Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự gia tăng nhanh chóng về số lượng và công nghệ của các thiết bị di động kéo theo nhu cầu sử dụng mạng truyền thông không dây với tốc độ cao, hỗ trợ đa phương tiện và đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS). Trong các hệ thống mạng không dây truyền thống như mạng di động tế bào (cellular) hay mạng cục bộ không dây (WLAN), các trạm thuê bao bắt buộc phải liên lạc thông qua cơ sở hạ tầng cố định là các trạm vô tuyến cơ sở (Base Station - BS). Mô hình này bộc lộ hạn chế lớn khi triển khai tại các khu vực xảy ra thảm họa thiên nhiên, chiến sự hoặc địa hình phức tạp nơi hạ tầng viễn thông bị phá hủy hoặc không thể thiết lập kịp thời.

Mạng Ad hoc (mạng không dây tùy biến) xuất hiện như một giải pháp linh hoạt, được hình thành từ tập hợp các nút mạng di động có khả năng tự tổ chức và thích nghi mà không cần sự hỗ trợ của hạ tầng cố định hay sự quản trị tập trung. Trong mạng Ad hoc, các nút mạng vừa đóng vai trò máy trạm (host), vừa đóng vai trò bộ định tuyến (router) để chuyển tiếp gói tin qua nhiều bước nhảy (multihops). Tuy nhiên, đặc tính di động của các nút khiến topo mạng liên tục biến đổi, đặt ra nhiều thách thức nghiêm trọng về giới hạn tài nguyên tính toán, băng thông, dung lượng nguồn nuôi và xác suất lỗi liên kết vô tuyến. Do đó, việc thiết kế và đánh giá các giao thức định tuyến nhằm thiết lập tuyến đường chính xác, giảm thiểu phụ trội điều khiển và tối ưu hóa hiệu năng truyền dẫn là vấn đề cốt lõi.

Đồ án tốt nghiệp "Đánh giá thông lượng của các giao thức định tuyến trong mạng Ad hoc" được thực hiện bởi sinh viên Vũ Huy Cường (ngành Điện tử Viễn thông, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, dưới sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Trung Dũng) nhằm giải quyết các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

  1. Tổng quan hóa cơ sở lý thuyết về mạng Ad hoc, phân tích các đặc trưng kỹ thuật, ứng dụng thực tế và những thách thức cốt lõi của mạng tùy biến không dây.
  2. Khảo sát, phân loại và phân tích nguyên lý hoạt động của các giao thức định tuyến trong mạng Ad hoc, đi sâu vào bốn giao thức tiêu biểu: DYMO, DSR, AODV và OLSR.
  3. Nghiên cứu hệ thống thông số đánh giá chất lượng (thông lượng, trễ, tỷ lệ nhận gói, phụ trội định tuyến) và các mô hình di chuyển của nút mạng dùng trong mô phỏng.
  4. Xây dựng kịch bản mô phỏng trên công cụ OMNeT++ để đo kiểm, phân tích và so sánh hiệu năng thông lượng đầu cuối - đầu cuối của bốn giao thức định tuyến nêu trên.
  • Đối tượng nghiên cứu: Bốn giao thức định tuyến đại diện cho các trường phái định tuyến khác nhau trong mạng Ad hoc gồm OLSR (chủ động - proactive), DSR và AODV (phản ứng/theo yêu cầu - reactive), và DYMO (giao thức lai ghép thế hệ mới).
  • Phạm vi nghiên cứu: Đánh giá hiệu năng mạng không dây tùy biến thông qua phương pháp mô phỏng phần mềm trên công cụ OMNeT++, tập trung vào chỉ số thông lượng đầu cuối - đầu cuối dưới tác động của các mô hình di chuyển và thông số kịch bản mạng xác định.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và khái niệm

Nghiên cứu dựa trên nền tảng kỹ thuật mạng thông tin không dây tùy biến (MANET - Mobile Ad hoc Network). Không gian đặc tả môi trường mạng Ad hoc được xác định thông qua hệ tọa độ 3 trục:

  • Trục số lượng nút mạng.
  • Trục tốc độ thay đổi topo mạng (mức độ di động của các nút).
  • Trục tải lưu lượng mong muốn trong mạng.

