Khảo sát ảnh hưởng của sự chuyển động của các node mạng đến hiệu suất của một số giao thức định tuyến trong mạng MANET

LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian nỗ lực nghiên cứu và thực hiện đề tài “Khảo sát ảnh hưởng của
sự chuyển động của các node mạng đến hiệu suất của một số giao thức định tuyến
trong mạng MANET” dưới sự hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn, đồ án của em đã
được hoàn thiện ở mức tương đối. Để đạt được kết quả này, em xin chân thành cảm
ơn các thầy cô trong Bộ môn Mạng và truyền thông - Khoa Công Nghệ Thông Tin Trường ĐH CNTT&TT dạy dỗ và đã tạo điều kiện cho em thực hiện đồ án tốt nghiệp
này một cách nhiệt tình nhất.
Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn thầy giáo, ThS. Lê Hoàng Hiệp người
đã vô cùng tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ, định hướng và đóng góp ý kiến
cho em trong suốt thời gian thực hiện đồ án.
Mặc dù bản thân em đã nỗ lực hết sức để hoàn thành đồ án song vẫn không
tránh khỏi thiếu sót và hạn chế. Em kính mong nhận được sự góp ý của các thầy cô và
các bạn để đề tài của em được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, tháng 6 năm 2016
Sinh viên
Nguyễn Văn Hùng

1


LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam kết, toàn bộ nội dung nghiên cứu và được trình bày trong đồ án này
do em thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy ThS. Lê Hoàng Hiệp. Các phần nội dung
có sử dụng tài liệu tham khảo ở mức độ cho phép và đã có trích dẫn đầy đủ.

Thái nguyên, tháng 06 năm 2016
Sinh viên
Nguyễn Văn Hùng

2

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .........................................................................................................1
LỜI CAM ĐOAN....................................................................................................2
MỤC LỤC...............................................................................................................3
DANH MỤC BẢNG ...............................................................................................5
DANH MỤC HÌNH.................................................................................................6
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI.................................................................8
1.1. Lý do chọn đề tài......................................................................................................................8
1.2. Mục tiêu ...................................................................................................................................8
1.3. Phương hướng thực hiện đề tài ................................................................................................8
1.4. Phạm vi nghiên cứu.................................................................................................................9
1.5. Bố cục đề tài............................................................................................................................9

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ......................................................................10
2.1. Giới thiệu về mạng MANET..................................................................................................10
2.1.1. Lịch sử phát triển và các ứng dụng .................................................................................10
2.1.2. Các đặc điểm chính của mạng MANET..........................................................................11
2.2. Vấn đề định tuyến trong mạng MANET ................................................................................12
2.2.1. Các thuật toán định tuyến truyền thống...........................................................................12
2.2.2. Các yêu cầu chính đối với việc định tuyến trong mạng MANET ...................................13
2.2.3. Phân loại các kỹ thuật định tuyến....................................................................................14
2.3. Các giao thức định tuyến chính trong mạng MANET ...........................................................17
2.3.1. DSDV..............................................................................................................................18
2.3.2. AODV .............................................................................................................................19
2.4. Phần mềm mô phỏng NS2......................................................................................................21
2.4.1. Tổng quan về NS2...........................................................................................................21
2.4.2. Kiến trúc của NS2 ...........................................................................................................21
2.4.3. Đặc điểm của NS-2 .........................................................................................................25

CHƯƠNG III: CƠ SỞ ĐÁNH GIÁ VÀ PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ DI
ĐỘNG CỦA NODE MẠNG TRONG MẠNG MANET........................................26
3.1. Đặt vấn đề ..............................................................................................................................26
3.2. Các thông số đánh giá hiệu năng............................................................................................26
3.3. Thiết lập mô hình chuyển động của các node mạng và thời gian mô phỏng .........................28
3.3.1. Mô hình Random Waypoint ............................................................................................28
3.3.2. Mô hình Random Walk ...................................................................................................30

3


3.3.3. Thiết lập các nguồn sinh lưu lượng đưa vào mạng .........................................................31
3.3.4. Lựa chọn thời gian mô phỏng .........................................................................................32
3.4. Phân tích và tạo ra các trường hợp mô phỏng.......................................................................33
3.4.1. Cách thức phân tích kết quả mô phỏng của NS-2 ...........................................................33
3.4.2. Một số công cụ hỗ trợ việc phân tích và hiển thị kết quả mô phỏng ...............................34
3.4.3. Mô hình hóa các kịch bản mô phỏng ..............................................................................39
3.4.4. Mô phỏng trong các trường hợp cụ thể ...........................................................................40

CHƯƠNG IV: ĐÁNH GIÁ BẰNG MÔ PHỎNG ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ CHUYỂN
ĐỘNG CỦA CÁC NODE MẠNG ĐẾN HIỆU NĂNG CỦA MỘT SỐ GIAO THỨC
ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG MANET.............................................................41
4.1. Mục tiêu của bài toán .............................................................................................................41
4.1.1. Trường hợp các node mạng không di chuyển .................................................................41
4.1.2. Trường hợp các node mạng di chuyển với vận tốc trung bình là 10 m/s .......................52
4.1.3. Khi node mạng di chuyển với vận tốc lớn 20m/s..........................................................56
4.2. Đánh giá các kết quả mô phỏng .............................................................................................60
4.2.1. Tỷ lệ phân phát gói tin thành công ..................................................................................60
4.2.2. Thông lượng....................................................................................................................61

4.2.3. Độ trễ...............................................................................................................................62

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN..............................................................64
1. Các kết quả đạt được của đồ án.................................................................................................64
2. Hạn chế......................................................................................................................................64
3. Hướng phát triển .......................................................................................................................64

