Các đề xuất cải tiến giao thức aodv nhằm hỗ trợ đảm bảo qos

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN GIA DŨNG

CÁC ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN GIAO THỨC AODV
NHẰM ĐẢM BẢO HỖ TRỢ QOS

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Hà Nội, năm 2019


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN GIA DŨNG

CÁC ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN GIAO THỨC AODV
NHẰM ĐẢM BẢO HỖ TRỢ QOS
Ngành: Công nghệ thông tin
Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và Mạng máy tính
Mã số:8480102.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS NGUYỄN ĐÌNH VIỆT

Hà Nội, năm 2019

ii

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ “Các đề xuất cải tiến giao thức
AODV nhằm đảm bảo hỗ trợ QoS” là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi và
được sự hướng dẫn của PGS. TS. Nguyễn Đình Việt. Các nội dung nghiên cứu
và kết quả trong đề tài là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ
cơng trình nào khác.
Những phân tích, đánh giá được tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau
có ghi rõ trong tài liệu tham khảo.

Tác giả

Nguyễn Gia Dũng

i


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và biết ơn sâu sắc tới PGS.
TS. Nguyễn Đình Việt, người thầy đã chỉ bảo và hướng dẫn tận tình cho tơi
trong suốt q trình học thạc sĩ và trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện
luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn sự dạy bảo, giúp đỡ, tạo điều kiện của các
thầy, cô trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội trong suốt q
trình tơi học tập tại trường.
Cuối cùng, tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè, đồng
nghiệp - những người luôn ở bên tôi trong lúc khó khăn, động viên, khuyến
khích tơi trong cuộc sống và cơng việc.
Do thời gian và điều kiện có hạn nên luận văn khơng tránh khỏi có những

thiếu sót, tơi rất mong nhận được sự góp ý từ bạn bè, thầy cô và những người
quan tâm đến đề tài này.
Tôi xin chân thành cảm ơn!

Tác giả

Nguyễn Gia Dũng

ii


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Cụm từ đầy đủ

STT

Từ viết tắt

1

ACO

2

AODV

Adhoc On-Demand Distance Vector

3

DSDV

Destination-Sequenced Distance-Vector Routing

4

DSR

5

HARP

6

LSD

7

MANET

8

NDMLNR

9

OLSR

10

QoS

11

RERR

Route Error

12

RREP

Route Reply

13

RREQ

Route Request

14

TORA

Temporally Ordered Routing Algorithm

15

ZRP

Ant Colony Optimization

Dynamic Source Routing
Hybrid Ad hoc Routing Protocol
Link Stability Degree
Mobile Adhoc Network
Node Disjoint Multipath routing considering
Link and Node Stability
Optimized Link State Routing
Quality of Sevice

Zone Routing Protocol

iii


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Mạng MANET phân cấp (Hierarchical).......................................................... 3
Hình 1.2 Mạng MANET kết hợp (Aggregate)..................................................................4
Hình 1.3: Cấu trúc của NS-2 ........................................................................................... 9
Hình 1.4: Luồng các sự kiện cho file Tcl chạy trong NS-2 ........................................... 10
Hình 1.5: Kiến trúc của NS-2 ........................................................................................ 10
Hình 1.6: C++ và OTcl: Sự đối ngẫu ........................................................................... 11
Hình 1.7: TclCL hoạt động như liên kết giữa A và B .................................................... 11
Hình 2.1. Đường truyền dữ liệu theo chiến lược định tuyến phẳng .............................. 17
Hình 2.2. Đường truyền dữ liệu theo chiến lược định tuyến phân cấp ......................... 17
Hình 2.3. Truyền dữ liệu theo định tuyến nguồn ........................................................... 18
Hình 2.4. Truyền dữ liệu theo phương pháp định tuyến từng chặng ............................ 18
Hình 2.5: Quá trình lan truyền của gói tín RREQ ........................................................ 23
Hình 2.6: Đường đi ngược được tạo ra khi RREQ lan truyền trong môi trường ......... 25

Hình 2.7: Đường đi từ nút nguồn và nút đích được hình thành. ................................... 26
Hình 2.8: Lan truyền gói tin RERR ............................................................................... 28
Hình 3.1: Mạng bầy kiến ............................................................................................... 31
Hình 3.2: Hành vi bầy kiến tìm thức ăn ........................................................................ 32
Hình 4.1:Gói RREQ. ...................................................................................................... 44
Hình 4.2: Ví dụ .............................................................................................................. 46

iv


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN.................................................................................................................................. ii
MỤC LỤC ....................................................................................................................................... v
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠNG MANET ........................................................ 1
1.1. Tổng quan về mạng MANET.............................................................................................. 1
1.1.1 Khái niệm về mạng MANET (Mobile Adhoc Network) ............................................ 1
1.1.2. Đặc điểm của mạng MANET ...................................................................................... 1
1.1.3. Phân loại mạng MANET.............................................................................................. 2
1.2. Các vấn đề cần giải quyết .................................................................................................... 4
1.2.1 Định tuyến trong mạng MANET .................................................................................. 4
1.2.2 Vấn đề tiết kiệm năng lượng ......................................................................................... 5
1.2.3 Vấn đề đảm bảo chất lượng dịch vụ ............................................................................. 6
1.3. Các độ đo hiệu năng được dùng trong luận văn ................................................................ 8
1.4 Giới thiệu bộ mô phỏng NS2 được sử dụng để đánh giá hiệu năng mạng ........................ 9
1.4.1 Giới thiệu về NS2 .......................................................................................................... 9
1.4.2 C++ và OTcL : ............................................................................................................. 10
1.4.3 Các đặc tính của NS-2 ................................................................................................. 12
1.5 Mục tiêu nghiên cứu luận văn ............................................................................................ 12
CHƯƠNG 2. MỘT SỐ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG MANET ................. 14

