Nghiên cứu bài toán định tuyến trong mạng adhoc đề tài nckh qc 06 17

Đ Ạ I H Ọ C Q U Ố C G IA H À NỘI

TÊN ĐẺ TÀI

NGHIÊN CỨU BÀI TOÁN ĐỊNH TUYẾN TRONG
MẠNG ADHOC
RESEARCH OF ROUTING ALG O RITH M IN ADHOC
NETW ORK

C h ủ n h iệ m đ ề tài
T hS. Phạm T hị H ồng
C á n b ộ th a m g ia đ ề tà i
P G S . N g u y ễ n K im G ia o
T hS . N guyễn Q uốc T u ấ n
C N Đ ín h T h ị T h á i M a i
C N . B ù i T r u n g N ín h
CN . M àu V ăn P h ư ơ ng

โ ) โ / T- о ร

HÀ NỘI - 2007


M ự c LỤC
T ra n g

G IẢI THÍCH CÁC T Ừ VIẾT T Á T ................................................................. 2
D ANH SÁC H N HỮNG N GƯỜI THAM GIA THỰC H IỆ N ..................... 4
D ANH MỤC BÀN G SỐ L IỆ U ....................................................................... 5
D ANH MỤC HÌNH V Ẽ ....................................................................................6
TĨM TÁŤ N HỮ N G KẾT QUẢ CHÍNH CỦA ĐỀ T À I ..........................7

Đ Ạ T VÄN Đ Ê ................................................................................................. 9
PHÂN 1: TÓ NG QU AN VÉ M ẠNG A D H O C ............................................ 11
1.1.
2.2
1.3

G iớ i thiệu c h u n g ........................................................................................ 11
Chuẩn 802.11 trong mạng Adhoc [ 1 ] ...................................................13
Vấn đề định tuyến trong mạng Adhoc [1 3 ][1 4 ]..................................23

1.3.2 AO D V [1 5 ][1 6 ] .......................................................................................... 29
1.3.3 DSR [1 5 ][1 6 ] ............................................................................................... 31

PHẢN 2: C À I THIỆN L Ư U LƯ Ợ N G TRONG M ẠNG A D H O C ......... 35
2.1 Đề x u ấ t......... .*........................ ' ...................................................................... 35
2.2 Lưu thông trong mạng W ireless Multihop A d -hoc tại nút relay. [9].. 36
2.2
G iải pháp tốc độ cân bằng để cải thiện lưu lư ợ n g bão hoà........ 39
2 .2 .1
2.2.2

2.3

C ân bảng tốc đ ộ [ 9 ] ......................................................................................... 39
Đ iể u khiển đ áp im g CTS tro n g 802.11 RTS/CTS [ 9 ] [ 1 2 ] ..........................40

M ô phỏng và đánh giá kết quả [6][3 ][4 ][]............................................. 41

2.3.
ỉ

Topo m ạng m ộ t trạm tru n g g ia n [ 4 ] .........................................................42
2.3.2 M ạ n g c h u ỗ i [ 9 ] [ 4 ] .............................................................................................44

2.4

Kết lu ận........................................................................................................ 45

PHÂN 3: K H Á O S Á T BÀI TO ÁN ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG
A D H O C ................... ................................... ••.............................................. . 4 6
3.1. Mơ hình mơ p hỏ ng[3 ][4][6].......................................................................... 46
3.1.
ỉ M ơ hình lư u lư ợ n g và d i đ ộ n g [3 ][4 ][6 ] ......................................................46
ỉ . 1.2 C ác thông số h iệu n ă n g ....................................................................................... 47

3.2

T h ự c hiện mô p h ỏ n g ..................................................................................47

3.2.1
Tạo các mơ hình d i động và ỉuru lư ợ n g ......................................................... 47
3.2.2
Code mô p h ỏ r ìg [3 ][4 ][6 ] ................................................................................ 48
3.2.3
P hán tích c ác f ile trace mỏ p hỏ ng [ 3 ][4 'J[6J .............................................48
3.2.4 Đ á n h g iả tỷ lệ p h â n p h ố i g ó i ( p d f) : ...... ........................................................... 49
3.2.5 Đ á n h g iá th ờ i g ia n tru ng bình đầu cu ối - đâu c u ố i[ 3 ] [ 4 ] [ 6 ] ........................52
3.2.6 Đ á n h g iá thô n g tin tà i đ ịnh tuyến ...................................................................... 53
3.2 .7 A n h hưởng của tính d i đ ộng và của node n gu ôn ........................................... 54

KẾT LU À N VÀ KIẾN N G H Ị.......................................................................... 58

TI ầĩ TH AM K H O .....ãã..........................................................................59
PH L Ụ C ......................................................................................................... 60
PHIẾU Đ ẢNG KÝ KẾT QUẢ NGHIÊN
K H -C N ....................... 109

cứu

1


GIẢI THÍCH CÁC T Ừ VIÉT T Á T
C h ữ v iế t t ắ t
ACK

G iá i th íc h
Acknowledgement

Ad-hoc

Mạng ngang hàng

AODV

Ad Hoc On-Demand Distance Vector

AP

Access Point

BC

Backoff Counter

BSS

Basic Service Set

CFP

Contention Free Perior

CP

Contention Perior

CSMA/CA

Carrier Sense Multiple Access with Collision
Avoidance.

CSMA/CD

Carrier SenseMultiple Access with
Collision Detection

CTS

Clear To Send

cw

Contention Window

cw

Contention Window

DCF

Distributed Coordination Function

DIFS

DCF Inter Fram
e Space

DS

Distributtion System

DSDV

Destination Sequenced Distance Vector

DSR

Dynamic Source Routing

DSSS

Direct Sequency Spread Spectrum

ESS

Extended Service Set

FHSS

Frequency Hopping spread Spectrum

ỈBSS

Independent Basic Service Set

IFS

Inter Fram
e space

MAC

Medium Access Control

MAC

MediumAccess Control

MANET

Mobile Adhoc Network

MPDU

MAC Protocol Data Unit


M iiltiso u rc e

Đ a n guồn.

