Tóm tắt luận án Tiến sĩ Công nghệ thông tin: Nâng cao hiệu năng mạng MANET sử dụng kỹ thuật định tuyến cân bằng tải đảm bảo chất lượng truyền dẫn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM
KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
———————————-

LÊ HỮU BÌNH

NÂNG CAO HIỆU NĂNG MẠNG MANET
SỬ DỤNG KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN CÂN BẰNG TẢI
ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG TRUYỀN DẪN

Chuyên ngành: Hệ thống thơng tin
Mã số: 9480104

TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

HÀ NỘI - 2019


Cơng trình được hồn thành tại: Học viện Khoa học và Công nghệ,
Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS. Võ Thanh Tú
Người hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS. Nguyễn Văn Tam

Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ, họp tại
Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và
Công nghệ Việt Nam vào hồi . . . giờ ..’, ngày . . . tháng . . . năm
20. . . .

Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ
- Thư viện Quốc gia Việt Nam


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu
Trong xu thế phát triển của công nghệ mạng, truyền thông không dây là giải
pháp chủ đạo cho công nghệ mạng viễn thơng nói chung, mạng truyền dữ liệu và
mạng máy tính nói riêng. Trong thời đại của cơng nghệ mạng thế hệ thứ 5 (5G) và
Internet vạn vật (IoT), đã xuất hiện một số mơ hình mạng khơng dây để cung cấp
các ứng dụng trong thực tế. Cơ bản như mạng cảm biến khơng dây, mạng khơng
dây hình lưới, mạng tùy biến di động (MANET). Trong đó, MANET đang ngày
càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực [66].
Để mở rộng phạm vi ứng dụng của mạng MANET, cần phải nâng cao tốc độ
truyền dẫn, tăng phạm vi phủ sóng, mở rộng vùng diện tích sử dụng. Tuy nhiên,
điều này sẽ gặp phải một số khó khăn về mặt kỹ thuật. Vì việc tăng tốc độ truyền
dẫn, phạm vi phủ sóng và vùng diện tích sử dụng thì các hiệu ứng vật lý xảy ra trên
các lộ trình cũng tăng lên, làm ảnh hưởng đến hiệu năng mạng [26, 29, 30, 61, 65].
Để đảm bảo hiệu năng mạng, cần phải tìm ra các giải pháp nhằm giảm đảm bảo
QoT trong mạng. QoT của các kênh truyền phụ thuộc vào lộ trình, mà lộ trình được
quyết định bởi thuật tốn định tuyến. Vì vậy, việc nghiên cứu các thuật tốn định
tuyến ràng buộc QoT trong mạng MANET có ý nghĩa đặc biệt quan trọng. Vấn đề
này đã và đang được nhiều nhóm nghiên cứu quan tâm trong thời gian gần đây [5,

24, 33, 35, 46, 51, 53]. Các cơng trình nghiên cứu này đã đề xuất các thuật toán
định tuyến với mục tiêu lựa chọn lộ trình có QoT tốt nhất để truyền dữ liệu.
Tuy nhiên, một vấn đề đặt ra với kỹ thuật định tuyến theo QoT tốt nhất là tăng
tình trạng nghẽn cục bộ do tải lưu lượng phân bố khơng đồng đều trên các kết nối
trong tồn mạng. Nghẽn cục bộ là một vấn đề ảnh hưởng lớn đến hiệu năng mạng.
Vấn đề này thường được giải quyết bằng kỹ thuật định tuyến cân bằng tải. Trong
MANET, định tuyến cân bằng tải cũng đã được nhiều nhóm nghiên cứu triển khai
[34, 39, 41, 44, 67, 70]. Các cơng trình nghiên cứu này đã đề xuất được các thuật
toán định tuyến cân bằng tải lưu lượng qua các kết nối trong mạng, giảm thiểu tình
trạng nghẽn cục bộ. Tuy nhiên, do đặc trưng cơ bản của kỹ thuật định tuyến cân
bằng tải là thuật tốn định tuyến có thể chọn "lộ trình dài". Điều này có thể làm
giảm QoT của hệ thống mạng. Các cơng trình nghiên cứu về kỹ thuật định tuyến
cân bằng tải trong mạng MANET đã được đề cập ở trên chưa xét đến vấn đề này.
Thơng qua việc phân tích tình hình nghiên cứu về kỹ thuật định tuyến QoT và
định tuyến cân bằng tải ở trên, tác giả nhận thấy rằng, việc kết hợp hài hòa giữa
định tuyến cân bằng tải và định tuyến đảm bảo QoT là điều cần thiết. Đặc biệt là
1


trong hệ thống mạng MANET có vùng diện tích rộng, mật độ nút cao, sử dụng
kênh có băng thơng lớn. Vì vậy, trong đề tài luận án này, tác giả tập trung nghiên
cứu các kỹ thuật định tuyến cân bằng tải, đồng thời đảm bảo QoT của các lộ trình
truyền dữ liệu nhằm nâng cao hiệu năng mạng MANET.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Phân tích, đánh giá QoT trên các lộ trình truyền dữ liệu và ảnh hưởng của nó
đến hiệu năng mạng MANET theo các thuật toán định tuyến khác nhau. Từ đó, đề
xuất các thuật tốn định tuyến cải tiến nhằm cân bằng tải lưu lượng, đồng thời đảm
bảo QoT trên các lộ trình truyền dữ liệu, nâng cao hiệu năng mạng MANET.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài luận án tập trung vào các thuật toán định

tuyến cân bằng tải và định tuyến đảm bảo QoT trong MANET. Phạm vi nghiên cứu
của đề tài tập trung vào nhóm giao thức định tuyến DSR và AODV.
4. Nội dung nghiên cứu
Luận án tập trung nghiên cứu các nội dung sau: (i) Xây dựng và phát triển các
điều kiện ràng buộc QoT theo các thuật tốn định tuyến khác nhau. (ii) Phân tích,
đánh giá QoT trên mạng MANET đối với các giao thức định tuyến DSR, AODV
và định tuyến cân bằng tải. (iii) Đề xuất các thuật toán định tuyến cải tiến của giao
thức DSR và AODV, nhằm cân bằng tải lưu lượng trong tồn mạng, đồng thời đảm
bảo QoT trên các lộ trình, nâng cao hiệu năng mạng MANET.
5. Bố cục của luận án: Luận án được trình bày theo bố cục như sau:
Phần mở đầu tập trung phân tích tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu, từ đó xác
định mục tiêu nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu cũng như các phương
pháp nghiên cứu của đề tài luận án. Chương 1 trình bày tổng quan về MANET và
các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu năng mạng. Chương 2 tập trung đánh giá chất lượng
truyền dẫn của mạng MANET khi sử dụng giao thức định tuyến theo yêu cầu và
cân bằng tải. Chương 3 đề xuất thuật toán định tuyến cân bằng tải đảm bảo chất
lượng truyền dẫn dựa trên tải lưu lượng qua mỗi lộ trình. Chương 4 đề xuất thuật
toán định tuyến cân bằng tải đảm bảo chất lượng truyền dẫn dựa trên thông tin định
tuyến của nút nguồn. Phần kết luận trình bày những kết quả đóng góp của luận án,
đồng thời đề ra những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu trong tương lai. Cuối cùng
là các phụ lục, trình bày chi tiết các số liệu tính tốn cho các ví dụ minh họa trong
Luận án (Phụ lục A), trình bày mã nguồn của một số mơ đun chính trong phần
mềm mơ phỏng được tác giả triển khai trên OMNeT++ (Phụ Lục B).
2


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ MANET VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU
NĂNG MẠNG
1.1. Những vấn đề cơ bản về mạng MANET

