Tìm hiểu ảnh hưởng của giao thức định tuyến AODV và DSR trong điều khiển tắc nghẽn của TCP và TFRC trên mạng MANET

B GIO DC V O TO
I HC HU
TRNG I HC KHOA HC

PHM í THIấN

Tìm hiểu ảnh h-ởng của giao thức định tuyến
AODV và DSR trong điều khiển tắc nghẽn
của TCP và TFRC trên mạng MANET

CHUYấN NGNH: KHOA HC MY TNH
M S: 60.48.01.01

LUN VN THC S KHOA HC MY TNH

Hu, 2015


MỤC LỤC
Trang phụ bìa
Lời cam đoan
Lời cảm ơn
Mục lục
Danh mục các chữ viết tắt
Danh mục các bảng, biểu đồ
Danh mục các hình vẽ
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG MANET ........................................... 4
1.1. Cấu trúc mạng MANET ............................................................................. 4
1.1.1. Giới thiệu ................................................................................................. 4
1.1.2. Phân loại mạng MANET theo cách thức định tuyến .............................. 5

1.1.3. Phân loại mạng MANET theo chức năng của Node ............................... 7
1.1.4. Một số đặc điểm của mạng MANET ...................................................... 8
1.1.5. Một số thuật toán định tuyến cơ bản trong mạng MANET .................... 9
1.1.6. Một số hạn chế và giải pháp ................................................................. 12
1.2. Phân loại giao thức định tuyến trên mạng MANET ................................ 14
1.2.1. Giao thức định tuyến theo bảng ghi
(Table-Driven Routing Protocol) ............................................................ 15
1.2.2. Giao thức định tuyến điều khiển theo yêu cầu
(On-Demand Routing Protocol) .............................................................. 15
1.2.3. Giao thức định tuyến kết hợp (Hybrid Routing Protocol) .................... 16
1.3. Vấn đề điều khiển tắc nghẽn. ................................................................... 16
1.3.1. Nguyên lý điều khiển tắc nghẽn ............................................................ 18
1.3.2. Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn ................................................ 19


1.4. Tiểu kết chương........................................................................................ 19
Chương 2. ẢNH HƯỞNG CỦA GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN
TRONG ĐIỀU KHIỂN TẮC NGHẼN ............................................... 20
2.1. Phân tích hoạt động của TCP và TFRC trong quá trình điều khiển
tránh tắc nghẽn ........................................................................................ 20
2.1.1. Vấn đề truyền tin và giải quyết tắc nghẽn của TCP .............................. 21
2.1.2. Giao thức truyền tin TFRC ................................................................... 23
2.1.2.1. Biểu thức tính thông lượng ................................................................ 30
2.2. Hoạt động của giao thức định tuyến AODV và DSR .............................. 30
2.2.1. Giao thức định tuyến DSR (Dynamic Source Routing) ........................ 31
2.2.2. Giao thức định tuyến AODV
(Ad hoc On Demand Distance Vector) ................................................... 34
2.3. Một số mô hình kết hợp của TCP với giao thức định tuyến. ................... 37
2.3.1. Mô hình kết hợp TCP-Reno, TCP-Vegas
với AODV và OLSR ............................................................................... 38

2.3.2. Mô hình kết hợp các biến thể TCP với các giao thức định tuyến
sử dụng mô hình truyền sóng khác nhau................................................. 41
2.4. Ảnh hưởng của sự kết hợp TFRC với AODV và DSR ............................ 45
2.4.1. Phân tích những ảnh hưởng của DSR trong việc định tuyến
truyền tin ................................................................................................. 45
2.4.2. Phân tích những ảnh hưởng của AODV trong việc định tuyến
truyền tin ................................................................................................. 47
2.5. Đánh giá hiệu năng ................................................................................... 50
2.6. Tiểu kết chương........................................................................................ 50
Chương 3. ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA SỰ KẾT HỢP TCP, TFRC
VỚI AODV VÀ DSR............................................................................. 52
3.1. Giới thiệu môi trường mô phỏng NS-2 .................................................... 52
3.1.1. Cấu trúc và cơ chế của phần mềm NS-2 ............................................... 52


3.1.2. Các thành phần thiết yếu tạo tập tin mô phỏng trong NS-2 .................. 54
3.1.3. Cách tạo tập tin tcl và thực hiện mô phỏng........................................... 54
3.2. Thiết kế và cài đặt mô phỏng một số mô hình đã nghiên cứu ................. 57
3.3. Phân tích kết quả và đánh giá hiệu năng .................................................. 58
3.3.2. Tỷ lệ gói tin rơi ...................................................................................... 61
3.3.3. Độ trễ trung bình ................................................................................... 63
3.4. Tiểu kết chương........................................................................................ 65
KẾT LUẬN .................................................................................................... 66
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 67


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
2G, 3G, 4G

2nd Generation, 3rd Generation, 4th Generation

ACK

Acknowledgement data networks

AMPS

Advance Mobile Phone Service

AODV

Ad-hoc On-demance Distance Vector routing

ARDIS

Advance Nation Radio Data Service

CDMA

Code Division Multiple Access

CDPD

Cellular Digital Packet Data

CWND

Congestion Window

DHCP

Dynamic Host Configuration Protocol

DSL

Digital Subcriber Line

DSR

Dynamic Source Routing

EWC

Enhanced Wireless Consortium

TFRC

TCP-Friendly Rate Control

GMS

Global system for Mobile Communications

GPRS

General Packet Radio Service

HDML

Handheld Device Markup Language

IEEE

Institute of Electrical and Electronics Engineers

IETF

Internet Engineering Task Force

IP

Internet Protocol

ISP

Internet Service Provider

LAN

Local Area Netwwork

MAC

Media Access Control

MANET

Mobile Ad-hoc Network

NAT

Network Address Translation

NS-2

Network Simulator-2

PAN

Personal Area Network

PC

Personal Computer


PCI

Peripheral Component Interconnect

PCS

Personal Communications Services

PDA

Personal Digital Assistants

RERR

Route Error

RREP

Route Reply

RREQ

Route Request

RTT

Round Trip Time

SSTHRESH

Slowstart Threshold

TCP

Transmitsion Control Protocol

TDMA

Time Division Multiple Access

UMTS

Universal Mobile Telecommunications System

WAE

Wireless Application Environment

WDP

Wireless Datagram Protocol

WIFI

Wireless Fidelity

WSP

Wireless Session Protocol

WTLS

Wireless Transport Layer Security

WTSP

Wireless Transaction Session Protocol


DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU ĐỒ VÀ LƯU ĐỒ
Danh mục các lưu đồ
Số hiệu

