Tối ưu giao thức AODV EERS trong mạng ad hoc

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, với sự phát triển không ngừng của công nghệ, các thiết bị di động
như máy tính xách tay, smartphone, tablet…ngày càng có những bước tiến dài về
phần cứng như tốc độ CPU, bộ nhớ lớn, và khả năng tryền tải nội dung đa phương
tiện đã trở nên phổ biến trong đời sống hàng ngày và trong công việc. Do nhu cầu
kết nối mọi lúc, mọi nơi nên cùng với sự phát triển của các thiết bị đầu cuối thì các
công nghệ mạng không dây cũng đang phát triển mạnh mẽ và có nhiều ứng dụng
thiết thực trong đời sống. Với khả năng cơ động cao, thuận tiện trong sử dụng, các
công nghệ này đang dần dần thay thế các công nghệ mạng có dây truyền thống.
Song cũng do sự di chuyển của các thiết bị di động trong mạng làm cho topo mạng
luôn thay đổi, cùng với đó là tỷ lệ lỗi cao và giới hạn về băng thông, năng lượng so
với các mạng có dây, nên các giao thức định tuyến trong mạng không dây trở nên
phức tạp hơn. Mạng Ad hoc là một mạng không dây mềm dẻo với khả năng tự tổ
chức, hoạt động mà không cần có cơ sở hạ tầng hỗ trợ đang thu hút được rất nhiều
quan tâm trong vài năm trở lại đây. Đồ án này thực hiện tìm hiểu về mạng Ad hoc,
cách thức hoạt động của các giao thức định tuyến trong mạng, và đi sâu vào giao
thức AODV cũng như các phát triển của nó là AODV-ERS và AODV-EERS. Phần
trọng tâm chúng em tiến hành chỉnh sửa giao thức AODV-EERS giúp cải thiện mốt
số thông số làm việc trong môi trường mạng Ad hoc.
Mặc dù đã nhiều nỗ lực nhưng đồ án chắc chắn sẽ không tránh khỏi những
thiếu sót, nên rất mong được sự đóng góp thẳng thắn từ các thầy, cô giáo và các bạn.
Trong quá trình thực hiện đồ án, chúng em đã gặp không ít khó khăn. Tuy
nhiên được sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo Nguyễn Trung Dũng, cùng nhóm
nghiên cứu Ad hoc, chúng em đã hoàn thành đồ án này.
Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới:
•
•
•
•

Thầy giáo Nguyễn Trung Dũng

Nhóm nghiên cứu Ad hoc K52 của thầy Nguyễn Trung Dũng
Viện Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Cùng toàn thể gia đình và bạn bè đã hỗ trợ

Hà Nội, tháng 5 năm 2012
1


Nhóm 3

TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Tối ưu giao thức AODV-EERS trong mạng Ad-hoc
Công nghệ mạng không dây Ad hoc đang ngày càng phát triển và có nhiều
ứng dụng trong thực tiễn. Đồ án tổng hợp các kiến thức cơ bản về mạng không dây
nói chung, mạng Ad hoc nói riêng và các đặc điểm, ứng dụng của các giao thức
định tuyến. Trong đó, đồ án đi sâu vào nghiên cứu phương thức hoạt động, định
dạng các bản tin của giao thức định tuyến AODV- giao thức được sử dụng phổ biến
trong mạng Ad hoc ngày nay đồng thời tìm hiểu hai giao thức cải tiến từ giao thức
AODV gốc là AODV-ERS và AODV-EERS. Và cuối cùng chúng em thực hiện ý
tưởng chỉnh sửa giao thức AODV-EERS. Ý tưởng này thực hiện việc đưa yếu tố
năng lượng vào quá trình định tuyến của giao thức AODV-EERS nhằm cải thiện
thông số thời gian sống của mạng và tỷ lệ phân phát gói tin thành công. Kết quả của
chỉnh sửa được kiểm tra bằng công cụ mô phỏng mạng Network Simulator 2(NS2).
Quá trình mô phỏng được thực hiện với nhiều kịch bản để có thể đánh giá đúng về
giao thức sau khi chỉnh sửa.

2


ABSTRACT

Optimize AODV-EERS protocol in Ad hoc network
Adhoc wireless technology has been developing strongly in the last decade
and playing an important role in our lives. In this paper, we summarize the basic
knowledge of wireless network in general, and Adhoc network specifically in term
of its characteristics, application and routing protocols. Particularly, we study
process method and packet format of routing protocol AODV- which is used widely
today. Also we study two other revised AODV protocols, which are AODV-ERS
and AODV-EERS. Furthermore, we acctuate the idea of revising the AODV-EERS
protocol. This idea aims to take energy into consideration of routing in AODVEERS protocol in order to improve time-to-live component of netowrk and packet
delevery ratio. The simulation process is run on NS2 with many different scenarios.