Khi hệ thống dịch chuyển xa gốc tọa độ của ba trục này, mức độ phức tạp của bài toán định tuyến tăng lên rõ rệt. Đồ án tổng hợp các trường phái định tuyến chính trong mạng Ad hoc:

  • Phân loại theo cơ chế cập nhật thông tin: Định tuyến theo bảng (proactive - như OLSR, DSDV) luôn duy trì bảng định tuyến toàn mạng; Định tuyến theo yêu cầu (reactive/on-demand - như AODV, DSR) chỉ tìm đường khi có nhu cầu truyền dữ liệu; Định tuyến lai (hybrid - như ZRP, Hybrid Ad Hoc Routing Protocol) kết hợp cả hai cơ chế theo cấu trúc phân cấp.
  • Phân loại theo cấu trúc tiến trình: Định tuyến phẳng (đồng bộ) nơi mọi nút có vai trò ngang hàng; Định tuyến bất đồng bộ (phân cấp) gồm phân cấp theo vùng (ZRP, ZHLS), phân cấp theo nhóm thông qua bầu chọn cụm trưởng (CGSR), hoặc phân cấp theo nút lõi tạo backbone (CEDAR).
  • Phân loại theo hệ đo lường (metric): Định tuyến theo số chặng (hop count), định tuyến theo độ ổn định liên kết và cường độ tín hiệu (ABR, SSR), định tuyến hỗ trợ QoS (CEDAR).
  • Phân loại theo cơ chế định vị: Định tuyến theo topo mạng (DSR), định tuyến theo nút đích (AODV, DSDV), định tuyến theo vị trí địa lý có hỗ trợ GPS (LAR, DREAM).

Bốn giao thức trọng tâm được phân tích chi tiết:

  • OLSR (Optimized Link State Routing): Giao thức định tuyến chủ động tối ưu hóa trạng thái liên kết, sử dụng kỹ thuật Chuyển tiếp đa điểm MPR (Multipoint Relay) để hạn chế hiện tượng phát tràn lan (flooding) bản tin điều khiển topo.
  • DSR (Dynamic Source Routing): Giao thức định tuyến nguồn theo yêu cầu, toàn bộ danh sách các chặng trung gian được gắn trực tiếp vào tiêu đề gói tin dữ liệu, giúp các nút trung gian không cần lưu bảng định tuyến động.
  • AODV (Ad Hoc On-Demand Distance Vector): Giao thức định tuyến vector khoảng cách theo yêu cầu, sử dụng số thứ tự đích (destination sequence number) để đảm bảo tuyến đường luôn tươi mới và chống lặp vòng (loop-free).
  • DYMO (Dynamic MANET On-Demand): Giao thức định tuyến theo yêu cầu thế hệ mới của nhóm MANET (IETF), kế thừa ưu điểm của cả AODV và DSR, cho phép thu thập thông tin định tuyến của tất cả các nút trung gian trên tuyến thay vì chỉ lưu nút kế tiếp (next-hop).

Phương pháp nghiên cứu

Tác giả kết hợp phương pháp nghiên cứu lý thuyết và phương pháp thực nghiệm mô phỏng số:

  • Phân tích - tổng hợp lý thuyết: Hệ thống hóa các thuật toán định tuyến cổ điển (trạng thái liên kết, vector khoảng cách Bellman-Ford) và các biến thể thích nghi cho môi trường vô tuyến; so sánh cấu trúc gói tin điều khiển (RREQ, RREP, RERR, Hello, TC).
  • Mô phỏng thực nghiệm: Sử dụng phần mềm mô phỏng mạng OMNeT++ (Objective Modular Network Testbed in C++). Phương pháp này mô phỏng hoạt động truyền thông mức gói, triển khai các module đơn giản và module kết hợp, lập lịch sự kiện rời rạc để kiểm chứng thông lượng của OLSR, AODV, DSR và DYMO.
  • Mô hình hóa chuyển động: Sử dụng các mô hình di chuyển nhân tạo như Mô hình di chuyển ngẫu nhiên (Random Mobility Model), Mô hình di chuyển hướng ngẫu nhiên với vận tốc không đổi, và Mô hình di chuyển điểm dừng ngẫu nhiên (Random Waypoint Model) kết hợp biến thời gian tạm dừng (pause time).

