ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Phạm Văn Tứ
KHẢO SÁT ẢNH HƢỞNG CỦA SỰ CHUYỂN ĐỘNG
CÁC NÚT MẠNG ĐẾN HIỆU SUẤT CỦA MỘT SỐ
GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MANET
Phạm Văn Tứ KHẢO SÁT ẢNH HƢỞNG CỦA SỰ CHUYỂN ĐỘNG
CÁC NÚT MẠNG ĐẾN HIỆU SUẤT CỦA MỘT SỐ
GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MANET
KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
Ngành: Công nghệ thông tin Cán bộ hƣớng dẫn: PGS.TS. Nguyễn Đình Việt
Cán bộ đồng hƣớng dẫn: Ths. Đoàn Minh Phƣơng
HÀ NỘI - 2010
1.3.1. Giới thiệu về NS-2 5
1.3.2. Khả năng mô phỏng của NS-2 7
1.4. Tổ chức của KLTN 8
Chƣơng 2. GIAO THỨC MAC CỦA MẠNG LAN VÀ WLAN 9
2.1. Mạng LAN và mạng WLAN 9
2.2. Chuẩn 802.3 và giao thức CSMA/CD 10
2.3. Chuẩn 802.11 và giao thức CSMA/CA 12
Chƣơng 3. MẠNG MANET VÀ BÀI TOÁN ĐỊNH TUYẾN 15
3.1. Mạng MANET 15
3.1.1. Lịch sử phát triển và các ứng dụng 15
3.1.2. Các đặc điểm chính của mạng MANET 16
3.2. Vấn đề định tuyến trong mạng MANET 17
3.2.1 Các thuật toán định tuyến truyền thống 17
3.2.2. Các yêu cầu chính đối với việc định tuyến trong mạng MANET 18
3.2.3. Phân loại các kỹ thuật định tuyến 19
3.2.3.1. Link state và Distance Vector 19
3.2.3.2. Định tuyến chủ ứng và phản ứng 20
3.2.3.3. Định tuyến nguồn và định tuyến theo chặng 21
3.3. Các giao thức định tuyến chính trong mạng MANET 22
3.3.1. DSDV 22
3.3.2 OLSR [8] 23
3.3.3. AODV [12] 25
3.3.4. DSR [7] 27 3.3.5. TORA [11] 28
Chƣơng 4. ĐÁNH GIÁ BẰNG MÔ PHỎNG ẢNH HƢỞNG CỦA SỰ CHUYỂN ĐỘNG
CỦA CÁC NÚT MẠNG ĐẾN HIỆU SUẤT CỦA MỘT SỐ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN 30
4.1. Xác định các tham số hiệu suất cần đánh giá và cách thức phân tích kết quả mô phỏng
30
Hình 1: Sự phát triển của mạng không dây và di động 1
Hình 2: Cấu trúc của NS-2 5
Hình 3: Luồng các sự kiện cho file Tcl chạy trong NS-2 6
Hình 4: Chu trình hoạt động của giao thức CSMA/CD (bên gửi) 11
Hình 5: Chu trình hoạt động của giao thức CSMA/CA (bên gửi) 13
Hình 6: Hoạt động lắng nghe kênh truyền của giao thức CSMA/CA 14
Hình 7: Phân loại các giao thức định tuyến trong mạng MANET 22
Hình 8: Tô-pô mạng thay đổi 23
Hình 9: Quy trình chuyển tiếp gói tin khi sử dụng kíp đa điểm – MPR 24
Hình 10: OLSR ngăn chặn vòng lặp bằng việc sử dụng MPR để chuyển phát gói tin. 25
Hình 11: quá trình khám phá tuyến trong AODV 25
Hình 12: Định tuyến nguồn động (DSR) 27
Hình 13: Diện tích mạng mô phỏng và các nút mạng 35
Hình 14: Di chuyển một nút theo mô hình Random Waypoint. 37
Hình 15: Di chuyển của 8 nút theo mô hình Random Walk 38
Hình 16: Đồ thị tỷ lệ phân phát gói thành công – Random Waypoint 44
Hình 18: Đồ thị tỷ lệ phân phát gói tin thành công – Random Walk 45
