy và đã cho một
số kết quả khá tốt.

Về bố cục, nội dung của luận văn bao gồm 4 chương:
Chương mở đầu. Giới thiệu mục đích của luận văn, phương pháp nghiên cứu và
cách thức triển khai thử nghiệm.
Chương 1. Trình bày tổng quan về mạng khơng dây: lịch sử phát triển, phân
loại, khái niệm mạng MANET và các đặc trưng, ...
Chương 2. Trình bày về broadcast trong mạng MANET, kỹ thuật flooding và
một số cải tiến, nghiên cứu một số lý thuyết liên quan đến kỹ thuật flooding theo xác
suất...
Chương 3. Đề xuất một số mơ hình thử nghiệm kỹ thuật flooding xác suất trong
mạng MANET dựa trên phần mềm mô phỏng NS-2, triển khai mô phỏng và đánh giá
các kết quả đạt được.
Phần kết luận nêu tóm tắt các vấn đề đã trình trong các chương, đánh giá các
kết quả đã đạt được và chưa đạt được, đồng thời đưa ra các định hướng nghiên cứu,
phát triển tiếp theo.
Ngồi bốn chương chính và phần kết luận, luận văn cịn có thêm phần các danh
mục là danh mục các từ viết tắt, danh mục hình vẽ và danh mục các tài liệu tham khảo
để thuận tiện cho việc đọc và tìm hiểu nội dung của luận văn.

TIEU LUAN MOI download :


CHƢƠNG I
MẠNG AD HOC KHÔNG DÂY DI ĐỘNG
1.1. Giới thiệu chung
1.1.1. Lịch sử phát triển và phân loại mạng không dây
Nửa sau của thế kỷ XX đã chứng kiến những chuyển biến lớn trong lĩnh vực
liên lạc điện tử, bao gồm sự xuất hiện của các mạng dữ liệu gói, sự phát triển của các
mạng cục bộ tốc độ cao và đặc biệt là sự phát triển của các mạng truyền thơng khơng
dây di động với điển hình là mạng điện thoại di động và các hệ thống liên lạc vệ tinh.
Trong vịng một thập kỷ gần đây, các cơng nghệ mạng không dây kể trên đã đi vào và

trở thành một phần không thể thiếu của cuộc sống hiện đại. Lĩnh vực mạng không dây
vẫn đang phát triển với tốc độ cao với nhiều ứng dụng mới được ra đời.
Hiện nay, hầu hết các kết nối giữa các thiết bị không dây đều phải thông qua
các nhà cung cấp với hạ tầng cơ sở dịch vụ mạng cố định. Hai ví dụ thường gặp là các
máy điện thoại di động kết nối với nhau thông qua các trạm phát sóng của các nhà
cung cấp dịch vụ; và các máy tính xách tay kết nối Internet thơng qua một access
point… Việc thiết lập các kết nối mạng không dây thông qua một cơ sở hạ tầng mạng
cố định là cách mà chúng ta vẫn hay làm hiện nay, tuy nhiên thời gian cũng như giá
thành để cài đặt một mạng như vậy lại khơng hề nhỏ. Ngồi ra, khơng phải trong điều
kiện nào chúng ta cũng có thể cài đặt một hạ tầng cơ sở mạng cố định được, thậm chí
là khơng thể cài đặt hoặc khơng thể cài đặt kịp. Chúng ta có thể kể ra ở đây một số ví
dụ như việc thiết lập một mạng truyền video trên chiến trường; khi cứu hộ thiên tai cần
phải có một mạng dùng để xác định vị trí của người cứu hộ; hoặc thậm chí là phải thiết
kế một mạng khơng dây bởi vì giá thành thiết kế một mạng cố định là quá cao so với
năng lực tài chính của chủ đầu tư… Để có thể thực hiện được việc cung cấp kết nối
mạng và các dịch vụ tương ứng trong những tình huống như vậy, cần phải có một
mạng kiểu ad hoc di động.
Khái niệm “mạng di động ad hoc” (MANET) có thể hiểu là một mạng được
thiết lập trong trường hợp đặc biệt khi mà các thiết bị tính tốn di động cần các ứng
dụng mạng để hoạt động trong khi cơ sở hạ tầng mạng cố định khơng có sẵn hoặc
khơng được phép sử dụng. Thơng thường, mạng sẽ chỉ tồn tại trong một thời gian ngắn
và chỉ phục vụ cho một công việc cụ thể. Mạng phải có khả năng tự cấu hình để có thể
tương thích được với tính di động của các thiết bị, sự thay đổi liên tục của môi trường
cũng như mục đích sử dụng của mạng [28].

TIEU LUAN MOI download :


Từ những đặc điểm như vậy, thực tế đặt ra cần phải có những yêu cầu thiết kế
mới cho mạng ad hoc. Yêu cầu đầu tiên chính là mạng phải có khả năng tự cấu hình về

địa chỉ cũng như về định tuyến. Sự liên lạc và truyền dữ liệu giữa những người dùng
của mạng ad hoc phải luôn được đảm bảo trong suốt quá trình tồn tại của mạng. Ngồi
ra, một số dịch vụ dựa trên vị trí trước đây chưa từng có trong các mạng hữu tuyến
cũng cần phải được quan tâm nghiên cứu để có thể hỗ trợ được tính di động của mạng.
Những năm gần đây, với sự hỗ trợ của các tiến bộ về công nghệ, hàng loạt các
nghiên cứu để giải quyết các vấn đề trên đã được tiến hành. Tất cả các nghiên cứu này
đều tập trung quanh việc xây dựng các thiết bị di động sao cho chúng có thể liên lạc
được với nhau trong phạm vi truyền tín hiệu của mình và có khả năng tự động cấu
hình, qua đó thiết lập một mạng ad hoc di động với đầy đủ tính linh động và hiệu quả.
Theo cách này, khơng những các nút di động có thể liên lạc được với nhau, mà cịn có
thể nhận được các dịch vụ Internet thơng qua một nút với vai trị Internet gateway. Khi
mà mạng khơng dây ngày càng phát triển thì tính năng ad hoc ngày càng trở nên quan
trọng và yêu cầu phải có các giải pháp cơng nghệ cũng như các nghiên cứu chuyên sâu
để hỗ trợ tính năng này càng trở nên cấp thiết.
1.1.1.1. Các đặc trƣng của truyền thông khơng dây
Hoạt động mạng khơng dây nói chung thường được hiểu là sử dụng các tín hiệu
hồng ngoại hoặc sóng radio để chia sẻ thông tin và tài nguyên giữa các thiết bị. Do cấu
tạo khác biệt ở tầng vật lý của các thiết bị mạng không dây, chúng ta có thể đưa ra một
số đặc trưng chủ yếu của truyền thông không dây như sau [5]:


Khả năng bị nhiễu cao dẫn đến tính tin cậy thấp: các tín hiệu hồng ngoại
rất dễ bị nhiễu bởi tác động của các nguồn nhiệt và ánh sáng mặt trời;
trong khi các tín hiệu radio thường bị ảnh hưởng bởi các thiết bị điện khác
ở gần.



