Đánh giá hiệu năng các giao thức định tuyến aodv và anthocnet trên mạng manet

BO GIAO DUC VA DAO TAO
DAI HOC HUE

TRUONG DAI HOC KHOA HOC

TRINH MINH KY

DANH GIA HIEU NANG CAC GIAO THUC
DINH TUYEN AODV VA ANTHOCNET
TREN MANG MANET
CHUYEN NGANH: KHOA HOC MAY TINH
MA SO: 60. 48. 01. 01

LUAN VAN THAC SI KHOA HOC
DINH HUONG NGHIEN CUU
NGUOI HUONG DAN KHOA HOC
PGS.TS. VO THANH TU

Thừa Thiên Huế, 2018


LOI CAM DOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn

giúp đỡ của Thầy PGS.TS. Võ Thanh Tú.
Trong toàn bộ nội dung nghiên cứu của luận văn, các vấn để được trình bày

đều là những tìm hiểu và nghiên cứu của chính cá nhân tơi hoặc là được trích dẫn từ
các nguồn tài liệu có ghi tham khảo rõ ràng, hợp pháp.
Trong luận văn, tơi có tham khảo đến một số tài liệu của một số tác giả được
liệt kê tại mục tài liệu tham khảo.

Tác giả

Trình Minh Kỷ


LOI CAM ON
Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến quý Thầy Cô giáo Khoa Công nghệ
thông tin trường Đại học Khoa học Huế đã trực tiếp giảng dạy, giúp đỡ và tạo mọi điều
kiện thuận lợi cho tơi trong q trình học tập và nghiên cứu chương trình cao học.

Đặc biệt tơi xin được bày tỏ lịng biết ơn chân thành và sâu sắc đến thây giáo

hướng dẫn PGS.TS. Võ Thanh Tú, người đã tận tình dẫn dắt và tạo mọi điều kiện
tốt nhất đề tơi có thê hồn thành luận văn này.
Tơi cũng xiú gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè, những người luôn bên
cạnh, quan tâm, động viên tôi giúp tôi vượt qua khó khăn trong q trình học tập và
thực hiện luận văn tốt nghiệp này.

Cuối cùng xin chân thành cảm ơn các đồng chí Lãnh đạo đơn vị Trung tâm
Cơng nghệ thông tin và Truyền thông đã tạo điều kiện cho tơi được đi học và hồn

thành tốt khóa học.
Xin chan thành cảm ơn.

Tác giả
Trình Minh Kỷ


MUC LUC

DANH MỤC CÁC BẢNG. . . . . . . . . . . .

22 22 2222211211121112111211122112111221122222222
xe i

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỎ THỊ,.......................-2S21 2212221221221121122112121 22 2e. ii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮTT......................--2-22222211221122112211221122121121122
2 e6 iii
MO DAU ooo eons eoe ceo essesseeveev verter tev teveesenastatitartatitistinetisetstesasetaretietaesaneeaees 1
Chương I. TÔNG QUAN VẺ MẠNG MANET...................
25 222222122212211222122222 2e, 4
1.1. GIỚI THIỆU............................-2-©22222222512251221121111112111111111111111111112
re 4

1.2. PHÂN LOẠI MẠNG MANETT....................---25:222222112221122211222.211.2112.1xe 6
1.2.1. Phân loại mạng MANET

theo cách thức định tuyến "

7

1.2.2. Phân loại mạng MANET theo chức năng của nút.........................--.--.+s: 7

1.3. VẤN ĐẺ ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG MANETT....................-2-22-222222zz2sce2 9
1.3.1. Các thuật toán định tuyến truyền thống.........................----2-22222222221221221
22.2 9

1.3.2. Bài toán định tuyến mạng MANET.....................--©--222222122212221221222
e6 10

1.4. GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG MANET.................-----c-s¿ 11
1.4.1. Giao thức định tuyến unicast trong mạng MANET........................----2--2 11
1.4.2. Giao thức định tuyến multicast trong mạng MANET.............................- 14

1.5. GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN AODV (AD-HOC ON-DEMAND
DISTANCE VECTOR ROUTTNGI.......................52: 2222222112221121112112222. 2e 19
1.5.1. Giới thiệu về giao thức AODV.......................---222222122211221122122122.212
e6 19
1.5.2. Nguyên lý hoạt động của AODV........................ che

20

1.6. KẾT LUẬN CHƯƠNG........................-22: 2221221122212222112221.212.2..
re. a7
Chương 2. THUẬT TỐN TĨI ƯU HĨA ĐÀN KIÉN VÀ ỨNG DỰNG TRONG
ĐỊNH TUYẾN TREN MẠNG MANET......................---©2222222221222112212212222112
2x6 28
2.1. GIỚI THIỆU.........................-©222221221221122112211211122112112112112112122122
xe 28
bnN‹.nn...-................
2.1.2. Kiến nhân tạo. . . . . . . . .- -

5c n1 212212112 2 E111

28

rrrrrre 32


thời gian nữa thì các kiến này sẽ đi theo nhánh ngắn hơn. Điều này được hiểu là một

loại thăm dị, tìm đường mới.
Một điều thú vị nữa là điều gi sé xay ra nếu sau khi tìm kiếm hội tu lại xuất
hiện một đường mới từ tổ đến nguồn thức ăn. Việc này được thực nghiệm như sau:

Ban đầu từ tổ đến nguồn thức ăn chỉ có một nhánh đài và sau 30 phút thì
thêm một nhánh ngắn (xem hình 2.6). Trong trường hợp này, nhánh ngắn thường
khơng được kiến chọn mà chúng tập trung đi trên nhánh dài. Điều này có thể giải
thích bởi nồng độ vết mùi trên cạnh dài cao và do sự bay hơi chậm của vết mùi nên
đại đa số các con kiến lựa chọn các nhánh dài (vì nơng

độ vết mùi cao) và hành vi

này tiếp tục củng cố trên nhánh dài, ngay cả khi một nhánh ngắn xuất hiện. Việc
bay hơi vết mùi có thể có lợi cho việc tìm đường mới, nghĩa là việc bay hơi có thé
giúp kiến quên đi đường đi tối ưu cục bộ để tìm đường đi mới tốt hơn có thể được
khám phá.