3


MỤC LỤC

DANH SÁCH HÌNH VẼ

4


DANH SÁCH BẢNG BIỂU

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Từ Đầy đủ

PDR

Packet Delivery Ratio

AODV

Ad Hoc On-Demand Distance Vector

ACK

Acknowledgement

CBR

Constant Bit Rate

TCP

Transmission Control Protocol

MAC

Media Access Control

TTL

Time To Live

RREQ

Route Request

RREP

Route Reply

RERR

Route Error

NAM

Network Animator

MANET

Mobile Ad hoc Network

ERS

Expanding Ring search

EERS

Enhanced Expanding Ring Search

5


MỞ ĐẦU
Đồ án tìm hiểu về các giao thức trong mạng Ad hoc, đi sâu vào giao thức
AODV và các phát triển của nó. Phần trọng tâm đi vào đưa ra ý tưởng, nghiên cứu, và

cải tiến giao thức AODV- EERS và được đánh giá bằng mô phỏng trên NS2. Qua đó
nội dung đồ án gồm 8 chương.
Chương 1: Tổng quan mạng Adhoc, đặc điểm, phân loại cũng như ứng
dụng của nó trong thực tế.
Chương 2: Các giao thức định tuyến trong mạng Ad hoc, phân loại, đặc
điểm.
Chương 3- 4: Đi sâu vào giao thức AODV, AODV- ERS, AODV- EERS
giúp chúng ta thấy được một số bước phát triển của giao thức AODV.
Chương 5: Trình bày ý tưởng cải tiến giao thức AODV- EERS theo tiêu
chí chọn đường có dựa trên năng lượng, đưa ra giải pháp, xây dựng giao thức.
Chương 6: Trình bày công cụ mô phỏng NS2
Chương 7: Sử dụng công cụ NS2 ở trên để đánh giá cải tiến đã trình bày
ở chương 5 và đưa ra nhận xét.
Chương 8: Kết luận

6


Tổng Quan Về Mạng Ad hoc

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG AD HOC
Chương này trình bày các khái niệm về mạng Ad hoc, tính chất mạng và phân
loại mạng Ad hoc theo nhiều tiêu chí,và ứng dụng của mạng Ad hoc trong thực tế.

1.1

Giới thiệu chung về mạng Ad hoc

Trong những năm gần đây, các thiết bị không dây và các hệ thống mạng không
dây được ứng dụng khá rộng rãi. Tuy tốc độ và băng thông không thể so sánh được

với mạng có dây song với tính cơ động và thuận tiện cho người dùng, mạng không
dây đang được coi là một công nghệ chủ chốt trong tương lai. Dựa theo tính phụ
thuộc vào các thiết bị hạ tầng cố định, mạng không dây có thể được chia làm hai loại:
mạng cơ sở hạ tầng và mạng Ad-hoc:
•

Mạng cơ sở hạ tầng (Infrastructure-based Network): bao gồm một mạng
với các cổng cố định và kết nối sẵn với nhau. Các thiết bị mobile truyền
thông với nhau qua một trạm gọi là trạm cơ sở (Base Station) nằm trong
phạm vi của nó. Các đơn vị di động có thể thay đổi vị trí trong khi giao
tiếp. Khi một thiết bị ra khỏi phạm vi của trạm, nó sẽ tự động kết nối với
trạm mới và bắt đầu truyền thông qua trạm đó. Các trạm BS có vị trí cố

định. Mạng cellular và Wlan thuộc dạng này.
• Mạng Ad-hoc (Mobile Ad-hoc Network, Manet): khác với mạng cơ sở hạ
tầng, trong mạng ad hoc tất cả các node mạng đều di động và thay đổi tùy
ý. Tất cả các node trong mạng này đều có thể đóng vai trò là một router,
khám phá và duy trì tuyến tới các node khác bên trong mạng. Tóm lại,
mạng Ad-hoc tự mình tổ chức mạng một cách tự động mà không cần có cơ
sở hạ tầng hỗ trợ (chỉ cần có hai thiết bị không dây là có thể tạo ra một
mạng ad-hoc)
Mobile Ad-hoc Network –MANET trước đây còn được gọi là mạng vô tuyến
gói,và được tài trợ, phát triển bởi DARPA trong đầu thập niên 1970. Sau đó đến
những năm 1980,mạng Ad-hoc được phát triển xa hơn và được triển khai là một phần
7


Tổng Quan Về Mạng Ad hoc
của mạng SUSAN (Adaptive Survivable Network) đề xuất bởi DARPA vào năm 1983
để hỗ trợ một mạng quy mô lớn hơn,mạnh mẽ hơn. Đến đầu năm 1990 ,mạng ad-hoc

đã được IETF chính thức định nghĩa như sau: Mạng di động Ad-hoc là hệ thống tự trị
của các router di động kết nối qua vô tuyến – sự kết hợp của các hình thái biểu đồ bất
kì. Các router tự do di chuyển ngẫu nhiên và được tổ chức tùy tiện; do đó topo của
mạng vô tuyến có thể thay đổi nhanh chóng và không thể đoán trước được.

