Kỹ thuật định tuyến đa đường trong mạng không dây phi cấu trúc

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

Nông Thị Hồng

KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN ĐA ĐƯỜNG
TRONG MẠNG KHÔNG DÂY PHI CẤU TRÚC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

Thái Nguyên - 2019


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

Nông Thị Hồng

KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN ĐA ĐƯỜNG
TRONG MẠNG KHÔNG DÂY PHI CẤU TRÚC

Ngành: Khoa học máy tính
Mã số: 8 48 01 01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. NGUYỄN ĐÌNH DŨNG

Thái Nguyên - 2019

LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian học tập và nghiên cứu tại trường Đại học Công nghệ thông
tin và Truyền thông – Đại học Thái Nguyên, em đã hoàn thành luận văn tốt
nghiệp thạc sĩ ngành Khoa học máy tính. Để có được kết quả này, em xin bày tỏ
sự kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc tới:
– TS. Nguyễn Đình Dũng, Trường ĐH CNTT & TT – ĐHTN: cán bộ
hướng dẫn khoa học đã luôn tận tình giúp đỡ và chỉ bảo em trong suốt quá trình
làm luận văn.
– Các cán bộ, giảng viên Khoa Công nghệ thông tin và Phòng Đào tạo cùng
toàn thể các thầy, cô giáo trong trường Trường Đại học CNTT & TT - ĐHTN đã
tận tình chỉ bảo, hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt quá trình em thực hiện đề
tài luận văn này.
– Bên cạnh đó sự giúp đỡ của gia đình, bạn bè và người thân đã luôn ủng hộ
và tạo điều kiện tốt nhất để em có thể tập trung nghiên cứu hoàn thành luận văn.
Do về mặt kiến thức và thời gian còn hạn chế, luận văn còn nhiều khiếm
khuyết. Tôi mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy, cô và mọi người để
luận văn hoàn thiện hơn.
Xin trân trọng cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày … tháng …. năm 2019
Học viên

Nông Thị Hồng


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU................................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1. MẠNG KHÔNG DÂY DI ĐỘNG PHI CẤU TRÚC VÀ VẤN ĐỀ
ĐỊNH TUYẾN ....................................................................................................... 3
1.1. Tổng quan về mạng không dây phi cấu trúc ............................................... 3

1.1.1. Khái niệm mạng không dây phi cấu trúc ............................................. 3
1.1.2. Đặc điểm của mạng không dây phi cấu trúc ........................................ 4
1.1.3. Ứng dụng của mạng không dây phi cấu trúc ....................................... 6
1.2. Một số chiến lược định tuyến trong mạng không dây phi cấu trúc ............ 8
1.2.1. Phân loại các chiến lược định tuyến .................................................... 8
1.2.2. Mô tả các chiến lược định tuyến trong mạng ad hoc ........................... 9
1.3. Giao thức định tuyến theo yêu cầu dạng vectơ khoảng cách AODV .......15
1.3.1. Giới thiệu về giao thức AODV ..........................................................15
1.3.2. Cơ chế hoạt động của giao thức AODV ............................................16
1.4. Tổng kết Chương 1 ...................................................................................25
CHƯƠNG 2. GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN ĐA ĐƯỜNG AOMDV.................28
2.1. Tổng quan về giao thức AOMDV.............................................................28
2.1.1. Vấn đề chống định tuyến lặp .............................................................29
2.1.2. Các đường tách biệt............................................................................32
2.2. Hoạt động chi tiết của giao thức AOMDV ...............................................39
2.2.1. Bảng định tuyến .................................................................................39
2.2.2. Thuật toán cập nhật đường.................................................................40
2.2.3. Tiến trình khám phá đường................................................................42
2.2.4. Cơ chế bảo trì đường..........................................................................45
2.2.4. Cơ chế chuyển tiếp dữ liệu.................................................................46
2.3. Các tính chất của giao thức .......................................................................47
2.3.1. Loại bỏ tính lặp vòng .........................................................................48
2.3.2. Tính tách biệt của đường....................................................................49


2.4. Tổng kết Chương 2 ...................................................................................52
CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG GIAO THỨC
AOMDV...............................................................................................................54
3.1. Mục tiêu của việc đánh giá giao thức AOMDV .......................................54
3.2. Môi trường mô phỏng ...............................................................................54

3.3. Các độ đo hiệu năng..................................................................................57
3.4. Kết quả mô phỏng và phân tích đánh giá hiệu năng .................................57
3.4.1. Thay đổi tốc độ di chuyển..................................................................57
3.4.2. Thay đổi số lượng kết nối ..................................................................65
3.4.3. Thay đổi tốc độ dữ liệu ......................................................................68
3.4.4. Số lượng đường..................................................................................70
3.5. Tổng kết Chương 3 ...................................................................................72
KẾT LUẬN ..........................................................................................................74
TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................76


