ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN MINH NGUYỆT ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT BẰNG MÔ PHỎNG CÁC THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG ĐẶC BIỆT DI ĐỘNG MANET LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội – 2005 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN MINH NGUYỆT ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT BẰNG MÔ PHỎNG CÁC THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG ĐẶC BIỆT DI ĐỘNG MANET Ngành: Công nghệ thông tin Mã số: 1.01.10 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Nguyễn Đình Việt Hà Nội – 2005 3 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ 6 DANH MỤC BẢNG 7 BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT 8 LỜI CÁM ƠN 9 MỞ ĐẦU 10 Chương 1: GIỚI THIỆU 12 1.1 Mạng đặc biệt di động MANET 12 1.1.1 Sự phát triển của mạng 13 1.1.2 Các ngữ cảnh sử dụng mạng 15 1.1.3 Các đặc điểm mạng 16 1.2 Vấn đề định tuyến 17 1.2.1 Các thuật toán định tuyến truyền thống 18 1.2.2 Bài toán định tuyến mạng MANET 19 Chương 2: CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN MẠNG MANET 21 2.1 Các kỹ thuật định tuyến mạng MANET 21 2.1.1 Định tuyến Link State và Distance Vector 21 2.1.2 Định tuyến chủ ứng và định tuyến phản ứng 21 2.1.3 Cập nhật định kỳ và cập nhật theo sự kiện 22 2.1.4 Cấu trúc phẳng và cấu trúc phân cấp 22 2.1.5 Tính toán phi tập trung và tính toán phân tán 23 2.1.6 Định tuyến nguồn và định tuyến theo chặng 23 4 2.1.7 Đơn đường và đa đường 23 2.2 Phân loại các giao thức định tuyến mạng MANET 24 2.2.1 Giao thức DSDV (Destination-Sequence Distance Vector) 24 2.2.2 Giao thức OLSR (Optimized Link State Routing Protocol) 25 2.2.3 Giao thức AODV (Ad hoc On-demand Distance Vector Routing) 26 2.2.4 Giao thức DSR (Dynamic Source Routing) 27 2.2.5 Giao thức TORA (Temporally-Ordered Routing Algorithm) 28 2.2.6 So sánh các giao thức 30 Chương 3: CÁC MẠNG MANET MÔ PHỎNG 34 3.1 Mô hình các mạng MANET 34 3.2 Bộ mô phỏng NS2 35 3.3 Thiết lập mạng MANET mô phỏng trong NS2 37 3.3.1 Mô phỏng mạng không dây di động 37 3.3.1.1 Nút di động mô phỏng 37 3.3.1.2 Mô hình phương tiện chia sẻ 38 4.3.1.3 Hoạt động của nút di động 39 3.3.2 Tạo ngữ cảnh 40 3.3.2.1 Các mô hình di chuyển 40 3.3.2.2 Các mô hình thông lượng 44 3.4 Tổng quan quá trình mô phỏng 45 3.5 Mô phỏng các giao thức định tuyến 46 3.5.1 DSDV 46 3.5.2 AODV 47 3.5.3 DSR 48 5 3.5.4 TORA 48 3.5.5 OLSR 49 Chương 4: ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT CÁC GIAO THỨC 51 4.1 Các tham số của môi trường 51 4.2 Các độ đo hiệu suất 52 4.3 Các thí nghiệm mô phỏng 53 4.3.1 Thí nghiệm 1: Sử dụng mô hình Random Waypoint 54 4.3.2 Thí nghiệm 2: Sử dụng mô hình Random Walk 61 4.3.3 Thí nghiệm 3: Sử dụng mô hình Random Direction 65 4.4 Nhận xét về hiệu suất của các giao thức 69 KẾT LUẬN 72 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO 75 6 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1: Mạng MANET 12 Hình 2: Hoạt động của mạng đơn chặng và đa chặng 14 Hình 3: Mạng WPAN với các kết nối Internet 16 Hình 4: Phân loại các giao thức định tuyến mạng MANET 24 Hình 5: Định tuyến trạng thái liên kết và định tuyến cải tiến trong OLSR 26 Hình 6: Sự hình thành đường trong giao thức TORA 29 Hình 7: Nút di động mô phỏng trong NS2 37 Hình 8: Mô hình phương tiện chia sẻ trong NS2 39 Hình 9: Di