NAM

Network Animator

NAV

Network Allocation Vector

NS-2

Network Simulator-2

OFDM
PC

Orthogonal Frequency Division Multiplexing
Point Coordinator

PCF

Point Coordination Function

PCF

Point Coordination Function

PDF

Packet Distribution Fraction

PIFS

PCF Inter Fram
e Space

RTS

Request To Send

RTS

Request to Send

S
1FS

Short Inter Frame Space

TCP

Transmission Control Protocol


DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THAM G IA TH Ự C HIẸN
C h ủ nhiệm đề tài: ThS. PhạmThị Hồng
C ác cản bộ p hối hợp th ự c hiện:
S
ốT T

Họ

và tên

Đ ơ n v ị có ng tác

1

PG
S. Nguyễn Kim Giao

Đại học Công nghệ

2

Th.s Nguyễn Quốc Tuấn

Đại học Công nghệ

3

CN. Đinh Thị Thái Mai

Đại học Công nghệ

4

CN. Bùi Trung Ninh

Đại học Công nghệ

5

CN. Màu Văn Phương

Đại học Công nghệ


DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU
Báng 1.1: Dặc trưng cũa các chuấn 802.1 ] ........................................................................................1
4
Bảng 1.2. Bàng định tuvến MH4..............................................................................................................28
Bảng 1.3. Bàng định tuyến MH4 sau khi MH1di chuyển.........................................................29
Bảng 2.1

.Các thông sốcần cài đặt cho mơ phịng......................................................................41

Bảng 3.1: PDF của các giao thức định tuyến tương ứng với giá trị pause time.....51
Báng 3.2: Thời gian trề trung bình từ đầu cuối đến đầu cuối tương ứng với cấc
eiao thức định tuyến.......................................................................................................................................52

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hinh 1.1: MANET trong kiến ĩrúc hệ thống 4G.............................................................................1
1
Hình 1.2: Minh họa mạng mobile adhoc network.........................................................................1
2
Hỉnh 1.3: 802.11 theo kiến trúc phân tầng........................................................................................13
Hình 1.3: Vấn đề trạm ần................................................................................................................................1
5
Hình 1.4: Chức năng cùa PCF và DCF................................................................................................16
Hình 1.5: Thủ tục RTS/CTS đềkhắc phục hiện tượng trạm ẩn..........................................18
Hình 1•ᄀ
-. Cửa sọtranh chấp........................................................................................................................19
Hiah 1.8: Lưu đồ của thù tục......................................................................................................................20
Hình 1.9: Thuật tốn quay lui trong DCF...........................................................................................21
Hình 1.10: Chu k ỳ luan phiên giữa PCF và DCF................................1
1
....................................22

Hình 1.11:

丁hủ tụ c tru yề n khung giữa PC và Station tro ng chê độ P C F ..................23

Hình 1.12: Các loại giao thức định tuyến trong m
ạng Adhoc...............................................25
Hình 1.13. Di động trong m
ạng Ad-hoc..............................................................................................28
Hình 1.14. Khámphá tuyến trong AODV..........................................................................................30
Hình 1.15. Tạo tuyến trong DSR.............................................................................................................33
Hình 2.1: Nhiều người dùng truyên dữ liệu qua node relay...................................................37

Hình 2.2: Mạng chuỗi đanguồn............................................................................................................37
Hình 2.3. Lưu lượng trong mạng chu이 ..............................................................................................38
Hình 2.4. Lưu lượng theo tải tốc độ mong m
uốn, với sốhop là 8....................................38
Hỉnh 2.5. Thù tục truyền CTS, ápdụng điều kiện cânbằng....................................................41
Hình 2.6. Topo mạng một trạn trung gian, M=1.-NAM............................................................42
Hình 2.7. a- Lưu lượne và b- Trê trung bình trong topo một trạmtrung gian..........43
Hình2.8. Mạng chuồi- qua NAM.............................................................................................................44
Hình 2.9. a- Lưu lượng và b- Trê trung bình trong m
ạngchi...........................................45
Hinh 3.1: Kết quả chạy file NAM..........................................................................................................50
Hình 3.2: Sosánh tỳ lệ phân phối gói của các giaothực định tuyên.................................50
Hlnh 3.3: Sosánh độ trễ trung binh đầu cuối - đầu cuối...........................................................53
........54
Hình 3.4: So sánh tỳ lệ tải định tuyến......................................................................................1
Hình 3.5: So sánh tỷ lệ phân phối gói

và tỷ lệ

tải tiêu đề với sơ

đổi.....................................................................................................................................1
............................................56
Hình 3.6: Trê trung binh end to end với sốnode

nguồnthay đổi......................57

node nguô

TĨM TÁT NHỮNG KẾT QUẢ CHÍNH C Ủ A ĐỀ TÀI
1. T ên đề tài
NGHIÊN CÍIIJ BÀI TỐN ĐfNH TUYẾN TRONG MẠNG ADHOC
Mã số: QC.06.17

2. C h ủ t r i đề tà i: T h S . P hạm T h ị H ồng
3. N h ữ n g kế t q uả ch ín h :
a./ Kết quả khoa học:
-

Tim hiểu, dịch các tài liệu chuyên khảo về m
ạng W
ireless LAN, về m
ạng
Adhoc. thuật toán định tuyến trong m
ạngAdhoc.

-

Xây dựng được hệ thống tài liệu về đào tạo và nghiên cứu về các hệ thống

-

Xây dựng được phẩn m
ềm m
ô phỏng các phương thức định tuyến trong

-

02 báocáo tại hội nghị Vơ tuyến Điện tửtồn quốc năm2006

Viễn thơng

m
ạng Adhoc dựa trên phẩn m
ềmNS-2.

b ./ K ết quả ứng dụng:
-

Lập cấuhình m
ạng Adhoc sửdụngtrong mơ phỏng.

