Đánh giá hiệu suất bằng mô phỏng các thuật toán định tuyến trong mạng đặc biệt di động manet

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ





NGUYỄN MINH NGUYỆT





ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT BẰNG MÔ PHỎNG
CÁC THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN TRONG
MẠNG ĐẶC BIỆT DI ĐỘNG MANET




LUẬN VĂN THẠC SĨ









Hà Nội – 2005

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ




NGUYỄN MINH NGUYỆT





ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT BẰNG MÔ PHỎNG
CÁC THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN TRONG
MẠNG ĐẶC BIỆT DI ĐỘNG MANET


Ngành: Công nghệ thông tin
Mã số: 1.01.10

LUẬN VĂN THẠC SĨ


NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. Nguyễn Đình Việt

Hà Nội – 2005

3
MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ 6
DANH MỤC BẢNG 7
BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT 8
LỜI CÁM ƠN 9
MỞ ĐẦU 10
Chương 1: GIỚI THIỆU 12
1.1 Mạng đặc biệt di động MANET 12
1.1.1 Sự phát triển của mạng 13
1.1.2 Các ngữ cảnh sử dụng mạng 15
1.1.3 Các đặc điểm mạng 16
1.2 Vấn đề định tuyến 17
1.2.1 Các thuật toán định tuyến truyền thống 18
1.2.2 Bài toán định tuyến mạng MANET 19
Chương 2: CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN MẠNG MANET 21
2.1 Các kỹ thuật định tuyến mạng MANET 21
2.1.1 Định tuyến Link State và Distance Vector 21
2.1.2 Định tuyến chủ ứng và định tuyến phản ứng 21
2.1.3 Cập nhật định kỳ và cập nhật theo sự kiện 22
2.1.4 Cấu trúc phẳng và cấu trúc phân cấp 22
2.1.5 Tính toán phi tập trung và tính toán phân tán 23
2.1.6 Định tuyến nguồn và định tuyến theo chặng 23

4
2.1.7 Đơn đường và đa đường 23

2.2 Phân loại các giao thức định tuyến mạng MANET 24
2.2.1 Giao thức DSDV (Destination-Sequence Distance Vector) 24
2.2.2 Giao thức OLSR (Optimized Link State Routing Protocol) 25
2.2.3 Giao thức AODV (Ad hoc On-demand Distance Vector Routing) 26
2.2.4 Giao thức DSR (Dynamic Source Routing) 27
2.2.5 Giao thức TORA (Temporally-Ordered Routing Algorithm) 28
2.2.6 So sánh các giao thức 30
Chương 3: CÁC MẠNG MANET MÔ PHỎNG 34
3.1 Mô hình các mạng MANET 34
3.2 Bộ mô phỏng NS2 35
3.3 Thiết lập mạng MANET mô phỏng trong NS2 37
3.3.1 Mô phỏng mạng không dây di động 37
3.3.1.1 Nút di động mô phỏng 37
3.3.1.2 Mô hình phương tiện chia sẻ 38
4.3.1.3 Hoạt động của nút di động 39
3.3.2 Tạo ngữ cảnh 40
3.3.2.1 Các mô hình di chuyển 40
3.3.2.2 Các mô hình thông lượng 44
3.4 Tổng quan quá trình mô phỏng 45
3.5 Mô phỏng các giao thức định tuyến 46
3.5.1 DSDV 46
3.5.2 AODV 47
3.5.3 DSR 48


5
3.5.4 TORA 48

3.5.5 OLSR 49
Chương 4: ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT CÁC GIAO THỨC 51
4.1 Các tham số của môi trường 51
4.2 Các độ đo hiệu suất 52
4.3 Các thí nghiệm mô phỏng 53
4.3.1 Thí nghiệm 1: Sử dụng mô hình Random Waypoint 54
4.3.2 Thí nghiệm 2: Sử dụng mô hình Random Walk 61
4.3.3 Thí nghiệm 3: Sử dụng mô hình Random Direction 65
4.4 Nhận xét về hiệu suất của các giao thức 69
KẾT LUẬN 72
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 74
TÀI LIỆU THAM KHẢO 75


6
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1: Mạng MANET 12
Hình 2: Hoạt động của mạng đơn chặng và đa chặng 14
Hình 3: Mạng WPAN với các kết nối Internet 16
Hình 4: Phân loại các giao thức định tuyến mạng MANET 24
Hình 5: Định tuyến trạng thái liên kết và định tuyến cải tiến trong OLSR 26
Hình 6: Sự hình thành đường trong giao thức TORA 29
Hình 7: Nút di động mô phỏng trong NS2 37
Hình 8: Mô hình phương tiện chia sẻ trong NS2 39
Hình 9: Di chuyển của một nút theo mô hình Random Waypoint 41
Hình 10: Di chuyển của một nút theo mô hình Random Walk 43
Hình 11: Di chuyển của một nút theo mô hình Random Direction 44
Hình 12: Các mô hình thông lượng trong NS2 44
Hình 13: Tổng quan quá trình mô phỏng 45