TÀI LIỆU THAM KHẢO .....................................................................................65

4


DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1. Các tham số của mô hình Random Waypoint............................................ 29
Hình 3.3. Di chuyển theo mô hình Random Walk ...................................................... 30
Bảng 3.2. Các tham số của mô hình Random Walk.................................................... 31
Bảng 3.3. Cấu trúc tệp vết.......................................................................................... 34
Bảng 4.1. Tỷ lệ phân phát gói tin thành công của 2 giao thức AODV và DSDV các
node mạng thay đổi với vận tốc bằng 0 m/s. ............................................................. 51
Bảng 4.2. Kểt quả thông lượng , độ trễ , mất gói tin 2 giao thức AODV và DSDV các
node mạng thay đổi với vận tốc bằng 0 m/s. ............................................................. 51
Bảng 4.3. Tỷ lệ phân phát gói tin thành công của 2 giao thức AODV và DSDV các
node mạng thay đổi với vận tốc bằng 10 m/s ............................................................ 55
Bảng 4.4. Kểt quả thông lượng , độ trễ , mất gói tin 2 giao thức AODV và DSDV
các node mạng thay đổi với vận tốc bằng 10 m/s ...................................................... 55
Bảng 4.5. So sánh tỷ lệ phân phát gói tin thành công của AODV DSDV với vận tốc
di chuyển là 20 m/s.................................................................................................... 59
Bảng 4.6. Kểt quả thông lượng , độ trễ , mất gói tin 2 giao thức AODV và DSDV các
node mạng thay đổi với vận tốc bằng 10 m/s ............................................................ 59
Bảng 4.7. Tỷ lệ phân phát gói tin thành công với vận tốc thay đổi của giao thức

AODV và DSDV (%) ............................................................................................... 60
Bảng 4.8.Thống kê thông lượng (Mbps) của giao thức AODV và DSDV .................. 61
Bảng 4.9. Thông kê độ trễ (s) của giao thức AODV và DSDV................................... 62

5


DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1. Phân loại các giao thức định tuyến trong mạng MANET............................ 17
Hình 2.2. Tô-pô mạng thay đổi .................................................................................. 18
Hình 2.3. Quá trình khám phá tuyến trong AODV ..................................................... 19
Hình 2.4. Mô hình đơn giản của NS........................................................................... 21
Hình 2.5. Luồng các sự kiện cho file Tcl chạy trong Nam.......................................... 23
Hình 2.6. Kiến trúc của NS2 ...................................................................................... 23
Hình 2.7. TclCL hoạt động như liên kết giữa A và B ................................................. 24
Hình 3.1. Các điện thoại liên lạc đóng vai trò là các node mạng trong mạng MANET26
Hình 3.2. Di chuyển của một node theo mô hình Random Waypoint ......................... 29
Các tham số mô phỏng cho Random Waypoint được cho trong bảng 3.1................... 29
Hình 3.3. Di chuyển theo mô hình Random Walk ...................................................... 30
Hình 3.4. Một mô hình kịch bản mô phỏng................................................................ 39
Hình 4.1. Topo 5 node mạng..................................................................................... 42
Hình 4.2. Tổng hợp kết quả từ file perl với node mạng là 5 vận tốc là 0m/s sử dụng
giao thức AODV........................................................................................................ 42
Hình 4.3. Biểu đồ thống kê thông lượng gửi gói tin của 5 node mạng với vận tốc bằng
0 m/s giao thức AODV .............................................................................................. 43
Hình 4.4. Biểu đồ giữa thông lượng và độ trễ của 5node mạng di chuyển với vận tốc
bằng 0m/s giao thức AODV....................................................................................... 43
Hình 4.5. Topo 50 node mạng.................................................................................... 44
Hình 4.6. Tổng hợp kết quả từ file perl với node mạng là 50 vận tốc là 0m/s sử dụng
giao thức AODV........................................................................................................ 45

Hình 4.7. Biểu đồ thống kê thông lượng gửi gói tin của 50 node mạng với vận tốc bằng
0 m/s giao thức AODV .............................................................................................. 45
Hình 4.8. Biểu đồ giữa thông lượng và độ trễ của 50node mạng di chuyển với vận
tốc bằng 0m/s giao thức AODV ................................................................................. 46
Hình 4.9. Topo 100 node mạng.................................................................................. 47
Hình 4.10. Tổng hợp kết quả từ file perl với node mạng là 100 vận tốc là 0m/s sử dụng
giao thức AODV........................................................................................................ 47

6


Hình 4.11. Tổng hợp kết quả từ file perl với node mạng là 5 vận tốc là 0m/s sử dụng
giao thức DSDV ........................................................................................................ 48
Hình 4.12. Biểu đồ thống kê thông lượng gửi gói tin của 5 node mạng với vận tốc bằng
0 m/s giao thức DSDV............................................................................................... 49
Hình 4.13. Biểu đồ giữa thông lượng và độ trễ của 5node mạng di chuyển với vận
tốc bằng 0m/s giao thức ............................................................................................. 49
Hình 4.14. Tổng hợp kết quả từ file perl với node mạng là 50 vận tốc là 0m/s sử dụng
giao thức DSDV ........................................................................................................ 50
Hình 4.15. Tổng hợp kết quả từ file perl với node mạng là 100 vận tốc là 0m/s sử dụng
giao thức DSDV ........................................................................................................ 51
Hình 4.16. Đồ thị tỷ lệ phân phát gói tin thành công (%) ........................................... 60
Hình 4.17. Đồ thị thể hiện thông lượng của giao thức AODV và DSDV.................. 62
Hình 4.18. Đồ thị thống kê độ trễ của giao thức AODV và DSDV............................ 63