Tên lưu đồ

Trang

2.1

Cơ chế xử lý khám phá đường tại node của DSR

32

2.2

Cơ chế xử lý khám phá đường tại node của AODV

36

Danh mục các bảng
Số hiệu

Tên bảng

Trang

2.1

Các tham số mô phỏng trong mô hình kết hợp TCP-Reno,
TCP-Vegas với AODV và OLSR

38

2.2

Các tham số mô phỏng trong mô hình kết hợp các biến thể
TCP với các giao thức định tuyến sử dụng mô hình truyền
sóng khác nhau

42

2.3

Goodput khi sử dụng mô hình truyền sóng TowRayGround

44

2.4

Goodput khi sử dụng mô hình truyền sóng Shadowing

44

3.1

Thông lượng trung bình khi TFRC kết hợp với AODV, DSR

59

3.2

Thông lượng trung bình khi TCP kết hợp với AODV, DSR

59

3.3

Tỷ lệ (%) gói tin rơi khi TFRC kết hợp với AODV, DSR

61

3.4

Tỷ lệ (%) gói tin rơi khi TCP kết hợp với AODV, DSR

61

3.5

Độ trễ trung bình khi TFRC kết hợp với AODV, DSR

63

3.6

Độ trễ trung bình khi TCP kết hợp với AODV, DSR

63

Danh mục các biểu đồ
Số hiệu

Tên biểu đồ

Trang

3.1

Thông lượng khi TCP và TFRC kết hợp với AODV

60

3.2

Thông lượng khi TCP và TFRC kết hợp với DSR

60

3.3

Tỷ lệ (%) gói tin rơi khi TCP và TFRC kết hợp với AODV

62

3.4

Tỷ lệ (%) gói tin rơi khi TCP và TFRC kết hợp với DSR

62

3.5

Độ trễ trung bình khi TCP và TFRC kết hợp với AODV

64

3.6

Độ trễ trung bình khi TCP và TFRC kết hợp với DSR

64


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Số hiệu

Tên hình vẽ

Trang

1.1

Mô hình mạng MANET

5

1.2

Định tuyến Single-hop

6

1.3

Định tuyến Multi-hop

6

1.4

Mô hình mạng phân cấp

7

1.5

Mô hình mạng Aggregate Ad hoc

8

1.6

Sự phát triển của mạng không dây di động

9

1.7

Phân loại các giao thức định tuyến trong mạng MANET

14

1.8

Sơ đồ biến đổi lưu lượng của TCP

17

2.1

Cơ chế hoạt động của TCP

21

2.2

Cơ chế hoạt động của giao thức TFRC

25

2.3

Ví dụ về các sự kiện mất gói

29

2.4

Minh họa cơ chế duy trì thông tin định tuyến

33

2.5

Các trường trong gói tin RREQ

35

2.6

Các trường trong gói tin RREP

37

2.7

So sánh hiệu suất của TCP-Reno khi kết hợp với AODV và OLSR

40

2.8

So sánh hiệu suất của TCP-Vegas khi kết hợp với AODV và OLSR

40

2.9

So sánh hiệu suất của TCP-Reno và TCP-Vegas khi kết hợp với AODV

40

2.10

So sánh hiệu suất của TCP-Reno và TCP-Vegas khi kết hợp với OLSR

41

2.11

Tỷ lệ phát gói tin thành công khi kết hợp với AODV

43

2.12

Tỷ lệ phát gói tin thành công khi kết hợp với DSDV

43

2.13

Tỷ lệ phát gói tin thành công khi kết hợp với DSR

43

2.14

Tỷ lệ phát gói tin thành công khi kết hợp với OLSR

43

2.15

Minh họa thay đổi tuyến đường của DSR

47

2.16

Minh họa thay đổi tuyến đường của AODV

49

3.1

Cấu trúc phân tầng mô phỏng NS-2 của mạng không dây

53

3.2

Cấu trúc phần tầng khung nhìn phát triển NS-2

53

3.3

Mô hình kịch bản mô phỏng

58


1

MỞ ĐẦU
Ngày nay, việc sử dụng công nghệ không dây trở thành một dịch vụ đắc lực cho
con người trong nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội, phần lớn thông tin được liên lạc,
trao đổi với nhau qua mạng. Từ khi ra đời đến nay, mạng máy tính có dây đã có đóng
góp lớn cho sự phát triển chung của xã hội. Tuy nhiên, với sự phát triển nhanh chóng
của khoa học kỹ thuật và công nghệ, nhất là khi các thiết bị di động như Laptop, điện
thoại thế hệ mới, PDA ra đời thì mạng có dây bắt đầu bộc lộ những hạn chế của nó, do
không thể đáp ứng hết những tính năng ưu việt mới của các thiết bị đó.
Với sự hỗ trợ của các thiết bị vô tuyến, mạng không dây cũng không ngừng
phát triển. Hàng loạt chuẩn mạng không dây được ra đời, từ các thế hệ 2G, 3G, 4G của
điện thoại di động, đến các chuẩn IrDA, Open Air, BlueTooth và các chuẩn của
Wireless Lan như IEEE 802.11e, HiperLan. Mạng không dây giúp các thiết bị di động
sử dụng một cách hiệu quả, thuận tiện hơn như:
+ Khả năng di động cao, dễ dàng bổ sung, thay thế các thiết bị.
+ Thiết lập thông tin liên lạc cho chuyên ngành, tùy biến, ứng dụng đột xuất ở
những nơi không có cơ sở hạ tầng.
Bên cạnh đó, mạng không dây còn có những hạn chế về giá cả cũng như về mặt
kỹ thuật: tỷ lệ lỗi bit cao, băng thông hạn chế, bán kính phủ sóng ngắn, chi phí thiết bị
phần cứng cao, tuổi thọ pin của thiết bị còn thấp, khả năng bảo mật chưa cao.
Hiện nay, Wireless LAN với công nghệ Wifi là công nghệ nổi bật đang được sử
dụng rộng rãi trên khắp thế giới. Xu hướng trong tương lai của mạng Wireless LAN là
mạng tùy biến không dây Mobile Ad-hoc Network (MANET).
Mặc dù có nhiều nghiên cứu hoạt động của TCP trong mạng MANET, nhưng
hoạt động của TFRC vẫn chưa rõ ràng trong mạng MANET. Sự kết hợp giữa giao thức
truyền tin và giao thức định tuyến cho thấy hiệu năng mạng không dây có sự cải thiện
đáng kể.