Hình 14: So sánh kết quả phân phát gói tin trong mô hình Random Waypoint 56
Hình 15: So sánh trễ đầu cuối trung bình trong mô hình Random Waypoint 59
Hình 16: So sánh tải định tuyến chuẩn hoá trong mô hình Random Waypoint 61
Hình 17: So sánh kết qủa phân phát gói tin trong mô hình Random Walk 63
Hình 18: So sánh thời gian trễ trung bình trong mô hình Random Walk 64
Hình 19: So sánh tải định tuyến chuẩn hoá trong mô hình Random Walk 65
Hình 20: So sánh kết quả phân phát gói tin trong mô hình Random Direction 67
Hình 21: So sánh thời gian trễ trung bình trong mô hình Random Direction 67
Hình 22: So sánh tải định tuyến chuẩn hóa trong mô hình Random Direction 68

7
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1: So sánh độ phức tạp của các giao thức 30
Bảng 2: So sánh giữa các giao thức 32
Bảng 3: So sánh giữa các giao thức (tiếp) 33
Bảng 4: Các tham số của mô hình Random Waypoint 41
Bảng 5: Các tham số của mô hình Random Walk 42
Bảng 6 Các tham số của mô hình Random Direction 43
Bảng 7: Các tham số hoạt động của DSDV trong NS2 47
Bảng 8: Các tham số hoạt động của AODV trong NS2 47
Bảng 9: Các tham số hoạt động của DSR trong NS2 48
Bảng 10: Các tham số hoạt động của TORA trong NS2 49
Bảng 11: Các tham số hoạt động của OLSR trong mô phỏng 50
Bảng 12: Cấu hình các mạng mô phỏng theo mô hình Random Waypoint 55
Bảng 13: Tải định tuyến chuẩn hoá của TORA trong mô hình Random Waypoint.61
Bảng 14: Cấu hình các mạng mô phỏng theo mô hình Random Walk 63
Bảng 15: Cấu hình các mạng mô phỏng theo mô hình Random Direction 66


8

BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AODV Ad hoc On-demand
Distance Vector
CBR Constant Bit Rate
CSMA/CA Carrier Sense Multiple
Access with Collision
Avoidance
DARPA Defense Advanced
Research Projects
Agency
DSDV Destination-Sequenced
Distance Vector
DSR Dynamic Source Routing
DV Distance Vector
IEEE Institute of Electrical and
Electronic Engineering
IETF Internet Engineering
Task Force
LAN Local Area Network
LS Link State
MAC Medium Access Control
MANET Mobile Ad hoc Network
MPR MultiPoint Relay
NAM Network Animator
NS2 Network Simulator 2
OLSR Optimized Link State
Routing Protocol
PAN Personal Area Network
PDA Personal Digital

Assistant
PRnet Packet Radio Network
QoS Quality of Service
RIP Routing Information
Protocol
RREP Route Reply
RREQ Route Request
RTS Request To Send
TC Topology Control
TORA Temporally-Ordered
Routing Algorithm
WLAN Wireless LAN
WPAN Wireless PAN






9
LỜI CÁM ƠN

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo TS. Nguyễn Đình Việt đã
hướng dẫn và chỉ bảo tận tình trong quá trình tôi thực hiện nghiên cứu này. Tôi xin
cám ơn sự giúp đỡ của TS. Tracy Camp (Colorado School of Mines, Golden, CO)
[28] trong việc cung cấp cho tôi các mô hình di chuyển của các nút trong mô phỏng
mạng MANET. Tôi xin cám ơn người bạn trong nhóm nghiên cứu Nguyễn Mạnh
Hà với những chia sẻ trong kinh nghiệm lập mô phỏng mạng và xây dựng các script
tính toán. Tôi xin cám ơn PGS. TS Hồ Sĩ Đàm và B
ộ môn Mạng và Truyền thông

máy tính đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất giúp tôi có thể hoàn
thành tốt nhất các nghiên cứu của luận văn. Cuối cùng, tôi xin được cám ơn tới gia
đình, bạn bè, những người thân yêu nhất của tôi. Họ là nguồn cổ vũ và động viên
lớn lao đối với tôi trong cuộc sống cũng như học tập và nghiên cứu.

Hà N
ội, tháng 12/ 2005
Nguyễn Minh Nguyệt

10
MỞ ĐẦU

Ngày nay, mạng không dây, di động là lĩnh vực đang được rất nhiều nhà
chuyên môn quan tâm nghiên cứu, phát triển do những nhu cầu ngày càng cao về
truyền thông và tính toán khắp mọi nơi. Những mô hình, kiến trúc hoạt động mới
đang được đề xuất nhằm đạt tới sự giải phóng hoàn toàn khỏi cơ sở hạ tầng mạng cố
định. Một trong những khuynh hướng mới là mạng MANET (Mobile Ad hoc
NETwork). Đây là mạng kết nối các thi
ết bị tính toán di động như các máy tính
laptop, PDA hay điện thoại cầm tay ở trong cùng một khu vực không cần tới các cơ
sở hạ tầng mạng cố định hay đơn vị quản trị trung tâm hỗ trợ [20].
Đặc trưng của truyền thông trong mạng MANET là đa chặng, giữa nút nguồn
và nút đích có thể đi qua nhiều nút trung gian. Một cấu hình mạng tế bào chuẩn định
tuyến mỗi gói tin chỉ thông qua mộ
t chặng từ trạm cơ sở tới nút di động. Tuy nhiên,
trong mạng MANET các gói tin có thể được định tuyến thông qua nhiều chặng. Bên
cạnh đó, mạng MANET có cấu hình động do sự di chuyển của các nút, băng thông
của liên kết không dây hạn chế và có thể biến đổi, khả năng tính toán, dung lượng
bộ nhớ giới hạn của các nút di động. Do vậy, để có thể triển khai mở rộng các mạng
MANET trong thực tế