7


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1. Lý do chọn đề tài

Mạng MANET là một kiểu mạng không dây rất linh hoạt. Đó là tập hợp của hai
hay nhiều thiết bị được trang bị khả năng nối mạng và truyền thông không dây. Các
thiết bị như vậy có thể giao tiếp với tất cả thiết bị mạng khác ngay lập tức trong dải vô
tuyến (vùng phủ sóng, phạm vi mà thiết bị mạng đó nhận biết được) hay một thiết bị
vô tuyến khác nằm ngoài dải vô tuyến của chúng với điều kiện có các node trung gian
để chuyển tiếp thông tin từ node nguồn đến node đích. Thiết bị hỗ trợ mạng MANET
đa dạng và sử dụng khá phổ biến như laptop, điện thoại di động Internet. Vì có nhiều
ưu thế vượt trội và những thách thức cần giải quyết, ngày nay mạng MANET đã và
đang được nghiên cứu triển khai thành công ở một số nước mà phổ biến là Mỹ. Mạng
MANET đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng như khắc phục thảm họa thiên nhiên,
quốc phòng, y tế, hội nghị nên có xu hướng ứng dụng rộng rãi trên thế giới.
Hiện nay, các bài báo và công trình nghiên cứu về sự ảnh hưởng của node mạng
trong mạng MANET còn rất ít, do đó tác giả đã mạnh dạn đề xuất đề tài này với mong
muốn nhằm góp một phần nhỏ bé làm sáng tỏ các kiến thức chưa được khai phá.
Trong đề tài này, các kết quả của nghiên cứu nhằm đưa ra được các đánh giá khách
quan cho hiệu năng của mạng MANET khi mà các node mạng vừa di chuyển tuy nhiên
vẫn phải thực hiện chức năng truyền thông với nhau.
1.2. Mục tiêu
- Nghiên cứu sâu lý thuyết về mạng MANET
- Thành thạo, củng cố kỹ thuật cấu hình các giao thức định tuyến trong mạng
MANET
- Hoàn thiện kỹ năng và áp dung các kiến thức đã được học vào bài toán mới
- Đối chiếu và so sánh mức độ ảnh hưởng do sự di chuyển của node mạng tới
hiệu suất trong mạng MANET
1.3. Phương hướng thực hiện đề tài
-

Tham khảo tài liệu liên quan về đề tài

-

Sử dụng bộ công cụ mô phỏng NS2 để thực hiện đánh giá và mô phỏng, lấy số
liệu kết quả.

8


-

Đưa ra các tiêu chí để thực hiện demo và so sánh kết quả dưới sự hướng dẫn
của giáo viên hướng dẫn

1.4. Phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu tập trung vào sự di động của node mạng ở ba mức: đứng im, di
chuyển trung bình, di chuyển với vận tốc lớn
1.5. Bố cục đề tài
Đề tài dư định bao gồm 4 chương:
-

Chương 1: Tổng quan về đề tài

-

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

-

Chương 3: Cơ sở đánh giá và phân tích ảnh hưởng của sự di động của node
mạng trong mạng manet

-

Chương 4: Đánh giá bằng mô phỏng ảnh hưởng của sự chuyển động của các
node mạng đến hiệu năng của một số giao thức định tuyến trong mạng manet

9


CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Giới thiệu về mạng MANET
2.1.1. Lịch sử phát triển và các ứng dụng
Lịch sử:
Mạng di động đặc biệt (Mobile Adhoc Netwowk) là mạng tự cấu hình của các
node di động kết nối với nhau thông qua các liên kết không dây tạo nên mạng độc lập
không phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng mạng. Các thiết bị trong mạng có thể di chuyển
một cách tự do theo mọi hướng, do đó liên kết của nó với các thiết bị khác cũng thay
đổi một cách thường xuyên.
Nguyên lý làm việc của mạng Adhoc bắt nguồn từ năm 1968 khi các mạng
ALOHA được thực hiện. Tuy các trạm làm việc là cố định nhưng giao thức ALOHA
đã thực hiện việc quản lý truy cập kênh truyền dưới dạng phân tán, đây là cơ sở lý
thuyết để phát triển kỹ thuật truy cập kênh phân tán vào mạng Adhoc.
Năm 1973 tổ chức DARPA đã bắt đầu làm việc trên mạng vô tuyến gói tin
PRnet. Đây là mạng vô tuyến gói tin đa chặng đầu tiên. Trong đó các node hợp tác với
nhau để gửi dữ liệu tới một node nằm ở xa khu vực kết nối thông qua một node khác.
Nó cung cấp cơ chế cho việc quản lý hoạt động trên cơ sở tập trung và phân tán.
Một lợi điểm của làm việc đa chặng so với đơn chặng là triển khai đa chặng tạo
thuận lợi cho việc dùng lại tài nguyên kênh truyền về cả không gian, thời gian và giảm
năng lượng phát cần thiết.
Sau đó có nhiều mạng vô tuyên gói tin phát triển nhưng các hệ thống không dây
này vẫn chưa bao giờ tới tay người dùng cho đến khi chuẩn 802.11 ra đời. IEEE đã đổi

tên mạng vô tuyến gói tin thành mạng Adhoc.
Ứng dụng:
Quân sự: Hoạt động phi tập trung của mạng Adhoc và không phụ thuộc vào cơ
sở hạ tầng mạng là một yếu tố thiết yếu đối với lĩnh vực quân sự, nhất là trong các
trường hợp chiến đấu khốc liệt, các cơ sở hạ tầng mạng bị phá hủy. Lúc này mạng
Adhoc là lựa chọn số một để các thiết bị truyền thông liên lạc với nhau một cách
nhanh chóng.
Trường học: Chúng ta cũng có thể thiết lập các mạng Adhoc trong trường học,
lớp học, thư viện, sân trường,… để kết nối các thiết bị di động (laptop, smartphone) lại
10


với nhau, giúp sinh viên, thầy cô giáo có thể trao đổi bài một cách nhanh chóng thông
qua mạng adhoc vừa tạo.
Gia đình: Tại nhà bạn có thể tạo nhanh mạng Adhoc để kết nối các thiết bị di
động của bạn với nhau, nhờ đó ta có thể di chuyển tự do mà vẫn đảm bảo kết nối
truyền tải dữ liệu.
Kết nối các thiết bị điện tử với nhau: Trong những năm tới khi mà các thiết bị
điện tử đều được gắn các giao tiếp không dây, giúp chúng có thể trao đổi giao tiếp với
nhau thì mạng Adhoc sẽ rất phù hợp để tạo nên một hệ thống thông mình có khả năng
liên kết với nhau.
2.1.2. Các đặc điểm chính của mạng MANET
Mỗi node di động khác nhau trong mạng MANET đều có những đặc điểm về
nguồn năng lượng, bộ phận thu phát sóng khác nhau. Chúng có thể di chuyển về mọi
hướng theo các tốc độ khác nhau, do đó ta có thể nhận thấy rõ một số đặc điểm chính
của mạng MANET như sau:
 Cấu hình mạng động: Cấu hình mạng luôn biến đổi theo các mức độ di
chuyển của node mạng.
 Khoảng cách sóng ngắn: Khoảng cách sóng của các thiết bị di động là rất hạn
chế.