Nguồn dữ liệu

Dữ liệu nghiên cứu bao gồm các đặc tả kỹ thuật từ các dự thảo tiêu chuẩn của IETF MANET Working Group và các tập dữ liệu phát sinh từ quá trình chạy mô phỏng mạng trên phần mềm OMNeT++, đo lường số lượng gói tin dữ liệu truyền/nhận, thời gian trễ và lưu lượng phụ trội định tuyến.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về Ad hoc Network

Chương 1 thiết lập bức tranh toàn cảnh về mạng Ad hoc, từ khái niệm, đặc điểm vận hành cho đến các phạm vi ứng dụng và thách thức kỹ thuật. Mạng Ad hoc được định nghĩa là tổ hợp các nút di động kết nối không dây, tự cấu hình, không phụ thuộc trạm gốc. Các nút mạng giao tiếp trực tiếp trong dải vô tuyến hoặc truyền qua nhiều bước nhảy (multihops) khi nằm ngoài vùng phủ sóng. Do đó, mỗi nút đều tích hợp chức năng của một máy trạm có địa chỉ IP và một bộ định tuyến.

Văn bản phân tích 7 nhóm ứng dụng tiêu biểu:

  1. Dịch vụ khẩn cấp khi có thiên tai: Thiết lập liên lạc cứu hộ tức thời khi hạ tầng viễn thông mặt đất bị phá hủy hoàn toàn.
  2. Hội nghị: Chia sẻ dữ liệu trực tiếp giữa các đại biểu với độ trễ thấp hơn so với việc định tuyến qua Mobile IP.
  3. Mạng gia đình (Home Networking): Thiết bị tự động nhận diện, cấu hình mạng cục bộ, giảm thiểu chi phí quản trị.
  4. Mạng cá nhân (PAN): Kết nối các thiết bị cá nhân (điện thoại, máy tính bỏ túi PDA) khi người dùng di chuyển.
  5. Hệ thống nhúng (Embedded Systems): Kết nối các đồ chơi thông minh, thiết bị gia dụng và mạng gia đình để điều khiển tương tác.
  6. Mạng xe cộ (VANET - Vehicular Ad Hoc Network): Xe cộ lưu thông trao đổi thông tin cảnh báo tắc đường, tai nạn giao thông và dịch vụ đa phương tiện.
  7. Mạng cảm biến không dây (Sensor Network): Các nút cảm biến kích thước nhỏ phục vụ giám sát môi trường, quân sự, y tế (theo dõi chỉ số sinh tồn), nông nghiệp và chế biến thực phẩm.

Bên cạnh đó, chương 1 chỉ rõ 8 thách thức kỹ thuật của mạng Ad hoc: chi phí và quản lý băng tần ISM; cơ chế truy nhập môi trường MAC phân tán (không thể dùng TDMA/FDMA tập trung, đối mặt hiện tượng trạm ẩn); độ phức tạp định tuyến do topo động; hiệu quả sử dụng nguồn nuôi (pin Li-ion thời điểm nghiên cứu chỉ duy trì 2-3 giờ, một số máy tính xách tay đạt 8 giờ với giá thành cao); hạn chế của giao thức TCP (TCP đo RTT và tỷ lệ mất gói, dễ nhầm lẫn giữa đứt đường truyền do di động với nghẽn mạng); việc đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS (đề xuất các cơ chế như GAMA PR, cơ chế xung đột BB); và nguy cơ an ninh bảo mật do môi trường vô tuyến dễ bị nghe lén, mạo danh.

