Nghiên cứu chiến lược bảo trì thông tin định tuyến trong mạng ad hoc phân cụm

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu chiến lược bảo trì thông tin định tuyến trong mạng ad hoc phân cụm, tập trung vào hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống mạng không dây.

• Tác giả: Hoàng Xuân Giang
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Văn Tam
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Khoa học máy tính
• Đề tài: Chiến Lược Bảo Trì Thông Tin Định Tuyến Trong Mạng Ad Hoc Phân Cụm
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Bảo trì thông tin định tuyến trong mạng ad hoc

Bảo trì thông tin định tuyến là một yếu tố quan trọng trong mạng ad hoc, đặc biệt khi mạng có cấu trúc phân cụm. Mạng MANET (Mobile Ad hoc Network) với tính chất động và không có cơ sở hạ tầng cố định, đòi hỏi các chiến lược hiệu quả để duy trì thông tin định tuyến. Phân cụm mạng giúp giảm kích thước bảng định tuyến và chi phí bảo trì, đồng thời tăng tính sẵn sàng của thông tin mạng. Các chiến lược như chiến lược bảo trì dựa trên nút đứng đầu (CWHO) và chiến lược phân tán toàn phần được nghiên cứu để tối ưu hóa quá trình này. Việc duy trì thông tin định tuyến liên quan đến hai hoạt động chính: thu thập và phân phối thông tin. Một chiến lược hiệu quả cần cân bằng giữa khối lượng công việc và tiêu thụ năng lượng của các nút.

1.1. Khái niệm và đặc điểm của mạng MANET

Mạng MANET là một tập hợp các nút di động không dây, có khả năng tự tổ chức và trao đổi dữ liệu mà không cần cơ sở hạ tầng cố định. Các nút trong mạng vừa đóng vai trò là thiết bị đầu cuối, vừa là bộ định tuyến. Tính chất động của mạng MANET, với sự thay đổi liên tục của cấu trúc mạng, đặt ra nhiều thách thức trong việc quản lý thông tin định tuyến. Các đặc điểm nổi bật của mạng MANET bao gồm cấu trúc động, chất lượng liên kết hạn chế, tài nguyên nút hạn chế và độ bảo mật thấp. Những đặc điểm này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu năng của mạng và đòi hỏi các giải pháp tối ưu hóa.

1.2. Vấn đề bảo trì thông tin định tuyến

Bảo trì thông tin định tuyến trong mạng MANET phân cụm là một thách thức lớn do tính di động của các nút. Việc thay đổi thường xuyên của trạng thái cụm dẫn đến tăng chi phí thu thập và phân phối thông tin. Các chiến lược như chiến lược bảo trì dựa trên nút đứng đầu (CWHO) và chiến lược phân tán toàn phần được đề xuất để giải quyết vấn đề này. Một chiến lược hiệu quả cần tối thiểu hóa chi phí và theo dõi các thay đổi một cách kịp thời. Kết nối logic giữa các cụm được coi là thông tin trạng thái, và việc duy trì thông tin này đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hiệu quả định tuyến.

II. Chiến lược bảo trì thông tin định tuyến

Các chiến lược bảo trì thông tin định tuyến trong mạng MANET phân cụm được nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả định tuyến. Chiến lược bảo trì dựa trên nút đứng đầu (CWHO) giao nhiệm vụ duy trì thông tin cho các nút quản lý cụm, trong khi chiến lược phân tán toàn phần phân phối trách nhiệm này cho tất cả các nút. Các chiến lược này được so sánh và đánh giá thông qua mô phỏng để xác định hiệu quả trong các kịch bản khác nhau. Việc tối ưu hóa chi phí điều khiển và cải thiện hiệu suất mạng là mục tiêu chính của các chiến lược này.

2.1. Chiến lược bảo trì dựa trên nút đứng đầu CWHO

Chiến lược bảo trì dựa trên nút đứng đầu (CWHO) là một trong những chiến lược phổ biến trong mạng MANET phân cụm. Trong chiến lược này, các nút quản lý cụm chịu trách nhiệm thu thập và phân phối thông tin về các cụm lân cận. Các nút khác trong cụm chỉ cần duy trì đường tới nút quản lý của chúng. Chiến lược này giúp giảm chi phí điều khiển và tối ưu hóa quá trình bảo trì thông tin. Tuy nhiên, nó cũng đặt gánh nặng lớn lên các nút quản lý cụm, đòi hỏi các giải pháp cân bằng tải và tiêu thụ năng lượng.