 Năng lượng hạn chế: Tất cả các thiết bị di động đều sử dụng pin nên khi tham
gia vào mạng MANET chúng bị hạn chế về năng lượng, khả năng xử lý của
CPU, kích thước bộ nhớ.
 Băng thông hạn chế: Các liên kết không dây có băng thông thấp hơn so với
đường truyền cáp và chúng còn chịu ảnh hưởng của sự nhiễu, suy giảm tín hiệu,
các điều kiện giao thoa vì thế mà thường nhỏ hơn tốc độ truyền lớn nhất của
sóng vô tuyến.
 Bảo mật yếu: Đặc điểm của mạng MANET là truyền sóng qua môi trường
không khí, điều này khiến cho cơ chế bảo mật kém hơn so vơi môi trường
truyền cáp vì nó tiềm ẩn nhiều nguy cơ bị tấn công, nghe lén đường truyền, giả
mạo, DoS,…

11


2.2. Vấn đề định tuyến trong mạng MANET
2.2.1. Các thuật toán định tuyến truyền thống
Các giao thức định tuyến truyền thống thường sử dụng hai giải thuật:
 Distance Vector: RIP , IGRP,...
Nguyên tắc hoạt động: mỗi router sẻ gửi bảng định tuyến của mình cho tất cả
các router được nối trực tiếp với nó . Các router đó so sánh với bảng bảng định tuyến
mà mình hiện có và kiểm tra lại các tuyến đường của mình với các tuyến đường mới
nhận được, tuyến đường nào tối ưu hơn sẽ được đưa vào bảng định tuyến. Các gói tin
cập nhật sẽ được gửi theo định kỳ (30 giây với RIP ,90 giây đối với IGRP).
Ưu điểm:
Dễ cấu hình, router không phải xử lý nhiều nên không tốn nhiều dung lượng bộ
nhớ và CPU có tốc độ xử lý nhanh hơn.
Nhược điểm:
- Hệ thống metric quá đơn giản (như Rip chỉ là hop-count ) dẫn đến việc các
tuyến đường được chọn vào bảng định tuyến chưa phải tuyến đường tốt nhất.

- Vì các gói tin cập nhật được gửi theo định kỳ nên một lượng băng thông đáng
kể sẽ bị chiếm.
- Do Router hội tụ chậm, dẫn đến việc sai lệch trong bảng địn tuyến gây nên hiện
tượng vòng lặp (loop).
 Link state: OSPF, IS-IS
Nguyên tắc hoạt động: Các router không gửi bảng định tuyến của mình, mà
chỉ gửi tình trạng của các đường liên kết trong cơ sở dữ liệu trạng thái liên kết
(linkstate-database) của mình đi cho các router khác, các router sẽ áp dụng giải
thuật SPF (shortest path first ), để tự xây dựng bảng định tuyến riêng cho mình. Khi
mạng đã hội tụ, các giao thức Link state sẽ không gửi cập nhật định kỳ mà chỉ gửi
khi nào có sự thay đổi trong mạng (1 đường bị down , cần sử dụng đường dự
phòng).

12


Ưu điểm:
Có thể thích nghi được với đa số hệ thống, cho phép người thiết kế có thể thiết kế
mạng linh hoạt, phản ứng nhanh với tình huống xảy ra. Do không gởi cập nhật định kỳ
như Distance Vector, nên Link State bảo đảm được băng thông cho các đường mạng.
Nhược điểm:
- Do router phải xử lý nhiều, nên chiếm nhiều bộ nhớ, tốc độ CPU chậm hơn nên
tăng độ trễ
Việc sử dụng các giao thức định tuyến truyền thống trong mạng MANET sẽ dẫn
đến rất nhiều vấn đề trở ngại cần giải quyết:


Tiêu tốn năng lượng nguồn nuôi cho các cập nhập định kỳ như trong giao thức
định tuyến Distance Vector.



Tiêu tốn băng thông mạng cho các cập nhập định kỳ.



Làm quá tải bộ vi xử lý của thiết bị: khi các thông tin cập nhật, số node mạng
tăng lên.



Tạo ra nhiều đường đi dư thừa

2.2.2. Các yêu cầu chính đối với việc định tuyến trong mạng MANET
Các giao thức định tuyến trong mạng MANET cần đảm bảo:
 Thích ứng nhanh khi tô-pô mạng thay đổi: khi các node mạng di chuyển nhanh,
yêu cầu kết nối tăng lên thì các giao thức hoạt động theo cơ chế tiếp cận tập
trung sẽ giảm hiệu quả rõ rệt do phải tốn nhiều thời gian để thu thập thông tin
về trạng thái hiện tại và phát tán lại nó. Trong khi đó cấu hình mạng có thể đã
thay đổi khác đi rồi.
 Đảm bảo hiệu quả trong môi trường truyền khi các node đứng yên. Lúc này tô-pô
mạng là cố định không thay đổi nên các giao thức định tuyến chỉ cần gửi các cập
nhật khi có yêu cầu hoặc mạng thay đổi như việc một node nào đó tắt kết nối.
 Không có lặp định tuyến: Cần ngăn chặn hiện tượng này, bởi vì khi đó các gói
tin bị định tuyến sai, dẫn đến việc bị truyền quay vòng liên tục trong một số kết
nối mạng, khiến cho băng thông mạng và các tài nguyên khác như năng lượng
nguồn nuôi bị tiêu tốn vô ích.
 Bảo mật: Việc định tuyến trong mạng MANET có nguy cơ bị tấn công dễ dàng
bằng các phương pháp như xâm nhập đường truyền, phát lại, thay đổi các gói
13

