cải tiến và đánh giá hiệu năng mạng định tuyến đi vòng dựa trên phân loại nút theo góc phân tử

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ


NGUYỄN QUỐC DŨNG


CẢI TIẾN VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG GIAO
THỨC ĐỊNH TUYẾN ĐI VÒNG DỰA TRÊN
PHÂN LOẠI NÚT THEO GÓC PHẦN TƯ



LUẬN VĂN THẠC SĨ






Hà Nội - 2014
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ


NGUYỄN QUỐC DŨNG

CẢI TIẾN VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG GIAO
THỨC ĐỊNH TUYẾN ĐI VÒNG DỰA TRÊN
PHÂN LOẠI NÚT THEO GÓC PHẦN TƯ

Ngành: Công nghệ thông tin
Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và Mạng máy tính
Mã số:

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. HOÀNG XUÂN TÙNG





Hà Nội – 2014

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp này là đề tài nghiên cứu do tôi thực
hiện. Các số liệu và kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn được đo
đạc thực nghiệm trung thực và chưa được công bố ở bất kỳ công trình khoa học
nào khác. Tất cả tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc rõ ràng và được trích dẫn
hợp pháp.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy
định cho lời cam đoan của mình.
Học viên


Nguyễn Quốc Dũng

4

LỜI CẢM ƠN
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sự tri ân sâu sắc đối với các thầy cô
của trường Đại học Công Nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội, đặc biệt là các thầy
cô khoa Công nghệ thông tin của trường đã truyền dạy những kiến thức, kinh
nghiệm quý báu giúp em hoàn thành khóa học tại trường. Con xin gửi lời cảm
ơn tới gia đình, cảm ơn bạn bè đã tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình học
tập và thực hiện luận văn tốt nghiệp.
Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn TS. Hoàng Xuân Tùng, giảng viên khoa
Công nghệ thông tin. Thầy đã nhiệt tình hướng dẫn em hoàn thành tốt nghiệp.
Trong quá trình học tập, cũng như trong quá trình thực hiện luận văn, các
sai sót là khó tránh khỏi. Tuy nhiên em đã cố gắng tối đa để đảm bảo chất lượng
và các tiêu chí của nghiên cứu khoa học. Kính mong quí thầy cô góp ý để luận
văn của em được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Học viên


Nguyễn Quốc Dũng








5

NHẬN XÉT CỦA GV HƯỚNG DẪN, GV PHẢN BIỆN

























6

MỤC LỤC

BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỬ VIẾT TẮT 9
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 10
DANH MỤC HÌNH ẢNH 11
LỜI MỞ ĐẦU 12
Chương 1. GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN THEO THÔNG TIN VỊ TRÍ ĐỊA
LÝ 15
1.1. Tổng quan về giao thức định tuyến theo thông tin vị trí địa lý 15
1.2. Các chiến lược định tuyến trong định tuyến địa lý 17
1.2.1. Chiến lược định tuyến tham lam 17
1.2.2. Chiến lược định tuyến đi vòng 18
1.2.3. Chiến lược định tuyến phát tràn 19
1.3. Giao thức định tuyến “Greedy Perimeter Stateless Routing” 21
1.3.1. Tổng quan 21
1.3.2. Thuật toán định tuyến GPSR 22
Chương 2. GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN “DETOUR ROUTING BASED
ON QUADRANT CLASSIFICATION” 25
2.1. Tổng quan 25
2.2. Chuyển tiếp tham lam và vấn đề vùng trống trong DRQC 26
2.2.1. Chiến lược chuyển tiếp tham lam 26
2.2.2. Vấn đề vùng trống trong giao thức DRQC 27
2.3. Thuật toán định tuyến trong giao thức DRQC 28
2.3.1. Khái niệm, định nghĩa 28
2.3.2. Trạng thái của các nút 28
2.3.3. Định dạng thông điệp gửi 29
2.3.4. Cấu trúc dữ liệu 30

2.3.5. Thuật toán xử lý định tuyến DRQC. 31
7



Chương 3. GIAO THỨC “DETOUR ROUTING BASED ON
COORDINATES ROTATION” 34
3.1. Hạn chế của giao thức định tuyến DRQC 34
3.1.1. Nút tối ưu không thuộc góc với nút đích 34
3.1.2. Ví dụ định tuyến không tối ưu theo DRQC 36
3.2. Đề xuất giải pháp cải tiến giao thức DRQC 37
3.2.1. Giải pháp quay trục tọa độ 37
3.2.2. Phương pháp quay trục áp dụng trong DRQC 40
3.2.3. Ví dụ 41
Chương 4. ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG 44
4.1. Môi trường cài đặt chương trình mô phỏng 44
4.2. Đánh giá tỷ lệ chuyển gói tin thành công trong mạng 44
4.2.1. Kịch bản mô phỏng 44
4.2.2. Kết quả thực hiện đánh giá 45
4.3. Thông lượng trung bình của các giao thức định tuyến địa lý 47
4.3.1. Kịch bản mô phỏng 47
4.3.2. Kết quả thực nghiệm và phân tích 48
KẾT LUẬN 49
TÀI LIỆU THAM KHẢO 51
PHỤC LỤC 1 52
I. CÔNG CỤ MÔ PHỎNG SỰ KIỆN MẠNG NS-3 52
1.1. Tổng quan về NS-3 52
1.2. Các thành phần của NS-3 53
i. Node 54
ii. Application 54

iii. Channel 54
iv. Net Device 54
3. Cài đặt NS-3 55
i. Các phần mềm cần thiết 55
a) Mercurial 55
8



b) Waf 55
ii. Cài đặt và kiểm tra và thực hiện mô phỏng 56
a) Cài đặt NS-3 56
iii. Kiểm tra cài đặt và chạy thử chương trình 61
4. Thêm mới module, cài đặt giao thức định tuyến GPSR và DRQC 63
i. Thêm mới module vào dự án NS-3 63
ii. Cài đặt giao thức định tuyến DRQC, GPSR 64
iii. Cài đặt giao thức DRQC 64
iv. Cài đặt giao thức GPSR 70
PHỤ LỤC 2 71