1

MỞ ĐẦU
Mạng không dây phi cấu trúc được hình thành bởi kết nối tạm thời giữa các
nút mạng. Đây là công nghệ mạng nền tảng để phát triển các công nghệ mạng
được ứng dụng rộng rãi ngày nay như mạng cảm biến, mạng giao thông, mạng
tác chiến,… Trong mạng không dây phi cấu trúc, mỗi nút mạng vừa đóng vai trò
là một thiết bị đầu cuối, vừa đóng vai trò là một bộ định tuyến. Do tính chất di
động của các nút mạng nên bài toán định tuyến trong mạng không dây phi cấu
trúc có nhiều điểm khác biệt so với bài toán định tuyến trong các mạng truyền
thống. Từ góc nhìn số lượng đường định tuyến sử dụng, có thể phân chia các
giao thức định tuyến trong mạng không dây phi cấu trúc theo hai nhóm là định
tuyến đơn đường và định tuyến đa đường.
Đối với các giao thức định tuyến đơn đường, chỉ có tối đa một con đường
tối ưu theo độ đo định tuyến của chúng được cài đặt vào bảng định tuyến sau
mỗi tiến trình tìm đường mặc dù chúng có thể nhận được thông tin về nhiều con
đường tới cùng một đích trong cùng một tiến trình tìm đường. Tại mỗi nút mạng,
các gói tin dữ liệu sẽ được chuyển tiếp theo con đường thích hợp có trong bảng
định tuyến. Khi một liên kết trên con đường đó bị lỗi, nút mạng này phải khởi

tạo lại tiến trình tìm đường.
Để tiết kiệm tài nguyên hệ thống mạng trong các tiến trình tìm đường, các
giao thức định tuyến đa đường cho phép tìm và cài đặt nhiều hơn một con đường
không giao nhau tới cùng một đích vào bảng định tuyến của chúng. Tại một nút,
khi có yêu cầu chuyển tiếp dữ liệu tới nút đích, con đường tốt nhất sẽ được sử
dụng và những con đường còn lại sẽ đóng vai trò là đường dự phòng. Khi đường
chính bị lỗi, các đường dự phòng sẽ được sử dụng để chuyển tiếp các gói tin dữ


2

liệu nếu chúng vẫn trong trạng thái còn hoạt động được. Thêm vào đó, nếu cơ
chế cân bằng tải được sử dụng, có thể phân lưu lượng dữ liệu cần truyền thành
nhiều luồng được truyền song song trên các con đường tới cùng một đích.
Mục đích của đề tài là nghiên cứu về các chiến lược định tuyến và cơ chế
hoạt động giao thức định tuyến AODV – một giao thức định tuyến đơn đường
điển hình trong mạng không dây phi cấu trúc. Sau đó, nghiên cứu các đề xuất cải
tiến giao thức AODV thành giao thức AOMDV với mục tiêu nâng cao hiệu năng
mạng không dây phi cấu trúc. Hiệu năng của giao thức định tuyến đơn đường
AODV và giao thức định tuyến đa đường AOMDV sẽ được so sánh, phân tích và
đánh giá thông qua phần mềm mô phỏng NS2 với nhiều kịch bản mô phỏng khác
nhau.
Luận văn bao gồm các phần được bố cục như sau: Phần mở đầu trình bày
về mục tiêu, ý nghĩa và bố cục của luận văn. Tiếp theo, các vấn đề tổng quan về
mạng không dây phi cấu trúc, vấn đề định tuyến và cơ chế hoạt động chi tiết của
giao thức định tuyến AODV được trình bày trong Chương 1. Đề xuất cải tiến
thiết kế và triển khai giao thức định tuyến đa đường AOMDV sẽ được trình bày
trong Chương 2. Hiệu năng của giao thức được cải tiến AOMDV sẽ được so
sánh, phân tích và đánh giá với giao thức gốc AODV trong Chương 3 thông qua
nhiều kịch bản mô phỏng được thực hiện trên NS-2. Cuối cùng là phần kết luận

đưa ra những tổng kết và hướng phát triển của luận văn.


3

CHƯƠNG 1. MẠNG KHÔNG DÂY DI ĐỘNG PHI CẤU TRÚC VÀ VẤN
ĐỀ ĐỊNH TUYẾN
1.1. Tổng quan về mạng không dây phi cấu trúc
1.1.1. Khái niệm mạng không dây phi cấu trúc
Mạng không dây phi cấu trúc (Mobile Ad hoc Network – MANET) [10] là
mạng di động không dây hoạt động không cần dựa vào hạ tầng mạng cố định,
trong đó hình trạng mạng được tạo thành bởi chính các nút mạng. Chế độ “Ad
hoc” của chuẩn IEEE 802.11 hoạt động theo mô hình này, mặc dù nó chỉ hỗ trợ
để thiết lập một mạng đơn chặng. Các mạng di động không dây kiểu không cấu
trúc đã mở rộng khái niệm “Ad hoc” đa chặng theo nghĩa: một nút mạng có thể
định tuyến và chuyển tiếp một gói tin nó nhận được từ một nút mạng khác. Nói
cách khác, con đường chuyển tiếp gói tin từ nút nguồn tới nút đích có thể chứa
các nút trung gian khác. Các nút trung gian sẽ đọc thông tin trong phần header
của các gói tin dữ liệu và chuyển tiếp chúng tới chặng kế tiếp trên một con
đường đã được hình thành.
Có thể hiểu một mạng không dây phi cấu trúc là một tập các nút không dây
di động có thể trao đổi dữ liệu một cách linh động mà không cần sự hỗ trợ của
trạm cơ sở cố định hoặc mạng có dây. Mỗi nút di động có một phạm vi truyền
giới hạn, do đó chúng cần sự trợ giúp của các nút lân cận để chuyển tiếp các gói
dữ liệu. Khi các gói tin dữ liệu từ nút nguồn cần gửi tới một nút đích mà nút đích
không nằm trong phạm vi truyền của nút nguồn, cần có sự trợ giúp của các nút
trung gian để chuyển tiếp gói tin từ nút nguồn tới nút đích. Để thực hiện được
công việc này, các nút mạng phải sử dụng giao thức định tuyến phù hợp.