tin tiêu đề, điều hướng các thông điệp định tuyến. Do đó khi thiết kế các giao
thức định tuyến cần phải có phương pháp để phát hiện được và ngăn chặn các
loại tấn công.
2.2.3. Phân loại các kỹ thuật định tuyến
2.2.3.1. Link state và Distance Vector
Thuật toán định tuyến vector khoảng cách (distance-vector routing protocols)
Thuật toán này dùng thuật toán Bellman-Ford, trong đó chỉ định một con số, gọi là
chi phí (hay trọng số), cho mỗi một liên kết giữa các node trong mạng. Các node sẽ gửi
thông tin về đường đi từ điểm A đến điểm B qua các đường truyền (kết nối) mang lại tổng
chi phí thấp nhất (là tổng các chi phí của các kết nối giữa các node được dùng).
Thuật toán hoạt động với những hành động rất đơn giản. Khi một node khởi động
lần đầu, nó chỉ biết các node kề trực tiếp với nó, và chi phí trực tiếp để đi đến đó
(thông tin này, danh sách của các đích, tổng chi phí đến từng đích và bước kế tiếp để
gửi dữ liệu đến đó tạo nên bảng định tuyến, hay bảng khoảng cách). Mỗi node, trong
một tiến trình, gửi đến từng “hàng xóm” tổng chi phí của nó để đi đến các đích mà nó
biết. Các node “hàng xóm” phân tích thông tin này, và so sánh với những thông tin mà
chúng đang “biết”; bất kỳ điều gì cải thiện được những thông tin chúng đang có sẽ
được đưa vào các bảng định tuyến của những “hàng xóm” này. Đến khi kết thúc, tất cả
node trên mạng sẽ tìm ra bước truyền kế tiếp tối ưu đến tất cả mọi đích, và tổng chi phí
tốt nhất.
Khi một trong các node gặp vấn đề, những node khác có sử dụng node hỏng này
trong lộ trình của mình sẽ loại bỏ những lộ trình đó, và tạo nên thông tin mới của bảng
định tuyến. Sau đó chúng chuyển thông tin này đến tất cả node gần kề và lặp lại quá
trình trên. Cuối cùng, tất cả node trên mạng nhận được thông tin cập nhật, và sau đó sẽ
tìm đường đi mới đến tất cả các đích mà chúng còn tới được.
Thuật toán định tuyến trạng thái kết nối (Link-state routing protocols)
Khi áp dụng các thuật toán trạng thái kết nối, mỗi node sử dụng dữ liệu cơ sở của
nó như là một bản đồ của mạng với dạng một đồ thị. Để làm điều này, mỗi node phát

đi tới toàn mạng những thông tin về các node khác mà nó có thể kết nối được, và từng
node góp thông tin một cách độc lập vào bản đồ. Sử dụng bản đồ này, mỗi node sau đó
sẽ xác định được tuyến đường tốt nhất từ nó đến mọi node khác.
14


Thuật toán đã làm theo cách này là Dijkstra, bằng cách xây dựng cấu trúc dữ liệu
khác, dạng cây, trong đó node hiện tại là gốc, và chứa mọi node khác trong mạng. Bắt
đầu với một cây ban đầu chỉ chứa chính nó. Sau đó lần lượt từ tập các node chưa được
thêm vào cây, nó sẽ thêm node có chi phí thấp nhất để đến một node đã có trên cây.
Tiếp tục quá trình đến khi mọi node đều được thêm vào cây.
Cây này sau đó phục vụ để xây dựng bảng định tuyến, đưa ra bước truyền kế tiếp
tốt ưu, … để từ một node đến bất kỳ node khác trên mạng.
So sánh các thuật toán định tuyến
Các giao thức định tuyến theo thuật toán vector khoảng cách đơn giản và hiệu
quả hơn trong các mạng nhỏ, đòi hỏi ít (nếu có) sự giám sát. Tuy nhiên nhược điểm
của nó là khả năng hội tụ chậm khi mạng lớn và thay đổi, điều này dẫn đến sự phát
triển của các thuật toán trạng thái kết nối tuy phức tạp hơn nhưng tốt hơn để dùng
trong các mạng lớn.
Ưu điểm chính của định tuyến bằng trạng thái kết nối là phản ứng nhanh nhạy
hơn, và trong một khoảng thời gian có hạn, đối với sự thay đổi kết nối. Ngoài ra,
những gói được gửi qua mạng trong định tuyến bằng trạng thái kết nối thì nhỏ hơn
những gói dùng trong định tuyến bằng vector. Định tuyến bằng vector đòi hỏi bảng định
tuyến đầy đủ phải được truyền đi, trong khi định tuyến bằng trạng thái kết nối thì chỉ có
thông tin về “hàng xóm” của node được truyền đi. Vì vậy, các gói này dùng tài nguyên
mạng ở mức không đáng kể. Khuyết điểm chính của định tuyến bằng trạng thái kết nối là
nó đòi hỏi nhiều sự lưu trữ và tính toán để chạy hơn định tuyến bằng vector.
2.2.3.2. Định tuyến chủ ứng và phản ứng
Các giao thức định tuyến trong mạng MANET được người ta phân chia thành các
loại: định tuyến chủ ứng (proactive), định tuyến phản ứng (reactive) và định tuyến lai

ghép giữa hai loại trên. Các giao thức định tuyến chủ ứng sử dụng phương pháp phát
tràn (Floading) để quảng bá thông tin tới các thiết bị. Phương pháp này cho phép thời
gian thiết lập đường nhanh dựa trên các tham số gửi tới thiết bị sẵn sàng cho kết nối.
Tuy nhiên, phương pháp này cũng làm lưu lượng các gói tin tìm đường tăng lên rất
lớn, đây chính là nhược điểm của phương pháp này. Giao thức định tuyến trạng thái
liên kết tối ưu OLSR (Optimized Link State Routing) và giao thức định tuyến vector