Hình 1.1 Một mạng ad-hoc điển hình

1.2

Đặc điểm của mạng Ad hoc

Một số đặc điểm chính của mạng Ad hoc:
 Tính di động : Các node tham gia trong mạng Ad hoc sử dụng sóng radio hoặc hồng

ngoại để truyền tin và không bị ràng buộc vật lý với nhau. Bởi vậy chúng có thể tự do
di chuyển và có thể triển khia ở những nơi có địa hình hiểm trở. Nhưng nó cũng có
nhược điểm là khiến topo mạng luôn bị thay đổi, các node phải thường xuyên phải
cập nhật lại bảng định tuyến của mình.
 Tính đa chặng : một node nguồn muốn truyền một gói tin đến node đích cần phải đi

qua một hoặc nhiều node khác. Trong điều kiện sử dụng mạng Ad hoc để truyền tin
trên chiến trường, số node trung gian cần được giảm tối đa để tránh sự phát hiện của
kẻ thù.

8


Tổng Quan Về Mạng Ad hoc
 Tự tổ chức: Không cần có cơ sở hạ tầng hỗ trợ, mạng Ad hoc phải tự động tính toán

các cấu hình của nó bao gồm: địa chỉ mạng, định tuyến, xếp nhóm, phát hiện vị trí,
điều khiển năng lượng v.v…Trong một số trường hợp, một số node đặc biệt ( các
node đường trục) phải tự động di chuyển đến những vị trí xác định trong vùng địa lý
để cung cấp vùng phủ sóng rộng khắp.
 Tiết kiệm năng lượng : hầu hết các node trong mạng ad hoc được vận hành bằng các
nguồn năng lượng bị hạn chế như pin ,ắc quy và không có khả năng tự sạc lại.Việc
nạp lại năng lượng cho các node trong mạng thường khó khăn và không thể thực hiện
thường xuyên, do đó khả năng tiết kiêm năng lượng của các giao thức sử dụng trong
mạng ad hoc là một yếu tố quan trọng để đánh giá hiệu quả của giao thức
 Khả năng mở rộng : Ở một vài ứng dụng, mạng ad hoc có thể phát triển lên vài ngàn
node.
 Bảo mật: Không như mạng có dây, do môi trường truyền của mạng Ad hoc là không
khí nên thông tin truyền có thể dễ dàng bị thu bởi các thiết bị bên ngoài. Vì nguyên
nhân này nên vấn đề bảo mật, mã hóa thông tin, xác thực tài khoản được đặc biệt
quan tâm trong việc quản lý mạng Ad hoc.
 Băng thông: Tốc độ mạng phụ thuộc vào băng thông hoạt động. Do băng thông
của mạng không dây thường nhỏ nên tốc độ mạng khá chậm.
 Nhiễu: Do môi trường truyền là không khí nên mạng Ad hoc chịu ảnh hưởng lớn
của nhiễu từ môi trường xung quanh như mưa, gió,vật cản.

1.3

Phân loại mạng Ad hoc

1.3.1 Theo kích thước
Dựa trên phạm vi hoạt động của mạng Ad hoc, chúng ta có thể phân loại nó
thành 4 nhóm chính : Body, Personal, Local, và Wide Area Network.Hiện nay mạng
Ad hoc có phạm vi nhỏ như BAN (Body Area Network), PAN (Personal Area
Network), LAN (Local Area Network) đã bắt đầu xuất hiện nhiều trong thực tế. Trong
khi đó (WAN) Wide Area Ad hoc Network là mạng không dây multihop di động, đòi

hỏi nhiều giải pháp để đáp ứng chất lượng mạng như : định tuyến, quản lí phân vùng,
định địa chỉ, bảo mật … Do đó trong thực tế hầu như chưa có ứng dụng cho mạng
này.
9


Tổng Quan Về Mạng Ad hoc

Hình 1.2: Phân loại mạng Ad hoc
•

Body Area Network (BAN)
Một mạng BAN thường bao gồm các thiết bị tương thích với máy tính được

phân bố xung quanh một người sử dụng. Ví dụ như : microphones, headphones,
earphones, thiết bị hiển thị … Mạng BAN cung cấp kết nối giữa các thiết bị này. Do
đó các yêu cầu chính đối với mạng BAN là :
 Khả năng kết nối các thiết bị hỗn hợp không giống nhau, từ các thiết bị hoàn

thiện (như mobile phone) đến các bộ phận của một thiết bị (như microphone
…).
 Tự động thiết lập cấu hình cho mạng.
 Tích hợp các dịch vụ (chuyển giao dữ liệu audio, video cùng với dữ liệu thời
gian không thực, ví dụ lưu lượng dẽ liệu Internet)
 Có khả năng kết nối tới các mạng BAN hoặc PAN khác để trao đổi dữ liệu với
người sử dụng khác hoặc kết nối với Internet.
 Phạm vi kết nối của mạng BAN ở khoảng 1-2m xung quanh người hoặc thiết
bị sử dụng, tránh sự phiền hà do các kết nối có dây gây ra khi sử dụng.