Chương 2: Định tuyến trong mạng Ad hoc

Chương 2 là phần trọng tâm về mặt lý thuyết, phân tích các nguyên lý định tuyến cổ điển và các giao thức chuyên biệt cho Ad hoc. Tác giả chỉ ra rằng giao thức trạng thái liên kết và vector khoảng cách cổ điển chỉ thích hợp với mạng tĩnh; khi đưa vào mạng Ad hoc, việc trao đổi bản tin định tuyến định kỳ gây cạn kiệt băng thông, tiêu tốn năng lượng pin và năng lực xử lý CPU, đồng thời dễ sinh vòng lặp định tuyến (routing loop).

Từ đó, tác giả đưa ra các yêu cầu bắt buộc khi thiết kế giao thức định tuyến Ad hoc: tính phân tán, không lặp vòng, khai thác siêu nút (backbone), hoạt động theo yêu cầu, tính tiên phong, hỗ trợ liên kết một chiều, bảo mật, tiết kiệm năng lượng (chế độ chờ - standby mode), hỗ trợ nhiều đường và hỗ trợ QoS. Tiếp theo, tác giả phân tích chi tiết cơ chế của 4 giao thức định tuyến:

                          CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN AD HOC
                 ________________________|________________________
                |                                                 |
       Định tuyến Proactive                              Định tuyến Reactive
          (Theo bảng)                                      (Theo yêu cầu)
                |                                                 |
         +------+------+                                   +------+------+
         |             |                                   |             |
       OLSR          DSDV                                AODV           DSR
   (Khai thác MPR,                                 (Vector khoảng cách, (Định tuyến nguồn,
    Hello 1s/lần)                                   ACTIVE_ROUTE_TIMEOUT danh sách chặng
                                                       = 3000ms)         trong header)
                                                           |
                                                           v
                                                         DYMO
                                              (Kết hợp AODV & DSR, lưu
                                              tuyến mọi nút trung gian)
  1. Giao thức OLSR: Sử dụng cơ chế bầu chọn tập Chuyển tiếp đa điểm MPR (Multipoint Relay). Nút A chọn một tập hợp con các nút hàng xóm một bước (one-hop) làm MPR sao cho tất cả các nút hàng xóm hai bước (two-hop) đều có liên kết trực tiếp tới ít nhất một nút trong tập MPR(A). Chỉ các nút MPR mới có quyền chuyển tiếp bản tin kiểm soát topo (TC). Các nút trao đổi bản tin Hello định kỳ (ví dụ 1 giây/lần) để phát hiện hàng xóm và cập nhật tập MPR Selector.
  2. Giao thức DSR: Dựa trên kỹ thuật định tuyến nguồn (source routing). Nút nguồn khởi tạo quá trình Khám phá tuyến bằng cách phát quảng bá gói tin Yêu cầu tuyến RREQ mang cặp định danh duy nhất <địa chỉ nút nguồn, Request_id>. Các nút trung gian ghi địa chỉ của mình vào bản ghi tuyến trong RREQ. Khi đến nút đích (hoặc nút có tuyến), bản tin Trả lời tuyến RREP mang đầy đủ danh sách các chặng được gửi ngược về nguồn. Nút gửi sử dụng bộ đệm Send Buffer (quản lý theo cơ chế hàng đợi FIFO và nhãn thời gian) để lưu gói tin trong khi chờ tìm tuyến. Khi một liên kết bị đứt, nút phát hiện gửi bản tin Báo lỗi tuyến RERR về nút nguồn để xóa đường dẫn khỏi Bộ nhớ tuyến (Route Cache).
  3. Giao thức AODV: Kết hợp cơ chế theo yêu cầu của DSR với thuật toán vector khoảng cách. Nút nguồn phát quảng bá RREQ với cấu trúc: <source_addr, source sequence#, broadcast_id, dest_addr, dest sequence#, hop_cnt>. Nút trung gian ghi lại địa chỉ nút gửi để thiết lập tuyến đường ngược (reverse route). Khi RREQ đến đích hoặc nút có tuyến hợp lệ (có số thứ tự đích lớn hơn hoặc bằng số thứ tự trong RREQ), nút đó gửi unicast bản tin RREP chứa <địa chỉ nguồn, địa chỉ đích, thứ tự đích#, số chặng, thời gian sống>. Trên đường RREP quay về nguồn, tuyến đường thuận (forward route) được thiết lập. Các tuyến không hoạt động sẽ bị hủy sau khoảng thời gian ACTIVE_ROUTE_TIMEOUT (mặc định là 3000 ms). Khi đứt liên kết, bản tin RERR được truyền để thông báo cho các nút lân cận đang sử dụng tuyến.
  4. Giao thức DYMO: Là sự kết hợp và đơn giản hóa giữa AODV và DSR dành cho mạng IPv4 và IPv6. Điểm khác biệt cơ bản giữa DYMO và AODV là: trong khi AODV chỉ thiết lập entry bảng định tuyến cho nút đích và nút next-hop, DYMO ghi nhận và tích lũy thông tin định tuyến tới tất cả các nút trung gian nằm trên tuyến đường khám phá được. DYMO sử dụng giao thức Khám phá hàng xóm (Neighborhood Discovery Protocol) hoặc kiểm tra phản hồi ở tầng liên kết dữ liệu để giám sát đường truyền và phát bản tin RERR khi có sự cố.