Nội dung phần này trình bày nguyên lý, đặc điểm của mạng MANET và các
yếu tốt ảnh hưởng đến hiệu năng mạng.
1.2. Định tuyến trong mạng MANET
Định tuyến trong mạng MANET cần phải thực hiện hai nhiệm vụ, Một là tạo
thơng tin định tuyến, nghĩa là tìm lộ trình từ nguồn đến đích để cập nhật vào bảng
định tuyến. Hai là duy trì thơng tin định tuyến đã được cập nhật để xác định các
thơng tin lộ trình trong bảng định tuyến có cịn khả thi hay khơng.
1.3. Tình hình nghiên cứu về định tuyến trong mạng MANET
1.3.1. Định tuyến QoS
Định tuyến QoS là kỹ thuật định tuyến mà trong đó các tham số về QoS như
xác suất lỗi gói, độ trễ, thơng lượng được xem xét trong q trình khám phá lộ
trình, nhằm đảm bảo QoS của hệ thống mạng [1, 14, 62].
1.3.2. Định tuyến QoT
Định tuyến QoT là kỹ thuật định tuyến mà trong đó các tham số về QoT được
xem xét trong quá trình khám phá lộ trình. Trong thời gian gần đây, kỹ thuật định
tuyến QoT đã được một số nhóm nghiên cứu triển khai. Có hai phương pháp hiện
đang được các nhóm nghiên cứu sử dụng để đưa các ràng buộc về QoT vào các
thuật tốn định tuyến. Một là, ràng buộc QoT thơng qua hàm trọng số, được thực
hiện bằng cách xây dựng các hàm trọng số có chứa các tham số về QoT, thuật toán
định tuyến dựa trên hàm trọng số này để lựa chọn lộ trình [46, 35, 29]. Hai là, ràng
buộc QoT thơng qua các gói điều khiển, được thực hiện bằng cách sử dụng các gói
điều khiển như RREQ và RREP để trao đổi các thông tin về QoT giữa nút mạng,
từ đó xác định các ràng buộc của QoT cho việc lựa chọn lộ trình [5, 24, 51, 58].
1.3.3. Định tuyến cân bằng tải
Trong mạng MANET, kỹ thuật định tuyến cân bằng tải cũng đã được nhiều
nhóm nghiên cứu đặc biệt quan tâm. Trong [44], các tác giả đã đề xuất một giao
thức định tuyến cân bằng tải cho mạng tùy biến có tên LMP-DSR. Giao thức LMPDSR được cải tiến từ giao thức DSR bằng cách sử dụng kỹ thuật định tuyến đa
đường thay cho định tuyến đơn đường. Trong [39], thuật toán định tuyến đa mức
(MRA) được đề xuất để cân bằng tải lưu lượng trong mạng tùy biến. Thuật toán
3

MRA sử dụng phương pháp lựa chọn các nút trung gian mà nó có đủ tài nguyên
và dung lượng để đến nút đích. Trong [34], các tác giả đã đề xuất giao thức định
tuyến có tên LBCAR. Giao thức LBCAR sử dụng hai độ đo, đó là mật độ tải lưu
lượng và chi phí kết nối kết hợp với lộ trình định tuyến để xác định trạng thái tắc
nghẽn. Lộ trình có mật độ tải lưu lượng thấp và thời gian tồn tại cao nhất sẽ được
lựa chọn cho việc truyền dữ liệu.
1.3.4. Một số nhận xét và đánh giá
• Việc đề xuất các thuật tốn định tuyến có xét đến QoT đã được triển khai. Tuy
nhiên, hầu hết các thuật toán được đề xuất là kiểm tra ràng buộc QoT sau khi
tập lộ trình đã tìm được.Vì vậy, có một số trường hợp lộ trình tìm thấy chưa phải
là lộ trình có QoT tốt nhất, thậm chí khơng thỏa mãn ràng buộc của QoT.
• Về các mơ hình mạng được sử dụng cho việc đánh giá hiệu năng, hầu hết các
cơng trình chỉ đánh giá trên các mơ hình mạng tốc độ thấp, chủ yếu là kênh
có băng thơng 20 MHz. Trong trường hợp hệ thống mạng sử dụng kênh băng
thông rộng, ảnh hưởng của các hiệu ứng vật lý cần phải được quan tâm, vì băng
thơng càng rộng thì nhiễu tác động lên kênh truyền càng lớn.
• Kỹ thuật định tuyến cân bằng tải trong mạng MANET cũng đã được triển khai.
Các kết quả nghiên cứu đã chứng minh hiệu năng mạng cải thiện về mặt xác
suất nghẽn đối với định tuyến cân bằng. Tuy nhiên, các điều kiện ràng buộc về
QoT chưa được xem xét trong các thuật tốn định tuyến cân bằng.
1.4. Những đóng góp của luận án
(i) Đề xuất phương pháp xác định các điều kiện ràng buộc của QoT dựa trên mơ
hình xun lớp, sử dụng cho chế khám phá lộ trình của các giao thức định tuyến
theo yêu cầu trong mạng MANET.
(ii) Đề xuất thuật toán định tuyến cân bằng tải đảm bảo QoT dựa trên tải lưu lượng
phân phối đến mỗi lộ trình (LBRQT) cho mạng MANET.
(iii) Đề xuất thuật tốn định tuyến cân bằng tải đảm bảo QoT cho mạng MANET
dựa trên thông tin định tuyến của nút nguồn (SLBQT-DSR).

1.5. Kết luận chương
Chương 1 đã trình bày những vấn đề cơ bản về mạng MANET và các yếu tố
ảnh hưởng đến hiệu năng mạng, trong đó các kỹ thuật định tuyến được đi sâu phân
tích. Tác giả cũng đã phân tích kỹ tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới
liên quan đến các kỹ thuật định tuyến trong mạng MANET. Từ đó tác giả xác định
vấn đề nghiên cứu và những đóng góp của luận án.
4


CHƯƠNG 2
ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG TRUYỀN DẪN CỦA MẠNG MANET KHI SỬ
DỤNG CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN THEO YÊU CẦU VÀ CÂN BẰNG TẢI

2.1. Các hiệu ứng vật lý xảy ra trên lộ trình truyền dữ liệu
2.1.1. Các yếu tố kỹ thuật liên quan
Các hiệu ứng vật lý xảy ra các trên lộ trình phụ thuộc vào các giải pháp kỹ
thuật được sử dụng tại lớp vật lý và lớp liên kết dữ liệu, cơ bản như các kỹ thuật
điều chế tín hiệu, các chuẩn truyền thơng khơng dây.
2.1.2. Suy hao công suất qua môi trường dẫn [20]
Lf =

2

4πd
λ

=

4π fc d
c

2

(2.2)

trong đó, fc là tần số sóng mang, c là vận tốc của ánh sáng và d là khoảng cách.
2.1.3. Nhiễu tích lũy trên đường truyền
Có bốn thành phần nhiễu phát sinh trong q trình truyền dữ liệu. Đó là nhiễu
nhiệt, nhiễu tạp âm, nhiễu xuyên âm và nhiễu xung [3]. Với MANET, thành phần
nhiễu ảnh hưởng lớn nhất đến QoT là nhiễu nhiệt với công suất được xác định bởi:
Pn = K × T × B

(2.5)

với K là hằng số Boltzmann, T là nhiệt độ và B là băng thông kênh.
2.2. Hiệu năng mạng MANET
Theo nghĩa chung, hiệu năng mạng là hiệu quả, năng lực và chất lượng hoạt
động của một hệ thống mạng. Đánh giá hiệu năng mạng là việc xác định các độ
đo phản ánh hiệu quả, năng lực và chất lượng của một hệ thống mạng bằng các
phương pháp mơ phỏng, mơ hình giải tích hoặc thực nghiệm. Trong MANET, các
độ đo thường được sử dụng để đánh giá hiệu năng bao gồm xác suất chặn gói dữ
liệu, thời gian trễ, thơng lượng, tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu và tỷ lệ bit lỗi.
2.2.1. Xác suất chặn gói dữ liệu (BPD)
BPD = Nb /Ng

(2.6)

trong đó, Ng là tổng số gói dữ liệu phát sinh trên tồn mạng, Nb là tổng số gói dữ
liệu bị chặn, bao gồm chặn do lưu lượng bị nghẽn và chặn do QoT không đảm bảo.
2.2.2. Thời gian trễ

Thời gian trễ của một gói dữ liệu là tổng thời gian cần thiết để gói dữ liệu đó
truyền thành cơng từ nguồn đến đích.
5


2.2.3. Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR)
Trong MANET, SNR phụ thuộc vào dạng chuyển tiếp dữ liệu tại các nút. Có
2 dạng chuyển tiếp là khuếch đại và chuyển tiếp (AF) và giải mã và chuyển tiếp
(DF). Từ đó, SNR tại đầu thu của một lộ trình được xác định bởi [9, 65]:

min(βh1 , βh2 , .., βhn−1 )
Nếu sử dụng DF
(2.8)



−1
n−1
βn =
1


Ngược lại
(2.20)
∑ βh

i
i=1
với βn là SNR tại nút đích và βhi là SNR của bước truyền thứ i.
2.2.4. Tỷ lệ lỗi bit (BER)

BER được xác định bằng tổng số bit lỗi trên tổng số bit truyền. Sự phụ thuộc
của BER theo SNR đối với các kỹ thuật điều chế được xác định theo [11].
2.3. QoT của lộ trình khi sử dụng giao thức định tuyến theo yêu cầu
2.3.1. Nguyên lý cơ bản của các giao thức định tuyến theo yêu cầu
Nguyên lý của giao thức định tuyến theo yêu cầu là các lộ trình sẽ được tạo ra
khi có yêu cầu [3]. Khi một nút yêu cầu lộ trình mới để đến đích, nút đó phải khởi
đầu một quá trình khám phá lộ trình. Quá trình này chỉ hồn tất khi tìm ra một lộ
trình hoặc tất cả các lộ trình khả thi đều đã được kiểm tra. Có hai giao thức định
tuyến theo yêu cầu đang được nghiên cứu phổ biến, đó là DSR [22] và AODV [16].
2.3.2. Chất lượng truyền dẫn của các lộ trình
Node Next Hops