Hình 19: Đồ thị thời gian thiết lập kết nối trung bình_Random-Waypoint 46
Hình 20: Đồ thị thời gian thiết lập kết nối trung bình_Random-Walk 46 DANH MỤC BẢNG
Bảng 1: Sự phát triển của chuẩn 802.3 10
Bảng 2: Sự phát triển của chuẩn 802.11 12
Bảng 3: Cấu trúc tệp vết 31
Bảng 4: Các trƣờng thêm vào trong cấu trúc tệp vết phụ thuộc vào kiểu gói tin 32
Bảng 5: Cấu hình mạng mô phỏng 36
Bảng 6: Thống kê chi tiết tỷ lệ phân phát gói tin thành công - Random Waypoint 41
Bảng 7: Thống kê chi tiết tỷ lệ phân phát gói tin thành công - Random Walk 42
Destination-Sequenced
Distance Vector
PRnet
Packet Radio Network
DSR
Dynamic Source Routing
RREP
Route Reply
IEEE
Institute of Electrical and
Electronics Engineers
RREQ
Route Request
LAN
Local Area Network
TORA
Temporally-Ordered
Routing Algorithm
MAC
Media Access Control
WLAN
Wireless LAN
LỜI CẢM ƠN Hình 1: Sự phát triển của mạng không dây và di động
Khảo sát ảnh hưởng của sự chuyển động các nút mạng đến hiệu suất của một số giao thức
định tuyến trong MANET
Phạm Văn Tứ 2 K51MMT
Các mốc hình thành và phát triển của mạng không dây:
Virginia tới Pháp.
Tháp Eiffel đã đƣợc sử
dụng để đặt anten thu tín
hiệu.
Sóng FM đã đƣợc phát
triển bởi Edwin H.
Armstrong và đƣợc sử
dụng rộng rãi để truyền
thông tin qua sóng vô
tuyến.
-1982: Hội nghị CEPT
đã thống nhất chọn
GSM để phát triển thành
tiêu chuẩn cho hệ thống
điện thoại di động có thể
đƣợc sử dụng trên khắp
châu Âu.
- 1991: Các mạng GSM
đầu tiên đã đƣợc đƣa ra
bởi Radiolinja ở Phần
Lan với kỹ thuật bảo
dƣỡng cơ sở hạ tầng
chung từ Ericsson.
Khảo sát ảnh hưởng của sự chuyển động các nút mạng đến hiệu suất của một số giao thức
định tuyến trong MANET
Phạm Văn Tứ 3 K51MMT
Bluetooth Special
Interest Group (SIG).
- 1999: Chuẩn 802.11b
đƣợc phát hành cho tốc
độ tối đa lên 11Mb/s.
-20/5/1999: Chính
thức phát hành chuẩn
Bluetooth 1.0
Chuẩn IEEE 802.11
(WiFi) đã đƣợc tạo ra,
với tốc độ tối đa là
2Mb/s.
1997
1998, 1999
2001
2003
2004, 2009
2010
Chuẩn IEEE 802.16 đƣợc
phát hành. Chuẩn này
đƣợc biết đến dƣới cái tên
WIMAX. - Chuẩn 802.11g đƣợc
phát hành với tốc độ
tối đa lên tới 54 Mb/s.
- Bluetooth 1.2 đƣợc
công bố.
Phạm Văn Tứ 4 K51MMT
1.2 . Mục tiêu nghiên cứu của khóa luận
Với đặc tính có thể hoạt động không phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng mạng, triển
khai nhanh, linh hoạt ở mọi vị trí địa hình khác nhau, mạng MANET đang là tâm điểm
nghiên cứu đầy triển vọng, sẽ là công nghệ đột phá trong tƣơng lai với nhiều ứng dụng
hữu ích vào cuộc sống, thí dụ kết nối mạng truyền thông cho các các vùng mới xảy ra
thiên tai hoặc ứng dụng cho lĩnh vực quân sự.
