nghiên cứu về công nghệ mạng MANET - mạng tuỳ biến di động, vàmô phỏng các giao thức tầng MAC - S-MAC và T-MAC của mạng MANET.

Tìm hiểu và mô phỏng mạng MANET
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay, đất nước đang phát triển, theo đó là sự phát triển của công nghệ
thông tin. Công nghệ thông tin phát triển ngày càng nhanh cùng với sự ra đời của các
công nghệ tiên tiến, hiện đại. Sự ra đời của mạng không dây khẳng định bước tiến mới
trong ngành công nghệ thông tin. Mạng MANET là mảng mới của công nghệ mạng
không dây và đang nhận được nhiều sự quan tâm và nghiên cứu.
1.2. Mục tiêu đề tài
Đề tài này nghiên cứu về công nghệ mạng MANET - mạng tuỳ biến di động, và
mô phỏng các giao thức tầng MAC - S-MAC và T-MAC của mạng MANET.
1.3. Nội dung thực hiện
- Tìm hiểu về mạng MANET
- Tìm hiểu về giao thức tầng MAC trong mạng MANET
- Tìm hiểu phần mềm NS2
- Mô phỏng giao thức tầng MAC bằng NS2
1.4. Phương pháp nghiên cứu
Sử dụng các phương pháp nghiên cứu:
- Phương pháp đọc tài liệu
- Phương pháp phân tích
- Phương pháp mô tả
- Phương pháp thống kê
- Phương pháp thực nghiệm, mô phỏng

1


Tìm hiểu và mô phỏng mạng MANET
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Tổng quan về mạng MANET
2.1.1. Khái niệm

- MANET là viết tắt của mạng tùy biến di động(Mobile Adhoc Network), hay còn gọi
là mô hình mạng độc lập IBSSs(Independent Basic Service sets).
- Là tập hợp node mạng không dây, những node này có thể được thiết lập tại ất kỳ thời
điểm nào và bất kỳ nơi nào. Mạng MANET không dùng bất kỳ cơ sở hạ tầng nào. Nó
là 1 hệ thống tự trị mà máy chủ di động được kết nối bằng đường vô tuyến và có thể di
chuyển tự do, thường hoạt động như 1 router.
- Đặc tính của mạng:
+ Tính tự thiết lập: không phụ thuộc vào bất kỳ cấu trúc mạng nào sẵn có cũng như sự
quản lý tập trung tại bất kỳ một nút mạng nào.
+ Môi trường mạng không dây: nhìn chung các nút mạng không dây sử dụng tần số
radio hoặc hồng ngoại để trao đổi dữ liệu. Nhưng trong môi trường này các thiết bị
chịu một số hạn chế: băng thông thấp, môi trường truyền có độ tin cậy thấp, hạn chế
về năng lượng , bộ nhớ, khả năng tính toán…
+ Dễ bị ảnh hưởng do vấn đề an ninh.
+ Thiết bị tự trị đầu cuối: Trong MANET, mỗi thiết bị di động đầu cuối là một node tự
trị. Nó có thể mang chức năng của host và router. Bên cạnh khả năng xử lý cơ bản của
một host, các node di động này có thể chuyển đổi chức năng như một router. Vì vậy
thiết bị đầu cuối và chuyển mạch là không thể phân biệt được trong mạng MANET.
+ Phân chia hoạt động: vì không có hệ thống mạng nền tảng cho trung tâm kiểm soát
hoạt động của mạng, nên việc kiểm sát và quản lý hoạt động của mạng được chia cho
các thiết bị đầu cuối. Các node trong MANET phải có sự phối hợp với nhau.
+ Định tuyến đa đường: khi truyền các gói dữ liệu từ một nguồn của nó đến điểm
trong phạm vi truyền tải trực tiếp không dây, các gói dữ liệu sẽ được chuyển tiếp qua
một hoặc nhiều trung gian các nút.
+ Cấu hình động: vì các node là di động nên cấu trúc mạng có thể thay đổi nhanh,
không biết trước và các kết nối trên các thiết bị đầu cuối có thể thay đổi theo thời gian

2

Tìm hiểu và mô phỏng mạng MANET
- Cấu trúc mạng

Hình 2.1: Cấu trúc mạng MANET
Tại một thời điểm, mạng MANET có một số node nào đó, nhưng tại một thời điểm
nào đó, mạng này có thể phân chia thành nhiều mạng MANET. Sau đó nó lại có thể
nhập thành một nhóm mới các node và trở thành một mạng MANET lớn hơn.
- Các chế độ hoạt động và kiểu kết nối
+ Các chế độ hoạt động:
Chế độ cơ sở hạ tầng: mạng bao gồm các điểm truy cập AP cố định và các node
di động tham gia vào mạng, thực hiện truyền thông qua các điểm truy cập. Các liên
kết có thể thực hiện qua nhiều chặng.