9



BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỬ VIẾT TẮT
STT

Chử viết tắt

Ý nghĩa
1 AODV Ad-Hoc On-Demad Distance Vector Routing
2 DR-CR Detour Routing based on Coordinates Rotation
3 DRQC Detour Routing Quadrant Classification Protocol
4 DSR Dynamic Source Routing (DSR) [6]
5 GOAFR Greedy Other Adaptive Face Routing
6 GPS Global Positioning System
7 GPSR Geographic Perimeter Stateless Routing Protocol
8 GRP Geographics Routing Protocol
9 NS3 Network Simulator 3

















10

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2-1: Định dạng thông điệp quảng bá 27
Bảng 2-2: Định dạng thông điệp dữ liệu 28
Bảng 2-3: Định dạng thông điệp phản hồi 28
Bảng 2-4: Định dạng cấu trúc bảng định tuyến 29
Bảng 2-5: Định dạng cấu trúc bảng hàng xóm 30
Bảng 3-1: Danh sách các nút hàng xóm DR-CR 39
Bảng 3-2: Danh sách nút hàng xóm mới DR-CR 40
Bảng 4-1: Bảng thông số kịch bản mô phỏng mạng ngẫu nhiên 42
Bảng 4-2: Kết quả tỷ lệ chuyển gói tin thành công 43
Bảng 4-3: Thông số mô phỏng mạng cố định 45


11



DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1-1. Các tiêu chí lựa chọn trong chiến lược tham lam 17
Hình 1-2. Chiến lược định tuyến phẳng trong định tuyến địa lý 19
Hình 1-3. Chuyển tiếp tham lam trong GPSR 22
Hình 1-4. Vấn đề vùng trống trong GPSR 23
Hình 1-5. Quy tắc bàn tay phải 24
Hình 2-1. Định tuyến gói tin theo chiến lược tham lam 26
Hình 2-2. Vùng trống trong giao thức DRQC 27
Hình 2-3. Định nghĩa các nút trong DRQC 28
Hình 2-4. Trạng thái của nút trong DRQC 29

Hình 2-5. Các bước xử lý tìm kiếm đường đi 32
Hình 2-6. Các bước xử lý gói tin phản hồi 33
Hình 3-1. Ví dụ định tuyến DRQC không tối ưu 34
Hình 3-2. Nút tối ưu nằm trên trục tọa độ 35
Hình 3-3. Nút tối ưu không thuộc góc phần tư nút đích 35
Hình 3-4. Ví dụ định tuyến không hiệu quả 36
Hình 3-5. Hệ trục tọa đọ của một nút 37
Hình 3-6. Xoay trục tọa độ của một nút 38
Hình 3-7. Xác định trục tọa độ mới 39
Hình 3-8. Tính góc trục tọa độ mới 40
Hình 3-9. Thuật toán cải tiến định tuyến DRQC 41
Hình 3-10. Ví dụ về định tuyến gói tin DR-CR 42
Hình 3-11. Ví dụ về xoay trục định tuyến gói tin DR-CR 42
Hình 4-1. Cấu trúc mạng gồm 50 nút 45
Hình 4-2. Cấu trúc mạng gồm 100 nút 45
Hình 4-3. Cấu trúc mạng gồm 150 nút 45
Hình 4-4. Cấu trúc mạng gồm 200 nút 45
Hình 4-5. Cấu trúc mạng gồm 250 nút 45
Hình 4-6. Biểu đồ tỷ lệ chuyển gói tin thành công 46
Hình 4-7.Cấu trúc mạng có vị trí cố định 47
Hình 4-8. Thông lượng theo thời gian của các giao thức 48


12



LỜI MỞ ĐẦU
Định tuyến gói tin trong mạng cảm biến không dây (WSN – Wireless
Sensor Network) luôn gặp phải rất nhiều thách thức. Thách thức từ chính các