-

Tìm hiểu ứng dụng và cách thức sử

dụngphần mềm NS-2trên hệđiều hành

Linux.
c./ Kết quả đàotạo:
-

01 báo cáo khoa học trong Hội nghị

-

03 luận văn đại học.

khoa học sinh viên của

trường.

d./ Kết quả nâng caotiềm lực khoa học

-

X â y dựng lý thuyết m ô phịng mạng truyền thơng phục vụ cho dào tạo và
nghiên cứu khoa học

-

Góp phần xây dựng hạ tầng viễn thơng phục vụ trực tiếp cho đào tạo sinh

-

Nâng cao trinh độ chuyên m
ôn cho cán bộ trong bộ môn, tạo cơ sở cho

viên luận án, học viên cao học và sinh viên làmnghiên cứu khoa học

sinh viên được ápdụng kiến thức lý thuyết đãhọc vào thực tiễn.
e./ Tinh hình sửdụng kinh phí: Tồng kinh phí: 20.000.000 đồng


-

Chi phí phụ cấp lương cho cán bộ trong Bộ mơn, th khốn chuvẻn m
ơn,
quản lý phí. trả thù lao cho các cán bộ thamgia đề tài:20.000.000 đồng

CHỦ NHIỆM ĐÉ TÀI

XẢC NHẬN CỦA ĐƠN VỊ

ThS. PhạmThị Hồng
XÁC NHẬN CỦA Cơ QUAN CHỦ QU人N


Đ Ạ T VÁN ĐẾ
M
Ộ
Im
ạng ad-hoc là tậphợp những trạmmobile hoạt động với nhau, khơng
địi hỏi một trạm điều kiển trung tâm hay tồn tại cơ sở hạ tầng (Infrastructure).
Vấn đề được quan tâm hàng đầu trong m
ạng này là định tuyến giữa các trạm

m o b ile như thế nào. để cỏ thế truyền tin m ột cách có hiệu quả nhất tro ng khi các
trạmtự do di động, nằmngồi vùng phù sóngcủa nhau
Có thề nói sự khác biết lớn giữa m
ạng Infrastructure và m
ạne Ad-hoc là

g iao thức định tuvến truvền tin giừa các trạm. Tro n g k h i ờ mạng Infrasiructure.
các trạm muốn truyền tin cho nhau phải thông qua một trạm điều khiến trung tâm
(Access point)- hoạt động nhưchế độ thămdị (Pool). Do đó tất cảcác trạm m
uốn
giao tiếp thi phải năm trong vùng phù sóng của các điều khiển trung tâm này, vì
vậy vấn đề định tuyến không phải là vẩn đề đáng được quan tâm trong
Infrastructure. Còn đối với m

ạng Adhoc, do đạt được khả năng về tính m
ềm đèo,
tính linh động của các trạm và topo m
ạng nên vấn đề định tuyến trở nên hết sức
khó khăn, và đáng được quantâm
. Trong mạng này, hai trạmmuốn kết nối có thể
nằm ngồi vùng phù sóng của nhau và việc truyền tin phải thông qua các trạm
trung gian nhớ giao thức định tuyến. Các trạm vừa đỏng vai trò như thiết bị đầu
cuối, vừa lả router để chuyển tiếp các gói truyền tin. Mạng Ad-hoc có nhiều điều
cần nghiên cứu: hiện tượng trạm ẩn, trạm phơi bày, các vấn đề định tuyến, ảnh
hường cùa giao thức lớp MAC đến sựhoàn thiện cùa m
ạng.
Đối tượng chính của một giao thức định tuyến m
ạngAdhoc là phải thiết lập
một cách chính xác và hiệu quả tuyến giữa những cặp trạm đề bản tin được phân

tán m ột cách dáng tin cậy đến đích. V iệ c xây dựng tuyến phải cần chú ý sao cho
overhead là nhỏ nhất, và sửdụng hiệu quả dải tần. Những giao thức định tuyến đã
tồn tại như: vector khoảng cách (distance-vector) và trạng thái liên kết (link-state)
được thiết kế cho môi trường cổ định, và bởi vậy khơng thích hợp cho Mobile Adhoc. Do sự thay đổi thường xuyên cùa topo m
ạng, kết quà dẫn đến giảm độ hoàn
thiện, như: hội tụ tuyến chậm
, lưu lượng thông tin thấp, xuất hiện sự lặp tuyến khi

những trạ m bị hòng. Thêm vào đỏ, những g ia o thức đ ịnh tuyển này cỏ overhead
cao trong suốt th ờ i gian thiết lập tuyến. G iao thức định tuyến m ới nên được thiết
kể thích hợp v ớ i mơi trường MANET, kết hợp v ớ i những thuộc tính như: khả năng
di động, sựgiới hạn dải tần, giới hạn năng lượng trạm
.

Nội dung của đềtài tập trung vào những vẩn đề trọng tâmsau:
-

Phần 1
: 'Tổng quan về m
ạna Mobile Adhoc Network” sẽ trinh bày lý
thuyết của mạng Adhoc Network tập trung vào hai lớp MAC (chuẩn 802.11
cho Adhoc). và lớp 3- định tuyến.

-

Phần 2: “ C ải thiện lưu lượng trone mạng M u ltih o p A d h o c ” . N h ỏm đề tài sẽ
đề xuất một phương pháp mới áp dụng cho các trạm chuyển tiếp (relay)
nhằm cái thiện kru lượng bằng cách ápdụng một điều kiện cân bàng tốc độ
để điểu khiển tốc độ nhận và chuyển tiếp gói tin một cách có hiệu quả. Đe
đánh giá độ hồn thiện của mơ hình mới này, nhómđề tài cũng đưara sựso
sánh giữa nó và IEEE 802.11 RTS/CTS thông qua lưu lượng m
ạng, được
thực hiện bằng mơ phịng.

-

Phần 3: “Đánh giá các phương thức định tuyến trong mạng Adhoc’，
. Đe cập
về những giao thức định tuyến đang tồn tại trong MANET so sánh ưu
nhược điểm đồng thời bàng mơ phịng đề tài so sánh các thơng số như độ
trễ, độ m
ất mát gói tin.

10


PHẢN 1: TỐNG QUAN VỀ M ẠN G AD HO C

1.1.

Giới thiệu chung
N h ư ta đã biết, trong xu thế hiện n ay phát triề n m ạng không dây dã mang

lại nhiều lợ i ích to lớ n thể hiện tro ng tính lin h động của nỏ. D ư ớ i cái nhìn của hệ
thống thống thơng tin di động thế hệ 4 (n h ư hinh vẽ 1.1 ) ta thấy ngoài W I.A N ,
W P A N ,...th i mạng m obile adhoc là m ột phần tro ng kiến trú c cũa nó.