A
A
1
Node Next Hops
Theo nguyên lý của các giao
A
B
2
B
thức định tuyến theo yêu cầu, có
24
D
Node Next Hops
H
E
3
28
một số trường hợp, lộ trình tìm

32
35
A
Node Next Hops
được khơng thỏa mãn ràng buộc
A
A
1
24
H
C
2
29
của QoT. Xét ví dụ ở Hình 2.16 với
C
31
32
28
E
giao thức AODV được sử dụng. Giả
29
Node Next Hops
A
E
2
H
sử A muốn khám phá lộ trình đến
H
H
1

29
F
H. Theo nguyên lý của AODV, lộ
32
Node Next Hops
Node Next Hops
32
A
C
3
I
trình được tìm thấy là A → E → C
A
A
1
31
G
Node
Next
Hops
RREQ
Node Next Hops
→ H. Giả sử nguyên lý hoạt động
A
G
3
A
E
2
RREP

của các nút là AF. Theo (??), SNR
Hình 2.16. Một ví dụ khám phá lộ trình sử dụng
của lộ trình A → E → C → H là
giao thức định tuyến AODV
23.87 dB. Xét trường hợp SNR yêu
cầu tối thiểu phải là 24 dB, lộ trình này khơng thỏa mãn ràng buộc của QoT. Với
tơpơ ở Hình 2.16, từ A đến H có thể sử dụng lộ trình
A32 → E → G → I → H. Mặc
32
32

6

10

32

32


dù số bước truyền là 4, nhưng SNR là 24.1 dB. Giá trị này thỏa mãn ràng buộc
QoT, đồng thời tốt hơn lộ trình A → E → C → H mà giao thức AODV đã tìm thấy.
2.4. QoT của lộ trình khi sử dụng giao thức định tuyến cân bằng tải
2.4.1. Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật định tuyến cân bằng tải
Định tuyến cân bằng tải là kỹ thuật
định tuyến mà trong đó tiêu chí lựa chọn
lộ trình là phân phối tải lưu lượng đồng đều
giữa tất cả các kết nối.

B

24

D

28

A

32

35
24

2.4.2. QoT của các lộ trình

29
31

C
E

32
28

29
Xét một ví dụ khám phá lộ trình như
ở Hình 2.17 với thuật toán định tuyến cân
29
F

32
bằng tải FMLB [70] được sử dụng, K bằng
32
I
31
G
3. Xét trường hợp A muốn truyền dữ liệu
Gói RREQ được tiếp tục quảng bá
đến H. Theo nguyên lý khám phá lộ trình
Gói RREQ bị loại bỏ
bằng cách phát quảng bá gói RREQ, 3 lộ
Gói RREP phản hồi về nút nguồn
trình khả dụng được tìm thấy là A → E →
C → H, A → E → G → I → H và A → Hình 2.17. Một ví dụ về định tuyến cân
bằng tải trong mạng MANET
B → D → H. SNR của các lộ trình này lần
lượt là 23.86, 24.04 và 20.2 dB. Như vậy, chỉ có lộ trình thứ hai thỏa mãn ràng
buộc QoT. Trong khi đó, cả 3 lộ trình đều được sử dụng. Điều này dẫn đến các gói
dữ liệu được truyền trên lộ trình thứ nhất và lộ trình thứ ba có QoT không đảm bảo.

2.5. Đánh giá QoT và hiệu năng mạng thông qua mô phỏng
2.5.1. Kịch bản mô phỏng
Để đánh giá QoT của các lộ trình truyền dữ liệu và ảnh hưởng của nó đến hiệu
năng mạng MANET, tác giả đã tiến hành mô phỏng trên OMNeT++ [10].
Bảng 2.5. Các tham số mô phỏng
Tham số
Vùng mô phỏng
Giao thức MAC
Công suất phát
Ngưỡng BER

Mơ hình nhiễu
Tốc độ di chuyển

Thiết lập
1000 × 1000m
802.11ac
19.5 dBm
10−6
Nhiễu nhiệt
0 - 20 m/s

Tham số
Vùng phủ sóng
Dạng điều chế
Độ nhạy thu
SNR yêu cầu
Nhiệt độ
Tổng số nút

Thiết lập
250 m
256-QAM
-68 dBm
23.5 dB
3000 K
10 - 50

2.5.2. Trường hợp sử dụng giao thức DSR
Kết qủa ở Hình 2.19 cho ta thấy SNR tại đầu thu của nút đích. Có nhiều lộ
trình mà SNR của nó khơng thỏa mãn điều kiện ràng buộc QoT (nhỏ hơn 23.5 dB).

Đây là nguyên nhân làm tăng xác suất gói chặn gói dữ liệu do QoT khơng đảm bảo.
7

H


26.00

26.00

Giá trị yêu cầu
DSR

25.00

SNR nhỏ nhất (dB)

SNR nhỏ nhất (dB)

25.00

24.00

23.00

22.00

24.00

23.00

22.00

21.00

21.00
20

25

30

35

40

45

50

20

Tổng số nút mạng

Hình 2.19. SNR của các lộ trình khi sử dụng
giao thức DSR

Hình 2.21. SNR nhỏ nhất khi sử
dụng giao thức DSR

Việc tồn tại nhiều lộ trình khơng thỏa mãn
ràng buộc QoT đã làm tăng BPD như cho thấy
ở Hình 2.24. BPD do QoT khơng đảm bảo
chiếm gần 50% tổng số BPD tồn mạng.

BPD tồn phần

0.04

BPD

BPD

0.03

0.02

0.01

0.01
0.00

0.00
0.6

0.7

0.75

0.8

0.85

0.9

0.95

1

Hình 2.24. BPD theo tải lưu lượng sử
dụng giao thức DSR
0.08

BPD toàn phần

BPD toàn phần

0.07

BPD do QoT

0.06

0.06

0.05

0.05

BPD

0.03

0.02

0.02

0.01

0.01

0.00
15

20

Tốc độ di chuyển (m/s)

Hình 2.29. SNR của các lộ trình khi sử dụng
giao thức AODV

BPD do QoT

0.04

0.03

10

0.65

Tải lưu lượng (Erlang)

0.04

0.00
5

10

15

20

Tốc độ di chuyển (m/s)

Hình 2.31. BPD theo tốc độ di chuyển
của giao thức AODV

2.6. Kết luận chương
Chương 2 đã trình bày các kết quả nghiên cứu về các hiệu ứng vật lý xảy ra
trên lộ và ảnh hưởng của nó đến hiệu năng mạng MANET. Kết quả mô phỏng đã
chứng minh rằng, ảnh hưởng của các hiệu ứng làm tăng BPD, dẫn đến suy giảm
hiệu năng của hệ thống mạng. Vì vậy, việc nghiên cứu cải tiến các thuật toán định
tuyến nhằm đảm bảo QoT, nâng cao hiệu năng mạng là điều cần thiết.
8

0.03

0.02

0.08

5

0.05

0.04

Với giao thức AODV, SNR trên các lộ
trình như cho thấy ở Hình 2.29. Có nhiều lộ
trình mà SNR của nó khơng thỏa mãn ràng
buộc của QoT (nhỏ hơn 23.5 dB). Đây là
nguyên nhân làm tăng BPD, điều này thể hiện
rõ trên Hình 2.31.

