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)
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.45 MB, 78 trang )
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG
Phạm Thị Hồng An
NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ƢỚC LƢỢNG
CHẤT LƢỢNG LIÊN KẾT VÀ CẢI TIẾN THUẬT TOÁN
CHỌN ĐƢỜNG CHO GIAO THỨC AODV
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH
Thái Nguyên - 2019
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG
Phạm Thị Hồng An
NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ƢỚC LƢỢNG
CHẤT LƢỢNG LIÊN KẾT VÀ CẢI TIẾN THUẬT TOÁN
CHỌN ĐƢỜNG CHO GIAO THỨC AODV
Ngành: Khoa học máy tính
Mã số: 8480101
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS. TS. NGUYỄN VĂN TAM
Thái Nguyên - 2019
LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian học tập và rèn luyện tại Trƣờng 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 Trƣờng Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông –
Đại học Thái Nguyên cùng các thầy, cô giáo đã nhiệt tình hƣớng 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, ngƣời thầy đã trực tiếp hƣớng 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 đƣợc sự đóng góp ý kiến của
các thầy cô giáo, bạn bè và đồng nghiệp để luận văn của tôi đƣợc 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
CHƢƠNG 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 lƣợc 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 lƣợng và tăng độ bền vững của đƣờng. .................... 29
1.4.3. Hỗ trợ chất lƣợng 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 Chƣơng 1 ................................................................................... 36
CHƢƠNG 2. CẢI TIẾN GIAO THỨC AODV TRÊN CƠ SỞ ĐÁNH GIÁ
CHẤT LƢỢNG LIÊN KẾT ................................................................................. 38
2.1. Ƣớc lƣợng 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. Ƣớc lƣợng 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 ƣớc lƣợng tỷ lệ lỗi frame của liên kết................................... 48
2.2.4. Module định tuyến ............................................................................. 52
2.3. Tổng kết Chƣơng 2 ................................................................................... 56
CHƢƠNG 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 lƣợng 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 Chƣơng 3 ................................................................................... 68
KẾT LUẬN .......................................................................................................... 70
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 72
1
MỞ ĐẦU
Đƣợc 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 hƣớng nghiên cứu khác nhau: vấn đề định tuyến hiệu
quả khi topo mạng thay đổi, đảm bảo chất lƣợng dịch vụ theo yêu cầu từ chƣơng
trình ứng dụng, đảm bảo an ninh mạng, tiết kiệm năng lƣợng, khả năng tự tổ
chức, chuyển đổi các dịch vụ từ mô hình client-server và đảm bảo hiệu năng kích
thƣớc mạng thay đổi. Kết quả của nghiên cứu phân loại và đánh giá về số lƣợng
các nghiên cứu theo các hƣớng khác nhau đối với mạng MANET trong thời gian
gần đây cho thấy, hƣớng nghiên cứu về định tuyến trong mạng MANET đứng
đầu về số lƣợng các nghiên cứu đã đƣợc công bố. Nhƣ vậy, có thể khẳng định,
định tuyến trong mạng MANET đã và đang là một vấn đề rất cần đƣợc 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 đƣờng có cơ chế định tuyến kết hợp giữa chiến lƣợc định tuyến tìm đƣờng
theo yêu cầu với các chiến lƣợc định tuyến cập nhật theo sự kiện, định tuyến
phẳng, định tuyến từng chặng và định tuyến phân tán. Từ khi đƣợc 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
lƣợng, 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 phƣơng 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 nhƣng không hƣớng tới mục
tiêu giảm tắc nghẽn gây ra bởi thuật toán tìm đƣờng ngắn nhất theo số chặng đã
đề cập ở trên.
Mục đích của đề tài là nghiên cứu một phƣơng pháp định tuyến xuyên tầng,
ƣớc lƣợng chất lƣợng của các liên kết từ tầng MAC và truyền thông tin ngƣợc
lên tầng định tuyến để sử dụng làm thông tin đầu vào cho thuật toán chọn đƣờng
của giao thức định tuyến. Phƣơng pháp này sẽ đƣợc áp dụng thử nghiệm để cải
tiến giao thức AODV nhằm tăng hiệu năng định tuyến trong mạng MANET.