, một thách thức là việc phát triển các giao thức định tuyến
làm việc hiệu quả trong môi trường đặc biệt này. Hướng tới mục tiêu đó, nhiều giao
thức với các tiếp cận thiết kế khác nhau đã được đưa ra.
Mục đích của bản luận văn này là nghiên cứu các giải pháp định tuyến cho
mạng MANET và đánh giá hiệu suất làm việc của chúng về lý thuyết và thông qua
công cụ mô phỏng mạ
ng. Các nội dung nghiên cứu cụ thể bao gồm:
• Nghiên cứu môi trường làm việc và các đặc điểm của mạng.
• Xem xét bài toán định tuyến trong mạng và các giải pháp có thể.
• Phân loại các giao thức định tuyến.

11
• Phân tích và so sánh các giao thức trên cơ sở lý thuyết về độ phức tạp và các
đặc tính hoạt động.
• Xây dựng môi trường mô phỏng và tích hợp một số giao thức định tuyến cho
mạng MANET trong bộ mô phỏng mạng NS2.
• Đánh giá các giao thức định tuyến trong các ngữ cảnh với các tham số khác
nhau có ảnh hưởng nhất tới hiệu suất của các giải thuật định tuyến như kích
th
ước mạng, tải mạng, tốc độ thay đổi hình trạng mạng và mô hình di
chuyển.
Bố cục của luận văn bao gồm bốn chương chính ngoài chương giới thiệu và kết
luận:
Chương 1: Giới thiệu về mạng MANET và bài toán định tuyến trong mạng.
Chương 2: Trình bày về các giao thức định tuyến trong mạng MANET, phân loại về
các giao thức, mô tả chi tiết về một số giao thức tiêu biểu và so sánh giữ
a các giao
thức.
Chương 3: Trình bày về việc mô phỏng mạng MANET bằng bộ mô phỏng NS2.
Chương 4: Nghiên cứu đánh giá hiệu suất các giao thức định tuyến với các độ đo

hiệu suất cụ thể để so sánh các giao thức trong các điều kiện mạng thay đổi.


12
Chương 1:
GIỚI THIỆU

1.1 Mạng đặc biệt di động MANET
Mạng MANET (Mobile Ad hoc NETwork) là mạng không dây đặc biệt gồm
tập hợp các thiết bị di động với giao tiếp không dây có khả năng truyền thông trực
tiếp với nhau khi nằm trong vùng thu/phát sóng của nhau hoặc thông qua các nút
trung gian làm nhiệm vụ chuyển tiếp (hình 1). Trong mạng MANET, các nút vừa
đóng vai trò truyền thông vừa đóng vai trò như thiết bị định tuyến. Với nguyên tắc
hoạt động như vậy, các mạng MANET không bị phụ thuộc vào các cơ sở
hạ tầng
mạng cố định và các đơn vị quản trị trung tâm như trong các mạng tế bào và WLAN
truyền thống.

Hình 1: Mạng MANET
Các mạng MANET có độ linh động cao với khả năng hoạt động độc lập với cơ
sở hạ tầng mạng cố định [14]:
• Triển khai nhanh khi có yêu cầu
• Tin cậy và mạnh mẽ do hoạt động phân tán và có khả năng tự động cấu
hình lại mạng khi có các thay đổi liên kết
• Kết nối không giới hạn
Đích
Nguồn

13
• Chi phí triển khai và hoạt động thấp

Ngoài ra, các mạng MANET có ý nghĩa đặc biệt trong quận sự, trong các
trường hợp tìm kiếm và cứu hộ khẩn cấp và trong việc xây dựng các mạng cảm biến
ở các khu vực con người không thể truy cập được.
1.1.1 Sự phát triển của mạng
Hỗ trợ đầu tiên cho sự phát triển của mạng MANET là việc triển khai mạng
ALOHA năm 1968 [20]. Mục tiêu của mạng này là kết nối các cơ sở giáo dục ở
Hawaii. Mặc dù các trạm làm việc là cố định, giao thức ALOHA đã thực hiện việc
quản lý truy cập kênh truyền dưới dạng phân tán, do đó đã cung cấp cơ sở cho sự
phát triển về sau của các lược đồ truy cập kênh phân tán cho phép sự hoạt động của
mạng MANET.
Khởi nguồn từ các mạng ALOHA và những phát triển ban đầu của mạng cố
định chuyển mạch gói, tổ chức DARPA đã bắt đầu làm việc trên các mạng vô tuyến
gói tin PRnet (Packet Radio network) vào năm 1973 [16]. Đây là mạng vô tuyến gói
tin đa chặng đầu tiên. Trong ngữ cảnh này, đa chặng có nghĩa là các nút hợp tác để
chuyển tiếp truyền thông cho các nút ở xa nằm ngoài vùng truyền thông của một
nút. PRnet đ
ã cung cấp cơ chế cho việc quản lý hoạt động trên cơ sở tập trung cũng
như phân tán.
Người ta cũng bắt đầu nhận thấy nhiều lợi điểm của làm việc đa chặng so với
đơn chặng. Triển khai đa chặng tạo điều kiện thuận lợi cho việc dùng lại các tài
nguyên kênh truyền về cả không gian và thời gian và làm giảm năng lượng phát cần
thi
ết. Trong khi đó, làm việc đơn chặng chỉ chia sẻ các tài nguyên kênh về thời gian
và yêu cầu năng lượng cao hơn để có thể giao tiếp được với các nút ở xa. Hình 2 thể
hiện sự giao thoa về không gian trong các ngữ cảnh đa chặng và đơn chặng [20].
Trong cả hai trường hợp, ngữ cảnh mạng là hoàn toàn giống nhau về sự phân bố của
các nút, nguồn phát và đích. Trong trường hợp đa chặng, các gói tin được định
tuy
ến thông qua nhiều điểm chuyển phát. Tuy nhiên, trong mạng đơn chặng, gói tin

