Đánh giá ảnh hưởng của sự mở rộng mạng đến thông lượng tổng cộng của mạng ADHOC bằng mô phỏng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ



Nguyễn Quang Hưng



ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ MỞ RỘNG
MẠNG ĐẾN THÔNG LƯỢNG TỔNG CỘNG
CỦA MẠNG ADHOC BẰNG MÔ PHỎNG











LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI - 2011





ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ



Nguyễn Quang Hưng



ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ MỞ RỘNG
MẠNG ĐẾN THÔNG LƯỢNG TỔNG CỘNG
CỦA MẠNG ADHOC BẰNG MÔ PHỎNG

Ngành: Công nghệ thông tin
Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và mạng máy tính
Mã số: 60 48 15



LUẬN VĂN THẠC SĨ



NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS.NGUYỄN ĐÌNH VIỆT









HÀ NỘI - 2011




MỤC LỤC

BẢNG CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
LỜI MỞ ĐẦU 1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG AD HOC 2
1.1. Tổng quan về mạng Ad hoc 2
1.2. Những sự thách thức 5
1.3. Kết luận 7
CHƢƠNG 2. ẢNH HƢỞNG CỦA SỰ MỞ RỘNG ĐẾN THÔNG LƢỢNG TỔNG CỘNG CỦA
MẠNG AD HOC 8
2.1. Mạng tùy chỉnh[1]: vị trí các nút và mẫu lƣu lƣợng là tùy ý 8
2.2.1 Mô hình giao thức [1] 9
2.2.1 Mô hình vật lý [1] 9
2.2.3 Dung lƣợng vận chuyển của Mạng tùy chỉnh [1] 10
2.2. Mạng ngẫu nhiên[1]: vị trí các nút và các mẫu lƣu lƣợng là ngẫu nhiên 12
2.2.1 Mô hình giao thức [1] 12
2.2.2 Mô hình vật lý [1] 13
2.2.3 Thông lƣợng của Mạng ngẫu nhiên [1] 13
CHƢƠNG 3. GIỚI THIỆU BỘ MÔ PHỎNG NS-2 16
3.1. Giới thiệu bộ mô phỏng NS-2 16
3.2. Cấu trúc NS-2 16
3.3. Các đặc tính của NS-2 18
3.4. Mô phỏng mạng Ad hoc bằng NS-2 [11] 19
3.4.1 Mô hình mạng không dây đơn giản trong NS2 19
3.4.2 Tạo topo mạng không dây 19
3.4.3 Tạo ra sự các hoạt động cho Nút 21
3.4.4 Các thành phần cấu thành mạng trong một mobilenode [11] 23
3.4.5 Các lệnh cơ bản sử dụng trong các trình mô phỏng wireless [8], [11] 23
3.4.6 Các thủ tục cơ bản sử dụng trong các trình mô phỏng wireless [8], [11] 25
CHƢƠNG 4. THÍ NGHIỆM MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 27
4.1. Ý tƣởng xây dựng một chƣơng trình mô phỏng 27
4.2. Xây dựng chƣơng trình mô phỏng 27

4.2.1 Xây dựng một mạng Ad hoc với các thông số cơ bản của node: 27
4.2.2 Xây dựng các hàm có chức năng mô phỏng mạng Ad hoc 27
4.3. Xây dựng kịch bản di chuyển và thiết lập nguồn sinh lƣu lƣợng 28
4.4. Kết quả mô phỏng 29
4.5. Nhận xét 30
CHƢƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 31
5.1. Kết luận 31
5.2. Hƣớng phát triển 31
TÀI LIỆU THAM KHẢO 32



DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1: Mô hình mạng Ad hoc 2
Hình 2: Một số ứng dụng của mạng phân phối những điểm thu nhận thông tin 5
Hình 3: Cấu trúc của NS - 2 17
Hình 4: Luồng các sự kiện cho file Tcl chạy trong NS-2 18
Hình 5: Lược đồ của một mobilenode dưới chuẩn wireless của Monarch của CMU mở rộng
ra NS. 21
Hình 6: Quá trình chạy mô phỏng 29
Hình 7: Đồ thị thông lượng tổng cộng của mạng theo thời gian 29

BẢNG CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
AODV
Adhoc On-demand Distance
Vector
MANET
Mobile Adhoc NETwork
CSMA/CA
Carrier Sense Multiple Access

with Collision Avoidance
MPR
Multi-Point Relays
CSMA/CD
Carrier Sense Multiple Access
with Collision Detection
NS-2
Network Simulator
version 2
DARPA
Defense Advanced Research
Projects Agency
OLSR
Optimized Link State
Routing Protocol
DSDV
Destination-Sequenced
Distance Vector
PRnet
Packet Radio Network
DSR
Dynamic Source Routing
RREP
Route Reply
IEEE
Institute of Electrical and
Electronics Engineers
RREQ
Route Request
LAN

Local Area Network
TORA
Temporally-Ordered
Routing Algorithm
MAC


Media Access Control


WLAN
Wireless LAN
1

LỜI MỞ ĐẦU
Công nghệ mạng Ad hoc là một công nghệ mới và hữu dụng trong số các công
nghệ mạng không dây. Công nghệ này cho phép các nút mạng giao tiếp trực tiếp với
nhau bằng cách sử dụng máy thu phát vô tuyến mà không cần có cơ sở hạ tầng cố
định. Đây là một đặc trưng riêng của mạng Ad hoc so với các mạng truyền thống trước
đây như mạng di động kiểu tế bào (cellular) hay mạng LAN không dây, trong đó các
nút giao tiếp với nhau thông qua trạm gốc (Base Station). Tuy nhiên, mạng Ad hoc
phải đối mặt với một số thách thức như giới hạn phạm vi truyền dẫn, vấn đề trạm ẩn,
mất gói do lỗi đường truyền, sự chuyển động của các nút mạng làm thay đổi tuyến
đường, sự ràng buộc về băng thông và năng lượng, sự mở rộng của số lượng nút mạng.
Trong phạm vi luận văn này, tôi tập trung đưa ra đánh giá ảnh hưởng của sự mở
rộng mạng đến thông lượng tổng cộng của mạng Ad hoc bằng phương pháp mô phỏng.
Khoá luận được chia làm 5 chương:
- Chương 1: Tổng quan về mạng Ad hoc
- Chương 2: Ảnh hưởng của sự mở rộng mạng Ad hoc đến thông lượng tổng
cộng của mạng.