2

Về ý nghĩa khoa học và thực tiễn: Nghiên cứu ảnh hưởng của sự kết hợp giao
thức truyền tin TCP, TFRC với các giao thức định tuyến AODV, DSR trên mạng tùy
biến không dây MANET góp phần giải quyết bài toán thực tiễn hiện nay và tương lai
đó là khi người sử dụng mạng không dây ngày càng tăng về số lượng, phạm vi rộng và
nhu cầu dịch vụ mới mà mạng có dây còn hạn chế. Vì vậy việc nghiên cứu đánh giá
hiệu suất truyền thông của mạng tùy biến không dây để đưa ra khuyến nghị áp dụng là
một vấn đề rất cấp thiết.
Tổng quan tài liệu: Gần đây, những nghiên cứu về mạng MANET tăng lên do
sự gia tăng của các thiết bị điện tử nhỏ gọn, máy tính xách tay, điện thoại di động thế
hệ mới [1], có nhiều công trình nghiên cứu cải thiện giao thức định tuyến TCP như là
TFRC [3], [8] trong mạng MANET. Tuy nhiên, đề tài này quan tâm nhiều hơn trong
hoạt động nguyên bản của TCP và TFRC [1], [4].
Hầu hết các nhà khoa học trước đây đã nghiên cứu và đánh giá hiệu suất của
giao thức truyền tải biệt lập với giao thức định tuyến của mạng MANET [6]. Gần đây,
các nhà khoa học đã bắt đầu nghiên cứu sự tương tác giữa các giao thức truyền tin ở
tầng giao vận với giao thức định tuyến của lớp mạng [5], [8].
Nghiên cứu ảnh hưởng giữa sự kết hợp giao thức truyền tin và giao thức định
tuyến cải thiện hiệu năng sử dụng của mạng MANET [6], cũng là lĩnh vực mới mà
nhiều nhà nghiên cứu quan tâm.
Mục tiêu nghiên cứu: Tìm hiểu hoạt động của TCP và TFRC, đánh giá sự ảnh
hưởng của việc kết hợp TCP, TFRC với giao thức định tuyến AODV, DSR trên mạng
MANET.
Đối tượng nghiên cứu: Mạng MANET và kỹ thuật truyền dữ liệu, các giao
thức định tuyến AODV, DSR trong điều khiển tắc nghẽn của TCP và TFRC trên mạng
MANET.
Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết các giao thức định tuyến, làm
cơ sở cho việc đánh giá ảnh hưởng giữa sự kết hợp giao thức truyền tin và giao thức
định tuyến trên mạng MANET.

3
Phương pháp mô phỏng và đánh giá hiệu năng bằng phần mềm NS-2.
Phạm vi nghiên cứu: Các giao thức truyền tin TCP, TFRC và giao thức định
tuyến AODV, DSR trên mạng MANET.
Cấu trúc của luận văn: Cấu trúc của luận văn gồm phần mở đầu, nội dung
luận văn gồm 3 chương, kết luận và tài liệu tham khảo.
Chương 1 tổng quan về mạng MANET, vấn đề điều khiển tắc nghẽn và một số
giao thức định tuyến.
Chương 2 ảnh hưởng của giao thức định tuyến trong điều khiển tắc nghẽn. Sự
kết hợp của TCP, TFRC với một số giao thức định tuyến AODV và DSR trên mạng
MANET.
Chương 3 đánh giá hiệu năng và thiết kế mô hình, cài đặt mô phỏng một số mô
hình đã nghiên cứu.
Kết luận nêu lên những kết quả đã đạt được trong luận văn và hướng phát triển
của đề tài.


4

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ MẠNG MANET

Mạng di động tùy biến không dây – MANET (Mobile Ad hoc Network) là
mạng mà mọi nút đều có khả năng di chuyển nên không có một nút mạng cố định nào
thực hiện chức năng điều khiển trung tâm. Vì vậy việc định tuyến cho việc truyền dữ
liệu trên mạng MANET là một trong những vấn đề đang được nhiều nhà nghiên cứu
quan tâm, có ý nghĩa khoa học rất lớn trong việc điều khiển thông tin truyền tin trên
mạng một cách trong suốt và đáp ứng tốt với sự phát triển các dịch vụ truyền thông đa
phương tiện hiện nay.
Mạng MANET là một trong những công nghệ vượt trội đáp ứng nhu cầu kết nối