14
được gửi trực tiếp từ nguồn tới đích. Các vòng tròn thể hiện mức năng lượng phát
cần thiết của mỗi nút để có thể giao tiếp với nút đích.

Hình 2: Hoạt động của mạng đơn chặng và đa chặng
Mặc dù nhiều mạng vô tuyến gói tin đã được phát triển sau đó, các hệ thống
không dây này vẫn chưa bao giờ được đưa vào phục vụ người sử dụng thông
thường. Khi chuẩn IEEE 802.11, một chuẩn cho mạng cục bộ không dây được phát
triển, viện IEEE đã thay thế khái niệm mạng vô tuyến gói tin thành mạng MANET.
Các mạng vô tuyến gói tin do đó thường gắn với các mạng đa chặng rộng lớn trong
quân sự
. IEEE hi vọng loại mạng mới này sẽ được triển khai sử dụng rộng rãi trong
thực tế.
Một số công nghệ không dây hiện tại hỗ trợ sự làm việc của mạng MANET là
Bluetooth và IEEE 802.11. Trong đó, IEEE 802.11 là chuẩn cục bộ không dây có cơ
sở hạ tầng được bổ sung chức năng hỗ trợ làm việc mạng MANET [11]. Mạng
IEEE 802.11b làm việc ở dải băng tần 2.4GHz với tốc độ
dữ liệu 11Mbps và hiện
tại đã đạt tới 20 Mbps. Chuẩn IEEE 802.11a tiếp theo hoạt động ở dải băng tần
5GHz và tốc độ dữ liệu đạt tới 54Mbps. Trong khi đó, Bluetooth là kiến trúc làm
việc của mạng MANET không dây dải sóng ngắn cho các mạng cá nhân WPAN.
Mạng này nhằm mục đích kết nối các thiết bị cá nhân di động như các máy tính
Nút đích
Nút chuyển tiếp
Nút nguồn
Các nút khác
Đa chặng Đơn chặng

15
laptop, PDA, các thiết bị ngoại vi, điện thoại cầm tay, các máy quay kỹ thuật số, các

headset và các thiết bị điện tử khác. Vùng hoạt động của mạng do vậy rất nhỏ,
thường dưới 10m xung quanh cá nhân và thường được gọi là không gian hoạt động
cá nhân - POS (Personal Operating Space).
1.1.2 Các ngữ cảnh sử dụng mạng
Các ứng dụng đầu tiên của mạng vô tuyến gói tin MANET là trong quân sự,
trong đó sự hoạt động phi tập trung của mạng là một nhu cầu cần thiết. Ngày nay,
các thiết bị tính toán không dây, di động vẫn có mức giá khá cao. Tuy nhiên, khả
năng của các máy tính di động sẽ tăng lên và nhu cầu về sự làm việc có kết nối
mạng không bị giới hạn bởi dây dẫn do vậy cũng sẽ tăng. Các mạng MANET có thể
được dùng trong các tình hu
ống khi không có cơ sở hạ tầng mạng cố định hoặc
mạng tế bào.
Mạng MANET có thể được triển khai trong truy cập công cộng không dây ở
các khu vực thành phố, trường học giúp thực hiện nhanh các cuộc truyền thông và
mở rộng diện họat động. Các điểm truy cập có thể dùng như các trạm tiếp sóng cố
định thực hiện việc định tuyến giữa chúng và giữa các nút người dùng. Mộ
t số điểm
truy cập có thể dùng như gateway cho phép người dùng kết nối tới mạng xương
sống cố định.
Ở mức cục bộ, mạng MANET liên kết các notebook hoặc các máy tính laptop
để phân phát và chia sẻ thông tin giữa những người tham gia một hội nghị hay lớp
học. Mạng MANET cũng thích hợp cho các ứng dụng trong mạng gia đình. Trong
đó, các thiết bị có thể truyền thông trực tiếp với nhau để trao đổ
i thông tin dữ liệu
như âm thanh, hình ảnh, báo thức và các cập nhật cấu hình.
Một dạng đặc biệt của mạng MANET là mạng cảm biến (sensor network)
được triển khai trong các ứng dụng về kiểm soát môi trường. Các mạng này có thể
được dùng để dự báo những ô nhiễm về nguồn nước hoặc những cảnh báo sớm về
lũ lụt hoặc sóng thần.