4G\\' Architecture

M ạng A dh o c được đ ịnh dạng một cách tự đ ộn g b ờ i các hệ thống tự tr ị là các node
m obile được kết nối trực tiế p v ớ i nhau bằng m ô i trư ờ n g kh ôn g dây mà kh ôn g sừ
dụng bất cứ m ột c ơ sờ hạ tầng sẵn có hay trạ m đ iều kh iển tru n g g ian nào. Các
node tự do d i chuyển và tự tổ chức m ột cách ngẫu nhiên do vậ y top o của m ạng có
thể thay đ ổi nhanh chóng và khơng tiên đốn trư ớ c được. M ạng m o b ile adhoc có

11


thể sử dụng cho mục đích truyền dữ liệu giữa các node mobile với nhau hoặc nó
cùng có thể kết nổi vào hệ thống m
ạng Internet. Các tuyến giữa các node mobile
có thề gồm nhiều hop chuyển tiếp giữa các node trung gian, do vậy theo m
ột cách

gọi khác thì m
ạng mobile adhoc network cịn được gọi là mạng multihop.

Hình 1.2: Minh họam
ạng mobile adhoc network
Như hình vẽ trên, m
ạng adhoc có thề bao gồm một vài thiết bị máy tính cá nhân
như notebook, PC cầm tay,...Mỗi một nó cỏ khả năng giao tiếp trực tiếp vởi các
node khác thông qua node trung gian trong miền phù sóng của nó.
Nhưvậy m
ạng mobile adhoc network có một sốtính năng và ưu điểmsau:
-

Nó là mạng khơng dây: Các node giao tiếp với nhau qua truyền dẫn vô
tuyến vàchia sẻchung phương tiện truyền thơng.

-

Adhoc-based: Mạng MANET là m
ặng có topo khơng cố định.

-

Tự trị và phi cơ sở hạtầng: Mạng MANET không phụ thuộc vào bất kỳ cơ
sờ hạ tầng sẵn có hoặc trạmđiều khiển trung gian nào. Mồi node vận hành
và phân bố ờ mode peer-to-peer, hoạt động nhưmột router độc lập.

-

Định tuyến đa luồng (Multihop): Không sử dụng trạm điều khiển trung

gian, mỗi node hoạt động như một router và chuyển tiếp thông tin đến các
node khác đểchia sẻthông tin với nhau.

-

Tỉnh di động: Mỗi node được tự do di chuyển để giao tiếp với các node
khác.Topo cùa mỗi m
ạng sẽ thay đổi tùy thuộc vào sự di chuyển của các
node mobile.

12


2.2

Chuấn 802.11 trong mạng Adhoc [1]

丁heo quan điểmcủa kiến trúc phân tầng OSI thì

802.11dặc trung bời hai lớp dưới

cùng: lớp vật lý PHY (PHYsical)và lớp con điều khiển truy cập mơi trường MAC
(Media Access Control). Lóp con MAC quy định các phương thức hoạt động của
các trạm như chế độ truy nhập mơi trường, phướng thức truyền và nhận gói dữ
liệu
Upper taysr Protocol

X

вог .11

imrared

Ư02.I1
řHSS

e.11
usss

«02.11e
OFDM

«021 Iti
H« o s s s

e02.11C
OřDM

to

1Л*Л.
г гл

1Mbs.
2}*

1ằ.
SMM

uptn
*

1 5.5.
11Mb*

Up
4ô

DiBused

2.4-249

BPSK

5.725-Sệ
& iz

ZA-ZW
GHz

24Z4ẽ

.ã1
86, 0.96

7.
IMHieaeh

62Fieq.

Hỡnh 1.3: 802.11 theo kiến trúc phân tầng

Lớp vật l ỷ ị l Ị
Lớp vậy lý cung cấp kết nối cho phép truyền các khung dữ liệu MAC từ trạm này
đến trạm khác qua môi trường truyền, các chuẩn 802.11 khác nhau dùng các kỹ
thuật khác nhau trong lớp vậy lý và các kỹ thuật này quy định các phương thức
điềuchế cũng nhưtốc độ tối đa có thểđạt được.
Khác với m
ạng có dây truyền thống, mạng không dây truyền dữ liệu thông qua
m
ôi trường quahình thức phát xạ điện từ trường. Yêu cầu chung là vùng phù sóng
phải rộng đủ đáp ứng được các yêu cầu của ngươi sư dụng. Hai loại môi trường
được sửdụng rộng rãi nhất là sóng hồng ngoại và sóng vơ tuyến. Tuy nhiên do đặc
trưng cùa sóng vơ tuyến là có thể vượt qua chướng ngại vật vàvùng bao phù rộng
nên ngày nay người ta sử dụng hầu hết là sóng vơ tuyến cho mơi trường truyền
dần.

13


Bảng 1.1: Đ ặc trưng củ a các chuẩn 8 0 2 .1 1
SOI 11

802.1]

802. JIh

s o lila

802.Jig

FHSS

DSSS

HR-DSSS

OFDM

ERP

Dãi lằn
(C l!z)

2.4

->A
-

2.4

5

2.4

Tồc độ tối đa
(Ml)psi

2

ใ

11

54

54

54

OFDM

OFDM

I ( lilia li/ D.iť
lính

Ị

Đi읍
II diế

QPSK

GFSK

CCK

OFDM

H02.1]|

4.4

Tùy theo đặc trưng cùa từng chuẩn m
à người ta lựa chọn các phương thức diều
chế ờ lớp vật lý khác nhau như:

-

K ỹ thật điều chế trải phổ nhảy tần FHSS sừ dụng dài băng tần

2.4Ghz

- Kv thuật trải phố chuỗi trực tiếp DSSS: Sừ dụng trong mơi trường có SNR
thấp và đạt được độ bảo m
ật an tồn thơng tin cao. Chuẩn 802.11đầu tiên
sử dụng kỹ thật DSSS với băng tần 2.4GHz, tốc độ đạt l-2Mbps. 802.1lb
cải tiến lên đạt được tốc độ là 1ỉ Mbps
-

Kỹ thật điều chế OFDM: Đạt được tốc độ đến 54Mbps

-

Kỹ thật IR: Kỹ thuật này chi

sử

dụng đối với môi trường trong nhà do IR bị

ảnh hường bời ánh sáng m
ặt trời và băng thông thấp.