2.1 Phân loại các kỹ thuật định tuyến ...................................................................................... 14
2.1.1 Link state và Distance Vector .................................................................................... 14
2.1.2 Định tuyến chủ ứng (Proactive) và phản ứng (Reactive)......................................... 15
2.1.3 Định tuyến phẳng và định tuyến phân cấp ................................................................. 16
2.1.4 Định tuyến nguồn và định tuyến từng chặng ............................................................. 17
2.1.5 Định tuyến đơn đường và định tuyến đa đường ........................................................ 19
2.2 Giao thức DSDV (Destination – Sequenced Distance – Vector) [1]............................... 19
2.2.1Quản lý bảng định tuyến .............................................................................................. 20
2.2.2 Cập nhật bảng định tuyến trong DSDV ..................................................................... 20
2.2.3 Quản lý sự thay đổi của Topology ............................................................................. 21
2.3. Giao thức AODV [1] ......................................................................................................... 21
2.3.1. Tổng quan về giao thức AODV ................................................................................. 21
2.3.2 Cơ chế hoạt động ......................................................................................................... 22
2.3.3 Quản lý cục bộ ............................................................................................................. 26
v


2.3.4 Duy trì đường đi .......................................................................................................... 27
2.3.5 Thời gian hết hạn và việc hủy bỏ một đường đi ........................................................ 28
CHƯƠNG 3. SỬ DỤNG THUẬT TOÁN BẦY KIẾN TRONG TỐI ƯU ĐỊNH TUYẾN
MẠNG MANET ........................................................................................................................... 29
3.1. Giới thiệu ............................................................................................................................ 29
3.2. Thuật toán tối ưu bầy kiến nhân tạo ................................................................................. 30
3.2.1 Định tuyến sử dụng ACO (Ant colony Optimization) .............................................. 33
3.2.2 Một số đặc tính của ACO trong việc định tuyến ...................................................... 33
3.3. Thuật toán OLSR ............................................................................................................... 33
3.3.1. Cảm nhận nút liền kề................................................................................................. 34
3.3.2. Các trạm chuyển tiếp đa điểm (MPR) ...................................................................... 34
3.3.3. Thơng tin kiểm sốt cấu trúc ..................................................................................... 34
3.3.4. Tìm đường định tuyến ................................................................................................ 35

3.3.5. Định tuyến từ nguồn ................................................................................................. 35
3.4. Triển khai thuật toán ACO ................................................................................................ 36
3.4.1. Giai đoạn tìm đường định tuyến ............................................................................... 36
3.4.2. Giai đoạn duy trì đường định tuyến ........................................................................ 37
3.5.Kết luận ............................................................................................................................... 37
CHƯƠNG 4. Định tuyến đảm bảo QoS trong Manets dựa trên thông số vị trí và năng lượng 37
4.1. Tổng quan ........................................................................................................................... 37
4.2. Giới thiệu ............................................................................................................................ 38
4.3. Giao thức nguồn động (DSR - Dynamic Source Routing).............................................. 39
4.4. Vấn đề phát sinh................................................................................................................. 40
4.5. Phương pháp sử dụng ........................................................................................................ 41
4.6. Đề xuất: Định tuyến đa đường node rời rạc có xét đến liên kết và ổn định node
NDMLNR (Node Disjoint Multipath routing considering Link and Node Stability) [5] .... 42
4.6.1. Phát hiện định tuyến ................................................................................................... 43
4.6.2. Lựa chọn định tuyến ................................................................................................... 46
4.6.3. Bảo trì định tuyến ....................................................................................................... 46
4.7. Ví dụ ................................................................................................................................... 46
4.8. Kết luận .............................................................................................................................. 48
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU.......................................................... 49
5.1 Kết quả đạt được của luận văn ............................................................................................... 49
5.2 Hướng nghiên cứu................................................................................................................... 50
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................................ 51
vi


vii


CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠNG MANET
1.1. Tổng quan về mạng MANET

1.1.1 Khái niệm về mạng MANET (Mobile Adhoc Network)
Với rất nhiều ưu điểm của công nghệ truyền thông không dây, các mạng
di động không dây đã phát triển rất mạnh thời gian gần đây. Có thể chia mạng di
động khơng dây thành hai kiểu mạng: mạng có hạ tầng và mạng khơng có hạ
tầng. Trong mạng có hạ tầng, truyền thông giữa các phần tử mạng phụ thuộc vào
sự hỗ trợ của hạ tầng mạng, các thiết bị đầu cuối di động và qua các điểm truy
nhập (các trạm cơ sở).
Mạng MANET (Mobile Adhoc Network) là một tập hợp các nút di
động có thể được triển khai mà không cần bất kỳ cơ sở hạ tầng tập trung nào.
Mạng ad hoc rất linh hoạt và có thể tự cấu hình. Do có cơ sở hạ tầng phân tán
nên khơng có bộ định tuyến được cài đặt sẵn nào có thể chuyển tiếp các gói từ
máy chủ này sang máy chủ khác. Nhiệm vụ này phải được đảm nhiệm bởi các
nút di động phân tán của mạng.
Mỗi nút có vai trị như nhau, có nghĩa là tất cả chúng có thể hoạt
động như một máy chủ và như một bộ định tuyến. Do đó, hoạt động cơ bản của
mạng này phụ thuộc vào sự hợp tác của các nút để cung cấp các tuyến truyền
thông. Trong MANET, mỗi nút hoạt động như một bộ định tuyến và như một
máy chủ lưu trữ, thậm chí cấu trúc liên kết của mạng cũng có thể thay đổi nhanh
chóng do các thiết bị di chuyển tự do theo mọi hướng.
Mỗi nút di động có một phạm vi truyền giới hạn, các gói tin từ nút nguồn
cần chuyển tới một nút đích có thể khơng nằm trong phạm vi truyền của nút
nguồn. Vì vậy, cần có sự trợ giúp của các nút trung gian để chuyển tiếp gói tin.
Để thực hiện được cơng việc này, các nút mạng phải sử dụng giao thức định
tuyến phù hợp.
1.1.2. Đặc điểm của mạng MANET
Do MANET là một mạng không dây hoạt động không cần sự hỗ trợ của
hạ tầng mạng cơ sở trên cơ sở truyền thơng 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
MANET cịn có một số đặc điểm nổi bật sau:
Thiết bị tự trị đầu cuối (Autonomous terminal): mỗi thiết bị di động