Aw

30

ae

ZO

Thức ăn

Hình 2.6. Thí nghiệm ban đầu chỉ một nhánh dài và sau 30 phút thêm nhánh
ngắn
2.1.2. Kiến nhân tạo

Qua thử nghiệm chiếc cầu đơi cho thấy rõ ràng có khả năng xây đựng được
tối ưu hóa đàn kiến: Thơng tin để tìm ra con đường ngắn nhất giữa 2 điểm có thê
dựa vào quy tắc xác suất.
Mô phỏng kiến tự nhiên, người ta đùng đa tác tử (multiagent) làm đàn kiến
nhân tạo, trong đó mỗi con kiến có nhiều khả năng hơn kiến tự nhiên. Mỗi con kiến

nhân tạo (về sau sẽ gọi là kiến) có bộ nhớ riêng, có khả năng ghi nhớ các đỉnh đã
thăm trong hành trình và tính được độ dài đường đi nó chọn. Ngồi ra các con kiến
32


DANH MUC CAC BANG
Trang
Bang 2.1

Tóm tắt các giao thức đã phan tích

38

Bảng 3.1

Định nghĩa các tham số mạng

70


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỊ THỊ
Trang
Hinh 1.1

Cấu trúc của MANET

Hinh 1.2

Multi-hop

Hinh 1.3

Mơ hình mạng phân cấp

Hinh 1.4

Phân loại các giao thức định tuyến cho mạng MANET

Hinh 1.5

Giao thức định tuyến Multicast của mạng MANET

14

Hinh 1.6

Truyền gói tin trong AODV

20

Hinh 1.7

Cơ chế xử lí khám phá tuyến tại nút của AODV

22

Hinh 1.8

Hình thành tuyến đảo ngược (Reverse Path)

23

Hinh 1.9

Hình thành tuyến chuyền tiếp (Forward Path)