Tốc độ truyền dữ liệu thường thấp hơn nhiều so với mạng hữu tuyến, dẫn
đến chất lượng dịch vụ giảm, thời gian cài đặt hệ thống tăng lên và độ trễ

lớn.



Các nút có tính di động nên hình trạng mạng (topology) luôn thay đổi.



Các thiết bị di động thường nhỏ gọn và phải dùng pin để có thể hỗ trợ
được khả năng di động. Chính vì vậy kích thước ổ đĩa, bộ nhớ cũng như
khả năng tính tốn giảm.

TIEU LUAN MOI download :




Tùy thuộc vào thiết bị, khoảng cách và điều kiện của mạng mà việc cài đặt
dịch vụ cho các mạng khơng dây gặp nhiều khó khăn và hạn chế hơn so
với các mạng hữu tuyến.



Trong phạm vi của mạng không dây, mọi thiết bị đều có thể bắt được tín
hiệu radio của mạng. Vì vậy, việc thực thi các chính sách an ninh đối với
mạng khơng dây là rất khó và các hacker có thể dễ dàng tấn cơng hơn.

1.1.1.2. Phân loại các mạng không dây
Hiện nay đang tồn tại khá nhiều kiểu mạng khơng dây. Có nhiều tiêu chí để
phân loại các mạng này, điển hình là các phân loại dựa trên cấu tạo và kiến trúc mạng,

phân loại dựa trên khả năng phủ sóng truyền thơng, phân loại dựa trên công nghệ truy
cập và phân loại dựa trên ứng dụng của mạng [5].
Phân loại dựa trên cấu tạo và kiến trúc mạng:


Mạng không dây dựa trên cơ sở hạ tầng cố định: loại mạng này có cấu tạo
dựa trên một số các nút và các gateway của mạng cố định và hữu tuyến.
Các dịch vụ của mạng được triển khai thông qua các nút và gateway cố
định này. Điển hình của loại mạng này là mạng điện thoại di động. Mạng
này được xây dựng dựa trên các bộ chuyển mạch xương sống của mạng
PSTN (Public switched telephone network), các MSC (Mobile switching
centre), các trạm phát sóng và các host di động. Mỗi nút có một vai trị
riêng trong mạng và việc thiết lập các kết nối giữa các nút phải tuân theo
một trình tự khá chặt chẽ.



Mạng ad hoc di động (MANET): mạng này được tạo ra một cách ngẫu
nhiên thông qua sự phối hợp của một tập các nút độc lập với nhau. Giữa
các nút khơng có sự phân chia rõ vai trò của chúng trong mạng mà thay
vào đó, mỗi nút có thể tự đưa ra quyết định tính tốn của riêng mình dựa
vào tình trạng hiện tại của mạng chứ không dựa vào cơ sở hạ tầng mạng đã
có. Trong mạng ad hoc, các nút đều có chức năng của một router và phải
tham dự vào quá trình phát hiện và duy trì định tuyến giữa các nút.

Phân loại dựa trên vùng phủ sóng:


Wireless Wide Area Networks (WAN không dây): đây là mạng hoạt động
dựa trên cơ sở hạ tầng mạng cố định như các MSC và các trạm cố định.

Các kết nối có thể được thiết lập giữa nhiều khu vực địa lý rộng lớn như
các thành phố và thậm chí là các quốc gia thơng qua các trạm phát sóng và

TIEU LUAN MOI download :


các hệ thống về tinh được đảm bảo bởi các nhà cung cấp dịch vụ không
dây. Mạng điện thoại đi động GSM là một mạng như vậy.


Wireless Metropolian Area Networks (MAN không dây): mạng này đôi
khi cũng được coi là mạng không dây cố định. Mạng này cho phép thiết
lập các kết nối băng thơng rộng giữa các vị trí trong một thành phố với giá
thành rẻ hơn nhiều so với việc đi cáp quang hoặc các đường lease line.
Ngoài ra, người ta còn thường dùng mạng này để dự phòng trong trường
hợp mạng hữu tuyến gặp sự cố.



Wireless Local Area Networks (LAN không dây): mạng cục bộ không dây
cho phép người dùng thiết lập các kết nối không dây cục bộ, thường là
trong sân bay, trong một công sở hay một văn phịng… Mạng LAN khơng
dây cung cấp một hệ thống truyền thông linh hoạt dùng cho các công việc
nhóm tạm thời, những khu vực yêu cầu dùng mạng nhưng không cho phép
đi dây cáp hoặc dùng để bổ sung thêm chức năng có thể truy cập mạng ở
mọi nơi cho mạng LAN đã có. Mạng cục bộ khơng dây có thể hoạt động
theo hai chế độ: dựa trên hạ tầng cố định hoặc ad hoc. Trong chế độ hoạt
động dựa trên hạ tầng cố định, các nút trong mạng kết nối đến các access
point đóng vai trị như các cầu nối giữa các nút và backbone của mạng
hiện tại. Trong chế độ ad hoc, các nút liên kết với nhau trong một khu vực

nhỏ tạo thành một mạng mà khơng cần phải có access point.

Phân loại dựa trên công nghệ truy cập:


Mạng GSM



Mạng TDMA



Mạng CDMA



Mạng vệ tinh



Mạng wi-fi



Mạng Hiperlan2



Mạng Bluetooth



Mạng hồng ngoại

Phân loại dựa trên ứng dụng của mạng:


Mạng doanh nghiệp



Mạng gia đình



Mạng “chiến thuật”

TIEU LUAN MOI download :




Mạng sensor



Mạng lan tỏa



Mạng các thiết bị tự động

1.1.2. Đặc điểm và ứng dụng của MANET
1.1.2.1. Đặc điểm của MANET
MANET, như đã được nói ở phần trước, là một loại mạng khơng dây nên nó
được thừa hưởng hầu hết các đặc điểm phổ biến của loại mạng này. Ngoài ra, mạng
MANET cũng có một số đặc điểm riêng mình, phản ánh bản chất đặc thù của mạng.
Chúng ta có thể xem xét một số đặc điểm nổi bật của mạng MANET như sau [29]:


Không dây (wireless): các node liên lạc với nhau thơng qua sóng radio
hoặc tia hồng ngoại. Mỗi loại mạng (WPAN, WLAN, WMAN…) đều có
các cơng nghệ khơng dây riêng của mình. Các cơng nghệ phổ biến hiện
này là công nghệ Bluetooth dùng cho WPAN, IEEE 802.11a/b/g dùng cho
WLAN, IEEE 802.16e dùng cho WMAN…



Đa bước truyền (Multihopping): mạng đa bước truyền là một mạng mà
đường đi của gói tin từ nút nguồn đến nút đích sẽ phải qua nhiều nút trung
gian khác. Trong mạng ad hoc, cá nút đều hoạt động như một router và có
thể chuyến tiếp gói tin của các nút khác nhằm đảm bảo được việc chia sẻ
thông tin giữa các nút vốn luôn di động trong mạng. Như vậy, mạng ad
hoc không cần thiết phải có các router thực sự.