cấu trúc mạng luôn thay đổi hoặc những rào cản địa lý như sông, hồ, rừng, núi,
Những vấn đề trên là đối tượng nghiên cứu của nhiều giao thức định tuyến
của mạng WSN như: Dynamic Source Routing (DSR) [6], Ad-Hoc On-Demad
Distance Vector Routing (AODV) [6], Định tuyến theo thông tin vị trí địa lý
(geographic routing) là một nhánh nghiên cứu của vấn đề định tuyến trong mạng
WSN và có khả năng nâng cao hiệu suất định tuyến một cách đáng kể do các nút
không cần lưu trữ và cập nhật bảng định tuyến tới từng nút trong mạng [7].
Có nhiều giao thức định tuyến sử dụng thông tin vị trí địa lý đã được trình
bày, đề xuất như GPSR [3], DRQC [8], GOAFR [9] [2]. Tổng hợp lại từ các
giao thức đã được đề xuất có thể đúc kết ra một vài chiến lược định tuyến như
chiến lược tham lam [7], chiến lược tham lam kết hợp đi vòng [7] chiến lược
phát tràn [6], chiến lược phân chia nút theo góc phần tư [1]. Trong đó chiến lược
định tuyến phân chia nút theo góc phần tư là một chiến lược có nhiều ưu điểm
do kết hợp được tính hiệu quả của chiến lược tham lam và tránh được vùng
trống sớm.
Trong luận văn này tôi tập trung trình bày về chiến lược định tuyến dựa
theo phân chia nút theo góc phần tư. Cụ thể, luận văn nghiên cứu chi tiết giao
thức DRQC [8], từ đó đánh giá và phát hiện hạn chế của giao thức này. Dựa trên
phân tích về hạn chế của giao thức DRQC, một cải tiến mới cho thuật toán, được
đặt tên là DR-CR (Detour Routing based on Coordination Rotation), được đề
xuất. Các thí nghiệm mô phỏng đánh giá hiệu năng của đề xuất được thực hiện
và cho thấy đề xuất cải tiến có thể nâng cao hiệu năng của định tuyến so với
giao thức DRQC gốc và cao hơn giao thức GPSR, một giao thức nổi tiếng và
phổ biến trong mạng WSN.
Việc mô phỏng, đánh giá hiệu năng được trình bày trong luận văn dựa trên
công cụ mô phỏng sự kiện mạng Network Simulation 3 (NS-3) [10][11]. Đây là
một công cụ mô phỏng sự kiện mạng được phát triển sau NS-2 và có nhiều cải
tiến về mặt cấu trúc để nhà phát triển có thể tự do hơn khi thực thi các giao thức
mạng. Đồng thời việc mô phỏng cũng được thực hiện hiệu quả hơn và chi tiết
hơn với nhiều khả năng đưa các sự kiện mô phỏng vào hệ thống [10]. Hạn chế

của NS-3 so với công cụ NS-2 là số lượng các thư viện giao thức đã được tích
13



hợp vào NS-3 là ít hơn so với NS-2 do cộng đồng người sử dụng NS-3 còn chưa
đông. Để thực hiện luận văn, các giao thức DRQC và DR-CR (DRQC cải tiến)
được thực hiện theo các quy định lập trình của NS-3. Phần triển khai của giao
thức GPSR là được sử dụng lại mã nguồn GPSR của cộng đồng phát triển NS-3.
Việc lựa chọn NS-3 thay vì NS-2 là nhằm mục đích khám phá khả năng của một
công cụ phục vụ nghiên cứu mới. Tuy nhiên mục tiêu này không là mục tiêu
chính của luận văn.
Nội dung của bài Luận văn gồm có 4 chương chính
Chương 1- Giao thức định tuyến theo thông tin địa lý
Tóm lược tổng quan về giao thức định tuyến theo thông tin vị trí địa lý
trong mạng cảm biến không dây, các chiến lược định tuyến trong mạng không
dây. Trong chương 1, còn tập trung giới thiệu về giao thức định tuyến “Greedy
Perimeter Staless Routing”, là giao thức định tuyến áp dụng chiến lược định
tuyến tham lam phổ biến và hiệu quả.
Chương 2 – Giao thức định tuyến “Detour Routing Based on Quadrant
Classification”
Giới thiệu giao thức định tuyến địa lý “Detour Routing Based on Quadrand
Classification – DRQC” [8] đã được nhóm tác giả công bố trong một số công
trình nghiên cứu của họ. Kiến thức phần chương 2 tập trung phân tích và giới
thiệu về giao thức định tuyến đi vòng dựa trên phân loại nút theo góc phần tư
giúp làm cơ sở cho sự cải tiến giao thức DR-CR ở chương 3.
Chương 3 – Giao thức Detour Routing based on Coordinates Rotation
Nội dung chương 3, phân tích một số hạn chế của giao thức DRQC. Trong
chương 3, chúng tôi đề xuất giải pháp quay trục giúp cho định tuyến gói tin hiệu
quả hơn. Cải tiến mới này được đặt tên là Detour Routing based on Coordination

Rotation (DR-CR).
Chương 4 – Đánh giá hiệu năng
Giới thiệu về kịch bản mô phỏng, đánh giá hiệu năng của ba giao thức định
tuyến GPSR, DRQC và DR-CR (cải tiến từ DRQC), cũng như đánh giá và nhận
xét về tỷ lệ chuyển tiếp gói tin thành công, thông lượng trung bình của ba giao
thức trong từng trường hợp khác nhau.
14



Kết luận
Phần này đưa ra một số kết quả đạt được của quá trình nghiên cứu luận
văn, rút ra một số hạn chế, vấn đề gặp phải. Phần này sẽ trình bày một số định
hướng tiếp theo giúp hoàn thiện vấn đề nghiên cứu trong tương lai.