- Chương 3: Giới thiệu bộ mô phỏng NS2
- Chương 4: Mô phỏng và đánh giá kết quả.
- Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tiếp theo của luận văn.
2

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG AD HOC
Chương này trình bày tổng quan về mạng Ad hoc, các ứng dụng trong nhiều lĩnh
vực cuộc sống của mạng Ad hoc. Đồng thời, đề cập đến các thách thức mà mạng Ad
hoc đang phải đối mặt.
1.1. Tổng quan về mạng Ad hoc
Mạng Ad hoc là một loại mạng mới ra đời trong số các mạng truyền thông
không dây. Trong mạng Ad hoc, các node mạng vừa có thể di động vừa có thể truyền
thông với những node khác sử dụng những bộ thu/phát không dây mà không cần sử
dụng một cơ sở hạ tầng mạng cố định. Các nút mạng Ad hoc có thể truyền thông với
nhau kể cả khi giữa chúng không có liên kết không dây trực tiếp, nhờ việc mọi nút
mạng đều được trang bị chức năng của một router để có thể chuyển tiếp các gói tin
cho các nút khác. Điều này là một đặc điểm khác biệt rất lớn của mạng Ad hoc so với
các mạng không dây cổ điển như mạng truyền thông di động kiểu tế bào (cellular) hay
mạng LAN không dây (Wireless LAN), trong những mạng này, mỗi node sẽ phải
truyền thông với một trạm cơ sở và những trạm cơ sở này được kết nối với nhau và
kết nối với mạng có dây (thường là Internet).
Mạng Ad hoc đang được trông đợi sẽ làm nên một cuộc cách mạng truyền
thông không dây trong vài năm tới: bằng sự bổ sung những mô hình mạng cổ điển
(Internet, mạng cellular, truyền thông vệ tinh), mạng Ad hoc sẽ trở nên vô cùng phổ
biến, bằng cách khai thác công nghệ không dây Ad hoc, những thiết bị không dây vô
cùng phổ biến (điện thoại , PDA, laptop …) và những thiết bị cố định (máy trạm,
những điểm truy xuất Internet không dây…) có thể được kết nối cùng nhau sẽ tạo
thành một mạng rộng khắp trên toàn cầu.

Hình 1: Mô hình mạng Ad hoc

3

Những ứng dụng trong tương lai theo xu hướng công nghệ mạng Ad hoc chắc
chắn sẽ chứng minh được rằng nó rất hữu dụng.Ví dụ, hãy xem xét những tình huống
sau đây. Một trận động đất đã phá hủy hầu hết mọi thứ, các cơ sở hạ tầng thông tin
liên lạc của một thành phố lớn (gồm: hệ thống đường dây điện thoại, các trạm cơ sở
của mạng cellular …). Một vài đội cứu hộ (chữa cháy, cảnh sát, y tế …) đang làm việc
trên vùng bị thảm họa đó để cứu người. Để mang lại một sự giúp đỡ tốt hơn cho người
dân thì những đội cứu hộ phải được phối hợp với nhau. Rõ ràng, một hành động phối
hợp chỉ có thể đạt được nếu những người cứu hộ có khả năng giao tiếp với những
người trong đội của mình vả cả những đội khác nữa (ví dụ như cảnh sát với cảnh sát
hay cứu hỏa với y tế). Với công nghệ có sẵn, những nỗi nỗ lực phối hợp của những
người cứu hộ trong hoàn cảnh cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc bị phá hủy nghiêm trọng
là rất khó khăn: thậm chí nếu các thành viên trong nhóm được trang bị những máy bộ
đàm hoặc là các thiết bị tương tự, khi không có quyền truy cập vào các cơ sở hạ tầng
truyền thông cố định có sẵn thì những người cứu hộ chỉ có thể liên lạc trong một phạm
vi gần. Vì vậy một trong những ưu tiên ngày nay trong quản lý thiên tai đó là làm thế
nào để khôi phục lại được hệ thống cơ sở thông tin liên lạc càng nhanh càng tốt, việc
này thường được thực hiện bằng cách sửa chữa các cơ sở hạ tầng đã bị phá hủy và
triển khai các thiết bị thông tin liên lạc tạm thời.
Tình hình có thể khác đi rất nhiều nếu công nghệ mạng Ad hoc đã sẵn sàng:
bằng cách sử dụng đầy đủ các hình thức truyền thông không dây phân cấp hay truyền
thông không dây đa chặng, những người cứu hộ sẽ có khả năng giao tiếp trong một
khoảng cách tương đối xa. Đối với môt khu vực bị thiên tai có một mật độ dân cư
đông hay là một thành phố thì công nghệ mạng Ad hoc có thể mang lại thành công
trong những nỗ lực cứu hộ mà không cần sử dụng một cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc
nào.
Ví dụ trên phần nào mô tả được những tính năng nối bật của những ứng dụng
sử dụng công nghệ mạng Ad hoc; Phần dưới đây trình bày các đặc điểm chính của
mạng này.

Mạng không đồng nhất: Một mạng Ad hoc điển hình là một mạng lưới bao
gồm nhiều thiết bị không đồng nhất. Ví dụ ở trên đã mô tả, các nhóm cứu hộ làm việc
trên vùng bị thiên tai sẽ được trang bị các thiết bị truyền thông giao tiếp khác nhau
như: điện thoại di động, PDAs, bộ đàm hay máy tính xách tay… .Để cho việc thiết lập
một mạng lưới thông tin liên lạc một cách thành công thì công nghệ mạng phải là nền
tảng giúp cho phép các thiết bị khác nhau có thể giao tiếp được với nhau.
4