Tự tổ chức (self-organzation): các mạng ad hoc phải tự xác định cấu hình
của mình dựa trên các tham số như đánh địa chỉ, định tuyến, phân cụm,

khả năng xác định vị trí, điều khiển năng lượng… Trong một số trường
hợp, một số nút (các nút xương sống) có thể phối hợp chuyển động với
nhau và phân bố động sao cho có thể phủ sóng được những vị trí đã bị đứt
liên lạc.



Bảo tồn năng lượng (energy conservation): hầu hết các nút trong mạng ad
hoc (laptop, PDA, sensor…) đều rất hạn chế về năng lượng và hầu như
khơng có khả năng tự nạp năng lượng. Do vậy, việc xây dựng các giao
thức (MAC, định tuyến, xác định tài ngun…) có tính đến tiết kiệm năng
lượng được coi là một tiêu chuẩn thiết kế của MANET.



Khả năng mở rộng (scalability): trong một số ứng dụng, mạng ad hoc có
thể phát triển lên đến hàng nghìn nút mạng. Đối với các mạng không dây

TIEU LUAN MOI download :


dựa trên cơ sở hạ tầng mạng cố định thì khả năng mở rộng có thể được xử
lý một cách đơn giản bằng việc sử dụng một kiến trúc phân cấp. Ngồi ra,
hạn chế về tính di động của loại mạng này cũng có thể được xử lý một
cách dễ dàng thông qua các kỹ thuật Mobile IP hoặc “local hanhoff”. Tuy
nhiên, đối với mạng ad hoc thì khác. Do tính di động của các nút là cao
hơn cũng như khả năng trợ giúp mạng bởi các thiết bị cố định là thấp nên
loại mạng này không thể áp dụng được kỹ thuật mobile IP và không thể
dựa vào một cấu trúc phân cấp cố định để giải quyết vấn đề. Do vậy, khả
năng mở rộng đi đơi với tính di động cao cũng là một trong các tiêu chuẩn

quan trọng trong thiết kế một mạng ad hoc.


Tính di động (mobility): các nút trong mạng ad hoc thường xuyên thay đổi
vị trí của mình trong khi vẫn liên lạc với các nút khác ở trong mạng. Sự
chuyển động như vậy của các nút làm cho hình trạng của mạng ln ln
thay đổi. Vì vậy, mơ hình mạng có tính di dộng có ảnh hưởng rất lớn đến
việc chọn các giản đồ định tuyến thích hợp và qua đó cũng ảnh hưởng tới
hiệu năng hoạt động của mạng.



An ninh (security): an ninh cho mạng không dây luôn là vấn đề nổi cộm.
Rất nhiều giải pháp an ninh dành cho mạng không dây đã được mở rộng
sang lĩnh vực ad hoc. Tuy nhiên, so với mạng không dây cố định, mạng ad
hoc thậm chí cịn dễ bị tấn cơng hơn. Cả tấn công chủ động và bị động
(active and passive attacks) đề có thể dễ dàng thực hiện. Một kẻ tấn cơng
chủ động thường có xu hướng phá hỏng các tác vụ như giả làm một nút
hợp pháp để chặn điều khiển và các gói tin dữ liệu, sau đó đưa ra các gói
dữ liệu giả, phá huỷ bảng định tuyến và cuối cùng là gây ra các tấn công từ
chối dịch vụ… Chính sự phức tạp của các giao thức mạng ad hoc khiến
cho việc dị tìm và xử lý các cuộc tấn cơng chủ động khó hơn nhiều so với
mạng không dây cố định. Ngược lại, các tấn công bị động chỉ thực hiện
được bên trong mạng ad hoc. Mạng không thể phát hiện được kẻ tấn công
bị động. Các thông tin truyền đi trong mạng bị chúng giám sát và sau đó
các thơng tin nhạy cảm được truyền lại cho phía kẻ tấn cơng ở một nơi nào
đó bằng một số kênh truyền thơng đặc biệt, thường là có năng lượng thấp
và rất khó để phát hiện ra. Để có thể chống lại được kiểu tấn cơng bị động
này, cần phải có các kỹ thuật mã hố mạnh và thiết kế mạng phải hết sức
cẩn thận.

TIEU LUAN MOI download :




Khả năng tự trị của các nút: tất cả các nút trong mạng hoạt động độc lập
với nhau và làm việc ở chế độ peer-to-peer. Mỗi nút tự tìm cách tạo ra dữ
liệu cho mình để có thể hoạt động được ở trong mạng.

1.1.2.2. Các ứng dụng của MANET
Việc khai thác tiềm năng của mạng ad hoc đã có từ khá lâu, ngay sau khi triển
khai thành công mạng Arpanet và khi giới quân sự phát hiện ra khả năng của chuyển
mạch gói khơng dây vào những năm 1970. Tuy nhiên, tiến trình phát triển ứng dụng
của mạng ad hoc thực sự rất chậm chạp vì một lý do, đó là những ứng dụng ban đầu
của nó khơng dành cho người dùng phổ thông. Các ứng dụng của mạng ad hoc lúc đó
tập trung vào giải quyết các vấn đề như liên lạc trong chiến trường, cứu hộ hoặc thám
hiểm…
Hiện nay, một khái niệm ứng dụng mới đã nổi lên, giúp cho các ứng dụng của
mạng ad hoc thâm nhập sang lĩnh vực các ứng dụng thương mại, đó chính là khái niệm
“opputinistic adhoc networking”. Mạng ad hoc có khả năng mở rộng các mạng gia
đình và các mạng nhà trường thành các mạng có khu vực phủ sóng lớn hơn; hoặc kết
nối các khu vực khác nhau cần kết nỗi Internet khi mà hạ tầng mạng bị chia cắt bởi
một lý do nào đó.
Dưới đây xin giới thiệu hai ứng dụng phổ biến nhất của mạng ad hoc đó là
mạng chiến trường (battlefield) và mạng Campus và ngoại ô [29].
Mạng chiến trường
Trong các hoạt động quân sự tương lai, những agent tự trị như Unmanned
Ground Vehicles (UGV) và Unmanned Airbone Vehicles sẽ là những công cụ hàng
đầu cho các hoạt động tình báo, giám sát, tấn cơng, tên lửa đánh chặn, đánh giá thiệt

hại, tìm kiếm cứu nạn và các hoạt động chiến lược khác. Thông thường, các agent này
sẽ được nhóm lại thành từng đội ở mặt đất, trên biển hoặc trên khơng để có thể thực
hiện được những nhiệm vụ phức tạp cần sự phối hợp của nhiều nhóm trên. Một trong
những yêu cầu quan trọng để có thể hồn thành nhiệm vụ đó chính là sự liên lạc giữa
các thành viên của đội, giữa các đội với nhau và với thiết bị chỉ huy phải thực sự hiệu
quả, tin cậy và có độ trễ thấp. Do tính chất đặc thù của cơng việc, các agent ln ln
thay đổi vị trí và do đó cấu hình của mạng truyền thông giữa các agent và các đội cũng
bị thay đổi theo. Khả năng tự cấu hình của các agent phải được thiết kế thật tốt để có
thể giải quyết được vấn đề này.
Đối với những hệ thống các agent tự trị lớn và phức tạp, như các mạng được
thiết kế để có thể nắm được tồn cảnh chiến trường, giám sát vị trí quân định hay vị trí

TIEU LUAN MOI download :


của thảm hoạ hạt nhân, sẽ có rất nhiều nhiệm vụ nhỏ được thực hiện trong một nhiệm
vụ chung nhất. Trong trường hợp một hệ thống lớn như vậy, các liên lạc không dây ở
chế độ ad hoc sẽ được hỗ trợ bởi hạ tầng mạng toàn cục (“Internet trên bầu trời”).
Mạng tồn cục này thực tế khơng liên quan gì đến bản thân nhiệm vụ, nhưng nó có khả
năng sử dụng rất nhiều tài vật của nhiệm vụ (các agent mặt đất, trên biển hay trên trời)
để duy trì được các kết nối multihop. Để phát triển được kỹ thuật “Internet trên bầu
trời” cần có ba cơng nghệ sau:


Kết nối khơng dây mạnh và hoạt động mạng có tính động cao của các
agent và thiết bị tự trị.