BPD

BPD do QoT

0.05

2.5.3. Trường hợp sử dụng AODV

0.07

0.06

0.06

0.6


CHƯƠNG 3
ĐỊNH TUYẾN CÂN BẰNG TẢI ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG TRUYỀN DẪN
DỰA TRÊN TẢI LƯU LƯỢNG QUA MỖI LỘ TRÌNH
3.1. Đặt vấn đề
Các kết quả nghiên cứu ở Chương 2 đã chứng minh rằng, định tuyến cân bằng
tải cho phép giảm tình trạng nghẽn cục bộ nhờ tải lưu lượng phân phối đồng đều
qua các kết nối. Tuy nhiên, nó cũng làm giảm QoT do các lộ trình có thể đi qua
nhiều nút trung gian, nhiều bước truyền. Để đảm bảo QoT trong mạng, một số cơng
trình nghiên cứu đã đề xuất các thuật toán định tuyến ràng buộc QoT với lựa chọn
lộ trình có QoT tốt nhất để truyền dữ liệu [24, 46, 58, 5]. Tuy nhiên, với các mơ
hình mạng có tơ-pơ mắt lưới như MANET, định tuyến theo QoT tốt nhất có thể làm
tăng tình trạng nghẽn cục bộ do tải lưu lượng phân bố không đều trong mạng.
Như vậy, một vấn đề đặt ra là làm thế nào để kết hợp hài hòa giữa định tuyến
QoT và định tuyến cân bằng tải, để tìm ra tập lộ trình mà tải lưu lượng phân phối
đồng đều, đồng thời thỏa mãn các điều kiện ràng buộc của QoT như minh họa ở
Hình 3.2. Với ý tưởng này, tác giả đề xuất một thuật toán định tuyến cân bằng tải,
đồng thời đảm bảo QoT của các lộ trình truyền dữ liệu. Lộ trình cân bằng tải được
lựa chọn dựa trên thơng tin về xác suất chặn gói dữ liệu từ nguồn đến đích. Thuật
tốn đề xuất được đặt tên LBRQT (Load Balancing Routing ensuring QoT).
Định tuyến
“đường ngắn nhất”
hoặc QoT tốt nhất

Tải lưu lượng
phân bố không
đồng đều

Nghẽn cục bộ

Định tuyến cân
bằng tải

Tồn tại các
“lộ trình dài”

QoT suy giảm

Định tuyến cân
bằng ràng buộc
QoT

Hình 3.2. Mơ hình đề xuất ý tưởng định tuyến cân bằng ràng buộc QoT

3.2. Cơ sở lý thuyết liên quan
3.2.1. Phân tích xác suất hủy bỏ gói dữ liệu sử dụng lý thuyết hàng đợi
Xét một bước truyền hi j , trong trường hợp lưu lượng phân phối đến hi j theo
quy trình Poisson, thời gian truyền gói trên hi j theo phân phối hàm mũ, khi đó hi j
tương đương với hàng đợi M/M/1/L [6, 63]. Bằng cách giải phương trình cân bằng
trạng thái, ta xác định được BPD trên hi j như sau:
 L

 ρi j (1 − ρi j ) nếu ρi j = 1
(h)
1 − ρiL+1
(3.4)
Bi j =
j


 1
nếu ρi j = 1
L+1
9


với λi j và µi j là tốc độ đến và tốc độ phục vụ các gói dữ liệu, ρi j = λi j /µi j là mật
(r)

độ lưu lượng phân phối đến hi j . Gọi Bsd là BPD trên lộ trình rsd . Khi đó:
(r)

Bsd = 1 −

∏

(h)

(1 − Bi j )

(3.7)

∀hi j ∈rsd

3.2.2. Phân tích thời gian trễ dựa trên lý thuyết hàng đợi
Thời gian trễ từ nguồn đến đích (EED) của một lộ trình được xác định bởi:
(r)

τsd =

∑

(h)

(3.9)

τi j

∀hi j ∈rsd
(h)

(i)

trong đó, τi j là thời gian trễ trên hi j , gồm 4 thành phần: trễ xử lý tại I (τ p ), trễ
(i)

(i j)

hàng đợi tại I (τq ), trễ truyền dẫn từ I đến J (τt
vô tuyến từ I đến J

(i j)
(τr )

[18]. Vì

(i)
τp

(i j)
τr

và

) và trể truyền tải qua mơi trường
(i j)

rất nhỏ nên có thể bỏ qua, τt

được

(i)
τq

xác định dựa trên băng thơng kênh và kích thước gói dữ liệu,
được xác định
dựa trên cơ chế hàng đợi được sử dụng tại mỗi nút. Như đã phân tích ở Phần ??, cơ
(i)
chế hàng đợi M/M/1/L được sử dụng, do vậy, τq được xác định bởi [19]:
L

(i)

τq =

(h)
λi j (1 − Bi j )

+

1
µi j

(3.11)

với L là tổng số gói dữ liệu trung bình trong hàng đợi, được xác theo [19].
3.3. Ý tưởng đề xuất giải pháp
3.3.1. Mơ hình giải tích của giải pháp
Ý tưởng đề xuất thuật toán LBRQT là kết hợp kỹ thuật định tuyến cân bằng
tải và định tuyến ràng buộc QoT. Để thực hiện điều này, hàm mục tiêu được xây
dựng là cực tiểu hóa BPD trên mỗi lộ trình. Các điều kiện ràng buộc được xác định
là QoT và EED phải nằm trong giới hạn cho phép.
Để phát biểu thuật tốn định tuyến LBRQT thành mơ hình giải tích, tác giả
(sd)
định nghĩa một ma trận Xsd = xi j n×n biểu diễn các kết nối được chọn cho lộ
(sd)

trình rsd , trong đó, mỗi phần tử xi j
(sd)

xi j

=

được xác định bởi:

1 Nếu lộ trình rsd đi qua kết nối ci j
0 Ngược lại
(sd)

khi đó, phương trình (3.7) được biểu diễn theo xi j
(r)

n

n

như sau:

(sd) (h)

Bsd = 1 − ∏ ∏ (1 − xi j Bi j )
i=1 j=1

10

(3.12)

(3.13)


Khi đó, thuật tốn LBRQT được mơ hình hóa thành bài toán quy hoạch phi tuyến:
(r)
Miniminze (Bsd )
(3.19)
với các điều kiện ràng buộc:


−1

(sd)
(sd)
∑ xi j − ∑ x jk =  1
 0
i∈N
k∈N
N

N

∑∑

(sd) (h)

xi j τi j

Nếu j = s
Nếu j = d
Ngược lại

≤ τth

(3.20)

(3.21)

i=1 j=1


N N


1


∑ ∑
(h)

i=1 j=1 βi j xi(sd)
j

≤

1
βreq

Nếu sử dụng AF
(3.22)



(h)


min β
≥ βreq

x(sd) =1 i j

Ngược lại

ij

(sd)
(sd)
(xi j − 1)xi j

=0

(3.23)

Phương trình (3.20) là ràng buộc luồng dữ liệu, (3.21) là ràng buộc về độ trễ,
(3.22) là ràng buộc QoT và (3.23) là ràng buộc nhị phân.
3.3.2. Ý tưởng thực thi thuật tốn trên mơ hình xuyên lớp
3.3.2.1. Cải tiến cấu trúc nút mạng sử dụng mơ hình xun lớp
Để có thể sử dụng các thơng tin
Lớp truyền tải
về QoT làm điều kiện ràng buộc định
Cập nhật cơ sở
Dự đoán QoT,
dữ liệu mật độ
tuyến, lớp mạng phải truy cập trực
EED và BPD
lưu lượng
Lớp mạng
tiếp được các thơng tin từ lớp vật lý.
Điều này chỉ có thể thực hiện thơng
qua mơ hình xun lớp [5, 26, 2].
Lớp liên kết dữ liệu
SA
Với thuật toán LBRQT, tác giả đề

Data
xuất một mơ hình xun lớp với cấu
Lớp vật lý
RREQ
trúc như ở Hình 3.6, trong đó, một
Nút mạng MANET
tác tử tĩnh (Stationary Agent - SA)
được sử dụng để trao đổi và xử lý
Hình 3.6. Cấu trúc mơ hình xun lớp sử dụng
thông tin xuyên lớp giữa lớp vật lý
tác tử cho mạng MANET
và lớp mạng. Trong quá trình truyền
dữ liệu, nhiệm vụ của SA là cập nhật tải lưu lượng phân phối cho các kết nối. Trong
quá trình khám phá lộ trình, SA thu thập, xử lý và dự đốn các thông tin về QoT,
EED và BPD để chuyển cho lớp mạng. Các thông tin về QoT và EED được sử dụng
11


cho các ràng buộc định tuyến theo (3.21) và (3.22). Thông tin về BPD sử dụng cho
nút nguồn làm tiêu chí lựa chọn lộ trình cân bằng tải theo hàm mục tiêu (3.19).
3.3.2.2. Cải tiến cơ chế xử lý gói RREQ và RREP tại mỗi nút mạng
(i) Trường hợp RC của nút trung gian khơng có lộ trình đến nút đích
Ý tưởng này được minh họa
S
SA tại I dự đốn trước QoT, EED và
K
BPD từ S đến mỗi nút láng giềng của I
như Hình 3.7. Khi nút I nhận được
một gói RREQ của u cầu khám
L

phá lộ trình từ S đến D, SA tại I dự
RREQ
RREQ
I
.
…
.
đoán các độ đo QoT và EED từ S
.
.
Data Packet
.
.
đến mỗi nút láng giềng của I. Từ
RREQ
M
SA tại I thống kê lưu lượng phân phối
đó, SA xác định tập Qi là tập các
đến kết nối từ I đến nút tiếp theo
nút láng giềng của I thỏa mãn điều
Tập tất cả các nút láng giềng của I
P
kiện ràng buộc QoT. Sau đó, I chỉ
Tập các nút láng giềng của I thỏa mãn ràng
buộc QoT và EED (Tập Q )
phát quảng bá gói RREQ đến các
Hình 3.7. Nguyên lý chuyển tiếp gói RREQ khi
nút thuộc tập Qi . Ngồi ra, sau khi
RC của nút I khơng có lộ trình đến đích
xác định được tập Qi , SA tại I cũng

dự đoán BPD từ S đến mỗi nút thuộc tập Qi . Thông tin BPD này được sử dụng cho
nút nguồn lựa chọn lộ trình cân bằng tải. Tập Qi được xác định bởi Thuật toán 3.1.
i