nhờ khả năng hoạt động không phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng mạng cố định, với chi phí
hoạt động thấp, triển khai nhanh và có tính di động cao. Tuy nhiên, hiện nay mạng
MANET vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi và đang được thúc đẩy nghiên cứu nhằm
cải tiến hơn nữa các giao thức định tuyến để mạng đạt được hiệu quả hoạt động tốt
hơn.
1.1. Cấu trúc mạng MANET
Mạng MANET là một mô hình bao gồm các nút mạng di động, một vài host sẽ
đóng vai trò định tuyến và chuyển các gói tin đến các nút lân cận. Như vậy, việc triển
khai mô hình mạng dạng MANET sẽ không yêu cầu có các thiết bị trung tâm, vì thế
mô hình này rất thích hợp trong các khu vực không thể xây dựng các cơ sở hạ tầng
mạng.
1.1.1. Giới thiệu
Mạng MANET đã trở thành thế hệ kế tiếp của mạng máy tính. Theo định nghĩa
của tổ chức Internet Engineering Task Force (IETF), mạng MANET là một vùng tự trị
của các routers được kết nối với nhau bằng liên kết không dây, các nút (node) có thể di
chuyển một cách tự do nên cấu trúc (topology) của mạng thay đổi liên tục mà không
thể dự đoán trước.


5

Hình 1.1. Mô hình mạng MANET
MANET bao gồm các hoạt động di động cơ bản như một router với nhiều máy
chủ và các thiết bị thông tin liên lạc không dây (được gọi đơn giản là “nút”) được tự
do di chuyển. Các nút có thể ở nhiều vị trí khác nhau hoặc trên máy bay, tàu, xe, ngay
cả trên người hoặc các thiết bị rất nhỏ. MANET là một hệ thống tự trị của các nút di
động. Hệ thống này có thể hoạt động độc lập, hoặc có thể có các cổng kết nối và giao
tiếp với một mạng cố định.
Các nút MANET được trang bị máy phát không dây và nhận bằng cách sử dụng
các ăng-ten đa hướng (phát sóng), định hướng cao (point-to-point), có thể điều chỉnh,

hoặc kết hợp một số tính năng trên. Tại một thời điểm nhất định, tùy thuộc vào vị trí
của các nút, mức phát và nhận, năng lượng truyền tải, độ nhiễu của một kết nối không
dây là ngẫu nhiên. Cấu trúc Ad-hoc này có thể thay đổi theo thời gian do các nút di
chuyển hoặc do điều chỉnh tham số truyền và nhận.
Mạng MANET có thể phân loại theo cách thức định tuyến hoặc theo chức năng
của Node.
1.1.2. Phân loại mạng MANET theo cách thức định tuyến
Mạng MANET định tuyến Single-hop
Đây là loại mô hình mạng Ad-hoc đơn giản nhất, trong đó, tất cả các node đều
nằm trong cùng một vùng phủ sóng, nghĩa là các node có thể kết nối trực tiếp với các
node khác mà không cần thông qua các node trung gian.


6

Hình 1.2. Định tuyến Single-hop
Trong mô hình này, các node có thể di chuyển tự do nhưng chỉ trong một phạm
vi nhất định đủ để node có thể liên lạc trực tiếp với các node khác trong mạng.
Mạng MANET định tuyến Multi-hop
Đây là mô hình phổ biến nhất trong mạng MANET, mô hình này khác với mô
hình trước là các node có thể kết nối với các node khác trong mạng mà có thể không
cần phải kết nối trực tiếp với nhau. Các node có thể định tuyến đến node khác thông
qua các node trung gian trong mạng. Để mô hình này có thể hoạt động một cách hoàn
hảo thì cần phải có các giao thức định tuyến phù hợp với mô hình mạng MANET.

Hình 1.3. Định tuyến Multi-hop
Mô hình này là sự mở rộng của mô hình Multi-hop: mô hình này tập trung vào
các ứng dụng có tính chất thời gian thực như: audio, video.

7
1.1.3. Phân loại mạng MANET theo chức năng của Node
Mạng MANET đẳng cấp (Flat)
Trong kiến trúc này, tất cả các node có vai trò ngang hàng với nhau (peer-topeer) và các node cũng đóng vai trò như các router dùng để định tuyến các gói dữ liệu
truyền trên mạng. Trong những mạng lớn thì kiến trúc Flat không tối ưu việc sử dụng
tài nguyên băng thông của mạng với những thông báo điều khiển (control message)
phải truyền trên toàn bộ mạng. Tuy nhiên, nó thích hợp trong những topo mà các node
di chuyển nhiều.
Mạng MANET phân cấp (Hierarchical)
Đây là mô hình mạng được sử dụng phổ biến nhất trong mạng MANET. Trong
kiến trúc này, mạng chia làm các miền (domain), trong mỗi domain bao gồm một
hoặc nhiều cluster, với mỗi cluster bao gồm một hoặc nhiều node. Do đó, node trong
kiến trúc này chia làm hai loại:
- Master node là node quản trị một cluster và có nhiệm vụ chuyển dữ liệu của
các node trong cluster đến các node trong các cluster khác và ngược lại. Nói cách
khác, nó có chức năng như một gateway.
- Normal node là các node nằm trong cùng một cluster và chỉ có thể kết nối với
các node trong cùng một cluster hoặc kết nối với các node trong các cluster khác thông
qua master node.

Hình 1.4. Mô hình mạng phân cấp
Với các cơ chế trên, mạng sử dụng tài nguyên băng thông mạng hiệu quả hơn vì
các tin nhắn chỉ phải truyền trong một cluster. Tuy nhiên, việc quản lý tính chuyển
động của các node trở nên phức tạp hơn, kiến trúc mạng phân cấp thích hợp cho các
mạng có tính di động thấp.


8
Mạng MANET kết hợp (Aggregate)
Trong kiến trúc mạng này, mạng phân thành các vùng (zone) và các node được

chia vào trong các zone. Nên mỗi node bao gồm hai mức topo (topology):
Topo mức thấp (node level) và topo mức cao (zone level: high level topology).
Ngoài ra, mỗi node đặc trưng bởi hai số ID: node ID và zone ID. Trong một zone có
thể áp dụng kiến trúc bình đẳng hoặc kiến trúc phân cấp.

