Nghiên cứu, đánh giá hiệu năng của giao thức TORA và DSR trong mạng MANETa

LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn trường Đại học công nghệ thông tin & truyền
thông Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện cho em thực hiện đề tài đồ án tốt
nghiệp này. Em xin chân thành cảm ơn cô : Dương Thúy Hường đã tận tình
hướng dẫn, chỉ bảo em trong suốt thời gian thực hiện đề tài. Em cũng xin chân
thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa đã tận tình giảng dạy, trang bị cho
chúng em những kiến thức cần thiết trong suốt quá trình học tập ở trường đã giúp
đỡ và động viên trong suốt quá trình thực hiện đồ án. Mặc dù đã cố gắng hoàn
thành đề tài với tất cả những nỗ lực của bản thân, song không tránh khỏi những
thiếu sót nhất định, kính mong sự cảm thông và tận tình chỉ bảo của các thầy cô
giáo, sự góp ý của các bạn để chương trình của em được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Thái nguyên, tháng 6 năm 2016
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Văn Tuyên

1

1


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan kết quả đạt được trong đồ án là sản phẩm của riêng cá
nhân tôi, không sao chép lại của người khác. Trong toàn bộ nội dung của đồ án,
những điều được trình bày hoặc là của cá nhân hoặc là được tổng hợp từ nhiều
nguồn tài liệu. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và được trích
dẫn hợp pháp. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật
theo quy định cho lời cam đoan của mình.
Thái nguyên, tháng 6 năm 2016
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Văn Tuyên

2

2


MỤC LỤC

3

3


DANH MỤC HÌNH ẢNH

4

4


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
TORA
AP
BSS
DSR
ESS
IBSS
IEEE
LAN
MANET

RREP
RREQ
RRER
UWB
WiMAX
WLAN
WPAN
WUSB
WWAN

Temporally-Ordered Routing Algorithm
Access Point
Basic Service Set
Dynamic Source Routing
Extended Service sets
Independent Basic Service sets
Institute of Electrical and Electronics Engineers
Local Area Network
Mobile Ad Hoc Network
Route Reply
Route Request
Route Error
Ultra-WideBand
Worldwide Interoperability for Microwave Access
Wireless Local Area Network
Wireless Persional Area Network
Wireless Universal Serial Bus
Wireless Wide Area Network

MỞ ĐẦU

Hiện nay, nhu cầu truyền thông ngày càng lớn với những dịch vụ chất
lượng cao, đòi hỏi cần phải có cơ sở hạ tầng đảm bảo cho quá trình truyền thông
trên nhiều môi trường khác nhau. Đặc biệt sự ra đời mạng không dây đã đáp ứng
một phần giải quyết cho việc truyền thông trên những địa hình di động mà mạng
5

5


có dây không thể thực hiện tốt được như đã nghiên cứu. Mạng di động không dây
đặc biệt MANET (Mobile Wireless Adhoc Network) cho phép các máy tính di
động thực hiện kết nối và truyền thông với nhau không cần dựa trên cơ sở hạ
tầng mạng có dây. Trong MANET mọi nút mạng đều có thể thực hiện chức năng
của một router, chúng cộng tác với nhau, thực hiện chuyển tiếp các gói tin hộ các
nút mạng khác nếu các nút mạng này không thể truyền trực tiếp với nút nhận.
Định tuyến là bài toán quan trọng nhất đối với việc nghiên cứu mạng MANET.
Cho đến nay, đã có nhiều thuật toán định tuyến được đề xuất, mỗi thuật toán đều
có các ưu và nhược điểm riêng. Một số thuật toán là ưu việt hơn các thuật toán
khác trong điều kiện các nút mạng di động ở mức độ thấp nhưng lại kém hơn hẳn
khi mức độ di động của các nút mạng tăng cao. Đề tài đồ án này nhằm mục đích
đánh giá hiệu năng của hai giao thức định tuyết trong mạng MANET là DSR và
TORA.
Đề tài gồm có 3 chương:
-

Chương 1: Cơ sở lý thuyết
Chương 2: Cơ sở đánh giá hiệu năng giao thức TORA, DSR
Chương 3:Xây dựng chương trình mô phỏng đánh giá hiệu năng hai giao thức
TORA và DSR

6

6


CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1. Giới thiệu chung
Mạng không dây có tính linh hoạt cao, hỗ trợ các thiết bị di động nên
không bị ràng buộc cố định về phân bố địa lý như trong mạng hữu tuyến. Ngoài
ra, trong quá trình hoạt động chúng ta còn có thể dễ dàng bổ sung hay thay thế
các thiết bị tham gia mạng mà không cần phải cấu hình lại toàn bộ topology của
mạng. Trong đó, mô hình mạng MANET (Mobile Ad Hoc Network) là một trong
những mô hình mạng không dây được ứng dụng hầu hết trong các lĩnh vực quân
sự, hàng không, vận tải tàu biển... việc triển khai hệ thống mạng không đòi hỏi
nhiều về cơ sở hạ tầng mạng, không cần thiết phải có các thiết bị điều khiển
trung tâm và không phụ thuộc vào vị trí địa lý.
Khác với các hệ thống mạng có dây, việc định tuyến tìm đường đi tối ưu
để truyền dữ liệu trong các hệ thống mạng không dây khá phức tạp, đòi hỏi phải
có các cơ chế điều khiển phù hợp với từng mô hình cụ thể. Đây là một trong
những hạn chế lớn nhất của mạng không dây làm ảnh hưởng đến tốc độ truyền
dữ liệu. Bên cạnh đó, khả năng gây nhiễu và mất gói tin trong quá trình truyền dữ
liệu của mạng không dây là khá cao.
Hiện nay, những hạn chế trên đang dần được khắc phục thông qua các
nghiên cứu về mạng không dây được đề xuất và thử nghiệm trên các mô hình
mạng thực tế nhằm nâng cao hiệu quả và chất lượng của hệ thống mạng, hứa hẹn
những bước phát triển mới trong tương lai về lĩnh vực mạng máy tính.