Luận văn có bố cục nhƣ sau: Sau phần mở đầu, nội dung giới thiệu Chƣơng
1 trình bày về vấn đề định tuyến trong mạng MANET. Lý thuyết về phƣơng
pháp và kỹ thuật cải tiến giao thức định tuyến AODV trên cơ sở đánh giá chất
lƣợng liên kết đƣợc trình bày trong Chƣơng 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 đƣợc trình bày trong Chƣơng 3. Cuối cùng là phần kết luận đƣa ra
những tổng kết và hƣớng phát triển của luận văn.
3
CHƢƠNG 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 đƣợc 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 đƣợc 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 đƣợc từ một nút mạng khác. Nói cách khác, con đƣờng 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 đƣờng đã đƣợc hình thành.
Các nút trong mạng MANET thông thƣờng 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 đƣợc 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 đƣờng 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 chƣơng trình ứng dụng của ngƣời 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 thƣờng xuyên thay đổi một cách ngẫu nhiên ở
5
những thời điểm không xác định trƣớc. 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 lƣợng liên kết hạn chế: Các liên kết không dây thƣờng có băng thông
nhỏ hơn so với các liên kết có dây. Ngoài ra, do ảnh hƣởng 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 thƣờng thấp hơn nhiều so với tốc độ truyền tối đa theo
lý thuyết của môi trƣờng 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 thƣờng 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 lƣợng bộ
nhớ và năng lƣợng nguồn pin nuôi sống hoạt động của nút.
Độ bảo mật thấp ở mức độ vật lý: Mạng không dây di động thƣờng 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 nhƣ nghe lén, giả mạo và tấn công từ chối dịch vụ thƣờng 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 hƣởng rất nhiều đến
hiệu năng của mạng MANET. Để có thể triển khai đƣợc mạng MANET trong
thực tế, các thiết kế mạng MANET phải giải quyết đƣợc 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 nhƣ khả năng truyền dữ liệu và định tuyến hiệu quả khi
kích thƣớc mạng thay đổi; đảm bảo chất lƣợng dịch vụ (QoS) cho các chƣơng
trình ứng dụng; cơ chế chuyển đổi một số dịch vụ từ mô hình client-server; tiết
6
kiệm năng lƣợng 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 ngƣời. Mô hình mạng này phù hợp đối với những tình huống
cần triển khai hệ thống mạng một cách nhanh chóng, linh động và thƣờng xuyên
có sự biến đổi trong cấu trúc mạng. Ngày nay, mạng MANET đƣợc ứng dụng
trong rất nhiều lĩnh vực từ các ứng dụng trong thƣơng 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 thƣơng mại, những ngƣời
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 ngƣời dùng mà
không cần sự hiện diện của các bộ thu phát tập trung. Kết nối Internet từ một
thiết bị của một ngƣời dùng cũng có thể đƣợc chia sẻ tới các thiết bị của những
ngƣời dùng khác thông qua mạng MANET.
Ứng dụng mạng MANET trông quân đội là một trong những ý tƣởng đƣợc
đƣa ra ngay từ khi mạng MANET đƣợc phát triển. Trong mô hình chiến đấu của
quân đội trên chiến trƣờng không có sự hỗ trợ về hạ tầng mạng cố định, mỗi
ngƣời lính hoặc một phƣơng tiện quân sự nhƣ xe tăng, máy bay, tàu chiến, tàu
thủy đều có thể đƣợc 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 đƣợc hình thành bởi
kết nối giữa các thiết bị di động truyền thông không dây đƣợc gắn vào các
phƣơng tiện quân sự hay những ngƣời lính tham gia vào cuộc chiến.
Tại các vùng bị thiên tai, thảm họa, có thể tất cả các phƣơng tiện và hạ
tầng truyền thông đƣợc xây dựng trƣớc đó đều bị phá hủy hoàn toàn. Mỗi chiếc
xe của cảnh sát, cứu hỏa, cứu thƣơng,… có thể đƣợc 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 nhƣ vai trò nhƣ các bộ định tuyến.
Mỗi thiết bị thông minh trong gia đình, các điên thoại di động thông minh
và máy tính của những ngƣời sử dụng trong văn phòng, trong môi trƣờng trƣờng
học, các lớp học có thể đóng vai trò nhƣ một nút mạng trong một mạng MANET
đƣợc 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 phƣơng tiện giao thông là
một nút mạng di động trong mạng MANET đƣợc 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 đƣờng 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
lƣợng, 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 nhƣ: giám sát môi trƣờng
(không khí, đất, nƣớc), theo dõi môi trƣờng 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
Nhƣ đã đƣợc đề cập ở phần trƣớc, 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 đƣợc 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 lƣợng pin. Giao thức định
tuyến nào giảm đƣợc số lƣợng các gói tin điều khiển thì sẽ tiết kiệm đƣợc
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 đƣợc 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 đƣợc các đƣờng đa chặng
giữa các cặp nút nguồn – đích.