23

Hinh 2.1

Vết các kiến từ t6 đến nguồn thức ăn

28

Hinh 2.2

Kiến đối phó với trở ngại

28

Hinh 2.3

Các kiến cố gắng tìm các tuyến thay thế

28

Hinh 2.4

Các kiến đi qua tuyến ngắn nhất

29

Hinh 2.5

Thí nghiệm chiếc cầu đơi

30

Hinh 2.6

Thí nghiệm ban đầu chỉ một nhánh đài và sau 30 phút
thêm nhánh ngăn

31

Hinh 2.7

Mô tả trạng thái của thuật tốn AntHocNet

43

Hinh 2.8

Ví dụ về xây dựng tuyến trong mạng MANET

52

Hinh 3.1

Cấu trúc NS-2

66

Hinh 3.2

Luồng các sự kiện cho file Tel chay trong NS

68

Hinh 3.3

Thiết lập mô phỏng cho AntHoeNet

71

Hinh 3.4

So sánh giữa AntHoeNet và AODV trong kịch bản I

73

Hinh 3.5

So sánh giữa AntHoeNet và AODV trong kịch bản 2

75

Hinh 3.6

So sánh giữa AntHoeNet và AODV trong kịch bản 3

T7

li


DANH MUC CAC CHU VIET TAT
MANET

Mobile Ad Hoc Network

Mạng tùy biến đi động

ACO

Ant Colony Optimization

Tối ưu hóa đàn kiến

AS

Ant System

Hệ kiến AS

GA

Genetic Algorithm

Giải thuật di truyền

SA

Simulated Annealing

Thuật tốn mơ phỏng luyện kim

AODV

Ad-hoc On-demance Distance

Vector routing

Giao thức định tuyến véc tơ khoảng
cách theo yêu câu

FTP

File Transfer Protocol

Giao thức truyền tập tin

CBR

Constant Bit Rate

Tốc độ bit có định

RED

Random Early Detection

Hàng đợi dị sớm ngẫu nhiên

CBQ

Class Based Queueing

Hàng đợi dựa trên lớp

ACK

Acknowledgement

Gói báo nhận

IEEE

Institute of Electrical and
Electronic Engineers

Viện kỹ thuật điện và điện tử

IETF

Internet Engineering Task Force

Nhóm nghiên cứu IETF

IP

Internet Protocol

Giao thức Internet

TCP

Transmission Control Protocol

Giao thức điều khiến truyền tải

MAC

Media Access Control

Điều khiến truy cập đường truyền

NAM

Network Animator

Minh họa mạng

NS

Network Simulator

Mô phỏng mạng

PDA

Personal Digital Assistants

Thiết bị hỗ trợ cá nhân

RERR

Route Error

Lỗi tuyến

RREP

Route Reply

Hồi đáp tuyến

RREQ

Route Request

Yêu cầu tuyến

1H

RRFA

Route Repair Forward Ant

Forward Ant sửa chữa tuyến

RFA

Reactive Forward Ant

Forward Ant phản ứng

PDR

Packet Delivery Ratio

Tỉ lệ phát gói tin

EED

End-to-End Delay

Độ trễ end-to-end

TTL

Time-To-Live

Thời gian tổn tại

UDP

User Datagram Protocol

Giao thức gói người dùng

LAN

Local Area Network

Mạng cục bộ

WAN

Wide Area Network

Mạng diện rộng

WLAN

Wireless Local Area Network

Mạng cục bộ không dây

SINR

Signal-to-Interference plus
Noise Ratio

Tỷ số giao thoa và nhiễu tín hiệu

RWPMM

Random Waypoint Mobility
Model

Mơ hình hành trình ngẫu nhiên

QoS

Quality of Service

Chất lượng dịch vụ

iv


MO DAU
Ly do chon dé tai
Mang Ad hoc di déng (Mobile Ad Hoc Network - MANET)

cho phép cac

máy tính, thiết bị mạng thực hiện kết nối và truyền thông với nhau mà không cần
dựa vào hạ tầng mạng và hệ thống điều khiên trung tâm. Với sự phát triển của các
dịch vụ mạng theo hướng cá nhân hóa, di động hóa và hướng đến các dịch vụ tích

hợp thì khả năng phát triển mạng MANET có rất nhiều triển vọng. Về mặt thực tiễn

mạng MANET

rất hữu ích cho các nhu cầu truyền thơng có tính chất tạm thời như

trong một khu vực hội nghị, hội thảo hoặc sự kiện nơi mà khó khăn trong việc thiết

lập hệ thống mạng có sử dụng cơ sở hạ tầng.
Với đặc điểm là mạng tự câu hình gồm các nút kết nối với nhau thông qua
các kết nối vô tuyến tạo nên mạng không có cơ sở hạ tầng. Do đó, định tuyến trong
MANET

là một thách thức lớn vì các tính năng động của MANET, băng thông han

chế, công suất tiêu thụ và sự khơng ổn định của mơi trường.

Tối ưu hóa đàn kiến (Ant Colony Optimization - ACO) là một thuật toán để
giải quyết vấn để như định tuyến trong MANET
phẩm

của kiến. AntHoeNet

dựa trên hành vi tìm kiếm thực

là một thuật tốn mới thích nghi cho việc định tuyến

trong MANET dựa trên những ý tưởng từ ACO.
AntHoeNet là một thuật toán lai, chứa cả các yếu tố phản ứng và chủ ứng.
Thuật toán này phản ứng theo nghĩa là nó chỉ thu thập thông tin định tuyến về các
điểm đến tham gia vào các phiên truyền thơng. Nó chủ ứng theo nghĩa là nó cố gắng
duy trì và cải tiến thơng tin về các đường dẫn hiện tại trong khi phiên truyền thông

đang diễn ra (khơng giống các thuật tốn thuần túy phản ứng, khơng tìm kiếm thơng
tin định tuyến cho đến khi các tuyến hiện đang được biết đến khơng cịn hợp lệ
nữa). Thông tin định tuyến được lưu trữ trong các bảng pheromone tương tự với các
bảng được sử dụng trong các thuật toán định tuyến ACO khác. Chuyển tiếp kiểm
soát và các gói dữ liệu được thực hiện theo cách ngau nhiên, sử dụng các bảng này.


Lỗi liên kết được xử lý bằng cách sử dụng các cơ chế phản ứng cụ thể, chẳng hạn
như sửa chữa tuyến đường cục bộ và sử dụng thông báo cảnh báo.
Mục tiêu nghiên cứu
Bên cạnh các ưu điểm, mạng MANET

phải đối mặt với một loạt các thách

thức do chính cấu trúc mạng gây ra. Đề vượt qua các thách thức và hoàn thiện các
giải pháp cho mạng MANET, rất nhiều nhà nghiên cứu đã đề xuất các phương pháp
mới nhằm cải thiện các vấn đề còn tồn tại của MANET

trên một loạt các khía cạnh.

Ví dụ: điều khiển truy nhập đa phương tiện, định tuyến, quản lý tài nguyên, điều
khiển cơng suất và bảo mật. Trong các hướng đó vấn dé cai thiện kỹ thuật định
tuyến luôn được đặt ra hàng đầu đo kỹ thuật định tuyến luôn được coi là yếu tố then
chốt ảnh hưởng tới hiệu năng mạng truyền thơng nói chung và mạng MANET

nói

riêng. Thêm vào đó đo tính phức tạp và đặc tính truyền thơng đa đường trong môi
trường truyền dẫn không dây, nên hàng loạt các vấn đẻ phức tạp liên quan tới kỹ
thuật định tuyến vẫn chưa được giải quyết triệt để và đang được tiếp tục cải thiện.

AntHocNet là một thuật toán định tuyến

đa đường cho các mạng Ad hoc di

động kết hợp các thành phần chủ ứng và phản ứng. Nó dựa trên AntfNet, được thiết
kế cho mạng có dây, với một số sửa đổi được sử dụng trên các mạng Ad hoc.