15

Chương 1. GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN THEO THÔNG TIN
VỊ TRÍ ĐỊA LÝ
1.1. Tổng quan về giao thức định tuyến theo thông tin vị trí địa lý
Với sự phát triển ngày càng nhanh của hệ thống mạng máy tính không dây
như: Wireless Network, Ad hoc network, Sensor network… cũng như yêu cầu
về chất lượng của các dịch vụ của các ứng dụng mạng ngày càng cao dẫn tới
phát triển và cải tiến các thuật toán về định tuyến (quyết định đường đi một gói
tin trên mạng máy tính) trong mạng máy tính không dây. Có rất nhiều thuật toán
định tuyến cho mạng không dây như AODV [6], DSR [6], GPSR [3], … Hiện
nay những thuật toán định tuyến gói tin theo thông tin vị trí địa lý (Geographic
Routing Protocol) đã được nghiên cứu rất nhiều, có hơn 50 giao thức đã được đề
xuất [2] trong những năm gần đây.
Những thuật toán định tuyến địa lý Geographic Routing Protocols (GRP)
dùng thông tin vị trí địa lý của các thiết bị trong hệ thống mạng để quyết định
việc gửi gói tin trong mạng. Không giống như những thuật toán định tuyến theo
cấu trúc mạng (Mạng máy tính có dây), các thuật toán định tuyến địa lý không
cần phải duy trì và cập nhật thông tin bảng định tuyến [7]. GRP sử dụng thông
tin địa lý – Global Positioning System (GPS) để định tuyến. Nhiều thuật toán
định tuyến theo vị trí địa lý sử dụng chiến lược tham lam (greedy) nhằm cố gắng
tiếp cận tới vị trí nút đích trong mỗi bước chuyển tiếp gói tin theo một tiêu chí
tối ưu nào đó. Tuy nhiên, nhiều thuật toán tham lam sẽ thất bại hoặc có hiệu suất
định tuyến không cao trong các trường hợp có quá ít các nút trong phạm vi định
tuyến – vùng trống (void area). Chính vì vậy, có rất nhiều thuật toán cải tiến
hoặc kết hợp các chiến lược tìm kiếm khác nhau để xây dựng nên những thuật
toán định tuyến tối ưu cho các trường hợp khác nhau (GPSR [3], GOAFR [9])
Định tuyến theo thông tin địa lý – định tuyến địa lý (định tuyến dựa trên vị
trí địa lý hoặc là định tuyến theo hình học, là kỹ thuật gửi gói tin trong mạng qua
rất nhiều nút trung gian (Hops) bằng cách sử dụng thông tin chính là thông tin vị
trí địa lý của mỗi nút. GRP quyết định đường đi gói tin không được xây dựng từ
những địa chỉ mạng và bảng định tuyến chứa thông tin về định tuyến mà mỗi nút

trong mạng sẽ sử dụng thông tin vị trí địa lý của các nút kề nó (nút hàng xóm).
Mỗi một nút có thể chọn một nút hàng xóm là nút chuyển tiếp dựa theo một tiêu
chí tối ưu nào đó (ví dụ nút hàng xóm gần nút đích nhất). Nút này sẽ chuyển tiếp
thông tin tới nút đích qua các bước tiếp theo. Thực chất mỗi nút sẽ không có
bảng định tuyến, cũng không có những thiết bị định tuyến. Các giao thức định
16



tuyến địa lý rất cần thiết cho những mạng có sự thay đổi về cấu trúc như mạng
không dây, mạng ad-hoc, mạng cảm biến, . Trong mạng không dây định tuyến
truyền thống sử dụng thông tin bảng định tuyến và trạng thái liên kết là rất tốn
kém [7]. Các thuật toán định tuyến truyền thống sử dụng bảng định tuyến yêu
cầu chi phí cho xử lý và gửi nhận thông tin quảng bá là rất lớn và thường xuyên
phải cập nhật thông tin cho bảng định tuyến đối với những cấu trúc mạng luôn
thay đổi. Ngược lại, những thuật toán định tuyến địa lý được thiết kế để làm việc
với những cấu trúc mạng có trạng thái luôn thay đổi và hỗ trợ tốc độ cấp phát
gói tin cao trong các mạng di động. Tất cả nhũng thuật toán về định tuyến địa lý
đều tuân theo nhưng yêu cầu sau [7]:
- Một nút có thể xác định thông tin vị trí của chính nút đó.
- Một nút có thể biết vị trí của nút hàng xóm với nó.
- Trước khi chuyển tiếp thông tin phải biết trước vị trí nút đích.
Với yêu cầu thứ nhất, bằng các hệ thống GPS hoặc những hệ thống vệ tinh
dò tìm chuyển hướng cơ bản, thông tin về vị trí của những thiết bị rất nhỏ có thể
được dễ dàng xác định. Hơn nữa hệ thống dò tìm vị trí cho những ứng dụng
trong nhà, các thiết bị có kích thước nhỏ đã được phát triển từ rất sớm và ngày
càng phát triển. Với yêu cầu thứ 2, các nút cần quảng bá thông tin vị trí tới
những thành phần khác của mạng và thông tin vị trí của một nút sẵn sàng để tính
toán các nút tiếp theo gần với nút đích nhất trong quá trình định tuyến.
Điều kiện chính để có những yêu cầu giả định trên là phải có hệ thống

thông tin vị trí địa lý GPS. Nếu GPS sẵn sàng cho các nút mạng thì định tuyến
theo thông tin vị trí sẽ hỗ trợ một cách hiệu quả và mở rộng các giải pháp cho
định tuyến trong mạng không dây và di động. Để xác định các nút tiếp theo
trong quá trình định tuyến, Có rất nhiều các chiến lược định tuyến và mỗi chiến
lược định tuyến đều có những ưu và nhược điểm khác nhau. Các nút mạng luôn
bị ràng buộc về phạm vi truyền tải thông tin, khi một nút không có các nút hàng
xóm nào trong phạm vi truyền tin của nó, trong trường hợp này gói tin chuyển
tiếp sẽ bị giữ lại và bị xóa. Luận văn sẽ trình bày một vài chiến lược tìm kiếm
đường đi phổ biến trong định tuyến sử dụng thông tin vị trí địa lý mạng không
dây ở phần tiếp theo.
17