Chương 3: Thông số đánh giá và mô hình chuyển động trong mô phỏng mạng Ad hoc

Chương 3 xây dựng cơ sở toán học và phương pháp luận cho việc đánh giá hiệu năng giao thức. Hệ thống thông số được chia làm hai nhóm:

Nhóm thông số đánh giá chất lượng:

  • Tỷ lệ gói nhận được ($R_D$): Tỷ số giữa số gói nhận được tại tầng ứng dụng nút đích ($P_R$) và số gói gửi đi từ tầng ứng dụng nút nguồn ($P_S$): $$R_D = \frac{P_R}{P_S}$$
  • Trễ từ đầu cuối đến đầu cuối ($T_{delay}$): Tổng thời gian gói tin truyền từ nguồn đến đích, tính bằng hiệu số giữa thời điểm nhận ($T_{rev}$) và thời điểm gửi ($T_{send}$): $$T_{delay} = T_{rev} - T_{send} = T_{buffer} + T_{relay} + T_{prop} + T_{resend}$$ Trong đó bao gồm trễ lưu đệm ($T_{buffer}$), trễ chuyển tiếp ($T_{relay}$), trễ truyền dẫn ($T_{prop}$) và thời gian phát lại ($T_{resend}$).
  • Thông lượng từ đầu cuối đến đầu cuối: Tỷ lệ giữa số lượng gói tin dữ liệu truyền thành công trên một đơn vị thời gian, phản ánh dung lượng băng thông hữu dụng thực tế mà giao thức đạt được.
  • Phần tải thông tin định tuyến (Routing Overhead): Tỷ lệ giữa tổng số gói tin điều khiển định tuyến gửi đi so với số gói dữ liệu chuyển giao thành công đến đích.

Nhóm thông số kịch bản và mô hình di chuyển:

  • Thông số di chuyển: Xác định thông qua khoảng cách giữa hai nút $Dist(n_x, n_y)_t$, khoảng cách trung bình của nút $x$ tới các nút khác tại thời điểm $t$ ($A_x(t)$), mức độ di chuyển trung bình $M_x$, và tổng độ di chuyển trong toàn kịch bản $Mod$ (m/s).
  • Thời gian tạm dừng (pause time): Khoảng thời gian nút đứng yên trước khi chuyển hướng hoặc vận tốc mới; giá trị này tỷ lệ nghịch với mức độ biến động topo của mạng.
  • Mô hình chuyển động mô phỏng:
    1. Mô hình di chuyển ngẫu nhiên (Random Mobility Model): Vận tốc và hướng di chuyển ở bước tiếp theo hoàn toàn độc lập với giá trị cũ, tạo ra các chuyển động quanh co, bẻ góc nhọn và dừng đột ngột phi thực tế.
    2. Mô hình di chuyển hướng ngẫu nhiên với vận tốc không đổi: Hướng chọn ngẫu nhiên trong khoảng $(0, 2\pi)$, vận tốc giữ cố định; khi chạm biên vùng mô phỏng, nút sẽ phản xạ nảy lại theo góc tới.
    3. Mô hình di chuyển điểm dừng ngẫu nhiên (Random Waypoint): Nút đứng yên tại vị trí trong khoảng thời gian tạm dừng (pause time), sau đó chọn ngẫu nhiên một điểm đích và vận tốc trong khoảng $(0, maxspeed)$ để di chuyển tới đó, chu trình lặp lại liên tục.