4

Hình 1.1. Minh họa của mạng không dây phi cấu trúc
Hình 1 là một ví dụ của mạng không dây phi cấu trúc. Trong đó các nút
trong mạng kết nối với nhau trong một khoảng thời gian để trao đổi thông tin.
Trong khi trao đổi thông tin, các nút này vẫn có thể di chuyển, do đó, mạng này
phải đáp ứng được yêu cầu truyền dữ liệu trong khi hình trạng mạng có thể thay
đổi liên tục. Các nút mạng phải có cơ chế tự tổ chức thành một mạng để thiết lập
các đường truyền dữ liệu mà không cần sự hỗ trợ từ bên ngoài. Trong mô hình
này, mỗi nút mạng có thể đóng vai trò là một nút đầu cuối để chạy các chương
trình ứng dụng của người sử dụng hoặc là một bộ định tuyến để chuyển tiếp các
gói tin cho các nút mạng khác.
1.1.2. Đặc điểm của mạng không dây phi cấu trúc
Do mạng không dây phi cấu trúc là một mạng không dây hoạt động không
cần sự hỗ trợ của hạ tầng mạng cơ sở trên cơ sở truyền thông đa chặng giữa các
thiết bị di động vừa đóng vai trò là thiết bị đầu cuối, vừa đóng vai trò là bộ định
tuyến nên mạng không dây phi cấu trúc có một số đặc điểm nổi bật sau [3]:


5



Cấu trúc động: Do tính chất di chuyển ngẫu nhiên của các nút mạng nên cấu
trúc của loại mạng này cũng thường xuyên thay đổi một cách ngẫu nhiên ở
những thời điểm không xác định trước. Trong khi thay đổi, cấu trúc của mạng
không dây phi cấu trúc có thêm hoặc mất đi các kết nối hai chiều hoặc kết nối
một chiều.



Chất lượng liên kết hạn chế: Các liên kết không dây thường có băng thông
nhỏ hơn so với các liên kết có dây. Ngoài ra, do ảnh hưởng của cơ chế đa truy
cập, vấn đề suy giảm tín hiệu, nhiễu và các yếu tố khác, băng thông thực của
các liên kết không dây thường thấp hơn nhiều so với tốc độ truyền tối đa theo
lý thuyết của môi trường truyền không dây.



Các nút mạng có tài nguyên hạn chế: Mỗi nút di động trong mạng có thể là
một bộ cảm biến, một điện thoại thông minh hoặc một máy tính xách tay.
Thông thường các thiết bị này có tài nguyên hạn chế so với các máy tính
trong mạng có dây và không dây truyền thống về tốc độ xử lý, dung lượng bộ
nhớ và năng lượng nguồn pin nuôi sống hoạt động của nút.



Độ bảo mật thấp ở mức độ vật lý: Mạng không dây di động thường chịu tác
động về mặt vật lý từ các nguồn gây nguy hại về an ninh nhiều hơn so với
mạng có dây. Về khía cạnh vật lý, các kỹ thuật gây mất an ninh và bảo mật
trong mạng như nghe lén, giả mạo và tấn công từ chối dịch vụ thường dễ triển
khai trong mạng không dây phi cấu trúc hơn là trong mạng có dây truyền
thống.
Có thể thấy những đặc điểm này là các yếu tố ảnh hưởng rất nhiều đến

hiệu năng của mạng không dây phi cấu trúc. Để có thể triển khai được mạng
không dây phi cấu trúc trong thực tế, các thiết kế mạng phải giải quyết được


6

những thách thức sinh ra do những đặc điểm đã nêu trên. Những thách thức này
gồm các vấn đề kỹ thuật như khả năng truyền dữ liệu và định tuyến hiệu quả khi
kích thước mạng thay đổi; đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) cho các chương
trình ứng dụng; cơ chế chuyển đổi một số dịch vụ từ mô hình client-server; tiết
kiệm năng lượng pin để kéo dài thời gian hoạt động của các nút mạng riêng lẻ và
của toàn mạng; đảm bảo an ninh mạng; khả năng hợp tác giữa các nút mạng và
khả năng tự tổ chức của mạng;
1.1.3. Ứng dụng của mạng không dây phi cấu
trúc
Ngày nay, mạng không dây phi cấu trúc có nhiều những ứng dụng trong
đời sống, kinh tế, xã hội của con người. Mô hình mạng này phù hợp đối với
những tình huống cần triển khai hệ thống mạng một cách nhanh chóng, linh động
và thường xuyên có sự biến đổi trong cấu trúc mạng. Chúng còn được ứng dụng
rất nhiều trong các ứng dụng từ lĩnh vực thương mại tới các ứng dụng trong các
hoạt động quân sự, ứng dụng trong các hoạt động khẩn cấp, ứng dụng trong gia
đình, văn phòng và giáo dục, mạng giao thông và mạng cảm biến.
Đối với các ứng dụng của mạng không dây phi cấu trúc trong thương mại,
những người dùng có thể chia sẻ dữ liệu giữa các thiết bị di động trong một cuộc
họp hay hội thảo mà không cần sự hỗ trợ của một cơ sở hạ tầng mạng cố định.
Các máy tính của những cá nhân có thể kết nối với nhau để tạo thành một mạng
tạm thời phục vụ cho các ứng dụng truyền thông dữ liệu trong một nhóm những
người dùng mà không cần sự hiện diện của các bộ thu phát tập trung. Kết nối
Internet từ một thiết bị của một người dùng cũng có thể được chia sẻ tới các thiết
bị của những người dùng khác thông qua mạng không dây phi cấu trúc.