Hình : Tổng quan về mạng vô tuyến
7

7


1.2. Phân loại mạng không dây

Tương tự như mạng có dây, mạng không dây có thể triển khai trong
nhiều dạng khu vực địa lý khác nhau, với một số công nghệ hạ tầng để triển
khai phù hợp. Như vậy, chúng ta cũng có sự phân loại theo quy mô và
phạm vi phủ sóng tương tự như hệ thống mạng hữu tuyến đó là: mạng
WPAN theo chuẩn IEEE 802.15 dành cho mạng cá nhân, WLAN IEEE
802.11 dành cho mạng cục bộ, WMAN IEEE 802.16 dành cho mạng đô thị
và mạng WWAN IEEE 802.20 cho mạng diện rộng.

Hình :Tổng quát về các chuẩn mạng không dây

1.2.1 Theo qui mô triển khai mạng:
Dựa trên qui mô triển khai mạng, mạng không dây có thể được phân thành
3 loại: WPAN (Wireless Personal Area Network), WLAN (Wireless Local Area
Network), và WWAN (Wireless Wide Area Network).
-

Mạng WPAN (Wireless Personal Area Network): Mạng WPAN hay còn gọi là
Bluetooth là một công nghệ không dây cho phép các thiết bị điện, điện tử giao
tiếp với nhau bằng sóng radio qua băng tần chung ISM (Industrial, Scientific and
Medical) 2.4 GHz. Năm 1994 hãng Ericsson đề xuất việc nghiên cứu và phát
triển giao diện vô tuyến công suất nhỏ, chi phí thấp, sử dụng sóng vô tuyến để
kết nối không dây giữa các thiết bị di động với nhau và các thiết bị điện tử khác,
tổ chức SIG (Special Interest Group) đã chính thức giới thiệu phiên bản 1.0 của
Bluetooth vào tháng 7 năm 1999. Mạng WPAN cho phép các thiết bị kết nối tạm

8

8


thời khi cần thiết (ad hoc) với khoảng cách giữa các thiết bị tối đa là 10m. Hỗ trợ
tối đa 8 kết nối đồng thời với các thiết bị khác. Băng thông tối đa 1 Mbps được
chia sẻ cho tất cả kết nối trên cùng 1 thiết bị.
-

Mạng WLAN (Wireless Local Area Network): Công nghệ WLAN lần đầu tiên
xuất hiện vào cuối năm 1990, khi những nhà sản xuất giới thiệu những sản phẩm
hoạt động trong băng tần 900Mhz, sử dụng sóng điện từ (thường là sóng radio
hay tia hồng ngoại) để liên lạc giữa các thiết bị trong phạm vi trung bình. So với
Bluetooth, Wireless LAN có khả năng kết nối phạm vi rộng hơn với nhiều vùng
phủ sóng khác nhau, do đó các thiết bị di động có thể tự do di chuyển giữa các
vùng với nhau. Phạm vi hoạt động từ 100m đến 500m với tốc độ truyền dữ liệu
trong khoảng 11Mbps-54Mbps.
Sự ra đời của các cầu nối WLAN đã đem lại nhiều lợi ích về khả năng di
động và khai thác mạng linh hoạt. Với mạng WLAN, người dùng có thể truy cập
các thông tin dùng chung mà không cần tìm chỗ cắm thiết bị và các nhà quản lý
mạng có thể thiết lập hoặc làm tăng thêm mạng lưới mà không cần lắp đặt hoặc
di chuyển hệ thống dây. WLAN còn cho năng suất lưu lượng tăng, thuận tiện, lợi
thế về chi phí so với các hệ thống mạng hữu tuyến truyền thống.
Mạng WLAN hoạt động khá linh hoạt với các ưu điểm như: dễ cấu hình
và cài đặt, tiết kiệm chi phí mở rộng mạng. Tuy nhiên, tốc độ còn chậm hơn so
với LAN và dễ bị nhiễu.

-

Mạng WWAN (Wireless Wide Area Network): hệ thống WWAN được triển
khai bởi một công ty hay tổ chức trên phạm vi rộng, khai thác băng tần đã đăng
ký trước với cơ quan chức năng và sử dụng các chuẩn mở như: AMPS, GSM,
TDMA và CDMA. Phạm vi hoạt động có thể lên đến hàng trăm km với tốc độ
truyền từ 5Kbps đến 20Kbps. Ưu điểm nỗi trội của WWAN như: dễ dàng mở
rộng hệ thống mạng, tránh được giới hạn của việc sử dụng cáp và các thiết bị
phần cứng khác, các thiết bị di động có khả năng di chuyển trong phạm vi rộng.
Bên cạnh đó, WWAN cũng có những nhược điểm cơ bản như: dễ bị ảnh hưởng
của tác động môi trường, không an toàn, chất lượng mạng chưa cao, chi phí cao
trong việc thiết lập cơ sở hạ tầng.