2.2. Chiến lược phân tán toàn phần

Chiến lược phân tán toàn phần phân phối trách nhiệm bảo trì thông tin cho tất cả các nút trong mạng. Mỗi nút đều tham gia vào quá trình thu thập và phân phối thông tin về các cụm lân cận. Chiến lược này giúp giảm gánh nặng cho các nút quản lý cụm và tăng tính linh hoạt của mạng. Tuy nhiên, nó cũng dẫn đến tăng chi phí điều khiển và độ phức tạp trong quản lý thông tin. Việc lựa chọn chiến lược phù hợp phụ thuộc vào đặc điểm và yêu cầu cụ thể của mạng.

III. Đánh giá hiệu quả của các chiến lược bảo trì

Các chiến lược bảo trì thông tin định tuyến được đánh giá thông qua mô phỏng trong các kịch bản khác nhau. Các độ đo hiệu năng như chi phí điều khiển, thời gian tạm dừng và tác động của số lượng cụm được sử dụng để so sánh hiệu quả của các chiến lược. Kết quả mô phỏng cho thấy chiến lược bảo trì dựa trên nút đứng đầu (CWHO) có hiệu quả cao trong các mạng có số lượng cụm ít, trong khi chiến lược phân tán toàn phần phù hợp hơn với các mạng có quy mô lớn. Việc lựa chọn chiến lược phù hợp giúp cải thiện hiệu suất mạng và tối ưu hóa thông tin định tuyến.

3.1. Kịch bản mô phỏng và độ đo hiệu năng

Các kịch bản mô phỏng được thiết kế để đánh giá hiệu quả của các chiến lược bảo trì thông tin định tuyến. Các độ đo hiệu năng bao gồm chi phí điều khiển, thời gian tạm dừng và tác động của số lượng cụm. Các kịch bản mô phỏng được thực hiện trên cả mô hình Random Way Point và Manhattan-Grid để đảm bảo tính toàn diện của đánh giá. Kết quả mô phỏng cung cấp cái nhìn chi tiết về hiệu quả của các chiến lược trong các điều kiện khác nhau.

3.2. So sánh hiệu quả của các chiến lược

Kết quả mô phỏng cho thấy chiến lược bảo trì dựa trên nút đứng đầu (CWHO) có hiệu quả cao trong các mạng có số lượng cụm ít, với chi phí điều khiển thấp và thời gian tạm dừng ngắn. Trong khi đó, chiến lược phân tán toàn phần phù hợp hơn với các mạng có quy mô lớn, giúp giảm gánh nặng cho các nút quản lý cụm. Việc lựa chọn chiến lược phù hợp giúp tối ưu hóa thông tin định tuyến và cải thiện hiệu suất mạng trong các điều kiện cụ thể.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 trình bày tổng quan về mạng MANET và vấn đề định tuyến trong mạng MANET phân cụm. Một số chiến lược bảo trì thông tin định tuyến trong mạng MANET phân cụm được trình bày và phân tích chi tiết trong chương 2. Kết quả của việc cài đặt, mô phỏng, so sánh đánh giá hiệu hiệu quả của một số chiến lược bảo trì thông tin định tuyến trong mạng MANET phân cụm được trình bày trong Chương 3. Nội dung tổng kết và hướng phát triển của đề tài được đưa ra trong phần kết luận.

TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG MANET PHÂN CỤM 1. Tổng quan về mạng MANET 1. Khái niệm mạng MANET Mạng MANET (Mobile Ad hoc Network) [11] là một tập các nút không dây di động có thể trao đổi dữ liệu một cách linh động mà không cần sự hỗ trợ của trạm cơ sở cố định hoặc mạng có dây. Mỗi nút di động có một phạm vi truyền giới hạn, do đó chúng cần sự trợ giúp của các nút láng giềng để chuyển tiếp các gói dữ liệu.1 minh họa một mạng MANET.

Trong ví dụ này, các gói tin từ nút nguồn là một máy tính cần chuyển tới một nút đích là một điện thoại thông minh không 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 từ nút nguồn tới nút đích. Để thực hiện được công việc này, các nút mạng phải sử dụng giao thức định tuyến phù hợp cho mạng MANET. Một ví dụ của mạng MANET Thuật ngữ “Ad hoc” áp dụng cho mạng không dây mô tả một mạng không có cơ sở hạ tầng cố định, trong đó hình trạng mạng được tạo thành bởi chính các nút mạng.