7

Ứng dụng mạng không dây phi cấu trúc trông quân đội là một trong những

ý tưởng được đưa ra ngay từ khi mạng không dây phi cấu trúc được phát triển.
Trong mô hình chiến đấu của quân đội trên chiến trường không có sự hỗ trợ về
hạ tầng mạng cố định, mỗi người lính hoặc một phương tiện quân sự như xe
tăng, máy bay, tàu chiến, tàu thủy đều có thể được kết nối và trao đổi thông tin
tạm thời với nhau hoặc với trạm chỉ huy một cách linh động thông qua mạng
không dây phi cấu trúc được hình thành bởi kết nối giữa các thiết bị di động
truyền thông không dây được gắn vào các phương tiện quân sự hay những người
lính tham gia vào cuộc chiến.
Tại các vùng bị thiên tai, thảm họa, có thể tất cả các phương tiện và hạ
tầng truyền thông được xây dựng trước đó đều bị phá hủy hoàn toàn. Mỗi chiếc
xe của cảnh sát, cứu hỏa, cứu thương,… có thể được trang bị các thiết bị truyền
nhận không dây để trở thành một thiết bị đầu cuối di động và là một phần của
mạng không dây phi cấu trúc. Mỗi nhân viên cứu hộ cũng có thể cũng mang theo
một thiết bị đầu cuối di động. Các thiết bị đầu cuối này đều liên kết với nhau,
hình thành nên một mạng không dây phi cấu trúc tạm thời nhằm trao đổi thông
tin. Cấu hình mạng thay đổi theo những thời điểm khác nhau. Ngoài ra, các thiết
bị đầu cuối di động không chỉ cung cấp chức năng gửi và nhận thông tin mà còn
có thể chuyển tiếp thông tin như vai trò như các bộ định tuyến.
Mỗi thiết bị thông minh trong gia đình, các điên thoại di động thông minh
và máy tính của những người sử dụng trong văn phòng, trong môi trường trường
học, các lớp học có thể đóng vai trò như một nút mạng trong một mạng không
dây phi cấu trúc được hình thành tạm thời mà không cần sự hỗ trợ của hạ tầng
mạng cố định nhằm phục vụ cho các ứng dụng chia sẻ thông tin, truyền dữ liệu
multimedia, quản lý ngôi nhà thông minh, quản lý lớp học thông minh,…


8

Trong vấn đề quản lý và hỗ trợ giao thông, mỗi phương tiện giao thông là
một nút mạng di động trong mạng không dây phi cấu trúc được hình thành tạm

thời trên một khu vực địa lý nhằm hỗ trợ trao đổi và quản lý các thông tin về tình
trạng giao thông, hỗ trợ tìm đường tránh tắc nghẽn giao thông, theo dõi và quản
lý các thiết bị tham gia giao thông, v.v.
Cảm biến là các thiết bị nhỏ, phân tán, giá thành thấp, tiết kiệm năng
lượng, có khả năng truyền thông không dây và xử lý cục bộ. Một mạng không
dây phi cấu trúc có thể là một mạng cảm biến gồm các nút cảm biến. Các nút này
hợp tác với nhau để cùng thực hiện một nhiệm vụ cụ thể, ví dụ như: giám sát môi
trường (không khí, đất, nước), theo dõi môi trường sống, hành vi, dân số của các
loài động, thực vật, dò tìm động chấn, theo dõi tài nguyên, thực hiện trinh thám
trong quân đội,...
1.2. Một số chiến lược định tuyến trong mạng không dây phi cấu trúc
1.2.1. Phân loại các chiến lược định tuyến
Có nhiều cách để phân loại các chiến lược định tuyến cho mạng không dây
phi cấu trúc theo các tiêu chí khác nhau [1]. Các chiến lược định tuyến này được
được liệt kê trong Bảng 1.1.
Tiêu chí phân loại

Loại

Thời điểm định tuyến

Định tuyến tìm đường trước và tìm
đường theo yêu cầu

Phương pháp truyền thông tin định
tuyến

Định tuyến cập nhật định kỳ và cập
nhật theo sự kiện

Số lượng vùng định tuyến

Định tuyến phẳng và định tuyến phân
cấp

Thông tin định tuyến trong header của Định tuyến nguồn và định tuyến từng


9

gói

chặng

Định tuyến tập trung và định tuyến
phân tán
Bảng 1.1. Phân loại các chiến lược định tuyến của mạng không dây phi cấu trúc

Vị trí tính toán đường

1.2.2. Mô tả các chiến lược định tuyến trong mạng ad hoc
 Chiến lược định tuyến tìm đường trước và tìm đường theo yêu cầu
Kiểu định tuyến tìm đường trước còn được gọi là “định tuyến kích hoạt
trước” hay “định tuyến điều khiển dạng bảng”. Đối với kiểu định tuyến này, các
con đường tới mọi đích được tìm ra trước khi có nhu cầu truyền dữ liệu tại mọi
nút mạng. Trạng thái của các liên kết được lưu trữ và cập nhật định kỳ trong
bảng định tuyến để phục vụ cho thuật toán tìm đường tại mỗi nút mạng. Ưu điểm
lớn nhất của kỹ thuật định tuyến này là khi có yêu cầu truyền dữ liệu, con đường
truyền dữ liệu đã sẵn sàng tại các nút mạng và do đó không có độ trễ từ khi có
yêu cầu truyền dữ liệu tới lúc tìm ra con đường để truyền dữ liệu. Tuy nhiên các