9

9


1.2.2 Theo quan hệ di động của các bộ định tuyến và nút mạng
Với hướng này có thể phân thành 3 loại: mạng không dây cố định (Fixed
wireless network), mạng không dây với các điểm truy cậy cố định (Wireless
network with fixed access points) và mạng di động tùy biến (Mobile ad hoc
network).
-

Mạng không dây cố định (Fixed wireless network): các bộ định tuyến và nút
mạng (host) sử dụng các kênh không dây để kết nối với nhau. Một ví dụ điển
hình của loại mạng này là những thiết bị truy cập mạng được cố định và sử dụng
thiết bị anten để kết nối.

Hình 3: Minh họa mạng không dây cố định
-

Mạng không dây với các điểm truy cập cố định (Wireless network with fixed
access points): các nút mạng (host) sử dụng những kênh không dây để kết nối
với các điểm truy cập cố định. Các điểm truy cập cố định đóng vai trò như các
thiết bị định tuyến cho các nút mạng. Một ví dụ điển hình cho kỹ thuật này là
việc sử dụng các laptop trong một tòa nhà để truy cập đến các điểm truy cập cố
định.

Hình 4: Minh họa mạng không dây với các điểm truy cập cố định

10

10


-

Mạng di động tùy biến (MANET - Mobile Ad hoc Network): đây 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. Một ví
dụ điển hình cho kỹ thuật này là một hệ thống mạng bao gồm những nút mạng di
động (các chiếc tàu) được kết nối ngang hàng với nhau thông qua các thiết bị
truy cập không dây.

Hình 5: Minh họa mạng di động tùy biến

1.3. Mạng Ad Hoc (MANET)
1.3.1 Khái niệm và một số đặc điểm chung của mạng Ad Hoc

- Mạng Ad Hoc là mạng bao gồm các thiết bị di động (máy tính có
hỗ trợ card mạng không dây) các thiết bị PDA hay các điện thoại thông
minh (smart phone) tập trung lại trong một không gian nhỏ để hình thành
lên kết nối ngang hàng (peer-to-peer) giữa chúng. Các thiết bị này có thể
trao đổi thông tin trực tiếp với nhau, không cần phải thông qua máy chủ
(server) quản trị mạng.
- Mạng Ad Hoc là mạng mà các nút trong mạng có thể tự thiết lập, tự
tổ chức và tự thích nghi khi có một nút mới gia nhập mạng, các nút trong
mạng cần có cơ chế phát hiện nút mới gia nhập mạng, thông tin về nút mới
sẽ được cập nhật vào bảng định tuyến của các nút hàng xóm và gửi đi. Khi

11

11


có một nút ra khỏi mạng, thông tin về nút đó sẽ được xóa khỏi bảng định
tuyến và hiệu chỉnh lại tuyến. Mạng Ad Hoc có nhiều loại thiết bị khác
nhau tham gia mạng lên các nút mạng không những phát hiện được khả
năng kết nối của các thiết bị, mà còn phải phát hiện ra được loại thiết bị và
các đặc tính tương ứng của các loại thiết bị đó (vì các thiết bị khác nhau sẽ
có các đặc tính khác nhau ví dụ như: khả năng tính toán, lưu trữ hay truyền
dữ liệu trong mạng...).
- Mạng Ad hoc được coi như mạng ngang hàng không dây, trong
mạng không có máy chủ. Các thiết bị vừa là máy khách, vừa làm nhiệm vụ
của router và vừa làm máy chủ.
- Vấn đề sử dụng và duy trì năng lượng cho các nút mạng của mạng
Ad hoc là vấn đề đáng quan tâm vì các nút mạng trong mạng Ad hoc
thường dùng pin để duy trì sự hoạt động của mình.
- Tính bảo mật trong truyền thông của mạng Ad hoc là không cao do

truyền thông trong không gian sử dụng sóng vô tuyến(radio) nên khó kiểm
soát và dễ bị tấn công hơn so với mạng có dây rất nhiều.
Việc thiết lập các mạng Ad hoc có thể thực hiện nhanh chóng và dễ
dàng lên chúng thường được thiết lập để truyền thông tin với nhau mà
không cần phải sử dụng một thiết bị hay kỹ năng đặc biệt nào. Vì vậy mạng
Ad hoc rất thích hợp cho việc truyền thông tin giữa các nút trong các hội
nghị thương mại hoặc trong các nhóm làm việc tạm thời. Tuy nhiên chúng
có thể có những nhược điểm về vùng phủ sóng bị giới hạn, mọi người sử
dụng đều phải nằm trong vùng có thể “nghe” được lẫn nhau.