đầu cuối trong MANET là một node tự trị, mang chức năng của host và router.
1


Các node di động này có khả năng xử lý cơ bản của một host, vừa có thể chuyển
đổi chức năng như một router.
Hoạt động phân tán (Distributed operation): Vì khơng có hệ thống cơ
sở hạ tầng mạng nên việc kiểm soát và quản lý hoạt động của mạng được đảm
nhận bởi các thiết bị đầu cuối. Các node trong MANET địi hỏi phải có sự phối
hợp với nhau và hoạt động như một bộ chuyển tiếp (relay) để thực hiện chức
năng của mình.
Tơ pơ mạng động (dynamic network topology): vì các node là di động
tự do theo mọi hướng, nên cấu trúc mạng và các kết nối giữa các thiết bị đầu
cuối có thể thay đổi theo thời gian. MANET sẽ tự thích ứng định tuyến theo sự
di động của các node mạng. Các node trong mạng thiết lập định tuyến động với
nhau trong khi di chuyển và tự hình thành các mạng riêng với nhau. Ngồi ra,
một user trong MANET có thể khơng chỉ hoạt động trong mạng MANET nội bộ
mà cịn có thể u cầu truy cập vào một mạng cố định khác, ví dụ như mạng
Internet.
Chất lượng liên kết hạn chế: Các liên kết không dây thường có băng
thơng nhỏ hơn so với các liên kết có dây. Các kết nối có thể được chia sẻ qua
một vài chặng, vấn đề suy giảm tín hiệu, nhiễu và các yếu tố khác, thông lượng
hiệu dụng của các liên kết không dây thường thấp hơn nhiều so với tốc độ truyền
tối đa theo lý thuyết của môi trường truyền khơng dây.
Các thiết bị đầu cuối có tài ngun hạn chế: Mỗi nút di động trong
mạng MANET có thể là một nút cảm biến, một điện thoại thông 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 khơng dây truyền thống về tốc độ xử lý,
dung lượng bộ nhớ và năng lượng nguồn pin ni sống hoạt động của nút. Vì
vậy cần phải tối ưu hóa các thuật tốn và cơ chế.

Độ bảo mật thấp ở mức độ vật lý: Mạng không dây di động thường gặp
các vấn đề về an ninh nhiều hơn so với mạng có dây như nghe lén, giả mạo và
tấn cơng từ chối dịch vụ... vì dễ triển khai trong mạng MANET hơn là trong
mạng có dây truyền thống.
1.1.3. Phân loại mạng MANET
Mạng MANET đẳng cấp (phẳng, Flat):

2


Trong mạng MANET đẳng cấp tất cả các node có vai trò ngang hàng với
nhau (peer to peer) và các node đóng vai trị như các router định tuyến dữ liệu
gói trên mạng. Kiến trúc mạng này thích hơp trong những topo có các node di
chuyển nhiều.
Mạng MANET phân cấp (Hierarchical):
Đây là mơ hình được sử dụng phổ biến nhất. Trong mơ hình này thì mạng
chia thành các domain, trong mỗi domain bao gồm một hoặc nhiều cluster (cụm)
mỗi cluster gồm nhiều node. Có hai loại node là master node và nomal node.
Master node là node quản trị, có chức năng của một router với nhiệm vụ
chuyển dữ liệu của các node trong cluster đến các node trong cluster khác và
ngược lại (giống như một gateway).
Normal node là các node nằm trong cùng một cluster. Nó có thể kết nối
với các node trong cluster hoặc kết nối với các cluster khác thơng qua master
node.

Hình 1.1. Mạng MANET phân cấp (Hierarchical)

Mạng MANET kết hợp (Aggregate):
Mỗi node bao gồm hai mức topo : Topo mức thấp (node level), và topo
mức cao (zone level).

Mỗi node đặc trưng bởi: node ID và zone ID. Trong một Zone có thể áp
dụng kiến trúc đẳng cấp hoặc kiến trúc phân cấp.