1.2. Các chiến lược định tuyến trong định tuyến địa lý
1.2.1. Chiến lược định tuyến tham lam
Một trong những phương pháp được đề xuất đầu tiên cho việc định tuyến
địa lý được công bố trong những năm 1980 là chiến lược định tuyến tham lam
[7]. Tất cả các giao thức định tuyến áp dụng theo chiến lược tham lam thì tại các
nút thực hiện chuyển tiếp sẽ quyết định chuyển tiếp gói tin một cách tối ưu theo
một tiêu chí tối ưu nhất so với nút hiện tại đang thực hiện tính toán.
Việc lựa chọn nút tiếp theo – next hops (Thiết bị mạng chuyển tiếp gói tin)
theo chiến lược chuyển tiếp tham lam dự trên những tiêu chí sau [7]:
- Progess (Khoảng cách tới đích): khoảng cách ngắn nhất của hình chiếu
các nút trên trục st (trục đích nguồn) (Hình 1-1):
- Khoảng cách tới đích ngắn nhất: Là khoảng cách địa lý từ chính các nút
đến nút đích (Hình 1-1).
- Góc xa, góc tách (góc tạo bởi nút nguồn - nút hàng xóm với trục nguồn
đích) (Hình 1-1).

Hình 1-1. Các tiêu chí lựa chọn trong chiến lược tham lam
1

Ví dụ Hình 1-1, giải thích chi tiết các tiêu chí lựa chọn tham lam tối ưu cho
việc định tuyến gói tin trong mạng máy tính không dây.
- NC (Nearest closer): Lựa chọn theo tiêu chí nút hàng xóm ngần nút
nguồn nhất.
- Greedy (Tham lam): Lựa chọn tiêu chí khoảng cách ngắn nhất từ nút
đích tới các nút hàng xóm.

1
Nguồn: tài liệu [7]
18



- CR (Compass Routing): Lựa chọn tiêu chí góc tạo bởi nút hàng xóm, nút
nguồn, nút đích là nhỏ nhất.
- NFP : Lựa chọn nút hàng xóm có khoảng cách hình chiếu gần nút nguồn
nhất.
- MFR: Lựa chọn nút hàng xóm có khoảng cách hình chiếu gần nút đích
nhất.
Chiến lược chuyển tiếp tham lam có một nhược điểm quan trọng: khi số
lượng các nút mạng trong một vùng diện tích rất ít hoặc không có hàng xóm nào
gần với nút đích nhất trong mọi trường hợp thì việc định tuyến sẽ không thực
hiện thành công. Trong trường hợp này chiến lược định tuyến cần tới một vài
thao tác đơn giản để tiếp tục định tuyến bằng chiến lược tham lam. Phương thức
GEDIR [5] là một chiến lược định tuyến tham lam cùng với các bước quay lui.
Khi một thông tin định tuyến tìm thấy vùng trống (void area), thì nó sẽ gửi gói
tin về đúng nút đã chuyển tiếp trước đó, áp dụng lại quy tắc tham lam khi thực

hiện việc tìm kiếm nút kết thúc từ vùng lựa chọn, đó là chiến thuật lặp tự do.
Để cải thiện hiệu suất cho các thuật toán tham lam áp dụng lựa chọn MFR
và CR nếu tồn tại sẵn thông tin của nút hàng xóm cấp 2 (2- neighbhors) tương
ứng của mỗi nút. Một số thuật toán tham lam sử dụng thông tin của nút hàng
xóm cấp 2 đã được thiết kế tuy nhiên có thể làm tăng thời gian của độ trễ truyền
tin. Các thuật toán tham lam với hàng xóm cấp 2 có thể được thêm vào các thuật
toán thông minh để ngăn chặn những vùng trống trong định tuyến.
1.2.2. Chiến lược định tuyến đi vòng
Khi định tuyến gói tin gặp phải vùng trống trong quá trình định tuyến,
trong trường hợp này gói tin sẽ không đi qua được các vùng trống theo chiến
lược tham lam. Một số thuật toán đã được áp dụng để gói tin có thể vượt qua
được các vùng trống. Tuy nhiên, định tuyến theo đồ thị phẳng là chiến lược
thường được sử dụng và thường áp dụng cùng với chiến lược tham lam.
Định tuyến đồ thị phẳng (Planar Graph Routing) [7] là chiến lược định
tuyến theo thông tin địa lý chuyển tiếp gói tin qua những vùng trống (void area)
dựa vào các nút xung quanh vùng viên của các mặt phẳng theo quy tắc “bàn tay
phải” hoặc “bàn tay trái”. Vùng trống (vùng tối thiểu) luôn tồn tại các nút mạng
quanh vùng biên của những vùng trống, tại các vùng biên một nút cần chuyển
tiếp gói tin không thể tìm thấy một hàng xóm nào gần với đích hơn chính nó, nút
như vậy còn gọi là nút chết. Đồ thị phẳng là một nội dung quan trọng cho quá
19