Thuật toán 3.1: Xác định các nút láng giềng của I thỏa mãn ràng buộc QoT (Tập Qi )
(1)
(2)
(3)
(4)

(r)

(r)

Đọc thông tin QoT và EED từ S đến I (βsi và τsi ) trong gói RREQ;
Qi ← 0/ ;
for (Mỗi nút J là láng giềng của I) do
(h)
Thu thập thông tin SNR từ I đến J (βi j ) tại lớp vật lý;
(h)

(5)

Dự đoán thời gian trể từ I đến J (τi j ) theo (3.9);

(6)

(r)
τs j

(r)
(h)
τsi + τi j ;

←
if (Nguyên lý hoạt động của các nút mạng là DF) then
(r)
(r)
(h)
βs j ← min(βsi , βi j );
else

(7)
(8)
(9)

(r)

(h) −1

(r)

βs j ← 1/βsi + 1/βi j

(10)

;

(11)

end

(12)

if ((τs j ≤ τth ) and (βs j ≥ βreq )) then
(r)
Đọc thông tin BPD từ S đến I (Bsi ) trong gói RREQ;

(h)

(13)

(h)

(h)

(14)

Dự đốn BPD trên bước truyền từ I đến J (Bi j ) theo (3.7);

(15)

Bs j = 1 − (1 − Bsi )(1 − Bi j ); Qi ← Qi ∪ J;

(r)

(h)

end

(16)
(17)

(r)

end

12


(ii) Trường hợp RC của nút trung gian có lộ trình khả dụng đến nút đích
Hình 3.8 minh họa ý tưởng cải tiến
QoT và EED từ S đến D
QoT và EED từ S đến D
thỏa mãn điều kiện ràng
không thỏa mãn điều kiện
S
cơ chế xử lý gói RREQ tại mỗi nút khi
buộc cho trước
ràng buộc cho trước
RC của nút trung gian có lộ trình khả
dụng đến nút đích. Giả sử nút đang xét
….
I
….
là nút I, trong trường hợp này, nút I
khơng tạo ngay gói RREP và phản hồi
L
SA tại I dự đoán trước QoT, EED và BPD từ S
về S như giao thức định tuyến theo yêu

đến D dọc theo lộ trình S  I nối với I  D
M
cầu. Thay vào đó, SA tại I dự đốn QoT
và EED từ S đến D theo lộ trình S → Hình 3.8. Xử lý gói RREQ khi nút trung gian
có lộ trình đến đích
I nối với I → D. Nếu QoT và EED dự
đoán được thỏa mãn ràng buộc cho trước, gói RREP mới được tạo và gửi phản hồi
về nút nguồn. Ngược lại, nút I xử lý gói RREQ như trường hợp (i).
RREQ

RREP

RREQ

RREQ

RREQ

Thuật toán 3.2: Dự đoán QoT và BPD bởi SA khi RC của I có lộ trình đến D.
(r)

(r)

(r)

(r)

(1)

Đọc thông tin QoT và EED từ S đến I (βsi và τsi ) trong gói RREQ;

(2)

Đọc thơng tin QoT và EED từ I đến D (βid và τid ) trong RC của I;

(r)
(r)
(r)
(3) τsd ← τsi + τid ;
(4) if (Nguyên lý hoạt động của
(r)
(r)
(r)
(5)
βsd ← min(βsi , βid );
(6) else
(r)

(r) −1

(r)

βsd ← 1/βsi + 1/βid

(7)

các nút mạng là DF) then

;

(8)

end

(9)

if ((τs j ≤ τth ) and (βs j ≥ βreq )) then
(r)
Đọc thông tin BPD từ S đến I (Bsi ) trong gói RREQ;

(10)

(h)

(h)

(r)

(11)

Đọc thơng tin BPD từ I đến D (Bid ) trong RC của I;

(12)

Bsd = 1 − (1 − Bsi )(1 − Bid ); Tạo gói RREP, lưu Bsd vào gói RREP;

(13)

(r)

(r)

(r)

else
Tìm tập Qi theo Thuật toán 3.1;

(14)
(15)

(r)

end

3.3.2.3. Cải tiến cơ chế lựa chọn lộ trình tại nút nguồn
Với cơ chế xử lý gói RREQ và RREP được cải tiến ở Phần 3.3.2.2, khi một lộ
trình được tìm thấy thì lộ trình này ln thỏa mãn ràng buộc của QoT. Vấn đề còn
lại của thuật tốn LBRQT là chọn lộ trình cân bằng tải. Điều này được thực hiện
tại nút nguồn. Theo nguyên lý của thuật tốn LBRQT, tiêu chí để lựa chọn lộ trình
là cực tiểu hóa BPD theo hàm mục tiêu (3.19). Vì vậy, khi nhận được gói RREP,
nút nguồn lựa chọn lộ trình có giá trị BPD trong gói RREP nhỏ nhất.
13

D


3.4. Nguyên lý hoạt động của thuật toán LBRQT
Nút trung gian

Nút nguồn

S tạo gói
RREQ

Bắt đầu

I=S
Sai

I=J

Qi 

Đúng
I phát quảng bá gói
RREQ đến tất cả
các nút J  Qi

Sai

Sai
Loại Sai
bỏ gói
RREQ

NRREP > 0
Đúng

Đúng

Kết thúc

Sai

Qi 

Gói RREP
được tạo
Đúng

I phát quảng bá gói
RREQ đến tất cả
các nút J  Qi

S nhận gói RREP

Gửi gói
RREP về S

Dự đoán các độ đo
QoT và hiệu năng
theo Thuật tốn 3.2

Đúng

NRREP = NRREP + 1

Đúng

RC của I có lộ
trình đến D

Xác định tập Qi
theo Thuật
toán 3.1

(NRREP = K) OR Sai
(Twait > Timeout)

Sai

S chọn lộ trình có
BPD nhỏ nhất

D Tạo gói
RREP

I chưa nhận
gói RREQ này

Sai

Tăng Twait theo
đồng hồ thời gian

Đúng

Đúng

I là nút đích (D)

NRREP = 0;
Twait = 0;

Từ chối yêu cầu do
khơng tìm được lộ trình

Nút đích

Với mỗi nút J  Qi

Xác định tập
Qi theo Thuật
tốn 3.1

Gửi gói
RREQ về S

Hình 3.9. Lưu đồ thuật toán định tuyến LBRQT

3.5. Áp dụng cho giao thức AODV
3.5.1. Đặt vấn đề
Kết quả nghiên cứu ở Chương 2 đã cho thấy rằng, với nguyên lý khám phá lộ
trình của giao thức AODV, tồn tại một số trường hợp mà lộ trình tìm được khơng
khơng thỏa mãn ràng buộc QoT. Để giải quyết vấn đề này, tác giả áp dụng giải thuật
toán LBRQT để cải tiến cơ chế khám phá lộ trình của giao thức AODV [16], nhằm
tìm ra lộ trình cân bằng tải, đồng thời thỏa mãn ràng buộc QoT. Thuật toán cải tiến
được đặt tên LBRQT-AODV. Đề xuất này của tác giả đã được cơng bố trong [B2]1 .
3.5.2. Chỉnh sửa khn dạng gói RREQ và RREP
32 bits
(1)

(2) (3) (4) (5) (6)

Type

32 bits
(8)

(9)

J R G D U Reversed CF Hop Count

(10)

(a)

(7)

RREQ ID

(11)

Destination IP Address

(12)

Destination Sequence Number

(b)

(1)

(2) (3)

(4)

(5)

(6)

Type

J R

Reversed

Prefix

Hop Count

(7)

Destination IP Address

(8)

Destination Sequence Number
Originator IP Address

(13)

Source IP Address

(9)

(14)

Source Sequence Number

(10)