10

Tổng Quan Về Mạng Ad hoc

Hình 1.3: Mối quan hệ giữa mạng BAN (hình a) và PAN (hình b)
•

Personal Area Network (PAN)
Mạng PAN kết nối các thiết bị di động của người sử dụng tới các thiết bị di

động hoặc cố dịnh khác. Phạm vi kết nối của mạng PAN là khoảng 10m xung quanh
người sử dụng.
Công nghệ WPAN (Wireless PAN) sử dụng dải tần 2.4GHz đang được triển
khai phổ biến. Kỹ thuật trải phổ được ứng dụng để giảm nhiễu giao thoa và tận dụng
được băng thông của mạng.
Các công nghệ của WPAN đang được triển khai rộng rãi với các giải pháp và
ứng dụng đổi mới tạo ra những thay đổi tích cực trong cuộc sống. Mạng WPAN
không chỉ được sử dụng ở các thiết bị như PDAs, điện thoại tế bào, máy tính di
động… mà còn ứng dụng cho tất cả các thiết bị số khác. Có thể thiết lập mạng ad hoc
giữa các thiết bị điện tử trong vùng làm việc, ví dụ như một PDA tự động đồng bộ với
một máy tính để bàn nhằm trao đổi email, files, và các thông tin khác. Ngoài ra mạng
PANs có thể tạo ra các thiết kế ứng dụng mới rộng rãi. Ví dụ : một PDA trong lúc
đang di chuyển tới một địa điểm (nhà, cơ quan, sân bay …) tự động đồng bộ mạng
PAN với các thiết bị khác trong phạm vi 10m. Khi bạn về nhà, PDA của bạn có thể tự
động mở khóa cửa, bật sáng đèn, điều khiển nhiệt độ theo các cài đặt sẵn của bạn.

11


Tổng Quan Về Mạng Ad hoc

•

Wireless Local Area Network (WLAN)
Phạm vi của mạng WLAN ở khoảng 100 - 500m trong các tòa nhà hoặc một

nhóm các tòa nhà. Mạng WLAN có đầy đủ các tính năng của một mạng LAN như
dung lượng cao, kết nối đầy đủ với các trạm đi kèm, có khả năng quảng bá rộng rãi.
Đồng thời đảm bảo các yêu cầu của một mạng không dây như công suất tiêu thụ, tính
bảo mật, tính di động, giới hạn băng thông …

Hình 1.4: Mô hình WLAN : (a) mạng ad hoc, (b) mạng cơ sở hạ tầng
Có hai cách triển khai mạng WLAN như hình vẽ: thực hiện mạng cơ
sở hạ tầng và mạng ad hoc. Mạng cơ sở hạ tầng yêu cầu các bộ điều khiển
đặt ở trung tâm các ô mạng, chính là các điểm truy cập Access Point. Điểm
truy cập này thông thường kết nối với mạng có dây, sau đó cung cấp internet
tới các thiết bị di động khác. Trái ngược với điều này, mạng ad hoc là mạng
ngang hàng được tạo ra bởi việc thiết lập một trạm nằm trong phạm vi của
mạng, và có thể linh động cấu hình mạng tới các máy khác. Mạng có tính
chất tạm thời, không có các trạm điều khiển cố định.

1.3.2 Theo giao thức

12


Tổng Quan Về Mạng Ad hoc
•

Single hop : mạng Manet định tuyến single hop là loại mô hình mạng Ad-hoc đơn
giản nhất. Trong đó, tất cả các node đều nằm trong một vùng phủ sóng, nghĩa là các

node có thể kết nối trực tiếp với nhau mà không cần các node trung gian.
Mô hình này các node có thể di chuyển tự do nhưng chỉ trong một phạm vi
nhất định đủ các node liên kết trực tiếp với các node khác trong mạng

Hình 1.5: Mô hình mạng theo giao thức single hop
•

Multi-hop : Đây là mô hình phổ biến nhất trong mạng MANET, nó khác với mô hình
trước là các node có thể kết nối với các node khác trong mạng mà có thể không cần
kết nối trực tiếp với nhau. Các node có thể định tuyến với các node khác thông qua
các node trung gian trong mạng. Để mô hình này hoạt động một cách hoàn hảo thì cần
phải có giao thức định tuyến phù hợp với mô hình mạng MANET.

13


Tổng Quan Về Mạng Ad hoc

Hình 1.6: Mô hình mạng theo định tuyến multihop
•

Mobile multi-hop: Mô hình này cũng tương tự với mô hình thứ hai nhưng sự
khác biệt ở đây là mô hình này tập trung vào các ứng dụng có tính chất thời
gian thực: audio, video.
1.3.3 Theo chức năng

•

Mạng MANET phẳng (Flat)
Trong kiến trúc này tất cả các node có vai trò ngang hàng với nhau (peer-to-

peer) và các node đóng vai trò như các router định tuyến dữ liệu gói trên mạng. Trong
những mạng lớn thì cấu trúc Flat không tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên băng
thông của mạng vì những message điều khiển phải truyền trên toàn bộ mạng. Tuy
nhiên nó thích hợp trong những topo có các node di chuyển nhiều.
•

Mạng MANET phân cấp ( Hierarchical)
Đây là mô hình sử dụng phổ biến nhất. Trong mô hình này thì mạng chia thành

các domain, trong mỗi domain bao gồm một hoặc nhiều cluste, mỗi cluster chia thành
nhiều node. Có lai loại node là master node và normal node.