trình phục hồi đường định tuyến gói tin từ những vấn đề vùng tối thiểu (Local
minimum) (Hình 1-2). Định tuyến đồ thị phẳng được xây dựng trên ý tưởng là
mọi liên kết các vị trí là một mạng truyền thông nằm trên các đồ thị phẳng. Và
một gói tin có thể chuyển tiếp thành công qua các mặt phẳng của đồ thị. Định
tuyến phụ thuộc vào mặt phẳng có nghĩa là các nút của mặt phẳng chuyển tiếp
thông tin qua vùng mạng biên bằng cách áp dụng quy tắc “Bàn tay phải” hoặc

“Bàn tay trái”. Quy tắc này rất tốt để giải quyết vấn đề chuyển gói tin qua vùng
trống. Một nút tìm kiếm các nút khác trong đường định tuyến nhằm để giải
quyết vấn đề vùng trống luôn tìm kiếm theo một con đường duy nhất là gửi gói
tin đến các nút bên trái hoặc gửi gói tin đến các nút bên phải. Kỹ thuật chuyển
tiếp gói tin dựa theo quy tắc bàn tay phải đã được các tác giả trình bày chi tiết
trong tài liệu [7].

Hình 1-2. Chiến lược định tuyến phẳng trong định tuyến địa lý
2
Hình 1-2, các mặt phẳng F1, F2, F3, F4 được tạo bởi các nút mạng. Khi áp
dụng quy tắc bàn tay phải hoặc bàn tay trái. Thuật toán sẽ tìm kiếm một đường
chuyển tiếp gói tin từ nút nguồn {s} tới nút đích {t} bằng cách chuyển tiếp qua
các đường biên của từng mặt phẳng.
1.2.3. Chiến lược định tuyến phát tràn
Phát tràn là một chiến lược định tuyến đơn giản trong việc tìm kiếm đường
đi của gói tin. Phát tràn sẽ gửi các gói tin qua tất cả các hàng xóm ngoại trừ nút
chuyển tiếp trước nó. Có hai loại thuật toán phát tràn chính là pháp tràn không
kiểm soát (Uncontrolled Flooding) và phát tràn có kiểm soát (Control Flooding).
Thuật toán phát tràn không kiểm soát có thể gây ra các vấn đề nghiêm
trọng trong quá trình quảng bá gói tin. Tất cả các nút có hàng xóm sẽ gửi gói tin

2 Nguồn: tài liệu [7]
20



quảng bá vô thời hạn. Nếu một nút có nhiều hơn hai hàng xóm thì dẫn đến vấn
đề gây bảo gói tin quảng bá.
Thuật toán phát tràn có kiểm soát được chia thành hai thuật toán định tuyến
chính là phát tràn có kiểm soát số tuần tự - Sequence Number Controlled

Flooding (SNCF) và phát tràn đường đi ngược - Reverse Path Flooding (RPF).
Trong SNCF, mỗi nút sẽ gửi kèm theo địa chỉ của chính nó và số thứ tự vào gói
tin. Mỗi nút đều có một bộ nhớ và lưu số thứ tự. Nếu một nút nào đó nhận được
gói tin có số thứ tự và địa chỉ tồn tại trong bộ nhớ, nó sẽ bị loại bỏ tức thì. Trong
khi đó RPF thì mỗi nút sẽ gửi duy nhất gói tin chuyển tiếp. Nếu nó nhận được
gói tin từ nút tiếp theo phản hồi về, nó sẽ gửi lại thông tin cho nút chuyển tiếp
trước đó.
Tất cả các giao thức sử dụng chiến lược phát tràn đều có thuật toán làm
việc tương đối giống nhau với đặc điểm:
- Mỗi nút hoạt động như một thiết bị phát và thiết bị thu.
- Mỗi nút sẽ cố gắng gửi tất cả các gói tin tới các nút hàng xóm ngoại trừ
nút chuyển tiếp trước đó.
Kết quả nhận được là tin nhắn cuối cùng sẽ tìm ra đường đi của gói tin
trong mạng. Thuật toán có thể cần nhiều yêu cầu phức tạp hơn nhiều, trong một
số trường hợp, sẽ kiểm tra các gói tin nhận được của các nút để tránh sự trùng
lặp và gói tin gửi đi vô hạn trong mạng. Một vài giao thức cải tiến của thuật toán
phát tràn gọi là phát tràn có chọn lọc nhằm giải quyết vấn đề chỉ gửi gói tin đến
những nút có cùng hướng với nút đích. Trong thuật toán phát tràn có chọn lọc
các bộ định tuyến không gửi gói tin đến tất cả các nút mà chỉ những nút có cùng
hướng với nút đích [6].
Lợi ích của thuật toán
Khi gửi một gói tin qua mạng, gói tin sẽ tìm kiếm tất cả các đường đi tới
đích để chọn được đường đi ngắn nhất. Đây là thuật toán đơn giản, dễ triển khai,
cài đặt.
Hạn chế
- Phát tràn có thể sẽ gây tốn kém về băng thông. Trong khi một tin nhắn
chỉ có một điểm đến, nó phải gửi đi tất cả các nút khác trong mạng.
Trong trường hợp này sẽ gây ra quá tải về băng thông và dễ bị tấn công
từ chối dịch vụ.
21

- Gói tin có thể được sao chép và tiếp tục được tải lên mạng và đòi hỏi
thuật toán phải xử lý phức tạp để loại bỏ những gói tin này.
- Các gói tin trùng lặp có thể lưu trữ mãi mãi. Trừ khi các biện pháp
phòng ngừa không được thực hiện.