Tính di động: trong một mạng Ad hoc điển hình, hầu hết các node trong mạng
là di động, một ví dụ trong trường hợp này chính là những người làm việc trong vùng
bị thiên tai mà ta đã nêu trong ví dụ trên.
Mạng phân tán: các nút trong mạng Ad hoc có thể là phân tán theo phương
diện vật lý, trong thực tế khi các nút mạng là gần nhau thì truyền thông qua một chặng
(truyền trực tiếp giữa nút gửi và nút nhận) sẽ hữu dụng hơn rất nhiều và sự truyền
thông qua nhiều chặng là không cần thiết.
Tiềm năng của những ứng dụng trong mạng Ad hoc là rất nhiều, trong đó
chúng ta đánh giá những ứng dụng sau đây là có nhiều tiềm năng nhất:
Phân phối nhanh chóng lưu lượng truy cập các mạng viễn thông và Internet
trên các đường cao tốc và tại các khu đô thị: Những tuyến đường cao tốc và các khu
đô thị có thể được trang bị những trạm thu/phát vô tuyến cố định, gửi những thông tin
quảng bá tới những xe hơi có gắn những thiết bị thu nhận (thí dụ thu tín hiệu GPS,
Wi-fi, ). Các xe hoạt động gần các trạm thu/phát có thể cập nhật được thông tin về
giao thông rất nhanh chóng. So với những công nghệ cũ thì công nghệ mới này sẽ
cung cấp những thông tin chính xác và nhanh chóng hơn.
Truy cập Internet khắp nơi: Ngày nay, tại hầu hết những khu vực công cộng
như, sân bay, nhà ga, khu mua sắm cao cấp, đều được trang bị những điểm truy cập
Internet không dây, bằng cách sử dụng các thiết bị di động của những người dùng
khác như là một cầu nối không dây, việc truy cập internet sẽ được phủ rộng hầu hết
mọi nơi, cho cả những người không ở gần các điểm truy cập.
Phân phối những điểm thu nhận thông tin: Bằng cách sử dụng những trạm

truyền thông không dây những điểm thu nhận thông tin có thể phân phối hoặc thu thập
thông tin từ những người sử dụng. Ví dụ thu nhận thông tin về một chuyến du lịch,
các sự kiện xung quanh, thông tin về các cửa hàng, nhà ăn trong khu một khu vực. …

Ứng dung cho ma


5





Hình 2: Một số ứng dụng của mạng phân phối những điểm thu nhận thông tin
1.2. Những sự thách thức
Mặc dù các công nghệ có thể áp dụng cho mạng Ad hoc là tương đối hoàn
thiện, nhưng những ứng dụng trên nó hầu như hoàn toàn không có. Một trong các
nguyên nhân chính của thực tế này là một số vấn đề trong mạng Ad hoc còn chưa có
hướng giải quyết. Trong phần này chúng ta sẽ mô tả những trạng thái của công nghệ
mạng Ad hoc hiện thời và đối điện với thách thức trong việc thiết kế mạng Ad hoc.
Mạng không dây Ad hoc đã thu hút được nhiều sự quan tâm của của các nhà
nghiên cứu và các ngành công nghiệp trong những năm gần đây; kết quả của một loạt
các hoạt động nghiên cứu là các cơ chế truyền thông không dây Ad hoc cơ bản đã
được thiết kế và chuẩn hóa. Thí dụ một số chuẩn được sử dụng phổ biến nhất là chuẩn
IEEE 802.11 và Bluetooth đã được thực thi trong hàng loạt các thiết bị không dây
thương mại, và những chuẩn này cho phép các thiết bị không dây giao tiếp với nhau
mà ít sử dụng các cơ sở hạ tầng.
Vì vậy, giao tiếp không dây đa chặng (multihop) giữa các thiêt bị khác nhau
như điện thoại di động, máy tính xách tay, PDA hay các thiết bị thông minh đều có thể
trở thành hiện thực với công nghệ được cung cấp hiện thời.

Nguyên nhân của việc có rất ít ứng dụng mạng Ad hoc đó là thực tế khi triển khai các
dịch vụ mạng Ad hoc gặp rất nhiều khó khăn.Những thách thức chính mà chúng ta sẽ
gặp phải là:
- Sự duy trì năng lượng: Những thiết bị trong mạng Ad hoc thường sử dụng
nguồn năng lượng pin được gắn cùng, do đó, một trong những mục tiêu chính của việc
thiết kế mạng là làm sao cho nguồn năng lượng được sử dụng một cách hiệu quả nhất.
- Hình trạng mạng không cấu trúc và/hoặc thay đổi theo thời gian: Trong một
mạng lưới các node, về nguyên tắc một thiết bị di động có thể ở bất kỳ nơi nào trong
một khu vực rộng lớn và liên tục di động, như vậy một đồ thị biểu diễn cho các nút
6

mạng và sự liên kết giữa các node thường là không có cấu trúc. Hơn nữa hình trạng
mạng sẽ thay đổi theo thời gian vì các node có thể liên tục di chuyển. Với nguyên
nhân này việc tối ưu hóa các giao thức trong mạng Ad hoc là một công việc rất khó
khăn.
- Chất lượng thông tin liên lạc kém: Thông tin liên lạc trên một kênh truyền
không dây nói chung là kém chất lượng hơn so với một kênh truyền có dây. Hơn nữa
chất lượng thông tin liên lạc bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường (như: điều kiện
thời tiết, các vật cản, sự can nhiễu tín hiệu của các mạng không dây khác, …).Vì vậy
các ứng dụng cho mạng Ad hoc cần phải có khả năng phục hồi nhanh chóng để đáp
ứng lại sự ảnh hưởng từ bên ngoài này.
- Tính toán sự giới hạn tài nguyên: Đặc trưng của mạng Ad hoc là những tài
nguyên sẵn có rất ít. Đặc biệt năng lượng và băng thông được cung cấp trong mạng rất
hạn chế so với những mô hình mạng trước đây.Những giao thức trong mạng Ad hoc
phải mang lại mức độ thực thi cao trong điều kiện những tài nguyên có sẵn bị hạn chế.
- Khả năng mở rộng: Trong tương lai không xa của mạng Ad hoc, mạng có thể
gồm hàng trăm hay tới hàng nghìn node, điều này có nghĩa là giao thức dành cho
mạng Ad hoc phải có khả năng hoạt động hiệu quả trong môi trường có một số lượng
rất lớn các node tham gia.
Trong trường hợp công nghệ mạng Ad hoc được sử dụng để tạo nên một mạng