3


Tìm hiểu và mô phỏng mạng MANET

Hình 2.2: Chế độ cơ sở hạ tầng
Chế độ IEEE-adhoc: các node di động truyền thông với nhau mà không cần tới
1 cơ sở hạ tầng nào. Các liên kết không thể thực hiện qua nhiều chặng.

Hình 2.3: Chế độ IEEE-adhoc
+ Kiểu kết nối topo mạng
Mạng máy chủ di động: ở topo này, các thiết bị chỉ liên kết với một máy chủ duy nhất.

4


Tìm hiểu và mô phỏng mạng MANET

Hình 2.4: Mạng máy chủ di động
Mạng có các thiết bị di động không đồng nhất: ở topo này các máy có thể liên
kết trực tiếp với nhau trong phạm vi phủ sóng của mình.

2.1.2. Phân loại
- Theo giao thức
+ Singal-hop: là loại mô hình mạng adhoc đơn giản nhất. Trong đó tất cả các node đều
nằm trong vùng phủ sóng, nghĩa là các node có thể liên kết với nhau mà không cần
qua node trung gian.

5


Tìm hiểu và mô phỏng mạng MANET
Multi-hop: đây là mô hình phổ biến nhất trong mạng MANET, các node có thể định
tuyến với các node khác thông qua các node trung gian. Để mô hình này hoạt động
hoàn hảo cần có giao thức định tuyến phù hợp.
Mobile multi-hop: mô hình này tập trung vào các ứng dụng có tính chất thời gian
thực.
- Theo chức năng
+ Mạng MANET đẳng cấp(Flat): Trong kiến trúc này các node có vai trò ngang hàng
với nhau, các node đóng vai trò như router định tuyến dữ liệu gói trên mạng. Nó thích
hợp cho những tô pô có các node di chuyển nhiều.
+ Mạng MANET phân cấp: 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 cluster,
mỗi cluster chia thành nhiều node. Có hai loại node là master node và nomal node.
+ 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.

+ Nomal node: là các node nằm trong cùng một cluster. Nó có thể kết nối với các node
trong cluster hoặc kết nối với các cluster khác

Hình 2.4: Mô hình mạng phân cấp
Kiến trúc mạng phân cấp thích hợp cho các mạng có tính chuyển động thấp.
Mạng MANET kết hợp:

6


Tìm hiểu và mô phỏng mạng MANET
Mạng = Zones, zone = nodes
Mỗi node bao gồm hai mức tô pô: node ID và zone ID. Trong một zone có thể áp dụng
kiến trúc đẳng cấp hoặc kiến trúc phân cấp.
Các giao thức định tuyến mạng MANET

2.1.3. Ứng dụng
- Lĩnh vực quân sự: trang thiết bị quân sự hiện nay thường chứa một số loại
thiết bị máy tính. Mạng lưới MANET sẽ cho phép quân đội để tận dụng lợi thế của
công nghệ mạng phổ biến để duy trì một thông tin mạng lưới giữa những người lính,
xe cộ và thông tin từ bộ chỉ huy… Các kỹ thuật cơ bản của mạng Adhoc đến từ lĩnh
vực này.
- Lĩnh vực thương mại: MANET có thể sử dụng trong cứu hộ nhằm nỗ lực cứu
trợ những thiên tai.
- Nội bộ: mạng MANET có thể chủ động liên kết một mạng lưới đa phương
tiện tức thời và tạm thời nhờ sử dụng máy tính xách tay để truyền bá và chia sẻ thông
tin giữa các đại biểu tham dự một hội nghị, lớp học.
2.1.4. Tầng MAC và các giao thức
- Cấu trúc địa chỉ MAC

