Nghiên cứu phương pháp cải tiến giao thức định tuyến AOMDV nhằm đảm bảo chất lượng dịch vụ cho mạng manet

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

Hà Mạnh Huy

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP CẢI TIẾN GIAO THỨC
ĐỊNH TUYẾN AOMDV NHẰM ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG
DỊCH VỤ CHO MẠNG MANET

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

Thái Nguyên - 2020


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

Hà Mạnh Huy

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP CẢI TIẾN GIAO THỨC
ĐỊNH TUYẾN AOMDV NHẰM ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG
DỊCH VỤ CHO MẠNG MANET

Ngành: Khoa học máy tính
Mã số: 8480101

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. ĐỖ ĐÌNH CƯỜNG

Thái Nguyên - 2020


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập, nghiên cứu đề tài luận văn: “Nghiên cứu phương
pháp cải tiến giao thức định tuyến AOMDV nhằm đảm bảo chất lượng dịch vụ
cho mạng MANET” tôi đã nhận được sự giúp đỡ, chỉ bảo nhiệt tình của các
thầy, cơ giáo thuộc Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông –
Đại học Thái Ngun để hồn thành luận văn này.
Với tình cảm chân thành, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn đối với Ban giám
hiệu, phịng Đào tạo, Khoa Cơng nghệ thơng tin, các thầy giáo, cô giáo thuộc
Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông – Đại học Thái Nguyên
đã tham gia quản lý, giảng dạy và giúp đỡ tơi trong suốt q trình học tập,
nghiên cứu.
Tơi xin bày tỏ sự biết ơn đặc biệt đến Thầy TS. Đỗ Đình Cường - người
đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ về kiến thức, tài liệu và phương pháp để tơi
hồn thành đề tài luận văn thạc sĩ này.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã động
viên, cổ vũ, khích lệ và giúp đỡ tơi trong suốt thời gian qua.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng trong suốt quá trình thực hiện đề tài, song có
thể cịn có những mặt hạn chế, thiếu sót. Tơi rất mong nhận được ý kiến đóng
góp và sự chỉ dẫn của các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn
được hoàn thiện.
Thái Nguyên, ngày … tháng …. năm 2020
Học viên

Hà Mạnh Huy


MỤC LỤC

MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. ĐỊNH TUYẾN ĐA ĐƯỜNG TRONG MẠNG MANET .......... 3
1.1. Tổng quan về mạng MANET................................................................. 3
1.1.1. Định nghĩa mạng MANET.............................................................. 3
1.1.2. Đặc điểm của mạng MANET.......................................................... 4
1.1.3. Ứng dụng của mạng MANET ......................................................... 6
1.1.3.1. Ứng dụng trong quân đội ............................................................. 6
1.3.1.2. Các ứng dụng trong cuộc sống..................................................... 7
1.3.1.3. Mạng cảm biến ............................................................................. 8
1.3.1.4. Mạng Rooftop .............................................................................. 9
1.3.1.5. Mở rộng phạm vi của điểm truy cập .......................................... 10
1.2. Giao thức định tuyến đa đường AOMDV............................................ 10
1.2.1. Tổng quan về giao thức AOMDV................................................. 10
1.2.2. Vấn đề chống định tuyến lặp ........................................................ 12
1.2.3. Các đường tách biệt....................................................................... 14
1.2.4. Bảng định tuyến ............................................................................ 20
1.2.5. Thuật toán cập nhật đường ............................................................ 21
1.2.6. Tiến trình khám phá đường ........................................................... 23
1.2.7. Cơ chế bảo trì đường ..................................................................... 26
1.2.8. Cơ chế chuyển tiếp dữ liệu............................................................ 26
1.3. Một số nghiên cứu cải tiến giao thức AOMDV ................................... 27
1.4. Tổng kết chương 1 ............................................................................... 29
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH TUYẾN ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG
DỊCH VỤ CHO MẠNG MANET TRONG GIAO THỨC QCLR ................ 31
2.1. Đề xuất ý tưởng cải tiến cho giao thức AOMDV ................................ 31
2.2. Xây dựng hàm lượng giá đường theo QoS .......................................... 33
2.2.1. Phân lớp các ứng dụng theo yêu cầu QoS .................................... 33
3.2.2. Phương pháp ra quyết định chọn đường ....................................... 33

2.2.3. Xác định trọng số của các tiêu chuẩn QoS ................................... 36
2.3. Dự đoán chất lượng liên kết tại tầng MAC .......................................... 40
2.3.1. Ước lượng thời gian trễ theo thời gian phục vụ ............................ 41
2.3.2. Ước lượng tỉ lệ lỗi frame của liên kết ........................................... 45
2.4. Phát triển giao thức QCLR từ giao thức AOMDV .............................. 46
2.4.1. Xây dựng hàm lượng giá đường ................................................... 46
2.4.2. Cơ chế định tuyến QoS ................................................................. 48
2.9. Tổng kết Chương 2 .............................................................................. 50
CHƯƠNG 3. KIỂM NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ......................... 52
3.1. Kịch bản mô phỏng .............................................................................. 52
3.2. Các độ đo đánh giá hiệu năng .............................................................. 53
3.3. Các kết quả và đánh giá ....................................................................... 54
3.3.1. Độ trễ truyền gói tin trung bình .................................................... 54
3.3.2. Thơng lượng trung bình ................................................................ 56
3.3.3. Tỉ lệ truyền gói thành công ........................................................... 57
3.3.4. Tải định tuyến ............................................................................... 59
3.3.5. Độ biến thiên trễ truyền gói tin ..................................................... 60
3.4. Tổng kết Chương 3 .............................................................................. 63
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ...................................................... 64
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 66


1
MỞ ĐẦU
Được hình thành bởi các kết nối tạm thời giữa các nút mạng di động khơng
có sự hỗ trợ của cơ sở hạ tầng mạng cố định, mạng MANET có nhiều những
đặc điểm khác biệt so với mạng khơng dây và có dây truyền thống làm nảy sinh
nhiều thách thức và các hướng nghiên cứu khác nhau Định tuyến trong mạng
MANET đã và đang là một vấn đề rất cần được quan tâm giải quyết trong những
nghiên cứu cải tiến hiệu năng mạng MANET.