Đáp ứng đƣợc với sự thay đổi về topo mạng: Giao thức định tuyến phải có
khả năng duy trì đƣợc các đƣờng đã tìm đƣợc khi nút nguồn, nút đích hoặc
các nút trung gian trên các đƣờng đó di chuyển. Các kết nối trong mạng
MANET cũng thƣờng 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 đƣờng là một nút trƣớc đó đã xuất hiện. Khi tồn tại đƣờng lặp
vòng, các gói dữ liệu sẽ bị chuyển tiếp liên tục trong vòng mà không đến
đƣợc đích cho đến khi trƣờng TTL của nó bằng không. Hiện tƣợng này gây
tốn băng thông và giảm hiệu năng mạng. Vì vậy, giao thức định tuyến phải có
khả năng tìm đƣợc các đƣờng không lặp.
1.2.2. Một số chiến lược định tuyến trong mạng MANET
Định tuyến tìm đƣờng trƣớc và tìm đƣờng theo yêu cầu
Kiểu định tuyến tìm đƣờng trƣớc còn đƣợc gọi là “định tuyến kích hoạt
trƣớc” hay “định tuyến điều khiển dạng bảng”. Đối với kiểu định tuyến này, các
con đƣờng tới mọi đích đƣợc tìm ra trƣớc khi có nhu cầu truyền dữ liệu tại mọi
nút mạng. Trạng thái của các liên kết đƣợc lƣu trữ và cập nhật định kỳ trong
bảng định tuyến để phục vụ cho thuật toán tìm đƣờng tại mỗi nút mạng. Ƣu điểm
của kỹ thuật định tuyến này là khi có yêu cầu truyền dữ liệu, con đƣờng 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 đƣờng để truyền dữ liệu. Tuy nhiên, nhƣợc điểm
của chúng là tính toán và tìm ra những con đƣờng tới mọi đích nên có thể có một
10
số con đƣờng sẽ không bao giờ đƣợc 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 đƣờng theo yêu cầu, chỉ khi có nhu
cầu sử dụng đƣờng truyền dữ liệu, các nút liên quan mới khởi tạo tiến trình tìm
đƣờng và trao đổi thông tin định tuyến. Phƣơng pháp này có ƣu điểm là tiết kiệm
băng thông mạng dành cho tải định tuyến nhƣng cũng có nhƣợc điểm là quá
trình tìm kiếm tuyến đƣờng 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 đƣợc cập
nhật kịp thời, thông tin định tuyến cần đƣợc quảng bá tới các nút mạng. Trên cơ
sở cách thức quảng bá thông tin định tuyến, ta có thể phân loại các chiến lƣợc
định tuyến thành hai nhóm là định tuyến cập nhật định kỳ và định tuyến cập nhật
theo sự kiện. Chiến lƣợc định tuyến theo chu kỳ sẽ duy trì độ ổn định của mạng
và quan trọng nhất là cho phép các nút mạng học đƣợc 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. Ngƣợc lại, nếu chu kỳ cập nhật thông tin định tuyến là quá ngắn, sẽ có
quá nhiều gói tin định tuyến đƣợc sinh ra và quảng bá trong mạng gây ra sự lãng
phí về tài nguyên mạng.
Đối với chiến lƣợc 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 đƣợc 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 đƣợc sinh ra làm lãng phí băng thông mạng và biến
động đối với các con đƣờng 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 lƣợc định tuyến này tƣơng 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 lƣợc 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 lƣợc định tuyến phân cấp đƣợc đề xuất nhằm giải
quyết vấn đề này.
Trong chiến lƣợc định tuyến phân cấp, các nút mạng đƣợc 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 tƣơng
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 đƣợc 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 đƣờng trƣớc. 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 đƣợc sử dụng. Định tuyến liên vùng thƣờng hoạt động
theo cơ chế định tuyến theo yêu cầu hoặc cơ chế kết hợp giữa định tuyến tìm
12
đƣờng trƣớc và định tuyến theo yêu cầu. Các giao thức tiêu biểu sử dụng chiến
lƣợc định tuyến phân cấp là HSR và CGSR.