1.3. Giao thức định tuyến “Greedy Perimeter Stateless Routing”
1.3.1. Tổng quan
Greedy Perimeter Stateless Routing (GPSR) là một thuật toán định tuyến
cổ điển cho mạng chuyển mạch gói không dây. GPSR dùng thông tin vị trí địa lý
của các thiết bị chuyển tiếp (Router) và thông tin vị trí của nút đích để quyết
định đường đi tiếp theo cho gói tin. GPSR chuyển tiếp gói tin sử dụng thuật toán
tham lam. Thuật toán tham lam dùng duy nhất thông tin vị trí địa lý của các thiết
bị trong hệ thống mạng để chuyển tiếp và thông tin vị trí địa lý của hàng xóm
hiện thời trong cấu trúc mạng, khi thuật toán tham lam không tìm thấy một nút
mạng tiếp theo của đường đi gói tin tới đích thì định tuyến gói tin trên mặt
phẳng được áp dụng để chuyển tiếp gói tin và phục hồi lại đường đi (chiến lược
phục hồi). Chiến lược phục hồi chuyển tiếp gói tin xung quanh mặt phẳng tạo
bởi các vùng trống trong hệ thống mạng, khi các điều kiện áp dụng thuật toán
tham lam được phục hồi thì GPSR sẽ áp dụng thuật toán tham lam thay vì định
tuyến đồ thị phẳng. GPSR lưu giữ lại duy nhất thông tin cục bộ vị trí của các nút
mạng nên GPSR sẽ được mở rộng tốt hơn nếu quy mô mạng tăng hơn các thuật
toán short-path và ad-hoc routing theo tài liệu [3].
Trong hệ thống mạng gồm toàn bộ các trạm không dây, giao tiếp qua lại
giữa những nút đích và nút nguồn có thể phải qua rất nhiều nút trung gian.
Trong cộng đồng các nhà nghiên cứu, nhiều thuật toán định tuyến cho mạng
không dây đã được đề xuất, thực hiện và kiểm chứng. Sự thay đổi cấu trúc mạng
trong mạng không dây là lớn hơn đối với mạng có dây. Trên hệ thống mạng có

dây, việc sử dụng các thuật toán định tuyến Distance Vector (DV) [1] và Link
state (LS) [6] là rất hiệu quả và được phát triển từ rất sớm, tuy nhiên một thuật
toán định tuyến luôn luôn phụ thuộc vào các yếu tố như:
- Tốc độ thay đổi của cấu trúc mạng
- Số lượng các nút mạng trong hệ thống
Cả hai yếu tố này sẽ làm cho thuật toán DV và LS trở nên phức tạp nếu
như áp dụng trong mạng không dây có tốc độ thay đổi cấu trúc lớn và số lượng
22



các nút mạng nhiều. Vì vậy, một thuật toán định tuyến đã được đề xuất từ rất
sớm cho mạng không dây đó là: “Greedy Perimete Stateless Routing (GPSR)”.
GPSR mục đích mở rộng số lượng các nút mạng và tăng tốc độ thay đổi cấu trúc
mạng. Những yếu tố được sử dụng để đánh giá cho giao thức định tuyến là:
- Chi phí giao thức gửi thông điệp: làm thế nào để các gói tin được gửi đi
là nhiều nhất.
- Tỷ lệ gói tin được gửi thành công: các gói tin gửi và chuyển thành công
tới đích như thế nào?
- Trạng thái của nút: mỗi nút sẽ lưu trữ dữ liệu thế nào.
1.3.2. Thuật toán định tuyến GPSR
Trong giao thức định tuyến GPSR, các gói tin được chuyển tiếp dựa trên sự
kết hợp của hai phương thức chuyển tiếp là: Chuyển tiếp tham lam – Greedy
forwarding và chuyển tiếp xung quanh vùng trống (Perimeter forwarding).
1.3.2.1. Chuyển tiếp tham lam trong GPSR


Hình 1-3. Chuyển tiếp tham lam trong GPSR
3

Các gói tin trong mạng được gán các thông tin về vị trí địa lý của nút
nguồn và nút đích. Mỗi một nút trong mạng sẽ biết được thông tin về vị trí của
các nút hàng xóm với nó. Một nút thực hiện chuyển tiếp sẽ tính toán lựa chọn
một trong số các nút hàng xóm của nó ngần với nút đích nhất dựa theo thông tin
về vị trí nút đích và nút nguồn gán trong gói tin nó nhận được. Các bước chuyển
tiếp sẽ được thực hiện lặp lại tại mỗi nút khi nhận được gói tin cho tới khi gói tin
được gửi tới nút đích.