Đã có nhiều cải tiến nghiên cứu được đề xuất nhằm cải tiến các giao thức
định tuyến cho mạng MANET. Có thể phân nhóm các nghiên cứu này theo mục
tiêu của chúng bao gồm: Tăng độ bền vững của đường được chọn, nâng cao
hiệu quả định tuyến, đảm bảo an ninh trong định tuyến, định tuyến hỗ trợ QoS,
định tuyến với cơ chế tiết kiệm năng lượng. Trong từng ngữ cảnh triển khai
mạng MANET với các yêu cầu cụ thể, cần lựa chọn, cải tiến và sử dụng giao
thức định tuyến một cách phù hợp.
Đối với vấn đề định tuyến hỗ trợ QoS, các giao thức định tuyến phải có
khả năng chọn đường phù hợp với yêu cầu QoS của dữ liệu cần truyền. Tại mỗi
nút mạng, các luồng dữ liệu có yêu cầu QoS khác nhau có thể truyền theo các
con đường khác nhau. Do các giao thức định tuyến đơn đường chỉ hỗ trợ tìm
một đường duy nhất sau tiến trình định tuyến nên không thể chọn được các
đường khác nhau theo các luồng dữ liệu có yêu cầu QoS khác nhau. Do đó, các
giao thức định tuyến đa đường là lựa chọn thích hợp để tích hợp cơ chế định
tuyến QoS.
Các giao thức định tuyến đa đường có khả năng tìm và sử dụng nhiều
đường đồng thời từ một nút nguồn tới một nút đích. Trong thời gian qua, đã có
nhiều giao thức định tuyến đa đường được đề xuất. Tuy nhiên trong các giao
thức định tuyến đa đường đã được đề xuất này, vấn đề định tuyến theo yêu cầu


2
chất lượng dịch vụ của các lớp chương trình ứng dụng phân loại theo chuẩn
ITU-T G.1010 vẫn chưa được giải quyết.
Mục tiêu chính của đề tài này là nghiên cứu phương pháp cải tiến cho giao
thức đa đường AOMDV trên cơ sở các đề xuất về phương pháp phân lớp các
ứng dụng theo yêu cầu chất lượng dịch vụ theo chuẩn ITU-T G1010, phương
pháp tính trọng số cho các tham số chất lượng dịch vụ, kỹ thuật dự đoán chất
lượng liên kết tại tầng MAC, phương pháp triển khai cải tiến giao thức
AOMDV theo cách tiếp cận liên tầng đảm bảo yêu cầu QoS, kiểm nghiệm và

đánh giá kết quả của các cải tiến đã đề xuất trên cơ sở mơ phỏng.
Luận văn có bố cục như sau: Sau phần mở đầu, Chương 1 của luận văn
là nội dung giới thiệu tổng quan về mạng MANET, giao thức định tuyến đa
đường AOMDV và một số kỹ thuật cải tiến giao thức định tuyến AOMDV. Chi
tiết của phương pháp cải tiến giao thức định tuyến AOMDV nhằm đảm bảo
chất lượng dịch vụ cho mạng MANET được trình bày trong Chương 2. Kết quả
của các thực nghiệm nhằm kiểm nghiệm, đánh giá hiệu quả của phương pháp
cải tiến so với phương pháp ban đầu được trình bày trong Chương 3. Cuối cùng
là phần kết luận đưa ra những nội dung tổng kết và hướng phát triển của luận
văn.


3
CHƯƠNG 1. ĐỊNH TUYẾN ĐA ĐƯỜNG TRONG MẠNG MANET
1.1. Tổng quan về mạng MANET
1.1.1. Định nghĩa mạng MANET
Mạng ad hoc di động (MANET) [5] là một mạng được hình thành bởi
một tập các nút (máy/thiết bị) không dây, di động mà khơng hề có bất cứ sự trợ
giúp nào của một trạm quản lý tập trung, một cơ sở hạ tầng truyền thơng có
trước hoặc sự can thiệp của người dùng. Việc truyền thông giữa các nút được
thực hiện nếu như hai nút là đủ gần nhau để trao đổi các gói tin.

Hình 1.1. Ví dụ về một mạng MANET
Có thể hình dung mạng MANET như một đồ thị, trong đó các nút mạng
được biểu diễn bởi các đỉnh của đồ thị. Nếu hai nút có thể truyền thơng trực
tiếp với nhau, liên kết đó được biểu diễn bởi đường nối giữa hai nút. Đồ thị
biểu diễn này là một đồ thị tùy ý, có thể thay đổi hình dạng tại bất cứ thời điểm
nào.
Mạng MANET có thể là một mạng độc lập, hoặc cũng có thể được kết
nối với một mạng khác lớn hơn, ví dụ mạng Internet.