Các agent thông minh, bao gồm: mã di động, cơ sở dữ liệu và thư viện

phân tán, các router thông minh, các giao thức điều khiển, các dịch vụ di
động …



Tổ chức dựa trên agent phân cấp không tập trung.

Mạng Campus và ngoại ô
Hai ứng dụng mạng không dây mới nổi lên sẽ dần đi vào cuộc sống hàng ngày
của người dân sẽ được đề cập đến ở đây là ứng dụng liên lạc giữa các phương tiện giao
thông trong môi trường ngoại ô và hoạt động mạng du cư Campus (Campus nomadic
networking).
Hiện nay, hầu hết các xe hơi đều có thể nối mạng điện thoại. Tuy nhiên, với các
công nghệ không dây mới, hàng loạt các ứng dụng mới đã được ra đời. Bên trong xe
hơi, liên lạc không dây khoảng cách ngắn (dùng công nghệ PAN chẳng hạn) sẽ giám
sát và điều khiển các thành phần máy móc của xe. Một ứng dụng khác là khả năng liên
lạc giữa các xe với nhau trên cùng đường đi. Các xe có thể thơng báo cho nhau về tình
trạng đường, cộng tác để tìm đường, chơi game video qua mạng và nhiều tương tác
peer-to-peer khác. Các ứng dụng trên có thể được thực hiện bằng một mạng không dây
multihop “cơ hội” (oppotunistic) được tạo ra giữa các xe. Kiểu mạng ad hoc này sẽ
giúp làm giảm tải cho hạ tầng mạng không dây cố định ( các mạng 3G và hotspot) và
cũng có thể dùng làm mạng dự phịng trong trường hợp cơ sở hạ tầng mạng cố định bị
hỏng.
Một ứng dụng khá hay nữa là mạng Campus, là mạng được thiết lập trong một
vùng tương đối rộng như công viên, khu bãi công nghiệp, các phố buôn… Hiện nay,
hầu hết các Campus đều được trang bị access point để cung cấp kết nối Internet cho
các thiết bị di động. Tuy nhiên, access point có hạn chế là vùng phủ sóng có giới hạn.
Do đó, khơng phải vị trí nào trong Campus cũng có thể có được liên lạc với access
point. Cách giải quyết tốt nhất là các thiết bị di động sẽ tự động tìm và kết nối tới dịch

TIEU LUAN MOI download :


vụ đang hoạt động nào tốt nhất. Ngoài ra, nhu cầu của người dùng khơng chỉ dừng lại
ở đây. Ví dụ các sinh viên sẽ có nhu cầu kết nối với nhau thành những nhóm để có thể
trao đổi tài liệu học tập, những người khác có thể chơi game, hoặc chia sẻ những nội
dung cá nhân khác… Các công nghệ PAN mới như Bluetooth và IEEE 802.15 có thể
được sử dụng để giải quyết các yêu cầu trên của người dùng. Hoạt động mạng ad hoc
“cơ hội” đã trở thành một phương pháp hiệu quả để mở rộng diện phủ sóng của các
access point.

1.2. Một số vấn đề nổi bật của mạng adhoc di động
1.2.1. Điều khiển hình trạng mạng
1.2.1.1. Giới thiệu
Trong mạng MANET, các nút là các thiết bị di động hoạt động chủ yếu bằng
pin và thường có bộ nhớ nhỏ. Các thiết bị này liên lạc với nhau (thường là) thơng qua
các tín hiệu radio. Mỗi nút do điều kiện về năng lượng cũng như công nghệ của mình
đều chỉ có thể có một phạm vi phủ sóng nhất định. Các tín hiệu được phát ra bởi một
nút có thể được thu nhận bởi các nút phụ cận nó (nằm trong phạm vi phủ sóng). Một
nút u muốn gửi một thơng điệp đến nút v thì có thể thực hiện theo 2 cách. Thứ nhất,
nếu nút v nằm trong diện phủ sóng của nút u thì u có thể truyền gói tin trực tiếp đến
nút v. Cách thứ hai là nút u có thể dùng các nút trung gian để chuyển tiếp gói tin đến
nút v.
Như đã biết ở trên, một trong các đặc điểm của mạng MANET là tính di động
cao của các nút trong mạng. Một nút ở thời điểm này có thể đang nằm trong phạm vi
có thể nhận tín hiệu của nút khác, nhưng ở thời điểm khác có thể đã di chuyển ra ngồi
phạm vi đó. Ngồi ra, bản thân các nút có thể điều chỉnh phạm vi phủ sóng của mình
hoặc tự chọn các nút dùng để chuyển tiếp các gói tin, nghĩa là có khả năng chọn các
hàng xóm của mình. Do vậy, các liên kết giữa các nút trong mạng là khơng cố định
khiến cho hình trạng của mạng luôn thay đổi. Việc liên lạc giữa các nút sẽ không thể

theo một tuyến cố định từ khi thiết lập mạng cho đến khi huỷ bỏ mạng được.
Đặc điểm trên của mạng adhoc đã đặt ra yêu cầu phải có các chiến lược điều
khiển hình trạng mạng hiệu quả. Mục đích cơ bản của điều khiển hình trạng mạng
trong mạng ad hoc chính là duy trì được khả năng kết nối mạng, tối ưu hoá thời gian
tồn tại và thơng lượng mạng, qua đó có thể tạo điều kiện cho việc thiết kế một giản đồ
định tuyến hiệu quả trong việc sử dụng năng lượng và bộ nhớ.

