Nghiên cứu kỹ thuật ước lượng chất lượng liên kết và cải tiến thuật toán chọn đường cho giao thức AODV

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

Phạm Thị Hồng An

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ƯỚC LƯỢNG
CHẤT LƯỢNG LIÊN KẾT VÀ CẢI TIẾN THUẬT TOÁN
CHỌN ĐƯỜNG CHO GIAO THỨC AODV

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

Phạm Thị Hồng An

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ƯỚC LƯỢNG
CHẤT LƯỢNG LIÊN KẾT VÀ CẢI TIẾN THUẬT TOÁN
CHỌN ĐƯỜNG CHO GIAO THỨC AODV

Ngành: Khoa học máy tính
Mã số: 8480101

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS. TS. NGUYỄN VĂN TAM

Thái Nguyên - 2019


LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian học tập và rèn luyện tại Trường Đại học Công nghệ thông tin
và Truyền thông – Đại học Thái Nguyên, bằng sự biết ơn và kính trọng, tôi xin
gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo và Khoa Công
nghệ thông tin thuộc Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông –
Đại học Thái Nguyên cùng các thầy, cô giáo đã nhiệt tình hướng dẫn, giảng dạy
và tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên
cứu và hoàn thiện luận văn này.
Đặc biệt, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS. TS. Nguyễn Văn
Tam, người thầy đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đề
tài.
Xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè cùng đồng nghiệp đã tạo điều kiện
sát, nghiên cứu để hoàn thành đề tài này.
Tuy nhiên điều kiện về năng lực bản thân còn hạn chế, luận văn chắc chắn
không tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong nhận được sự đóng góp ý kiến của
các thầy cô giáo, bạn bè và đồng nghiệp để luận văn của tôi được hoàn thiện hơn.
Xin trân trọng cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày … tháng …. năm 2019
Học viên

Phạm Thị Hồng An


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU................................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1. ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG MANET ..................................... 3
1.1. Giới thiệu về mạng MANET....................................................................... 3

1.1.1. Khái niệm mạng MANET.................................................................... 3
1.1.2. Đặc điểm của mạng MANET............................................................... 4
1.1.3. Ứng dụng của mạng MANET.............................................................. 6
1.2. Định tuyến trong mạng MANET ................................................................ 8
1.2.1. Những yêu cầu đối với giao thức định tuyến trong mạng MANET .... 8
1.2.2. Một số chiến lược định tuyến trong mạng MANET............................ 9
1.3. Giao thức định tuyến AODV ....................................................................16
1.3.1. Giới thiệu về giao thức AODV ..........................................................16
1.3.2. Cơ chế hoạt động của giao thức AODV ............................................17
1.4. Một số nghiên cứu cải tiến giao thức AODV ...........................................26
1.4.1. Đảm bảo tính sẵn sàng chuyển tiếp dữ liệu .......................................26
1.4.2. Tiết kiệm năng lượng và tăng độ bền vững của đường. ....................29
1.4.3. Hỗ trợ chất lượng dịch vụ ..................................................................32
1.4.4. Đảm bảo an ninh định tuyến ..............................................................33
1.4.5. Đánh giá các cải tiến giao thức AODV .............................................35
1.5. Tổng kết Chương 1 ...................................................................................36
CHƯƠNG 2. CẢI TIẾN GIAO THỨC AODV TRÊN CƠ SỞ ĐÁNH GIÁ
CHẤT LƯỢNG LIÊN KẾT.................................................................................38
2.1. Ước lượng trễ liên kết trên cơ sở thời gian phục vụ .................................38
2.1.1. Phân tích độ trễ của liên kết theo mô hình DCF................................38
2.1.2. Ước lượng độ trễ của liên kết theo thời gian phục vụ .......................39
2.2. Cải tiến giao thức AODV..........................................................................44
2.2.1. Mô hình hoạt động định tuyến xuyên tầng ........................................44
2.2.2. Module đo mức độ sử dụng kênh truyền ...........................................45