Khóa luận tập trung đi sâu nghiên cứu về mạng MANET, kết hợp phân tích trên
lý thuyết cùng thực nghiệm mô phỏng để tìm ra và đánh giá ảnh hƣởng sự di động của
các nút mạng ở các mức độ khác nhau đến hiệu suất của một số giao thức định tuyến.
Nội dung cụ thể gồm:
Tìm hiểu sâu về mạng MANET, trong đó chủ yếu xem xét tới các giao thức
định tuyến.
Tìm hiểu sâu về các mô hình chuyển động của nút mạng trong MANET.
Xây dựng môi trƣờng mô phỏng, đƣa các giao thức định tuyến trong mạng
MANET vào mô phỏng thông qua NS-2.
Đánh giá ảnh hƣởng sự chuyển động của các nút mạng đến hiệu suất của các
giao thức định tuyến DSDV, AODV và DSR bằng bộ mô phỏng mạng NS-2.
Từ đó đƣa ra các nhận xét so sánh giữa ba giao thức.
Khảo sát ảnh hưởng của sự chuyển động các nút mạng đến hiệu suất của một số giao thức
định tuyến trong MANET
Phạm Văn Tứ 5 K51MMT
1.3 . Công cụ nghiên cứu chính – NS-2
1.3.1. Giới thiệu về NS-2
NS-2 là phần mềm mô phỏng mạng, hoạt động của nó đƣợc điều khiển bởi các
sự kiện rời rạc. NS-2 đƣợc thiết kế và phát triển theo kiểu hƣớng đối tƣợng, đƣợc phát
triển tại đại học California, Berkely. Bộ phần mềm này đƣợc viết bằng ngôn ngữ C++
và OTcl.
Báo cho nguồn
traffic khi nào bắt đầu truyền và ngưng truyền packet trong Bộ lập lịch Sự kiện
Bộ lập lịch Sự kiện trong NS-2 thực hiện những việc sau: Tổ chức Bộ định thời mô
phỏng Huỷ các sự kiện trong hàng đợi sự kiện Triệu gọi các Thành phần mạng
trong mô phỏng.
Tùy vào mục đích của ngƣời dùng đối với kịch bản mô phỏng OTcl mà kết quả
mô phỏng có thể đƣợc lƣu trữ vào tệp vết (trace file) với khuôn dạng (format) đƣợc
những ngƣời phát triển NS định nghĩa trƣớc hoặc theo khuôn dạng do ngƣời sử dụng
NS quyết định khi viết kịch bản mô phỏng. Nội dung tệp vết sẽ đƣợc tải vào trong các
ứng dụng khác để thực hiện phân tích. NS đã định nghĩa 2 loại tệp vết:
Nam trace file (file.nam): Chứa các thông tin về tô-pô mạng nhƣ: các nút
mạng, đƣờng truyền, vết các gói tin; dùng để minh họa trực quan mạng đã thiết
lập.
Trace file (file.tr): Tệp ghi lại vết của các sự kiện mô phỏng, tệp file dạng text,
có cấu trúc, dùng cho các công cụ lần vết và giám sát mô phỏng nhƣ: Gnuplot,
XGRAPH hay TRACEGRAPH.
Hình 3: Luồng các sự kiện cho file Tcl chạy trong NS-2
Khảo sát ảnh hưởng của sự chuyển động các nút mạng đến hiệu suất của một số giao thức
định tuyến trong MANET
Phạm Văn Tứ 7 K51MMT
1.3.2. Khả năng mô phỏng của NS-2
NS-2 hỗ trợ mô phỏng tốt cho cả mạng có dây và mạng không dây. Bao gồm các
ƣu điểm nổi bật sau:
Khả năng kiểm tra tính ổn định của các giao thức mạng đang tồn tại.
Khả năng đánh giá các giao thức mạng mới trƣớc khi đƣa vào sử dụng.
Khả năng thực thi những mô hình mạng lớn mà gần nhƣ ta không thể thực thi
đƣợc trong thực tế.
Khả năng mô phỏng nhiều loại mạng khác nhau.
mạng MANET.