12

12


Hình 6: Mô hình mạng không dây Ad hoc

13

13


1.3.2 Một số mạng Ad hoc điển hình

Time =t1
Good link:
Weak link:

Time =t2
Good link:

Weak link:

Hình 7: Mạng Ad Hoc điển hình

Hình trên mô tả một mạng Ad hoc đơn giản gồm có 7 nút, các nút
mạng được ký hiệu từ N1 đến N7. Nhìn vào hình vẽ chúng ta có thể dễ
dàng thấy được: ở thời điểm t1, các liên kết từ N1 đến N2, N1 đến N4, N2
đến N3, N4 đến N5, N3 đến N7, N2 đến N6 và N6 đến N7 là những liên
kết mạnh (good link), còn các liên kết từ N4 đến N1, N6 đến N2, N5 đến
N4 và N7 đến N3 là những những liên kết yếu (weak link). Như vậy ở đây
một đặc điểm của mạng Ad Hoc đã được thể hiện rõ. Đó là liên kết giữa 2
nút mạng của mạng có thể không giống nhau dù có chung điểm đầu và
điểm cuối. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng liên kết hai chiều không
đối xứng. Liên kết từ N4 đến N5 là liên kết mạnh nhưng liên kết từ N5 đến
N4 lại là liên kết yếu. Điều này là do vị trí an-ten của 2 nút mạng khác
nhau, hoặc do năng lượng phát của các nút mạng trong mạng là khác
nhau... Tương tự chúng ta cũng có thể thấy N3 có thể nhận tín hiệu từ N2 là
một liên kết mạnh nhưng mà N2 lại không thu được tín hiệu từ N3.
Sang đến thời điểm t2, lúc này topo mạng đã thay đổi do các nút di
chuyển đến các vị trí khác nhau do đó các liên kết giữa các nút mạng cũng
thay đổi theo. Lúc này, N1 chỉ có liên kết mạnh với N2, liên kết với N4 lại

14

14


là liên kết yếu và N1 không còn thu được tín hiệu từ N4. Liên kết từ N2
đến N3 và N6 lại là liên kết mạnh. Lúc này, N2 cũng có thể thu được tín
hiệu từ N3 mặc dù đó là liên kết yếu. Điều này ở thời điểm t1 là không có.

Mặt khác chúng ta cũng có thể thấy hai nút mạng nằm trong vùng
phủ sóng của nhau có thể truyền thông trực tiếp cho nhau. Ví dụ như trong
thời điểm t1, việc truyền thông giữa hai nút mạng N1 và N4 là trực tiếp với
nhau. Tuy nhiên ngay cả khi không nằm trong vùng phủ sóng của nhau thì
giữa các nút mạng vẫn hoàn toàn có thể thực hiện việc truyền thông với
nhau thông qua các nút mạng trung gian. Ví dụ N1 có thể thực hiện truyền
dữ liệu cho N7 thông qua nút mạng trung gian N2 và N3, còn N6 có thể
truyền dữ liệu cho N1 thông qua nút mạng N2.
1.3.3 Các ứng dụng của mạng Ad hoc
- Đáp ứng nhu cầu truyền thông mang tính chất tạm thời: ở tại địa
điểm trong một khoảng thời gian nhất định, giống như trong một lớp học,
một cuộc hội thảo hay một cuộc họp, ... việc thiết lập một mạng mang tính
chất tạm thời để truyền thông với nhau chỉ diễn ra trong một khoảng thời
gian ngắn. Nếu chúng ta thiết lập một mạng có cơ sở hạ tầng, dù là mạng
không dây vẫn rất tốn kém tiền bạc cũng như nhân lực, vật lực, thời gian.
Do đó, mạng Ad Hoc được coi là giải pháp tốt nhất cho những tình huống
như thế này.
- Hỗ trợ khi xảy ra các thiên tai, hỏa hoạn và dịch họa: khi xảy ra các
thiên tai như hỏa hoạn, động đất, cháy rừng ở một nơi nào đó, cơ sở hạ tầng
ở đó như đường dây, các máy trạm, máy chủ, ... có thể bị phá hủy dẫn đến
hệ thống mạng bị tê liệt là hoàn toàn khó tránh khỏi. Vì thế, việc thiết lập
nhanh chóng một mạng cần thời gian ngắn mà lại có độ tin cậy cao và
không cần cơ sở hạ tầng để đáp ứng truyền thông, nhằm giúp khắc phục,
giảm tổn thất sau thiên tai, hỏa hoạn là cần thiết. Khi đó mạng Ad Hoc là
một lựa chọn phù hợp nhất cho những tình huống như vậy.

15

15

- Đáp ứng truyền thông tại những nơi xa trung tâm, các vùng sâu,
vùng xa: tại những nơi xa trung tâm thành phố, nơi có dân cư thưa thớt như
ở vùng sâu, vùng xa, việc thiết lập các hệ thống mạng có cơ sở hạ tầng là
rất khó khăn và tốn kém. Vậy ở những nơi này, giải pháp được đưa ra là sử
dụng các mạng vệ tinh hoặc mạng Ad Hoc.
- Tính hiệu quả: trong một số ứng dụng nào đó, nếu sử dụng dịch vụ
mạng có cơ sở hạ tầng có thể không có hiệu quả cao bằng việc dùng mạng
Ad hoc. Ví dụ như với một mạng có cơ sở hạ tầng, do được điều khiển bởi
một điểm truy cập mạng lên các nút mạng muốn truyền thông với nhau đều
phải thông qua nó. Ngay cả khi hai nút mạng ở gần nhau, chúng cũng
không thể trực tiếp truyền thông với nhau mà phải chuyển tiếp qua một
điểm truy cập trung tâm(Acess Point). Điều đó gây ra một sự lãng phí thời
gian và băng thông mạng. Trong khi đó, nếu sử dụng mạng Ad Hoc việc
truyền thông giữa hai nút mạng đó lại trở lên vô cùng dễ dàng và nhanh
chóng. Hai nút mạng gần nhau có thể truyền thông trực tiếp với nhau mà
không cần phải thông qua thiết bị trung gian nào khác.
1.4. Tổng quan về định tuyến trong mạng Ad Hoc
1.4.1 Tổng quan
Trong mạng thông tin vô tuyến nói chung và mạng Ad Hoc nói riêng do
đặc tính động của Ad Hoc gây ra sự thay đổi thường xuyên và khó đoán trước
của topo mạng, làm tăng độ khó và độ phức tạp để định tuyến giữa các nút di
động. Đặc điểm này gây ra khó khăn trong việc truyền tải gói tin. Riêng mạng Ad
Hoc gói tin muốn đến được đích thì phải truyền qua nhiều trạm và nút mạng do
đó để gói tin đến được đích thì nút mạng phải sử dụng phương pháp định tuyến.
Giao thức định tuyến có hai chức năng: tìm, chọn đường tốt nhất và chuyển gói
tin đến đúng đích. Nhiều giao thức định tuyến được đưa ra. Tuy nhiên, chúng vẫn
gặp phải một số hạn chế nhất định.
Vấn đề định tuyến về cơ bản chính là vấn đề tìm đường đi ngắn nhất cho
một gói tin được gửi từ một nút mạng tới nút đích của nó. Mỗi gói tin chứa ID