14


Tổng Quan Về Mạng Ad hoc
Master node là node quản trị một router có nhiệm vụ chuyển dữ liệu của các
node trong cluster đến các node trong cluster khác và ngược lại. Nói cách khác nó có
nhiệm vụ như một gateway.
Normal node là các node trong cùng một cluster. Nó có thể kết nối với các
node trong cluster hoặc kết nối với các cluster khác thông qua master node.
Với các cơ chế trên, mạng sử dụng tài nguyên băng thông hiệu quả hơn vì các
tin nhắn chỉ phải truyền trong 1 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 chuyển động thấp.

Hình 1.7: Mô hình mạng MANET phân cấp
•

Mạng MANET kết hợp ( Aggregate)
Mỗi mạng bao gồm hai mức topo : Topo mức thấp (node level), và topo mức

cao (zone level)
Mỗi node đặc trưng bởi: node ID và zone ID. Trong một Zone có thể áp dụng
kiến trức phẳng hoặc kiến trúc phân cấp

1.4

Ứng dụng thực tế mạng Ad hoc

Mạng Ad hoc là một mạng có tính linh động cao, có thể được triển khai ở mọi
nơi và tại mọi thời điểm mà không cần có cơ sở hạ tầng sẵn có, do vậy không khó để
15


Tổng Quan Về Mạng Ad hoc
thấy ra tiềm năng kinh tế và kỹ thuật mà mạng Ad hoc di động có thể mang lại là rất
lớn. Tuy rằng khái niệm về mạng ad hoc không dây đã ra đời từ những năm 70’, chỉ
vài tháng sau khi triển khai thành công mạng Arpanet, Nhưng sự phát triển của nó
mới thực sự khởi sắc trong khoảng chục năm trở lại đây với rất nhiều ứng dụng ở
nhiều lĩnh vực.
•

Mạng tự phát (spontaneous networks): Những người tham gia một cuộc họp, các
sinh viên học nhóm… có thể sử dụng công nghệ này để chia sẻ tài liệu học tập, các
nội dung trình diễn, ghi chú … ngay lập tức mà không cần thiết bị trung gian hay cấu

hình phức tạp.
•

Xây dựng mạng không dây: Các mạng ad hoc có thể được sử dụng để xây dựng
mạng không dây tại những địa điểm mà việc đi dây gặp khó khăn (ví dụ như các tòa
nhà cổ, nơi mà kiến trúc không được phép phá vỡ, hay đơn giản chỉ là yếu tố thẩm
mỹ). Với sự tiến bộ của công nghệ và y tế, ngày nay nhiều bệnh viện đã tiến hành sử
dụng liệu pháp cấy ghép các thiết bị phát sóng nhỏ vào trong người bệnh nhân để theo
dõi. Đây cũng là một ứng dụng tương lai của mạng Ad hoc.
•
Ứng dụng phục vụ quân đội. Với khả năng triển khai nhanh, thiết bị nhỏ gon, công
nghệ mạng Adhoc ngày nay cũng được ứng dụng nhiều trong chiến tranh hiện đại. Nó
được ứng dụng để truyền tin liên lạc giữa các đơn vị chiến đấu hoặc dùng để do thám
điều kiện chiến trường giúp cho việc lên kế hoạch chiến đấu của bộ chỉ huy

16


Tổng Quan Về Mạng Ad hoc

Hình 1.8: Ứng dụng ad-hoc trong lĩnh vực quân sự
•

Ứng dụng trong các hoạt động cứu trợ tại khu vực có thiên tai: Trong trường hợp có
thảm hỏa xảy ra như động đất hoặc cháy rừng, các cơ sở thông tin truyền thông sẵn có
hầu hết đều bị hư hại và không còn khả năng đáp ứng nhu cầu. Lúc đó, công nghệ
mạng Ad hoc hoàn toàn có thể được triển khai bởi các nhân viên cứu hộ (cảnh sát,
nhân viên y tế, điều phối viên cứu hộ, cảnh sát chữa cháy…) để thiết lập một mạng
thông tin liên lạc tức thì. Với khoảng thời gian và nhân lực tiết kiệm được, cùng với
đường dây liên lạc được nối liền nhanh chóng, nhiều mạng sống có thể được cứu và
công cuộc cứu trợ sẽ trở nên dễ dàng hơn.
Mạng sensor không dây: là một ứng dụng khác của mạng ad hoc, bao gồm hàng ngàn,
thậm chí hàng chục ngàn các sensor cấu thành nên mạng. Các sensor thu thập dữ liệu

và báo cáo về một số node được xác định trước trong các khoảng thời gian nhất định.
Các dữ liệu thu được sẽ được truyền về trung tâm để thống kê tính toán. Ứng dụng
này chủ yếu được dùng trong quân đội để trinh thám một chiến trường nào đó, mà từ
đó có thể đưa kế hoạch tác chiến hợp lý. Bên cạnh đó, nó còn dùng nhiều trong cảnh
báo cháy rừng hay thu thập thông tin thời tiết, môi trường.