Khảo sát ảnh hưởng của sự chuyển động các nút mạng đến hiệu suất của một số giao thức
định tuyến trong MANET
Phạm Văn Tứ 9 K51MMT
Chƣơng 2. GIAO THỨC MAC CỦA MẠNG LAN VÀ
WLAN
2.1. Mạng LAN và mạng WLAN
Trong nhƣng năm gần đây mạng WLAN đã trở lên phổ biến rộng khắp ở mọi
nơi: lớp học, sân trƣờng, thƣ viện, văn phòng, quán cà phê, khách sạn, tới hộ gia đình.
Mạng WLAN đã đạt đƣợc những bƣớc tiến khá dài và vững chắc, dần trở thành một
đối trọng của công nghệ mạng LAN phổ biến từ trƣớc tới nay. Các lợi thế lớn mà
WLAN đem lại cho ngƣời dùng gồm:
1. Tính di động:
Với khả năng hỗ trợ của mạng không dây, ngƣời dùng không bị ràng buộc vào
các dây nối, tức là trong khi đang kết nối ngƣời sử dụng vẫn có thể di chuyển từ vị trí
này đến vị trí khác trong khu vực phủ sóng mà không bị gò bó tại một vị trí cố định
nhƣ trong mạng LAN truyền thống. Nhờ đó ngƣời dùng có thể mang theo thiết bị của
mình đến bất cứ đâu có sóng không dây là có thể truy cập vào mạng.
2. Tính mềm dẻo:
Triển khai mạng không dây rất thuận tiện và dễ dàng vì môi trƣờng truyền luôn
có sẵn mọi lúc, mọi nơi mà không cần phải lên kế hoach trƣớc, không cần kéo dây cáp
mạng hay bất kỳ sự vƣớng víu nào. Ngƣời dùng dễ dàng thiết lập kết nối một cách
nhanh chóng phục vụ cho công việc của mình.
3. Dễ dàng triển khai lắp đặt:
Đối với nhiều khu vực việc triển khai mạng có dây khá là khó khăn, tốn nhiều
công sức do địa hình không thuận lợi hoặc không đƣợc phép lắp đặt vì làm mất mĩ
quan. Trái lại với mạng không dây ta chỉ cần thiết lập, lắp đặt các thiết bị trung tâm
nhƣ Access point, Switch, Router, sau đó không cần phải đi thêm các hệ thống dây cáp
đến từng máy cố định nhƣ trong mạng thông thƣờng.
1000BASE-X Gbit/s Ethernet qua cáp quang với tốc độ 1
Gbit/s
802.3ab
1999
1000BASE-T Gbit/s Ethernet qua cáp UTP với tốc độ 1 Gbit/s
802.3ae
2003
10 Gbit/s Ethernet over fiber
Khảo sát ảnh hưởng của sự chuyển động các nút mạng đến hiệu suất của một số giao thức
định tuyến trong MANET
Phạm Văn Tứ 11 K51MMT
2.2.2. Giao thức CSMA/CD Hình 4: Chu trình hoạt động của giao thức CSMA/CD (bên gửi)
CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) – là giao
thức Đa truy cập cảm nhận sóng mang có phát hiện xung đột. Mạng LAN hoạt động
dựa trên nguyên tắc này. Khi máy tính muốn truyền dữ liệu, trƣớc tiên nó lắng nghe
xem đƣờng truyền có bận hay không (bằng cách cảm nhận tín hiệu sóng mang). Nếu
không có, nó sẽ thực hiện truyền gói tin. Sau khi truyền gói tin, nó vẫn tiếp tục lắng
nghe để xem có máy nào định truyền tin hay không. Nếu không có xung đột, nó tiếp
tục truyền gói tin cho đến khi hoàn thành. Nếu phát hiện xung đột, nó sẽ gửi broadcast
ra toàn mạng tín hiệu nghẽn (jam signal) để các máy khác dễ dàng nhận ra xung đột.
Sau đó nó sẽ đợi một thời gian theo thuật toán Backoff rồi thử gửi lại gói tin.