Hình 1.2 và Hình 1.3 minh họa cho các con đƣờng đƣợc hình thành bởi các
giao thức định tuyến hoạt động theo chiến lƣợc 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 lƣợc 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 đƣờng khi cần thiết. Các giao thức định tuyến sử dụng
chiến lƣợc định tuyến này còn đƣợc gọi là các giao thức định tuyến kiểu trạng
thái đƣờng liên kết. Giao thức OLSR là một giao thức định tuyến kiểu trạng thái
đƣờng liên kết tiêu biểu.
13
Trong chiến lƣợc 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 đƣờng, nhiều
nút mạng sẽ cùng tham gia vào tiến trình tìm đƣờng. Chiến lƣợc định tuyến này
còn đƣợc gọi là định tuyến kiểu véc tơ khoảng cách. AODV và DSDV là các
giao thức định tuyến tiêu biểu sử dụng chiến lƣợc định tuyến này.
Định tuyến nguồn và định tuyến từng chặng
Có một vài giao thức định tuyến đƣa thông tin về toàn bộ con đƣờng 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 đƣợc trong phần
header. Chiến lƣợc định tuyến này đƣợc gọi là định tuyến nguồn. Ƣu điểm của
chiến lƣợc định tuyến này là các nút trung gian không cần duy trì thông tin định
tuyến cập nhật để tìm đƣờng 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 lƣợc này lại có nhƣợc điểm là làm tăng kích thƣớc của các gói tin
dữ liệu, đặc biệt với các con đƣờng dài và các mạng có kích thƣớc 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 lƣợc định tuyến từng chặng, con đƣờng tới nút đích đƣợc
phân bố trong các “chặng kế tiếp” của các nút thuộc con đƣờng này. Khi một nút
nhận đƣợc một gói tin cần truyền tới một đích xác định, nó sẽ chuyển tiếp gói tin
này tới chặng kế tiếp tƣơng ứng trên con đƣờng. 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 đƣờng gây ra định tuyến lặp. Giao thức
AODV là một trong những giao thức tiêu biểu sử dụng chiến lƣợc định tuyến
từng chặng. Hình 1.5 minh họa kỹ thuật chuyển tiếp gói tin của giao thức hoạt
động theo chiến lƣợc định tuyến từng chặng.
Hình 1.5. Truyền dữ liệu theo chiến lược định tuyến từng chặng
15
Định tuyến đơn đƣờng và định tuyến đa đƣờng
Đối với các giao thức định tuyến đơn đƣờng, chỉ có tối đa một con đƣờng
tối ƣu theo độ đo định tuyến của chúng đƣợc cài đặt vào bảng định tuyến sau
mỗi tiến trình tìm đƣờng mặc dù chúng có thể nhận đƣợc thông tin về nhiều con
đƣờng tới cùng một đích trong cùng một tiến trình tìm đƣờng. Tại mỗi nút mạng,
các gói tin dữ liệu sẽ đƣợc chuyển tiếp theo con đƣờng thích hợp có trong bảng
định tuyến. Khi một liên kết trên con đƣờng đó bị lỗi, nút mạng này phải khởi
tạo lại tiến trình tìm đƣờng.
Để tiết kiệm tài nguyên hệ thống mạng trong các tiến trình tìm đƣờng, các
giao thức định tuyến đa đƣờng cho phép tìm và cài đặt nhiều hơn một con đƣờng
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 đƣờng tốt nhất sẽ đƣợc sử
dụng và những con đƣờng còn lại sẽ đóng vai trò là đƣờng dự phòng. Khi đƣờng
chính bị lỗi, các đƣờng dự phòng sẽ đƣợc sử dụng để chuyển tiếp các gói tin nếu
chúng vẫn trong trạng thái còn hoạt động đƣợc. Thêm vào đó, nếu cơ chế cân
bằng tải đƣợc sử dụng, có thể phân lƣu lƣợng dữ liệu cần truyền thành nhiều
luồng đƣợc truyền song song trên các con đƣờng tới cùng một đích.