17


Các Giao Thức Định Tuyến Trong Mạng Ad hoc

CHƯƠNG 2: CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG AD HOC
Do đặc tính di động và không có hạ tầng của mạng Ad hoc, định tuyến là vấn
đề quan trọng trong việc nghiên cứu mạng Ad hoc. Chương này trình bày các vẫn đề
liên quan đến định tuyến trong mạng Ad hoc, sơ lược các giao thức và phân loại, cuối
cùng là một số thông số quan trọng thể hiện tính chất của các giao thức.

2.1

Các vấn đề định tuyến trong mạng Ad hoc

Khác với các mạng có dây, mạng không dây đặc biệt là mạng ad hoc gặp rất
nhiều khó khăn trong việc định tuyến và quản lý năng lượng. Các node trong mạng
đều có khả năng di chuyển nên topo mạng cũng thay đổi theo thời gian, năng lượng
các node có giới hạn nên cần hạn chế số lượng bản tin gửi đi không quá lớn và ảnh
hưởng của nhiễu và môi trường đến tỷ lệ gói tin lỗi là những điều cần chú ý khi thiết
kế một giao thức định tuyến
Các giao thức định tuyến khi thiết kế đều phải chú ý cân đối giữa hiệu suất của
giao thức với mức tiêu thụ năng lượng tại các node trong mạng ad hoc. Các giao thức
có thể tăng tốc độ hội tụ bằng cách gửi nhiều gói tin điều khiển để cập nhật thường

xuyên hơn nhưng điều này sẽ làm tiêu tốn thêm băng thông và năng lượng nguồn
nuôi. Hơn nữa, khi mạng ít có thay đổi thì việc gửi thường xuyên các cập nhật sẽ rất
lãng phí
Dưới đây là một số yếu tố cần xét đến khi thiết kế một giao thức định tuyến
trong mạng Ad hoc:
•

Hoạt động phân tán: Cách tiếp cận tập trung sẽ thất bại do sẽ tốn rất nhiều thời gian
để tập hợp một trạng thái hiện tại và phát tán lại nó. Trong thời gian đó, cấu hình có

thể đã có thay đổi khác
• Lặp trong mạng: là hiện tượng các bản tin được gửi đi theo một đường tròn gây tốn
băng thông và năng lượng. Điều này có thể khắc phục bằng cách kiểm tra bản tin hoặc
sử dụng giá trị thời gian sống (TTL).
• Loại tìm đường: Có 2 loại tìm đường là tìm đường trước và tìm đường theo yêu cầu.
+ Tìm đường trước: Khi mạng được triển khai với yêu cầu độ trễ nhỏ. Các
node có thể thực hiện tìm đường trước bằng cách tạo bảng định tuyến chứa thông tin

18


Các Giao Thức Định Tuyến Trong Mạng Ad hoc
về đường đi đến các node trong mạng. Phương pháp này có nhược điểm là để duy trì
bảng định tuyến, các node phải định kỳ gửi các bản tin cập nhật, việc này làm ảnh
hưởng đến băng thông và năng lượng tại các node.
+ tìm đường theo yêu cầu: Khi mạng triển khai với yêu cầu tiết kiệm năng
lượng và độ trễ không phải là yếu tố quan trọng thì cách này khá lý tưởng. Các node
chỉ thực hiện định tuyến khi có yêu cầu cần gửi bản tin. Do đó, độ trễ sẽ tăng lên do
các node phải mất một khoảng thời gian tìm đường trước khi bắt đầu truyền tin.
Nhưng bù lại ưu điểm của phương pháp này là tiết kiệm băng thông và năng lượng,

phù hợp cho mạng sensor không dây.
• Bảo mật: các giao thức định tuyến trong mạng Ad hoc có khả năng dễ dàng bị tấn
công như tạo node giả nhận các bản tin truyền trong mạng một cách trái phép, phát
vào mạng các bản tin giả nhằm mục đích phá hoại … Bởi vậy khi triển khai các mạng
phải trao đổi các thông tin nhạy cảm thì yếu tố này cần đặc biệt được quan tâm.
• Hoạt động nghỉ: Để tiết kiệm năng lượng, các node cần phải được cấu hình về trạng
thái nghỉ khi không có nhu cầu sử dụng.

2.2

Phân loại các giao thức định tuyến trong mạng Ad hoc

Giao thức trong mạng Ad hoc được chia làm 5 loại chính. Mỗi loại đều có ưu
nhược điểm riêng phù hợp với các trường hợp ứng dụng riêng biệt. Chúng ta sẽ đi sâu
vào tìm hiểu kỹ từng loại giao thức

Hình 2.1: Các giao thức định tuyến trong mạng ad-hoc
19


Các Giao Thức Định Tuyến Trong Mạng Ad hoc

2.2.1 Các giao thức định tuyến theo bảng điều khiển (Table-Driven)
Các giao thức định tuyến theo bảng điều khiển luôn luôn duy trì một bảng định
tuyến hay ma trận chứa thông tin cập nhật về các đường đi gồm khoảng cách (số node
phải đi qua để đến đích) và thông tin về node kế tiếp trên đường đi đến một node đích
bất kỳ. Để cập nhật thông tin về đường đi ngắn nhất mỗi node sẽ thường xuyên trao
đổi bảng định tuyến với các node bên cạnh nó. Mỗi node khi nhận được bảng định
tuyến của node bên cạnh, nó sẽ tự động tính toán và cập nhật bảng định tuyến của
mình. Quá trình gửi cập nhật lại tiếp tục được lặp lại tai node lân cận với mục tiêu giữ

các thông tin định tuyến là chính xác nhất có thể. Định tuyến này có ưu điểm là đơn
giản và tính toán hiệu quả do thường xuyên được cập nhật. Tuy nhiên nhược điểm của
nó là tốn nhiều băng thông và năng lượng do phải thực hiện gửi nhiều bản tin cập
nhật. Một nhược điểm nữa là mạng sẽ hội tụ chậm khi topo mạng có thay đổi và khi