7


Tìm hiểu và mô phỏng mạng MANET

Hình 2.5: Cấu trúc địa chỉ MAC
2.2. Tìm hiểu giao thức S-MAC
2.2.1. Khái niệm
S-MAC là một giao thức tầng MAC. S-MAC là giao thức điều khiển truy nhập
trung gian được thiết kế cho các mạng cảm biến không dây.
- Đặc điểm:
S-MAC sử dụng một số kỹ thuật mới để giảm tiêu thụ năng lượng và hỗ trợ tự
cấu hình. S-MAC kế thừa sự linh hoạt, tính khả biến trên nền cạnh tranh trong khi cải
tiến tính hiệu quả sử dụng năng lượng trong mạng đa bước nhảy. Nó giảm tiêu thụ
năng lượng từ tất cả các nguồn: nghe khi rỗi, xung đột, nghe thừa và xử lý thông tin
điều khiển. S-MAC áp dụng tin nhắn qua để giảm độ trễ tranh cho các ứng dụng đòi
hỏi trong mạng xử lý dữ liệu. S-MAC đạt khả năng mở rộng tốt và tránh va chạm
bằng cách sử dụng một lịch trình và kế hoạch kết hợp.
S-MAC được thiết kế gồm 3 vấn đề chính:
- Thực hiện chu kỳ thức - ngủ
- Tránh xung đột và nghe thừa
- Xử lý thông điệp
+ Cơ chế làm việc

8


Tìm hiểu và mô phỏng mạng MANET

Hình 2.6: Cơ chế làm việc của S-MAC

Các mũi tên hướng lên trên thể hiện việc gửi thông điệp, mũi tên hướng xuống
thể hiện việc nhận thông điệp. Dòng chảy thông tin đại diện cho việc gửi và nhận
chuỗi các thông điệp trong khi các nút ở trạng thái giám sát.
2.2.2. Thuật toán
- Thứ nhất, để phản ánh sự thay đổi của tải lưu lượng khác nhau, trong khi gửi các gói
dữ liệu đồng bộ, nút tính toán tỷ lệ sử dụng nút U trong giai đoạn cuối cùng và trung
bình trậm trễ ngủ D, và theo các thông số trạng thái mạng, điều chỉnh chu kỳ nhiệm vụ
của mình và gửi bản kế hoạch trong các hình thức phát sóng của các nút hàng xóm,
các thuật toán cụ thể như sau:
Bước 1: Tính toán các tỷ lệ sử dụng nút U trong chu kỳ cuối

Trong đó, Trx đại diện cho tổng thời gian tiếp nhận, T tx đại diện cho tổng thời
gian gửi, Tidle đại diện cho tổng thời gian rảnh rỗi
Bước 2: Tính toán sự chậm trễ ngủ trung bình của chu kỳ cuối cùng.
=
Trong biểu thức, D là sự tích luỹ cho thời gian ngủ chậm trế, đếm gói đại diện
cho số lượng tích luỹ của các gói tin. Điều chỉnh chu kỳ nhiệm vụ, sử dụng mã để mô
tả.
If U > Uhigh and chu kỳ nhiệm vụ > DCmax
then chu kỳ nhiệm vụ = chu kỳ nhiệm vụ + n%
else if U > Ulow and chu kỳ nhiệm vụ < DCmin and < Dmax

9


Tìm hiểu và mô phỏng mạng MANET
then chu kỳ nhiệm vụ = chu kỳ nhiệm vụ - n%
Trong các biểu thức, Uhigh và Umin đại diện cho phần trên và phần dưới của các
nút. Dmax đại diện cho sự chậm trễ tối đa có thể chịu được ngủ. DC max và DCmin đại
diện cho giới hạn trên và giới hạn dưới của chu kỳ nhiệm vụ, n đại diện cho các biên

độ điều chỉnh chu kỳ nhiệm vụ.
Bước 3: D = 0, packet count = 0
Nếu một nút sử dụng U là rất lớn, trong cơ chế lập kế hoạch hiện nay, tải trọng
nút là nặng. Do vậy, tăng chu kỳ nhiệm vụ thích ứng như một tải. Trong thuật toán này
Uhigh đại diện cho tải nặng. Khi tỷ lệ sử dụng nút U > U high chu kỳ nhiệm vụ cần phải
tăng n%. Giá trị n thích hợp không chỉ có thể làm cho nút thích nghi với sự thay đổi
của dòng chảy càng sớm càng tốt, nhưng cũng có thể ngăn chặn sự thay đổi quá mức
của chu kỳ nhiệm vụ.
Bước 4: Kết thúc.
- Thứ hai, các mô tả sau là về các thuật toán, trong đó cập nhật ngủ trễ D sau khi mỗi
lần gửi các gói dữ liệu, nội dung cụ thể như sau:
Bước 1: chọn ra các giá trị của nhân vật chậm trễ trong gói dữ liệu và gán cho biến d.
Chậm trễ ngủ d là thời gian mà lớp MAC nhận được gói tin từ tầng trên để gửi thành
công RTS.
Bước 2: tính tích luỹ chậm trễ ngủ D, cập nhật số lượng gói tin gửi thành công.
D=D+d
Packet count = packet count + 1
Bước 3: Kết thúc
Thực hiện chu kỳ thức – ngủ
S-MAC giảm bớt thời gian thức bằng cách để cho nút cảm biến định kỳ chuyển
sang trạng thái ngủ. Mỗi nút cảm biến chuyển vào trạng thái ngủ trong một thời gian
sau đó tỉnh dậy và nghe xem có nút nào muốn nói chuyện với nó.