802. ỉ ỉ MAC[2ỊỊ5Ị
Đặc trưng nhấp cùa 802.11 chính là lớp con MAC. Lớp con MAC quy định các
phương thức truy nhập kênh, truyền khung dữ liệu và tương tác với mơi trường có

dây bên ngồi.
Giống như Ethernet, 802.11 sử dụng phương thức đa truy cập cảm nhận sóng
m
ang để điều khiển việc truy nhập môi trường truyền. Tuy nhiên, do sự phức tạp
của môi trường vô tuyến nên giao thức của nó cũng phức tạp hơn. Trong m
ạng

Ethernet, k h i m ột trạm muốn truyền tin nó đị kênh và ch ờ đến k h i kênh truyền
được cảmnhận là rỗi là cỏ thể gửi gói tin. Khi gói tin được gửi di m
à khơng nhận
được tín hiệu phàn hồi báo nhiễu trong 64bytes đầu thi khung được coi là phân
phát đúng. Giao thức này lả giao thức đa truy cập sóng m
ang dị xung đột
CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). Tuy nhiên

14


trong các m
ạng vô tuyến tỉnh huống như vậy không thể áp dụng do một số lý do
sau:
-

Sự khác nhau giữa mơi trường có dây và khơng dây: Kỹ thuật CSMA/CD
địi hỏi sóng vơ tuyến phải cỏ khả năng truyền song cơng. Mơi trường vơ
tuyến khó thực hiện điềunày.

-

Vấn đề trạm ẩn: Trong chế độ adhoc, các node có thể truyền dữ liệu khi
chúng nằm trong vùng phủ sóng của nhau, vấn đề trạm ẩn xảy ra khi hai
node không nằm trong vùng phù sóng cùa nhau cùng truyền dừ liệu đến
một node thứ ba dẫnđếnxung đột xày ratại trạmthứ ba.

• Stẳoi Вcannot dctcct Ihctransm
ission
• StalionВtransm
itsdatatostationс

• Collision occurs
Hình 1.3: Vấn đềtrạmẩn.

-

V ẩn đề trạm p h ơ i bày: xảy ra trong tình huống tro ng đó

một

cuộc truyền

dẫn hợp phép từ một node đến node khác bị trễ do hoạt động truyền dẫn
khác không liên quangiữa hai trạmkhác nằmtrong vùng phủ sóngcùa nó.
Do những lý do trên thủ tục CSMA/CD của Ethernet không thề áp dụng cho m

ạng
Adhoc được, thay vào đó người ta sửdụngthủ thực CSMA/CA.
Kiến trúc của lớp con MAC trong IEEE 802.11 bao gồm hai chức năng phối hợp
cơ bản: chức năng phối hợp phân bố DCF (Distributed Coordination Function) và
chức năng phổi hợp điểm PCF (Poit Coordination Function). Mỗi chức năng định
nghĩa một phương thức hoạt động cho các trạm m
uốn truy nhập môi trường không
dây. Chức năng phối hợp được hiểu như là chức năng quyết định việc khi nào m
ột
trạm trong BSS được phép truyền hay nhận một phân đoạn đơn vị dữ liệu giao
thức lớp MAC (MPDU).

15


RM]ulr*d tor Contoaton-I
Ff*« 8«ѴІ0М I'

Hình 1.4: Chức nàng củaPCF và DCF
Chế độ hoạt động DGF là bắt buộc đối với tất cả các ứng dụng, còn chức năng
PCF tùy chọn. DCF không sửdụng bất cứ loại điều khiển trung tâmnào, bản chất
của nó là m
ột giao thức MAC đatruy cập cảmnhận sóng mang có tránh xung đột
(CSMA/CA). Chế độ cịn lại PCF sửdụng trạmnên để điều khiển toàn bộ các hoạt
động trong ơ, nó hoạt động tương tự nhưmột hệ hỏi vịng.
Quyền ưu tiên truy cập tới m
ơi trường vơ tuyến được điều khiển thông qua các
khoảng khônggian giữa các khung truyền, gọi làcác khoảng thời gian liên khung
IFS (Inter Fram
e Space). Các giảtrị IFS được định nghĩabởi lớp vật lý. Một trạm

sẽxác định xemmơi trường có rỗi khơng thơng quachức năng phát hiện sang
ท
าang trong khơng gian chung. Có ba loại IFS:
-

SIFS (S hort

-

PIFS(PCF In te r

In te r Frame Space):

-

D IFS (D C F In te r Frame space): Khoảng th ờ i gian liê n kh un g DCF.

❖

C hức n ă n g P C F [2 ]Ị5 Ị

Frame Space):

Khoảng thời gian liên kh un g ngắn

Khoảng thời gian liên kh un g PCF

Phương thức truy nhập cơ bản của lớp con MAC trong chuẩn IEEE 802.11 là
DCF, được biết dưới cái tên đa truy nhập phát hiện sóng mang với cơ chế tránh
xung đột CSMA/CA. DCF có thể được áp dụng tất cả các trạm sử ụng cho cấu

hình IBSS lẫncấu hình m
ạngcơ sởhạtầng.
Khi một trạm muốn truyền tín hiệu, đầu tiên nó sẽ lắng nghe môi trường truyền
xem liệu cỏ một trạmkhác đangtruyền hay khơng. Nếu mơi trường được xác định
làrỗi, qtrình truyền cỏ thể diễn ra. Thuật toán phân tấn CSMA/CA bắt buộc yêu
cầu phải cỏ một khe thời gian tối thiểu tồn tại giữa các khung truyền đi liên tục.