Vì vậy tơi muốn nghiên cứu để tài: “Đánh giá hiệu năng các giao thức định
tuyến AODV và AntHoeNet trên mạng MANET”

để hiểu rõ về cách thức hoạt động

và so sánh hiệu năng giữa các giao thức định tuyến phản ứng truyền thống (AODV)
và các giao thức định tuyến lai (đại diện bởi AntHocNet) trén mang MANET.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Giao thức định tuyến AODV và AntHoeNet trên mạng MANET
- So sánh kha nang mo rong cua AntHocNet voi AODV

duoc thực hiện bang

cach sử dụng trình mơ phỏng ns2.
Phương pháp nghiên cứu
- Tìm hiểu, phân tích và tổng hợp tài liệu có liên quan từ các nguồn như: các


bài báo, sách, giáo trình trong và ngồi nước. Tìm hiểu cơ sở lý thuyết để nắm được
những yêu câu, nội dung cụ thé cần giải quyết cho đề tài.
- Mô phỏng và so sánh đánh giá.
Nội dung nghiên cứu và bố cục của luận văn

Chương 1: Tổng quan về mạng MANET
- Mạng tùy biến không dây MANET
- Giao thức định tuyến trên mạng MANET
Chương 2: Thuật toán tối ưu hóa đàn kiến và ứng dụng vào định tuyến trên
mạng MANET

- Thuật tốn tối ưu hóa đàn kiến ACO
- Ung

dung thuat toan dinh tuyén ACO

cho mang MANET,

thuat toan dinh

tuyén AntHocNet
Chương 3: Mô phỏng và đánh giá hiệu năng giao thức định tuyến AODV va
AntHocNet trên mạng MANET
Kết luận nêu lên những kết quả đạt được và định hướng phát triển của đề tài
luận văn.


Chuong 1. TONG QUAN VE MANG MANET
1.1. GIOI THIEU.
Mang Ad hoe di déng (Mobile Ad Hoc Network - MANET)

cho phép cac

máy tính, thiết bị mạng thực hiện kết nối và truyền thông với nhau mà không cần
dựa vào hạ tầng mạng và hệ thống điều khiến trung tâm. Với sự phát triển của các

dịch vụ mạng theo hướng cá nhân hóa, di động hóa và hướng đến các dịch vụ tích

hợp thì khả năng phát triển mạng MANET có rất nhiều triển vọng. Về mặt thực tiễn
mạng MANET

rất hữu ích cho các nhu cầu truyền thơng có tính chất tạm thời như

trong một khu vực hội nghị, hội thảo hoặc sự kiện nơi mà khó khăn trong việc thiết

lập hệ thống mạng có sử dụng cơ sở hạ tầng.
Với đặc điểm là mạng tự câu hình gồm các nút kết nối với nhau thông qua các
kết nối vô tuyến tạo nên mạng khơng có cơ sở hạ tầng. Các nút mạng có thể di chuyền
một cách tự do theo mọi hướng, do đó kết nối của nó với các nút khác cũng thay đổi

một cách thường xuyên. Do khoảng truyền dẫn của mỗi nút mạng là hạn chế nên chúng
truyền tin bằng phương pháp truyền gói tin đa chặng (multihop). Đề thực hiện điều
này, các nút mạng phải có khả năng chuyên tiếp gói tin đến nút mạng khác. Mạng
MANET

được mơ tả có câu trúc thay đổi do sự thay đổi vị trí của các nút mạng. Các

giao thức định tuyến có cơ chế tự phát hiện các thay đổi về đường đi thơng qua các
thuật tốn định tuyến cơ bản như: Véc tơ khoảng cách và trạng thái liên kết.

Hình 1.1. Cấu trúc của MANET


So với các mạng không dây khác, MANET là một tập của các nút khơng dây
có thể cấu hình động để trao đổi thông tin, các nút tự do di chuyển nên kiến trúc
mạng

có thể thay đổi liên tục mà khơng dự đốn được. Do đặc tính tùy biến nên

MANET

có thể cung cấp một miền rộng các ứng dụng dịch vụ cho các vùng mạng

cục bộ và đô thị: Mạng cộng đồng, mạng hỗ trợ khẩn cấp, các điểm truy nhập công

cộng, các ứng dụng cho quân đội, các ứng dụng tính tốn nhúng và phân tán, các
dịch vụ và mạng cảm biến...

Một số đặc điểm chính và những thách thức phải đối mặt trong mạng
MANET.
Cấu trúc liên kết động: Các nút có thể tự do di chuyển tùy ý với tốc độ khác
nhau, do đó các cấu trúc mạng có thể thay đổi ngẫu nhiên và đơi khi khơng thê dự
đoán được.
Hoạt động hạn chế năng lượng: Một số hoặc tất cả các nút trong mạng tủy

biến không dây có thể phụ thuộc vào pin hoặc các phương tiện khác cho năng lượng
của chúng. Đối với những nút này, các tiêu chí tối ưu hóa thiết kế hệ thống quan
trọng nhất có thê là việc bảo tổn năng lượng
Giới hạn băng thơng: Các kết nối khơng dây có băng thơng thấp hơn so với
đường truyền cáp và chúng cịn chịu ảnh hưởng của nhiễu, suy giảm tín hiệu, các
điều kiện giao thoa, vì thế mà thường nhỏ hơn băng thông truyền dẫn tối đa. Băng
thông thấp thường xảy ra các vấn đề tắt nghẽn, nghĩa là mật độ lưu lượng tổng
thường vượt quá băng thông của mạng, đặc biệt khi số nút của mạng trong một
vùng tăng lên trong khi năng lực của mạng thì khơng tăng tương ứng.
Các thách thức an ninh: Mạng không dây di động dé bi de doa tinh bảo mật

hơn là mạng cáp cô định. Khả năng gia tăng nghe trộm, giả mạo và các dịch vụ tấn
công từ bén ngoai....