Hình 1.5. Mô hình mạng Aggregate Ad hoc
1.1.4. Một số đặc điểm của mạng MANET
- Cấu trúc liên kết mạng năng động: Các nút được tự do di chuyển ngẫu nhiên,
do đó cấu trúc liên kết mạng có thể thay đổi ngẫu nhiên và nhanh chóng vào những
thời điểm không thể đoán trước được, có thể bao gồm cả liên kết một chiều và hai
chiều.
- Khoảng cách phát sóng ngắn: khoảng cách phát sóng của các thiết bị di động
là rất hạn chế.
- Băng thông hạn chế: hiệu suất của liên kết không dây sẽ tiếp tục có khả năng
thấp hơn đáng kể hơn so với có dây. Ngoài ra, hiệu suất truyền thông mạng không dây
còn bị ảnh hưởng của đa truy cập, nhiễu sóng, và các điều kiện can thiệp khác. Hiệu
suất này thường thấp hơn nhiều so với tốc độ truyền tối đa của sóng trên lý thuyết. Một
ảnh hưởng khác đến hiệu suất trung bình của liên kết là tắc nghẽn, tức là nhu cầu ứng


9
dụng có khả năng sẽ tiếp cận hoặc vượt quá năng lực mạng. Vì các mạng di động
thường chỉ đơn giản là một phần mở rộng của cơ sở hạ tầng mạng cố định, và những
người dùng mạng di động MANET sẽ yêu cầu các dịch vụ tương tự. Những nhu cầu
này sẽ tiếp tục tăng lên khi tính toán đa phương tiện và các ứng dụng mạng gia tăng.
- Năng lượng hoạt động hạn chế: một số hoặc tất cả các nút trong mạng
MANET có thể dựa trên pin hoặc phương tiện mang năng lượng hạn chế khác.

Hình 1.6. Sự phát triển của mạng không dây di động
- Dịch vụ bảo mật vật lý hạn chế: các mạng di động không dây nói chung có độ

bảo mật vật lý thấp hơn so với mạng có dây nên dễ bị nghe trộm, giả mạo, và các cuộc
tấn công từ chối dịch vụ. Hiện các kỹ thuật bảo mật liên kết thường được áp dụng
trong mạng không dây để giảm thiểu các mối đe dọa về an ninh mạng.
1.1.5. Một số thuật toán định tuyến cơ bản trong mạng MANET
Một phương pháp khá đơn giản và hiệu quả để thực hiện việc định tuyến trong
hầu hết các hệ thống mạng truyền thông là việc sử dụng các bộ định tuyến để phát hiện
và lựa chọn đường đi hợp lý cho gói dữ liệu đến đích thông qua các thuật toán định
tuyến như: thuật toán vectơ khoảng cách (Distance Vector) và thuật toán trạng thái kết
nối (Link State).
Thuật toán Vectơ khoảng cách (Distance Vector)
Phương pháp này được thực hiện bằng cách truyền định kỳ các bản sao của
bảng định tuyến từ router này sang router khác. Mỗi router nhận được bảng định tuyến


10
của những router láng giềng kết nối trực tiếp với nó. Dựa vào thông tin cung cấp bởi
các router láng giềng, thuật toán vectơ khoảng cách sẽ lựa chọn đường đi tốt nhất.
Việc tính toán đường đi trong thuật toán định tuyến theo vectơ khoảng cách dựa vào
thuật toán Bellman-Ford.
Thuật toán Bellmen-Ford thường được áp dụng trong giao thức định tuyến tĩnh
RIP để xây dựng bảng định tuyến. Thuật toán này cũng tương tự như thuật toán
Dijlkstra nhưng nó không áp dụng phương pháp tham lam trong việc chọn ra đỉnh v có
trọng nhỏ nhất lân cận với đỉnh u đang xét.
Thuật toán Bellman Ford tính toán đường đi ngắn nhất từ nguồn tới đích được
mô tả như sau:
Input: Đồ thị (G, w, s);
Bellman-Ford-More(G, w, s)
-

Bước 1: Khởi tạo nút nguồn s

-

Bước 2: for i = 1 to V[G] –1 do
for mỗi cạnh (u, v)  E[G] do
if d( v) > d(u) + w then {d(u), d(v) là chi phí được

tính từ nút

gốc đến các đỉnh u, v}
d(v) : = d(u) + w;
-

Bước 3: for mỗi cạnh (u,v)  E[G] do
if d[u] + w(u, v) < d[v] then
return False;
else
return True;

Output: Cây đường đi ngắn nhất từ nút s đến các nút khác, kết quả hàm là true
nếu không có đỉnh nào mà đường đi đến nó có giá trị lớn hơn tổng đường đi đến nút kề
đứng trước nó với trọng số trên cạnh nối hai đỉnh u và v, ngược lại hàm trả về giá trị là
false.
Sử dụng các giao thức định tuyến theo vectơ khoảng cách thường tốn ít tài
nguyên của hệ thống. Tuy nhiên, tốc độ đồng bộ giữa các router lại chậm và thông số
được sử dụng để chọn đường đi có thể không phù hợp với những hệ thống mạng lớn.