giao thức thuộc nhóm này cũng có nhược điểm là chúng tính toán và tìm ra
những con đường tới mọi đích nên có thể có một số con đường sẽ không bao giờ
được sử dụng và kỹ thuật quảng bá bảng định tuyến định kỳ sẽ chiếm dụng băng
thông mạng nhiều khi trạng thái các liên kết và hình trạng mạng thay đổi với tốc
độ nhanh. Có thể kể đến một số giao thức định tuyến tiêu biểu thuộc nhóm này là
giao thức DSDV và giao thức WRP.
Đối với các giao thức định tuyến tìm đường theo yêu cầu, chỉ khi có nhu
cầu sử dụng đường truyền dữ liệu, các nút liên quan mới khởi tạo tiến trình tìm
đường và trao đổi thông tin định tuyến. Phương pháp này có ưu điểm là tiết kiệm
băng thông mạng dành cho tải định tuyến nhưng cũng có nhược điểm là quá


10

trình tìm kiếm tuyến đường có thể gây ra một độ trễ truyền tin đáng kể. Một số
giao thức tiêu biểu đã được đề xuất thuộc nhóm này là DSR, AODV và TORA.
 Định tuyến cập nhật định kỳ và cập nhật theo sự kiện
Với các giao thức định tuyến trên cơ sở trạng thái liên kết (link state), để
đảm bảo thông tin về trạng thái của các liên kết và hình trạng mạng được cập
nhật kịp thời, thông tin định tuyến cần được quảng bá tới các nút mạng. Trên cơ
sở cách thức quảng bá thông tin định tuyến, ta có thể phân loại các chiến lược
định tuyến thành hai nhóm là định tuyến cập nhật định kỳ và định tuyến cập nhật
theo sự kiện. Chiến lược định tuyến theo chu kỳ sẽ duy trì độ ổn định của mạng
và quan trọng nhất là cho phép các nút mạng học được thông tin về hình trạng và
trạng thái của toàn mạng. Tuy nhiên, nếu sử dụng chu kỳ dài để cập nhật thông
tin định tuyến, các nút mạng có thể chứa các thông tin định tuyến đã cũ và không
chính xác. Ngược lại, nếu chu kỳ cập nhật thông tin định tuyến là quá ngắn, sẽ có
quá nhiều gói tin định tuyến được sinh ra và quảng bá trong mạng gây ra sự lãng
phí về tài nguyên mạng.
Đối với chiến lược định tuyến theo sự kiện, khi có một sự kiện diễn ra trong

mạng, những nút mạng chịu tác động trực tiếp của các sự kiện này mới quảng bá
các gói tin cập nhật thông tin định tuyến. Vì vậy, thông tin về những thay đổi của
trạng thái mạng sẽ nhanh chóng được cập nhật tới các nút mạng. Tuy nhiên, khi
topo mạng thay đổi với tốc độ nhanh, sẽ có rất nhiều các gói tin quảng bá cập
nhật định tuyến được sinh ra làm lãng phí băng thông mạng và biến động đối với
các con đường truyền dữ liệu.
 Định tuyến phẳng và định tuyến phân cấp


11

Trong định tuyến phẳng, mọi nút trong mạng đều có cùng cấp độ và chức
năng định tuyến. Chiến lược định tuyến này tương đối đơn giản và hiệu quả đối
với các mạng nhỏ. Các giao thức AODV, DSDV, DSR là những giao thức điển
hình sử dụng chiến lược định tuyến phẳng. Đối với các mạng lớn, vấn đề gặp
phải là lãng phí tài nguyên mạng dành cho việc xử lý và truyền các gói tin quảng
bá thông tin định tuyến. Chiến lược định tuyến phân cấp được đề xuất nhằm giải
quyết vấn đề này.
Trong chiến lược định tuyến phân cấp, các nút mạng được tổ chức một cách
link động thành các vùng. Mỗi vùng lại có thể chia tiếp thành các vùng con theo
kiểu cây phân cấp. Cấu trúc phân cấp này nhằm duy trì tính ổn định tương đối
của hình trạng mạng. Sự di chuyển của thay đổi trạng thái của một nút mạng chỉ
tác động trong phạm vi của vùng quản lý nó. Chỉ có thông tin điều khiển cấp cao
mới được truyền giữa các vùng để giảm tải định tuyến trong mạng. Mỗi nút
mạng sẽ có thông tin đầy đủ về các nút mạng khác trong cùng vùng với nó bằng
cách sử dụng kỹ thuật định tuyến tìm đường trước. Nếu nút đích và nút nguồn
của một yêu cầu truyền dữ liệu thuộc hai vùng khác nhau, kỹ thuật định tuyến
liên vùng theo yêu cầu sẽ được sử dụng. Định tuyến liên vùng thường hoạt động
theo cơ chế định tuyến theo yêu cầu hoặc cơ chế kết hợp giữa định tuyến tìm
đường trước và định tuyến theo yêu cầu. Các giao thức tiêu biểu sử dụng chiến

lược định tuyến phân cấp là HSR và CGSR.
Hình 1.2 và Hình 1.3 minh họa cho các con đường được hình thành bởi các
giao thức định tuyến hoạt động theo chiến lược định tuyến phẳng và định tuyến
phân cấp.