10


Tìm hiểu và mô phỏng mạng MANET
Hình 2.7: Lược đồ S-MAC
Lược đồ trên yêu cầu có định kỳ sự đồng bộ giữa các nút cảm biến trong vùng tránh
sai lệch thời gian. Tất cả các nút cảm biến đều tự do lập lịch chu kỳ thức – ngủ.

Các nút cảm biến trao đổi với nhau thông tin lịch làm việc của chúng bằng cách
phát quảng bá cho tất cả các nút lân cận hiện thời. Nếu có nhiều nút trong vùng lân
cận muốn nói chuyện với một nút, thì chúng cần cạnh tranh chiếm đường truyền khi
nút nhận ở trạng thái thức, sử dụng gói tin RTS(Request to send) và CTS(Clear to
send). Nút nào gửi gói tin RTS ra trước sẽ giàng quyền truy nhập và nút nhận sẽ trả lời
với một gói CTS.
Các chu kỳ nhiệm vụ là tỷ số khoảng thời gian để lắng nghe chiều dài khung.
Mỗi nút duy trì một bảng lưu trữ tất cả thời gian biểu của các nút lân cận mà nó biết.
Việc cập nhật thời gian biểu được thực hiện bằng trao đổi gói tin đồng bộ SYNC. Gói
tin SYNC rất ngắn, gồm địa chỉ của nút gửi và thời điểm chuyển sang trạng thái ngủ
tiếp theo của nó.
Để một nút nhận được cả những gói đồng bộ lẫn những gói dữ liệu, phải chia
khoảng thức(active time) của nó thành 2 phần: phần đầu để nhận gói tin đồng bộ, phần
2 để nhận gói RTS. Mỗi phần được chia tiếp thành nhiều khe thời gian cho những nút
gửi để cảm nhận sóng mang. Mỗi nút định kỳ quảng bá những gói tin đồng bộ tới các
lân cận của nó kể cả khi nó không có nút đồng bộ theo. Điều này cho phép nút mới gia
nhập nhóm lân cận đã hình thành trước đó.

11


Tìm hiểu và mô phỏng mạng MANET

Hình 2.8: Quan hệ định thời giữa nút nhận và nút gửi
- Tránh xung đột và nghe thừa
Tránh xung đột là một nhiệm vụ cơ bản của giao thức MAC. S-MAC sử dụng
một lược đồ tránh xung đột trên nền cạnh tranh. Khi một nút phát đi một gói tin, gói
tin đó sẽ được thu bởi tất cả các nút lân cận của nó, mặc dù chỉ một số chúng là nút
nhận, đó là nghe thừa.
+ Tránh xung đột

Khi nhiều nút có nhu cầu gửi số liệu vào cùng một thời điểm, chúng cần cạnh
tranh để quyết định một nút được quyền gửi. Có một trường độ dài phát trong mỗi gói
tin được truyền đi để chỉ rằng việc truyền này được duy trì trong thời gian bao lâu.
Nút ghi giá trị này trong một biến gọi là vectơ thời gian chiếm giữ mạng
NAV(Network Allocation Vector) và đặt một đồng hồ tính giờ cho nó. Vào mọi thời
điểm khi NAV hoạt động, nút cảm biến tuần tự giảm giá trị NAV cho đến khi về giá trị
0. Khi một nút có dữ liệu gửi, đầu tiên sẽ kiểm tra đồng hồ NAV, nếu giá trị khác 0 thì
xác định rằng đường truyền bận và không phát dữ liệu. kỹ thuật này được gọi là cảm
nhận sóng mang ảo(Virtual Carrier Sense).