TIEU LUAN MOI download :


1.2.1.2. Mơ hình tiếp cận dùng trong điều khiển hình trạng mạng
Để có thể hiểu rõ hơn về điều khiển hình trạng mạng, chúng ta có thể giả sử
một cách đơn giản rằng các nút trong mạng sẽ đứng yên trong một khoảng thời gian
nào đó. Chúng ta lại giả sử rằng bán kính phủ sóng của các nút là như nhau và một liên
kết được thiết lập giữa hai nút nếu như nút này nằm trong vùng phủ sóng của nút kia.
Khi đó, một mạng ad hoc có thể được xem là một đồ thị đĩa đơn vị (unit disk graph).
Như vậy, câu hỏi được đặt ra ở đây là liệu có thể thiết kế một mạng có dạng một đồ thị
con liên thông của một đồ thị đĩa đơn vị sao cho có thể đảm bảo thực hiện được các
mục đích cơ bản của điều khiển hình trạng mạng [28].
Rõ ràng là không phải tất cả các đồ thị con liên thông của đồ thị đĩa đơn vị đều
có vai trị như nhau trong thiết kế mạng. Một trong những yêu cầu có thể thấy ngay đó
là cần phải xây dựng một đồ thị con sao cho đường đi ngắn nhất giữa hai nút bất kỳ
trong mạng con này không lớn hơn đường đi ngắn nhất giữa chúng trong mạng ban
đầu. Một yêu cầu khác không kém phần quan trọng trong điều khiển hình trạng mạng
khơng dây ad hoc đó là khả năng chịu lỗi. Để có thể đảm bảo được điều này, kiến trúc
mạng bên dưới phải thoả mãn là một đồ thị k-liên thông với k>1, nghĩa là, với mỗi cặp
nút trong mạng, có ít nhất k đường dẫn khác nhau kết nối chúng. Nếu chúng ta điều
chỉnh phạm vi phủ sóng có bán kính thật lớn thì dĩ nhiên mạng con sinh ra sẽ thoả mãn
điều kiện trên. Tuy nhiên, khi đó thì khơng thể đảm bảo được vấn đề tiết kiệm năng
lượng để duy trì thời gian sống của các thiết bị khơng dây trong mạng. Do vậy, câu hỏi

được đặt ra là làm thế nào để tìm được một bán kính phủ sóng nhỏ nhất sao cho đồ thị
đĩa đơn vị cảm sinh là k-liên thông [28].
Một vấn đề nữa cần được quan tâm trong điều khiển hình trạng mạng ad hoc,
đó là các thuật toán định tuyến. Các giao thức định tuyến có thể được chia thành hai
loại: các giao thức dựa trên bảng và các giao thức dựa trên yêu cầu. Nói chung, việc
phát hiện tuyến thường tiêu tốn khá nhiều tài nguyên mạng, do đó làm chậm thời gian
phản hồi của mạng. Mặt khác, việc duy trì định tuyến thực sự có thể sẽ rất tốn kém
trong vấn đề liên lạc và bộ nhớ hạn chế của các thiết bị không dây. Rất nhiều giải pháp
định tuyến đã được đưa ra trong thời gian gần đây nhằm giải quyết vấn đề này, trong
đó có một giải pháp phù hợp với trạng thái hình học tự nhiên của mạng ad hoc đa bước
truyền và đang được rất nhiều người quan tâm là giải pháp “các giao thức định tuyến
cục bộ hoá” (localized routing protocols) [28].
Định tuyến cục bộ hố khơng u cầu các nút phải duy trì các bảng định tuyến
cho riêng mình. Đây là một trong những ưu điểm nổi bật của giải pháp này bởi vì nó
rất phù hợp với các nút không dây di động với bộ nhớ nhỏ và năng lượng thấp. Một ưu

TIEU LUAN MOI download :


điểm nữa của giải pháp này là dù hình trạng mạng adhoc có thay đổi bao nhiêu lần đi
nữa thì các bảng định tuyến cũng khơng cần phải được tính lại, từ đó dẫn đến giảm
đáng kể thời gian overhead. Ngoài ra, giải pháp này cũng cung cấp một sự thống nhất
trong hoạt động của các nút trong mạng, nghĩa là tất cả các nút có thể thực thi cùng
một giao thức để quyết định xem nút nào sẽ được chọn để chuyến tiếp gói tin. Tuy
nhiên, để có thể thiết kế được giản đồ định tuyến cục bộ hoá là khơng hề dễ dàng và
thậm chí là việc đảm bảo các gói tin có thể đến được đích cũng là một chuyện khơng
hề đơn giản.
Điều khiển hình trạng mạng là một vấn đề khó trong việc thiết kế và duy trì
mạng ad hoc. Các nhà nghiên cứu đã đưa ra khá nhiều mơ hình để có thể giải quyết
các u cầu của vấn đề trên. Mỗi mơ hình đều có ưu điểm và phạm vi ứng dụng riêng.

Hiện nay, các nghiên cứu cải tiến và các giải pháp mới vẫn đang được tiến hành để có
thể giải quyết triệt để vấn đề này.

1.2.2. Bảo tồn năng lượng
1.2.2.1. Giới thiệu
Như ta đã biết, các nút trong mạng không dây đều là những thiết bị di động như
các laptop, PDA, điện thoại di động… Tất cả các thiết bị này đều hoạt động dựa trên
năng lượng của pin nhiên liệu, do đó thời gian sống của pin đã trở thành vấn đề đặc
biệt quan trọng trong các hoạt động truyền thông giữa các thiết bị khơng dây và tính
tốn di động. Vấn đề này lại càng là một mối quan tâm đặc biệt đối với mạng ad hoc di
động bởi vì các thiết bị di động trong mạng sẽ được triển khai sao cho thời gian sử
dụng pin là lâu nhất với số lần nạp điện là ít nhất (thơng thường là khơng được nạp
lại).
Cơng nghệ sản suất pin trong vịng một thập kỷ gần đây thực sự đã không theo
kịp đươc các tiến bộ đạt được trong công nghệ truyền thơng và tính tốn di động. Khi
mà cơng suất của pin khơng thể tăng một cách đáng kể thì mọi cố gắng trong vấn đề
tiết kiệm năng lượng được đặt vào việc thiết kế các phần mềm và phần cứng. Một thiết
bị di động được cấu tạo bởi rất nhiều phần cứng khác nhau, mỗi thành phần đều tiêu
thụ một phần năng lượng của pin như CPU, màn hình, bộ nhớ, ổ cứng và đặc biệt là
card mạng không dây (WNIC). Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng WNIC có thể tiêu thụ
từ 10%-50% năng lượng của pin, điều này giải thích tại sao một máy notebook sẽ hết
pin nhanh hơn nhiều khi sử dụng một WNIC [31]. Các nhà sản xuất phần cứng luôn
không ngừng cái tiến công nghệ để có thể giảm được năng lượng tiêu thụ trên các
thành phần phần cứng của mình. Vấn đề cịn lại là phải xây dựng được các tiêu chuẩn,

TIEU LUAN MOI download :


các kiến trúc về truyền thơng và tính tốn di động nhằm giảm thiểu hơn nữa việc tiêu
thụ năng lượng của các thiết bị trong mạng ad hoc.