rộng khắp thì các vấn đề sau đây cũng nên được quan tâm:
Phân chia mạng toàn cầu: Trong viễn cảnh của một mạng rộng khắp được mô
tả trong phần 1.1 thì dữ liệu sẽ đi qua hầu hết các các mạng thành phần của mạng hỗn
hợp này: Ad hoc, cellular, vệ tinh, wireless LAN, Internet, v.v. Một lý thuyết lý tưởng
là người sử dụng có thể chuyển dữ liệu thông suốt từ một mạng này tới một mạng
khác mà không cần những ứng dụng chuyển đổi hoặc ngắt chuyển đổi. Để thực hiện
được điều này thì quả thực là một nhiệm vụ rất khó khăn về công nghệ.
Mô phỏng sự liên kết giữa các node: Khi thiết kế một giao thức mạng, việc
thiết kế thường được giả định rằng tất cả các node đều tình nguyện tham gia thực thi
mạng này. Trong tương lai của những ứng dụng mạng Ad hoc, những node mạng
thường được sở hữu bởi các đối tượng khác nhau (người dùng cá nhân, các chuyên gia
hay những tổ chức lợi nhuận hoặc phi lợi nhuận), và những node này sẽ tự động tham
gia thực thi các giao thức trong mạng Ad hoc. Vì vậy những node trong mạng phải
được mô phỏng theo một giao thức nào đó một cách chi tiết và đặc biệt.
7

1.3. Kết luận
Chương này đã trình bày tổng quan về mạng Ad hoc. Trong mạng Ad hoc, topo
mạng thường xuyên thay đổi. Do vậy, các nút mạng đều phải thực hiện chức năng của
một router và giao thức định tuyến trong mạng Ad hoc cần giải quyết sự di chuyển của
nút, ràng buộc năng lượng và băng thông.
8

CHƢƠNG 2. ẢNH HƢỞNG CỦA SỰ MỞ RỘNG ĐẾN THÔNG LƢỢNG
TỔNG CỘNG CỦA MẠNG AD HOC
Do trong mạng Ad hoc, các nút mạng đều sử dụng sóng radio để truyền thông
với nhau, nên khi có một nút đang truyền, tất cả các nút mạng trong vùng không gian
xung quanh nó, nếu nhận được tín hiệu với cường độ lớn hơn một ngưỡng nhất định,
đều coi là môi trường truyền bận (đã được sử dụng) và không truyền. Như vậy, việc
mở rộng mạng, có thể là sự tăng mật độ nút, hoặc là tăng số nút trong mạng, đều ảnh

hưởng tới hiệu năng mạng, trong đó tham số hiệu năng chính là tổng thông lượng mà
mạng Ad hoc có thể vận chuyển.
Người ta thường đánh giá hiệu năng của mạng Ad hoc thông qua các tham số
sau đây:
- Tỷ lệ gói nhận được: Là tỷ lệ giữa số gói được nhận bởi nút mạng đích và số
gói được gửi đi từ lớp ứng dụng của nút nguồn (nút gửi).
- Phần tải thông tin định tuyến: Là tải sinh ra do hoạt động định tuyến, cho biết
hiệu năng sử dụng băng thông của giao thức định tuyến.
- Trễ từ đầu cuối đến đầu cuối: Là thời gian mà gói tin truyền trên mạng từ nút
mạng nguồn đến nút mạng đích.
- Thông lượng từ đầu cuối đến đầu cuối: Là lượng thông tin truyền thành công
đến nút mạng đích trong một đơn vị thời gian (Kbps).
- Tải của mạng: Tải thật sự mà mạng vận chuyển, tải có thể được đo bằng số gói
tin vận chuyển được trong một đơn vị thời gian, hoặc số lượng kết nối thực hiện
được,
Trong khuôn khổ luận văn này, chúng tôi chỉ tập trung nghiên cứu ảnh
hƣởng của sự mở rộng mạng đến thông lƣợng tổng cộng của mạng Adhoc.
Chúng tôi sẽ xem xét trên hai loại hình mạng, Mạng tùy chỉnh[1], nơi vị trí các
node, điểm đích của điểm nguồn, và nhu cầu lưu lượng, tất cả đều tùy chỉnh, và Mạng
ngẫu nhiên[1], nơi các node và điểm đích được chọn hoàn toàn ngẫu nhiên
2.1. Mạng tùy chỉnh[1]: vị trí các nút và mẫu lưu lượng là tùy ý
Trong thiết lập cấu hình mạng tùy chỉnh, chúng tôi giả định rằng n node được
đặt tùy ý trong một diện tích hình tròn có diện tích bằng một đơn vị. Mỗi node có một
nút đích được chọn tùy ý để gửi lưu lượng đến với tốc độ tùy chỉnh; do vậy mẫu lưu
lượng là tùy chỉnh. Mỗi node có thể chọn dải tần hoặc mức công suất tùy chỉnh cho
mỗi lần truyền.
Chúng tôi cần diễn giải rằng khi một nút truyền thành công tới một nút đã định
của nó; việc nhận thành công này có thể được mô hình hóa bằng 2 mô hình sau: Mô
9

hình Giao thức (Protocol Model) và Mô hình Vật lý (Physical Model), chúng sẽ được
miêu tả chi tiết dưới đây. Trong đó, X
i
biểu hiện vị trí của node, chúng ta cũng sẽ
thường dùng X
i
để chỉ chính node đó cho tiện.
2.2.1 Mô hình giao thức [1]
Giả định node X
i
truyền qua kênh phụ (sub-channel) thứ m đến node X
j
; Việc
truyền này được nhận thành công tại node X
j
nếu
jijk
XXXX )1(
(1)
Với mọi node X
k
khác truyền đồng thời qua cùng kênh phụ nêu trên.
Có thể giải thích một cách đơn giản hơn như sau: nếu có 2 nút mạng i và k cùng
truyền đến nút j, việc truyền từ i đến j sẽ thành công nếu khoảng cách từ i đến j nhỏ
hơn khoảng cách từ k đến j.
Đại lượng >0 mô hình hóa cho các tình huống mà giao thức chỉ rõ cần có
vùng bảo vệ nhằm tránh việc các node lân cận đồng thời truyền trên cùng một kênh
phụ. Nó cũng cho phép độ sai số nhất định trong miền nhận tin cậy.
Dưới đây trình bày một mô hình khác gần với các vấn đề cần khảo sát của tầng
vật lý hơn.