12


Tìm hiểu và mô phỏng mạng MANET
Cảm nhận sóng mang vật lý được thực hiện tại lớp vật lý bằng cách thực hiện
nghe kênh để truyền. đường truyền chỉ được xác định là rỗi nếu cả cảm nhận sóng
mang vật lý lẫn cảm nhận song mang ảo đều xác định đường truyền rỗi. Tất cả các nút
gửi thực hiện cảm nhận sóng mang trước khi bắt đầu phát dữ liệu. nếu một nút thất bại
trong việc thăm dò đường truyền, thì nó chuyển sang trạng thái ngủ và thức giấc tại
thời điểm nút nhận ở trạng thái nghe và đường truyền rỗi. Những gói tin Unicast sẽ
theo tuần tự RTS/CTS/Data/ACK giữa nút gửi và nút nhận.
+ Tránh nghe thừa
S-MAC tránh nghe thừa bằng cách cho những nút có khả năng gây nhiễu
không tham gia quá trình truyền phát dữ liệu, chuyển sang trạng thái ngủ sau khi nhận
được gói tin RTS hoặc CTS. Mỗi nút duy trì NAV chỉ để báo động trong khu lân cận
của nó. Khi một nút nhận gói, cập nhật NAV của nó tại trường duration trong định
dạng gói tin. Một giá trị NAV lớn hơn 0 chỉ báo rằng có một nút đang gửi số liệu trong
khu vực lân cận nó. Giá trị NAV giảm dần theo thời gian. Một nút cần phải ở trạng
thái ngủ để tránh nghe thừa khi giá trị NAV khác 0.
- Xử lý thông điệp

Truyền một dữ liệu dài trong một gói tin thì chi phí cho việc truyền lại khi chỉ
có một vài bit lỗi trong lần truyền đầu tiên là rất cao. S-MAC chia nhỏ thông điệp dài
bằng cách chia nhỏ thông điệp dài thành nhiều phân đoạn nhỏ và truyền chúng trong
một cụm nhưng chỉ sử dụng một gói tin RTS và một gói tin CTS.
Mỗi lần một đoạn dữ liệu được truyền, nơi gửi đợi một xác nhận ACK từ nơi
nhận. nếu nó không nhận được ACK, nó sẽ mở rộng thời gian chiếm dụng đường
truyền cho đủ một phân đoạn nữa, và truyền lại ngay phân đoạn dữ liệu hiện thời.
Nếu một nút trong vùng lân cận nhận được một gói RTS hoặc CTS, nó sẽ
chuyển sang trạng thái ngủ trong khoảng thời gian truyền tất cả các phân đoạn. Nếu
nút nhận không gửi ACK thường xuyên, thì nút mới có thể gây nhiễu vì cảm nhận
song mang trong việc thăm dò đường truyền sẽ thông báo đường truyền rỗi. Nếu nó
khởi động tiến trình phát, thì quá trình truyền hiện thời sẽ bị hỏng tại nút nhận.

13


Tìm hiểu và mô phỏng mạng MANET
Mỗi phân đoạn dữ liệu và gói tin ACK cũng có trường thời gian. Bằng cách
này, nếu một nút tỉnh dậy hoặc một nút mới gia nhập trong quá trình truyền, thì nó
chuyển sang trạng thái ngủ bất kể nó là lân cận của nút gửi hay nút nhận.
2.3. Tìm hiểu giao thức T-MAC
2.3.1. Khái niệm
- T-MAC Là một giao thức tầng MAC. T-MAC cải thiện hiệu quả năng lượng bằng
cách sử dụng một chu kỳ nhiệm vụ thích ứng.
- Giao thức cơ bản:
+ Định kỳ thức dậy và ngủ
+ Giao tiếp với RTS, CTS và ACK
Một chương trình đặc biệt để quyết định khi nào nên kết thúc một giai đoạn
hoạt động không có sự kiện kích hoạt đã xảy ra cho TA(timeout interval – khoảng thời
gian chờ)

+ Bắn một bộ đếm thời gian định kỳ
+ Tiếp nhận bất kỳ dữ liệu nào
+ Kết thúc truyền hoặc ACK. Kết thúc về truyền dẫn của hàng xóm đã kết thúc.
- Các tính năng khác của T-MAC
+ Khoảng thời gian cạnh tranh cố định

+ Truyền thông báo xếp hàng đợi trong vụ nổ
+ Tải chủ yếu là cao và không thay đổi. RTS bắt đầu bằng cách chờ đợi một khoảng
thời gian ngẫu nhiên trong thời gian cố định cạnh tranh
- Đặc điểm