16

16


của nút đích trong header của nó. Khi một nút nhận một gói tin nó sẽ kiểm tra ID
trong header của gói tin nếu không phải là gửi cho nó nó sẽ chuyển tiếp gói tin
tới nút kế tiếp gần nó nhất. Quá trình chuyển tiếp gói tin tiếp diễn cho đến khi nó
tới được nút đích. Vì lý do này các phương pháp định tuyến được đưa ra với một
mục tiêu chung là định ra cho mỗi gói tin được truyền đi một đường đi tối ưu.
Hiện nay, các giao thức định tuyến đưa ra với Ad Hoc đều dựa trên một
giao thức định tuyến cổ điển làm thuật toán cơ bản. Các giao thức cổ điển điển
hình là: định tuyến theo vector khoảng cách, định tuyến theo trạng thái liên kết
đã được sử dụng từ rất lâu và đã trở nên rất quen thuộc. Tuy nhiên, các giao thức
này chỉ thích hợp cho cấu trúc mạng tĩnh, hoạt động hiệu quả ở mạng Ad Hoc có
tốc độ di chuyển thấp, cấu trúc mạng ít thay đổi. Vì vậy chúng đã được cải tiến
để phù hợp cho thông tin vô tuyến nói chung và cho mạng ad hoc nói riêng.Vấn
đề định tuyến trong mạng Ad Hoc là một thách thức do các nút mạng luôn có xu
hướng tự do chuyển động. Các liên kết có thể bị phá vỡ hoặc khôi phục bất cứ
lúc nào và có những đặc điểm khác hẳn với những lý do khác. Ngoài ra, dải
thông trong mạng không dây là thấp, các nút bị hạn chế bởi nguồn nuôi nên tổng
lưu lượng dành cho định tuyến cần phải nhỏ
Một số yêu cầu quan trọng:
•

Hoạt động phân tán: không phụ thuộc vào nút mạng điều khiển tập trung.

•

Đường định tuyến hở: để nâng cao chất lượng hoạt động, giảm lãng phí băng
thông và công suất tiêu hao của CPU.

•

Hoạt động dựa trên yêu cầu: tối thiểu hóa phần thông tin điều khiển trong
mạng.

•

Hỗ trợ các liên kết một chiều: sử dụng liên kết này và liên kết hai chiều sẽ làm
tăng chất lượng hoạt động của giao thức định tuyến.

•

Bảo mật: Môi trường không dây rất dễ bị tấn công, khai thác thông tin.

•

Bảo toàn năng lượng: do đó giao thức định tuyến sử dụng cần hỗ trợ chế độ chờ
của nút mạng.

•

Nhiều đường định tuyến: nhằm giảm số lần tác động do sự thay đổi về cấu trúc
mạng và khi nhiều đường định tuyến bị nghẽn.

17

17

•

Hỗ trợ QoS: có nhiều loại QoS cần được hỗ trợ của giao thức định tuyến.

1.4.2 Phân loại
Để so sách và phân tích các giao thức định tuyến cho mạng Ad Hoc, các
phương thức phân loại hợp lý là rất quan trọng. Các phương thức phân loại giúp
cho các nhà nghiên cứu và các nhà thiết kế hiểu được những đặc trưng khác nhau
và mối quan hệ giữa các giao thức. Các đặc trưng này chủ yếu liên quan đến việc
tập hợp thông tin định tuyến, đến vai trò mà một nút có thể đảm nhận trong quá
trình định tuyến.
Một trong những phương thức phổ biến nhất để phân loại các giao thức
định tuyến cho mang Ad Hoc là dựa trên việc thông tin định tuyến được tập hợp
và được duy trì như thế nào bới các nút di động. Sử dụng phương thức này, các
giao thức định tuyến cho mạng Ad Hoc được phân chia như hình .