chuyển của một nút theo mô hình Random Waypoint 41 Hình 10: Di chuyển của một nút theo mô hình Random Walk 43 Hình 11: Di chuyển của một nút theo mô hình Random Direction 44 Hình 12: Các mô hình thông lượng trong NS2 44 Hình 13: Tổng quan quá trình mô phỏng 45 Hình 14: So sánh kết quả phân phát gói tin trong mô hình Random Waypoint 56 Hình 15: So sánh trễ đầu cuối trung bình trong mô hình Random Waypoint 59 Hình 16: So sánh tải định tuyến chuẩn hoá trong mô hình Random Waypoint 61 Hình 17: So sánh kết qủa phân phát gói tin trong mô hình Random Walk 63 Hình 18: So sánh thời gian trễ trung bình trong mô hình Random Walk 64 Hình 19: So sánh tải định tuyến chuẩn hoá trong mô hình Random Walk 65 Hình 20: So sánh kết quả phân phát gói tin trong mô hình Random Direction 67 Hình 21: So sánh thời gian trễ trung bình trong mô hình Random Direction 67 Hình 22: So sánh tải định tuyến chuẩn hóa trong mô hình Random Direction 68 7 DANH MỤC BẢNG Bảng 1: So sánh độ phức tạp của các giao thức 30 Bảng 2: So sánh giữa các giao thức 32 Bảng 3: So sánh giữa các giao thức (tiếp) 33 Bảng 4: Các tham số của mô hình Random Waypoint 41 Bảng 5: Các tham số của mô hình Random Walk 42 Bảng 6 Các tham số của mô hình Random Direction 43 Bảng 7: Các tham số hoạt động của DSDV trong NS2 47 Bảng 8: Các tham số hoạt động của AODV trong NS2 47 Bảng 9: Các tham số hoạt động của DSR trong NS2 48 Bảng 10: Các tham số hoạt động của TORA trong NS2 49 Bảng 11: Các tham số hoạt động của OLSR trong mô phỏng 50 Bảng 12: Cấu hình các mạng mô phỏng theo mô hình Random Waypoint 55 Bảng 13: Tải định tuyến chuẩn hoá của TORA trong mô hình Random Waypoint.61 Bảng 14: Cấu hình các mạng mô phỏng theo mô hình Random Walk 63 Bảng 15: Cấu hình các mạng mô phỏng theo mô hình Random Direction 66 8 BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT AODV Ad hoc On-demand Distance Vector CBR Constant Bit Rate CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance DARPA Defense Advanced Research Projects Agency DSDV Destination-Sequenced Distance Vector DSR Dynamic Source Routing DV Distance Vector IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineering IETF Internet Engineering Task Force LAN Local Area Network LS Link State MAC Medium Access Control MANET Mobile Ad hoc Network MPR MultiPoint Relay NAM Network Animator NS2 Network Simulator 2 OLSR Optimized Link State Routing Protocol PAN Personal Area Network PDA Personal Digital Assistant PRnet Packet Radio Network QoS Quality of Service RIP Routing Information Protocol RREP Route Reply RREQ Route Request RTS Request To Send TC Topology Control TORA Temporally-Ordered Routing Algorithm WLAN Wireless LAN WPAN Wireless PAN 9 LỜI CÁM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo TS. Nguyễn Đình Việt đã hướng dẫn và chỉ bảo tận tình trong quá trình tôi thực hiện nghiên cứu này. Tôi xin cám ơn sự giúp đỡ của TS. Tracy Camp (Colorado School of Mines, Golden, CO) [28] trong việc cung cấp cho tôi các mô hình di chuyển của các nút trong mô phỏng mạng MANET. Tôi xin cám ơn người bạn trong nhóm nghiên cứu Nguyễn Mạnh Hà với những chia sẻ trong kinh nghiệm lập mô phỏng mạng và xây dựng các script tính toán. Tôi xin cám ơn PGS. TS Hồ Sĩ Đàm và B ộ môn Mạng và Truyền thông máy tính đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất giúp tôi có thể hoàn thành tốt nhất