15


khoảng cách tuần tự đích DSDV (Dynamic Destination-Sequenced Distance-Vector
Routing) là hai ví dụ của giao thức định tuyến chủ ứng.
Các giao thức định tuyến phản ứng thiết lập tuyến dựa theo từng yêu cầu kết nối.
Phương pháp này hạn chế được chi phí tìm đường, nhưng nhược điểm cơ bản là gây
trễ lớn cho các khung truyền dẫn đầu tiên cũng như thời gian chọn đường dẫn chậm.
Hai giao thức phản ứng điển hình là giao thức định tuyến vector khoảng cách theo yêu
cầu AODV (On-demand Distance Vector Routing) và giao thức định tuyến định tuyến
nguồn động DSR (Dynamic Source Routing).
Một khi xảy ra lỗi tại node, các giao thức định tuyến thường khôi phục đường
dẫn bằng phương pháp thiết lập tuyến mới. Hầu hết các tiếp cận hiện nay đều sử dụng
thông tin phản hồi tới thiết bị nguồn nhằm khởi tạo tuyến mới, vì vậy lưu lượng bản
tin trao đổi là rất lớn và tăng lên rất nhanh khi kích thước mạng lớn, nhất là đối với các
giao thức định tuyến chủ ứng. Khi kích thước mạng tăng cũng đồng nghĩa với sự suy
giảm hiệu năng mạng do hiện tượng trễ của thủ tục định tuyến và truyền khung đầu
tiên tăng lên rất lớn nếu sử dụng giao thức định tuyến phản ứng.
2.2.3.3. Định tuyến nguồn và định tuyến theo chặng
Với định tuyến nguồn, toàn bộ thông tin về đường đi tới đích được đặt trong
trường tiêu đề của gói tin dữ liệu, các node trung gian chỉ việc chuyển tiếp gói tin theo
đường trong tiêu đề. Lợi điểm của giao thức này là loại bỏ được nhu cầu quảng bá
đường định kỳ và các gói tin khám phá (discovery) hàng xóm.

Trong định tuyến theo chặng, khi một node nhận được gói tin cần chuyển tới
đích, node đó chuyển tiếp gói tin theo chặng tiếp theo hướng tới đích mà nó biết. Node
tiếp theo lại chuyển tiếp gói tin đến đích theo những chặng mà nó biết dựa vào bảng
định tuyến của nó. Quá trình trên sẽ dừng lại khi gói tin được chuyển tới đích. Nhược
điểm của phương pháp này là tất cả các node cần duy trì thông tin định tuyến nên phải
xử lý nhiều hơn và có khả năng tạo thành các vòng lặp định tuyến.

16


2.3. Các giao thức định tuyến chính trong mạng MANET

MANET ROUTING
PROTOCOL

PROACTIVE
(Table-driven)

REACTIVE
(On Demand)

HYBRID

DSR

DSDV

OLSR

AODV

ZRP
FSR

TORA

ABR

Hình 2.1. Phân loại các giao thức định tuyến trong mạng MANET

17


2.3.1. DSDV
DSDV (Destination-Sequenced Distance-Vector Routing) là giao thức chủ
ứng dựa trên dựa trên thuật toán Distance vector được xây dựng bởi C.Perkins và
P.Bhagwat năm 1994. Giao thức này được xây dựng dựa trên tiêu chí giữ nguyên sự
đơn giản của giải thuật Bellman-Ford và loại bỏ vấn đề vòng lặp.
Truyền thông tin định tuyến: Thông tin định tuyến được gửi quảng bá (broadcast)
tới tất cả các node hàng xóm liền kề nó. Thông tin cập nhật được phát định kỳ hoặc
ngay khi có các thay đổi xảy ra trong mạng. Để tránh lặp định tuyến DSDV gắn số thứ
tự chẵn cho mỗi đường. Số thứ tự được gắn bởi node đích, được gửi đi trong gói tin
cập nhập. Số thứ tự này cho thấy độ mới của mỗi đường, đường nào có số thứ tự cao
hơn được xem là tốt hơn.

Hình 2.2. Tô-pô mạng thay đổi
Số thứ tự này sẽ tăng lên một đơn vị khi một node phát hiện đường đi tới đích có
liên kết bị hỏng khi nó không nhận được cập nhật định kỳ. Khi ấy trong gói tin cập
nhật kế tiếp nó gửi đi sẽ quảng bá đường tới đích này có số chặng bằng vô hạn (metric
~ ∞) và tăng thứ tự đường.

Khi một node nhận được thông tin mới về một tuyến đường, tuyến này sẽ được
chọn nếu nó có số thứ tự lớn hơn các số thứ tự khác của cùng tuyến đó trong bảng định
tuyến. Nếu nó có cùng số thứ tự thì nó sẽ được chọn nếu có số metric tốt hơn.
Để làm giảm kích thước gói tin cập nhập, DSDV sử dụng hai loại thông điệp cập
nhật là:
 Full dump: Cập nhật đầy đủ. Thông điệp này bao gồm toàn bộ thông tin định
tuyến mà node đó biết đến thời điểm đó.

18


 Incremental dump: cập nhật bổ sung. Gói thông điệp này chỉ bao gồm các thông
tin về những thay đổi từ lần cập nhật đầy đủ gần nhất.
Hai loại thông điệp cật nhật này được lưu vào hai bảng khác nhau, một bảng để
chuyển tiếp các gói tin đầy đủ, một để phát các gói tin cập nhật. Gói tin cập nhật đầy
đủ chỉ được phát thường xuyên khi các node thường xuyên di chuyển, khi mạng ít thay
đổi, chủ yếu chỉ có gói tin cập nhật bổ sung được gửi đi.
2.3.2. AODV
AODV (Ad Hoc On-Demand Distance Vector) là giao thức dựa trên thuật toán
vector khoảng cách. AODV tối thiểu hoá số bản tin quảng bá cần thiết bằng cách tạo
ra các tuyến trên cơ sở theo yêu cầu, ngược với việc duy trì một danh sách hoàn chỉnh
các tuyến như thuật toán DSDV.

Hình 2.3. Quá trình khám phá tuyến trong AODV
Khi một node nguồn muốn gởi một bản tin đến một node đích nào đó và không
biết rằng đã có một tuyến đúng đến đích đó, nó phải khởi đầu một quá trình khám phá
đường truyền. Nó phát quảng bá một gói yêu cầu tuyến (RREQ) đến các node lân cận.
Các node lân cận này sau đó sẽ chuyển tiếp gói yêu cầu đến node lân cận khác của
chúng. Quá trình cứ tiếp tục như vậy cho đến khi có một node trung gian nào đó xác
định được một tuyến “đủ tươi” để đạt đến đích. AODV sử dụng số thứ tự đích để đảm

bảo rằng tất cả các tuyến không lặp và chứa hầu hết thông tin tuyến hiện tại. Mỗi node
duy trì số tuần tự của nó cùng với một ID quảng bá. ID quảng bá được tăng lên mỗi
khi node khởi đầu một RREQ, và cùng với địa chỉ IP của node, xác định duy nhất một
RREQ. Cùng với số tuần tự và ID quảng bá, node nguồn bao gồm trong RREQ hầu hết
số tuần tự hiện tại của đích mà nó có. Các node trung gian có thể trả lời RREQ chỉ khi