Chương 4: Mô phỏng và đánh giá thông lượng của AODV, OLSR, DSR và DYMO bằng OMNeT++

Chương 4 tập trung vào việc hiện thực hóa kịch bản mô phỏng trên nền tảng phần mềm mã nguồn mở OMNeT++. Tác giả giới thiệu kiến trúc module của OMNeT++, phân định giữa các module đơn giản (simple module - lập trình bằng C++ chứa thuật toán xử lý sự kiện) và module kết hợp (compound module - ghép nối các module đơn giản bằng ngôn ngữ mô tả topo NED).

Quy trình mô phỏng bao gồm:

  1. Thiết lập tệp cấu hình tham số mạng (Bảng 4.1: Bảng thông số đánh giá dùng trong mô phỏng).
  2. Khởi tạo topo mạng vô tuyến gồm các nút di động có bộ thu phát sóng vô tuyến.
  3. Kích hoạt ứng dụng truyền dữ liệu và cài đặt các giao thức định tuyến tương ứng.
  4. Ghi nhận tiến trình trao đổi bản tin của giao thức (minh họa chi tiết qua các giai đoạn của DYMO: phát quảng bá RREQ, gửi unicast RREP, chuyển tiếp gói dữ liệu và gửi ACK xác nhận ở tầng liên kết).
  5. Trích xuất đồ thị và số liệu thông lượng đầu cuối - đầu cuối (Hình 4.9) để so sánh năng lực truyền dẫn giữa OLSR, AODV, DSR và DYMO dưới các điều kiện thay đổi vận tốc và thời gian tạm dừng.

Chương 5: Kết luận

Chương cuối đúc kết lại các nội dung chính đã hoàn thành trong đồ án. Tác giả khẳng định mạng Ad hoc có tính tùy biến cao nhưng chịu sự ràng buộc nghiêm ngặt về tài nguyên. Không có một giao thức định tuyến đơn lẻ nào hoàn toàn tối ưu cho mọi tình huống mạng. Việc lựa chọn giao thức phụ thuộc chặt chẽ vào mật độ nút, tốc độ di chuyển và loại hình lưu lượng ứng dụng.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

Từ các phân tích lý thuyết và thiết lập mô phỏng được trình bày trong tài liệu, các đặc trưng kỹ thuật và kết quả so sánh giữa 4 giao thức được tổng hợp tại bảng sau:

Tiêu chí phân tích OLSR DSR AODV DYMO
Trường phái định tuyến Proactive (Theo bảng) Reactive (Theo yêu cầu) Reactive (Theo yêu cầu) Reactive (Theo yêu cầu, lai ghép)
Cơ chế lưu trữ tuyến Bảng định tuyến toàn mạng Tuyến nguồn trong tiêu đề gói Bảng định tuyến (Next-hop) Bảng định tuyến (Mọi nút trung gian)
Cơ chế khám phá tuyến Trao đổi bản tin Hello (1s/lần) & TC Quảng bá RREQ / RREP Quảng bá RREQ / RREP Quảng bá RREQ / RREP
Cơ chế chống lặp vòng Trạng thái liên kết MPR Ghi nhận thứ tự chặng Số thứ tự đích (Sequence #) Số thứ tự (Sequence #)
Thời gian sống của tuyến Cập nhật định kỳ Quản lý bộ đệm Send Buffer ACTIVE_ROUTE_TIMEOUT (3000 ms) Giám sát qua NDP hoặc tầng liên kết
Xử lý sự cố liên kết Bản tin cập nhật topo định kỳ Gửi bản tin RERR về nguồn Gửi bản tin RERR tới nút lân cận Gửi bản tin RERR tới nút lân cận
Thông lượng và phụ trội Phụ trội điều khiển cao khi mạng tĩnh; thông lượng ổn định Tiêu đề gói lớn khi số chặng tăng; giảm phụ trội khi ít gửi tin Băng thông tiêu hao thấp khi mạng ít di động Tối ưu hóa tính toán tuyến, tiết kiệm bộ nhớ và băng thông