3


Hình 1.2 Mạng MANET kết hợp (Aggregate)

1.2. Các vấn đề cần giải quyết
1.2.1 Định tuyến trong mạng MANET
Việc thiết kế các giao thức định tuyến trong mạng Adhoc thường xem xét
một số các yếu tố sau đây [1]
Hoạt động phân tán: cách tiếp cận tập trung sẽ thất bại do sẽ tốn rất
nhiều thời gian để tập hợp các thông tin trạng thái hiện tại của mạng, tính tốn
các tuyến và phân phát cho tất cả các nút trong mạng. Trong thời gian đó, cấu
hình mạng có thể đã có các thay đổi, các thông tin định tuyến mà các nút nhận
được khơng cịn giá trị sử dụng.
Khơng có lặp định tuyến: hiện tượng xảy ra khi một phần nhỏ các gói tin
quay vịng trong mạng trong một khoảng thời gian nào đó. Một giải pháp có thể
áp dụng là sử dụng giá trị thời gian quá hạn cho các gói tin.
Tính tốn đường dựa trên u cầu: thay thế việc tính tốn và duy trì
định tuyến tới tất cả các nút tại tất cả các thời điểm, kể cả khi chưa có u cầu
truyền, bằng việc thích ứng với dạng truyền thơng, chỉ thực hiện tìm đường khi
một nút có yêu cầu truyền đến một nút khác trong mạng. Mục đích là để tiết
kiệm năng lượng và băng thơng, mặc dù độ trễ định tuyến tăng lên do sự phát
hiện đường cần thời gian.
Tính tốn đường trước: Khi cần có độ trễđịnh tuyến nhỏvà băng thơng
cũng như các tài ngun năng lượng cho phép, việc tính tốn đường trước khi có
yêu cầu truyền sẽ giảm độ trễ phân phát gói tin.
4

Bảo mật: Giao thức định tuyến mạng Adhoc có khả năng bị tấn công dễ
dàng bằng một số dạng như xâm nhập truyền thông, phát lại, thay đổi các tiêu đề
gói tin, điều hướng các thơng điệp định tuyến. Do vậy, cần có các phương pháp
bảo mật thích hợp để ngăn chặn việc sửa đổi hoạt động của giao thức.
Hoạt động nghỉ: giao thức định tuyến cần có cơ chế bảo tồn năng lượng
của các nút khi có thể, ví dụ khi một nút khơng có u cầu truyền hoặc khơng có
nhiệm vụ chuyển tiếp gói tin cho các nút khác.
Hỗ trợ liên kết đơn hướng: Khi thực hiện định tuyến đa chặng trong
mạng Adhoc, giao thức cần hỗ trợ trường hợp có một số chặng là khi các liên
kết đơn hướng, nghĩa là tuyến đường từ nút nguồn đến nút đích và tuyến đường
từ nút đích đến nút nguồn có thể khơng hồn tồn trùng nhau
1.2.2 Vấn đề tiết kiệm năng lượng
Để thiết lập các tuyến đường giữa các nút, một giao thức định tuyến hiệu
quả là cần thiết kế để việc khám phá đường trong mạng MANET. Năng lượng
của nút là một trong những tiêu chí thiết kế quan trọng cho mạng MANET do
cấu trúc liên kết động của mạng MANET.
Các nút di động thường sử dụng pin nên thời gian hoạt động sẽ phụ thuộc
vào dung lượng pin của chung. Khi một nút di động bị ngưng hoạt động do hết
năng lượng sẽ ảnh hướng tới tất cả các kết nối đa chặng đi qua nó và phải xây
dựng lại các đường định tuyến mới, sẽ làm giảm hiệu suất của mạng.
Việc xây dựng các tuyến đường mới hay khôi phục các tuyến đường bị lỗi
sẽ cần đến việc gửi, nhận và xử lý nhiều gói tin sẽ tiếp tục tiêu hao năng lượng
của mỗi node lớn hơn, từ đó làm ảnh hưởng đến thời gian hoạt động của mạng
giảm bớt.
Ngoải ra, một nút di động ngoài việc chủ động gửi hoặc nhận gói tin, khi
nó ở trạng thái nhàn rỗi vẫn phải liên lạc với các nút khác trong mạng xem có
u cầu truyền thơng từ các nút khác hay khơng.
Để có một giao thức định tuyến sử dụng năng lượng hiệu quả là giao thức

làm giảm thiểu năng lượng dành cho việc truyền và nhận gói dữ liệu, sửa lỗi
hoặc trong thời gian khơng hoạt động. Nó xác định đường đi tối ưu để giảm
thiểu năng lượng cần để chuyển gói dữ liệu đến đích và khi khơng hoạt động có
thể chuyển sang trạng thái ngủ để tranh tiêu hao năng lượng.

5


Điều này có thể dẫn đến việc tiết kiệm năng lượng một cách đáng kể, đặc
biệt khi các ứng dụng truyền thơng trên mạng có u cầu truyền thơng thấp. Tuy
nhiên nó địi hỏi một giao thức định tuyến được thiết kế tốt để đảm bảo khả năng
truyền dữ liệu ngay cả khi hầu hết các nút ngủ và không chuyển tiếp các gói tin
cho nút khác.
Một cách tiếp cận khác để tối ưu hóa năng lượng hoạt động là phương
pháp phân phối tải. Đối với việc xác định tuyến tối ưu và tắt tạm thời các nút khi
không sử dụng là để giảm thiểu tiêu hao năng lượng của từng nút riêng biệt, thì
mục tiêu chính của phương pháp phân bổ tải trọng là để cân bằng việc sử dụng
năng lượng giữa các nút và để tối đa hóa tuổi thọ mạng bằng cách tránh việc sử
dụng thường xuyên một số nút mạng nhất định khi lựa chọn một con đường định
tuyến, dù tuyến đi qua các nút đó là tuyến tối ưu. [1]
1.2.3 Vấn đề đảm bảo chất lượng dịch vụ
1.2.3.1 Giới thiệu
QoS (Quality of Service) là khả năng giúp cho việc truyền dữ liệu với thời
gian trễ, tỉ lệ mất/ lỗi gói tin nằm trong phạm vi cho phép và cung cấp băng
thông đủ lớn cho những ứng dụng truyền thông đa phương tiện thời gian thực.
Vấn đề chất lượng dịch vụ được nghiên cứu và triển khai áp dụng trên
môi trường mạng Internet và các mạng khác từ khá lâu, các vấn đề chính được
đề cập đến hiện nay như định tuyến có QoS, đảm bảo QoS bằng cách kiểm soát
truy cập và đặt trước tài nguyên.
Mạng MANET và mạng có dây truyền thống có sự khác biệt cơ bản về