12

Hình 1.2. Đường truyền dữ liệu theo chiến lược định tuyến phẳng

Hình 1.3. Đường truyền dữ liệu theo chiến lược định tuyến phân cấp
 Định tuyến với kỹ thuật tính toán tập trung và tính toán phân tán
Trong chiến lược định tuyến với kỹ thuật tính toán tập trung, mọi nút trong
mạng sẽ duy trì thông tin đầy đủ về toàn bộ hình trạng mạng để có thể tự thực
hiện các thuật toán tìm đường khi cần thiết. Các giao thức định tuyến sử dụng
chiến lược định tuyến này còn được gọi là các giao thức định tuyến kiểu trạng
thái đường liên kết. Giao thức OLSR là một giao thức định tuyến kiểu trạng thái
đường liên kết tiêu biểu.
Trong chiến lược định tuyến với kỹ thuật tính toán phân tán, mọi nút mạng
chỉ duy trì thông tin cục bộ về hình trạng mạng. Khi có nhu cầu tìm đường, nhiều


13

nút mạng sẽ cùng tham gia vào tiến trình tìm đường. Chiến lược định tuyến này
còn được gọi là định tuyến kiểu véc tơ khoảng cách. AODV và DSDV là các
giao thức định tuyến tiêu biểu sử dụng chiến lược định tuyến này.
 Định tuyến nguồn và định tuyến từng chặng
Có một vài giao thức định tuyến đưa thông tin về toàn bộ con đường vào
trong header của các gói tin dữ liệu để các nút trung gian có thể chuyển tiếp

những gói tin này theo các thông tin định tuyến mà nó đọc được trong phần
header. Chiến lược định tuyến này được gọi là định tuyến nguồn. Ưu điểm của
chiến lược định tuyến này là các nút trung gian không cần duy trì thông tin định
tuyến cập nhật để tìm đường cho các gói tin chúng chuyển tiếp vì chính trong các
gói tin dữ liệu đã chứa thông tin phục vụ cho các quyết định định tuyến. Tuy
nhiên, chiến lược này lại có nhược điểm là làm tăng kích thước của các gói tin
dữ liệu, đặc biệt với các con đường dài và các mạng có kích thước lớn dẫn đến
việc lãng phí băng thông của mạng ad hoc. Giao thức DSR là một trong những
giao thức định tuyến nguồn tiêu biểu. Hình 1.4 minh họa cơ chế chuyển tiếp gói
tin của giao thức định tuyến nguồn.

Hình 1.4. Truyền dữ liệu theo chiến lược định tuyến nguồn


14

Trong chiến lược định tuyến từng chặng, con đường tới một nút đích được
phân bố trong các “chặng kế tiếp” của các nút thuộc con đường này. Khi một nút
nhận được một gói tin cần truyền tới một đích xác định, nó sẽ chuyển tiếp gói tin
này tới chặng kế tiếp tương ứng trên con đường. Vì mỗi nút mạng không có
thông tin đầy đủ về toàn bộ các liên kết trong mạng nên thuật toán định tuyến
của các giao thức sử dụng chiến lược định tuyến này phải đảm bảo không chọn
các con đường gây ra định tuyến lặp. Giao thức AODV là một trong những giao
thức tiêu biểu sử dụng chiến lược định tuyến từng chặng. Hình 1.5 minh họa kỹ
thuật chuyển tiếp gói tin của giao thức hoạt động theo chiến lược định tuyến từng
chặng.

Hình 1.5. Truyền dữ liệu theo chiến lược định tuyến từng chặng
 Định tuyến đơn đường và định tuyến đa đường
Đối với các giao thức định tuyến đơn đường, chỉ có tối đa một con đường

tối ưu theo độ đo định tuyến của chúng được cài đặt vào bảng định tuyến sau
mỗi tiến trình tìm đường mặc dù chúng có thể nhận được thông tin về nhiều con
đường tới cùng một đích trong cùng một tiến trình tìm đường. Tại mỗi nút mạng,
các gói tin dữ liệu sẽ được chuyển tiếp theo con đường thích hợp có trong bảng
định tuyến. Khi một liên kết trên con đường đó bị lỗi, nút mạng này phải khởi
tạo lại tiến trình tìm đường.


15

Để tiết kiệm tài nguyên hệ thống mạng trong các tiến trình tìm đường, các
giao thức định tuyến đa đường cho phép tìm và cài đặt nhiều hơn một con đường
không giao nhau tới cùng một đích vào bảng định tuyến của chúng. Tại một nút,
khi có yêu cầu chuyển tiếp dữ liệu tới nút đích, con đường tốt nhất sẽ được sử
dụng và những con đường còn lại sẽ đóng vai trò là đường dự phòng. Khi đường
chính bị lỗi, các đường dự phòng sẽ được sử dụng để chuyển tiếp các gói tin dữ
liệu nếu chúng vẫn trong trạng thái còn hoạt động được. Thêm vào đó, nếu cơ
chế cân bằng tải được sử dụng, có thể phân lưu lượng dữ liệu cần truyền thành
nhiều luồng được truyền song song trên các con đường tới cùng một đích.
1.3. Giao thức định tuyến theo yêu cầu dạng vectơ khoảng cách AODV
1.3.1. Giới thiệu về giao thức AODV
AODV [11] là một giao thức định tuyến động, hoạt động theo yêu cầu, đa
chặng và tự khởi động giữa các nút di động trong mạng không dây phi cấu trúc.
Nó cho phép các nút tìm được các đường tới một đích một cách nhanh chóng và
không yêu cầu các nút duy trì các con đường tới đích khi không truyền thông.
Đồng thời, giao thức này cho phép các nút di động làm việc được với sự thay đổi
hình trạng của mạng hoặc liên kết bị đứt.
AODV là giao thức có khả năng tránh định tuyến lặp và có tốc độ hội tụ
nhanh khi hình trạng mạng thay đổi. Khi một liên kết bị đứt, AODV sẽ tạo ra
hiệu ứng để báo cho tập các nút liên quan cập nhật thông tin về đường bị lỗi.