4
Trong Hình 1.1 là một ví dụ về một mạng MANET gồm 7 nút. Phạm vi
truyền thông của mỗi nút được biểu diễn bằng một hình trịn. Các nút nằm trong
phạm vi truyền thơng của nhau có thể truyền thơng trực tiếp được với nhau.
Kết nối giữa các nút mạng được đặc trưng bởi khoảng cách giữa các nút
và tính sẵn sàng hợp tác để tạo thành mạng mặc dù là tạm thời. Các tính chất
đặc trưng của kết nối trong mạng MANET bao gồm:
(1) Khoảng cách giữa các nút: Khoảng cách giữa các nút hoặc trạng thái ở
gần nhau của chúng định nghĩa ranh giới mạng. Chỉ cần hai hoặc nhiều nút
chuyển động trong một bán kính nhất định là tạo thành một mạng ad-hoc. Chính
sự chuyển động làm cho khoảng cách giữa các nút thay đổi gây ra bản chất đặc
biệt (ad-hoc) của mạng.
(2) Tính sẵn sàng hợp tác: (1) chỉ là điều kiện cần, chưa phải là điều kiện
đủ để thành lập mạng ad-hoc. Các nút ở trong khoảng cách đủ gần phải sẵn
sàng hợp tác để tạo thành mạng. Nói cách khác, tự bản thân nút quyết định
“online” hay “offline”.
(3) Mạng ngang hàng tạm thời: Tại bất cứ một thời điểm nào, mạng ad-hoc
được xác định bởi các nút đang “online” và ở trong một khoảng cách nhất định.
Một nút ln có xu hướng tham gia hay biến mất khỏi mạng. Do đó, mạng được
coi là tạm thời. Hơn nữa, do khơng có một cơ sở hạ tầng mạng cho trước, các
nút trong mạng phải truyền thông theo kiểu ngang hàng (peer-to-peer).
1.1.2. Đặc điểm của mạng MANET
Do ad hoc 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 trị là thiết bị đầu cuối, vừa đóng vai trị là bộ định tuyến nên mạng ad
hoc di động cịn có một số đặc điểm nổi bật sau [4]:

5
 Các nút mạng có tài nguyên hạn chế: Mỗi nút di động trong mạng có thể là
một bộ cảm biến, một điện thoại thơng minh hoặc một máy tính xách tay.
Thơng thường các thiết bị này có tài ngun hạn chế so với các máy tính
trong mạng có dây và không dây truyền thống về tốc độ xử lý, dung lượng
bộ nhớ và năng lượng nguồn pin nuôi sống hoạt động của nút.
 Chất lượng liên kết hạn chế: Các liên kết khơng dây thường có băng thơng
nhỏ hơn so với các liên kết có dây. Ngồi ra, do ảnh hưởng của cơ chế đa
truy cập, vấn đề suy giảm tín hiệu, nhiễu và các yếu tố khác, băng thông
thực của các liên kết không dây thường thấp hơn nhiều so với tốc độ truyền
tối đa theo lý thuyết của môi trường truyền không dây.
 Cấu trúc động: Do tính chất di chuyển ngẫu nhiên của các nút mạng nên cấu
trúc của loại mạng này cũng thường xuyên thay đổi một cách ngẫu nhiên ở
những thời điểm không xác định trước. Trong khi thay đổi, cấu trúc của
mạng có thêm hoặc mất đi các kết nối hai chiều hoặc kết nối một chiều.
 Độ bảo mật thấp ở mức độ vật lý: Mạng không dây di động thường chịu tác
động về mặt vật lý từ các nguồn gây nguy hại về an ninh nhiều hơn so với
mạng có dây. Về khía cạnh vật lý, các kỹ thuật gây mất an ninh và bảo mật
trong mạng như nghe lén, giả mạo và tấn công từ chối dịch vụ thường dễ
triển khai trong mạng ad ho di động hơn là trong mạng có dây truyền thống.
Có thể thấy những đặc điểm này là các yếu tố ảnh hưởng rất nhiều đến
hiệu năng của mạng ad hoc di động. Để có thể triển khai được mạng ad hoc di
động trong thực tế, các thiết kế mạng phải giải quyết được những thách thức
sinh ra do những đặc điểm đã nêu trên của mạng. Những thách thức này gồm
các vấn đề kỹ thuật như khả năng truyền dữ liệu và định tuyến hiệu quả khi
kích thước mạng thay đổi; đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) cho các chương
trình ứng dụng; cơ chế chuyển đổi một số dịch vụ từ mơ hình client-server; tiết