Một số ứng dụng của MANET
- Ứng dụng trong hoạt động quân sự với cơ chế hoạt động không tập trung
của mạng Ad hoc, không phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng mạng là một yếu tố cần thiết


đối với lĩnh vực quân sự, nhất là trong các trong các trường hợp các đơn vị tham gia
chiến dịch, các cơ sở hạ tầng mạng bị phá hủy. Khi đó, mạng Ad hoc là lựa chọn tối

ưu để các thiết bị truyền thông liên lạc với nhau một cách nhanh chóng mà khơng
phụ thuộc vào hạ tầng sẵn có tại khu vực đó.

- Ứng dụng trong hội nghị, sân bay, trường học: Có thể thiết lập các mạng
Ad hoc trong trường học, thư viện, sân trường, sân bay để kết nối các thiết bị di
động (máy tính xách tay, điện thoại thông minh, các thiết bị khác) lại với nhau, để
mọi người có thê chia sẻ, trao đơi dữ liệu, làm việc với nhau.

- Ứng dụng trong các dịch vụ khẩn cấp: Được ứng dụng nhiều trong thực té,
ví đụ các trường hợp thiên tai, hỏa hoạn hoặc các trường hợp khẩn cấp thì giải pháp
thơng thường là dùng thiết bị vô tuyến. Mạng MANET

là giải pháp hiệu quả khi

không thể sử dụng hạ tầng vô tuyến đang sẵn có do bị hỏng hoặc khơng có sẵn.
- Ung

dung hé théng nhúng,

kết nối các hệ thống điện tử, mạng

cảm biến:

Mang Ad hoe sé rat phi: hop dé tạo nên một hệ thống thơng minh có khả năng kết
nối các thiết bị để chúng có thể giao tiếp với nhau như truyền hình, thiết bị trị chơi

điện tử, điện thoại hoặc các hệ thống điều khiển khác.
- Ứng dụng cho các thiết bị thông minh kết nối Internet: Đây là một lĩnh vực
mới và khác tiềm năng của mạng MANET,

minh như

một thực tế đối với các thiết bị thông

ô tô hoặc các thiết bị khác có thể kết nối Internet thơng

qua mạng

MANET là cách tiếp cận hợp lý.
- Ứng dụng trong giao thông: Đây là một ứng dụng quan trọng hiện nay, các
phương tiện giao thông là các nút mạng và có thể tự thu phát đề có thể liên lạc, chia
sẻ và trao đôi thông tin với nhau mà không cần cơ sở hạ tầng mạng.
1.2. PHẦN LOẠI MẠNG
Mạng

năng của nút.

MANET

MANET

có thể phân loại theo cách thức định tuyến

hoặc theo chức


1.2.1. Phân loại mạng MANET
- Mạng MANET

theo cách thức định tuyến

định tuyến đơn chặng: Đây là loại mơ 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 mơ hình này các nút có thể đi chun tự do nhưng chỉ
trong một phạm

vi nhất định đủ để nút có thể liên lạc trực tiếp với các nút khác

trên mạng.
- Mạng MANET
mạng MANET,

định tuyến đa chặng: Đây là mô hình phổ biến nhất trong

mơ hình khác với mơ hình trước là các nút có thể kết nối với các

nút khác trong mạng mà có thể khơng cần phải kết nối trực tiếp với nhau. Các nút

có thể định tuyến đến các nút khác thông qua các nút trung gian trong mạng.

Mobile Node 1

Mobile Node 2

Mobile Node 1

Base

a

Mobile Node 3

Station

Mobile Node 2

Base

a

a

Mobile Node 4

Mobile Node 3

Station

NY,

Mobile Node 4

Hinh 1.2. Multi-hop
1.2.2. Phan loai mang MANET

theo chirc nang cia nut

- Mang MANET binh dang (Flat):
Trong kiến trúc này tất cả các nút (node) có vai trị ngang hàng với nhau
(peer- to-peer) và các nút đóng vai trị như các router định tuyến gói dữ liệu trên
mạng. Trong những mạng lớn thì cấu trúc Flat khơng tối ưu hố việc sử dụng tải
ngun băng thơng của mạng vì những thơng tin điều khiển phải truyền trên tồn bộ
mạng. Tuy nhiên nó thích hợp trong những tơ-pơ có các nút di chuyển nhiều.
- Mạng MANET phân cấp (Hierarchical):


Đây là mơ hình sử dụng phổ biến nhất. Trong mé hinh nay thi mang chia
thành các miễn (domain), trong mỗi domain bao gồm

một hoặc nhiều cụm (cluster),

mỗi cluster bao gồm nhiều nút. Có hai loại nút là nút chủ hay còn được gọi là nút
cụm trưởng (master node) và nút bình thường (nomal node).
+ Master node: Là nút quản trị một router có nhiệm vụ chuyển dữ liệu của

các nút trong cluster đến các nút trong cluster khác và ngược lại. Nói cách khác nó
có nhiệm vụ như một gateway.

+ Normal node: Là các nút nằm trong cùng một cluster. Nó có thê kết nối với
các nút trong cluster hoặc kết nối với các cluster khác thông qua master node.