tính di động, hạ tầng mạng, nguồn năng lượng của các nút mạng và khả năng tự
tổ chức giữa các kiến trúc mạng. Sự khác biệt này làm nảy sinh rất nhiều khác
biệt và yêu cầu cải tiến trong những mảng bài tốn mơ hình hóa, điều khiển môi
trường truyền, định tuyến, bảo mật, tổ chức thông tin, đảm bảo chất lượng dịch
vụ, tiết kiệm năng lượng cho nguồn…
1.2.3.2. Những vấn đề của việc đảm bảo chất lượng dịch vụ [3]
Kiểm soát phi tập trung (Decentralized control) Các nút có thể tham gia
hoặc rời khỏi mạng liên tục và mạng được thiết lập tự phát -> dẫn đến sự phức
tạp về thuật tốn.
Kênh khơng thể dự đoán trước: Lỗi bit là sự cố phát sinh do các kênh
không dây không đáng tin cậy. Các kênh này gây ra tỷ lệ lỗi bit là cao do nhiễu,
6


nhiễu nhiệt, hiệu ứng fading đa đường, v.v. Điều nàydẫn đến tỷ lệ phân phối gói
thấp. Ngồi ra cịn dẫn đến mất thông tin và môi trường xung quanh.
Sự mất mát dữ liệu (Data Loss): Mất dữ liệu hoặc mất gói trong qtrình
gửi dữ liệu
Bảo trì tuyến đường (Route Maintenance): Bản chất động của topo mạng
và thay đổi môi trường truyền thơnglàm cho việc duy trì thơng tin trạng thái
mạng rất khó khăn.
- Các đường định tuyến đã được thiết lập có thể bị hỏng trong suốtq
trình truyền dữ liệu, dẫn đếnsự cần thiết phải duy trì và tái thiết các đường định
tuyến với chi phí tối thiểu và giải quyết nguyên nhân mất kết nội.
- Định tuyến có QoS sẽ yêu cầu đặt các tài nguyên tại các nút trung gian.
Sự di động của nút mạng (Node mobility):các nút ở đây là các nút di
động, chúng di chuyển một cách độc lập và ngẫu nhiên ở mọi hướng và mọi tốc
độ thông tin tô pô mạngcần phải được cập nhật thường xuyên và phù hợp để
cung cấp định tuyến và giảm tỷ lệ mất gói.
Nguồn năng lượng dung lượng thấp: Các nút di động có nguồn điện hạn

chế so với các nút trong mạng có dây.Việc cung cấp QoS tiêu tốn nhiều điện
hơn có thể làm giảm sự hoạt động của các nút.
Tính an ninh thích hợp: do các nút không dây di động nên bảo mật kém,
dễ bị truy cập trái phép nên khó đảm bảo được QoS. Vì vậy cần thiết kế giao
thức đảm bảo an tồn bảo mật cho mạng.
1.2.3.3. Các tham số
Các ứng dụng khác nhau có u cầu về QoS khác nhau. Ví dụ, đối với các
ứng dụng Multimedia thì dải thơng (bandwidth), độ trễ (delay) và biến động trễ
(delay-jitter) là các tham số chính. Các ứng dụng qn sự thì địi hỏi u cầu bảo
mật nghiêm ngặt. [3]
Khả năng đáp ứng(Responsiveness): quan trọng trong việc trải nghiệm
mạng của người dùng.
Dung lượng và thông lượng (Capacity and throughput): 1 thước đo quan
trọng của người dùng với các ứng dụng mạng, được định nghĩa là tốc độ gửi
hoặc nhận dữ liệu
7


Độ trễ (Delay):thời gian cần thiết cho một gói tin truyền tới đích.
Trễ lan truyền (Propagation Delay): thời gian từ lúc truyền đến khi kết
thúc nhận gói tin của 1 liên kết
Thời gian khứ hồi – RTT (Round-Trip Time): bằng thời gian gửi +
thời gian xác nhận đã được nhận.
Biến động trễ - Delay Variation (Jitter) độ lệch không mong muốn khi
có sự thay đổi trong tỉ lệ xuất hiện của các gói tin định kỳ.
1.3. Các độ đo hiệu năng được dùng trong luận văn
Theo nghĩa chung, hiệu năng là một độ đo công việc mà một hệ thống
thực hiện được. Hiệu năng chủ yếu được xác định bởi tính sẵn sàng để dùng,
thơng lượng và thời gian đáp ứng. Trong mạng Adhoc, các giới hạn về tài
nguyên mạng yêu cầu các giao thức bên cạnh các yếu tố hiệu suất nêu trên cần