11
Thuật toán trạng thái kết nối (Link State)

Trạng thái liên kết là một mô tả đặc điểm các mối liên kết từ bộ định này tới các
bộ định tuyến lân cận. Các đặc điểm này bao gồm: địa chỉ IP, mặt nạ, kiểu mạng kết
nối, và các bộ định tuyến kết nối mạng đó.
Giao thức định tuyến trạng thái liên kết được thực hiện dựa trên các bản tin
thông báo trạng thái liên kết (LSA), mỗi bộ định tuyến xây dựng cho mình một cơ sở
dữ liệu trạng thái riêng dựa vào nội dung của các bản tin này. Do đó các bộ định tuyến
biết rõ và chinh xác thông tin topo về mạng và thực hiện truyền dẫn các gói tin từ nút
nguồn đến nút đích trong mạng dễ dàng.
Gói thông báo trạng thái liên kết (LSA: Link State Advertisment) là các gói tin
nhỏ chứa thông tin định tuyến được truyền qua lại giữa các bộ định tuyến, được làm
tràn trên mạng theo định kỳ hay khi có thay đổi thông tin của một bộ định tuyến nào
đó trong mạng. Cơ sở dữ liệu trạng thái liên kết (LSDB: Link State Database) được tạo
và cập nhật từ thông tin của các bản tin thông báo LSA.
Thuật toán trạng thái liên kết được dùng để xây dựng và tính toán đường đi
ngắn nhất từ nút nguồn đến tất cả các nút đích trong mạng. Thuật toán Dijkstra được
áp dụng trong giao thức định tuyến trạng thái liên kết được thực hiện qua các bước
sau:
Input: Đồ thị (G, w, s);
Dijkstra(G, w, s)
- Bước 1: Khởi tạo nút nguồn s;
- Bước 2: S : = {}; {Cuối cùng S sẽ chứa các đỉnh có trọng số đường đi
ngắn nhất từ s}
- Bước 3: Khởi tạo hàng đợi ưu tiên Q : = V[G] {Q chứa các đỉnh trong đồ
thị G}
- Bước 4: While Q <> {} do
u : = EXTRACT_MIN(Q) {Chọn ra đỉnh v trong Q lân
cận đỉnh u có trọng số cạnh (u,v) nhỏ nhất gán cho u}
- Bước 5: S : = S  {u} ; Q : = Q \ {u}
- Bước 6: for mỗi đỉnh v  Adj[u] do {v các đỉnh liền kề với u}

12
if d( v) > d(u) + w then {d(u), d(v) là chi phí được tính từ
nút gốc đến các đỉnh u, v}
d(v) : = d(u) + w; {quay lại Bước 4}
Output: Cây đường đi ngắn nhất từ đỉnh s đến các nút trong mạng.
Sử dụng giao thức định tuyến trạng thái liên kết sẽ dẫn đến một số nhược điểm:
- Router sử dụng định tuyến theo trạng thái kết nối sẽ phải cần nhiều bộ nhớ
hơn và hoạt động xử lý nhiều hơn là sử dụng định tuyến theo vectơ khoảng cách.
- Router phải có đủ bộ nhớ để lưu cơ sở dữ liệu về cấu trúc mạng, bảng định
tuyến. Khi khởi động việc định tuyến, tất cả các router phải gửi gói LSA cho tất cả các
router khác, khi đó băng thông đường truyền sẽ bị chiếm dụng làm cho băng thông
dành cho đường truyền dữ liệu của người dùng bị giảm xuống. Tuy nhiên, sau khi các
router đã thu thập đủ thông tin để xây dựng cơ sở dữ liệu về cấu trúc mạng thì băng
thông đường truyền không bị chiếm dụng nữa.
1.1.6. Một số hạn chế và giải pháp
- Phạm vi truyền dẫn không dây hạn chế: Trong các mạng không dây, băng
thông bị hạn chế do sử dụng băng tần vô tuyến điện và do đó tỷ lệ dữ liệu mà nó có thể
vận chuyển thấp hơn rất nhiều so với mạng có dây. Điều này đòi hỏi các giao thức
định tuyến trong mạng không dây phải sử dụng băng thông một cách tối ưu bằng cách
giữ cho chi phí định tuyến thấp nhất có thể.
- Định tuyến phần đầu: Trong mạng MANET, các nút thường xuyên thay đổi vị
trí. Vì vậy, một số tuyến đường cũ vẫn tồn tại trong bảng định tuyến, dẫn đến tổng chi
phí định tuyến cao hơn nhiều so với khả năng thực tế của mạng.
- Hạn chế nguồn năng lượng: Nguồn năng lượng hoạt động hạn chế là một trong
những khó khăn lớn đối với các nút trong mạng MANET. Nguồn năng lượng chủ yếu
được cung cấp bằng pin. Tăng khả năng lưu trữ của pin và giảm kích thước nút di
động là biện pháp để sử dụng tối ưu nguồn năng lượng.
- Liên kết bất đối xứng: Hầu hết các mạng có dây dựa vào các liên kết đối xứng
cố định. Nhưng với mạng MANET với các nút di động và liên tục thay đổi vị trí do đó

các liên kết thay đổi thường xuyên. Ví dụ trong mạng không dây nút B sẽ gửi một tín
hiệu đến nút A nhưng điều này không nói được bất cứ điều gì về chất lượng của kết


13
nối theo hướng ngược lại. Đặc tính này đòi hỏi giao thức định tuyến phải cung cấp con
đường “thứ 2” để nút đích thực hiện truyền phát các gói tin phản hồi.
- Các kênh kết nối không dây thay đổi theo thời gian: Các kênh kết nối không
dây dễ bị thay đổi bởi một loạt các nguyên nhân khác nhau, chẳng hạn đứt liên kết tạm
thời, nằm trong vùng phủ sóng yếu, do tác động can thiệp vào kết nối của con người và
tắc nghẽn. Một số yếu tố khác như phạm vi phủ sóng, tốc độ truyền dữ liệu và độ tin
cậy của truyền tải không dây. Mức độ ảnh hưởng của các yếu tố trên đến việc truyền
tải còn phụ thuộc vào điều kiện môi trường và tính di động của nút truyền và nhận.
- Tính chất phát sóng của môi trường không dây: Bản chất của kênh phát sóng
là việc truyền dữ liệu từ một nút và được nhận bởi tất cả các nút trong phạm vi phủ
sóng trực tiếp của nó. Một nút có thể được truy cập vào môi trường chia sẻ thông tin
chỉ khi việc truyền tin của nó không ảnh hưởng đến phiên truyền tin của các nút khác.
Khi nhiều nút có thể cạnh tranh kênh truyền đồng thời, khả năng va chạm gói tin là
khá cao trong các mạng không dây. Ngay cả mạng cũng còn vấn đề thiết bị đầu cuối
ẩn và các đợt truyền tập trung. Vấn đề có thể được giải quyết bằng cách cải thiện sự
cạnh tranh công bằng của các luồng đến.
- Mất gói tin do lỗi truyền dẫn: Tỷ lệ mất gói của mạng không dây MANET cao
hơn nhiều do các yếu tố như tỷ lệ lỗi bit cao trong các kênh không dây, do hiện tượng
nhiễu, vị trí cạnh tranh, đơn liên kết, thường xuyên đứt liên kết tạm thời do các nút di
chuyển, và tính chất yếu dần vốn có của các kênh không dây.
- Thay đổi tuyến đường do sự di động của các nút: Các cấu trúc liên kết mạng
của một mạng MANET rất năng động do sự chuyển động của các nút, vì vậy các phiên
liên kết bị phá vỡ là thường xuyên. Tình trạng này thường dẫn đến thay đổi tuyến
đường thường xuyên. Vì vậy quản lý tính di động của nút là chủ đề nghiên cứu rộng
lớn trong các mạng MANET.