các nghiên cứu của luận văn. Cuối cùng, tôi xin được cám ơn tới gia đình, bạn bè, những người thân yêu nhất của tôi. Họ là nguồn cổ vũ và động viên lớn lao đối với tôi trong cuộc sống cũng như học tập và nghiên cứu. Hà N ội, tháng 12/ 2005 Nguyễn Minh Nguyệt 10 MỞ ĐẦU Ngày nay, mạng không dây, di động là lĩnh vực đang được rất nhiều nhà chuyên môn quan tâm nghiên cứu, phát triển do những nhu cầu ngày càng cao về truyền thông và tính toán khắp mọi nơi. Những mô hình, kiến trúc hoạt động mới đang được đề xuất nhằm đạt tới sự giải phóng hoàn toàn khỏi cơ sở hạ tầng mạng cố định. Một trong những khuynh hướng mới là mạng MANET (Mobile Ad hoc NETwork). Đây là mạng kết nối các thi ết bị tính toán di động như các máy tính laptop, PDA hay điện thoại cầm tay ở trong cùng một khu vực không cần tới các cơ sở hạ tầng mạng cố định hay đơn vị quản trị trung tâm hỗ trợ [20]. Đặc trưng của truyền thông trong mạng MANET là đa chặng, giữa nút nguồn và nút đích có thể đi qua nhiều nút trung gian. Một cấu hình mạng tế bào chuẩn định tuyến mỗi gói tin chỉ thông qua mộ t chặng từ trạm cơ sở tới nút di động. Tuy nhiên, trong mạng MANET các gói tin có thể được định tuyến thông qua nhiều chặng. Bên cạnh đó, mạng MANET có cấu hình động do sự di chuyển của các nút, băng thông của liên kết không dây hạn chế và có thể biến đổi, khả năng tính toán, dung lượng bộ nhớ giới hạn của các nút di động. Do vậy, để có thể triển khai mở rộng các mạng MANET trong thực tế , một thách thức là việc phát triển các giao thức định tuyến làm việc hiệu quả trong môi trường đặc biệt này. Hướng tới mục tiêu đó, nhiều giao thức với các tiếp cận thiết kế khác nhau đã được đưa ra. Mục đích của bản luận văn này là nghiên cứu các giải pháp định tuyến cho mạng MANET và đánh giá hiệu suất làm việc của chúng về lý thuyết và thông qua công cụ mô phỏng mạ ng. Các nội dung nghiên cứu cụ thể bao gồm: • Nghiên cứu môi trường làm việc và các đặc điểm của mạng. • Xem xét bài toán định tuyến trong mạng và các giải pháp có thể. • Phân loại các giao thức định tuyến. [...]... sánh các giao thức trên cơ sở lý thuyết về độ phức tạp và các đặc tính hoạt động • Xây dựng môi trường mô phỏng và tích hợp một số giao thức định tuyến cho mạng MANET trong bộ mô phỏng mạng NS2 • Đánh giá các giao thức định tuyến trong các ngữ cảnh với các tham số khác nhau có ảnh hưởng nhất tới hiệu suất của các giải thuật định tuyến như kích thước mạng, tải mạng, tốc độ thay đổi hình trạng mạng và mô. .. của các giao thức định tuyến mạng MANET bao gồm các lựa chọn về thông tin định tuyến được trao đổi, chiến lược phát các thông tin định tuyến và cách tính toán đường đi của gói tin Các kỹ thuật định tuyến khác nhau được áp dụng trong các giao thức định tuyến mạng MANET có thể được tổng kết như sau [18,32] 2.1.1 Định tuyến Link State và Distance Vector Một số giao thức định tuyến mạng MANET dựa trên các. .. Chương 4: Nghiên cứu đánh giá hiệu suất các giao thức định tuyến với các độ đo hiệu suất cụ thể để so sánh các giao thức trong các điều kiện mạng thay đổi 12 Chương 1: GIỚI THIỆU 1.1 Mạng đặc biệt di động MANET Mạng MANET (Mobile Ad hoc NETwork) là mạng không dây đặc biệt gồm tập hợp các thiết bị di động với giao tiếp không dây có khả năng truyền thông trực tiếp với nhau khi nằm trong vùng thu/phát... các kỹ thuật định tuyến trong mạng có dây Link state và Distance