6

kiệm năng lượng pin để kéo dài thời gian hoạt động của các nút mạng riêng lẻ
và của toàn mạng; đảm bảo an ninh mạng; khả năng hợp tác giữa các nút mạng
và khả năng tự tổ chức của mạng;
1.1.3. Ứng dụng của mạng MANET
Các công nghệ của mạng không dây kiểu khơng cấu trúc đem lại rất nhiều
lợi ích so với các mạng truyền thống (cả không dây và có dây) trong những ngữ
cảnh khó có thể triển khai được một cơ sở hạ tầng mạng cố định hoặc việc triển
khai là không khả thi do những lý do về mặt thực hành (địa hình,…) hoặc do
những lý do về kinh tế (chi phí cáp trong một khơng gian lớn, chi phí thiết lập
nhiều điểm truy cập). Phần dưới đây sẽ giới thiệu các ứng dụng của mạng
MANET.
1.1.3.1. Ứng dụng trong quân đội
Những thành tựu mới của công nghệ thông tin thường được áp dụng trong
quân sự đầu tiên, và mạng không dây kiểu không cấu trúc cũng không phải là
một ngoại lệ. Nhiều năm nay, quân đội đã sử dụng các mạng “packet radios” –
một nguyên mẫu đầu tiên của mạng chuyển mạch gói khơng dây ngày nay.
Giải pháp mạng MANET cho quân đội có những đặc điểm khác so với
mạng MANET thuần túy [1]
Mạng MANET thuần túy thường tn theo một mơ hình điểm ngẫu
nhiên, các nút tự do di chuyển theo bất cứ hướng nào, với bất cứ tốc độ nào.
Trong mơ hình mạng MANET cho quân đội, các nút phân nhóm theo bản chất
tự nhiên của chúng khi chúng cùng thực hiện một nhiệm vụ cụ thể. Xu hướng
di động ở đây là theo nhóm. Hình 1.2 minh hoạ sự khác nhau về mơ hình di
động của mạng MANET thuần tuý và mạng MANET trong quân đội.


7

Mạng MANET thuần túy
Mạng MANET qn đội

Hình 1.2. Mơ hình di động mạng MANET thuần túy và mạng MANET quân
đội
Do đó, nếu đưa ra được một mơ hình chuyển động theo nhóm, các vấn
đề của mạng MANET sẽ trở nên cụ thể hơn (ví dụ: định tuyến, sử dụng các ứng
dụng thời gian thực như tiếng nói, video,…), cho phép phát triển một giải pháp
tối ưu.
1..1.3.2. Các ứng dụng trong cuộc sống
Mạng MANET là rất lý tưởng trong các trường hợp khơng có sẵn một cơ
sở hạ tầng thơng tin, tuy nhiên lại cần phải thành lập một mạng tạm thời nhằm
trao đổi thông tin và hợp tác cùng làm việc.
Tại các vùng bị thiên tai, thảm họa, khó có thể có được một cơ sở hạ tầng
về thơng tin vững chắc. Hệ thống có trước đó rất có thể bị hỏng hoặc bị phá
hủy hồn tồn.
Tại vùng có thảm họa, tất cả các phương tiện và hệ thống truyền thơng
đều bị phá hủy hồn tồn. Mỗi chiếc xe của cảnh sát, cứu hỏa, cứu thương,…
đều được trang bị như một thiết bị đầu cuối di động – là một phần của mạng
ad-hoc. Mỗi nhân viên 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 tạm thời nhằm


8
trao đổi thơng 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 thơng tin mà cịn có thể chuyển tiếp thơng tin – đóng vai trị như router
trên Internet.
Đối với ứng dụng trong hội thảo, khác với cách làm truyền thống khi
những người tham gia hội thảo muốn chia sẻ tài liệu cho nhau là gửi file đính
kèm qua email hoặc sao chép qua các thiết bị lưu trữ thứ cấp có khả năng di
động, tất cả những người tham dự hội thảo đều có thể sử dụng thiết bị di động
để tạo thành một mạng ad-hoc trong suốt thời gian đó. Các thiết bị có thể truyền

thơng với nhau, truyền/nhận các tài liệu được sử dụng trong hội thảo. Khi hội
thảo kết thúc, các thiết bị được tắt nguồn, mạng tự bị hủy bỏ.
Mạng MANET cũng có thể ứng dụng trong cuộc sống. Chẳng hạn như
mạng động được hình thành từ hai thiết bị cầm tay thông minh của các em học
sinh để chơi game. Môi trường mạng ở đây là một mạng không dây kiểu không
cấu trúc thuần túy, tức là khơng có cơ sở hạ tầng về cáp, các thiết bị đầu cuối
tự cấu hình để thành lập mạng, mà khơng có sự quản lý tập trung. Mạng này có
thể tự chia nhỏ thành các mạng con: một mạng riêng giữa em học sinh và bạn
của em, một mạng “chung” được khởi tạo bởi người muốn chia sẻ các chương
trình trị chơi điện tử trên máy của anh ta. Hai mạng này được trộn lẫn vào nhau
một cách linh động.
1.3.1.3. Mạng cảm biến
Cảm biến là các thiết bị nhỏ, phân tán, giá thành thấp, tiết kiệm năng
lượng, có khả năng truyền thông không dây và xử lý cục bộ. Mạng cảm biến là
mạng gồm các nút cảm biến (sensor) – các nút này hợp tác với nhau để cùng
thực hiện một nhiệm vụ cụ thể, ví dụ như: giám sát mơi trường (khơng khí, đất,


9
nước), theo dõi môi trường sống, hành vi, dân số của các lồi động, thực vật,
dị tìm động chấn, theo dõi tài nguyên, thực hiện trinh thám trong quân đội,...
Trước đây mạng cảm biến thường bao gồm một lượng nhỏ các nút cảm
biến được kết nối bằng cáp tới một trạm xử lý tập trung. Ngày nay, các nút
mạng cảm biến thường là không dây, phân tán để vượt qua các trở ngại vật lý
của môi trường, tiết kiệm năng lượng và do trong nhiều trường hợp khơng thể
có được một hạ tầng có sẵn về năng lượng và truyền thông.
Công nghệ mạng không dây kiểu không cấu trúc thường được áp dụng
để triển khai mạng cảm biến do:
 Các nút cảm biến được phân tán trong vùng khơng có sẵn cơ sở hạ tầng
về truyền thông và năng lượng. Các nút phải tự hình thành kết nối.