16
Các mạng MANET dải sóng ngắn làm đơn giản hóa truyền thông giữa các
thiết bị di động khác nhau như điện thoại tế bào và PDA bằng việc hình thành các
mạng WPAN và loại bỏ sự kết nối bằng cáp. Mạng có thể giúp chia sẻ khả năng
truy cập Internet và các tài nguyên trong mạng như máy in giữa các thiết bị. Khả
năng này giúp mở rộng tính di động của người dùng. Hiện nay, Bluetooth là công
nghệ hứa hẹn nhấ
t trong ngữ cảnh làm việc mạng cá nhân (hình 3) [20].

Hình 3: Mạng WPAN với các kết nối Internet
Kết hợp với truyền thông vệ tinh, công nghệ mạng MANET có thể cung cấp
phương pháp rất linh động cho việc thiết lập các truyền thông trong các hoạt động
cứu hộ, chữa cháy, an toàn, các ngữ cảnh yêu cầu sự truyền thông được triển khai
nhanh, hoàn toàn không dựa trên các cơ sở hạ tầng truyền thông cố định.
1.1.3 Các đặc điểm mạng
Trong mạng MANET, các nút là di động và được trang bị các bộ phát và nhận
tín hiệu không dây sử dụng các loại ăng-ten khác nhau. Tại một thời điểm, phụ
thuộc vào vị trí của nút và dạng bao phủ của bộ nhận và phát tín hiệu, mức năng
lượng phát và mức độ giao thoa cùng kênh, kết nối không dây giữa các nút có dạng
ngẫu nhiên và là đồ thị đa chặng. Cấu hình này thay đổi theo thời gian do các nút di
chuyển hoặc điều chỉ
nh các tham số phát và nhận sóng.
Internet

GPRS

17
Từ đó, có thể nhận thấy một số đặc điểm nổi bật của mạng MANET có ảnh
hưởng tới thiết kế và hiệu suất của các giao thức trong mạng [24]:
• Cấu hình mạng động: Do sự di chuyển của các nút, mạng thông thường là đa

chặng, có thể thay đổi một cách ngẫu nhiên và nhanh chóng tại bất kỳ thời điểm
nào và có thể chứ
a các liên kết hai chiều cũng như một chiều.
• Băng thông hạn chế, khả năng của các liên kết có thể biến đổi: Các liên kết
không dây có băng thông thấp hơn đáng kể so với các đường truyền cáp. Thêm
vào đó, thông lượng của các đường truyền thông không dây do ảnh hưởng của
đa truy cập, sự suy giảm, nhiễu và các điều kiện giao thoa thường nhỏ hơn tốc
độ truyền l
ớn nhất của sóng vô tuyến.
• Các nút có năng lượng thấp: Một số hoặc tất cả các nút trong mạng MANET
dùng pin để cung cấp năng lượng hoạt động cho các thành phần trong thiết bị.
Do vậy, các nút trong mạng MANET thường bị hạn chế về khả năng tính toán
của CPU, kích thước bộ nhớ, khả năng xử lý tín hiệu và mức năng lượng phát và
nhận sóng.
• Bảo mật v
ật lý có giới hạn: Do việc truyền qua không khí, các mạng không dây
tiềm ẩn nhiều nguy cơ bảo mật hơn các mạng cáp. Nhiều khả năng tấn công bảo
mật như nghe trộm, giả mạo và từ chối dịch vụ (DoS) có thể xảy ra. Các kỹ thuật
bảo mật cần được triển khai trên nhiều tầng giao thức để làm giảm các nguy cơ
đe doạ việc bảo mật.
1.2 Vấn đề định tuyến
Định tuyến mạng là việc tìm đường đi từ nguồn tới đích qua hệ thống mạng.
Giao thức định tuyến có chức năng chính là lựa chọn đường cho các cặp nguồn-đích
và phân phát gói tin tới đích chính xác. Truyền thông trong mạng MANET dựa trên
các đường đi đa chặng, do vậy định tuyến các gói tin là hoạt động quan trọng. Khác
với các mạng cố định có cấu hình ít thay đổi hoặc gần như không thay đổi, các vấn
đề về không dây và tính chất động của mạng MANET khiến cho các giao thức định

18
tuyến được thiết kế cho các mạng cố định không thể áp dụng hoặc gần như thất bại

trong mạng MANET. Việc thiết kế một giao thức định tuyến làm việc hiệu quả
trong mạng MANET là một bài toàn khó.
1.2.1 Các thuật toán định tuyến truyền thống
Để tìm đường đi cho các gói tin qua hệ thống các router trong mạng, các giao
thức định tuyến truyền thống thường sử dụng giải thuật véc tơ khoảng cách
(Distance Vector Routing - DV) hoặc trạng thái liên kết (Link State Routing – LS).
Thuật toán DV còn được gọi là thuật toán Bellman-Ford, được dùng trong mạng
ARPANET lúc mới ra đời và được sử dụng trong mạng Internet với tên gọi là RIP
(Routing Information Protocol). Thuật toán LS được sử dụng trong giao thức OLSF
(Open Shortest Path First) của Internet [3].
Trong giải thuật DV, mỗi router quảng bá một cách đị
nh kỳ tới các hàng xóm
thông tin khoảng cách từ nó tới tất cả các router khác. Các router dựa trên thông tin
nhận được này tính toán đường đi tốt nhất tới các router khác. Bằng việc so sánh
các khoảng cách từ mỗi hàng xóm tới một đích nào đó, router có thể quyết định
hàng xóm nào sẽ là chặng tiếp theo trong đường đi tới đích để đường đi là tối ưu
nhất. Bảng định tuyến tại các router do đó lưu trữ các thông tin về
các đích trong
mạng (các router khác trong mạng), chặng tiếp theo và khoảng cách tới đích. Vấn
đề với DV là khả năng hội tụ chậm và sự hình thành các vòng lặp định tuyến.
Trong giải thuật LS, mỗi router duy trì thông tin đầy đủ về cấu hình của toàn
bộ mạng. Để làm được điều này, mỗi router quảng bá định kỳ các gói tin LSP (Link
State Packet) có chứa thông tin về các hàng xóm và giá tới mỗi hàng xóm. Các
thông tin này sẽ được truyền tới tất cả
các router trong mạng. Từ thông tin về giá
của các liên kết trong toàn bộ mạng, các router có thể tính toán đường đi ngắn nhất
tới các đích có thể.
Việc sử dụng các giao thức định tuyến truyền thống trong mạng MANET với
việc xem mỗi nút như một router dẫn tới một loạt các vấn đề [21]:

19
9 Tiêu tốn băng thông mạng và năng lượng nguồn nuôi cho các cập nhật định
kỳ.
9 Các nút bị phá vỡ chế độ tiết kiệm năng lượng do liên tục phải nhận và gửi
thông tin.
9 Mạng có thể bị quá tải với các thông tin cập nhật khi số nút trong mạng tăng,
do đó làm giảm tính khả mở của mạng.
9 Các đường đi dư thừa
được tích luỹ một cách không cần thiết.
9 Hệ thống khó có thể phản hồi đủ nhanh với các thay đổi thường xuyên trong
cấu hình mạng.
1.2.2 Bài toán định tuyến mạng MANET
Có thể thấy, các giao thức định tuyến truyền thống nếu sử dụng cho mạng
MANET sẽ đặt quá nhiều công việc tính toán và truyền thông lên các nút di động
trong mạng. Thêm vào đó, yêu cầu về tính hội tụ của các giao thức sẽ khó có thể
thực hiện trong mạng MANET với tính chất động của môi trường. Mặc dù tốc độ
hội tụ có thể cải thiện bằng cách gửi các thông điệp cập nhật thường xuyên hơn
nhưng điều này sẽ làm tiêu tốn thêm băng thông và năng lượng nguồn nuôi. 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 đả
m 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 chuyển và thay đổi cấu hình cao.
Do đó, khi nghiên cứu thiết kế các giao thức định tuyến trong mạng MANET,
người ta thường phải xem xét một số yếu tố sau đây [24]:

20

9 Hoạt động phân tán: cách tiếp cận tập trung sẽ thất bại do sẽ tốn rất nhiều
thời gian để tập hợp thông tin trạng thái hiện tại và phát tán lại nó. Trong thời
gian đó, cấu hình mạng có thể đã thay đổi.
9 Không có lặp định tuyến: hiện tượng xảy ra khi một phần nhỏ các gói tin
quay vòng trong mạng trong một khoảng thời gian nào đó. Một giải pháp có
thể là sử
dụng giá trị thời gian quá hạn.
9 Tính toán đường dựa trên yêu cầu: thay thế việc duy trì định tuyến tới tất cả
các nút tại tất cả các thời điểm bằng việc thích ứng với dạng truyền thông.
Mục đích là tận dụng hiệu quả năng lượng và băng thông, mặc dù độ trễ tăng
lên do sự phát hiện đường.
9 Tính toán đường trước: Khi độ trễ
có vai trò quan trọng và băng thông cũng
như năng lượng cho phép, việc tính toán đường trước sẽ giảm độ trễ phân
phát.
9 Bảo mật: Giao thức định tuyến mạng MANET có khả năng bị tấn công dễ
dàng bằng một số dạng như xâm nhập truyền thông, phát lại, thay đổi các
tiêu đề gói tin, điều hướng các thông điệp định tuyến. Do vậy, cần có các
phương pháp bảo mật thích h
ợp để ngăn chặn việc sửa đổi hoạt động của
giao thức.
9 Hoạt động nghỉ: giao thức định tuyến cần cung cấp yêu cầu bảo tồn năng
lượng của các nút khi có thể.
9 Hỗ trợ liên kết đơn hướng: hỗ trợ trường hợp khi các liên kết đơn hướng tồn
tại trong mạng MANET.