Chế độ “Ad hoc” của chuẩn IEEE 802.11 hoạt động theo mô 5 hình này, mặc dù nó chỉ hỗ trợ để thiết lập một mạng đơn chặng. Các mạng di động không dây kiểu không cấu trúc (MANET) đã mở rộng khái niệm “Ad hoc” đa chặng theo nghĩa: một nút mạng có thể định tuyến và chuyển tiếp một gói tin nó nhận được từ một nút mạng khác. Nói cách khác, con đường chuyển tiếp gói tin từ nút nguồn tới nút đích có thể chứa các nút trung gian khác. Các nút trung gian sẽ đọc thông tin trong phần header của các gói tin dữ liệu và chuyển tiếp chúng tới chặng kế tiếp trên một con đường đã được hình thành.

Các nút trong mạng MANET thông thường sẽ kết nối với nhau trong một khoảng thời gian để trao đổi thông tin. Trong khi trao đổi thông tin, các nút này vẫn có thể di chuyển, do đó, mạng này phải đáp ứng được yêu cầu truyền dữ liệu trong khi hình trạng mạng có thể thay đổi liên tục. Các nút mạng phải có cơ chế tự tổ chức thành một mạng để thiết lập các đường truyền dữ liệu mà không cần sự hỗ trợ từ bên ngoài. Trong mô hình này, mỗi nút mạng có thể đóng vai trò là một nút đầu cuối để chạy các chương trình ứng dụng của người sử dụng hoặc là một bộ định tuyến để chuyển tiếp các gói tin cho các nút mạng khác.

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 thông đa chặng giữa các thiết bị di động vừa đóng vai trò là thiết bị đầu cuối, vừa đóng vai trò là bộ định tuyến nên mạng MANET còn có một số đặc điểm nổi bật sau:  Cấu trúc động: Do tính chất di chuyển ngẫu nhiên của các nút mạng nên cấu trúc của loại mạng này cũng thường xuyên thay đổi một cách ngẫu nhiên ở những thời điểm không xác định trước. Trong khi thay đổi, cấu trúc của mạng MANET có thêm hoặc mất đi các kết nối hai chiều hoặc kết nối một chiều. 6  Chất lượng liên kết hạn chế: Các liên kết không dây thường có băng thông nhỏ hơn so với các liên kết có dây. Ngoài ra, do ảnh hưởng của cơ chế đa truy cập, vấn đề suy giảm tín hiệu, nhiễu và các yếu tố khác, băng thông thực của các liên kết không dây thường thấp hơn nhiều so với tốc độ truyền tối đa theo lý thuyết của môi trường truyền không dây.

 Các nút mạng có tài nguyên hạn chế: Mỗi nút di động trong mạng MANET có thể là một bộ cảm biến, một điện thoại thông minh hoặc một máy tính xách tay. Thông thường các thiết bị này có tài nguyên hạn chế so với các máy tính trong mạng có dây và không dây truyền thống về tốc độ xử lý, dung lượng bộ nhớ và năng lượng nguồn pin nuôi sống hoạt động của nút.  Độ bảo mật thấp ở mức độ vật lý: Mạng không dây di động thường chịu tác động về mặt vật lý từ các nguồn gây nguy hại về an ninh nhiều hơn so với mạng có dây. Về khía cạnh vật lý, các kỹ thuật gây mất an ninh và bảo mật trong mạng như nghe lén, giả mạo và tấn công từ chối dịch vụ thường dễ triển khai trong mạng MANET hơn là trong mạng có dây truyền thống.

Có thể thấy những đặc điểm này là các yếu tố ảnh hưởng rất nhiều đến hiệu năng của mạng MANET. Để có thể triển khai được mạng MANET trong thực tế, các thiết kế mạng MANET phải giải quyết được những thách thức sinh ra do những đặc điểm đã nêu trên của mạng MANET. Những thách thức này gồm các vấn đề kỹ thuật như khả năng truyền dữ liệu và định tuyến hiệu quả khi kích thước mạng thay đổi; đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) cho các chương trình ứng dụng; cơ chế chuyển đổi một số dịch vụ từ mô hình client- server; tiết kiệm năng lượng pin để kéo dài thời gian hoạt động của các nút mạng riêng lẻ và của toàn mạng; đảm bảo an ninh mạng; khả năng hợp tác giữa các nút mạng và khả năng tự tổ chức của mạng; 7 1. Ứng dụng của mạng MANET Ngày nay, mạng MANET có nhiều những ứng dụng trong đời sống, kinh tế, xã hội của con người.