1.2.2.2. Một số hƣớng xây dựng các kỹ thuật duy trì năng lƣợng
Trong mạng không dây, các thiết bị luôn phải cân đối giữa lượng dữ liệu mà
ứng dụng sẽ gửi đi và năng lượng cần thiết để truyền được dữ liệu đó. Các kỹ thuật ở
mức tầng ứng dụng có thể được sử dụng để giảm bớt các dữ liệu thừa được gửi vào
mạng, qua đó sẽ giảm được mức năng lượng tiêu tốn cho việc này. Tuy nhiên, các hoạt
động trao đổi thơng tin diễn ra liên tục trong q trình tồn tại của mạng, nên các dữ
liệu thường xuyên được gửi đi trong mạng. Do vậy, vẫn cần phải áp dụng thêm các kỹ
thuật khác trong truyền thông sao cho năng lượng tiêu thụ của toàn mạng được giảm
thiểu. Để có thể đưa ra được các kỹ thuật phù hợp, trước tiên chúng ta cần phải quan
tâm đến sự tiêu thụ năng lượng ở các tầng của chồng giao thức mạng. Tại tầng mạng,
các giao thức định tuyến thông minh có thể được áp dụng để giảm bớt chi phí phụ trội
(overhead) và đưa ra được các tuyến đường có chi phí năng lượng là nhỏ nhất. Tại
tầng MAC, một số kỹ thuật tiết kiệm năng lượng có thể được áp dụng trong quá trình
truyền và nhận dữ liệu. Một số kỹ thuật thơng minh khác tại tầng này có thể ngừng q
trình truyền thơng của một thiết bị nếu nó ở trạng thái nhàn rỗi [29].
Các hoạt động truyền thông là các hoạt động chủ yếu tiêu thụ năng lượng của
thiết bị trong mạng. Thứ nhất là kiểu truyền thông điểm-điểm (point-to-point) giữa hai
nút, đây là kiểu truyền thông cơ bản trong mạng ad hoc. Tại mỗi nút, việc truyền thông
sẽ tiêu thụ năng lượng theo hai phần. Đầu tiên chính là năng lượng bị tiêu thụ khi mà
thiết bị khơng dây được kích hoạt hoặc ở trạng thái nhàn rỗi. Phần thứ hai là hoạt động
truyền một gói tin từ nút này đến nút kia sẽ tiêu thụ năng lượng của cả nút gửi và nút
nhận. Kiểu truyền thông thứ hai trong mạng ad hoc là kiểu truyền thông đầu cuối-đếnđầu cuối (end-to-end). Kiểu truyền thông này được hỗ trợ bởi tất cả các nút tham gia
vào quá trình duy trì tuyến đường và chuyển tiếp dữ liệu. Do đó, năng lượng tiêu thụ
trên tồn mạng sẽ bao gồm tồn bộ những chi phí phụ trội của những công việc trong
các giao thức định tuyến (thiết đặt tuyến đường, duy trì và phục hồi cũng như ảnh
hưởng của việc chọn các tuyến đường đi qua các nút trung gian dùng để chuyến tiếp
dữ liệu đến đích). Ngồi hai hoạt động trên, còn một hoạt động khác mà các thiết bị
truyền thông không dây cũng tiêu thụ năng lượng của pin đó là khi nó ở trạng thái
nhàn rỗi hoặc khi đang lắng nghe các kênh truyền [29].
Như vậy, vấn đề bảo tồn dữ liệu có thể được thực hiện bằng một trong hai cách

sau: tiết kiệm năng lượng trong q trình thực hiện truyền thơng và tiết kiệm năng
lượng trong giai đoạn nhàn rỗi của quá trình truyền thơng. Chúng ta có thể thấy ngay

TIEU LUAN MOI download :


rằng, nếu hai q trình này khơng được xử lý đúng cách thì sẽ khiến cho năng lượng
tiêu thụ trên tồn mạng tăng hoặc làm giảm truyền thơng trên mạng.
Đầu tiên chúng ta xem xét vấn đề tiết kiệm năng lượng trong q trình thực
hiện truyền thơng. Thứ nhất, năng lượng tiêu thụ trong việc truyền dữ liệu trực tiếp từ
nút này đến nút kia sẽ phụ thuộc vào mức năng lượng của nút, lượng dữ liệu và tốc độ
truyền dữ liệu. Lượng dữ liệu và tốc độ truyền dữ liệu có thể được điều chỉnh thơng
qua phần mềm và kênh truyền của nơi gửi. Công nghệ hỗ trợ cho điều khiển năng
lượng hiện nay cho phép các mức năng lượng có thể thích nghi với từng nút trong
mạng ad hoc. Do mức năng lượng sử dụng có liên quan trực tiếp đến phạm vi phủ sóng
của nút, qua đó ảnh hưởng đến hình trạng của mạng, nên vấn đề điều khiển hình trạng
mạng cũng sẽ được áp dụng để thực hiện mục tiêu này. Thứ hai, năng lượng cũng sẽ bị
tiêu thụ khi các nút chuyển tiếp dữ liệu trong mạng. Chi phí phụ trội này có thể được
giảm thiểu bằng cách sử dụng các giao thức định tuyến có tính đến năng lượng
(energy-aware routing protocols). Hiện nay, mơt số mơ hình đã được đề xuất như
“định tuyến với năng lượng tối thiểu” (minimum enegy routing) và “định tuyến có tính
đến cơng suất” (capacity-aware routing) [29]. Một số giao thức bậc cao khác với tham
vọng kết hợp được hai mơ hình trên cũng đang được nghiên cứu phát triển.
Trong giai đoạn nhàn rỗi của q trình truyền thơng, vấn đề duy trì năng lượng
cần được áp dụng cho tất cả các lớp của chồng giao thức truyền thông. Mỗi lớp này
đều truy cập đến một dạng khác nhau nào đó của thơng tin truyền thơng nên phải sử
dụng các cơ chế về năng lượng riêng cho mỗi lớp này. Thông thường, mỗi khi thiết bị
rơi vào trạng thái nhàn rỗi, một số cơ chế tầng MAC sẽ được áp dụng để chuyển thiết
bị về trạng thái hoạt động tiết kiệm điện năng (power-safe mode). Tuy nhiên, việc
chuyển trạng thái từ chế độ tiết kiệm điện năng sang chế độ bình thường cũng sẽ gây

ra chi phí phụ trội và ảnh hưởng xấu đến truyền thông của các nút. Do vậy, chế độ này
không nên được sử dụng thường xuyên. Giải pháp là các giao thức quản lý năng lượng
sẽ tích hợp các thơng tin tồn cục dựa trên hình trạng mạng hoặc các đặc trưng giao
thông khác để xác định việc chuyển đổi giữa hai chế độ (hoạt động và tiết kiệm điện
năng) sao cho đạt được hiệu quả nhất.
Hiện nay, ngày càng nhiều thiết bị di động và các mạng ad hoc được triển khai.
Nếu năng lượng của pin khơng được sử dụng một cách hiệu quả thì sẽ dẫn đến các
thiết bị sẽ sớm ngừng hoạt động. Khi đó, dù cho các ứng dụng hay dịch vụ của mạng
có tốt mấy đi nữa cũng khơng thể khai thác một cách hiệu quả được. Mạng ad hoc
đang nhận được nhiều quan tâm do tốc độ phát triển nhanh của nó, và trong khi mà các
thiết bị được sử dụng trong mạng ad hoc đều sử dụng pin làm ngồn cung cấp năng

TIEU LUAN MOI download :


lượng cho mình thì tiết kiệm năng lượng vẫn sẽ là một vấn đề quan trọng cần được
quan tâm nghiên cứu.