2.2.1 Mô hình vật lý [1]
Ký hiệu {X
k
; k } là tập con các node đồng thời truyền tại một thời điểm nào
đó qua cùng một kênh phụ cho trước. Ký hiệu P
k
là mức công suất được chọn tại node
X
k
, với k . Do đó, việc truyền từ node X
i
, với i , được nhận thành công tại node X
j

nếu:

ik
jk
k
ji
i
XX
P
TkN
XX
P
(2)

10

Có thể giải thích ý nghĩa của biểu thức (2) như sau: nếu có 2 nút mạng i và k
cùng truyền đến nút j, việc truyền từ i đến j sẽ thành công nếu mật độ công suất tín
hiệu của nút i tại nút nhận j lớn hơn lần mật độ công suất tín hiệu của nút k tại j.
Trong đó mật độ công suất tín hiệu là công suất trên một đơn vị diện tích.
Biểu thức này là mô hình cho tình huống khi tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SIR) cần
phải không được nhỏ hơn β để việc nhận là thành công, mức năng lượng nhiễu của
môi trường là N, và độ suy giảm công suất tín hiệu theo khoảng r là
r
1
. Chúng ta giả
thiết rằng α > 2, đây chính là giá trị thường được sử dụng trong các mô hình tính công
suất tín hiệu ngoài vùng lân cận của thiết bị truyền.
2.2.3 Dung lƣợng vận chuyển của Mạng tùy chỉnh [1]
Giả thiết đã có một số sự kiện truyền thành công xảy ra trong một khoảng thời
gian và trong một không gian nào đó, chúng ta đưa ra một đơn vị đo lượng vận chuyển
của mạng là bit-meter, tương ứng với việc truyền đi được 1 bit qua khoảng cách 1m
hướng đến đích. (Chúng tôi không xét trường hợp truyền multicast). Đơn vị đo này
tương tự đơn vị tấn/km mà người ta vẫn hay sử dụng để đánh giá năng lực vận chuyển
của các phương tiện vận tải. Khi sử dụng đơn vị đo này, lượng vận chuyển của mạng
sẽ là tổng của các tích giữa số bit mà mạng vận chuyển với chiều dài quãng đường,
được cộng lại đối với tất cả các kết nối. Đây là một chỉ số quan trọng để đánh giá dung
lượng vận chuyển của mạng.
Đối với phần được trình bày tiếp dưới đây, chúng tôi xin lưu lý rằng, nếu như
diện tích của miền mà các nút mạng được đặt là A m
2
thay vì 1m
2
như chúng ta đã
chuẩn hóa, thì tất cả các kết quả tính dung lượng vận chuyển phải được nhân với
A

.
Kết quả chính đạt được như trình bày sau đây. Trong đó sử dụng ký hiệu của
Knuth: f(n)= (g(n)) để biểu diễn f(n)=O(g(n)) cũng như g(n)=O(f(n))
Kết quả chính 1. Dung lượng vận chuyển của mạng tùy chỉnh theo mô hình
giao thức là (W
n
) bit/meter/giây nếu các node được đặt ở các vị trí tối ưu, các
mẫu lưu lượng được chọn tối ưu, và miền phát tín hiệu cũng được chọn tối ưu.
11

Cụ thể, giá trị cận trên là
n
W8
bit-met/giây với mỗi Mạng tùy chỉnh cho
tất cả các chiến lược lập biểu đồ theo thời gian và không gian, trong khi
8
21
n
nW
bit-met/giây (với n là bội của 4) là dung lượng vận chuyển có thể đạt
được khi các node và mẫu lưu lượng được chọn một cách phù hợp, miền phát tín hiệu
(radio range) và lịch truyền cũng được chọn tương thích.
Nếu dung lượng vận chuyển này được chia đều cho tất cả các node trong tập
hợp n node, mỗi node sẽ đạt được (
n
W
) bit-met/giây. Hơn nữa, nếu mỗi nút nguồn
có một nút đích của nó cách đó cùng một khoảng bằng nhau là 1m, thì mỗi node nhận
được thông lượng là (
n

W
) bit/giây.
Cận trên của dung lượng vận chuyển không phụ thuộc vào việc truyền phải là
đẳng hướng như đã ngầm chỉ ra trong biểu thức (1), mà phụ thuộc vào việc các nút
hàng xóm của nút nhận được phân bố như thế nào.
Kết quả chính 2. Đối với Mô hình vật lý, có thể đạt được thông lượng vận
chuyển bằng cW
n
bit-met/giây, nhưng không thể đạt được giá trị
1
'Wnc
bit-
met/giây, với các giá trị c, c’ thích hợp.
Cụ thể,
8
))
2
6
2(16(
1
1
2
2
n
Wn
bit-met/giây (với n là bội của 4) là khả thi
khi mạng được thiết kế một cách thích hợp, trong đó cận trên là
11
)
22

(
1
Wn

bit-met/giây.
Người ta đoán rằng cận trên có bậc (W
n
) bit-met/giây thực tế có thể đạt
được. Trong trường hợp đặc biệt khi tỷ số
min
max
P
P
giữa công suất lớn nhất và nhỏ nhất
12

mà thiết bị truyền có thể đạt được có giới hạn trên cao hơn β, khi đó cận trên thực tế là
nW
P
P
1)(
18
1
max
min
bit-met/giây.
Đáng lưu ý rằng, biểu thức cho cả hai cận đều cho thấy dung lượng vận chuyển
sẽ được cải thiện khi α cao hơn, nghĩa là khi công suất tín hiệu suy yếu nhanh hơn theo
khoảng cách.
2.2. Mạng ngẫu nhiên[1]: vị trí các nút và các mẫu lưu lượng là ngẫu