Giao thức này sử dụng số thứ tự đích cho mỗi entry trong bảng định tuyến để
biểu diễn “độ mới” của đường. Số thứ tự đích do nút đích tạo ra được đưa vào
các gói tin điều khiển cùng với các thông tin định tuyến khác và được gửi đi đến


16

nút có yêu cầu tìm đường. Nút yêu cầu sẽ lựa chọn một con đường có số thứ tự
lớn nhất.
Các gói yêu cầu đường (RREQ), trả lời đường (RREP), báo lỗi đường
(RERR) và gói Hello là các gói điều khiển được định nghĩa trong AODV. Khi
một nút cần tìm đường đến đích, nó sẽ quảng bá gói RREQ. Quá trình quảng bá
gói RREQ tạo ra các đường nghịch (reverse route) hướng tới nút nguồn tại các
nút nhận gói. Khi một nút nhận được gói RREQ, nếu nó là nút đích hoặc là nút
trung gian nhưng có thông tin về đường “đủ mới” thoả mãn yêu cầu của nút
nguồn, nó sẽ gửi gói RREP dạng unicast tới nút nguồn để trả lời đường. Quá
trình truyền gói RREP tạo ra các đường thuận (forward route) hướng tới nút đích
tại các nút nhận gói. Gói Hello được sử dụng để theo dõi trạng thái của liên kết.
Khi một liên kết thuộc một đường bị đứt gói RERR được sử dụng để báo lỗi
đường cho các nút láng giềng qua “danh sách con trỏ trước”.
Quản lý số thứ tự là một việc thiết yếu để tránh định tuyến lặp. Một nút
đích sẽ trở thành nút không đến được khi một liên kết bị đứt hoặc đang ở trạng
thái không hợp lệ. Khi những điều kiện này xảy ra, đường chứa liên kết này sẽ
được coi là mất hiệu lực bằng thao tác gán số thứ tự và đánh dấu trong bảng định
tuyến là đường không hợp lệ.
1.3.2. Cơ chế hoạt động của giao thức AODV
1.3.2.1. Duy trì các số thứ tự
Số thứ tự được gán cho mỗi đường trong bảng định tuyến là “độ mới” của
con đường. Nó được gọi là “số thứ tự đích” vì nó biểu diễn “độ mới” cho con
đường tới một đích xác định để tránh định tuyến lặp. Nó được cập nhật khi một

nút nhận được thông tin mới hơn từ các thông điệp RREQ, RREP hoặc RERR


17

liên quan đến đích. Số thứ tự đích được mỗi nút duy trì một cách độc lập. Một
nút sẽ tăng số thứ tự của nó: (1) trước khi gửi gói RREQ; (2) trước khi gửi gói
RREP; (3) khi nhận được thông tin về trạng thái liên kết tới chặng kế tiếp của
đường tới đích bị lỗi.
Để khẳng định rằng thông tin về đường đi tới một đích là mới, một nút chỉ
cập nhật thông tin từ các gói điều khiển của AODV nó nhận được khi số thứ tự
đích của gói lớn hơn số thứ tự đích hiện tại của nó.
1.3.2.2. Bảng định tuyến và các danh sách con trỏ trước
Bảng định tuyến của AODV bao gồm các entry, mỗi entry là biểu diễn một
đường tới một đích, chứa các thông tin về IP đích, số thứ tự đích, các cờ trạng
thái, giao tiếp mạng, số chặng, chặng kế tiếp, danh sách con trỏ trước và thời
gian sống của đường.
Khi một nút nhận được gói RREQ, RREP hoặc RRER, nó sẽ kiểm tra bảng
định tuyến đã có entry biểu diễn đường tới đích. Nếu chưa có, nó sẽ tạo entry
mới. Một entry chỉ được cập nhật nếu số thứ tự đích của nó: (i) cao hơn số thứ tự
đích trong bảng định tuyến; (ii) bằng với số thứ tự đích trong bảng định tuyến
nhưng số chặng của đường mới cộng một nhỏ hơn số chặng hiện tại của entry
hiện tại; (iii) chưa được biết đến.
Thời gian hoạt động của mỗi entry được xác định từ gói điều khiển nhận
được hoặc được khởi tạo tới bằng giá trị ACTIVE_ROUTE_TIMEOUT. Khi
entry được sử dụng để chuyển tiếp gói dữ liệu, giá trị trường này được cập nhật
bằng thời gian hiện tại cộng với ACTIVE_ROUTE_TIMEOUT. Nếu thời gian
hiện tại lớn hơn giá trị trường này, entry sẽ được đánh dấu là không hợp lệ.