1.2.3. Định tuyến
1.2.3.1. Giới thiệu
Định tuyến là một vấn đề hết sức quan trọng trong các hoạt động mạng cơ bản
của bất kỳ loại mạng nào, điều này lại càng đúng với mạng ad hoc vì những đặc trưng
riêng biệt rất thú vị của nó. Có thể liệt kê ra đây một số đặc điểm và cũng là mục tiêu
cần đạt được khi xây dựng các giao thức định tuyến phù hợp với mạng ad hoc [28,29]:
Thứ nhất, các nút trong mạng được tự do di chuyển tới bất cứ đâu mà chúng
muốn. Chính sự hoạt động tự do này đã gây ra sự thay đổi thường xuyên của hình
trạng mạng và các tuyến đường. Chính vì vậy, một giao thức định tuyến tốt phải có
khả năng tương thích với sự thay đổi hình trạng mạng, đảm bảo rằng các liên kết giữa
nút nguồn và nút đích ln được thơng suốt ngay cả khi các nút trung gian hoặc thậm
chí là nút đích vẫn chuyển động. Ngồi ra, các liên kết trong mạng ad hoc thường

xuyên bị đứt nên việc xử lý các liên kết phải càng nhanh càng tốt với chi phí phụ trội
là nhỏ nhất có thể.
Thứ hai, băng thơng mà kênh khơng dây cơ sở có khả năng cung cấp là thấp
hơn và hay thay đổi hơn nhiều so với các mạng có dây. Kênh truyền khơng dây hoạt
động như một môi trường chia sẻ khiến cho băng thơng thậm chí cịn có thể thấp hơn
nữa. Như vậy, giao thức định tuyến phải có một lượng tính tốn định tuyến hiệu quả
sao cho băng thơng dành cho việc truyền dữ liệu thực sự càng nhiều càng tốt.
Thứ ba, mỗi thông điệp được truyền đi trong mạng sẽ tiêu thụ năng lượng của
cả thiết bị gửi lẫn thiết bị nhận. Bên cạnh đó, băng thơng của mạng là rất hạn chế, do
đó, số lượng các thơng điệp mà giao thức định tuyến truyền vào trong mạng để duy trì
các tuyến đường phải là nhỏ nhất có thể. Các tính tốn định tuyến cũng phải được thiết
kế sao cho có độ phức tạp nhỏ. Tính tốn phức tạp sẽ khiến cho các vòng lặp xử lý của
các thiết bị tăng lên dẫn tới việc thiêu thụ nhiều tài nguyên của thiết bị, trong đó có
năng lượng pin.
Thứ tư, giao thức định tuyến cần phải có khả năng xử lý đa bước truyền. Trong
mạng không dây, các thiết bị chỉ có khả năng phủ sóng trên một phạm vi nhất định nên
nút nguồn và nút đích thơng thường sẽ khơng thể kết nối trực tiếp với nhau được. Giao
thức định tuyến phải có khả năng phát hiện các nút trung gian trên đường truyền từ nút
nguồn đến nút đích để có thể đảm bảo được liên lạc giữa các nút là thông suốt.

TIEU LUAN MOI download :


Thứ năm, các vòng lặp định tuyến sẽ nảy sinh khi một nút nào đó trên đường
truyền chọn một nút kế tiếp để chuyển tiếp gói tin nhưng nút được chọn đó đã thực
hiện việc chuyển tiếp gói tin trên đường truyền này rồi. Khi điều này xảy ra, dữ liệu và
các gói tin điều khiển có thể sẽ phải đi trong mạng nhiều vòng cho đến khi đường
truyền được sửa hoặc khi thời gian sống (TTL) của gói tin lùi đến 0. Tài nguyên của
mạng vốn đã hạn chế sẽ lại càng giảm nhanh hơn và có ảnh hưởng trực tiếp đến thời
gian tồn tại của mạng. Do đó, tránh sinh ra vòng lặp trong định tuyến phải được thực

hiện triệt để.
Với các tiêu chí như vậy, rất nhiều các giao thức định tuyến đã được đề xuất
dành riêng cho mạng ad hoc. Các giao thức này có thể được phân loại như sau: các
giao thức định tuyến sử dụng bảng định tuyến được cập nhật định kỳ (proactive
routing), các giao thức định tuyến theo yêu cầu (reactive/on-demand routing), các giao
thức định tuyến dựa trên vị trí (location-based routing) và các giao thức kết hợp hai
hình thức proactive và reactive.
1.2.3.2. Một số đặc trƣng của các nhóm giao thức
Các giao thức proactive duy trì các cặp tuyến đường của hai nút bất kỳ trong
mạng mà không quan tâm đến liệu tất cả các tuyến đó có được sử dụng hay khơng.
Việc tạo ra các tuyến cũng như duy trì chúng được thực hiện theo hai cách, định kỳ
hoặc mỗi khi được kích hoạt bởi một sự kiện nào đó. Cập nhật định kỳ nghĩa là cứ sau
một khoảng thời gian nào đó đã được thiết đặt, các nút sẽ tự động trao đổi các thông
tin định tuyến cần thiết với nhau. Khi đến thời điểm được xếp lịch cập nhật, các hoạt
động này sẽ được thực hiện mà không cần quan tâm đến các đặc trưng di động và giao
thông của mạng. Ngược lại, cập nhật theo sự kiện nghĩa là khi có một sự kiện nào đó
xảy ra như thêm hoặc bỏ bớt một liên kết, các thông tin về định tuyến sẽ được truyền
đi giữa các nút để tạo hoặc duy trì các tuyến đường. Mức độ di động của mạng sẽ ảnh
hưởng trực tiếp đến tần số cập nhật theo sự kiện bởi vì các liên kết sẽ thay đổi nhiều
hơn nếu mức độ di động cao hơn.
Ưu điểm của các giao thức loại này là khi có yêu cầu (như là khi nút nguồn bắt
đầu một phiên trao đổi dữ liệu với nút đích chẳng hạn), nút nguồn sẽ có ngay một
tuyến phù hợp mà không cần phải chịu một khoảng thời gian trễ nào đó cho việc phát
hiện tuyến đường. Các giao thức loại này cịn tìm ra được tuyến tối ưu (có giá nhỏ
nhất) đối với mỗi mơ hình tính giá của liên kết. Tuy nhiên, loại giao thức này có nhược
điểm là nếu kích thước mạng lớn hoặc tốc độ di chuyển của các nút trong mạng cao thì
chi phí phụ trội để thực hiện cơng việc thiết lập và duy trì các tuyến đường có thể sẽ
rất lớn và chiếm hầu hết tài nguyên mạng. Các giao thức loại này thường được dùng