21
Chương 2:
CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN MẠNG MANET

2.1 Các kỹ thuật định tuyến mạng MANET
Thiết kế của các giao thức định tuyến mạng MANET bao gồm các lựa chọn
về thông tin định tuyến được trao đổi, chiến lược phát các thông tin định tuyến và
cách tính toán đường đi của gói tin. Các kỹ thuật định tuyến khác nhau được áp
dụng trong các giao thức định tuyến mạng MANET có thể được tổng kết như sau
[18,32].
2.1.1 Định tuyến Link State và Distance Vector
Một số giao thức định tuyến mạng MANET dựa trên các kỹ thuật định tuyến
trong mạng có dây Link state và Distance Vector để xây dựng các giải thuật thích
ứng với mạng MANET. Vấn đề với định tuyến Link state là tổng phí định tuyến
tăng cao khi mạng có nhiều thay đổi; đối với định tuyến Distance Vector đó là vấn
đề hội tụ chậm và khuynh hướng tạo ra các vòng lặp định tuyến. Các giao thức định
tuyế
n mạng MANET tìm cách khắc phục các hạn chế này bằng một số sửa đổi. Một
số ví dụ về các giao thức này là DSDV, OLSR,…
2.1.2 Định tuyến chủ ứng và định tuyến phản ứng
Định tuyến chủ ứng (Proactive) là phương pháp định tuyến của các giao thức
truyền thống; trong đó đường tới tất cả các đích được tính toán trước, các thông tin
định tuyến được cập nhật định kỳ hoặc bất cứ khi nào cấu hình mạng thay đổi. Ưu
điểm của phương pháp định tuyến này là độ trễ phát gói tin thấp. Tuy nhiên, một số
đường không cần dùng đến và việc truyền các thông điệp định kỳ tiêu tốn băng
thông khi mạng thay đổi nhanh.
Định tuyến phản ứng (Reactive) là phương pháp định tuyến theo yêu cầu;
trong đó đường tới đích không được tính toán trước mà chỉ được xác định khi cần

22
đến. Quá trình phát hiện liên kết bị hỏng và xây dựng lại đường được gọi là quá
trình duy trì đường. Ưu điểm của định tuyến phản ứng là hạn chế được băng thông
do chỉ cần đường tới các đích cần thiết và loại bỏ các cập nhật định kỳ. Tuy nhiên,
vấn đề với phương pháp định tuyến này là độ trễ lớn trước khi phát do việc phải

thực hiện phát hiện đường.
2.1.3 Cập nhật định kỳ và cập nhật theo sự kiện
Cập nhật định kỳ thực hiện bằng việc phát các gói tin định tuyến một cách
định kỳ. Kỹ thuật này làm đơn giản hóa các giao thức và cho phép các nút học được
cấu hình và trạng thái của toàn bộ mạng. Tuy nhiên, giá trị quãng thời gian cập nhật
là một tham số quan trọng.
Cập nhật theo sự kiện diễn ra khi có sự kiện xảy ra trong mạng như liên kết
hỏng hoặc liên kết mới xuất hi
ện. Khi đó, gói tin cập nhật sẽ được quảng bá và
trạng thái cập nhật được truyền trong toàn bộ mạng. Nhưng khi mạng thay đổi
nhanh, số lượng gói tin cập nhật sẽ lớn và có thể gây ra các dao động về đường.
Một số giao thức sử dụng kết hợp hai cơ chế này, thí dụ DSDV,
2.1.4 Cấu trúc phẳng và cấu trúc phân cấp
Trong cấu trúc phẳng, tất cả các nút trong mạng ở cùng mức với nhau và có
chức năng định tuyến như nhau. Cấu trúc phẳng đơn giản và hiệu quả với các mạng
nhỏ. Tuy nhiên, đối với các mạng lớn, lượng thông tin định tuyến cũng sẽ lớn và sẽ
mất nhiều thời gian hơn để thông tin định tuyến có thể tới được các nút ở xa.
Đối với các mạng lớn, đị
nh tuyến phân cấp được áp dụng để giải quyết vấn đề
trên. Trong định tuyến phân cấp, các nút được tổ chức động thành các phân hoạch
gọi là cluster, sau đó các cluster được kết hợp lại thành các phân hoạch lớn hơn gọi
là các supercluster, v.v. Việc tổ chức mạng thành các cluster giúp duy trì cấu hình
mạng tương đối bền vững. Tính chất động cao của các thành viên và cấu hình mạng
được giới hạn trong cluster. Chỉ có thông tin mức cao, ổn
định như mức cluster

23
hoặc supercluster được truyền qua khoảng cách xa do đó truyền thông điều khiển
hay tổng phí định tuyến được giảm đáng kể.
2.1.5 Tính toán phi tập trung và tính toán phân tán

Trong giao thức dựa trên tính toán phi tập trung, mọi nút trong mạng duy trì
thông tin toàn cục hoàn chỉnh về cấu hình mạng để tính toán các đường đi ngay khi
cần. Tính toán đường trong các giao thức sử dụng trạng thái liên kết (Link state) là
ví dụ của tính toán phi tập trung. Trong giao thức dựa trên tính toán phân tán, mọi
nút trong mạng chỉ duy trì thông tin bộ phận hoặc cục bộ về cấu hình mạng. Khi
một đường cần được tính toán, nhiều nút sẽ phối hợp để tính toán đường. Tính toán
đường trong các giao thứ
c sử dụng véc-tơ khoảng cách (Distance vector) và phát
hiện đường trong các giao thức theo yêu cầu thuộc vào tiếp cận này.
2.1.6 Định tuyến nguồn và định tuyến theo chặng
Trong định tuyến nguồn, nút nguồn đặt toàn bộ đường trong tiêu đề của gói tin
dữ liệu, các nút trung gian chuyển tiếp các gói tin theo đường trong tiêu đề. Các
giao thức này loại bỏ nhu cầu quảng cáo đường định kỳ và các gói tin phát hiện
hàng xóm. Vấn đề lớn nhất với định tuyến nguồn là khi mạng lớn và đường đi dài,
việc đặt toàn bộ đường trong tiêu đề gói tin sẽ làm lãng phí băng thông.
Trong định tuyến theo chặng, đường tớ
i đích được phân tán theo các chặng.
Khi một nút nhận được gói tin cần chuyển tới đích, nút chuyển tiếp gói tin theo
chặng tiếp theo tương ứng với đích. Vấn đề là tất cả các nút cần duy trì thông tin
định tuyến và có khả năng tránh được việc hình thành lặp định tuyến.
2.1.7 Đơn đường và đa đường
Một số giao thức định tuyến tìm một đường duy nhất từ nguồn tới đích. Do
đó, giao thức trở nên đơn giản và tiết kiệm được không gian lưu trữ. Tuy nhiên, một
số giao thức khác lại áp dụng việc tìm nhiều đường. Mục tiêu của các giao thức này
là sự tin cậy và mạnh mẽ.