- Có khả năng phân vùng mạng thường xuyên: Sự di chuyển ngẫu nhiên của các
nút trong mạng MANET có thể dẫn đến phân vùng mạng thường xuyên diễn ra. Trong
phần lớn các trường hợp, các nút trung gian bị ảnh hưởng bởi phân vùng này. Hiện
nay, vấn đề phân vùng, tách gộp nút vào các nhóm di động đang nhận được rất nhiều
quan tâm của các nhà nghiên cứu.


14
- Dễ mất thông tin trên đường truyền không dây (vấn đề an ninh): Các kênh
radio được sử dụng cho các mạng MANET phát sóng như trong tự nhiên và được chia
sẻ bởi tất cả các nút trong mạng. Dữ liệu được truyền bởi một nút và được nhận bởi tất
cả các nút trong phạm vi truyền dẫn trực tiếp của nó. Từ khi ra đời đến nay, chất lượng
dịch vụ của mạng không dây đã được cải thiện đáng kể, đáp ứng ngày càng tốt hơn yêu
cầu của người dùng di động.
1.2. Phân loại giao thức định tuyến trên mạng MANET
Mạng MANET là mạng không dây đặc biệt gồm tập hợp các thiết bị di động,
giao tiếp không dây, có khả năng truyền thông trực tiếp với nhau hoặc thông qua các
nút trung gian làm nhiệm vụ chuyển tiếp. Các nút mạng vừa đóng vai trò như thiết bị
truyền thông vừa đóng vai trò như thiết bị định tuyến. Với nguyên tắc hoạt động như
vậy, nó không bị phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng mạng cố định nên có tính linh động cao,
đơn giản trong việc lắp đặt, chi phí triển khai và bảo trì thấp [1].
Các giao thức định tuyến trong mạng MANET được chia thành 3 loại: Giao
thức định tuyến theo bảng ghi (Table-Driven Routing Protocol), Giao thức định tuyến
điều khiển theo yêu cầu (On-Demand Routing Protocol) và Giao thức định tuyến kết
hợp (Hybrid Routing Protocol).
Ad hoc Routing Protocols
Table-Driven

On-Demand
Flat

Hybrid
Flat

Flat

DSDV

DSR

ZRP

WRP

TORA

SHARP

GSR

AODV

OLSR

LAR

ZHLS

DREAM

SSA

SLURP

START

MSR

DST

Hierarchical

Hierarchical

HARP

Hierarchical
MMWN

CBRP

CGSR
HSR
LANMAR
HOLSR

Hình 1.7. Phân loại các giao thức định tuyến trong mạng MANET


15

1.2.1. Giao thức định tuyến theo bảng ghi (Table-Driven Routing Protocol)
Giao thức định tuyến theo bảng ghi còn được gọi là giao thức chủ ứng
(Proactive). Theo giao thức này, bất kỳ một nút trong mạng đều luôn duy trì trong
bảng định tuyến của nó thông tin định tuyến đến tất cả các nút khác trong mạng.
Thông tin định tuyến được phát broadcast trên mạng theo một khoảng thời gian quy
định để giúp cho bảng định tuyến luôn cập nhật những thông tin mới nhất. Chính vì
vậy, một nút nguồn có thể lấy thông tin định tuyến ngay lập tức khi cần thiết.
Tuy nhiên, với những mạng mà các node di chuyển nhiều hoặc các liên kết giữa
các node bị đứt thì cần phải có cơ chế tìm kiếm hoặc sửa đổi thông tin của nút bị đứt
trong bảng định tuyến, nhưng nếu các liên kết đó không sử dụng thì sẽ trở nên lãng phí
tài nguyên, ảnh hưởng đến các băng thông của mạng. Chính vì thế giao thức định
tuyến theo bảng ghi chỉ áp dụng trong các mô hình mạng MANET mà các nút ít di
chuyển.
Các giao thức hoạt động theo kiểu giao thức định tuyến theo bảng ghi như: Giao
thức DSDV (Destination Sequenced Distance Vector), Giao thức WRP (Wireless
Routing Protocol), Giao thức GSR (Global State Routing)…
1.2.2. Giao thức định tuyến điều khiển theo yêu cầu (On-Demand Routing Protocol)
Một phương pháp khác với phương pháp định tuyến điều khiển theo bảng ghi
đó là định tuyến điều khiển theo yêu cầu còn được gọi là giao thức phản ứng
(Reactive). Theo phương pháp này, các con đường đi sẽ được tạo ra nếu như có nhu
cầu. Khi một nút yêu cầu một tuyến đến đích, nó phải khởi đầu một quá trình khám
phá tuyến để tìm đường đi đến đích (Route Discovery). Quá trình này chỉ hoàn tất khi
đã tìm ra một tuyến sẵn sàng hoặc tất cả các tuyến khả thi đều đã được kiểm tra.
Khi một tuyến đã được khám phá và thiết lập, nó được duy trì thông số định
tuyến (route maintenance) bởi một số dạng thủ tục cho đến khi hoặc là tuyến đó không
thể truy nhập được từ nút nguồn hoặc là không cần thiết đến nó nữa.
Với các cơ chế đó, các giao thức định tuyến điều khiển theo yêu cầu không phát
broadcast đến các nút lân cận về các thay đổi của bảng định tuyến theo thời gian, nên
tiết kiệm được tài nguyên mạng. Vì vậy, loại giao thức này có thể sử dụng trong các
mạng MANET phức tạp, các node di chuyển nhiều.