Đóng góp của đồ án

  1. Tổng hợp có hệ thống cơ sở lý thuyết về MANET: Làm rõ toàn bộ không gian thách thức của mạng tùy biến từ tầng liên kết MAC, tầng mạng định tuyến cho đến tầng giao vận TCP (đặc tính RTT trong môi trường di động).
  2. So sánh cơ chế vận hành của 4 thế hệ giao thức: Phân định rõ sự khác biệt giữa phương thức lưu tuyến next-hop (AODV), định tuyến nguồn (DSR), tối ưu hóa phát tràn lan qua trạm trung gian MPR (OLSR) và kỹ thuật lưu trữ tuyến trung gian mở rộng (DYMO).
  3. Hiện thực hóa quy trình kiểm thử trên OMNeT++: Ứng dụng thành công công cụ mô phỏng OMNeT++ để mô hình hóa chuyển động ngẫu nhiên (Random Waypoint) và đánh giá thông lượng thực tế của các giao thức định tuyến mạng Ad hoc.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Phạm vi đánh giá thực nghiệm trong đồ án chủ yếu tập trung vào thông số thông lượng đầu cuối - đầu cuối, chưa mở rộng phân tích chuyên sâu đồng thời các đại lượng thống kê về trễ toàn trình chi tiết, tỷ lệ hủy gói trong bộ đệm và tỷ lệ phần tải định tuyến ở nhiều mật độ nút khác nhau.
  • Nghiên cứu thực hiện hoàn toàn trong môi trường mô phỏng phần mềm (OMNeT++) với các mô hình chuyển động nhân tạo, chưa có điều kiện thử nghiệm đối chứng trên các thiết bị phần cứng không dây thực tế (như laptop, PDA hay thiết bị nhúng).

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng kịch bản mô phỏng đa dạng: Khảo sát mạng với mật độ nút lớn, tốc độ di chuyển biến thiên cao và kích thước vùng địa lý mở rộng.
  • Tích hợp kiểm thử hiệu năng với các tham số chất lượng dịch vụ QoS (băng thông cam kết, độ rung pha jitter) và đo lường mức độ tiêu hao năng lượng pin thực tế của các nút mạng.
  • Nghiên cứu ứng dụng các giao thức định tuyến này trong các mạng chuyên dụng có tính cơ động cao như mạng Ad hoc xe cộ (VANET) hoặc mạng cảm biến không dây (WSN).

Giá trị tham khảo

Báo cáo khóa luận là tài liệu tham khảo phù hợp cho sinh viên, học viên cao học và kỹ sư chuyên ngành Điện tử Viễn thông, Công nghệ Thông tin, Kỹ thuật Mạng và Truyền thông dữ liệu.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên môn cao bao gồm:

  • Nguyên lý hoạt động của các giao thức định tuyến: Bản mô tả chi tiết quy trình gửi/nhận gói tin RREQ, RREP, RERR của AODV, DSR và DYMO; thuật toán chọn tập MPR của giao thức OLSR tại Chương 2.
  • Phương pháp luận đánh giá hiệu năng: Hệ thống công thức toán học tính toán tỷ lệ nhận gói ($R_D$), trễ đầu cuối ($T_{delay}$) và thông số chuyển động kịch bản ($Mod$) tại Chương 3.
  • Tài liệu thực hành mô phỏng mạng: Hướng dẫn cấu trúc module, luồng thực thi chương trình và quy trình triển khai mô phỏng giao thức truyền thông bằng OMNeT++ tại Chương 4.

Câu hỏi thường gặp

1. Điểm khác biệt mấu chốt giữa giao thức AODV và DYMO trong việc quản lý bảng định tuyến là gì?