Hình 8: Phân loại các giao thức định tuyến trong mạng Ad Hoc
Các giao thức định tuyến proactive: còn được gọi là các giao thức định
tuyến theo bảng (table-driven). Trong kiểu giao thức định tuyến này, Mỗi nút
duy trì một hay nhiều bảng chứa thông tin định tuyến tới các nút 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.
Tuy nhiên, với những mạng mà các node di chuyển nhiều, hoặc các liên kết
giữa các node bị đứt th́ì giao thức định tuyến proactive sẽ phải tìm kiếm hoặc
sửa chữa các liên kết bị đứt, nhưng nếu các liên kết đó không sử dụng thì sẽ trở
nên lãng phí tài nguyên, ảnh hưởng đến băng thông của mạng. Nên giao thức

18

18


định tuyến này chỉ áp dụng trong các mô hình mạng Ad Hoc mà các node ít di
chuyển. Sử dụng các giao thức này, các nút di động cố gắng đánh giá liên tục các
tuyến trong mạng để khi một gói cần phải chuyển tiếp thì tuyến đó đã sẵn sàng để
sử dụng. Khi topo mạng thay đổi, các nút truyền các bản tin thông báo cho nhau
để cập nhật thông tin về tuyến của toàn bộ mạng. Giao thức định tuyến trạng thái
liên kết tối ưu OLSR (Optimized Link State Routing) và giao thức định tuyến
vector khoảng cách tuần tự đích DSDV (Dynamic Destination-Sequenced
Distance-Vector Routing) là hai ví dụ của giao thức định tuyến proactive.
Các giao thức định tuyến reactive: còn được gọi là các giao thức định
tuyến theo yêu cầu (on-demand). Trong loại giao thức định tuyến này, các con
đường đi sẽ chỉ được tạo ra nếu có nhu cầu. Khi một node muốn gởi dữ liệu đến
một node đích, nó sẽ khởi động tiến trình route discovery để tìm kiếm con đường
đi đến đích. Quá trình khám phá tuyến kết thúc sau khi hoặc có một tuyến được
tìm ra hoặc không có tuyến nào sẵn có sau khi đã kiểm tra toàn bộ các tuyến
đường. Sau khi một đường đi đã được xác lập, nó sẽ duy trì thông tin đó bằng
tiến trình route maintenance cho đến khi hoặc node đích không thể truy cập hoặc
con đường đi đó không còn hiệu lực. Với các cơ chế đó, giao thức định tuyến
theo kiểu Reactive không phát broadcast 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 lớn, các node di chuyển nhiều. Trong mạng Ad Hoc, các
tuyến đang hoạt động có thể bị đứt do tính di động của nút. Do đó, duy trì tuyến
là một hoạt động quan trọng của định tuyến theo yêu cầu. So sánh với định tuyến
theo bảng, ít tiêu đề định tuyến là một ưu điểm của định tuyến theo yêu cầu. Tuy
nhiên, sử dụng định tuyến theo yêu cầu thì việc gửi gói tin sẽ có trễ lớn do nút
nguồn phải tìm đường trước khi gửi dữ liệu. Hai giao thức reactive điển hình là
giao thức định tuyến vector khoảng cách theo yêu cầu AODV (Ad hoc Ondemand Distance Vector Routing) và giao thức định tuyến định tuyến nguồn

động DSR (Dynamic Source Routing). Giao thức định tuyến theo thứ tự tạm thời
TORA (Temporally Ordered Routing Algorithm).

19

19


Các giao thức định tuyến lai (hybrid): trong kiểu định tuyến này, được
đề xuất để kết hợp ưu điểm của 2 loại giao thức trên và khắc phục các nhược
điểm của chúng mạng được chia thành các zone. Mỗi node duy trì cả thông tin
về kiến trúc mạng trong zone của nó và thông tin về các zone láng giềng. Điều đó
có nghĩa là: giao thức Hybrid sử dụng giao thức định tuyến proactive trong
zone của nó và giao thức định tuyến reactive giữa các zone. Do đó, đường đi
đến mỗi node trong cùng một zone được xác lập mà không cần phải định tuyến ra
ngoài zone, trong khi đó các tiến tŕnh route discovery và route maintenance thì
được sử dụng để tìm kiếm, duy trì đường đi giữa các node của các zone với nhau.
Thông thường, các giao thức lai được triển khai trong mạng có cấu trúc phân cấp.
Khi đó, các đặc tính định tuyến theo bảng và định tuyến theo yêu cầu sẽ được
khai thác độc lập ở các mức phân cấp khác nhau. Zone Routing Protocol (ZRP)
và Hybrid Ad Hoc Routing Protocol là những ví dụ điển hình của giao thức lai.

1.5. Giao thức định tuyến DSR
DSR (Dynamic Source Routing) là giao thức định tuyến đơn giản và hiệu
quả được thiết kế riêng cho mạng MANET. DSR cho phép mạng tự động tổ chức
và cấu hình mà không cần đến sự can thiệp của người quản trị hoặc cơ sở hạ tầng
sẵn có của mạng.
Giao thức DSR là giao thức định tuyến phản ứng (Reactive) sử dụng cơ
chế định tuyến nguồn (source routing), nghĩa là bên gửi sẽ biết toàn bộ thông tin
về đường đi đến đích. Phần Header của gói dữ liệu sẽ lưu trữ thứ tự các nút mà

gói tin cần phải đi qua để đạt tới đích. Do vậy, các nút trung gian chỉ cần giữ liên
lạc với các nút hàng xóm của nó để chuyển tiếp các gói tin.
Tại mỗi một nút trong mạng luôn duy trì một bộ nhớ đệm (Router Cache),
đây là cấu trúc dữ liệu lưu trữ các con đường đã biết. Khi có đường đi tồn tại
trong Router Cache, các gói tin sẽ nhận thông tin về đường đi và thực hiện việc
truyền tin trên con đường đã chọn. Ngược lại, khi không tồn tại đường đi trong
Router Cache hoặc có tồn tại đường đi nhưng không còn hiệu lực, DSR sẽ thực
hiện cơ chế phát hiện đường (Route Discovery) bằng cách gởi các gói tin quảng
bá Route Request đến các nút lân cận trên toàn bộ mạng. Các nút trung gian nhận