 Các nút phải tự tự cấu hình, tự hoạt động trong bất cứ trường hợp nào
 Cấu hình mạng ln có thể thay đổi (các nút cảm biến bị hỏng, các nút
mới được thêm vào,…), mạng cảm biến phải tự thích nghi với những
thay đổi này.
1.3.1.4. Mạng Rooftop
Là một công nghệ đang bùng nổ để cung cấp truy cập mạng băng thông
rộng tới các gia đình, một cách để thay thế ADSL (Asymmetric Digital
Subscriber Line) và các công nghệ tương tự khác. Mạng rooftop sử dụng công
nghệ mạng ad-hoc để mở rộng phạm vi của một số điểm truy cập – các điểm
này được nối với nhà cung cấp dịch vụ Internet (ISP). Mỗi người truy cập được
trang bị một router ad-hoc cho phép chuyển tiếp lưu lượng thay mặt những
người truy cập khác.
Từ khía cạnh ad-hoc, những mạng MANET như vậy là tương đối tĩnh –
cấu hình của mạng hiếm khi thay đổi.


10

Hình 1.3. Một ví dụ về mạng Rooftop

1.3.1.5. Mở rộng phạm vi của điểm truy cập
Trong các mạng không dây được sử dụng rộng rãi ngày nay, các nút mạng
di động được kết nối với các điểm truy cập theo cấu hình hình sao. Để được kết
nối vào mạng, người sử dụng phải ở trong phạm vi truy cập của mạng. Do phạm
vi truy cập này là giới hạn và cơ sở hạ tầng một chặng (one-hop) của cấu hình
này, các điểm truy cập phải được trải rộng trong toàn bộ vùng, bao phủ khắp
những nơi muốn kết nối với nhau.
Sử dụng mạng không dây kiểu không cấu trúc, nhu cầu cần các điểm truy
cập sẽ giảm – người sử dụng bên ngồi phạm vi truy cập sẽ vẫn có thể được
“tiếp sóng” thơng qua một hoặc nhiều nút trung gian để truy cập được vào

mạng.
1.2. Giao thức định tuyến đa đường AOMDV
1.2.1. Tổng quan về giao thức AOMDV
Giao thức AOMDV [7] là giao thức định tuyến đa đường theo yêu cầu
dạng vectơ khoảng cách được thiết kế dành cho mạng MANET. Nó được phát


11
triển từ giao thức AODV trên cơ sở chia sẻ một số đặc điểm với giao thức
AODV. Nó dựa trên khái niệm vectơ khoảng cách và sử dụng phương pháp
định tuyến từng chặng. Hơn nữa, giao thức AOMDV cũng tìm thấy các đường
theo yêu cầu bằng cách sử dụng tiến trình khám phá đường. Sự khác biệt chính
giữa hai giao thức này nằm ở số lượng đường tìm được sau mỗi tiến trình khám
phá tuyến. Trong giao thức AOMDV, việc truyền gói RREQ từ nguồn tới đích
sẽ thiết lập nhiều đường dẫn ngược ở cả các nút trung gian cũng như nút đích.
Nhiều gói RREP đi qua các đường nghịch hướng về nút nguồn để tạo thành
nhiều đường thuận đến đích tại các nút nguồn và nút trung gian. Giao thức
AOMDV cũng cung cấp cho các nút trung gian các đường dự phòng nhằm làm
giảm tần suất khám phá đường.
Vấn đề trọng tâm của giao thức AOMDV là vấn đề đảm bảo phát hiện
được nhiều đường không lặp và phân tách trong tiến trình tìm đường hiệu quả
bằng cách sử dụng tiến trình khám phá đường dựa vào kỹ thuật “làm ngập tràn”
(flooding). Các quy tắc cập nhật đường của giao thức AOMDV được áp dụng
cục bộ tại mỗi nút đóng vai trị chính trong việc duy trì các đường khơng lặp và
phân tách. Các nội dung được trình bày trong chương này là các ý tưởng chính
để đạt được hai thuộc tính này. Các phần tiếp sẽ trình bày cách đưa những ý
tưởng đó vào giao thức AOMDV bao gồm mô tả chi tiết các quy tắc cập nhật
đường tại mỗi nút và tiến trình khám phá đa đường.
Đề xuất thiết kế giao thức AOMDV tái sử dụng nhiều nhất có thể những
thơng tin định tuyến đã có sẵn trong giao thức AODV. Do đó, nó hạn chế chi

phí phát sinh trong việc khám phá nhiều đường. Đặc biệt, nó khơng sử dụng
thêm bất kỳ gói điều khiển đặc biệt nào. Trên thực tế, các gói RREP và RERR
bổ sung để phát hiện và bảo trì đa đường cùng với một vài trường bổ sung trong
các gói điều khiển định tuyến (RREQ, RREP và RERR) là chi phí bổ sung duy
nhất trong giao thức AOMDV so với giao thức AODV.