16


Nếu môi trường được xác định là bận, trạm sẽ chờ đến khi kết thúc quá trình
truvèn hiện tại. Sau khi chờ hoặc trước khi cổ găng truyền lại ngay lập tức sau m
ỗi
lần truyền thành công, trạm sẽ chọn m
ột khoảng thời gian ngừng ngẫu nhiên để
khởi tạo bộ đếmlùi và khi bộ đếmnày được giảm tới 0 thì q trình truyền khung
tiếp theo được tiếp tục.
Có thể áp dụng một vài phương pháp cải tiên trong một số tinh huống khác nhau
để giảm thiểu sự xung đột, theo đó các trạm truyền và nhận trao đổi các khung
điều khiển

RTS/CTS sau khi xác định môi trường truyền

rỗi,saumỗi lần

chờ

hoặc ngưngtruyền và trước khi truyềndữ liệu.

C ơ chế p h á t h iệ n sóng m ang

Trong chế độ DCF các trạm có quyền ưu liên ngang nhau trong việc tranh kênh,
do đó trạm phải sừ dụng các cơ chế dị sóng m
ang để phát hiện mơi trường truyền
hiện đang bận hay rối. IEEE 802.11 hỗtrợ hai cơ chế phát hiện sóng m
ang đó là:
-

Cơ chếphát hiện sóng m
ang vật lý tại lớp vật lý
Cơ chế phát

hiện

sóng mang ở lớp MAC

thông qua vecto cấp phát mạng

NAV (Network Allocation Vector)
Nếu một trong hai cơ chế này chi ra là môi trường truyền đang bận thì mơi trường
sẽ được xác định là bận cịn ngược lại mơi trường được coi là rồi. Bình thường
trạm có thể kiểm tra tín hiệu điện tại lớp vật lý để biết được trạng thái các kênh.
Tuy nhiên phương thức dị sóng mang vật lý u cầu truyền sóng vơ tuyến song
cơng hồn lồn, điều này làm tăng chi phí một cách đáng kể. Hơn nữa, các m
ạng
WLAN còn gặp phải một số vấn đề khác chẳng hạn như vấn đề trạm ẩn,... nên
phương thức dị sóng mang vật lý không thề cungcấpđược các thông tin một cách
hồn tồn chuẩn xác. Cơ chế phát hiện sóng m
ang áo được cung cấp bởi vecto cấp
phát mạng NAV dùng để hỗ trợ thêm cho các trạmtrong việc dò kênh. NAV duy
trì một dự đốn về tương lại của lưu lượng m

ạng trên môi trường dựa trên thông
tin về khoảng thời gian được thông báo trong trường Duration cùa các khung
RTS/CTS trước khi các trạm trao đổi dữ liệu. Thông tin về khoảng thời gian này
cũng có trong m
ào dầu MAC của tất cả các khung truyền đi, nó cho biết trạmhiện
thời dang chiếm kênh sẽphải sửdụng môi trường trong bao lâu để truyền khung.
Thực chất có thề coi NAV giống như m
ột bộ đếm lùi thời gian với tốc độ khơng
đồi. Khi NAV khác 0，
cơ chế cảmnhận sóng m
ang áo của trạmcho biết rằng m
ôi

17

Ж/ Ш


trường đang bạn, và trạm sỗ không cần tiếp tục cảmnhận môi trường cho đến khi
NAV bằng 0. Giá trị NAV sẽ được cập nhật lại nếu như NAV mới lớn hơn giá trị
hiện tại. Bằng cách sử dụng NAV các trạm cỏ thể chắc chắn rang các hoạt động
truyền nhận khơng bị phávỡ
Ví dụ các thù tục của cơ chế bắt tay hai bước RTS/CTS nhưsau:
Giả sửcỏ bốn trạm А,

в, с và D. Các trạmđều nầmtrong phạm vi hoạt động của

nhau trừ hai trạm A và D, tức là A và D không thể “ lắng ngh” được trạng thái
truyền cùa nhau.

в. в
с nằmtrong phạmvi

Bây giờ trạmA muốn truyền dữ liệu đến B, nó bẳt đầu gửi khung RTS đến
nhận được tín hiệu RTS và đang rỗi nên gừi lại khung CTS.

hoạt động cùa A nên “ lắng nghe’，
được trạng thái kênh, nó biết là kênh đang bận
nên đặt NAV của mình theo giá trị trong RTS. Khi

в trả lời CTS nó lại cập nhật

được NAV của CTS. Trạm D không nằm trong phạm vi hoạt động của A nên
không nghe được RTS, tuy nhiên khi

в gửi CTS nỏ nghe được và biết mơi trường

đangbận nó cậpnhật NAV cùa minh theotrạngthái CTS

Hình 1.5: Thủ tục RTS/CTS để khấc phục hiện tượng trạmẩn
Sau khi A nhận được CTS, nó bắt đầu gửi dữ liệu. Trong suốt quá trinh này,

с và

D đều hiểu là kênh đang bận và nó sẽchờ cho đến khi NAV giảm về 0 thì mói bắt
đầu khởi tạo các thủ tục tranh kênh cùa m
inh.

18

Vi trên thực té RTS và CTS thường là những khung ngăn, do đó chúng dược nhận
biết

nhanh

hơn so với tồn bộ gói được truyền. Do đó thủ tục bắt tay hai bước

RTS/CTS thường được sửdụng để tránh xung dột do vấn dề về trạm ẩn. Khoảng
thông tin về thời gian trong gói RTS bảo đảmcho trạmphát tránh được xung đột
với các trạm nằm ngoài tầm lắng nghe trong suốt thời gian cho đến khi nó nhận
được ACK trà lời

P h ư ơ n g th ứ c tru y n hậ p CSM .4/CAเ2 แ 5 เ
Phương thức truy nhập CSMA/CA (Carier Sense Multiple Access with Collision
Avoidance) là nền tảng của DCF. Trong hoạt động DCF, trạm m
uốn truyền khung
trước hết phải lấng nghe kênh truyền. Nếu môi trường được xác định là rỗi trong
khoảng thời gian DIFS. trạmcó quvền thamgia vào thú tục tranh kênh. Trên m
iền
thời gian thì đây được gọi là cửasổtranh chấpc w .