14


Tìm hiểu và mô phỏng mạng MANET
+ T-MAC là một sự cải tiến trên S-MAC.
+ Node đi vào chế độ ngủ sau khoảng thời gian chờ nhàn rỗi.
+ Tất cả lưu lượng truy cập là bùng phát tại thời điểm bắt đầu của một khoảng thời
gian lắng nghe.
- Cách xác định thời gian rỗi:
TA > C + R + T
C: chiều dài khoảng thời gian cạnh tranh
R: thời gian truyền gói tin của RTS
T: thời gian quay vòng giữa RTS và CTS
Một giai đoạn hoạt động sẽ kết thúc khi không có sự kiện kích hoạt xảy ra
trong khoảng thời gian chờ.
Một sự kiện kích hoạt là: Vòng một khung giờ định kỳ. Việc tiếp nhận bất kỳ
dữ liệu trên đài phát thanh. Các cảm biến của truyền thông trên đài phát thanh, ví dụ
trong một vụ va chạm.. Cuối cùng của việc truyền tải gói dữ liệu riêng của một nút
hoặc sự xác nhận. Những kiến thức thông qua việc nghe lỏm được từ gói tin RTS và

CTS, rằng việc trao đổi dữ liệu của nút hàng xóm đã kết thúc. Một nút sẽ ngủ nếu nó
không phải trong khoảng thời gian hoạt động. Thời gian chờ xác định số lượng tối
thiểu của lắng nghe nhàn rỗi ở mỗi khung.
Hoạt động RTS và chọn thời gian chờ: Mỗi node truyền thông điệp trong hàng
đợi trong một vụ nổ vào lúc bắt đầu của khung. Trong giai đoạn bùng nổ này, môi
trường được bão hoà: thông điệp được truyền đi với tốc độ tối đa.
Khoảng cạnh tranh cố định (Fixed contention interval): Trong giao thức T-MAC, mỗi
nút truyền các thông điệp trong hàng đợi.
- Phân tích độ trễ
Việc chậm trễ cảm nhận sóng mang là ngẫu nhiên tại mỗi chặng, và biểu thị giá
trị của nó tại chặng n bằng t cs,n. Giá trị trung bình của nó được xác định bởi của sổ
tranh chấp, và được ký hiệu bởi t cs. Việc chậm trễ truyền dẫn được cố định nếu chiều
dài gói tin là cố định, được biểu thị bằng ttx.
- Giao thức MAC không ngủ

15


Tìm hiểu và mô phỏng mạng MANET
Khi một nút nhận được gói tin, nó ngay lập tức bắt đầu cảm nhận sóng mang và
chuyển tiếp nó tới bước nhảy tiếp theo.
Bước 1: thời gian trễ
Việc chậm trễ trung bình ở chặng n là tcs,n + ttx .
Toàn bộ thời gian trễ qua n chặng là:
D(N) = tcs,n + ttx)
Bước 2: độ trễ trung bình
Độ trễ trung bình qua các chặng trong giao thức MAC không ngủ:
E[D(N)] = N(tcs + ttx)
Với S-MAC, sự ngủ trễ ở mỗi chặng biểu hiện bằng ts,n cho chặng n. Một frame
là một chu kỳ hoàn chỉnh của thức – ngủ, chiều dài của nó được ký hiệu là T f . Để

phản ánh một chu kỳ nhiệm vụ rất thấp <10%, giả định rằng có một giá trị lớn, lớn
hơn nhiều so với ttx . Độ trễ ở chặng n là:
Dn = ts,n + tcs,n + ttx
Tf = tcs,n-1 + ttx + ts,n
ts,n= Tf - (tcs,n-1 + ttx)
Vậy
Dn = Tf + tcs,n - tcs,n-1
Vậy độ trễ trung bình của S-MAC mà không thích ứng nghe qua N chặng là:
E[D(N)] = E[ts,1 + (N -1)Tf + tcs,N + ttx]
= Tf/2 + (N-1)Tf + tcs +ttx
= NTf - Tf/2 + tcs + ttx
Với:
D(N): độ trễ qua n chặng
E[D(N)]: độ trễ trung bình qua n chặng
Tf: chu kỳ thức – ngủ
Ts,n: Sự ngủ trễ ở chặng n
tcs,n + ttx : việc chậm trễ trung bình ở chặng n