TIEU LUAN MOI download :

trong các mạng có số lượng các phiên trao đổi dữ liệu lớn. Khi đó, chi phí phụ trội
dành cho việc duy trì các tuyến đường là vừa phải vì rất nhiều tuyến đường sẽ được tối
ưu hoá.
Các giao thức định tuyến trên Internet (RIP, OSPF…) cũng thuộc vào loại này.
Tuy nhiên, các giao thức này không thể áp dụng trực tiếp vào môi trường mạng ad hoc
với tài nguyên hạn hẹp được bởi vì cách thức hoạt động của chúng sẽ gây ra một lượng
lớn chi phí phụ trội và đơi khi kết quả cơng việc lại khơng hồn tồn đúng u cầu. Do
đó, có rất nhiều những biến thể của các giao thức trên đã được đưa ra với mục đích có
thể làm việc tốt trên mạng ad hoc. Hai giao thức cải tiến được dùng phổ biến hiện nay
là Destination-Sequence Distance Vector (DSDV) [35] và Optimized Link State
Routing (OLSR) [34].
Các giao thức định tuyến theo yêu cầu (on-demand routing hoặc reactive
routing) lại thực hiện các công việc theo một cách tiếp cận khác hẳn với các giao thức
vừa được nêu ở trên. Tư tưởng chính của định tuyến theo yêu cầu là chỉ tìm các tuyến
đường và duy trì nó mỗi khi có u cầu về tìm tuyến đường. Khi một nút nguồn muốn
gửi dữ liệu đến một nút đích, đầu tiên nó sẽ tìm trong bảng định tuyến của nó xem có
tuyến đường nào có thể sử dụng được khơng. Nếu khơng có, nút này sẽ thực hiện thủ
tục phát hiện tuyến để tìm ra một tuyến đường gửi tin đến nút đích. Ưu điểm chính của
của việc thiết lập tuyến theo yêu cầu đó là tránh được những chi phí phụ trội khi phải
duy trì những tuyến không được sử dụng. Nếu hai nút trong mạng khơng bao giờ nói
chuyện với nhau thì chúng khơng cần thiết phải dùng tài nguyên của mình để duy trì
các tuyến đường giữa chúng. Cách tiếp cận này rất thích hợp với những mạng có lưu
lượng vừa và thấp. Tuy nhiên, bởi vì các tuyến đường chỉ được tạo mỗi khi có nhu
cầu, nên các gói tin thường sẽ phải xếp vào một hàng đợi ở nút nguồn trong thời gian
nút nguồn xây dựng tuyến đường hoặc trong khi tuyến đường đang được sửa chữa do
bị hỏng, vì vậy việc truyền tin sẽ bị trễ. Đây là một điểm kém hơn so với các giao thức
định tuyến proactive, ở đó các tuyến ln sẵn sàng để sử dụng mỗi khi có nhu cầu và
do đó phiên trao đổi dữ liệu sẽ được thực hiện ngay lập tức. Một nhược điểm nữa đó là

tuyến đường được dùng sẽ khơng thể tối ưu bằng các tuyến đường được sử dụng trong
các giao thức proactive bởi vì thời gian để thực hiện việc phát hiện tuyến không thể
quá dài làm ảnh hưởng đến thời gian làm việc của phiên trao đổi dữ liệu. Một số giao
thức định tuyến theo yêu cầu phổ biến hiện nay là Dynamic Source Routing (DSR),
Ad hoc On-demand Distance Vector (AODV) [33] và Temporally Ordered Routing
Algorithm (TORA) [36].

TIEU LUAN MOI download :


Một cách tiếp cận khác trong vấn đề định tuyến trong mạng ad hoc, đó là kết
hợp cả hai loại định tuyến proactive và định tuyến theo nhu cầu, gọi là định tuyến lai
(hybrid routing). Ví dụ, chúng ta có thể sử dụng một giao thức định tuyến theo yêu cầu
trước, như AODV chẳng hạn, sau đó, chúng ta sẽ thực hiện chức năng của giao thức
định tuyến proactive bằng cách bắt buộc mỗi nút đích đang có liên hệ với nút nguồn
phải định kỳ cập nhật lại các tuyến đến nó như trong DSDV. Ưu điểm của giao thức
loại này là, thứ nhất, chi phí phụ trội và độ trễ sinh ra bởi các tuyến ít tối ưu hơn sẽ
được giảm thiểu; thứ hai, cơ chế làm tươi từ đích sẽ khiến cho các tuyến mà các nút sẽ
sử dụng để truyền tin đến nút đích là tối ưu. Chi phí phụ trội sinh ra bởi cơ chế
proactive này được xác định thơng qua số lượng các nút đích đang có liên hệ với nút
nguồn và khoảng thời gian giữa các lần lặp. Nếu khoảng thời gian lặp được chọn hợp
lý thì cơng suất của tồn mạng sẽ được sẽ được cải thiện một cách đáng kể so với việc
chỉ sử dụng cơ chế định tuyến theo yêu cầu. Hai giao thức điển hình cho cách tiếp cận
này là Zone Routing Protocol (ZRP) [37] và Hazy Sighted Link State (HSLS) [38].
Ba cách tiếp cận vừa được nêu ở trên là các cách tiếp cận thông thường và khá
phổ biến. Trong đó, các nút mạng thực hiện tìm kiếm thơng tin định tuyến bằng cách
trao đổi các thông điệp định tuyến với nhau và sử dụng các thông tin này để lựa chọn
các tuyến sẽ được sử dụng. Ngoài ra, cịn một cách tiếp cận khác nữa hồn tồn khác
biệt với các cách trên, đó là cách tiếp cận sử dụng các thơng tin về vị trí địa lý của các
nút trong mạng. Các giao thức định tuyến dựa vào vị trí trong mạng được xây dựng

dựa trên giả thiết rằng mỗi nút đều xác định được vị trí của mình thơng qua hệ thống
định vị tồn cầu (GPS) hoặc một vài kỹ thuật tương tự khác. Bên cạnh đó, mỗi nút sẽ
tìm hiểu vị trí của các hàng xóm của mình bằng cách trao đổi các thơng điệp “hello”.
Vị trí của các nút đích được giả sử rằng có thể xác định được thông qua một dịch vụ về
vị trí. Khi một nút muốn gửi một gói tin đến một đích nào đó, nó sẽ sử dụng vị trí của
nút đích để tìm một hàng xóm sao cho khoảng cách địa lý đến nút đích là nhỏ nhất và
gần nút đích hơn nó, sau đó chuyển tiếp gói tin đến hàng xóm này. Đến lượt mình, nút
hàng xóm lại tiến hành thủ tục tương tự cho đến khi gói tin được chuyển đến đích. Có
thể thấy ngay rằng định tuyến dựa vào vị trí khơng cần phải có cơ chế tìm tuyến đường
hoặc duy trì các tuyến đường một cách cụ thể như các cách tiếp cận khác. Ngoại trừ
việc phải thu thập các thơng tin về vị trí, các nút mạng khơng cần phải duy trì bất kỳ
một tuyến nào cũng như không phải trao đổi bất kỳ một thơng điệp định tuyến nào với
các nút khác. Nhìn chung, khi so sánh với các cách tiếp cận khác, định tuyến dựa vào
vị trí có vẻ như hiệu quả hơn khi áp dụng vào các mạng có hình trạng mạng thay đổi
thường xuyên cũng như dễ dàng mở rộng khi mà kích thước mạng thay đổi. LocationAided Routing (LAR) [39], Distance Routing Effect Algorithm for Mobility

TIEU LUAN MOI download :