Thời gian
Hình 1.7: Cửasổtranh chấp
Q trình dị kênh được tiến hành bằng cả hai phương thức dò kênh vật lý và dò
kênh ào. Nếu môi trường được xác định là rỗi, quá trinh truyền cỏ thể diễn ra.
Thuật toán phân tán CSMA/CA bắt buộc yêu cầu phải có một khe thời gian tối
thiều tồn tại giữa các khung truyền đi liên tục. Nếu môi trường được xác định là
bận, trạm sẽ chờ cho đến khi kết thúc quá trình truyền hiện tại. Sau khi chờ, hoặc
trước khi cổ găng truyền lại ngay sau mỗi lần truyền thành công trạmsẽ chọn m

ột
khoảngthời gian ngấu nhiên để khởi tạo bộ đếmlùi, và khi bộ đếmnày được giảm
tới 0thì quá trình truyền khung tiếp theo được tiếp tục.
Trong trường hợp cỏ nhiều trạm m
uốn truyền dữ liệu cùng một lúc, xác suất các
trạmđồng thời dò được môi trường rỗi tại cùng một thời điểm là khá cao dẫn đến
khả năng xảy ra xung đột. Để tránh hiện tượng này DCF sử dụng một thuật toán
gọi làthuật toán quay lui ngẫu nhiên (Random Backoff Algorithm).

19


Thuật tốn quay lui ngẫu nhiên được mơ tả như sau: Sau khoảng thời gian rồi
DIFS, trạm sẽ tạo ra một thời gian nhừng ngẫu nhiên trước khi truyền, trừ khi bộ
định thơi ngưng đã có giá trị bằng 0. Qua trình này làmgiảm tối đa khả năng xung
đột khi có tranh chấp giữa nhiều trạm đang cùng chiếm kênh. Khoảng thời gian
ngưng ngẫu nhiên luôn được chọn trong khoảng [0，CW], trong đó c

w

là một số

c w minmvà cwm
a
xđược định nghĩa bởi
lớp vật lý). Ban đầu c w được khởi tạo bàng cw m
,ท. Cố sau mồi lần xung đột giá
trị cw lại được tăng gấp đôi cho đến khi đạt tới ngưỡng cwm
a

xvà giữ nguyên giá
nguyên nằmtrong dải

trị này cho đến khi khởi động lại quá trình tranh kênh truyền. Bằng việc chọn các
khoảng ngẫu nhiên tăng theo hàmmũ khi xung đột liên tiếp xảy ra, thuật toán này
đảm bảo thời gian trì hỗn thấp khi chi có vài trăm trạm xung đột, nhưng cũng
đảmbảo rằng số xung đột sẽđược giải quyết trong khoảng thời gian hợp lý khi có
nhiềutrạmxung đột. Điều này làmtăng độồn định các giao thức truy nhậpkhi lưu
lượng lớn.

20


!_ _ ^ T hử truyền lại lãn 2
------^ T h ở tniyền lại lằn 1
Hình 1.9: Thuật tốn quay lui trong DCF
Ngoài DCF, MAC cũng cỏ thểkết hợp một phương pháp truy nhập tùy chọn gọi là
PCF, nó chi cỏ thể sử dụng được trên các cấu hình m
ạng hạ tầng. Phương pháp
truy nhập này sửdụng một bộ phối hợp điểmPC, hoạt động tại điềmtruy nhậpcủa
BSS để xác định trạm nào sẽ được phép truyền,

về cơ bản giao thức này hoạt

động giống như việc thămdị (polling) trong đó PC đóng vai trị cùa bộ phận điểu
khiển thăm dị. PCF sử dụng cơ chế phát hiện sóng m
ang ào được hỗ trợ bởi một
cơ chế ưu tiên truy nhập. PCF sẽ phân tán thông tin trong các khung quản lý để
được quyền quản lý môi trường bằng cách đặt các vecto cấp phát m
ạng NAV

trong các trạm. Thêm vào đó tất cả các truyền dẫn khung sử dụng điều khiển của
PCF đều sử dụng khoảng thời gian liên khung IFS nhỏ hơn không gian IFS cho
các khung được truyền đi thơng qua DCF. Việc sử dụng IFS nhị hơn có nghĩa là
lưu lượng phối hợp điểm sẽ có quyền ưu tiên truy nhập phương tiện truyền thông
lớn hơn các trạmtrong chế độ hoạt động BSS gối chòng dưới phương pháp truy
nhập DCF.
Ưu tiên truy nhập PCF có thể được tận dụng để tạo ra một phương pháp truy cập
không tranh chấp (CF-Contention Free). PC sẽ điều khiển việc truyền dẫn khung
của các trạm để loại bỏ tranh chấp trong một khoảng thời gian giới hạn nào đó.
Trong m
ột số trường hợp, DCF và PCF sẽ cùng tồn tại trong cùng một BSS theo


cách luân phiên nhau với một chu kỳ tranh châp CP và một chu kỳ không tranh
chấp CFP. Chúng được gọi là các khoảng lặp CFP.
CFP ท?petition interval

CFP repetition i nerval

CP
; |

|в

—I"

DCF

NAV

^

^

Ж
NAV

I_______________

Hình 1.10: Chu kỳ luân phiên giữa PCF vả DCF
Ưu tiên truy nhập PCF có thể được tận dụng để tạo ra một phương pháp truy cập
không tranh chấp. PC sẽ điều khiển việc truyền dẫn khung cùa các trạm để loại bò
tranh chấp trong một khoảng thời gian giới hạn nào đó. Trong một số trường hợp,
DCF và PCF sẽ cùng tồn tại trong cùng một BSS theo cách luân phiên nhau với
một chu kỳ tranh chấp CP và một chu kỳ không tranh chấp CFP. M ột trong những
chức năng chính của các khung quản lý này là đồng bộ và định thời. Như vậy
trong các mạng Adhoc ngang hàng thi khơng có chức năng PCF. Thủ tục truy
nhập cơ bản đòi hỏi các trạm cập nhập N A V đến giá trị lớn nhất của chu kỳ CFP.
Trong suốt khoảng thời gian CFP, chi các trạm được cho phép truyền mới đáp lại
tín hiệu thăm dị từ PC hoặc truyền lại AC K sau khi nhận được M PDU sau khoảng
thời gian PIFS. Tại thời diềm bất dầu khoảng không tranh chấp CFP, PC cảm nhận
môi trường. Nếu môi trường rồ trong khoảng thời gian PIFS, PC sẽ bất đầu thù tục
truyền không tranh chấp (sau PIFS) bàng cách gửi khung CF-Poll, Data, hoặc
khung Data + CPF-Poll. PC cũng cỏ thể lập tức kết thúc khoảng thời gian CFP
bàng cách gửi khung CF-End. Nếu các trạm hoạt động trong BSS với chế độ do
PCF nhận được khung CFP-Poll từ PC trạm có thể đáp lại PC sau một khoảng thời
gian PIFS bàng khung CF-ACK hoặc Data+CF-ACK. Neu PC nhận được khung
Data+CF-ACK từ trạm PC có thể gửi khung Data+CF-ACK+CF-Poil cho trạm
khác trong phần CF-ACK dùng để biên nhận khung dữ liệu trước đo. Sự kết hợp
các tính nãng thăm dị nhận biết với khung dừ liệu làm tăng hiệu suất truyền. Neu