nhiên
Trong kịch bản ngẫu nhiên, n node được đặt ở các vị trí ngẫu nhiên, tức là có
phân bố độc lập và đều, hoặc trên bề mặt có diện tích S
2
của mặt cầu 3 chiều với diện
tích 1 m
2
, hoặc trên một hình tròn với diện tích 1 m
2
trên mặt phẳng. Mục đích của
việc chọn nghiên cứu diện tích S
2
là để loại bỏ hiệu ứng biên khỏi các hiện tượng khác.
Mỗi node có một nút đích được chọn ngẫu nhiên để gửi với tốc độ λ(n) bit/giây. Nút
đích của mỗi node được chọn một cách độc lập và là node gần nhất với một điểm được
xác định ngẫu nhiên, nghĩa là phân bố nút mạng là độc lập và đều. (Do vậy, khoảng
cách trung bình giữa các nút đích và nút nguồn trong toàn mạng là 1m)
Chúng ta cũng giả định rằng các node là đồng nhất, tức là mọi việc truyền đều
có cùng công suất và phạm vị truyền (radio range) danh định. Đối với Mạng tùy chỉnh,
chúng ta cho phép sử dụng cả hai mô hình: mô hình giao thức và mô hình vật lý.
2.2.1 Mô hình giao thức [1]
Tất cả các node đều sử dụng miền r chung cho tất cả các lần truyền. Khi node X
i

truyền đến node X
j
qua kênh phụ thứ m, việc truyền này sẽ được nhận thành công tại
X
j
nếu:

i) Khoảng cách giữa X
i
và X
j
không lớn hơn r, tức là:
rXX
ji
(3)
ii) Với mọi node Xk khác đồng thời truyền qua cùng một kênh phụ
13

rXX
jk
)1(
(4)
Ý nghĩa của biểu thức này có thể được giải thích hoàn toàn tương tự như đối
với mô hình giao thức của mạng tùy chỉnh, đã được trình bày ở phần trên.
2.2.2 Mô hình vật lý [1]
Tất cả các node chọn một mức công suất chung P cho tất cả các lần truyền của
nó. Ký hiệu {X
k
; k T} là tập con các node đồng thời truyền tại một thời điểm nào đó
qua cùng một kênh phụ cho trước. Việc truyền từ node X
i
, với i є Τ, được nhận thành
công tại node X
j
nếu:

ik

jk
ji
XX
P
TkN
XX
P
(5)
Ý nghĩa của biểu thức này có thể được giải thích hoàn toàn tương tự như đối
với mô hình vật lý của mạng tùy chỉnh, đã được trình bày ở phần trên.
2.2.3 Thông lƣợng của Mạng ngẫu nhiên [1]
Khái niệm về thông lượng được định nghĩa theo cách thông thường là số bit
trung bình truyền được từ nguồn đến đích trong 1 đơn vị thời gian, được tính bằng
bit/giây:
Định nghĩa: Thông lƣợng khả thi. Thông lượng λ(n) bit/giây với mỗi node
được coi là khả thi nếu tồn tại một biểu đồ thời gian và không gian cho việc truyền,
sao cho bằng cách vận hành mạng theo kiểu đa chặng và lưu tạm thời các gói tin các
node trung gian trong khi chờ được truyền đi, mỗi node có thể gửi trung bình λ(n)
bit/giây tới node đích được chọn sẵn của nó. Điều đó có nghãi là, có một giá trị T<∞
sao cho trong mọi khoảng thời gian [(i-1)T, iT] mọi node đều có thể gửi T*λ(n) bit đến
node đích tương ứng của nó.
Mức thông lượng cụ thể có khả thi hay không phụ thuộc vào vị trí các node.
Các vị trí này đều là ngẫu nhiên. Điểm đích cho lưu lượng vào mỗi node cũng vậy.
14

Như trong Lý thuyết Học thuật PAC, giả định tính ngẫu nhiên bao hàm trong
báo cáo sự cố, chúng ta cho phép triệt tiêu các xác suất nhỏ khi xác định “thông
lượng”. [1]
Định nghĩa: Thông lƣợng của Mạng không dây ngẫu nhiên. Chúng ta cho
rằng thông lượng của loại mạng ngẫu nhiên có bậc là (f(n)) bit/giây nếu có các hằng

số xác định c>0 và c’<+∞ như sau:
lim
n
Prob( (n)=cf(n) =1 là khả thi
n
f
inlim
Prob( (n)=c’f (n) <1 là khả thi
Các kết quả chính người ta đã chứng minh được như sau:
Kết quả chính 3. Trong cả hai trường hợp ứng với diện tích mặt cầu và đĩa
phẳng, bậc của thông lượng là (n)=(-)(
nn
W
log
) bit/giây đối với mô hình giao thức.
Về cận trên, người ta thực sự chứng minh được hiện tượng cắt sắc nét với một vài c’
lim
n
Prob( (n)=c’
nn
W
log
là khả thi) =0
Cụ thể, có các hằng số xác định c
”
và c
”’
không phụ thuộc vào n, ∆ hay W, sao
cho các giá trị (n)=(
nn

Wc
log)1(
2
"
) bit/giây khả thi, và (n)=(
nn
Wc
log
2
"'
) bit/giây
khả thi, cả hai đều có xác suất tiến tới 1 khi n →∞.
Do các điểm nóng về định tuyến (routing hot spots) có thể hình thành tại trung
tâm trong trường hợp của đĩa phẳng, và bậc của thông lượng là giống nhau cho cả hai
trường họp nói trên, điều đó thể hiện rằng nguyên nhân của việc thông lượng không
tăng lên được không phải là do sự hình thành các điểm nóng về định tuyến, mà là nhu
cầu của tất cả các node cần chia sẻ kênh cục bộ với các node khác.
15

Kết quả chính 4. Đối với mô hình vật lý, thông lượng (n)=(
nn
cW
log
) bit/giây
là khả thi, trong khi (n)=(
n
Wc
'
) bit/giây thì không, cho các giá trị thích hợp c, c’ , cả
hai biểu thức trên đều tiến tới 1 khi n →∞.