Mô hình mạng này phù hợp đối với những tình huống cần triển khai hệ thống mạng một cách nhanh chóng, linh động và thường xuyên có sự biến đổi trong cấu trúc mạng. Ngày nay, mạng MANET được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực từ các ứng dụng trong thương mại tới các ứng dụng trong các hoạt động quân sự, ứng dụng trong các hoạt động khẩn cấp, ứng dụng trong gia đình, văn phòng và giáo dục, mạng giao thông và mạng cảm biến. Đối với các ứng dụng của mạng MANET trong thương mại, những người dùng có thể chia sẻ dữ liệu giữa các thiết bị di động trong một cuộc họp hay hội thảo mà không cần sự hỗ trợ của một cơ sở hạ tầng mạng cố định. Các máy tính của những cá nhân có thể kết nối với nhau để tạo thành một mạng tạm thời phục vụ cho các ứng dụng truyền thông dữ liệu trong một nhóm những người dùng mà không cần sự hiện diện của các bộ thu phát tập trung.

Kết nối Internet từ một thiết bị của một người dùng cũng có thể được chia sẻ tới các thiết bị của những người dùng khác thông qua mạng MANET. Ứng dụng mạng MANET trông quân đội là một trong những ý tưởng được đưa ra ngay từ khi mạng MANET được phát triển. Trong mô hình chiến đấu của quân đội trên chiến trường không có sự hỗ trợ về hạ tầng mạng cố định, mỗi người lính hoặc một phương tiện quân sự như xe tăng, máy bay, tàu chiến, tàu thủy đều có thể được kết nối và trao đổi thông tin tạm thời với nhau hoặc với trạm chỉ huy một cách linh động thông qua mạng MANET được hình thành bởi kết nối giữa các thiết bị di động truyền thông không dây được gắn vào các phương tiện quân sự hay những người lính tham gia vào cuộc chiến. Tại các vùng bị thiên tai, thảm họa, có thể tất cả các phương tiện và hạ tầng truyền thông được xây dựng trước đó đều bị phá hủy hoàn toàn.

Mỗi chiếc 8 xe của cảnh sát, cứu hỏa, cứu thương,… có thể được trang bị các thiết bị truyền nhận không dây để trở thành một thiết bị đầu cuối di động và là một phần của mạng MANET. Mỗi nhân viên cứu hộ cũng có thể cũng mang theo một thiết bị đầu cuối di động. Các thiết bị đầu cuối này đều liên kết với nhau, hình thành nên một mạng MANET tạm thời nhằm trao đổi thông tin. Cấu hình mạng thay đổi theo những thời điểm khác nhau.

Ngoài ra, các thiết bị đầu cuối di động không chỉ cung cấp chức năng gửi và nhận thông tin mà còn có thể chuyển tiếp thông tin như vai trò như các bộ định tuyến. Mỗi thiết bị thông minh trong gia đình, các điên thoại di động thông minh và máy tính của những người sử dụng trong văn phòng, trong môi trường trường học, các lớp học có thể đóng vai trò như một nút mạng trong một mạng MANET được hình thành tạm thời mà không cần sự hỗ trợ của hạ tầng mạng cố định nhằm phục vụ cho các ứng dụng chia sẻ thông tin, truyền dữ liệu multimedia, quản lý ngôi nhà thông minh, quản lý lớp học thông minh,… Trong vấn đề quản lý và hỗ trợ giao thông, mỗi phương tiện giao thông là một nút mạng di động trong mạng MANET được hình thành tạm thời trên một khu vực địa lý nhằm hỗ trợ trao đổi và quản lý các thông tin về tình trạng giao thông, hỗ trợ tìm đường tránh tắc nghẽn giao thông, theo dõi và quản lý các thiết bị tham gia giao thông, v. Cảm biến là các thiết bị nhỏ, phân tán, giá thành thấp, tiết kiệm năng lượng, có khả năng truyền thông không dây và xử lý cục bộ. Một mạng MANET có thể là một mạng cảm biến gồm các nút cảm biến.

Các nút này hợp tác với nhau để cùng thực hiện một nhiệm vụ cụ thể, ví dụ như: giám sát môi trường (không khí, đất, nước), theo dõi môi trường sống, hành vi, dân số của các loài động, thực vật, dò tìm động chấn, theo dõi tài nguyên, thực hiện trinh thám trong quân đội,. Vấn đề bảo trì thông tin định tuyến trong mạng MANET phân cụm Phân cụm là một chiến lược hiệu quả để giải quyết tính động và khả năng mở rộng của mạng ad hoc di động (MANET) [2]. Theo [1], các giao thức định tuyến trên cơ sở phân cụm có khả năng mở rộng hơn so với các giao thức định tuyến phẳng, vì việc phân cụm làm giảm kích thước của bảng định tuyến và chi phí định tuyến cần thiết để bảo trì thông tin định tuyến.