7

ad

M: Master node
N: Normal node

Hình 1.3. Mơ hình mạng phân cấp
+ Với các cơ chế trên mạng sử dụng tài ngun băng thơng hiệu quả hơn vì
các thơng báo điều khiến chỉ phải truyền trong phạm vi một cluster. Tuy nhiên việc
quản lý tính chuyên động của các nút trở nên phức tạp hơn. Kiến trúc mạng phân
cấp thích hợp cho các mạng có tính chuyền động thấp.
- Mạng MANET kết hợp (Aggregate):
+ Trong kiến trúc mạng này, mạng phân thành các vùng (zone) và các nút
được chia vào trong các vùng. Mỗi nút bao gồm hai mức tô-pô: tô-pô mức nút mạng
(node level) và tô-pô mức vùng (zone level; high level topology).
+ Ngồi ra, mỗi nút cịn đặc trưng bởi hai ID: node ID và zone ID. Trong
một zone có thể áp dụng kiến trúc đắng cấp hoặc kiến trúc phân cấp.


1.3. VAN DE DINH TUYEN TRONG MANG 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 nguỗn-đích và phân phối các gói tin đến đích
chính xác.

Truyển thơng trong mạng MANET
nút mạng

dựa trên các đường đi đa chặng và mọi

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 thê
truyễn 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 phu 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 hắn khi mức độ di động của các nút mạng
tăng cao.

1.3.1. Các thuật toán định tuyến truyền thống
Dé tìm đường đi cho các gói tin qua hệ thống các router trong mạng, các giao
thức

định tuyến

truyền

thống

thường

(Distance Vector Routing - DVR)
LSR).

sử dụng

giải thuật véc tơ khoảng

hoặc trạng thái lién két (Link State Routing —

Thuật toán Distance Vector cịn được gọi là thuật tốn Bellman-Ford,

dùng trong mạng ARPANET

cách
được

lúc mới ra đời và được sử dụng trong mạng Internet

với tên gọi là RIP (Routing Information Protocol). Thuật toán Link State được sử

dung

trong

giao

thttc

OSPF

(Open

Shortest

Path

First)

va

giao

thie

ISIS

(Intermediate System to Intermediate System) cua Internet.
- Trong giải thuật Distance Vector, mỗi router quảng bá một cách định kỳ
tới các láng giểng thông tin khoảng cách từ nó tới tất cả các router khác. Các
router dựa trên thơng tin nhận được này tính tốn đường đi tốt nhất tới các router


khác. Bằng việc so sánh các khoảng cách từ mỗi láng giểng tới một đích nào đó,
router có thê quyết định láng giềng nào sẽ là chặng tiếp theo trong đường đi tới
đích để đường đi là tối ưu nhất. Bảng định tuyến tại cdc router do đó lưu trữ các

thơng tin về các đích trong mạng (các router khác trong mạng), chặng tiếp theo và
khoảng cách tới đích. Sử dụng các giao thức định tuyến theo véc tơ khoảng cách
thường tốn ít tài nguyên của hệ thống. Tuy nhiên tốc độ đồng bộ giữa các bộ định
tuyến lại chậm và thông số được sử dụng để chọn đường đi có thê khơng phù hợp
với những hệ thống mạng lớn.
- Trong giải thuật Link State, mỗi router duy trì một thơng tin đầy đủ về cầu
hình của tồn bộ mạng. Đề làm được điều này, mỗi router quảng bá định kỳ các gói
tin LSA (Link Sfate Advertisment) có chứa thơng tin về các láng giéng va gia tdi
mỗi láng giềng. Các thông tin này sẽ được truyền tới tất cả cdc router trong mang.
Từ thông tin về giá của các liên kết trong tồn bộ mạng, các router có thể tính tốn
đường đi ngắn nhất tới các đích cé thé. Sử dụng thuật toán định tuyến trạng thái liên
kết sẽ dẫn đến một số nhược điểm: Nút sử dụng định tuyến theo trạng thái kết nối sẽ

phải cần nhiều bộ nhớ hơn và hoạt động xử lý nhiều hơn là sử dụng định tuyến theo
véc tơ khoảng cách.
Việc sử dụng các giao thức định tuyến truyền thống trong mạng MANET với
việc xem mỗi nút như các router dẫn tới một loạt các vấn đề: Tiêu tốn băng thông
mạng và năng lượng nguồn nuôi cho các cập nhật định kỳ; Các nút bị phá vỡ chế độ

tiết kiệm năng lượng do liên tục phải nhận và gửi thơng tin; Mạng có thể bị quá tải
với các thông tin cập nhật khi số nút trong mạng tăng, do đỏ làm giảm tính khả mở
của mạng: Các đường đi dư thừa được tích luỹ một cách khơng cần thiết, Hệ thống

khó có thể phản hồi đủ nhanh với các thay đổi thường xuyên trong cấu hình mạng.

1.3.2. Bài tốn định tuyến mạng MANET
Có thể thấy, các giao thức định tuyến truyền thống đặt q nhiều tính tốn và
truyền thơng với các nút di động trong mạng MANET.

Thêm vào đó, u cầu về

tính hội tụ của các giao thức sẽ khó có thể thực hiện trong mang MANET

voi tinh

chat động của môi trường. Mặc dù tốc độ hội tụ có thể cải thiện bằng cách gửi các
10


thông điệp cập nhật thường xuyên hơn nhưng điều này sẽ làm tiêu tốn thêm băng
thông và năng lượng nguôồn ni. Hơn nữa, khi cấu hình mạng ít thay đổi việc gửi
thường xuyên các cập nhật sẽ rất lãng phí.
Do vậy, các giao thức định tuyến trong mạng MANET cần giảm tổng phí cho
việc định tuyến,

thích ứng nhanh và tự động với các điều kiện thay đổi của mạng.

