Đánh Giá Tác Động Của Tấn Công Lỗ Đen Trong Giao Thức AODV Trên Mạng MANET

Chuyên khảo phân tích Đánh giá ảnh hưởng của tấn công lỗ đen trong giao thức định tuyến aodv trên mạng manet, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

• Tác giả: Hoàng Lê Diên
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Văn Tam
• Trường học: Đại học Mở Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ thông tin
• Đề tài: Đánh Giá Tác Động Của Tấn Công Lỗ Đen Trong Giao Thức AODV Trên Mạng MANET
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khám Phá Mạng MANET và Giao thức định tuyến AODV Cốt Lõi

Mạng Ad-hoc Di động (MANET) là một công nghệ mạng không dây đột phá, cho phép các thiết bị di động tự tổ chức và giao tiếp mà không cần cơ sở hạ tầng cố định. Đặc điểm này làm cho mạng không dây tùy biến trở nên lý tưởng cho các ứng dụng trong môi trường khắc nghiệt hoặc tạm thời như cứu hộ thiên tai, tác chiến quân sự và mạng cảm biến. Tuy nhiên, tính linh hoạt của Mobile Ad hoc Network cũng đi kèm với nhiều thách thức, đặc biệt là trong việc định tuyến. Giao thức định tuyến là xương sống của MANET, quyết định cách các gói tin được chuyển tiếp từ nguồn đến đích. Trong số các giao thức, giao thức định tuyến AODV (Ad hoc On-Demand Distance Vector) nổi lên như một giải pháp hiệu quả. AODV là một giao thức phản ứng (reactive), nghĩa là nó chỉ thiết lập đường đi khi có yêu cầu. Cơ chế này giúp tiết kiệm băng thông và năng lượng so với các giao thức chủ ứng (proactive) liên tục cập nhật bảng định tuyến. Quá trình khám phá đường đi của AODV dựa trên việc phát quảng bá gói tin Yêu cầu Tuyến (RREQ) và nhận lại gói tin Phản hồi Tuyến (RREP). Mặc dù hiệu quả, kiến trúc mở và cơ chế hoạt động dựa trên sự tin tưởng giữa các nút khiến AODV trở thành mục tiêu hấp dẫn cho nhiều loại hình tấn công, trong đó nguy hiểm nhất là tấn công lỗ đen.

1.1. Tổng quan về Mạng Ad hoc Di động Mobile Ad hoc Network

Một mạng ad-hoc di động (MANET) là một tập hợp các nút di động có khả năng tự cấu hình để tạo thành một mạng tạm thời. Mỗi nút trong MANET không chỉ đóng vai trò là một thiết bị đầu cuối (host) mà còn là một bộ định tuyến (router), có nhiệm vụ chuyển tiếp các gói tin cho các nút khác. Đặc điểm chính của MANET bao gồm cấu trúc mạng động, hoạt động phân tán, và các liên kết không dây có băng thông hạn chế và hay biến đổi. Do không có một điểm quản trị trung tâm, các nút phải hợp tác với nhau để thực hiện các chức năng mạng quan trọng như định tuyến và bảo mật. Điều này tạo ra một môi trường linh hoạt nhưng cũng tiềm ẩn nhiều rủi ro về an ninh mạng MANET, đòi hỏi các cơ chế bảo vệ mạnh mẽ để đảm bảo hoạt động ổn định và tin cậy.

1.2. Phân tích cơ chế hoạt động của giao thức AODV

Giao thức Ad hoc On-Demand Distance Vector (AODV) hoạt động dựa trên nguyên tắc theo yêu cầu. Khi một nút nguồn cần gửi dữ liệu đến một nút đích mà chưa có đường đi trong bảng định tuyến, nó sẽ phát quảng bá một gói tin RREQ (Route Request). Các nút trung gian khi nhận được RREQ sẽ cập nhật một đường đi ngược về nút nguồn và tiếp tục chuyển tiếp RREQ. Khi RREQ đến được nút đích hoặc một nút trung gian có đường đi hợp lệ đến đích, một gói tin RREP (Route Reply) sẽ được gửi unicast trở lại nút nguồn theo đường đi ngược đã được thiết lập. Cơ chế này giúp phân tích hiệu năng AODV trở nên hiệu quả trong môi trường động. Tuy nhiên, chính sự đơn giản trong việc xác thực các gói tin RREQ và RREP này đã tạo ra các lỗ hổng bảo mật AODV nghiêm trọng, dễ bị kẻ tấn công khai thác.