12
1.2.2. Vấn đề chống định tuyến lặp
Các quy tắc cập nhật tuyến của giao thức AODV giới hạn một nút chỉ tìm
được tối đa một đường cho mỗi đích. Do đó, cần thiết phải sửa đổi các quy tắc
cập nhật đường này để tại mỗi nút có nhiều hơn một đường cho mỗi đích. Tuy
nhiên, những sửa đổi này cần được thực hiện để đảm bảo vấn đề tránh định
tuyến lặp. Có hai vấn đề phát sinh khi tính tốn nhiều đường dẫn khơng lặp tại
một nút cho một đích. Một là, mỗi nút sẽ chọn đường nào trong nhiều đường
để cung cấp hoặc quảng bá cho các nút khác? Do mỗi tuyến đường có thể có
số chặng khác nhau nên việc lựa chọn một đường bất kỳ có thể tạo thành các
đường lặp vòng. Hai là, một nút khi nhận được quảng bá đường có chấp nhận
đường nhận được hay không? Việc chấp nhận tất cả các con đường có thể gây
ra hiện tượng định tuyến lặp.
Hình 1.4 minh họa vấn đề đường lặp vịng bằng các ví dụ đơn giản. Trong
Hình 1.4(a), nút D là đích và nút I có hai đường đến D - một đường 5 chặng
qua nút M (I –M –N –O–P –D) và một đường một chặng trực tiếp (I - D). Giả
sử tuyến đường (I –M –N –O–P –D) được quảng bá đến nút J và tiếp theo tuyến
đường (I – D) được quảng bá đến nút K. Sau đó, cả J và K đều có đường đến
nút D qua nút I, nhưng mỗi tuyến đường đều có chặng khác nhau. Nếu sau đó
nút I nhận được một đường 4 chặng đến đích D từ nút L (L–K–I–D), nút I sẽ
không thể xác định được L là nút trước hay nút sau nó trên con đường tới đích
D vì chỉ có thơng tin số chặng được đưa vào quảng bá đường. Vì vậy, tại nút I
sẽ hình thành một tuyến đường tới nút đích D thơng qua nút L làm dẫn đến một

vịng lặp. Tình huống như vậy xảy ra do một nút (ở đây là nút I) quảng bá một
đường ngắn hơn (I - D) trong khi nó đã có một đường dự phòng dài hơn (I –M
–N –O–P –D).


13

Hình 1.4. Ví dụ về các trường hợp có thể xảy ra định tuyến lặp
Hình 1.4(b) cho thấy một tình huống tiềm năng khác xảy ra lặp vịng.
Trong đó nút D là đích. Nút J có đường dẫn 3 chặng đến nút D thơng qua nút
(J–K–I–D). Nút L cũng có một đường 3 chặng đến nút D thông qua nút M (L M - N - D). Giả sử nút I nhận được một đường dẫn 4 chặng đến nút D từ nút L.
Trong trường hợp này, nút I không thể xác định được liệu nút L có phải là nút
đứng trước hay khơng bởi vì nút J cũng có thể cung cấp một con đường 4 chặng
tới nút D. Do đó, việc một nút chấp nhận một đường dài hơn sau khi nó đã
quảng bá một đường ngắn hơn tới các nút láng giềng cũng có thể gây ra định
tuyến lặp.
Tập các điều kiện chống định tuyến lặp đã được xây dựng cho giao thức
AODV được phát biểu như sau:
(i) Quy tắc số thứ tự: Chỉ duy trì các tuyến đường cho số thứ tự đích có
giá trị cao nhất. Tại mỗi nút, nhiều tuyến đường có cùng số thứ tự đích được
duy trì. Với quy tắc này, tính chất khơng lặp vịng của các tuyến đường có thể
đạt được tương tự như giao thức AODV. Khi một nút nhận được quảng bá
đường chứa số thứ tự đích cao hơn, tất cả các đường có số thứ tự cũ hơn tới
đích tương ứng sẽ bị loại bỏ. Tuy nhiên, các nút khác nhau (trên cùng một tuyến
đường) có thể có các số thứ tự khác nhau cho cùng một đích.


14
(ii) Đối với cùng một số thứ tự đích,
(a) Quy tắc quảng bá đường: Không quảng bá đường ngắn hơn đường đã

được quảng bá trước đó.
(b) Quy tắc nhận đường: Không nhận đường dài hơn đường đã được
quảng bá trước đó.
Để duy trì nhiều đường cho cùng một số thứ tự, giao thức AOMDV sử
dụng khái niệm “số chặng được quảng bá”. Mỗi nút duy trì một biến gọi là số
chặng được quảng bá cho mỗi đích. Biến này được thiết lập giá trị bằng độ dài
của đường (tính theo số chặng) dài nhất tại thời điểm quảng bá đầu tiên cho
một số thứ tự đích cụ thể. Số lượng chặng được quảng bá không thay đổi cho
đến khi số thứ tự đích thay đổi. Việc quảng bá độ dài đường dài nhất cho phép
có nhiều hơn các đường thay thế được duy trì.
1.2.3. Các đường tách biệt
Bên cạnh việc duy trì nhiều đường khơng lặp vịng, giao thức AOMDV
cịn có khả năng tìm các đường dự phịng khơng giao nhau. Với mục đích cải
thiện khả năng chịu lỗi bằng nhiều đường thì các đường tách biệt là một lựa
chọn tự nhiên để chọn một tập con các đường dự phòng hiệu quả từ một tập lớn
các đường tiềm năng vì khả năng lỗi dây chuyền và đồng thời của các đường
trong tập này nhỏ hơn so với tập các đường có giao cắt. Có hai loại đường tách
biệt được xem xét là đường tách biệt theo liên kết và đường tách biệt theo nút.
Đường tách biệt theo liên kết là tập hợp các đường khơng có liên kết chung
giữa một cặp nút, trong khi đó, đường tách biệt theo nút cịn cịn thêm điều kiện
là khơng có nút giao nhau.
Không giống như vấn đề đường tách biệt trong lý thuyết đồ thị và tài liệu,
khái niệm không giao ở đây chỉ giới hạn ở một cặp nút và không xem xét đến