16
Một số giao thức định tuyến điều khiển theo yêu cầu tiêu biểu như: Giao thứ
CBRP (Cluster Based Routing Protocol), Giao thức AODV (Ad hoc On Demand
Distance Vector), Giao thức DSR (Dynamic Source Routing), Giao thức TORA
(Temporally Ordered Routing Algorihm)…
1.2.3. Giao thức định tuyến kết hợp (Hybrid Routing Protocol)
Trong giao thức định tuyến này có kết hợp cả hai cơ chế giao thức định tuyến
chủ ứng (Proactive) và giao thức định tuyến phản ứng (Reactive). Giao thức này phù
hợp với những mạng quy mô, kích thước lớn, mật độ các nút mạng dày đặc.
Trong giao thức định tuyến này, mạng được chia thành các vùng (zone). Mỗi
node duy trì cả thông tin về kiến trúc mạng trong vùng của nó và thông tin về các vùng
láng giềng. Điều đó có nghĩa là giao thức Hybrid sử dụng giao thức định tuyến phản
ứng (Reactive) giữa các zone và giao thức định tuyến chủ ứng (Proactive) cho các
node mạng trong cùng zone. Do đó, đường đi đến nỗi node trong cùng một zone được
lập mà không cần phải định tuyến ra ngoài zone, trong khi đó các tiến trình khám phá
đường và duy trì đường thì được sử dụng để tìm kiếm và duy trì đường đi giữa các
zone với nhau.
Các giao thức định tuyến tiêu biểu sử dụng kiểu Hybrid: Giao thức ZRP (Zone
Routing Protocol), Giao thức ZHLS (Zone-based Hierarchical Link State Routing
Protocol)…
1.3. Vấn đề điều khiển tắc nghẽn
Điều khiển tắc nghẽn (Congestion Control) là tập hợp phân bố các thuật toán để
chia đều tài nguyên mạng sao cho nó phù hợp với sự thay đổi dung lượng và đáp ứng
được nhu cầu cho nguồn tài nguyên để tránh tắc nghẽn mạng. Để điều khiển tắc nghẽn
cần phải phân tích một số nguyên nhân gây ra tắc nghẽn như sau:
- Thời gian chờ xử lý, xếp hàng vào hàng đợi quá lớn. Nếu luồng các gói tin đột
ngột bắt đầu đến từ 3 hay 4 đường vào và tất cả đều cần ra cùng một đường nên hàng
đợi sẽ bị đầy (do phải lưu gói tin, phải tạo các bảng định tuyến,... ). Nếu khả năng xử

lý của các nút yếu hay nói cách khác các CPU tại các router xử lý chậm các yêu cầu sẽ
dẫn đến tắc nghẽn.


17
- Bộ đệm ở các hàng đợi quá nhỏ. Nếu bộ nhớ không đủ dung lượng để lưu
chúng thì một số gói tin sẽ bị mất. Việc tăng dung lượng bộ nhớ đệm lên sẽ có ích,
nhưng Nagle (1987) cho rằng nếu các router có lượng nhớ không xác định thì sự tắc
nghẽn chẳng tốt hơn tí nào mà ngược lại trở nên xấu đi do số bản sao được gửi tăng
lên, làm tăng lượng thông tin ở nơi nhận tin.
Tần suất lỗi mạng cao và độ trễ lớn. Đối với mạng cố định, việc mất gói tin do
lỗi đường truyền hiếm khi xảy ra. Mất gói tin đồng nghĩa với việc xảy ra tắc nghẽn ở
các nút (router) trong mạng. Cơ chế điều khiển chống tắc nghẽn của TCP sẽ căn cứ
vào sự kiện mất gói và kiểm tra trễ quá time-out để xác định tắc nghẽn trong mạng.
TCP không có khả năng phân biệt giữa mất gói do đường truyền hay mất gói do tắc
nghẽn, mỗi khi xảy ra các hiện tượng trên TCP giảm tốc độ truyền. Điều đó không còn
phù hợp với truyền thông di động vì hiệu suất đường truyền sẽ bị hạ thấp. Một vấn đề
khác có tính không đồng nhất giữa mạng di động và mạng cố định là tốc độ truyền
kênh di động thấp hơn nhiều so với mạng cố định [1]. Vì vậy, phần truy cập vô tuyến
sẽ luôn là chỗ nghẽn cổ chai đối với một kết nối giữa thuê bao di động và một đầu cuối
ở mạng cố định. Ngoài ra, hiệu ứng băng thông không đối xứng cũng có tác động lớn
đến truy nhập Internet. Băng thông theo hướng từ máy cố định tới máy di động thường
lớn hơn nhiều băng thông theo chiều ngược lại. Hiệu ứng này làm cho trễ theo hai
chiều truyền khác nhau.
Số gói tin
giao nhận

Lý tưởng (số gói tin gửi = số gói tin nhận)
Giới hạn truyền thông cực đại

Mong muốn
Thực tế (xảy
ra tắc nghẽn)

Số gói tin gửi đi
Hình 1.8. Sơ đồ biến đổi lưu lượng của TCP
Trên hình biểu thị sự thay đổi lưu lượng của TCP. Khi máy chủ truyền các gói
tin vào mạng con. Trong vòng lượng thông tin có thể truyền tốt thì các gói tin này sẽ