PC truyền khugn CF-Poll và trạm nhận khơng có khung để truyền, nó sẽ gửi
khung N U L L trờ về PC. Neu PC không nhận được AC K để truyền khung, PC đợi


một khoảng PIFS và tiếp tục gửi khung đến các trạm tiếp theo trong danh sách
thăm dị.
Tra» ทน»ร»พ!
Timt

Hình 1.11: Thủ tục truyền khung giữa PC và Station trong chế độ PCF
Sau khi nhận được tín hiệu thảm dị từ PC như mơ tả trên, trạm cũng có thể lựa
chọn việc truyền khung tại một trạm khác trogn BSS. Khi trạm đích nhận khung,
DCF A C K được trả lại trạm nguồn, và PC đợi một khoảng PIFS tiếp theo trước
khi truyền bất cứ một khung thêm nào. PC cũng có thể chọn để truyền khung đến
các trạm không đăng ký thủ tục PCF. Ngay khi nhận được khung thành công, trạm
phải đợi một khoảng SIFS và trả lời lại PC với khung chuẩn A C K

1.3

Vấn đề định tuyến trong mạng Adhoc [ 13][14]

Như ta đã biết do mạng Adhoc là loại hình mạng hoạt động tương đổi phức tạp, do
vậy đổi tượng chính cùa giao thức định tuyến mạng Ad-hoc là phải thiết lập một
cách chính xác và hiệu quả tuyến giữa những cặp trạm để bản tin được phân tán
một cách đáng tin cậy đến đích. Việc xây dựng tuyến phải cần chú ý sao cho
overhead là nhỏ nhất, và sử dụng hiệu quả dải tần. Những giao thức định tuyến đã
tồn tại như: vector khoảng cách (distance-vector) và trạng thái liên kết (link-state)
được thiết kế cho môi trường cố định, và bời vạy khơng thích hợp cho Mobile Adhoc. Do sự thay đổi thường xuyên của topo mạng, kết quả dẫn đến giảm độ hoàn
thiện, như: hội tụ tuyến chậm, lưu lượng thông tin thấp, xuất hiện sự lập tuyến khi
những trạm bị hỏng. Thêm vào đó, những giao thức định tuyến này có overhead

cao trong suốt thời gian thiết lập tuyến. Giao thức định tuyến mới nên được thiết
kể thích hợp với mõi trường M ANET, kết hợp với những thuộc tính như: khá nàng

23


di động, sự giới hạn dải tần. giới hạn năng lượng trạm. Thiét kế giao thức định
tuyến cần dám bảo:
•

O v e r h e a d điểu khiển nhỏ n h ấ t. Overhead ở đây có thể hiểu theo nghĩa là

những thông tin điều khiển: điều khiển định tuyến, điều khiển đồng bộ,...
Bởi vi dải tần là giới hạn, nên giao thức định tuyển cần giới hạn đến mức
tối thiếu số bản tin điều khiển mà vẫn không ảnh hường đến hoạt động của
mạng. Ngoài ra giảm bớt bản tin điều khiển cũng giúp ta tiết kiệm được
năna lượng cùa các trạm.
•

Overhead xử lý nhỏ n h ấ t. Thuật tốn tính tốn phức tạp địi hỏi nhiều
thời gian xử lý hơn trong thiết bị. Việc mất nhiều thời gian cho xừ lý dẫn
đến sự trễ trong truyền tin, mất nhiệu năng lượng hơn.

•

Khả năng định tuyến M ultiho p. Bời vì vùng truyền phát khơng dây của
các trạm di động bị giới hạn, nguồn và đích có thể khơng nối trực tiếp trong
vùng phủ sóng của chúng. Bởi vậy, giao thức định tuyến phải cỏ khả năng
định tuyến multihop giữa nguồn và đích để có thể thực hiện giao tiếp truyền
tin giữa các trạm.

•

Duy trì topo động. Khi một tuyến được thiết lập, đôi khi một số liên kết
trong tuyến đó bị ngắt quãng do sự dịch chuyển của trạm, hay do một lý do
nào dó. Để sự giao tiếp giữa trạm nguồn và đích một cách thơng suốt, tuyến
đường dẫn này nên được duy trì, thậm chi có thể ngay ờ các trạm trung
gian, trạm nguồn, trạm đích, khi chúng đang di động. Hơn nữa, vì sự ngắt
quãng liên kết thường xuyên xảy ra, do dó liên kết phải được quản lý một
cách nhanh chóng kết hợp với overhead nhỏ nhất.

•

Ngăn cản sự quay vịng. Sự quay vòng tuyến xuất hiện khi một số trạm
dọc theo đường dẫn chọn next hop tới đích cũng là trạm dã xuất hiện trước
đỏ trong đường dẫn. Khi quay vòng tuyến xảy ra, gói dữ liệu và điều khiển
có thể truyền trên tuyên nhiều lần cho đến khi hoặc là đường dẫn được cố
định và quay vòng bị loại bỏ, hoặc là cho đến khi T T L đến 0. Bởi vi dài tần
là quý và tiến trình xử lý gói, đẩy gói địi hỏi giá thành cao, quay vịng
tuyến là một sự lãng phí nguồn tài nguyên và thiệt hại cho mạng. Bời vậy
quay vòng cần được ngăn ngừa bất cứ lúc nào.

Hình dưới đây minh họa các loại giao thức định tuyến trong mạng Adhoc

24