15
tính khơng giao giữa các cặp nút khác. Cụ thể là cần đảm bảo mọi con đường
có thể đi được từ một nút P bất kỳ tới một nút đích D là khơng giao nhau. Điều
này có nghĩa là khơng nhất thiết tất cả các đường đi trong mạng dẫn đến nút D
đều phải là đường tách biệt. Sự khác biệt này được minh họa bằng một ví dụ

trong Hình 1.5. Giới hạn đường tách biệt ở trên là đủ khi nhìn từ góc độ về khả
năng chịu lỗi và thực tế được sử dụng trong hầu hết các giao thức định tuyến
đa đường khác nhau.
B
A
C

D

E

F

Hình 1.5. Ví dụ về các đường giao nhau
Trong Hình 1.5, các đường được duy trì tại các nút khác nhau đến đích
có thể giao nhau. Ở đây D là đích đến. Nút A có hai đường dẫn không giao
nhau đến nút D là A–B–D và A–C–D. Tương tự, nút E có hai đường tách biệt
đến nút D là E–C–D và E–F–D. Tuy nhiên, các và A–C–D và E–C–D lại giao
nhau khi chúng chia sẻ một liên kết C–D.
Trong việc tìm kiếm các đường tách biệt, lực lượng hoặc độ dài của các
đường dự phòng khơng được tối ưu hóa một cách rõ ràng. Trên thực tế, số lượng
và chất lượng của các đường tách biệt được giao thức AOMDV phát hiện phần
lớn được xác định qua tiến trình khám phá đường. Tuy nhiên, có thể kiểm sốt
các thuộc tính này bằng cách đặt giới hạn về số lượng và độ dài của các đường
dự phịng được duy trì tại mỗi nút. Đây là cách tiếp cận hợp lý vì tính chất tồn
tại trong thời gian ngắn của các đường trong mạng ad hoc di động và việc tính


16
tốn tối ưu cho các đường dự phịng khơng giao nhau phải sẽ phải chịu chi phí

cao hơn.
Trong các thuật toán định tuyến phân tán của loại vectơ khoảng cách, một
nút sẽ hình thành từng bước các đường đến đích dựa trên các đường thu được
từ các nút láng giềng hướng đích. Vì vậy, việc tìm một tập hợp các đường tách
biệt theo liên kết tại một nút được xem là một quá trình gồm hai bước: (1) xác
định một tập các nút láng giềng hướng đích có các đường tách biệt đến đích;
(2) hình thành chính xác từng con đường qua mỗi nút láng giềng hướng đích.
Lưu ý rằng bước thứ hai là đương nhiên được thực hiện khi mỗi nút chỉ cần
đảm bảo rằng mọi đường của nó chặng kế tiếp là duy nhất. Đây là một hoạt
động được thực hiện cục bộ tại mỗi nút. Tuy nhiên, để thực hiện được bước đầu
tiên, mỗi nút cần có thông tin về một số hoặc tất cả các nút hướng đích trên mỗi
tuyến đường.
Trong giao thức vectơ khoảng cách thông thường (bao gồm giao thức
AODV), một nút chỉ theo dõi chặng kế tiếp và khoảng cách qua chặng kế tiếp
cho mỗi con đường. Sự giới hạn thông tin trong một chặng này không đủ để
một nút xác định liệu hai con đường thu được từ hai nút láng giềng khác nhau
có thực sự là các đường tách biệt hay khơng (Hình 1.6). Vì vậy, cần bổ sung
thơng tin cho mỗi con đường để kiểm tra tính chất khơng giao theo liên kết.
Giao thức định tuyến nguồn có khả năng duy trì thơng tin đầy đủ mọi con đường
đầy đủ tại mỗi nút. Trong trường hợp như vậy, việc kiểm tra tính khơng giao
theo liên kết sẽ trở thành đơn giản. Tuy nhiên, giải pháp này có chi phí cao về
việc truyền thơng và duy trì thơng tin đầy đủ của đường tại mỗi nút.


17

A

P

I

D

B

Hình 1.6. Ví dụ về việc hình thành các đường giao nhau theo liên kết
Trong Hình 1.6, thơng tin về chặng kế tiếp là khơng đủ để đảm bảo tính
khơng giao theo liên kết của các con đường. Ở đây D là đích. Nút A có một con
đường qua I đến D (A-I–D). Tương tự, nút B cũng có một con đường qua I đến
D (B-I-D). Nút P chỉ biết về các chặng kế tiếp A và B mà không thể xác định
liệu các đường từ A và B đến D (lần lượt là A-I-D và B-I-D) có giao nhau hay
khơng. Vì vậy, nếu P tạo các con đường qua A và B thì tập hợp các đường dẫn
từ P sẽ giao nhau mặc dù các chặng kế tiếp (A và B) là khác biệt.
Một cơ chế không yêu cầu thông tin đầy đủ về con đường tại mỗi nút
được đề xuất ở đây. Đề xuất này vẫn đảm bảo tính khơng giao theo liên kết. Cụ
thể là cơ chế được đề xuất u cầu duy trì thêm thơng tin về chặng cuối cùng
cho mọi con đường (ngồi thơng tin về chặng kế tiếp). Chặng cuối cùng của
một con đường từ nút P đến đích D chính là nút ngay trước nút D trên đường
đó. Đối với đường một chặng, chặng kế tiếp là nút D và chặng cuối cùng chính
là nút P. Đối với con đường hai chặng, chặng kế tiếp chính là chặng cuối cùng.
Quan sát đơn giản sau đây là cơ sở của đề xuất này để tìm các đường tách
biệt theo liên kết: Nếu có hai con đường từ nút P đến đích D là khơng giao nhau
theo liên kết thì chúng phải có các chặng kế tiếp duy nhất cũng như các chặng
cuối cùng duy nhất. Điều ngược lại của quan sát này không nhất thiết đúng.
Tuy nhiên, phát biểu ngược lại là đúng khi bổ sung một điều kiện: mỗi nút trên