•
•
•
•
•

có lỗi xảy ra.
Một số giao thức trong họ này có thể kể đến là:
DSDV (Destination-Sequenced Distance-Vector)
OLSR (Optimized Link State Routing)
CGSR (Cluster-Head Gateway Switch routing)
WRP (Wireless routing Protocol)
STAR (Source-Tree Adaptive Routing)

2.2.2 Các giao thức định tuyến theo yêu cầu ( On-Demand)
Khác với giao thức định tuyến theo bảng điều khiển, giao thức định tuyến theo
yêu cầu chỉ thực hiện tìm đường khi có yêu cầu cần cần truyền tin đến một node nào
đó ở trong mạng. Khi có yêu cầu tìm đường, node cần truyền sẽ phát vào trong mạng
một bản tin quảng bá với nội dung yêu cầu thông tin về node đích cần truyền. Khi một
gói tin quảng bá đến được node đích hoặc node trung gian có đường đi đến node đích
cần tìm, gói tin hồi đáp sẽ được tạo ra và gửi về node nguồn. Khi node nguồn đã có
đường đi tới node đích, nó mới bắt đầu thực hiện truyền các gói tin chứa dữ liệu. Giao
thức này có ưu điểm là độ chính xác cao và phản ứng nhanh hơn với sự thay đổi của
mạng. Nhưng nhược điểm của nó là thời gian trễ do tìm đường cao và khi các node di
chuyển nhanh, lưu lượng dày, các gói tin quảng bá sẽ tăng nhanh số lượng gây nghẽn.

20


Các Giao Thức Định Tuyến Trong Mạng Ad hoc
Các giao thức định tuyến théo yêu cầu chỉ phù hợp với mạng không dây băng thông
rộng, trễ truyền gói nhỏ và lưu lượng rất mỏng.
Một số giao thức trong họ này có thể kể đến là:
•
•
•
•
•

AODV (Ad hoc On-Demand Distance Vector)
DSR (Dynamic Source Routing)
TORA (Temporally Ordered Routing Algorithm)
ABR (Associativity-Based Routing)
SSBR (Signal Stability-Based Adaptive Routing)

2.2.3 Các giao thức định tuyến lai ( hybird Protocol)
Giao thức định tuyến lai là kết hợp của giao thức định tuyến theo bảng điểu
khiên và giao thức định tuyến theo yêu cầu với các ưu điểm của cả hai. Các định
tuyến tĩnh được sử dụng ở những phần của mạng mà sự thay đổi không xảy ra thường
xuyên. Còn những phần có các node thay đổi liên tục sẽ thực hiện định tuyến theo yêu
cầu. Qua đó giao thức đã tạo được cầu nối giữa hai giao thức quan trọng của mạng Ad
hoc, thừa hưởng ưu điểm của cả hai, hiệu năng tổng thể do đó cũng được nâng cao
đáng kể
Một số giao thức trong họ này có thể kể đến là:
•

•
•
•
•

ZRP (Zone Routing Protocol)
FSR (Fisheye State Routing)
LANMAR (Landmark Ad Hoc Routing)
RDMAR (Relative Distance Micro-discovery Ad Hoc Routing)
SLURP (Scalable Location Update-Based Routing Protocol)

2.2.4 Các giao thức định tuyến theo nhận biết vị trí (Location-aware
protocol)
Các giao thức định tuyến theo nhận biết vị trí trong mạng Ad hoc quy định mỗi
node trong mạng Ad hoc đều chứa thông tin về vị trí của tất cả các node trong mạng.
Cách tốt nhất và dễ dàng nhất là sử dụng hệ thống định vị toàn cầu GPS để xác định
chính xác tọa độ của các node trong bất kỳ khu vực địa lý nào. Thông tin về địa điểm
sau đó được tối ưu hóa bởi giao thức định tuyến để tìm ra đường đi đúng nhất.
Một số giao thức trong họ này có thể kể đến là:
•
•
•

LAR (Location-Aided Routing)
DREAM (Distance Routing Effect Algorithm for Mobility)
GPSR (Greedy Perimeter Stateless Routing)

21

Các Giao Thức Định Tuyến Trong Mạng Ad hoc
•
•

LAKER (Location Aided Knowledge Extraction Routing)
MORA (Movement-Based Algorithm for Ad Hoc Networks)