Trong số các phƣơng pháp phân loại các chiến lƣợc định tuyến đã đƣợc
trình bày ở trên, phƣơng pháp phân loại theo tiêu chí thời điểm định tuyến bao
gồm hai chiến lƣợc là định tuyến tìm đƣờng trƣớc và định tuyến tìm đƣờng theo
yêu cầu đƣợc sử dụng rất rộng rãi. Với các giao thức sử dụng chiến lƣợc định
tuyến tìm đƣờng trƣớc kết hợp với cơ chế điều khiển dạng bảng, đƣờng truyền
dữ liệu giữa mọi cặp nút nguồn, đích trong mạng sẽ đƣợc khám phá trƣớc 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 lƣợc định tuyến này chỉ phù hợp
với các mô hình mạng MANET tƣơng đối tĩnh, sự thay đổi về topo mạng diễn ra
không nhiều. Thêm vào đó, việc khám phá tất cả các đƣờng đi giữa các cặp nút
nguồn-đích bất kỳ trong mạng là không cần thiết và lãng phí vì có những con
đƣờng sẽ không đƣợc sử dụng. Vì vậy, luận án này chỉ tập trung vào các nghiên
cứu đối với các giao thức định tuyến sử dụng chiến lƣợc 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 đƣợc các đƣờng tới một đích một cách nhanh chóng và không yêu
cầu các nút duy trì các con đƣờng tới đích khi không truyền thông. Đồng thời,
giao thức này cho phép các nút di động làm việc đƣợc 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 đƣờng bị lỗi.
Giao thức này sử dụng số thứ tự đích cho mỗi entry trong bảng định tuyến để
biểu diễn “độ mới” của đƣờng. Số thứ tự đích do nút đích tạo ra đƣợc đƣa vào
các gói tin điều khiển cùng với các thông tin định tuyến khác và đƣợc gửi đi đến
nút có yêu cầu tìm đƣờng. Nút yêu cầu sẽ lựa chọn một con đƣờng có số thứ thứ
lớn nhất.
17
Các gói yêu cầu đƣờng (RREQ), trả lời đƣờng (RREP), báo lỗi đƣờng
(RERR) và gói Hello là các gói điều khiển đƣợc định nghĩa trong AODV. Khi
một nút cần tìm đƣờng đến đích, nó sẽ quảng bá gói RREQ. Quá trình quảng bá
gói RREQ tạo ra các đƣờng nghịch (reverse route) hƣớng tới nút nguồn tại các
nút nhận gói. Khi một nút nhận đƣợc gói RREQ, nếu nó là nút đích hoặc là nút
trung gian nhƣng có thông tin về đƣờng “đủ mới” thoả mãn yêu cầu của nút
nguồn, nó sẽ gửi gói RREP dạng unicast tới nút nguồn để trả lời đƣờng. Quá
trình truyền gói RREP tạo ra các đƣờng thuận (forward route) hƣớng tới nút đích
tại các nút nhận gói. Gói Hello đƣợc sử dụng để theo dõi trạng thái của liên kết.
Khi một liên kết thuộc một đƣờng bị đứt gói RERR đƣợc sử dụng để báo lỗi
đƣờng 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 đƣợc khi một liên kết bị đứt hoặc đang ở trạng
thái không hợp lệ. Khi những điều kiện này xảy ra, đƣờng chứa liên kết này sẽ
đƣợc coi là mất hiệu lực bằng thao tác gán số thứ tự và đánh dấu trong bảng định
tuyến là đƣờng không hợp lệ.
1.3.2. Cơ chế hoạt động của giao thức AODV
Duy trì các số thứ tự
Số thứ tự đƣợc gán cho mỗi đƣờng trong bảng định tuyến là “độ mới” của
con đƣờng. Nó đƣợc gọi là “số thứ tự đích” vì nó biểu diễn “độ mới” cho con
đƣờng tới một đích xác định để tránh định tuyến lặp. Nó đƣợc cập nhật khi một
nút nhận đƣợc thông tin mới hơn từ các thông điệp RREQ, RREP hoặc RERR
liên quan đến đích. Số thứ tự đích đƣợc mỗi nút duy trì một cách độc lập. Một
nút sẽ tăng số thứ tự của nó: (1) trƣớc khi gửi gói RREQ; (2) trƣớc khi gửi gói
18
RREP; (3) khi nhận đƣợc thông tin về trạng thái liên kết tới chặng kế tiếp của
đƣờng tới đích bị lỗi.