2.2.3. Module ước lượng tỷ lệ lỗi frame của liên kết...................................48
2.2.4. Module định tuyến .............................................................................52
2.3. Tổng kết Chương 2 ...................................................................................56
CHƯƠNG 3. THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ................................58

3.1. Kịch bản mô phỏng ...................................................................................58
3.2. Các kết quả và đánh giá ............................................................................60
3.2.1. Thông lượng trung bình .....................................................................60
3.2.2. Tỷ lệ truyền gói thành công ...............................................................62
3.2.3. Trễ truyền gói trung bình ...................................................................64
3.2.4. Tải định tuyến ....................................................................................66
3.3. Tổng kết Chương 3 ...................................................................................68
KẾT LUẬN ..........................................................................................................70
TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................72


1

MỞ ĐẦU
Được hình thành bởi các kết nối tạm thời giữa các nút mạng di động không
có sự hỗ trợ của cơ sở hạ tầng mạng cố định, mạng MANET có nhiều những đặc
điểm khác biệt so với mạng không dây và có dây truyền thống làm nảy sinh
nhiều thách thức và các hướng nghiên cứu khác nhau: vấn đề định tuyến hiệu
quả khi topo mạng thay đổi, đảm bảo chất lượng dịch vụ theo yêu cầu từ chương
trình ứng dụng, đảm bảo an ninh mạng, tiết kiệm năng lượng, khả năng tự tổ
chức, chuyển đổi các dịch vụ từ mô hình client-server và đảm bảo hiệu năng kích
thước mạng thay đổi. Kết quả của nghiên cứu phân loại và đánh giá về số lượng
các nghiên cứu theo các hướng khác nhau đối với mạng MANET trong thời gian
gần đây cho thấy, hướng nghiên cứu về định tuyến trong mạng MANET đứng
đầu về số lượng các nghiên cứu đã được công bố. Như vậy, có thể khẳng định,
định tuyến trong mạng MANET đã và đang là một vấn đề rất cần được quan tâm
giải quyết trong những nghiên cứu cải tiến hiệu năng mạng MANET.
AODV (Ad hoc On demand Distance Vector Routing Protocol) là một
trong các giao thức định tuyến tiêu biểu trong nhóm các giao thức định tuyến
đơn đường có cơ chế định tuyến kết hợp giữa chiến lược định tuyến tìm đường

theo yêu cầu với các chiến lược định tuyến cập nhật theo sự kiện, định tuyến
phẳng, định tuyến từng chặng và định tuyến phân tán. Từ khi được giới thiệu lần
đầu vào năm 2001 cho tới nay, đã có nhiều đề xuất cải tiến giao thức AODV
theo các mục tiêu: Đảm bảo tính sẵn sàng chuyển tiếp dữ liệu, tiết kiệm năng
lượng, hỗ trợ QoS và đảm bảo an ninh định tuyến. Trong số các đề xuất cải tiến
này, có nhiều đề xuất đã sử dụng phương pháp khai thác thông tin định tuyến
theo cách tiếp cận liên tầng để xây dựng cơ chế định tuyến với độ đo định tuyến


2

mới thay cho độ đo số chặng của giao thức AODV nhưng không hướng tới mục
tiêu giảm tắc nghẽn gây ra bởi thuật toán tìm đường ngắn nhất theo số chặng đã
đề cập ở trên.
Mục đích của đề tài là nghiên cứu một phương pháp định tuyến xuyên tầng,
ước lượng chất lượng của các liên kết từ tầng MAC và truyền thông tin ngược
lên tầng định tuyến để sử dụng làm thông tin đầu vào cho thuật toán chọn đường
của giao thức định tuyến. Phương pháp này sẽ được áp dụng thử nghiệm để cải
tiến giao thức AODV nhằm tăng hiệu năng định tuyến trong mạng MANET.
Luận văn có bố cục như sau: Sau phần mở đầu, nội dung giới thiệu Chương
1 trình bày về vấn đề định tuyến trong mạng MANET. Lý thuyết về phương
pháp và kỹ thuật cải tiến giao thức định tuyến AODV trên cơ sở đánh giá chất
lượng liên kết được trình bày trong Chương 2. Các kết quả của việc thử nghiệm
đánh giá kết quả về hiệu năng của giao thức cải tiến AODV-DM so với giao thức
gốc AODV được trình bày trong Chương 3. Cuối cùng là phần kết luận đưa ra
những tổng kết và hướng phát triển của luận văn.