Reversed

(15) BP

(16) QoT

(17) EED

Lifetime
Reversed

(11) BP

Hình 3.11. Các gói (a) RREQ và (b) RREP trong thuật tốn LBRQT-AODV
1 Journal

of Communications, Vol.13, No.7, 2018, pp. 338-349 (SCOPUS).
14

3.5.3. Thuật toán định tuyến LBRQT-AODV
Thuật toán 3.3: Thuật toán định tuyến LBRQT-AODV tại nút nguồn
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
(11)
(12)
(13)

S tạo gói RREQ;
SA xác định tập Qs theo Thuật toán 3.1;
if (Qi = 0)
/ then
Phát gói quảng bá gói RREQ đến các nút thuộc tập Qs ;
Chờ đến khi nhận được K gói RREP hoặc hết thời gian chờ cho phép;
if (Số gói RREP nhận được > 0) then
Chọn lộ trình có giá trị trong trường BP của gói RREP nhỏ nhất để cập
nhật vào RC của S;
else
Từ chối yêu cầu khám phá lộ trình;
end
else

Từ chối u cầu khám phá lộ trình;
end

Thuật tốn 3.4: Thuật tốn LBQT-AODV tại nút trung gian hoặc nút đích
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
(11)
(12)
(13)
(14)
(15)
(16)
(17)
(18)
(19)
(20)
(21)
(22)
(23)
(24)
(25)
(26)

(27)
(28)
(29)
(30)

Nút I nhận gói RREQ;
if (I là nút trung gian) then
if (I chưa nhận gói RREQ này trước đó) then
Cập nhật đường ngược về S vào RC của I;
if (RC của I khơng có lộ trình khả dụng đến D) then
SA xác định tập Qi theo Thuật toán 3.1;
if (Qi = 0)
/ then
Phát quảng bá gói RREQ đến các nút thuộc tập Qs ;
else
Loại bỏ gói RREQ, kết thúc xử lý gói RREQ vừa nhận;
end
else
if (DSN của lộ trình I → D lớn hơn DSN trong gói RREQ) then
SA dự đốn QoT, EED và BPD theo lộ trình S → I nối với I →
D theo Thuật tốn 3.2;
if (Gói RREP được tạo) then
Gửi gói RREP về S theo đường ngược;
else
Thực hiện các bước 6 đến 11;
end
else
Thực hiện các bước 6 đến 11;
end
end

else
Loại bỏ gói RREQ, kết thúc tiến trình xử lý gói RREQ vừa nhận;
end
else
Cập nhật đường ngược về S vào RC của I;
Tạo gói RREP, gửi gói RREP về S theo đường ngược;
end

15


3.6. Áp dụng cho giao thức DSR
3.6.1. Đặt vấn đề
Theo kết quả nghiên cứu ở Chương 2, việc khám phá lộ trình theo giao thức
DSR sẽ tồn tại một số trường hợp lộ trình tìm được khơng đảm bảo QoT. Để giải
quyết vấn đề này, tác giả áp dụng thuật tốn LBRQT để cải tiến cơ chế khám phá
lộ trình của giao thức DSR. Thuật toán cải tiến được đặt tên là LBRQT-DSR.
3.6.2. Chỉnh sửa khn dạng gói RREQ và RREP
Gói RREQ và RREP của thuật tốn LBRQT-DSR được chỉnh sửa ở Hình 3.12.
3.6.3. Thuật tốn định tuyến LBRQT-DSR
Thuật tốn 3.5:
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)

(10)
(11)
(12)
(13)
(14)
(15)
(16)
(17)
(18)
(19)
(20)
(21)
(22)
(23)
(24)
(25)
(26)
(27)
(28)
(29)
(30)
(31)
(32)
(33)
(34)
(35)

Thuật tốn LBRQT-DSR

S tạo gói RREQ; I ← S; NRREP = 0;

repeat
Xác định tập Qi theo Thuật toán 3.1 (Chương 2);
Phát gói quảng bá gói RREQ đến các nút J thuộc tập Qi ;
if (Trước đó J chưa nhận gói RREQ này) then
Thêm một bản ghi vào RC của J chứa lộ trình ngược về S;
if (J chưa phải là nút đích (nút D)) then
if (RC của J khơng có lộ trình đến D) then
Cập nhật đường ngược về S vào RC của J;
Cập nhật lộ trình từ S đến J trong gói RREQ;
I ← J;
else
SA tại J dự đốn QoT, EED và BPD theo lộ trình S → I nối với I → D
theo Thuật toán 3.2 (Chương 2);
if (Gói RREP được tạo) then
Nối lộ trình S → J với lộ trình J → D;
NRREP ← NRREP + 1; Gửi RREP về S theo đường ngược;
else
Cập nhật đường ngược về S trong RC của J;
Cập nhật lộ trình từ S đến J trong gói RREQ;
I ← J;
end
end
else
Tạo gói RREP; Cập nhật lộ trình S → D vào gói RREP;
NRREP ← NRREP + 1; Gửi gói RREP về S theo đường ngược;
end
else
Xóa gói RREQ; Kết thúc tiến trình xử lý gói RREQ vừa nhận;
end
until (NRREP = K) or (Quá thời gian chờ);

if (NRREP > 0) then
Nút S chọn một lộ trình có giá trị BPD trong gói RREP nhỏ nhất;
else
Từ chối yêu cầu khám phá lộ trình mới từ S đến D;
end

16


Opt. type (*) Opt. Data Length (*) Identification (*)
Target Address (*)
Address [1] (*)
Address [2] (*)
(a)
… (*)
Address [n] (*)
Reserved
BP (**)
QoT (**)
E2E (**)

(b)

Opt. type (*) Opt. Data Len (*) Last Hop Ext. (*) Reserved (*)
Address [1] (*)
Address [2] (*)
Address [3] (*)
… (*)
Address [n] (*)
Reserved

BP (**)

Hình 3.12. Các gói (a) RREQ và (b) RRREP trong thuật tốn LBRQT-DSR

3.7. Mơ phỏng và phân tích kết quả
3.7.1. Xây dựng kịch bản mơ phỏng
Thuật tốn LBRQT-AODV và LBRQT-DSR được đánh giá bằng mô phỏng
trên OMNeT++ [10], so sánh với các thuật toán AODV [16], DSR [22] và DSRSNR trong [24]. Kịch bản mô phỏng được thiết lập như Phần 2.5.1, chương 2.
3.7.2. Kết quả mô phỏng thuật tốn LBRQT-AODV
Hình 3.13 so sánh SNR
trên các lộ trình khi sử dụng
thuật toán AODV và LBRQTAODV trong trường hợp tơ-pơ
50 nút, tốc độ di chuyển trung
bình là 10 m/s. Ta thấy rằng,
có nhiều lộ trình khơng thỏa
Hình 3.13. So sánh SNR của thuật toán (a) AODV và
mãn ràng buộc QoT. Với thuật
(b) LBRQT-AODV
toán LBRQT-AODV, SNR đã
được cải thiện. Hầu hết SNR
lớn hơn ngưỡng yêu cầu tối thiểu (23.5 dB).
0.05

AODV

LBRQT-AODV

0.04

BPD

0.03

Về mặt thơng lượng, thuật tốn LBRQTAODV cũng mang lại hiệu quả cao hơn thuật
toán AODV. Điều này được thể hiện rõ trên Hình
3.18, tương ứng với trường hợp tổng số nút là
17

0.02

0.01

0.00
0.6

0.65

0.7

0.75

0.8

0.85

0.9

0.95

1

Tải lưu lượng (Erlang)

Hình 3.17. So sánh BPD của thuật
tốn AODV và LBRQT-AODV
76E+6
74E+6

Thơng lượng (bit/s)

Vì SNR của thuật tốn LBRQT-AODV
được cải thiện, nên BPD giảm như cho thấy trên
Hình 3.17. Kết quả này được mô phỏng trên tôpô 40 nút, tốc độ di chuyển trung bình của mỗi
nút là 5 m/s. Khi tải lưu lượng là 0.6 Erlang,
BPD của thuật tốn AODV là 0.0136. Trong khi
đó, giá trị này của thuật toán LBRQT-AODV chỉ
là 0.0091. Như vậy, BPD của LBRQT-AODV
giảm 33.21% so với AODV.