3
Nguồn: tài liệu [3]
23



Ví dụ chuyển tiếp tham lam trong Hình 1-3, khi nút x nhận được một gói
tin gửi đến nút đích D, x xem xét các nút trong phạm vi phủ sóng tín hiệu của
nó. Nút x sẽ gửi gói tin tới nút y vì trong phạm vi phủ sóng của nút x không có
nút khác ngoài nút y có khoảng cách gần với nút D nhất. Quá trình chuyển tiếp
tham lam này sẽ được lặp lại cho tới khi gói tin đến được nút D.

Hình 1-4. Vấn đề vùng trống trong GPSR
4

Nếu giữa nút D và nút x không tồn tại một nút trung gian nào có khoảng
cách gần với đích nhất hơn chính nút x và là hàng xóm của nút x, thì vấn đề
vùng trống xảy ra. Trong Hình 1-4, có 2 trường hợp gói tin được chuyển tới nút
D như sau: x->y->z->D hoặc x->w->v->D. Tuy nhiên thuật toán chuyển tiếp
tham lam sẽ không sử dụng cho hai trường hợp này.
1.3.2.2. Chuyển tiếp vùng biên (Perimeter Forwarding)
Trong giao thức định tuyến GPSR, khi một nút không tìm thấy các nút

hàng xóm thỏa mãn điều kiện chỉ ra trong lựa chọn tham lam thì chiến lược định
tuyến dựa trên đồ thị phẳng và quy tắc bàn tay phải được áp dụng [3]. Việc kết
hợp chuyển tiếp tham lam và chuyển tiếp vùng biên trong giao thức định tuyến
GPSR giúp cải thiện hiệu suất định tuyến gói tin.

4 Nguồn: tài liệu [3]
24




Hình 1-5. Quy tắc bàn tay phải
5

Hình 1-5, quy tắc bàn tay phải được áp dụng để gửi gói tin qua một mặt
phẳng được tạo bởi các nút mạng xung quanh vùng trống. Khi gói tin được gửi
qua các nút y, x, z, qua mỗi nút gói tin sẽ được gửi đi theo cạnh bên phải của
hình đa giác tạo bởi các nút. Thứ tự gói tin sẽ đi qua mặt phẳng đa giác (Hình 1-
5) là y -> x -> z -> y.

5 Nguồn: tài liệu [3]
25



Chương 2. GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN “DETOUR
ROUTING BASED ON QUADRANT CLASSIFICATION”
2.1. Tổng quan
Những vùng trống trong các cấu trúc mạng không dây như sông, hồ, rừng,
núi, … luôn dẫn đến hiệu suất định tuyến gói tin không hiệu quả. Vấn đề vùng
trống trong cấu trúc mạng không dây luôn là thách thức đối với các giao thức
định tuyến không dây. Để cải thiện hiệu suất trong các trường hợp này, thuật
toán định tuyến sử dụng thông tin vị trí địa lý áp dụng phương pháp tìm kiếm
tham lam để tìm kiếm thông tin về đường đi tới nút đích mà không phải lưu trữ
và bảo trì thông tin bảng định tuyến. Tuy nhiên, thuật toán tham lam định tuyến
gói tin không thành công hoặc hiệu suất thấp nếu gặp các vấn đề về vùng trống
(void area). Trong phần này tôi sẽ trình bày và phân tích thuật toán định tuyến
dựa trên phân chia góc phân tư “Detour Routing based on Quadrant
Classification (DRQC)” đã được tác giả trong tài liệu [8] đề xuất để giảm thiểu
xảy ra vấn đề vùng trống bằng cách ngăn chặn gửi gói tin đi, đến các vùng trống
trong cấu trúc mạng. Ý tưởng cơ bản của thuật toán là, mỗi nút sẽ biết được
thông tin vị trí địa lý của chính nó và thông tin vị trí của các nút hàng xóm cấp 1
(1-hop neighbors) và hàng xóm cấp 2 (2-hop neighbors). Các nút cũng sẽ xác
định trạng thái của nó là nút đỏ hoặc nút trắng. Một nút là nút đỏ nếu nó không
có vấn đề vùng trống, ngược lại một nút là nút trắng nếu có khả năng xảy ra vấn
đề vùng trống. Trong quá trình xử lý định tuyến DRQC yêu cầu mỗi nút phải
chọn một hàng xóm cấp 2 là nút đỏ và có khoảng cách tới nút đích là ngắn nhất.

Nếu không có nút nào thỏa mãn điều kiện trên thì thuật toán tham lam tìm kiếm
với hàng xóm cấp 2 được áp dụng.
Vì các kiến trúc mạng không dây luôn thay đổi nên một chiến lược đơn
giản cho định tuyến trong mạng Wireless Sensor Network là chiến lược phát
tràn (flooding) giúp cho việc tìm kiếm đường đi của gói tin hiệu quả. Tuy nhiên,
phương thức này không thực sự hiệu quả trong các kiến trúc mạng quan tâm tới
năng lượng và băng thông đường truyền, bởi vì có rất nhiều các nút mạng phải
thực hiện chuyển tiếp gói tin quảng bá và các nút cũng phải xử lý rất nhiều gói
tin được gửi tới mà không thật sự cần thiết.
Có những giao thức định tuyến khác sử dụng thuật toán tham lam để định
tuyến, những thuật toán này hiệu quả hơn so với các thuật thoán phát tràn [8].
Thông thường thuật toán tham lam mỗi một nút yêu cầu giao tiếp duy nhất với