24
2.2 Phân loại các giao thức định tuyến mạng MANET

Hình 4: Phân loại các giao thức định tuyến mạng MANET

Với các kỹ thuật định tuyến được trình bày, có thể có nhiều cách phân loại các
giao thức định tuyến mạng MANET như dựa trên cấu trúc (phẳng hay phân cấp),
thông tin trạng thái (toàn cục, phi tập trung hay phân tán), sự lập lịch tính toán
đường (chủ ứng hay phản ứng). Hình 4 là một sơ đồ phân loại các giao thức định
tuyến mạng MANET dựa trên cách tính toán các đường đi [9,32]. Theo phương
pháp này, các giao thức định tuyến mạng MANET được chia thành lớp các giao
thứ
c chủ ứng, phản ứng và các giao thức lai sử dụng kết hợp hai cơ chế. Sơ đồ phân
loại còn thể hiện các quan hệ giữa các giao thức.
2.2.1 Giao thức DSDV (Destination-Sequence Distance Vector)
DSDV là giao thức định tuyến chủ ứng dựa trên véc tơ khoảng cách theo
chặng [5]. Mỗi nút trong mạng duy trì một bảng định tuyến có chứa chặng tiếp theo
và số chặng tới mỗi đích trong mạng. Để giữ cho các bảng định tuyến được cập
nhật, DSDV yêu cầu mỗi nút phát quảng bá định kỳ các cập nhật định tuyến tới các
hàng xóm và phát ngay các cập nhật khi có các thay đổi quan trọng xảy ra trong
mạ
ng.
Link state
OLSR
Các giao thức định tuyến MANET
Chủ ứng Phản ứng
Distance
Vecto
r
DSDV
AO
DV
DSR
TORA
ZRP

25
Để tránh lặp định tuyến, DSDV sử dụng số thứ tự gắn với mỗi đường. Số thứ
tự cho thấy độ mới của đường. Đường có số thứ tự cao hơn được xem là tốt hơn.
Tuy nhiên, hai đường có cùng số thứ tự nhưng đường nào có độ đo (metric) tốt hơn
thì sẽ tốt hơn. Số thứ tự này được khởi tạo ban
đầu bởi nút đích. Mỗi nút trong
mạng quảng cáo bằng việc tăng đều đặn số thứ tự của mình theo số chẵn. Số thứ tự
này được tăng lên một (trở thành số lẻ) bởi nút phát hiện đường tới đích có liên kết
hỏng do không nhận được các cập nhật định kỳ. Trong lần quảng cáo đường sau,
nút phát hiện liên kết hỏng sẽ quảng cáo
đường tới đích có số chặng vô hạn và số
thứ tự đường mới (số thứ tự lẻ).
Ngoài ra, để tránh sự bùng nổ các cập nhật định tuyến tại các thời điểm cấu
hình mạng thay đổi nhanh, DSDV cũng áp dụng cơ chế hãm các cập nhật tức thời
khi có các thay đổi xảy ra trong mạng. Bằng việc ghi nhận các quãng thời gian xảy
ra những thay đổi về
đường, DSDV làm trễ các cập nhật tức thời theo thời gian đó.
Nhằm làm giảm hơn nữa lượng thông tin trong các gói tin cập nhật, DSDV sử
dụng hai loại thông điệp cập nhật là: cập nhật đầy đủ (full dump) và cập nhật bổ
sung (incremental dump). Cập nhật đầy đủ mang tất cả thông tin định tuyến có
trong nút và cập nhật bổ sung chỉ mang các thông tin về những thay đổi từ lần c
ập
nhật đầy đủ gần nhất. Để làm được điều này, DSDV lưu trữ hai bảng khác nhau,
một dùng để chuyển tiếp các gói tin, một để phát các gói tin cập nhật bổ sung. Cập
nhật đầy đủ được truyền tương đối ít thường xuyên khi ít có sự di chuyển của nút.
Khi các nút mạng di chuyển thường xuyên, cập nhật đầy đủ được phát để các cập
nhật bổ sung sẽ nhỏ h
ơn. Tuy nhiên, khi có các thay đổi trong mạng, nút thông
thường chỉ phát cập nhật bổ sung.

2.2.2 Giao thức OLSR (Optimized Link State Routing Protocol)
OLSR là giao thức định tuyến chủ ứng dựa trên trạng thái liên kết [26]. Sự
khác nhau giữa OLSR và định tuyến theo trạng thái liên kết trong mạng có dây là
OLSR dựa trên các chuyển phát đa điểm MPR (hình 5). Các điểm chuyển phát
MPR là số tối thiểu các nút trong số các hàng xóm trực tiếp có thể chuyển tiếp các