16


Tìm hiểu và mô phỏng mạng MANET
- Giao thức S-MAC với việc thích ứng nghe:
Fig.4 cho thấy một phần của mạng đa bước nhảy, nơi 3 bước nhảy được biểu thị là n
tới (n+2).
Sự trậm trễ tại chặng (n+1) là:
Dn = tcs,n+1 + ttx
Vậy độ trễ trung bình của S-MAC mà thích ứng nghe qua N chặng là:
E[D(N)] = Tf/2 + (N/2-1)Tf + 2tcs + 2ttx
= NTf/2 - Tf/2 + 2tcs + 2ttx

2.4. Cấu trúc gói tin
2.4.1. Khuôn dạng gói tin tầng MAC

Hình 2.8: Khuôn dạng gói tin tầng MAC
Types: kiểu Frame chỉ định là frame điều khiển, frame quản lý hay frame dữ liệu.
Sequence numbers: chỉ định số thứ tự(dung cho mất frame, ACKs).
Miscellaneous: thời gian: gửi, kiểm tra, điều khiển frame, dữ liệu.
Destination Address: địa chỉ trạm đích.

17


Tìm hiểu và mô phỏng mạng MANET
Source Address: địa chỉ trạm nguồn.
BSSID: định danh thiết lập dịch vụ cơ bản.
Receiver Address: địa chỉ trạm nhận.
Transmitter Address; địa chỉ trạm truyền.
Protocol Version(2 bit): hiện tại chỉ có 1 version nên = 0.
Type(2 bit) & Subtype(4 bit): định nghĩa các khung chức năng riêng. Có 3 loại khung:
control, management, data.
To/From DS: chỉ hướng frame tới trạm đích.
More Fragment: chỉ ra frame là thành phần của một MAC SDU lớn bị phân đoạn.
Retry: xác định frame truyền lại.
Power Management: trạm làm việc ở save mode.
More data: trạm có thêm data phát không.
WEP: xác định phương pháp bảo mật được sử dụng để mã hóa gói dữ liệu.
Order: chỉ thị trạm đang sắp xếp lại trình tự các khung.
Duration ID(2 bit): thời gian môi trường dành cho trạm.
Address từ 1 đến 4: địa chỉ trạ nguồn, đích, trạm phát, trạm thu.
Sequence Control: 4 bit Fragment number + 12 bit Sequence number.

Frame body: phần dữ liệu chuyển đến MAC.
FCS: 32 bit CRC chứa dữ liệu để kiểm tra chống sai.
2.4.2. Khuôn dạng gói tin ACK
Định dạng gói tin báo nhận tốt ACK

Hình 2.9: Khuôn dạng gói tin ACK
2.4.3. Khuôn dạng gói tin RTS
Định dạng gói tin yêu cầu gửi dữ liệu RTS
18


Tìm hiểu và mô phỏng mạng MANET

Hình 2.10: Khuôn dạng gói tin RTS
2.4.4. Khuôn dạng gói tin CTS
Định dạng gói tin xác nhận kết nối

Hình 2.11: Khuôn dạng gói tin CTS

19


Tìm hiểu và mô phỏng mạng MANET
CHƯƠNG 3: CÔNG CỤ MÔ PHỎNG NS2
3.1. Tổng quan về NS2
NS2- Network Simulator Version 2 là phần mềm 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 phổ biến trong các nghiên cứu khoa học về mạng.
Mục đích của NS2 là tạo ra một môi trường giả lâp 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. NS2 là phần mềm mã nguồn mở có thể chạy trong môi trường
Linux và Window.
3.1.1. Kiến trúc của NS2

Hình 3.1: Mô hình đơn giản của NS
Otcl

Kịch bản OTcl

Simulation Program

Chương trình Mô phỏng
Bộ biên dịch Tcl mở rộng hướng đối

OTcl
NS Simulation Library
Event Scheduler Objects

tượng
NS Simulation Library
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
Analysis
NAM Network Animator

Các kết quả Mô phỏng
Phân tích
Minh hoạ Mạng NAM

20


Tìm hiểu và mô phỏng mạng MANET

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
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 công việc sau:
- Khởi tạo Bộ lập lịch sự kiện
- Thiết lập Mô hình mạng sử dụng 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

- Bộ lập lịch sự kiện thực hiện những công 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.
- File trace(file.tr) được dùng cho công cụ Lần vết và Giám sát mô phỏng XGRAPH
hay TRACEGRAPH