Cụ thể, có các các hằng số quyết định c” và c
’”
không phụ thuộc vào n, N, α, β
hay W, sao cho các giá trị (n)=
nn
W
c
c
log
)1))
2
2
1
1
3((2(
2
1
"'
''
bit/giây khả
thi, xác suất tiến tới 1 khi n →∞. Nếu
L
là khoảng cách trung bình giữa hai điểm phân
bố độc lập và đều trên miền xác định (trên diện tích mặt cầu hoặc đĩa phẳng của diện
tích đơn vị), do đó có một dãy số xác định є(n) → 0, không phụ thuộc vào n, N, α, β
hay W, sao cho giá trị
n
(n)1
)1(
8

1
L
W
bit/giây khả thi và có xác suất tiến tới 1
khi n →∞.




16

CHƢƠNG 3. GIỚI THIỆU BỘ MÔ PHỎNG NS-2
3.1. Giới thiệu bộ mô phỏng NS-2
Hiện nay, các hệ thống mạng ngày càng phức tạp, đòi hỏi phải đáp ứng được
yêu cầu của nhiều loại dịch vụ khác nhau, về tốc độ truyền, độ trễ, biến động trễ
(jitter), Vì vậy, việc sử dụng phương pháp giải tích để nghiên cứu hoạt động của các
giao thức mạng càng trở nên phức tạp. Ngoài ra, khó có những mô hình thực tế để đo
thực nghiệm nên việc sử dụng các hệ thống mô phỏng máy tính trở nên thuận lợi hơn
nhiều.
Phương pháp mô phỏng sử dụng chương trình phần mềm để xây dựng các đối
tượng trong mạng dựa theo Topology mạng đã được thiết kế; Thiết lập bảng các sự
kiện hoạt động cho từng node mạng, thiết lập các thông số đường truyền, thời gian
truyền
NS2 là phần mềm mô phỏng mạng kiểu điều khiển theo các sự kiện rời rạc
hướng đối tượng, được phát triển tại UC Berkely, viết bằng ngôn ngữ C++ và OTcl.
NS rất hữu ích cho việc mô phỏng mạng diện rộng (WAN) và mạng cục bộ (LAN).
Bốn lợi ích lớn nhất của NS-2 phải kể đến đầu tiên là:
- Khả năng kiểm tra tính ổn định của các giao thức mạng đang tồn tại
- Khả năng đánh giá các giao thức mạng mới trước khi đưa vào sử dụng
- Khả năng thực thi những mô hình mạng lớn mà gần như ta không thể thực thi

được trong thực tế
- Khả năng mô phỏng nhiều loại mạng khác nhau
3.2. Cấu trúc NS-2
NS-2 là phần mềm mã nguồn mở có sẵn cho cả nền Windows 32 và Linux. NS
thực thi các giao thức mạng như Giao thức TCP và Giao thức UDP; các ứng dụng
truyền lưu lượng như truyền tập tin FTP, Telnet, Web, nguồn sinh lưu lượng có tốc độ
bit cố định (CBR) và Tốc độ bit thay đổi (VBR) ; các kỹ thuật quản lý hàng đợi như
Vào trước Ra trước (Drop Tail), Dò sớm ngẫu nhiễn sự tắc nghẽn mạng (RED) và
chính sách quản lý hàng đợi dựa trên phân lớp gói tin CBQ; các thuật toán định tuyến
như Dijkstra… NS cũng thực thi phương thức truyền multicasting và vài giao thức lớp
Điều khiển truy cập đường truyền (MAC) đối với mô phỏng LAN.
Để mô phỏng mạng và phân tích các kết quả mô phỏng, người ta đã xây dựng NS-
2 gồm các thành phần sau:
- OTcl Script - Kịch bản OTcl
- Simulation Program - Chương trình Mô phòng
- Otcl - Bộ biên dịch Tcl mở rộng hướng đối tượng
- NS Simulation Library - Thư viện Mô phỏng NS
- Event Scheduler Objects - Các đối tượng Bộ lập lịch Sự kiện
- Network Component Objects - Các đối tượng Thành phần Mạng
- Network Setup Helping Modules - Các mô đun Trợ giúp Thiết lập Mạng
17

- Plumbling Modules - Các mô đun Plumbling
- Simulation Results - Các kết quả Mô phỏng
- Analysis - Phân tích
- NAM Network Animator - Minh họa Mạng NAM

Hình 3: Cấu trúc của NS - 2
NS là Bộ biên dịch Tcl mở rộng hướng đối tượng; bao gồm các đối tượng Bộ
lập lịch Sự kiện, các đối tượng Thành phần Mạng và các mô đun Trợ giúp Thiết lập

Mạng (hay các mô đun Plumbing).
Để sử dụng NS-2, cần lập trình bằng ngôn ngữ kịch bản OTcl. Người sử dụng
có thể thêm các mã nguồn Otcl vào NS-2 bằng cách viết các lớp đối tượng mới trong
OTcl. Những lớp này khi đó sẽ được biên dịch cùng với mã nguồn gốc. Kịch bản OTcl
có thể thực hiện những việc sau:
- Khởi tạo Bộ lập lịch Sự kiện
- Thiết lập Mô hình mạng dùng các đối tượng Thành phần Mạng
- Báo cho nguồn traffic khi nào bắt đầu truyền và ngưng truyền packet trong Bộ
lập lịch Sự kiện
Thuật ngữ plumbing được dùng để chỉ việc thiết lập mạng, vì thiết lập một
mạng nghĩa là xây dựng các đường dữ liệu giữa các đối tượng mạng bằng cách thiết
lập con trỏ “neighbour” cho một đối tượng để chỉ đến địa chỉ của đối tượng tương ứng.
Mô đun plumbing OTcl trong thực tế thực hiện việc trên rất đơn giản. Plumbing làm
nên sức mạnh của NS.
Thành phần lớn khác của NS bên cạnh các đối tượng Thành phần Mạng là Bộ
lập lịch Sự kiện. Bộ lập lịch Sự kiện trong NS-2 thực hiện những việc sau:
- Tổ chức Bộ định thời Mô phỏng
- Huỷ các sự kiện trong hàng đợi sự kiện
- Triệu gọi các Thành phần Mạng trong mô phỏng
Phụ thuộc vào mục đích của user đối với kịch bản mô phỏng OTcl mà kết quả mô
phỏng có thể được lưu trữ như file trace. Định dạng file trace sẽ được tải vào trong các
ứng dụng khác để thực hiện phân tích:
- File nam trace (file.nam) được dùng cho công cụ Minh họa mạng NAM
18

- File Trace (file.tr) được dùng cho công cụ Lần vết và Giám sát Mô phỏng
XGRAPH hay TRACEGRAPH
- NAM Visual Simulation - Mô phỏng ảo NAM
- Tracing and Monitoring Simulation - Mô phỏng Lần vết và Giám sát