Giao thức phải đảm bảo thực hiện hiệu quả trong môi trường khi các nút đứng yên
và băng thông là không giới hạn và đủ hiệu quả khi băng thông tồn tại giữa các nút
thấp và mức độ di chuyền và thay đổi cấu hình cao.
1.4. GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MANG

MANET

[1]

1.4.1. Giao thức định tuyến unicast trong mạng MANET
Các giao thức định tuyến unicast trên mạng MANET:

Giao thức định tuyến

theo bảng (Table - Driven Routing Protocol), giao thức định tuyến theo yêu cầu (On
— Demand Routing Protocol) và giao thức dinh tuyén lai (Hybrid Routing Protocol)
như được thể hiện trong hình 1.4.

1.4.1.1. Giao thức định tuyến theo bảng ghi
Giao thức định tuyến theo bảng ghi còn được gọi là giao thức chủ ứng
(Proactive). Với giao thức này, bất kỳ một nút trong mạng đều ln duy trì trong
bảng định tuyến của nó thơng tin định tuyến đến tất cả các nút khác trong mạng.
Thông tin định tuyến được phát broadcast trên mạng theo một khoảng thời gian quy
định để giúp cho bảng định tuyến luôn cập nhật những thông tin mới nhất. Một nút
nguồn có thê lấy thơng tin định tuyến ngay tức thì khi cần thiết.
Với những mạng mà các nút đi chuyển nhiều hoặc các liên kết giữa các nút
thường bị đứt thì cần phải có cơ chế tìm kiếm hoặc sửa đổi thông tin của nút bị đứt
trong bảng định tuyến. Nếu các liên kết đó khơng được sử đụng thì sẽ trở nên lãng
phí tài ngun ảnh hưởng đến băng thơng mạng. Vì vậy giao thức này chỉ áp dụng
cho mơ hình mạng MANET mà các nút đi chuyên.

11


Các giao thức hoạt động theo kiểu giao thức định tuyến theo bảng ghi:
DSDV_

(Destination

Sequenced

Distance

Vector),

WRP

(Wireless

Routing

Protocol), GSR (Global state routing)...

Các giao thức định tuyến trong mạng ad hoc
Ỹ
On-demand

Y
Table-driven

Ỳ
Hybrid

(Dinh tuyén theo yéu cau)

(Dinh tuyén theo bang ghi)

(Dinh tuyén lai)

Ỷ

Y

Link state

Distance vector

(Trang thai

(Vécto khoang|]

lién két)

cach)

eo

Link state

Distance vector

|(Trang thai lién} | (Vécto khoang
két)

cach)

DSR

b>

AODV

OLSR

DSDV

SA-DSR

|P}

MAODV

FSR

WRP

MAR-DSR

|B} CA-AODV

CBRP

b> MAR-AODV

b>

SAODV

>

TORA

Lp

LAR

GSR

Hình 1.4. Phân loại các giao thức định tuyến cho mạng MANET

12

ls
SD-ZRP

GZRP

MZRP


1.412. Giao thức dinh tuyén diéu khién theo yêu cầu
Còn được gọi là giao thức phản ứng (Reactive). Theo phương pháp này các
con đường đi sẽ được tạo ra nếu có yêu cầu. Khi một nút yêu cầu một tuyến đến
đích, nó phải khởi

đầu một q trình khám

phá tuyến

đường

đến đích (Route

Discovery). Q trình này chỉ hồn tất khi đã tìm ra một tuyến sẵn sàng hoặc tất cả
các tuyến khả thi đều đã được kiểm tra. Khi một tuyến đã được kiểm tra và thiết lap,
nó được duy trì thơng số định tuyến

(Route Maintenance) boi mét số dạng thủ tục

cho đến khi hoặc là tuyến đó khơng thê truy nhập được từ nút nguồn hoặc là khơng
can thiết đến nó nữa.
Với

các cơ chế đó, các giao thức

điều khiển theo yêu

cầu không

phát

broadcast đến các nút láng giềng về các thay đổi của bảng định tuyến theo thời gian,
nên tiết kiệm được tài nguyên trên mạng. Vì vậy loại giao thức này có thể sử đụng
trong mạng MANET phức tạp, có các nút di chuyển nhiễu.
Các giao thức định tuyến hoạt động theo kiểu giao thức định tuyến điều
khiển theo yêu cầu: AODV

(Ađhoc On demand Distance Vector), DSR (Dynamic

Source Routing), TORA (Temporally Ordered Routing Algorithm),...
1.413. Giao thức định tuyến lai
Giao thức này có kết hợp hay gọi là lai (Hybrid) cả hai cơ chế giao thức định
tuyến chủ ứng (Proactive) và giao thức định tuyến phản ứng (Reactive). Giao thức

định tuyến này phù hợp với những mạng quy mơ, kích thước lớn và mật độ các nút
mạng dày đặc.
Trong giao thức định tuyến dạng này mạng được chia thành các vùng (Zone).
Mỗi nút duy trì thơng tin về kiến trúc mạng trong vùng của nó và thơng tin về các
vùng lân cận. Điều đó có nghĩa giao thức định tuyến lai sử dụng giao thức định
tuyến phản ứng giữa các zone và giao thức định tuyến chủ ứng cho các nút mạng
trong cùng zone. Vì vậy đường đi đến mỗi nút trong cùng một zone được lập mà
không cần phải định tuyến ra ngồi zone, trong khi đó các tiến trình khám phá
đường và duy trì đường được sử dụng để tìm kiếm và duy trì đường đi giữa các