21


Tìm hiểu và mô phỏng mạng MANET

Hình 3.2: Luồng các sự kiện cho file Tcl chạy trong NAM

Hình 3.3: 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.
Trong mô phỏng mạng dùng NS-2 sử dụng:
- NAM Visual Simulation: mô phỏng ảo NAM
- Tracing and Monitoring Simulation: mô phỏng Lần vết và Giám sát
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.
3.1.2. Đặc điểm của NS2

22


Tìm hiểu và mô phỏng mạng MANET
- Khả năng trừu tượng hóa: giúp nghiên cứu các giao thức mạng ở nhiều mức khác
nhau, từ hành vi đơn lẻ của một giao thức đến kết hợp của nhiều luồng dữ liệu và
tương tác của nhiều giao thức. Điều này giúp người nghiên cứu có thể dễ dàng so sánh
và phân tích các kết quả chi tiết và trừu tượng.
- Khả năng tương tác với mạng thực: cho phép chương trình mô phỏng đang chạy
tương tác với các nút mạng thực đang hoạt động thông qua việc thiết lập lưu lượng
cho các liên kết mạng.
- Khả năng tạo ngữ cảnh: người nghiên cứu có thể tạo các hiện trạng mạng phức tạp
và các sự kiện động như lỗi liên kết một cách dễ dàng. Điều này giúp cho việc nghiên
cứu, kiểm chứng các giao thức mạng trong các mô hình mạng khác nhau được đúng
đắn hơn.
- Khả năng hiển thị hóa: thông qua công cụ hiển thị NAM, người nghiên cứu có thể
quan sát trực quan hoạt động của các nút mạng, lưu lượng, tỷ lệ lỗi để từ đó dễ dàng
hiểu được các hành vi phức tạp của đồ hình mạng mô phỏng.
- Khả năng mở rộng được: NS2 cho phép mở rộng các chức năng mới một cách dễ
dàng như thay đổi các tham số, xây dựng nên một giao thức mới, thử nghiệm các kịch
bản khác nhau…
3.1.3. Đối tượng mô phỏng
- Wired, Wireless, Satellite
- TCP Agents, UDP Agents, multicast, unicast
- Thiết kế các cơ chế quản lý hàng đợi tại bộ định tuyến như Drop Tail, Fair Queueing,
Red
- Cài đặt thuật toán định đường động và tĩnh, Dijkstra, vector khoảng cách , thuật toán
trạng thái liên kết, định đường di động…
- Hỗ trợ các ứng dụng WebCache, FTP, Telnet, CBR, Web, Real Audio

3.1.4. Cấu trúc thư mục của NS

23


Tìm hiểu và mô phỏng mạng MANET

Hình 3.4: Cấu trúc thư mục của NS
Định dạng gói tin NS
Một gói tin trong NS bao gồm 2 phần: Header và Data

- Header:
+ Cmn header
+ Ip header

24


Tìm hiểu và mô phỏng mạng MANET
+ Tcp header
+ Rtp header
+ Trace header
- Data:
+ Uid_: unique id
+ Ptype_: pkt type
+ Size_: simulated pkt size
+ Ts_: time stamp
3.1.5. Khả năng mô phỏng
Với bộ mô phỏng NS2, người dùng có thể mô phỏng nhiều giao thức khác
nhau tại nhiều tầng khác nhau: tại tầng ứng dụng, FTP, HTTP, tại tầng giao vận: UDP,

TCP(reno, vegas…), tại tầng MAC như: MAC 802.3, MAC 802.11, MAC 802.15…
trong các mô hình mạng có dây, mô hình mạng không dây và mô hình mạng hỗn hợp.
Ngoài ra NS2 còn có thể mô phỏng các thuật toán định tuyến trong mạng không dây,
đặc biệt là mạng ad-hoc: DSDV, DSR, AODV, TORA,…các vấn đề định tuyến
Unicast/Multicast, liên mạng sử dụng vệ tinh và nhiều vấn đề khác như:
- Đối với mạng có dây:
+ Các đường truyền điểm – điểm đơn công, song công, mạng cục bộ LAN.
+ Các chính sách phục vụ hàng đợi
+ Các mô hình sinh lỗi
+ Vấn đề định tuyến Unicast/Multicast
+ Các giao thức tầng giao vận: TCP/Tahoe/Reno/Sack,UDP, điều khiển lưu lượng và
điều khiển tắc nghẽn.
- Đối với mạng không dây:
+ Kênh truyền
+ Sự di chuyển của các nút mạng trong không gian 2 chiều.
+ Mạng LAN không dây(WLAN) 802.11
+ Mobile IP

25