(Luận văn thạc sĩ) Kỹ thuật định tuyến đa đường trong mạng không dây phi cấu trúc

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

Nông Thị Hồng

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

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

Nông Thị Hồng

KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN ĐA ĐƢỜNG
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

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. NGUYỄN ĐÌNH DŨNG

Thái Nguyên - 2019

LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian học tập và nghiên cứu tại trƣờng 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 đƣợc kết quả này, em xin bày tỏ
sự kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc tới:
– TS. Nguyễn Đình Dũng, Trƣờng ĐH CNTT & TT – ĐHTN: cán bộ
hƣớng 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 trƣờng Trƣờng Đại học CNTT & TT - ĐHTN đã
tận tình chỉ bảo, hƣớng 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 ngƣời 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 đƣợc sự đóng góp ý kiến của các thầy, cô và mọi ngƣời 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
CHƢƠNG 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 lƣợc định tuyến trong mạng không dây phi cấu trúc ............ 8
1.2.1. Phân loại các chiến lƣợc định tuyến .................................................... 8
1.2.2. Mô tả các chiến lƣợc 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 Chƣơng 1 ................................................................................... 25
CHƢƠNG 2. GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN ĐA ĐƢỜNG 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 đƣờng 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 đƣờng ................................................................. 40
2.2.3. Tiến trình khám phá đƣờng ................................................................ 42
2.2.4. Cơ chế bảo trì đƣờng .......................................................................... 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 đƣờng.................................................................... 49


2.4. Tổng kết Chƣơng 2 ................................................................................... 52
CHƢƠNG 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 trƣờng 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 lƣợng kết nối .................................................................. 65
3.4.3. Thay đổi tốc độ dữ liệu ...................................................................... 68
3.4.4. Số lƣợng đƣờng .................................................................................. 70
3.5. Tổng kết Chƣơng 3 ................................................................................... 72
KẾT LUẬN .......................................................................................................... 74
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 76


1
MỞ ĐẦU
Mạng không dây phi cấu trúc đƣợc 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
đƣợc ứng dụng rộng rãi ngày nay nhƣ 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 lƣợng đƣờng 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 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 dữ


2
liệu 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.
Mục đích của đề tài là nghiên cứu về các chiến lƣợc định tuyến và cơ chế
hoạt động giao thức định tuyến AODV – một giao thức định tuyến đơn đƣờng
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 đƣờng
AODV và giao thức định tuyến đa đƣờng AOMDV sẽ đƣợc 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 đƣợc bố cục nhƣ 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 đƣợc trình bày trong Chƣơng 1. Đề xuất cải tiến
thiết kế và triển khai giao thức định tuyến đa đƣờng AOMDV sẽ đƣợc trình bày
trong Chƣơng 2. Hiệu năng của giao thức đƣợc cải tiến AOMDV sẽ đƣợc so
sánh, phân tích và đánh giá với giao thức gốc AODV trong Chƣơng 3 thông qua
nhiều kịch bản mô phỏng đƣợc thực hiện trên NS-2. Cuối cùng là phần kết luận
đƣa ra những tổng kết và hƣớng phát triển của luận văn.

3
CHƢƠNG 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 đƣợc 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 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.
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 đƣợc
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 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 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 thƣờng xuyên thay đổi một cách ngẫu nhiên ở
những thời điểm không xác định trƣớc. 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 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 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 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 hƣởng rất nhiều đến
hiệu năng của mạng không dây phi cấu trúc. Để có thể triển khai đƣợc mạng
không dây phi cấu trúc trong thực tế, các thiết kế mạng phải giải quyết đƣợc


6
những thách thức sinh ra do những đặc điểm đã nêu trên. 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
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 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 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. Chúng còn đƣợc ứng dụng
rất nhiều trong các ứng dụng từ lĩnh vực 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 không dây phi cấu trúc 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 không dây phi cấu trúc.