72E+6
70E+6
68E+6
66E+6
LBRQT-AODV

64E+6

AODV

62E+6

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Thời gian mơ phỏng (s)

Hình 3.18. Thơng lượng của thuật
tốn AODV và LBRQT-AODV


40, tốc độ di chuyển 5 m/s. Thông lượng trung bình của các thuật tốn AODV và
LBRQT-AODV tương ứng là 69.85 và 71.55 Mbit/s. Như vậy, so với thuật toán
AODV, thơng lượng của thuật tốn LBRQT-AODV tăng 1.7 Mbit/s.
3.7.3. Kết quả mơ phỏng thuật tốn LBRQT-DSR

Hình 3.20 cho thấy SNR nhỏ nhất của các
lộ trình trong tồn mạng. Với thuật toán DSR,
SNR lớn hơn SNR yêu cầu khi tổng số nút mạng
nhỏ hơn 30. Tuy nhiên, nếu tổng số nút mạng lớn
hơn 30 thì SNR nhỏ hơn SNR yêu cầu. Với thuật
tốn LBRQT-DSR, SNR đã được cải thiện, ln
lớn hơn SNR yêu cầu dù tổng số nút mạng lớn.
Về BPD, khi sử dụng thuật toán LBRQT-DSR,
BPD cũng được cải thiện so với thuật tốn DSR
(Hình 3.23). BPD của thuật tốn LBRQT-DSR
giảm trung bình 51.79% so với DSR.

3.8. Kết luận chương

Giá trị yêu cầu
DSR

SNR nhỏ nhất (dB)

25.00

LBRQT-DSR

24.00

23.00

22.00

21.00

20

25

30

35

40

45

50

Tổng số nút mạng

Hình 3.20. SNR nhỏ nhất của các
thuật tốn LBRQT-DSR và DSR
72E+6

0.07
DSR

0.06

70E+6

LBRQT-DSR

Thơng lượng (bit/s)

0.05

BPD

Về mặt thơng lượng,
thuật tốn LBRQT-DSR
ln đạt được thơng
lượng cao hơn thuật
tốn DSR (Hình 3.26).
thuật tốn LBRQT-DSR
mang lại thơng lượng
cao hơn thuật tốn DSR
trung bình 2.99 Mbit/s.

26.00

0.04
0.03
0.02
0.01

68E+6

66E+6

64E+6

62E+6

LBRQT-DSR
DSR

0.00
0.6

0.65

0.7

0.75

0.8

0.85

0.9

0.95

Tải lưu lượng (Erlang)

Hình 3.23. BPD của thuật
tốn LBRQT-DSR và DSR

1

60E+6
0

50

100

150

200

250

300

Thời gian mơ phỏng (s)

Hình 3.26. Thơng lượng của
thuật tốn LBRQT-DSR và DSR

Chương 3 đã trình bày thuật tốn định tuyến cân bằng tải đảm bảo chất lượng
truyền dẫn (LBRQT), được đề xuất cho mạng MANET. Thuật tốn LBRQT cho
phép tìm được lộ trình thỏa mãn ràng buộc QoT, đồng thời cân bằng tải lưu lượng
trên tất cả các kết nối trong mạng. Thuật toán LBRQT đã được áp dụng để cải tiến
các giao thức định tuyến AODV (LBRQT-AODV) và DSR (LBRQT-DSR). Kết
quả mô phỏng trên OMNeT++ đã cho thấy rằng, các thuật toán LBRQT-AODV và
LBRQT-DSR đã tìm được các lộ trình thỏa mãn ràng buộc của QoT, nên QoT trên
các lộ trình truyền dữ liệu ln đảm bảo. Ngồi ra, các lộ trình cũng được chọn
theo tiêu chí cân bằng tải. Vì vậy, giảm thiểu tình trạng nghẽn cục bộ trong mạng.
Vì vậy, hiệu năng mạng được cải thiện so với các thuật toán DSR và AODV, đặc
biệt là trong trường hợp hệ thống mạng có vùng diện tích rộng, mật độ nút cao.
18

CHƯƠNG 4
ĐỊNH TUYẾN CÂN BẰNG TẢI ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG TRUYỀN DẪN
DỰA TRÊN THÔNG TIN ĐỊNH TUYẾN CỦA NÚT NGUỒN
Nội dung chương này trình thuật tốn định tuyến cân bằng tải đảm bảo QoT
được đề xuất cho mạng MANET. Lộ trình cân bằng tải được chọn dựa trên thơng
tin định tuyến được lưu trữ trong bộ nhớ của nút nguồn. Thuật toán đề xuất được đặt
tên là SLBQT-DSR (Source-based Load Balancing ensuring QoT based on DSR).
4.1. Ý tưởng đề xuất thuật tốn
4.1.1. Chọn lộ trình cân bằng tải
Đặc trưng cơ bản của giao thức định tuyến DSR là RC của mỗi nút lưu trữ đầy
đủ thơng tin lộ trình từ nguồn đến đích. Vì vậy, mỗi nút mạng có thể xác định được
tải lưu lượng từ nó phân phối đến tất cả các kết nối trong mạng dựa trên thông tin
lộ trình trong RC của nó. Vì vậy, khi nhận được các gói RREP, dựa trên thơng tin
định tuyến trong RC ở thời điểm đang xét, nút nguồn có thể lựa chọn lộ trình sao
cho tải lưu lượng phân phối đến tất cả các kết nối là cân bằng nhất. Đây chính là ý
tưởng lựa chọn lộ trình cân bằng tải của thuật toán định tuyến SLBQT-DSR.
4.1.2. Xác định điều kiện ràng buộc QoT
Để đảm bảo QoT của các
Dự đoán SNR và EED
từ S mỗi nút J  NI
lộ trình tìm được bởi thuật
N
tốn định tuyến SLBQT-DSR,
các điều kiện ràng buộc về
S
L
RC của I khơng có lộ trình đến D
QoT phải được xác định trong
RREQ

quá trình khám phá lộ trình. Ý
...
M
A
I
tưởng xác định các điều kiện
...
...
RC của nút I có lộ trình đến D
ràng buộc của QoT trong thuật
K
tốn SLBQT-DSR được minh
Tập Q
họa như ở Hình 4.1. Khi một
Tập N
D
Dự đoán SNR và EED từ S đến D
nút trung gian (nút I) nhận
theo lộ trình S  I nối với I  D
được một gói RREQ về yêu
cầu khám phá lộ trình mới từ
Hình 4.1. Mơ hình xác định điều kiện ràng buộc QoT
nút nguồn (S) đến nút đích
của thuật tốn SLBQT-DSR
(D). Trong trường hợp thơng
tin định tuyến trong bộ nhớ của I khơng có lộ trình đến D, SA tại I dự đốn các
thơng tin về QoT từ S đến tất cả các nút láng giềng của I (các nút trong tập NI ).
Sau đó, gói RREQ chỉ được phát quảng bá đến các nút láng giềng của I thỏa mãn
I

I

19


điều kiện ràng buộc của QoT cho trước (các nút trong tập QI ). Trong trường hợp
thông tin định tuyến trong bộ nhớ của nút I có lộ trình đến D, thay vì gửi ngay gói
phản hồi RREP về nút nguồn như thuật toán DSR, SA tại I dự đoán các thông tin
về QoT từ nút S đến nút D dọc theo lộ trình S → I nối với I → D. Nếu ràng buộc
QoT cho trước được thỏa mãn, nút I mới gửi phản hồi gói RREP về nguồn. Ngược
lại, quá trình khám phá lộ trình được tiếp tục thực hiện như trường hợp thông tin
định tuyến trong bộ nhớ của nút I khơng có lộ trình đến D.
Với ngun lý này, các lộ trình được tìm thấy ln luôn thỏa mãn các điều kiện
ràng buộc của QoT. Nguyên lý dự đoán các tham số QoT tại nút I bởi SA được thực
hiện dựa trên mơ hình xun lớp như đã trình bày ở Phần 3.3.2.1 của Chương 3.
4.2. Mơ hình giải tích của thuật tốn SLBQT-DSR
Để mơ hình hóa thuật tốn SLBQT-DSR thành mơ hình giải tích, tác giả định
nghĩa một số ký hiệu toán học như sau:
(sx)

Gọi Nsx = ni j

n×n

là ma trận biểu diễn các kết nối được chọn cho lộ trình
(sx)

từ nút S đến nút X (rsd ), trong đó, mỗi phần tử ni j được xác định bởi:
(sx)

ni j =

1 Nếu lộ trình rsx đi qua kết nối ci j
0 Ngược lại

(4.1)

(s)

Gọi ρsx là tải lưu lượng yêu cầu từ S đến X, Fs = fi j n×n là ma trận biểu
diễn tải lưu lượng từ S phân phối đến tất cả kết nối. Khi đó, Fs được xác định bởi:
(s)

Fs = fi j

m|x=s

=
n×n

∑

ρsx Nsx

(4.2)

x=1

Xét trường hợp nút S cần khám phá một lộ trình đến nút D. Thuật tốn
SLBQT-DSR sẽ phát quảng bá gói RREQ để tìm K lộ trình thỏa mãn các điều

kiện ràng buộc của QoT và EED. K lộ trình này được biểu diễn bởi ma trận
(k)
(sdk)
(sdk)
Nsd = ni j
, trong đó, mỗi phần tử ni j được xác định theo (4.1).
n×n
Để biểu diễn lộ trình cân bằng tải được chọn trong số K lộ trình khả dụng, tác
(k)
giả định nghĩa biến xsd như sau:
(k)

xsd =

1 Nếu lộ trình thứ k được chọn
0 Ngược lại

(4.3)

khi đó, ma trận biểu diễn tải lưu lượng từ nút S phân phối đến tất cả các kết nối