đảm bảo việc dùng hiệu quả các tài nguyên hạn chế này. Với các giao thức định
tuyến, đó chính là chi phí để thực hiện các yêu cầu định tuyến được thể hiện bởi
mức tải định tuyến
Do vậy, luận văn sử dụng các độ đo sau để đánh giá hiệu quả các giao
thức định tuyến trong các mạng mơ phỏng: [1]
Tỉ lệ gói tin được phân phát thành công (Packet delivery fraction): Là
tỷ lệ giữa số các gói tin được phân phát thành cơng tới đích so với số các gói tin
tạo ra bởi nguồn phát.
Trễ đầu cuối trung bình của các gói dữ liệu (Average end to end data
packet delay): Là độ trễ toàn phần được tính từ khi gói tin phát đi từ ứng dụng
phát cho tới khi được nhận bởi ứng dụng nhận bao gồm các trễ có thể như trễ do
q trình phát hiện đường, xếp hàng tại các hàng đợi, trễ phát lại tại tầng MAC,
và thời gian trễ truyền.
Thông lượng dữ liệu đầu cuối (End-to-end data throughput): Tổng số dữ
liệu của các gói tin tạo bởi mọi nguồn đo được trong một khoảng thời gian mơ
phỏng, tính bằng kbit/s.
Tải định tuyến chuẩn hóa (Normalized Routing Load): Là tỷ lệ giữa số
các gói tin định tuyến trên số gói tin dữ liệu được phân phát thành cơng. Nếu gói
tin định tuyến đi qua nhiều chặng thì mỗi chặng được tính như một lần truyền
thông.
8


1.4 Giới thiệu bộ mô phỏng NS2 được sử dụng để đánh giá hiệu năng mạng
1.4.1 Giới thiệu về NS2
NS-2 là phần mềm mơ phỏng mạng, hoạt động của nó được điều khiển bởi
các sự kiện rời rạc. NS-2 được thiết kế và phát triển theo kiểu hướng đối tượng,
được phát triển tại đại học California, Berkely. Bộ phần mềm này được viết
bằng ngơn ngữ C++ và OTcl. [7]

Hình 1.3: Cấu trúc của NS-2
Để sử dụng NS-2, người dùng lập trình bằng ngơn ngữ kịch bản OTcl.
người dùng có thể thêm các mã nguồn Otcl vào NS-2 bằng cách viết các lớp đối
tượng mới trong OTcl. Những lớp này khi đó sẽ được biên dịch cùng với mã
nguồn gốc. Kịch bản OTcl có thể thực hiện những việc sau:
- Khởi tạo Bộ lập lịch Sự kiện
- Thiết lập Mơ hình mạng dùng các đối tượng Thành phần Mạng
- Báo cho nguồn traffic khi nào bắt đầu truyền và ngưng truyền packet trong
Bộ lập lịch Sự kiện
Phụ thuộc vào mục đích của user đối với kịch bản mô phỏng OTcl mà kết
quả mơ phỏng có thể được lưu trữ như file trace. Định dạng file trace sẽ được tải
vào trong các ứng dụng khác để thực hiện phân tích:
- File nam trace (file.nam) được dùng cho công cụ minh họa mạng NAM
- File Trace (file.tr) được dùng cho công cụ Lần vết và Giám sát Mô phỏng
XGRAPH hay TRACEGRAPH

9


Hình 1.4: Luồng các sự kiện cho file Tcl chạy trong NS-2
1.4.2 C++ và OTcL :
Hình 1.5 biểu diễn kiến trúc chung của NS-2. Người dùng có thể tưởng
tượng mình đang đứng ở góc trái dưới, thiết kế và chạy các mô phỏng trong Tcl.
Tcl dùng các đối tượng mô phỏng trong OTcl. Các đối tượng Bộ lập lịch Sự kiện
và hầu hết các đối tượng Thành phần Mạng thực thi bằng C++ và sẵn có cho
OTcl qua một liên kết OTcl. Liên kết OTcl này được thực thi dùng TclCL. [7]

Hình 1.5: Kiến trúc của NS-2
- NS-2 sử dụng hai ngơn ngữ lập trình: Ngơn ngữ kịch bản (Tcl – Tool
Command Language,) và Ngơn ngữ lập trình hệ thống (C/C++)

- NS là tầng biên dịch Tcl để chạy các kịch bản Tcl
- Bằng cách sử dụng C++/OTcl, bộ mô phỏng mạng phải hoàn toàn là hướng
đối tượng

10


Hình 1.6 chỉ ra các đối tượng C++ có liên kết OTcl. Khi đó, nếu chúng
tạo nên một phân cấp thì các đối tượng OTcl cũng có một phân cấp tương ứng
như vậy.

Hình 1.6: C++ và OTcl: Sự đối ngẫu
TclCL là ngôn ngữ được sử dụng để cung cấp liên kết giữa C++ và OTcl.
Các kịch bản Tcl/OTcl được viết để thiết lập và cấu hình topology của mạng.
TclCL cung cấp liên kết giữa phân cấp lớp, khởi tạo đối tượng, nối kết biến và
gửi lệnh.

Hình 1.7: TclCL hoạt động như liên kết giữa A và B
NS-2 sử dụng đến hai ngơn ngữ vì Bộ mơ phỏng cần thực hiện hai việc
khác nhau: Một mặt là vì các mơ phỏng cho các giao thức u cầu một ngơn ngữ
lập trình hệ thống có thể tính tốn một cách hiệu quả các byte, các tiêu đề packet
và các thuật toán thực thi đang chạy trên một tập dữ liệu lớn. Với tác vụ này,
run-time speed (tốc độ thời gian chạy thực) là quan trọng trong khi turn-around
time (thời gian thay đổi) thì ít quan trọng hơn. Turn-around time bao gồm thời
gian chạy mơ phỏng, thời gian tìm lỗi, thời gian sửa lỗi, thời gian biên dịch lại
và thời gian chạy lại.
Hầu hết định tuyến được viết bằng OTcl (dù thuật toán Dijkstra lõi viết
bằng C++). Mơ phỏng HTTP có từng luồng bắt đầu tại OTcl nhưng việc xử lý
11