7
Ứng dụng mạng không dây phi cấu trúc trông quân đội là một trong những
ý tƣởng đƣợc đƣa ra ngay từ khi mạng không dây phi cấu trúc 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 trạm chỉ huy một cách linh động thông qua mạng
không dây phi cấu trúc 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 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 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 không
dây phi cấu trúc 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,…


8
Trong vấn đề quản lý và hỗ trợ giao thông, mỗi phƣơng tiện giao thông là
một nút mạng di động trong mạng không dây phi cấu trúc 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.
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 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 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. Một số chiến lƣợc 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 lƣợc định tuyến cho mạng không dây
phi cấu trúc theo các tiêu chí khác nhau [1]. Các chiến lƣợc định tuyến này đƣợc
đƣợc liệt kê trong Bảng 1.1.
Tiêu chí phân loại

Loại

Thời điểm định tuyến

Định tuyến tìm đƣờng trƣớc và tìm
đƣờng theo yêu cầu

Phƣơng pháp truyền thông tin định
tuyến

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

Số lƣợng 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 đƣờng

1.2.2. Mô tả các chiến lược định tuyến trong mạng ad hoc

 Chiến lƣợc 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
lớn nhất 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 các
giao thức thuộc nhóm này cũng có nhƣợc điểm là chúng tính toán và tìm ra
những con đƣờng tới mọi đích nên có thể có một số con đƣờng sẽ không bao giờ
đƣợc 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 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


10
trình tìm kiếm tuyến đƣờng có thể gây ra một độ trễ truyền tin đáng kể. Một số
giao thức tiêu biểu đã đƣợc 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 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 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


11
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
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.


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 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.
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


13

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.

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


14
Trong chiến lƣợc định tuyến từng chặng, con đƣờng tới một 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
của các giao thức sử dụng chiến lƣợc định tuyến này 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
 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.


15
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 dữ
liệu 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.
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 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


16
nút có yêu cầu tìm đƣờng. Nút yêu cầu sẽ lựa chọn một con đƣờng có số thứ tự
lớn nhất.
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
1.3.2.1. 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


17
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
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.
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
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.

18
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
kế tiếp bị đứt. Danh sách các con trỏ trƣớc chứa các địa chỉ các nút láng giềng
của các đƣờng 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 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


19
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.
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 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


20
đến ngƣỡng TTL_THRESHOLD, ngoại trừ trƣờng hợp TTL=NET_DIAMETER
đƣợc 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 nhƣng không còn hợp
lệ, giá trị khởi tạo của trƣờng TTL đƣợc 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 đƣợc một gói RREQ, đầu tiên nó sẽ tạo hoặc cập nhật
entry biểu diễn đƣờng tới nút gửi gói RREQ cho nó. Sau đó, nó sẽ kiểm tra để
xác định nó đã đƣợc nhận gói này trƣớc đó chƣa. Nếu đã nhận, nút này sẽ huỷ bỏ
gói RREQ. Nếu chƣa nhận đƣợc, nó sẽ thực hiện các việc sau: (1) tăng giá trị
trƣờng hop count trong gói RREQ đƣợc tăng lên một đơn vị; (2) tìm đƣờng
nghịch có đích là Originator IP Address của gói RREQ trong bảng định tuyến
của mình. Nếu chƣa có thì tạo đƣờng nghịch mới. Nếu đã có thì cập nhật đƣờng
nghịch nếu đƣờng nghịch nhận đƣợc có số thứ tự mới hơn số thứ tự của đƣờng

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 đƣờng tới
đích hoặc trả lời bằng gói RREP nếu có đƣờng tới đích. Trong trƣờng hợp gói
RREQ cần đƣợc chuyển tiếp, giá trị trƣờng TTL đƣợc trừ đi 1 đơn vị và gói này
đƣợc gửi kiểu broadcast trên tất cả các giao tiếp mạng của nút. Trong trƣờng hợp