20

20


được gói tin quảng bá sẽ kiểm tra đường đi trong Route Cache. Khi đường đi
được tìm thấy, gói tin Route Reply sẽ chứa thứ tự các chặng tới đích và được
truyền trở lại nguồn.
Như vậy, hoạt động của giao thức DSR bao gồm hai cơ chế chính: cơ chế
tạo thông tin định tuyến (Route Discovery) và cơ chế duy trì thông tin định tuyến
(Route Maintanance) .

1.5.1 Cơ chế tạo thông tin định tuyến (Route Discovery)
Route Discovery cho phép các node trong mạng Ad Hoc tìm kiếm đường
đi đến đích một cách tự động thông qua các node trung gian. Tiến trình tạo thông
tin định tuyến sẽ phát gói tin Route Request (RREQ) đến các node lân cận của nó
trong mạng. Ngoài các trường bình thường như: địa chỉ nguồn, địa chỉ đích,
đường dẫn…, thông tin trong gói RREQ còn chứa một số request ID là một số
được tạo ra bởi node nguồn và là số không trùng nhau. Khi một node nhận gói
RREQ thì nó sẽ tiến hành kiểm tra thông tin trong RREQ như sau:

-

Bước 1: Thông qua trường request ID, nó sẽ kiểm tra xem đã nhận gói tin này
hay chưa? Nếu đã tồn tại thì nó sẽ loại bỏ gói tin đó và không xử lí gì thêm.
Ngược lại thì qua bước 2.

-

Bước 2: Nó kiểm tra trong Route Cache của nó có đường đi đến node đích mà
còn hiệu lực hay không? Nếu có đường đi đến đích thì nó sẽ phản hồi lại cho
node nguồn bằng gói Route Reply (RREP) chứa thông tin về đường đi đến đích
và kết thúc tiến trình. Ngược lại thì qua bước 3.

-

Bước 3: Nó kiểm tra địa chỉ đích cần tìm có trùng với điạ chỉ của nó hay không?
Nếu trùng thì nó gởi lại cho node nguồn gói Route Reply (RREP) chứa thông tin
về đường đi đến đích và kết thúc tiến trình. Ngược lại thì nó sẽ phát broadcast gói
tin RREQ đến các node láng giềng của nó. Các nút láng giềng sau khi nhận gói
tin RREQ sẽ thực hiện việc kiểm tra thông tin (quay về bước 1).
Như vậy, quá trình này cứ tiếp tục cho đến khi node nguồn nhận được
thông tin về đường đi đến đích hoặc thông tin rằng không thể định tuyến đến
đích. Gói Route Reply (RREP) được gởi đến nguồn bằng cơ chế phát Unicast với
Source Route là đảo ngược Source Route trong gói RREQ.

21

21

1.5.2 Cơ chế duy trì thông tin định tuyến (Route Maintanance)
Route Maintanance cho phép các nút trong hệ thống mạng tự động bảo trì
thông tin định tuyến trong Route Cache. Trong giao thức định tuyến DSR, các
node khi chuyển gói tin trên mạng đều phải có nhiệm vụ xác nhận rằng các gói
tin đó đã chuyển đến node kế tiếp hay chưa ( thông qua sự phản hồi thông tin của
node nhận) ? Trong một trường hợp nào đó mà node đó phát hiện rằng gói tin
không thể truyền đến node kế tiếp. Nó sẽ gởi gói Route Error (RERR) cho node
nguồn để thông báo tình trạng hiện thời của liên kết và điạ chỉ của node kế tiếp
mà không thể chuyển đi. Khi node nguồn nhận được gói RERR, nó sẽ xóa con
đường đi mà liên kết bị hỏng trong Route cache và tìm một đường đi khác mà nó
biết trong route cache hoặc sẽ khởi động một tiến trình route discovery mới nếu
như không tồn tại đường đi thích hợp trong Route cache.

Hình 9 : Minh họa cơ chế duy trì thông tin định tuyến

1.6. Giao thức TORA (Temporally-Ordered Routing Algorithm)
TORA là giao thức định tuyến phân tán không có lặp tuyến thích nghi cao
dựa trên khái niệm về đảo ngược liên kết. TORA được đề xuất để vận hành trong
môi trường mạng di động thay đổi nhanh. Nó được khởi tạo phía nguồn và cung
cấp nhiều tuyến cho bất kỳ cặp nguồn/đích mong muốn nào. Khái niệm thiết kế
chính của TORA là định vị các thông điệp điều khiển tới một tập các nút rất nhỏ
gần nơi xảy ra việc thay đổi cấu trúc. Để làm được điều này, các nút cần bảo đảm
thông tin định tuyến về các nút kề cận (một chặng).

22

22


Hình 10: Việc tạo tuyến và đảm bảo tuyến trong TORA

23

23


1.6.1 Chức năng giao thức
TORA được thiết kế để làm việc dựa trên các cơ chế hoạt động của lớp
thấp hơn đó là các giao thức cung cấp một số thông tin cơ bản giữa các router lân
cận sau đây:
•

Cơ chế cảm nhận trạng thái liên kết và tìm kiếm nút lân cận.