19


nào chúng có một tuyến đến đích mà số tuần tự đích tương ứng lớn hơn hoặc bằng số
tuần tự chứa trong RREQ.
Trong suốt quá trình chuyển tiếp RREQ, các node trung gian ghi vào Bảng định
tuyến của chúng địa chỉ của các node lân cận từ khi nhận được bản sao đầu tiên của
gói quảng bá, theo đó thiết lập được một đường dẫn theo thời gian. Nếu các bản sao
của cùng một RREQ được nhận sau đó, các gói này sẽ bị huỷ bỏ. Một khi RREQ đã
đạt đến đích hay một node trung gian với tuyến “đủ tươi”, node đích (hoặc node trung
gian) đáp ứng lại bằng cách phát đơn phương một gói đáp ứng tuyến (RREP) ngược về
node lân cận mà từ đó nó thu được RREQ. Khi RREP được định tuyến ngược theo
đường dẫn, các node trên đường dẫn đó thiết lập các thực thể tuyến chuyển tiếp trong
Bảng định tuyến của chỉ node mà nó nhận được RREP. Các thực thể tuyến chuyển tiếp
này chỉ thị tuyến chuyển tiếp tích cực. Cùng với mỗi thực thể tuyến là một bộ định
thời tuyến có nhiệm vụ xoá các thực thể nếu nó không được sử dụng trong một thời
hạn xác định. Do một RREP chuyển tiếp trên đường dẫn được thiết lập bởi một RREQ
nên AODV chỉ hỗ trợ việc sử dụng đường truyền đối xứng.
Trong AODV, các tuyến đươc duy trì điều kiện như sau: Nếu một node nguồn
chuyển động, nó phải khởi động lại giao thức khám phá tuyến để tìm ra một tuyến mới
đến đích. Nếu một node trên tuyến chuyển động, node lân cận luồng lên của nó chú ý
đến chuyển động đó và truyền một bản tin “Khai báo sự cố đường thông” (một RREP
không xác định) đến mỗi node lân cận tích cực luồng lên để thông báo cho các node
này xoá phần tuyến đó. Các node này thực chất truyền một “Thông báo sự cố đường

thông” đến các node lân cận luồng lên. Quá trình cứ tiếp tục như vậy cho đến khi đạt
đến node nguồn. Node nguồn sau đó có thể chọn khởi động lại một quá trình khám phá
tuyến cho đích đó nếu một tuyến vẫn cần thiết .
Ngoài ra, giao thức này sử dụng bản tin HELLO được phát quảng bá định kỳ bởi
một node để thông báo cho tất cả các node khác về những node lân cận của nó. Các
bản tin HELLO có thể được sử dụng để duy trì khả năng kết nối cục bộ của một node.
Tuy nhiên, việc sử dụng bản tin HELLO là không cần thiết. Các node lắng nghe việc
truyền lại gói dữ liệu để đảm bảo rằng vẫn đạt đến chặng kế tiếp. Nếu không nghe
được việc truyền lại như thế, node có thể sử dụng một trong số các kỹ thuật, kể cả việc

20


tiếp nhận bản tin HELLO. Các bản tin HELLO có thể liệt kê các node khác mà từ đó
node di động đã nghe tin báo, do đó tạo ra khả năng liên kết lớn hơn cho mạng.
2.4. Phần mềm mô phỏng NS2
2.4.1. Tổng quan về NS2
- NS2- Network Simulator Version 2: là phần mền mô phỏng mạng điều khiển sự
kiện riêng rẽ hướng đối tượng, được phát triển tại UC Berkely, viết bằng ngôn ngữ C++
và Otcl. Được sử dụng rất phổ biến trong các nghiên cứu khoa học về mạng ( rất hữu ích
cho việc mô phỏng mạng diện rộng WAN và mạng local LAN).
- Mục đích của NS-2 là tạo ra một môi trường giả lập cho việc nghiên cứu, kiểm
tra, thiết kế các giao thức, các kiến trúc mới, so sánh các giao thức và tạo ra các mô
hình mạng phức tạp.
- Phiên bản thứ nhất của NS được phát triển vào năm 1995 và phiên bản thứ hai
ra đời năm 1996. NS-2 là phần mềm mã nguồn mở có thể chạy được trong môi trường
Linux và Window.
2.4.2. Kiến trúc của NS2
- NS thực thi các giao thức mạng như giao thức điều khiển truyền tải (TCP) và
giao thức gói thường dùng (UDP), các dịch vụ nguồn lưu lượng như giao thức truyền

tập tin (FTP), tốc độ bit cố định (CBR) và tốc độ bit thay đổi (VBR).
- Các kỹ thuật quản lý hàng đợi như vào trước ra trước (Drop Tail), dò sớm
ngẫu nhiên (RED) và CBQ, các thuật toán định tuyến như Dijkstra… NS cũng thực thi
multicasting và vài giao thức lớp Điều khiển truy cập đường truyền (MAC) đối với mô
phỏng LAN.

Hình 2.4. Mô hình đơn giản của NS

21


+ Otcl Script

Kịch bản OTcl

+ Simulation Program

Chương trình Mô phỏng

+ OTcl

Bộ biên dịch Tcl mở rộng hướng đối tượng

+ NS Simulation Library

Thư viện mô phỏng NS

+ Event Scheduler Objects

Các đối tượng Bộ lập lịch sự kiện

+ Network Component Objects

Các đối tượng Thành phần mạng

+ Network Setup Helping Modules

Các modun Trợ giúp Thiết lập mạng

+ Plumbling Modules

Các modun Plumbling

+ Simulation Results

Các kết quả Mô phỏng

+ Analysis

Phân tích

+ NAM Network Animator

Minh hoạ Mạng NAM

- NS-2 bao gồm:
+ Các đối tượng Bộ lập lịch sự kiện
+ Các đối tượng Thành phần mạng
+ Các modun trợ giúp thiết lập mạng (modun Plumbing)
- Để sử dụng NS-2, user lập trình bằng ngôn ngữ kịch bản OTcl. User có thể