Để khẳng định rằng thông tin về đƣờng đi tới một đích là mới, một nút chỉ
cập nhật thông tin từ các gói điều khiển của AODV nó nhận đƣợc 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 trƣớc
Bảng định tuyến của AODV bao gồm các entry, mỗi entry là biểu diễn một
đƣờng 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 trƣớc và thời
gian sống của đƣờng.
Khi một nút nhận đƣợc gói RREQ, RREP hoặc RRER, nó sẽ kiểm tra bảng
định tuyến đã có entry biểu diễn đƣờng tới đích. Nếu chƣa có, nó sẽ tạo entry
mới. Một entry chỉ đƣợc 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
nhƣng số chặng của đƣờng mới cộng một nhỏ hơn số chặng hiện tại của entry
hiện tại; (iii) chƣa đƣợc biết đến.
Thời gian hoạt động của mỗi entry đƣợc xác định từ gói điều khiển nhận
đƣợc hoặc đƣợc khởi tạo tới bằng giá trị ACTIVE_ROUTE_TIMEOUT. Khi
entry đƣợc sử dụng để chuyển tiếp gói dữ liệu, giá trị trƣờng này đƣợc cập nhật
bằng thời gian hiện tại cộng với ACTIVE_ROUTE_TIMEOUT. Nếu thời gian
hiện tại lớn hơn giá trị trƣờng này, entry sẽ đƣợc đánh dấu là không hợp lệ.
Với mỗi entry trong bảng định tuyến duy trì danh sách các con trỏ trƣớc.
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 trƣớc chứa các địa chỉ các nút láng giềng
của các đƣờng nghịch.
Tạo gói yêu cầu tìm đƣờng RREQ
Giao thức AODV sử dụng gói tin RREQ để gửi yêu cầu tìm đƣờng. Cấu
trúc gói RREQ đƣợc biểu diễn trong Hình 1.6.
Một nút sẽ gửi gói RREQ khi cần chuyển tiếp một gói dữ liệu tới một đích
nhƣng nó không có entry hợp lệ trong bảng định tuyến. Trƣờng Destination
Sequence Number đƣợc thiết lập bằng số thứ tự đích của entry có đích tƣơng ứng
trong bảng định tuyến. Nếu entry này không tồn tại, cờ „U‟ đƣợc thiết lập là
True. Trƣờng Originator Sequence Number đƣợc thiết lập giá trị bằng số thứ tự
của nút cộng một. Trƣờng RREQ ID đƣợc thiết lập bằng giá trị RREQ ID của
nút cộng một. Mỗi nút duy trì giá trị RREQ ID một cách độc lập. Trƣờng Hop
Count đƣợc thiết lập bằng 0. Trƣờng Originator IP Address và Destination IP
Address chứa địa chỉ IP tƣơng ứng của nút hiện tại (nguồn) và nút đích.
Hình 1.6. Cấu trúc gói RREQ
20
Trƣớc khi quảng bá gói RREQ, nút nguồn lƣu giá trị trƣờng 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
đƣợc xử lý và chuyển tiếp. Nếu cờ „G‟ đƣợc thiết lập, khi nút trung gian gửi gói
RREP để trả lời đƣờng, nó sẽ thông tin cho nút đích đƣờng quay trở lại nút
nguồn.
Số gói RREQ đƣợc 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 sẽ là (2n x NET_TRAVERSAL_TIME).
Dữ liệu cần chuyển tiếp trong thời gian tìm đƣờng đƣợc lƣu trữ vào bộ nhớ
đệm kiểu FIFO. Nếu sau RREQ_RETRIES lần gửi lại gói RREQ, nút nguồn
không tìm đƣợc đƣờng, dữ liệu trong bộ nhớ đệm sẽ bị xóa và thông điệp
Destination Unreachable sẽ đƣợc 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 đƣờng mở rộng dần theo vòng trên cơ sở thay đổi giá
trị trƣờng TTL trong gói IP chứa gói RREQ. Giá trị trƣờng này đƣợc khởi tạo ở
lần
tìm
đƣờng
thứ
nhất
là
TTL_START.
Nếu
sau
thời
gian
RING_TRAVERAL_TIME, nút nguồn không nhận đƣợc gói trả lời đƣờng
RREP, nó sẽ tăng giá trị trƣờng TTL lên TTL_INCREMENT đơn vị và gửi lại
gói RREQ. Việc này sẽ tiếp tục cho đến khi TTL đƣợc thiết lập trong RREQ đạt