18

Với mỗi entry trong bảng định tuyến duy trì danh sách các con trỏ trước.
Các nút trong danh sách này sẽ nhận các thông báo về sự kiện liên kết tới chặng
kế tiếp bị đứt. Danh sách các con trỏ trước chứa các địa chỉ các nút láng giềng
của các đường nghịch.
1.3.2.3. Tạo gói yêu cầu tìm đường RREQ
Giao thức AODV sử dụng gói tin RREQ để gửi yêu cầu tìm đường. Cấu
trúc gói RREQ được biểu diễn trong Hình 1.6.
Một nút sẽ gửi gói RREQ khi cần chuyển tiếp một gói dữ liệu tới một đích
nhưng nó không có entry hợp lệ trong bảng định tuyến. Trường Destination
Sequence Number được thiết lập bằng số thứ tự đích của entry có đích tương ứng
trong bảng định tuyến. Nếu entry này không tồn tại, cờ „U‟ được thiết lập là
True. Trường Originator Sequence Number được thiết lập giá trị bằng số thứ tự
của nút cộng một. Trường RREQ ID được thiết lập bằng giá trị RREQ ID của
nút cộng một. Mỗi nút duy trì giá trị RREQ ID một cách độc lập. Trường Hop
Count được thiết lập bằng 0. Trường Originator IP Address và Destination IP
Address chứa địa chỉ IP tương ứng của nút hiện tại (nguồn) và nút đích.

Hình 1.6. Cấu trúc gói RREQ


19

Trước khi quảng bá gói RREQ, nút nguồn lưu giá trị trường RREQ ID và
Originator IP Address trong khoảng thời gian PATH_DISCOVERY_TIME. Khi
một nút nhận lại gói tin chính gói tin này từ các nút láng giềng, gói tin sẽ không
được xử lý và chuyển tiếp. Nếu cờ „G‟ được thiết lập, khi nút trung gian gửi gói
RREP để trả lời đường, nó sẽ thông tin cho nút đích đường quay trở lại nút
nguồn.

Số gói RREQ được tạo trong một giây phải nhỏ hơn RREQ_RATELIMIT.
Sau khi gửi gói RREQ, nút nguồn đợi gói RREP trong khoảng thời gian
NET_TRAVERSAL_TIME. Sau khoảng thời gian này, nút nguồn sẽ quảng bá
một gói RREQ khác với số lần gửi lại lớn nhất là RREQ_RETRIES. Để giảm tắc
nghẽn, giá trị của khoảng thời gian đợi gói RREP ở lần truyền lại gói RREQ thứ
n

n sẽ là (2 x NET_TRAVERSAL_TIME).
Dữ liệu cần chuyển tiếp trong thời gian tìm đường được lưu trữ vào bộ nhớ
đệm kiểu FIFO. Nếu sau RREQ_RETRIES lần gửi lại gói RREQ, nút nguồn
không tìm được đường, dữ liệu trong bộ nhớ đệm sẽ bị xóa và thông điệp
Destination Unreachable sẽ được gửi tới ứng dụng.
1.3.2.4. Điều khiển truyền gói RREQ
Để hạn chế sự quảng bá của gói RREQ, các nút trong giao thức AODV có
thể sử dụng thuật toán tìm đường mở rộng dần theo vòng trên cơ sở thay đổi giá
trị trường TTL trong gói IP chứa gói RREQ. Giá trị trường này được khởi tạo ở
lần

tìm

đường

thứ

nhất

là

TTL_START.

Nếu

sau

thời

gian

RING_TRAVERAL_TIME, nút nguồn không nhận được gói trả lời đường
RREP, nó sẽ tăng giá trị trường TTL lên TTL_INCREMENT đơn vị và gửi lại
gói RREQ. Việc này sẽ tiếp tục cho đến khi TTL được thiết lập trong RREQ đạt


20

đến ngưỡng TTL_THRESHOLD, ngoại trừ trường hợp TTL=NET_DIAMETER
được sử dụng cho mỗi lần thử truyền lại RREQ. Sau mỗi lần, khoảng thời gian
timeout chờ để nhận một thông điệp RREP là RING_TRAVERAL_TIME. Khi
muốn thông điệp RREQ đi qua toàn bộ mạng trong mọi lần thử truyền lại, cần
thiết lập cả giá trị TTL_START và TTL_INCREMENT bằng giá trị
NET_DIAMETER.
Nếu trong bảng định tuyến tồn tại một entry tới đích nhưng không còn hợp
lệ, giá trị khởi tạo của trường TTL được thiết lập bằng tổng của số chặng trong
entry và TTL_INCREMENT.
1.3.2.5. Xử lý và chuyển tiếp các thông điệp RREQ
Khi một nút nhận được một gói RREQ, đầu tiên nó sẽ tạo hoặc cập nhật
entry biểu diễn đường tới nút gửi gói RREQ cho nó. Sau đó, nó sẽ kiểm tra để
xác định nó đã được nhận gói này trước đó chưa. Nếu đã nhận, nút này sẽ huỷ bỏ
gói RREQ. Nếu chưa nhận được, nó sẽ thực hiện các việc sau: (1) tăng giá trị
trường hop count trong gói RREQ được tăng lên một đơn vị; (2) tìm đường

nghịch có đích là Originator IP Address của gói RREQ trong bảng định tuyến
của mình. Nếu chưa có thì tạo đường nghịch mới. Nếu đã có thì cập nhật đường
nghịch nếu đường nghịch nhận được có số thứ tự mới hơn số thứ tự của đường
hiện tại; (3) cập nhật số thứ tự đích của nút nếu số thứ tự đích của gói RREQ lớn
hơn số thứ tự hiện tại của nút; (4) chuyển tiếp gói RREQ nếu không có đường tới
đích hoặc trả lời bằng gói RREP nếu có đường tới đích. Trong trường hợp gói
RREQ cần được chuyển tiếp, giá trị trường TTL được trừ đi 1 đơn vị và gói này
được gửi kiểu broadcast trên tất cả các giao tiếp mạng của nút. Trong trường hợp