Hình 4: Luồng các sự kiện cho file Tcl chạy trong NS-2
3.3. Các đặc tính của NS-2
NS-2 hỗ trợ mô phỏng tốt cho cả mạng có dây và mạng không dây. Bao gồm các
ưu điểm nổi bật sau:
Khả năng kiểm tra tính ổn định của các giao thức mạng đang tồn tại.
Khả năng đánh giá các giao thức mạng mới trước khi đưa vào sử dụng.
Khả năng thực thi những mô hình mạng lớn mà gần như ta không thể thực thi
được trong thực tế.
Khả năng mô phỏng nhiều loại mạng khác nhau.
Trong đó NS-2 có khả năng mô phỏng:
Các mô hình mạng: LAN, WLAN, di động, vệ tinh,
Các giao thức mạng như: TCP, UDP
Các dịch vụ nguồn lưu lượng như: FTP, CBR, VBR, Telnet, http
Các kỹ thuật quản lý hàng đợi: Vào trước Ra trước (Drop Tail), Loại bỏ sớm
ngẫu nhiễn - RED (Random Early Drop) và Xếp hàng dựa trên sự phân lớp –
CBQ (Class-Based Queueing)
Các thuật toán định tuyến như: Dijkstra, Distance Vector, Link State…
Các Chuẩn IEEE 802.11, IEEE 802.3,…
NS-2 cũng thực thi multicasting và vài giao thức lớp Điều khiển truy cập
đường truyền (MAC) đối với mô phỏng LAN.
19

3.4. Mô phỏng mạng Ad hoc bằng NS-2 [11]
3.4.1 Mô hình mạng không dây đơn giản trong NS2
Thực chất thì mô hình mạng không dây bao gồm MobileNode (Nút di động)
trong lõi (core) cùng với các đặc tính hỗ trợ thêm vào cho phép các trình mô phỏng
của mạng multi-hop với thủ tục Ad hoc, mạng LAN không dây, … Đối tượng
MobileNode là một đối tượng tách biệt. Lớp MobileNode trong C++ xuất phát từ lớp
cha là lớp Node. Vì vậy, một MobileNode là một đối tượng Node cơ sở cộng thêm các
chức năng của wireless và node mobile có khả năng di chuyển bên trong một topo, có

khả năng nhận và truyền các tín hiệu đến hoặc từ một kênh wireless. Sự khác nhau cơ
bản giữa chúng là một MobileNode được kết nối giữa các liên kết (link) đến các node
khác hay các mobilenode. Trong phần này, chúng ta sẽ trình bày các đặc tính của
MobileNode, các cơ chế định tuyến của nó, các giao thức định tuyến dsdv, aodv, tora
và dsr, quá trình tạo ra ngăn xếp mạng cho phép kênh truy suất bên trong MobileNode,
trình bày một cách ngắn gọn mỗi thành phần cấu thành của ngăn xếp, vết hỗ trợ (trace
support) và di chuyển/vận chuyển (movement/traffic) chuỗi cho các trình mô phỏng
wireless.
3.4.2 Tạo topo mạng không dây
MobileNode là đối tượng nsNode cơ sở cùng với các chức năng như sự di
chuyển, khả năng truyền và nhận trên một kênh cho phép tạo môi các truờng mobile,
môi trường mô phỏng wireless. Lớp MobileNode có xuất phát từ lớp cơ sở Node.
MobileNode là một đối tượng tách biệt. Các tính năng mobile gồm có di chuyển node,
cập nhập vị trí định kỳ, duy trì đường biên của topo,… được thực thi trong C++ trong
quá trình dò tìm các thành phần của mạng bên trong của MobileNode (như các phân
lớp, dmux, LL, Mac, Channel,…) được thực thi trong Otcl. Các chức năng và các thủ
tục được trình bày trong phần này có thể được tìm thấy trong ~ns/mobilenode.{cc,h},
~ns/tcl/lib/ns-mobilenode.tcl, ~ns/tcl/mobility/dsdv.tcl, ~ns/tcl/mobility/dsr.tcl,
ns/tcl/mobility/tora.tcl. Các tập lệnh minh hoạ có thể được tìm thấy trong
~ns/tcl/ex/wireless-test.tcl and ~ns/tcl/ex/wireless.tcl.
Bốn giao thức định tuyến Ad hoc hiện được NS2 hỗ trợ là DSDV (Destination
Sequence Distance Vector), DSR (Dynamic Source Routing), TORA (Temporally
ordered Routing Algorithm) và OADV (Adhoc On-demand Distance Vector).
Cơ sở tạo một mobilenode được trình bày sau dây:
20

$ns_ node-config -adhocRouting $opt(adhocRouting)
-llType $opt(ll)
-macType $opt(mac)
-ifqType $opt(ifq)

-ifqLen $opt(ifqlen)
-antType $opt(ant)
-propInstance [new $opt(prop)]
-phyType $opt(netif)
-channel [new $opt(chan)]
-topoInstance $topo
-wiredRouting OFF
-agentTrace ON
-routerTrace OFF
-macTrace OFF
Cấu hình của API ở trên cho một mobilenode cùng với tất cả các giá trị của giao
thức định tuyến adhoc-routing, ngăn xếp mạng, kênh, topo, mô hình chung, với định
tuyến hữu tuyến trả về on hay off và vết tìm kiếm trả về on hay off tại các mức khác
nhau (router, mac, agent). Địa chỉ phân cấp cũng được sử dụng, địa chỉ phân cấp của
node cần phải được đưa ra chính xác.
Đây là phương pháp tạo ra các mobilenode:
for { set j 0 } { $j < $opt(nn)} {incr j} {
set node_($j) [ $ns_ node ]
$node_($i) random-motion 0 ;# disable random motion
}
Thủ tục trên tạo ra một đối tượng mobilenode (tách biệt), tạo ra một agent định
tuyến adhoc-routing như đặc tả, tạo ra ngăn xếp mạng gồm: lớp link, giao diện ngăn
xếp, lớp mac, và giao diện mạng với một antenne, sử dụng định nghĩa mô hình phổ
biến.