Trong giao thức AODV, khi nhận được phản hồi RREP, mỗi nút chỉ ghi nhận và tạo mục (entry) trong bảng định tuyến cho nút đích và nút kế tiếp (next-hop). Ngược lại, giao thức DYMO thu thập và tích lũy thông tin của tất cả các nút trung gian nằm trên tuyến đường vừa khám phá, giúp nút nắm được đường đi tới toàn bộ các nút trung gian đó mà không cần khởi tạo thêm thủ tục tìm đường mới.

2. Kỹ thuật Multipoint Relay (MPR) trong giao thức OLSR giải quyết vấn đề gì và điều kiện chọn nút MPR là gì?

Kỹ thuật MPR được thiết kế nhằm tối thiểu hóa chi phí phụ trội (overhead) do hiện tượng phát tràn lan (flooding) các bản tin quảng bá trạng thái liên kết. Điều kiện chọn MPR: Mỗi nút $A$ chọn một tập hợp con từ các nút hàng xóm trực tiếp một bước (one-hop) làm MPR sao cho tất cả các nút hàng xóm hai bước (two-hop) của $A$ đều có liên kết trực tiếp tới ít nhất một nút trong tập MPR này. Chỉ những nút thuộc tập MPR mới được phép chuyển tiếp bản tin kiểm soát topo (TC).

3. Tại sao giao thức điều khiển truyền vận TCP hoạt động kém hiệu quả trong mạng Ad hoc?

TCP vốn được thiết kế cho mạng có dây với giả định các nút mạng là tĩnh, việc mất gói chủ yếu do nghẽn mạng gây ra. TCP ước lượng thời gian toàn trình (RTT) và tỷ lệ mất gói để kích hoạt cơ chế điều khiển luồng và giảm cửa sổ nghẽn. Trong mạng Ad hoc, các nút di động thường xuyên làm đứt liên kết hoặc gây trễ đường truyền; TCP không thể phân biệt được giữa việc mất gói do tính di động với mất gói do nghẽn mạng, dẫn đến việc hạ thấp tốc độ truyền dẫn không cần thiết và làm suy giảm thông lượng nghiêm trọng.

4. Giá trị thời gian hết hạn của một tuyến đường hoạt động (ACTIVE_ROUTE_TIMEOUT) trong AODV được ấn định là bao nhiêu?

Trong giao thức AODV, thời gian hết hạn của một tuyến đường hoạt động (ACTIVE_ROUTE_TIMEOUT) được xác định trong văn bản là 3000 ms (tương đương 3 giây). Sau khoảng thời gian này nếu tuyến không có dữ liệu truyền qua, con trỏ định tuyến sẽ bị xóa khỏi bảng.

5. Công thức xác định tỷ lệ gói nhận được ($R_D$) và trễ đầu cuối đến đầu cuối ($T_{delay}$) được biểu diễn như thế nào trong đồ án?

Theo Chương 3 của đồ án:

  • Tỷ lệ gói nhận được: $R_D = P_R / P_S$, trong đó $P_R$ là số gói nhận được tại tầng ứng dụng của nút đích, $P_S$ là số gói gửi đi từ tầng ứng dụng của nút nguồn.
  • Trễ đầu cuối đến đầu cuối tính theo hai cách: $T_{delay} = T_{rev} - T_{send}$ (hiệu thời gian nhận và gửi), hoặc $T_{delay} = T_{buffer} + T_{relay} + T_{prop} + T_{resend}$ (tổng trễ đệm, trễ chuyển tiếp trung gian, trễ truyền lan và thời gian truyền lại gói tin).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Vũ Huy Cường đã hoàn thành việc khảo sát toàn diện cơ sở lý thuyết, các thách thức kỹ thuật và phân loại chi tiết các giao thức định tuyến trong mạng Ad hoc. Công trình đã làm rõ nguyên lý hoạt động, cấu trúc bản tin và cơ chế xử lý sự cố của bốn giao thức đại diện OLSR, DSR, AODV và DYMO. Thông qua việc xây dựng phương pháp đánh giá định lượng và mô phỏng trên nền tảng OMNeT++, nghiên cứu cung cấp tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo rõ ràng cho việc nghiên cứu và tối ưu hóa giao thức truyền thông không dây tùy biến.