từng gói lại được viết bằng C++. Phương pháp này chạy tốt cho đến khi có đến
100 luồng bắt đầu thời gian mơ phỏng mỗi giây. Nói chung, nếu phải triệu gọi
Tcl nhiều lần mỗi giây thì có lẽ nên chuyển sang C++.
Về phương diện mã nguồn, NS-2 được viết với 100k dòng mã lệnh C++,
70k dòng mã Tcl và 20k dịng tài liệu.
1.4.3 Các đặc tính của NS-2
NS-2 thực thi những tính năng sau: [7]
- Các kỹ thuật quản lý hàng đợi Router như DropTail, RED, CBQ,
- Multicasting
- Mô phỏng mạng không dây :
+ Được phát triển bởi Sun Microsystems + UC Berkeley (Dự án Daedalus)
+ Thuộc mặt đất (di động, adhoc, GPRS, WLAN, BLUETOOTH), vệ tinh
+ Chuẩn IEEE 802.11 có thể được mơ phỏng, các giao thức Mobile-IP và
adhoc như DSR, TORA, DSDV và AODV
- Hành vi nguồn traffic – www, CBR, VBR
- Các agent truyền tải – UDP, TCP
- Định tuyến
- Luồng packet
- Mơ hình mạng
- Các ứng dụng – Telnet, FTP, Ping
- Các packet tracing trên tất cả các link và trên các link xác định
1.5 Mục tiêu nghiên cứu luận văn
Việc sử dụng mạng mọi lúc mọi nơi và khơng phụ thuộc vào vị trí vật lý
của mạng không dây đặc biệt MANET cho phép các máy tính di động thực hiện
các kết nơi truyền thông với nhau không cần dựa vào cơ sở hạ tầng có sẵn.
Truyền thơng trong mang MANET dựa trên các đường đi đa chặng, do vậy định
tuyến các gói tin là hoạt động quan trọng. Khác với các mạng cố định có cấu
hình ít thay đổi hoặc gần như khơng thay đổi, các vấn đề về khơng dây và tính
chất động của mạng Adhoc khiến cho việc thiết kế một giao thức định tuyến làm

việc hiệu quả trong mạng Adhoc là một bài tồn khó.
12


Chính vì vậy, tơi chọn đề tài nghiên cứu: “Các đề xuất cải tiến giao thức
AODV nhằm đảm bảo hỗ trợ QoS”. Luận văn bao gồm mục đích sau: Nghiên
cứu các đặc điểm mạng MANET,nghiên cứu các giao thức định tuyến và cácđề
xuất cải tiến giao thức định tuyến có đảm bảo QoS trong mạng MANET. Tôi tập
trung chủ yếu vào việc áp dụng thuật tốn con-kiến-tìm-đường vào thuật tốn
OLSR để cải tiến hiệu năng.

13


CHƯƠNG 2. MỘT SỐ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG MANET
2.1 Phân loại các kỹ thuật định tuyến
2.1.1 Link state và Distance Vector
2.1.1.1 Thuật toán định tuyến vector khoảng cách (distance-vector routing
protocols)
Thuật toán định tuyến này dùng thuật toán Bellman-Ford, trong đó chỉ định
một giá trị (chi phí hay trọng số) cho mỗi một liên kết giữa các nút trong mạng.
Các nút sẽ gửi thông tin về đường đi nút nguồn đến nút đích qua các đường
truyền với tổng chi phí thấp nhất (là tổng các chi phí của các kết nối giữa các nút
được dùng).
Nguyên tắc hoạt động: Khi một nút bắt đầu hoạt động, nó chỉ biết các nút
lân cận trực tiếp với nó, và chi phí trực tiếp để đi đến nút lân cận đó gồm (danh
sách của các nút, tổng chi phí đến từng nút và bước kế tiếp để gửi dữ liệu đến
đó) tạo nên bảng định tuyến, hay bảng khoảng cách. Mỗi nút gửi đến từng nút
lân cận (nút hàng xóm) tổng chi phí của nó để đi đến các đích mà nó biết. Các
nút hàng xóm phân tích thơng tin này, và so sánh với những thông tin mà chúng

đang biết; nếu bất kỳ thông tin nào cải thiện được những thông tin chúng đang
có sẽ được cập nhật vào các bảng định tuyến của những “hàng xóm” này. Đến
khi kết thúc, tất cả nút trên mạng sẽ tìm ra bước truyền (hop) kế tiếp tối ưu đến
tất cả mọi đích, và tổng chi phí tốt nhất.
Khi một trong các nút gặp vấn đề, những nút khác có sử dụng nút gặp vấn
đề này trong đường định tuyến của mình sẽ loại bỏ những đường đó, và tạo nên
thơng tin mới của bảng định tuyến. Sau đó chúng chuyển thơng tin này đến tất
cả nút hàng xóm và lặp lại q trình trên. Cuối cùng, tất cả nút trên mạng nhận
được thông tin cập nhật, và sau đó sẽ tìm đường đi mới đến tất cả các đích mà
chúng cịn tới được.
2.1.1.2 Thuật toán định tuyến trạng thái kết nối (Link-state routing
protocols)
Link State khơng gửi bảng định tuyến của mình , mà chỉ gửi tình trạng của
các đường link trong linkstate database của mình đi cho các router khác, các
router sẽ áp dụng giải thuật SPF (shortest path first), để tự xây dựng routing
table riêng cho mình . Khi mạng đã hội tụ , Link State protocol sẽ không gửi