3

CHƯƠNG 1. ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG MANET
1.1. Giới thiệu về mạng MANET
1.1.1. Khái niệm mạng MANET
Mạng MANET (Mobile Ad hoc Network) [18] 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 láng giềng để chuyển
tiếp các gói dữ liệu. Hình 1.1 minh họa một mạng MANET. Trong ví dụ này, các
gói tin từ nút nguồn là một máy tính cần chuyển tới một nút đích là một điện
thoại thông minh không nằm trong phạm vi truyền của nút nguồn. Vì vậy, 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 cho mạng MANET.

Hình 1.1. Một ví dụ của mạng MANET
Thuật ngữ “Ad hoc” áp dụng cho mạng không dây mô tả một mạng không
có cơ sở hạ tầng cố định, trong đó hình trạng mạng được tạo thành bởi chính các


4

nút mạng. Chế độ “Ad hoc” của chuẩn IEEE 802.11 [33] 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 (MANET) đã mở rộng khái niệm “Ad hoc” đa
chặng [66] 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.
Các nút trong mạng MANET thông thường sẽ 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 MANET
Do MANET 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
MANET còn có một số đặc điểm nổi bật sau [8]:
 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


5

những thời điểm không xác định trước. Trong khi thay đổi, cấu trúc của mạng
MANET 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 MANET
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 MANET 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 MANET. Để có thể triển khai được mạng MANET trong
thực tế, các thiết kế mạng MANET phải giải quyết được những thách thức sinh
ra do những đặc điểm đã nêu trên của mạng MANET. 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


6

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 MANET
Ngày nay, mạng MANET 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. Ngày nay, mạng MANET được ứng dụng
trong rất nhiều lĩnh vực từ các ứng dụng trong 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 MANET 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 MANET.
Ứng dụng mạng MANET trông quân đội là một trong những ý tưởng được
đưa ra ngay từ khi mạng MANET 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


7

trạm chỉ huy một cách linh động thông qua mạng MANET 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 MANET. 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 MANET 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 MANET
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,…
Trong vấn đề quản lý và hỗ trợ giao thông, mỗi phương tiện giao thông là
một nút mạng di động trong mạng MANET 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.


8

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 MANET
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. Định tuyến trong mạng MANET
1.2.1. Những yêu cầu đối với giao thức định tuyến trong mạng MANET

Như đã được đề cập ở phần trước, mạng MANET có những khác biệt lớn
với mạng truyền thống về tài nguyên hạn chế tại các nút mạng, băng thông hạn
chế, tỷ lệ lỗi cao, topo mạng thay đổi liên tục. Do đó, các giao thức định tuyến
trong mạng MANET cần đảm bảo được những yêu cầu sau [3]:


Tối thiểu hóa tải điều khiển: Việc truyền và nhận các gói tin điều khiển đều
tiêu tốn băng thông mạng, tài nguyên xử lý và năng lượng pin. Giao thức định
tuyến nào giảm được số lượng các gói tin điều khiển thì sẽ tiết kiệm được
những tài nguyên này.



Tối thiểu hóa tải xử lý: Những thuật toán phức tạp yêu cầu tài nguyên CPU
cao dẫn đến trễ xử lý lớn và tốn pin tại các nút mạng. Giao thức định tuyến có
thuật toán đơn giản sẽ kéo dài được thời gian hoạt động của toàn mạng.