20


trong mạng được thay đổi thành:
(s)

Fs = fi j

K

= Fs + ρsd
n×n

(k)

(k)

(4.4)

∑ xsd Nsd
k=1

(s)

Từ (4.4) ta có các phần tử fi j của ma trận Fs được xác định bởi:
(s)

K

(s)

fi j = fi j + ρsd

(k) (k)

(4.5)

∑ xsd nsd
k=1

Sau khi xác định được ma trận Fs , thuật toán định tuyến SLBQT-DSR được
mơ hình hóa thành bài tốn quy hoạch tuyến tính nguyên (ILP) sau đây:
min

(s)

(4.6)

max fi j

(s)
∀ fi j ∈Fs

với các điều kiện ràng buộc:
(k)

(k)

xsd (xsd − 1) = 0

K

(4.7)

(k)

∑ xsd

=1

(4.8)

k=1
(k)

trong đó, (4.7) là ràng buộc nhị phân theo định nghĩa của biến xsd ở (4.3). (4.8) là
ràng buộc lựa chọn lộ trình.
4.3. Thực thi thuật tốn SLBQT-DSR
4.3.1. Chỉnh sửa khn dạng gói RREQ

Opt. type

Opt. Data Length Identification
Target Address
Address [1]
Address [2]
…
Address [n]
Reserved
QoT
EED

Trong thuật tốn SLBQT-DSR, tác
giả sử dụng gói RREQ để trao đổi các
thông tin về QoT và EED giữa các nút.
Cấu trúc gói RREQ như cho thấy ở Hình
Hình 4.3. Cấu trúc(a)gói RREQ của thuật
4.4. Gói RREQ này được chỉnh sửa từ gói
tốn SLBQT-DSR

RREQ của giao thức DSR bằng cách thêm
vào các trường QoT và EED để lưu trữ các giá trị về chất lượng truyền dẫn và thời
gian trễ, dùng cho việc xác định các ràng buộc trong quá trình khám phá lộ trình.
4.3.2. Lưu đồ thuật tốn SLBQT-DSR
Ngun lý khám phá lộ trình của thuật tốn định tuyến SLBQT-DSR được
thực hiện theo lưu đồ Hình 4.4. Các ràng buộc QoT được xác định tại các bước
(3) đến (5) đối với nút nguồn, các bước (11) đến (16) đối với nút trung gian, trong
đó, việc xác định tập Qi là tập các nút láng giềng của nút I thỏa mãn điều kiện
ràng buộc của QoT được thực hiện theo Thuật toán 3.1 của Chương 3. Khi nút
nguồn đã nhận được K gói RREP về kết quả khám phá lộ trình, nghĩa là thuật tốn
SLBQT-DSR đã tìm được K lộ trình thỏa mãn điều kiện ràng buộc QoT, thuật tốn
SLBQT-DSR lựa chọn một trong số K lộ trình khả dụng sao cho tải lưu lượng được
21

Opt. typ


phân bố cân bằng đến tất cả các kết nối trong mạng. Công việc này được thực hiện
tại bước (27) của nút nguồn, theo Thuật tốn 4.1.
(1)

(2)

(30)

Bắt đầu

S tạo gói
RREQ

Kết thúc

(3)

Cập nhật lộ trình (28)
vào bảng định
tuyến của S

(29)

Xác định tập tập Qs
theo Thuật tốn 3.1

Từ chối u cầu do
khơng tìm được lộ trình

S lựa chọn lộ trình
cân bằng tải theo (27)
Thuật toán 4.1
Đúng
Sai
(26)
Nrrep > 0

Sai

Nút nguồn
Qi # 

(4)

Sai
(24)

Tăng Twait theo
đồng hồ thời gian

S phát quảng bá gói RREQ
(5)
đến tất cả các nút I  Qs

Nrrep = 0;
(23)
Twait = 0;

Đúng

(25)

Đúng

(Nrrep = K) OR
(Twait > Timeout)

(21)

Nrrep = Nrrep+1

Nút trung gian

(6) Nút I nhận gói RREQ

(7)

(22)

Sai
I là nút trung gian?
Đúng

(19)

(8)

Cập nhận thơng tin
đường ngược về S
vào RC của I

I chưa nhận gói
RREQ này trước đó?

Sai

S nhận
gói RREP

(20)

Đúng

Tạo gói RREP và
gửi phản hồi về S
theo lộ trình ngược

(9) Cập nhận thơng tin đường

ngược về S vào RC của I

(15)

Đúng SA tại I dự đốn SNR và
EED từ S đến D theo lộ
trình S → I nối với I → D

RC của I có lộ
trình đến D?

(10)

Sai
(16)

Xác định tập tập Qi
(11)
theo Thuật tốn 3.1

Sai

(12)

Loại bỏ
gói RREQ

Sai

Qi # 

SNR và EED thỏa
mãn điều kiện ràng
buộc QoT?
Đúng

(13)

Đúng

(17)

I phát quảng bá gói RREQ
(14)
đến tất cả các nút J  Qi

Kết thúc tiến trình xử lý
gói RREQ vừa nhận

Tạo gói RREP và gửi phản
hồi về S theo lộ trình ngược

(18)

Hình 4.4. Lưu đồ thuật tốn định tuyến SLBQT-DSR

22

Nút đích


Thuật tốn 4.1: Chọn một lộ trình cân bằng tải tại nút nguồn
(1)

Dựa trên thông tin bảng định tuyến của nút S, xây dựng ma trận phân phối lưu lượng

(2)

Fs = fi j n×n theo (4.2);
Dựa trên thơng tin của K lộ trình khả dụng, xây dựng ma trận phân phối lưu lượng

(s)

(s)

(3)
(4)
(5)
(6)

Fs = fi j n×n theo (4.4);
Xây dựng bài toán ILP theo hàm mục tiêu (4.6) với các ràng buộc (4.7) và (4.8);
Giải bài tốn ILP;
Chọn lộ trình cân bằng tải dựa trên kết quả giải bài toán ILP;

Cập nhật thơng tin lộ trình vào bảng định tuyến của S;

4.4. Mơ phỏng và phân tích kết quả
4.4.1. Kịch bản mơ phỏng
Hiệu quả thực thi của thuật tốn SLBQT-DSR được đánh giá bằng mơ phỏng
trên OMNeT++ [10]. Thuật tốn SLBQT-DSR được so sánh với thuật tốn khám
phá lộ trình của giao thức DSR [22]. Mô phỏng được thực hiện nhiều kịch bản
khác nhau với các tham số kỹ thuật được thiết lập như Bảng 2.5 của Chương 2.
26.00

4.4.2. Kết quả mơ phỏng

Giá trị u cầu
DSR

Kết quả trên Hình 4.5 cho thấy SNR
nhỏ nhất của thuật toán SLBQT-DSR và
DSR. Với thuật toán DSR, SNR chỉ lớn hơn
SNR yêu cầu khi tổng số nút nhỏ hơn 30.
Với thuật toán RLBQT-DSR, SNR luôn lớn
hơn SNR yêu cầu cho dù tổng số nút mạng
lớn. Vì SNR tăng, nên BPD trên tồn mạng
giảm như cho thấy ở Hình 4.8. Với thuật
tốn SLBQT-DSR, BPD giảm trung bình
46.77% so với thuật tốn DSR.

SNR nhỏ nhất (dB)

25.00

SLBQT-DSR

24.00

23.00

22.00

21.00
20

25

30

35

40

45

50

Tổng số nút mạng

Hình 4.5. So sánh SNR của thuật tốn
SLBQT-DSR và DSR

0.07

74.0E+6

DSR

0.06

72.0E+6

SLBQT-DSR

70.0E+6

Thông lượng (bit/s)

BPD

0.05
0.04
0.03
0.02

68.0E+6
66.0E+6
64.0E+6
62.0E+6
60.0E+6
SLBQT-DSR

0.01

58.0E+6

0.00

56.0E+6

0.6

0.65

0.7

0.75

0.8

0.85

0.9

0.95

DSR

0

1

50

100

150

200

250

300

350

400

Thời gian mô phỏng (s)

Tải lưu lượng (Erlang)

Hình 4.8. So sánh BPD của thuật tốn
SLBQT-DSR và DSR

Hình 4.11. So sánh thơng lượng của thuật
tốn SLBQT-DSR và DSR

23