2.2.5 Các giao thức định tuyến đa đường (Multipath Protocol)
Các giao thức định tuyến đa đường tạo nên nhiều đường đi từ node nguồn đến
node đích. Ưu điểm chính của việc tìm kiếm nhiều đường khả dụng là băng thông
giữa các liên kết được sử dụng hiệu quả hơn. Với cơ chế chia tải truyền dữ liệu theo
nhiều đường sẽ giảm nghẽn trong mạng.
Một số giao thức trong họ này có thể kể đến là:
•
•
•

CHAMP (CacHing and Multipath routing Protocol)
AOMDV (Ad hoc On-Demand Multipath Distance Vector Routing)
SMR (Split Multipath Routing)

2.3

Các thông số quan trọng khi giao thức hoạt động

Đối với một giao thức đinh tuyến, các thông số dưới đây thể hiện tính chất của
nó. Các thông số ấy cho biết ưu điểm cũng như nhược điểm của giao thức định tuyến.
Cải thiện các thông số này chính là mục đích của việc cải tiến các giao thức.
 Năng lượng tiêu tốn
Đây là thông số quan trọng đối với giao thức định tuyến trong mangh Ad hoc,

vì tính chất giới hạn năng lượng của các thiết bị trong mạng Ad hoc. Năng lượng tiêu
tốn thường phụ thuộc vào quá trình routing discovery. Quá trình này càng gửi nhiều
bản tin thì càng tiêu tốn nhiều năng lượng, ngoài ra tuyến đường truyền bản tin càng
dài hay hopcount trung bình càng lớn cũng làm tăng năng lượng tiêu tốn của mạng.
Để giảm năng lượng tiêu tốn các giao thức cải tiến thường hạn chế quá trình route
discovery mà vẫn tìm được tuyến đường cần thiết, như giao thức AODV-ERS hay
EERS.
 End to End Delay- EED

Là thời gian để gói tin truyền từ nguồn tới đích. Thời gian trễ cao sẽ làm giảm
chất lượng của mạng. EED phụ thuộc tuyến đường mà bản tin truyền từ nguốn tới
đích vì vậy cũng phụ thuộc vào giao thức định tuyến.
 Hop count trung bình

22


Các Giao Thức Định Tuyến Trong Mạng Ad hoc
Hop count là tổng số hop mà bản tin phải đi qua khi truyền từ nguồn đến đích.
Giá trị này quyết định End to End delay và năng lượng tiêu tốn. Giao thức định tuyến
tốt khi tìm được đường có hop count tối ưu nhất. Nhưng thường thông số này không
khác nhau nhiều giữa các giao thức định tuyến.
 Tỷ lệ truyền gói tin thàn công- Packet Delivery Ratio(PDR)

Thông số này thể hiện trực tiếp chất lượng của mạng. PDR phụ thuộc tuyến
đường mà giao thức chọn. Nếu tuyến đường tốt sẽ tăng PDR và ngược lại.
 Thời gian định tuyến -Latency

Là thời gian tính từ khi node nguồn phát yêu cầu tìm đường đến khi nó có
được thông tin định tuyến cần thiết để có thể bắt đầu truyền dữ liệu, đây có thể coi là

trễ kết nối. Đối với các giao thức định tuyến trong mạng Ad hoc thời gian này thường
tính từ khi node nguồn phát bản tin Request đến khi nhận bản tin Reply.

23


Giao Thức Định Tuyến AODV

CHƯƠNG 3: GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN AODV
Ở chương này chúng em đi sâu vào giao thức định tuyến Ad hoc On-Demand
Distance Vector Routing - AODV như các bản tin sử dụng, nguyên lý hoạt động của
giao thức.

3.1

Định dạng các bản tin sử dụng trong giao thức AODV

Giao thức định tuyến AODV dùng 4 loại bản tin để định tuyến, sửa lỗi, duy trì
tuyến đường: route request, route reply, route error, route reply acknowledgement.

3.1.1 Định dạng gói tin Route Request (RREQ)

Định dạng của bản tin RREQ được biểu diễn bằng bảng trên với ý nghía của
các trường như sau:
Trường

Ý nghĩa
Type

1

J

Cờ Joint ; dành riêng cho multicast

R

Cờ Repair ; dành riêng cho multicast

G

Cờ RREP để trống

D

Cờ Destination only; cho biết chỉ có node đích
mới hồi đáp lại gói tin RREQ này

24


Giao Thức Định Tuyến AODV
U

Cho biết rằng số sequence ở node đích không xác
định

Reserved
Hop count

RREQ ID

Destination IP address

Các bit để dành, mặc định là 0
Số lượng các node tính từ node nguồn đến node
hiện tại đang xử lý gói tin RREQ này
Số ID để xác định duy nhất một gói tin RREQ
nhất định khi có trùng lặp về địa chỉ IP của node nguồn
Địa chỉ IP của node đích mà node nguồn cần tìm
đường tới

Destination Sequence
Number
Orginator IP address
Originator Sequence
Number

Số Sequence cuối cùng mà node nguồn lưu về
node đích
Địa chỉ IP của node nguồn ban đầu gửi gói tin
RREQ
Số sequence hiện tại của node nguồn ban đầu gửi
gói tin RREQ
Định dạng của bản tin RREQ

3.1.2 Định dạng gói tin Route Reply (RREP)

25