Vector để xây dựng các giải thuật thích ứng với mạng MANET Vấn đề với định tuyến Link state là tổng phí định tuyến tăng cao khi mạng có nhiều thay đổi; đối với định tuyến Distance Vector đó là vấn đề hội tụ chậm và khuynh hướng tạo ra các vòng lặp định tuyến Các giao thức định tuyến mạng MANET tìm cách khắc phục các hạn chế này bằng một... mô hình di chuyển Bố cục của luận văn bao gồm bốn chương chính ngoài chương giới thiệu và kết luận: Chương 1: Giới thiệu về mạng MANET và bài toán định tuyến trong mạng Chương 2: Trình bày về các giao thức định tuyến trong mạng MANET, phân loại về các giao thức, mô tả chi tiết về một số giao thức tiêu biểu và so sánh giữa các giao thức Chương 3: Trình bày về việc mô phỏng mạng MANET bằng bộ mô phỏng. .. 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 không thay đổi, các vấn đề về không dây và tính chất động của mạng MANET khiến cho các giao thức định 18 tuyến được thiết kế cho các mạng cố định không thể áp dụng hoặc gần như thất bại trong mạng MANET Việc thiết kế một giao thức định tuyến làm việc hiệu quả trong mạng MANET là một... phản hồi đủ nhanh với các thay đổi thường xuyên trong cấu hình mạng 1.2.2 Bài toán định tuyến mạng MANET Có thể thấy, các giao thức định tuyến truyền thống nếu sử dụng cho mạng MANET sẽ đặt quá nhiều công việc tính toán và truyền thông lên các nút di động trong mạng Thêm vào đó, yêu cầu về tính hội tụ của các giao thức sẽ khó có thể thực hiện trong mạng MANET với tính chất động của môi trường Mặc dù tốc... thức này là sự tin cậy và mạnh mẽ 24 2.2 Phân loại các giao thức định tuyến mạng MANET Các giao thức định tuyến MANET Chủ ứng Link state OLSR Distance Vector DSDV Phản ứng DSR ZRP TORA AODV Hình 4: Phân loại các giao thức định tuyến mạng MANET Với các kỹ thuật định tuyến được trình bày, có thể có nhiều cách phân loại các giao thức định tuyến mạng MANET như dựa trên cấu trúc (phẳng hay phân cấp), thông... thông qua các nút trung gian làm nhiệm vụ chuyển tiếp (hình 1) Trong mạng MANET, các nút vừa đóng vai trò truyền thông vừa đóng vai trò như thiết bị định tuyến Với nguyên tắc hoạt động như vậy, các mạng MANET không bị phụ thuộc vào các cơ sở hạ tầng mạng cố định và các đơn vị quản trị trung tâm như trong các mạng tế bào và WLAN truyền thống Nguồn Đích Hình 1: Mạng MANET Các mạng MANET có độ linh động cao... thuộc các viện, trường đại học và các trung tâm nghiên cứu Trong hỗ trợ mô phỏng mạng MANET, phần mã mô phỏng lớp vật lý, lớp liên kết và lớp MAC được xây dựng bởi nhóm Mornach trường CMU [17,31] Với các hỗ trợ mô phỏng này, NS2 được dùng rộng rãi trong nghiên cứu mạng MANET Đặc biệt, việc mở rộng các chức năng mô phỏng mạng MANET của NS2 nằm trong mối quan tâm và chủ đề thảo luận của nhóm làm việc MANET, . sánh các giao thức 30 Chương 3: CÁC MẠNG MANET MÔ PHỎNG 34 3.1 Mô hình các mạng MANET 34 3.2 Bộ mô phỏng NS2 35 3.3 Thiết lập mạng MANET mô phỏng trong NS2 37 3.3.1 Mô phỏng mạng không dây di. và các đặc tính hoạt động. • Xây dựng môi trường mô phỏng và tích hợp một số giao thức định tuyến cho mạng MANET trong bộ mô phỏng mạng NS2. • Đánh giá các giao thức định tuyến trong các. điểm mạng 16 1.2 Vấn đề định tuyến 17 1.2.1 Các thuật toán định tuyến truyền thống 18 1.2.2 Bài toán định tuyến mạng MANET 19 Chương 2: CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN MẠNG MANET 21 2.1 Các kỹ thuật