•

Khả năng tin cậy , chuyển tiếp các gói tin điều khiển theo yêu cầu.

•

Cơ chế ánh xạ và phân giải địa chỉ lớp mạng và lớp liên kết dữ liệu.

•

Nhận thực bảo mật.
TORA gán hướng cho các liên kết giữ các router nhằm thực hiện cấu trúc
định tuyến được sử dụng để chuyển tiếp các gói dữ liệu tới đích. Một router gán
một hướng “luồng lên hoặc luồng xuống” cho liên kết với mỗi router lân cận dựa
trên các giá trị của một thông số liên kết với mỗi router. Thông số này được duy
trì bởi một router có thể nhận biết thông qua “độ cao” của router (ví dụ các liên

kết được hướng từ router cao hơn đến router thấp hơn). Ý nghĩa của “độ cao” và
gán hướng liên kết là các router chỉ có thể chuyển tiếp các gói dữ liệu theo
đường xuống (downstream). Nếu liên kết từ giữa hai router lân cận nhau không
được định nghĩa “độ cao” và gán hướng liên kết thì xem như không thể dùng để
chuyển tiếp thông tin. “Độ cao” của các router và gán hướng liên kết thực hiện
một kiến trúc định tuyến đa đường và không lặp trong đó tất cả các đường từ
nguồn tới đích được truyền theo đường xuống. Miêu tả tương quan độ cao giữa
các router trong mạng. Ta thấy rằng, C gần với đích hơn B khi nhưng thông số độ
cao của C lại lơn hơn so với B.
TORA có thể chia thành bốn chức năng chính bao gồm: tạo đường, duy trì
đường, xóa đường và tối ưu đường. Tạo đường tương ứng với việc lựa chọn các
độ cao để xác định hướng tuần tự của các liên kết tới đích trong mạng hoặc một
phần mạng chưa được định hướng trước đó. Duy trì đường liên quan đến việc
thích ứng cơ chế định tuyến khi cấu hình mạng thay đổi. Ví dụ, do lỗi một số liên
kết đường xuống hay một vài hướng liên kết tạm thời không còn dẫn tới đích
được nữa. Sự kiện này khởi tạo một quá trình đảo ngược liên kết có hướng (do
phải lựa chọn lại “độ cao” của các router) thực hiện định hướng lại kiến trúc định

24

24


tuyến để tất cả các đường liên kết có hướng lại có thể dẫn tới đích. Trong trường
hợp mạng bị phân chia, các liên kết bị cắt đứt sẽ phải gán mác vô hướng để thực
hiện xóa các tuyến lỗi. Trong quá trình xóa dường này, các router thiết lập “độ
cao” của chúng tới “không” và các liên kết kế cận sẽ trở thành vô hướng. Ngoài
ra TORA cũng có cơ chế để tối ưu các tuyến đường trong đó các router sẽ chọn
lại “độ cao” của chúng theo thứ tự để cải thiện kiến trúc định tuyến. TORA đạt
được bốn chức năng này thông qua sử dụng bốn gói tin điều khiển khác nhau bao

gồm: truy vấn (QRY), cập nhật (UPD), xóa (CLR) và tối ưu hóa (OPT).

1.6.2 Tạo đường trong TORA
Việc tạo các tuyến đường tới đích có thể được thực hiện theo yêu cầu
hoặc theo chu kỳ. Trong mọi trường hợp, các router lựa chọn độ cao và
gán hướng cho các liên kết giữa các router lân cận. Trong chế độ thực hiện theo
yêu cầu, việc tạo đường đạt được thông qua một cơ chế truy vấn - phản hồi sử
dụng các gói tin QRY và UPD. Một nguồn khời tạo quá trình bằng việc gửi một
gói QRY tới các lân cận của nó định nghĩa đích cho tuyến đường được yêu cầu.
Gói tin QRY được lan truyền (được xử lývà chuyển tiếp bởi các router lân cận)
cho tới khi nó được nhận bởi một hoặc nhiều router có tuyến đường tới đích. Các
router có đường tới đích phản hồi QRY bằng cách gửi gói tin UPD tới các router
lân cận định nghĩa đích liên quan và “độ cao” của router đã gửi gói tin UPD. Các
router duy trì thời điểm gói tin UPD được gửi gần nhất và thời điểm đường liên
kết tới các router lân cận đi vào hoạt động để giảm các phản hồi thừa cho một
yêu cầu đường. Khi một router nhận được gói tin UPD nó thiết lập “độ cao” của
nó và gửi một gói UPD tới các lân cận của nó định nghĩa đích liên quan và “độ
cao” mới của nó. Từ đó, các router trong mạng lựa chọn “độ cao” cho đích được
yêu cầu. Việc học “độ cao” của các router lân cận cho đích yêu cầu và gán các
hướng cho liên kết dựa trên các độ cao này.
Trong chế độ thực hiện theo chu kỳ, router nguồn khởi tạo quá trình tạo
đường bằng cách gửi một gói tin OPT sẽ được xử lý và chuyển tiếp bởi các bởi
các router lân cận. Gói tin OPT định nghĩa đích đến, chế độ hoạt đọng cho đích
và “độ cao” của router gửi gói tin OPT. Gói tin này cũng chứa số thứ tự được sử

25

25