18
đường đảm bảo rằng tất cả các đường đi đến đích từ nút đó khác nhau về chặng

kế tiếp và chặng cuối cùng của chúng (Hình 1.7). Đây là cơ sở để xác định xem
hai con đường qua hai nút láng giềng khác nhau hướng đích bị giao nhau theo
liên kết hay không. Chúng sẽ là các đường tách biệt theo liên kết khi có chặng
cuối cùng khác nhau.
Hình 1.7 minh họa ý tưởng xác định các đường tách biệt theo liên kết.
Đối với Hình 1.7(a), hai con đường từ nút P đến nút D thỏa mãn điều kiện chặng
các chặng kế tiếp và chặng cuối cùng khác nhau nhưng đây vẫn là hai đường
giao nhau theo liên kết vì nút trung gian I không thỏa mãn điều kiện. Nếu tất cả
các nút trên mọi đường thỏa mãn điều kiện thì các đường sẽ khơng giao nhau
theo liên kết. Trong trường hợp này, Hình 1.7(b) chỉ có một đường được thỏa
mãn. Tuy nhiên, Hình 2.4(c) có hai đường thỏa mãn điều kiện khơng giao nhau
theo liên kết.

P

D

I

D

I

P

(a)

(b)

P

I

D

(c)
Hình 1.7. Minh họa ý tưởng tính tốn đường tách biệt theo liên kết


19
Để thực hiện ý tưởng tìm đường tách biệt theo liên kết như trên, cần duy
trì thơng tin về chặng cuối cùng cho mọi con đường trong bảng định tuyến. Các
gói RREQ và RREP trong giao thức AOMDV cũng phải mang thông tin về
chặng cuối cùng. Lưu ý rằng chặng cuối cùng trên tuyến sẽ thực sự là chặng
đầu tiên được thực hiện bởi các gói định tuyến này. Hoạt động chi tiết của giao
thức được mô tả trong phần tiếp theo.
Hình 1.8 minh họa vai trị quan trọng của thơng tin về chặng cuối cùng
và Hình 1.9 minh họa việc xác định các đường tách biệt theo liên kết.

A

P

X

I

B

J

D

Y

Hình 1.8. Vai trị của chặng cuối cùng
Trong Hình 1.8, nút D là đích đến, nút J có 2 đường tách biệt theo liên
kết đến nút D qua nút X và nút Y. Vì một nút khơng thể có hai đường dẫn có
cùng chặng kế tiếp nên nút I sẽ chỉ tạo thành một đường qua nút J với chặng
cuối cùng là X hoặc Y. Giả sử nút I tạo một đường qua J với X là chặng cuối
cùng; điều này sẽ ngăn cản việc truyền đường qua nút Y nút đứng trước nó theo
chiều ngược về phía nút nguồn. Khi nút I quảng bá đường của nó tới nút D với
chặng cuối cùng là nút X đến các nút A và B đứng trước nó, mỗi nút này sẽ tạo
thành một đường qua nút I với chặng cuối cùng là nút X. Nút P xác định rằng
các đường từ nút A và nút B đến nút D không phải là các đường tách biệt theo
liên kết vì chúng có cùng chặng cuối X. Do đó, P chỉ tạo một đường tới đích D.


20
Trong Hình 1.9, nút D là đích đến, nút I xác định rằng 2 đường X - D và
Y - D là 2 đường tách biệt theo liên kết vì nút X và nút Y là hai nút láng giềng
phân biệt của nút D. Vì vậy, nút I tiếp tục tạo 2 đường dẫn không giao theo liên
kết đến nút D qua nút X và nút Y. Giả sử nút I quảng bá các đường qua nút X
và nút Y tương ứng đến nút A và nút B. Lưu ý rằng mỗi quảng bá đường chứa
thông tin về chặng cuối cùng của đường được quảng bá. Sau đó, các đường từ
nút A và nút B đến nút D các đường tách biệt theo liên kết vì chúng có các
chặng cuối cùng phân biệt (X và Y). Tiếp theo, nút P có thể tạo 2 đường tách
biệt theo liên kết đến nút D qua nút A và nút B.

A

X

D

I

P

B

Y

Hình 1.9. Minh họa cho việc tính tốn đường tách biệt theo liên kết
1.2.4. Bảng định tuyến
Hình 1.10 cho thấy sự khác biệt trong cấu trúc entry bảng định tuyến giữa
giao thức AODV và giao thức AOMDV. Entry bảng định tuyến của giao thức
AOMDV có một trường mới là “advertised hop count” biểu diễn số chặng được
quảng bá. Bên cạnh đó, một danh sách tuyến đường “route list” được sử dụng
trong giao thức AOMDV để lưu trữ thông tin bổ sung cho từng đường dẫn thay
thế bao gồm: chặng kế tiếp (next_hop), chặng cuối cùng (last_hop), số chặng
(hop_count) và thời gian hết hạn (timeout).