13


zone với nhau. Các giao thức định tuyến tiêu biểu sir dung kiéu hybrid: ZRP (Zone
Routing Protocol), ZHLS (Zone-based Hierarchical Link State), HARP (Hybrid Ad
hoc Routing Protocol)...
1.4.2. Giao thức định tuyến mulficast trong mạng MANET
Một trong những phương pháp phổ biến nhất dé phân loại các giao thức định
tuyến multicast cho MANET dựa trên cách phân phối các đường dẫn giữa các thành
viên trong nhóm đã được xây dựng. Theo phương pháp này, các phương thức định
tuyến

multicast hiện có cho MANET

có thể được chia thành các giao thức định

tuyến multicast dạng cây (Tree-based multicast routing protocol), các giao thức
định tuyến multicast dạng mắt lưới (Mesh-based multicast routing protocol).
Mỗi dạng giao thức lại có ưu nhược điểm riêng: Nếu giao thức dạng mắt lưới
có tính ơn định thì giao thức dạng cây lại hiệu quả hơn trong truyền dữ liệu.

Việc phân loại các giao thức định tuyến này sẽ được thê hiện trong hình 1.5

14


Các giao thức định tuyến
Multicast

Ỷ

Ỷ

Các giao thức định
tuyên dang cây (Treebased)

Các giao thức định
tuyên dạng mắt lưới
(Mesh-based)

f—————
Dang cay
Dang cay chia
Inguồn (Sourcesẻ (Shared-tree

tree based)

re)

b>

b>

as 32
x
À
a Or Ta tr foienh

based)

(Seneee- imitated)

Cue tieu so chéing 1] | Dua trén nhom |
Chitin hep
based)

(Cluster-based)

Cựa tiêu sơ kết nơi

Phiên đặc biệt

Dua trén su 6n

Dựa trên gói IP

(Minimum link
based
định (Stabilitybased)

ODMRP,

NSMP

Khởi tạo từ điệêm
nhận (ReceIver-

initiated)

CAMP,

JOD-MRP
5

(Sessionspecific)

muticast (IP
muticast -based)

Dựa trên vùng

(Zone-based)

Hình 1.5. Giao thức định tuyến Multicast của mạng MANET
1.4.2.1. Giao thức định tuyến dạng cây
a. Các giao thức dạng cây nguồn
- Cae giao thirc dinh tuyén multicast dựa trên số chặng tối thiéu (Minimum
hop based Multicast Protocols)
Các giao thức định tuyến multicast đựa trên số chặng tối thiểu hướng đến rút
ngắn tối đa đường dẫn giữa nút nguồn và nút nhận là một phần của nhóm multicast.
Mỗi nút nhận được kết nối đến nút nguồn theo đường dẫn ngắn nhất (hop tối thiểu)
và đường dẫn này độc lập với các đường dẫn khác kết nối nút nguồn với phần còn

lai cua nhom multicast. Multicast Ad hoc On-demand Distance Vector (MAODV)
là một ví dụ điển hình của nhóm giao thức này.
15


- Các giao thức định tuyến mulicast tối thiêu liên két (Minimum-link based
Multicast Protocols)

Các giao thức tối thiêu liên kết hướng đến mục tiêu làm cho làm cho tổng số
liên kết trong cây multicast kết nối từ nút nguồn tới tất cả các nút nhận của nhóm
multicast là nhỏ nhất. Một cây như vậy sẽ sử đụng băng thông hiệu quả và hỗ trợ tốt
cho việc sử đụng đồng thời các kênh khơng dây cho một số cặp nút có thông tin liên
lạc không can thiệp với nhau. Giao thức định tuyến multicast băng thông hiệu quả
Bandwidth-efficient multicast routing protocol (BEMRP)

là một ví dụ của nhóm

này, vì giao thức này cỗ gắng giảm thiểu số lượng các liên kết bổ sung khi một nút
nhận mới gia nhập vào một cây multicast đang tồn tại trước đó thay vì tìm đường
ngắn nhất từ ngn tới đích, nên nó giảm được số lượng gói tin truyền. Hơn nữa,
giao thức này cũng tránh được việc truyền gói tin điều khiển một cách định kỳ để
tiết kiệm được băng thơng truyền.
BEMRP

cịn có thể tối ưu hóa định tuyến

để loại bỏ việc truyền đến các nút

không cần thiết. Điều này sẽ giảm được một số lượng lớn gói tin trong q trình
truyền phát. Giao thức này có ba giai đoạn: Khởi tạo cây, Bảo trì cây và Tối ưu hóa

tuyến. Hạn chế là xác suất của tuyến đường bị phá vỡ tăng do tăng khoảng cách
giữa nguồn và đích bởi vì một nút nối nhóm multicast thông qua nút chuyên tiếp.
- Cac giao

thitc multicast dua

trén su ồn định

(stability-based Multicast

Protocols)
Các giao thức multicast dựa trên sự ổn định hướng đến mục tiêu là duy trì sự

ton tại lâu dài cho cây kết nối từ nút nguồn đến các nút đích trong nhóm multicast.
Để đạt mục tiêu này, tại thời điểm gia nhập cây, mỗi nút nhận chọn đường dẫn ổn

định nhất đến nút nguồn. Điều này sẽ giảm thiểu số lượng cấu hình lại cây. Để xác
định những đường dẫn và cây ổn định, các giao thức định tuyến sử đụng các công
cụ đo thời gian tồn tại của các liên kết trong mạng LET (Link expiration time) và dự
đoán thời gian hết hiệu lực của liên kết. Đại diện là giao thức ABAM

(AssocIativity

- Based Ađ Hoc Multicast) được phát triển từ phiên bản unicast ABR (Associativity
- Based Routing).
16