Khảo sát ảnh hưởng của sự chuyển động các nút mạng đến hiệu suất của một số giao thức
định tuyến trong MANET
-
1997
2.4
20
1, 2
1
a
9/1999
5/3.7
20
6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54
1
b
9/1999
2.4
20
1, 2, 5.5, 11
1
g
6/2003
2.4
20
1, 2, 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54
1
n
10/2009
2.4/5
20
7.2, 14.4, 21.7, 28.9, 43.3, 57.8,
65, 72.2
Nếu kênh truyền bận:
Nút muốn truyền phải đợi một khoảng thời gian DIFS
Và chờ thêm một khoảng thời gian Backoff ngẫu nhiên trong cửa sổ
tranh chấp. Cơ chế này giúp CSMA/CA tránh đƣợc xung đột.
Sau mỗi khoảng thời gian DIFS, nếu môi trƣờng truyền rỗi, thời gian
Backoff giảm đi 1. Trái lại nó đƣợc giữ nguyên cho khoảng thời gian
DIFS tiếp theo. Khi thời gian Backoff giảm đến không, nút bắt đầu truy
cập môi trƣờng truyền. Tuy nhiên, nếu trƣớc đó một nút khác đã truy cập
môi trƣờng truyền trƣớc khi thời gian Backoff của nút này giảm đến
không thì nó sẽ giữ lại giá trị thời gian Backoff hiện tại để sử dụng cho
lần truy cập tiếp theo. Khảo sát ảnh hưởng của sự chuyển động các nút mạng đến hiệu suất của một số giao thức
định tuyến trong MANET
Phạm Văn Tứ 15 K51MMT
Chƣơng 3. MẠNG MANET VÀ BÀI TOÁN ĐỊNH TUYẾN
3.1. Mạng MANET
3.1.1. Lịch sử phát triển và các ứng dụng
Lịch sử:
Mạng di động đặc biệt (Mobile Adhoc Netwowk) là mạng tự cấu hình của các
nút di động kết nối với nhau thông qua các liên kết không dây tạo nên mạng độc lập
không phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng mạng. Các thiết bị trong mạng có thể di chuyển
một cách tự do theo mọi hƣớng, do đó liên kết của nó với các thiết bị khác cũng thay
đổi một cách thƣờng xuyên.
Nguyên lý làm việc của mạng Adhoc bắt nguồn từ năm 1968 khi các mạng
ALOHA đƣợc thực hiện. Tuy các trạm làm việc là cố định nhƣng giao thức ALOHA
đã thực hiện việc quản lý truy cập kênh truyền dƣới dạng phân tán, đây là cơ sở lý
thuyết để phát triển kỹ thuật truy cập kênh phân tán vào mạng Adhoc.
liên kết với nhau.
3.1.2. Các đặc điểm chính của mạng MANET
Mỗi nút di động khác nhau trong mạng MANET đều có những đặc điểm về
nguồn năng lƣợng, bộ phận thu phát sóng khác nhau. Chúng có thể di chuyển về mọi
hƣớng theo các tốc độ khác nhau, do đó ta có thể nhận thấy rõ một số đặc điểm chính
của mạng MANET nhƣ sau:
Cấu hình mạng động: Cấu hình mạng luôn biến đổi theo các mức độ di
chuyển của nút mạng.
Khoảng cách sóng ngắn: Khoảng cách sóng của các thiết bị di động là rất hạn
chế.
Năng lƣợng hạn chế: Tất cả các thiết bị di động đều sử dụng pin nên khi tham
gia vào mạng MANET chúng bị hạn chế về năng lƣợng, khả năng xử lý của
CPU, kích thƣớc bộ nhớ.
Băng thông hạn chế: Các liên kết không dây có băng thông thấp hơn so với
đƣờng truyền cáp và chúng còn chịu ảnh hƣởng của sự nhiễu, suy giảm tín hiệu,
các điều kiện giao thoa vì thế mà thƣờng nhỏ hơn tốc độ truyền lớn nhất của
sóng vô tuyến.
Bảo mật yếu: Đặc điểm của mạng MANET là truyền sóng qua môi trƣờng
không khí, điều này khiến cho cơ chế bảo mật kém hơn so vơi môi trƣờng
truyền cáp vì nó tiềm ẩn nhiều nguy cơ bị tấn công, nghe lén đƣờng truyền, giả
mạo, DoS,…
Copyright: Tài liệu đại học ©