Hỗ trợ định tuyến đa chặng: Mỗi nút mạng không dây chỉ có khả năng truyền
tín hiệu trong một phạm vi giới hạn nên để thực hiện việc truyền dữ liệu trong


9

mạng, giao thức định tuyến phải có khả năng tìm được các đường đa chặng
giữa các cặp nút nguồn – đích.


Đáp ứng được với sự thay đổi về topo mạng: Giao thức định tuyến phải có

khả năng duy trì được các đường đã tìm được khi nút nguồn, nút đích hoặc
các nút trung gian trên các đường đó di chuyển. Các kết nối trong mạng
MANET cũng thường xuyên bị phá vỡ nên giao thức định tuyến phải có khả
năng phản ứng nhanh với tải điều khiển nhỏ nhất.



Ngăn chặn định tuyến lặp: Vấn đề định tuyến lặp bởi việc một nút chọn chặng
kế tiếp của đường là một nút trước đó đã xuất hiện. Khi tồn tại đường lặp
vòng, các gói dữ liệu sẽ bị chuyển tiếp liên tục trong vòng mà không đến
được đích cho đến khi trường TTL của nó bằng không. Hiện tượng này gây
tốn băng thông và giảm hiệu năng mạng. Vì vậy, giao thức định tuyến phải có
khả năng tìm được các đường không lặp.

1.2.2. Một số chiến lược định tuyến trong mạng MANET
 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
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, nhược điểm
của chúng là tính toán và tìm ra những con đường tới mọi đích nên có thể có một


10

số con đường sẽ không bao giờ được sử dụng và kỹ thuật quảng bá bảng định

tuyến định kỳ sẽ chiếm dụng nhiều băng thông mạng khi trạng thái các liên kết
và topo mạng thay đổi với tốc độ nhanh.
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
trình tìm kiếm tuyến đường có thể gây ra một độ trễ truyền tin đáng kể.
 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


11

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
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


12

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.

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.


13

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
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.


14

Hình 1.4. Truyền dữ liệu theo chiến lược định tuyến nguồn
Trong chiến lược định tuyến từng chặng, con đường tới 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
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


15

 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 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.
Trong số các phương pháp phân loại các chiến lược định tuyến đã được
trình bày ở trên, phương pháp phân loại theo tiêu chí thời điểm định tuyến bao
gồm hai chiến lược là định tuyến tìm đường trước và định tuyến tìm đường theo
yêu cầu được sử dụng rất rộng rãi. Với các giao thức sử dụng chiến lược định
tuyến tìm đường trước kết hợp với cơ chế điều khiển dạng bảng, đường truyền
dữ liệu giữa mọi cặp nút nguồn, đích trong mạng sẽ được khám phá trước khi có
yêu cầu truyền dữ liệu. Tuy nhiên, do sự thay đổi ngẫu nhiên với tần suất lớn của


16

các nút mạng trong mạng MANET nên chiến lược định tuyến này chỉ phù hợp
với các mô hình mạng MANET tương đối tĩnh, sự thay đổi về topo mạng diễn ra
không nhiều. Thêm vào đó, việc khám phá tất cả các đường đi giữa các cặp nút
nguồn-đích bất kỳ trong mạng là không cần thiết và lãng phí vì có những con
đường sẽ không được sử dụng. Vì vậy, luận án này chỉ tập trung vào các nghiên
cứu đối với các giao thức định tuyến sử dụng chiến lược định tuyến theo yêu
cầu.
1.3. Giao thức định tuyến AODV

1.3.1. Giới thiệu về giao thức AODV
AODV [19] 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 MANET. 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
nút có yêu cầu tìm đường. Nút yêu cầu sẽ lựa chọn một con đường có số thứ thứ
lớn nhất.


17

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
 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
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


18

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.
 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.
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


19

kế tiếp bị đứt. Danh sách các con trỏ trước chứa các địa chỉ các nút láng giềng
của các đường nghịch.
 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

20

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.
 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