14


update định kỳ mà chỉ gởi khi nào có một sự thay đổi trong mạng (1 line bị
down , cần sử dụng đường back up)
Thuật toán đã làm theo cách này là Dijkstra, bằng cách xây dựng cấu trúc
dữ liệu khác, dạng cây, trong đó nút hiện tại là gốc, và chứa mọi nút khác trong
mạng. Bắt đầu với một cây ban đầu chỉ chứa chính nó. Sau đó lần lượt từ tập các
nút chưa được thêm vào cây, nó sẽ thêm nút có chi phí thấp nhất để đến một nút
đã có trên cây. Tiếp tục q trình đến khi mọi nút đều được thêm vào cây.
Cây này sau đó phục vụ để xây dựng bảng định tuyến, đưa ra bước truyền
kế tiếp tốt ưu, … để từ một nút đến bất kỳ nút khác trên mạng.
So sánh

Các giao thức định tuyến theo thuật toán vector khoảng cách đơn giản và
hiệu quả hơn trong các mạng nhỏ, đòi hỏi ít (nếu có) sự giám sát. Tuy nhiên
nhược điểm của nó là khả năng hội tụ chậm khi mạng lớn và thay đổi, điều này
dẫn đến sự phát triển của các thuật toán trạng thái kết nối tuy phức tạp hơn
nhưng tốt hơn để dùng trong các mạng lớn.
Ưu điểm chính của định tuyến bằng trạng thái kết nối là phản ứng nhanh
nhạy hơn, và trong một khoảng thời gian có hạn, đối với sự thay đổi kết nối.
Ngồi ra, những gói được gửi qua mạng trong định tuyến bằng trạng thái kết nối
thì nhỏ hơn những gói dùng trong định tuyến bằng vector. Định tuyến bằng
vector đòi hỏi bảng định tuyến đầy đủ phải được truyền đi, trong khi định tuyến
bằng trạng thái kết nối thì chỉ có thơng tin về “hàng xóm” của nút được truyền
đi. Vì vậy, các gói này dùng tài ngun mạng ở mức khơng đáng kể. Khuyết
điểm chính của định tuyến bằng trạng thái kết nối là nó địi hỏi nhiều sự lưu trữ
và tính tốn để chạy hơn định tuyến bằng vector.
2.1.2 Định tuyến chủ ứng (Proactive) và phản ứng (Reactive)
Các giao thức định tuyến trong mạng MANET được người ta phân chia
thành các loại: định tuyến chủ ứng (proactive), định tuyến phản ứng (reactive)
và định tuyến lai ghép giữa hai loại trên. Các giao thức định tuyến chủ ứng sử
dụng phương pháp phát tràn (Floading) để quảng bá thông tin tới các nút mạng.
Phương pháp này cho phép thời gian thiết lập đường nhanh dựa trên các tham số
gửi tới thiết bị sẵn sàng cho kết nối. Tuy nhiên, phương pháp này cũng làm lưu
lượng các gói tin tìm đường tăng lên rất lớn, đây chính là nhược điểm của
phương pháp này. Giao thức định tuyến trạng thái liên kết tối ưu OLSR
(Optimized Link State Routing) và giao thức định tuyến vector khoảng cách
15


tuần tự đích DSDV (Dynamic Destination-Sequenced Distance-Vector Routing)
là hai ví dụ điển hình của giao thức định tuyến chủ ứng.
Các giao thức định tuyến phản ứng thiết lập tuyến dựa theo từng yêu cầu

kết nối. Phương pháp này hạn chế được chi phí tìm đường, nhưng nhược điểm
cơ bản là gây trễ định tuyến lớn cho các khung truyền dẫn đầu tiên cũng như
thời gian chọn đường dẫn chậm. Hai giao thức phản ứng điển hình là giao thức
định tuyến vector khoảng cách theo yêu cầu AODV (On-demand Distance
Vector Routing) và giao thức định tuyến định tuyến nguồn động DSR (Dynamic
Source Routing).
Một khi xảy ra lỗi tại nút, các giao thức định tuyến thường khôi phục
đường dẫn bằng phương pháp thiết lập tuyến mới. Hầu hết các cách tiếp cận
hiện nay đều sử dụng thông tin phản hồi tới thiết bị nguồn nhằm khởi tạo tuyến
mới, vì vậy lưu lượng bản tin trao đổi là rất lớn và tăng lên rất nhanh khi kích
thước mạng lớn, nhất là đối với các giao thức định tuyến chủ ứng. Khi kích
thước mạng tăng cũng đồng nghĩa với sự suy giảm hiệu năng mạng do hiện
tượng trễ của thủ tục định tuyến và truyền khung đầu tiên tăng lên rất lớn nếu sử
dụng giao thức định tuyến phản ứng.
2.1.3 Định tuyến phẳng và định tuyến phân cấp
Trong định tuyến phẳng, mọi nút trong mạng đều có cùng cấp độ và chức
năng định tuyến. Chiến lược định tuyến này tương đối đơn giản và hiệu quả đối
với các mạng nhỏ. Các giao thức AODV, DSDV, DSR là những giao thức điển
hình sử dụng chiến lược định tuyến phẳng. Đối với các mạng lớn, vấn đề gặp
phải là lãng phí tài nguyên mạng dành cho việc xử lý và truyền các gói tin quảng
bá thơng tin định tuyến. Chiến lược định tuyến phân cấp được đề xuất nhằm giải
quyết vấn đề này. Hình 2.1 minh họa cho các con đường được hình thành bởi
giao thức định tuyến hoạt động theo chiến lược định tuyến phẳng.

16