thêm các mã nguồn Otcl vào NS-2 bằng cách viết các lớp đối tượng mới trong Otcl.
Những lớp này khi đó sẽ được biên dịch cùng với mã nguồn gốc
- Kịch bản OTcl có thể thực hiện những việc sau:
+ Khởi tạo Bộ lập lịch sự kiện
+ Thiết lập Mô hình mạng dùng các đối tượng Thành phần mạng
+ Báo cho nguồn traffic khi nào bắt đầu truyền và ngưng truyền packet trong
Bộ lập lịch sự kiện
- Bộ lập lịch sự kiện trong NS2 thực hiện những việc sau:
+ Tổ chức bộ định thời mô phỏng
+ Huỷ các sự kiện trong hàng đợi sự kiện
+ Triệu gọi các Thành phần mạng trong mô phỏng
- Phụ thuộc vào mục đích của User đối với kịch bản mô phỏng OTcl mà kết quả
mô phỏng có thể được lưu trữ như file trace
+ File name trace ( file.nam) được dùng cho công cụ Minh hoạ mạng Nam
22


+ File Trace (file.tr) được dùng cho công cụ Lần vết và Giám sát Mô phỏng
XGRAPH hay TRACEGRAPH

Hình 2.5. Luồng các sự kiện cho file Tcl chạy trong Nam
- Trong mô phỏng mạng dùng NS2 sử dụng:
+ NAM Visual Simulation: Mô phỏng ảo NAM
+ Tracing and Monitoring Simulation: Mô phỏng lần vết và Giám sát

Hình 2.6. Kiến trúc của NS2
- Hình trên biểu diễn kiến trúc của NS-2. User có thể tưởng tượng mình đang
đứng ở góc trái dưới, thiết kế và chạy các mô phỏng trong Tcl. Tcl dùng các đối tượng
mô phỏng trong OTcl. Các đối tượng Bộ lập lịch sự kiện và các đối tượng thành phần
mạng thực thi bằng C++ và sẵn có cho OTcl qua một liên kết OTcl. Liên kết OTcl này

được thực thi dùng TclCL. Tất cả đã làm nên NS, bộ biên dịch Tcl mở rộng hướng đối
tượng và các thư viện mô phỏng mạng
+ NS sử dụng hai ngôn ngữ lập trình: Ngôn ngữ kịch bản OTcl và ngôn ngữ lập
trình hệ thống C++
+ NS là tầng biên dịch Tcl để chạy các kịch bản Tcl

23


+ Bằng cách sử dụng C++/OTcl, bộ mô phỏng mạng phải hoàn toàn là hướng
đối tượng.

Hình 2.7. TclCL hoạt động như liên kết giữa A và B
- TclCL là ngôn ngữ được sử dụng để cung cấp liên kết giữa C++ và OTcl. Các
kịch bản Tcl/OTcl được viết để thiết lập và cấu hình topology của mạng. TclCL cung
cấp liên kết giữa phân cấp lớp, khởi tạo đối tượng, nối kết biến và gửi lệnh.
- NS phải sử dụng đến 2 ngôn ngữ vì bộ mô phỏng cần thực hiện hai việc khác nhau:
+ Việc 1: Các mô phỏng cho các giao thức yêu cầu một ngôn ngữ lập trình hệ
thống có thể tính toán hiệu quả các byte, các tiêu đề packet và các thuật toán thực thi
đang chạy trên một tập dữ liệu lớn. Với tác vụ này, run-time speed (tốc độ thời gian
chạy thực) là quan trọng trong khi turn – around time ( thời gian thay đổi) thì ít quan
trọng hơn. Turn- around time bao gồm thời gian chạy mô phỏng, thời gian tìm lỗi, thời
gian sửa lỗi, thời gian biên dịch lại và thời gian chạy lại
+ Việc 2: Khi nghiên cứu mạng thì rất cần quan tâm đến các tham số và cấu hình
có thay đổi nhưng không đáng kể, hay quan tâm đến các scenario ( tình huống) cần
khám phá thật nhanh chóng. Trong tác vụ này thì iteration time ( thời gian lặp lại, tức
là thời gian thay đổi mô hình và chạy lại) là quan trọng hơn. Vì cấu hình chỉ chạy một
lần lúc bắt đầu mô phỏng nên run-time trong tác vụ này rõ ràng kém quan trọng hơn
- Vì thế mà dùng C++ để:
+ Mô phỏng giao thức chi tiết theo yêu cầu ngôn ngữ lập trình hệ thống

+ Thao tác trên byte, xử lý gói, thực thi thuật toán
+ Tốc độ thời gian thực là quan trọng nhất
+ Thực hiện bất kỳ việc gì mà cần phải xử lý từng packet của một luồng
+ Thay đổi hành vi của lớp C++ đang tồn tại theo những hướng đã không được
lường trước.

24


- Dùng OTcl để:
+ Mô phỏng những thông số hay cấu hình thay đổi
+ Cấu hình, thiết lập những gì chỉ làm 1 lần
+ Thực hiện những cái ta muốn bằng cách thao tác trên các đối tượng C++ đang
tồn tại.
2.4.3. Đặc điểm của NS-2
-

NS-2 thực thi những tính năng sau:
+ Các kỹ thuật quản lý hàng đợi Router như DropTail, RED, CBQ
+ Multicasting
+ Mô phỏng mạng không dây
+ Hành vi nguồn traffic –www, CBR, VBR
+ Các agent truyền tải - UDP, TCP
+ Định tuyến
+ Luồng Packet
+ Mô hình mạng
+ Các ứng dụng – Telnet, FTP, Ping
+ Các Packet tracing trên tất cả các link và trên các link xác định

-

Lợi ích của NS-2:
+ Khả năng kiểm tra tính ổn định của các giao thức mạng đang tồn tại
+ Khả năng đánh giá các giao thức mạng mới trước khi đưa vào sử dụng
+ Khả năng thực thi những mô hình mạng lớn mà gần như ta không thể thực thi

được trong thực tế
+ Khả năng mô phỏng nhiều loại mạng khác nhau.

25