II. Hiểm Họa Tấn Công Lỗ Đen Lỗ hổng bảo mật AODV chết người

Tấn công lỗ đen (Blackhole Attack) là một trong những mối đe dọa nghiêm trọng nhất đối với an ninh mạng MANET, đặc biệt là các mạng sử dụng giao thức định tuyến AODV. Cuộc tấn công này thuộc loại tấn công từ chối dịch vụ (DoS), trong đó một nút độc hại (malicious node) lợi dụng cơ chế khám phá tuyến của AODV để đánh lừa các nút khác và thu hút toàn bộ lưu lượng mạng về phía mình. Thay vì chuyển tiếp các gói tin đến đích, nút độc hại này sẽ hủy bỏ (drop) toàn bộ dữ liệu nhận được, tạo ra một "lỗ đen" trong mạng và làm gián đoạn hoàn toàn việc liên lạc. Sự nguy hiểm của tấn công blackhole nằm ở tính đơn giản và hiệu quả của nó. Kẻ tấn công không cần tài nguyên tính toán phức tạp mà chỉ cần khai thác các lỗ hổng bảo mật AODV cố hữu. Cụ thể, nút độc hại sẽ giả mạo thông tin trong gói tin RREP để tự nhận mình là có đường đi ngắn nhất và mới nhất đến đích, khiến nút nguồn tin tưởng và gửi dữ liệu qua nó. Hậu quả là hiệu suất mạng suy giảm nghiêm trọng, dẫn đến mất mát dữ liệu và tê liệt hệ thống.

2.1. Xác định các lỗ hổng bảo mật AODV bị khai thác

Giao thức AODV vốn không được thiết kế với các cơ chế bảo mật mạnh mẽ. Các trường thông tin trong gói tin điều khiển như Destination Sequence Number (DSN) và Hop Count (HC) là những điểm yếu chí mạng. Trong một cuộc tấn công lỗ đen, nút độc hại sẽ trả lời ngay lập tức mọi gói RREQ mà nó nhận được bằng một gói RREP giả mạo. Gói RREP này chứa một giá trị DSN rất cao (để tỏ ra là đường đi mới nhất) và một giá trị HC rất thấp (để tỏ ra là đường đi ngắn nhất). Do các nút AODV luôn ưu tiên đường đi mới và ngắn hơn, nút nguồn sẽ ngay lập tức chọn tuyến đường đi qua nút độc hại, tạo điều kiện cho cuộc tấn công thành công.

2.2. Cơ chế hoạt động của tấn công blackhole trong MANET

Cơ chế của tấn công blackhole diễn ra theo hai bước chính. Đầu tiên, nút độc hại lắng nghe các gói RREQ được phát quảng bá trong mạng. Ngay khi nhận được một RREQ, nó không cần kiểm tra bảng định tuyến của mình mà ngay lập tức tạo và gửi một gói RREP giả mạo về nút nguồn. Thứ hai, nút nguồn, khi nhận được RREP giả mạo này trước bất kỳ RREP hợp lệ nào từ nút đích hoặc các nút trung gian khác, sẽ cập nhật bảng định tuyến của mình và bắt đầu gửi tất cả các gói dữ liệu qua nút độc hại. Kết quả là, mọi gói tin đều bị hủy bỏ, gây ra tình trạng tấn công từ chối dịch vụ (DoS) hoàn toàn trên tuyến đường đó. Kẻ tấn công có thể hoạt động một mình hoặc phối hợp (cooperative blackhole attack) để tăng mức độ phá hoại.

III. Phương Pháp Mô Phỏng Tấn Công Lỗ Đen bằng Công cụ NS 2

Để đánh giá chính xác tác động của tấn công lỗ đen lên giao thức định tuyến AODV, phương pháp mô phỏng mạng được xem là lựa chọn tối ưu. Việc triển khai một mạng MANET thực tế để thử nghiệm tấn công là tốn kém và khó kiểm soát. Thay vào đó, các công cụ mô phỏng cho phép tạo ra các kịch bản mạng đa dạng, lặp lại các thí nghiệm một cách nhất quán và thu thập dữ liệu chi tiết về hiệu suất mạng. Trong số các công cụ hiện có, công cụ mô phỏng NS-2 (Network Simulator 2) là một lựa chọn phổ biến trong cộng đồng nghiên cứu học thuật nhờ khả năng tùy biến cao và hỗ trợ mạnh mẽ cho các giao thức mạng không dây. Bằng cách sử dụng NS-2, các nhà nghiên cứu có thể xây dựng một mô hình mạng MANET ảo, triển khai giao thức AODV, và sau đó đưa vào một hoặc nhiều nút độc hại (malicious node) để thực hiện tấn công. Việc phân tích các tệp trace log được tạo ra từ quá trình mô phỏng sẽ cung cấp những con số cụ thể về mức độ suy giảm hiệu năng, làm cơ sở khoa học để đề xuất các giải pháp phòng chống tấn công lỗ đen.

3.1. Lựa chọn công cụ mô phỏng mạng NS 2 NS 3 và OMNeT

Hiện nay có nhiều công cụ mô phỏng mạnh mẽ, bao gồm công cụ mô phỏng NS-2, công cụ mô phỏng NS-3, và OMNeT++. NS-2, mặc dù là phiên bản cũ, vẫn được sử dụng rộng rãi do có một thư viện mô hình và mã nguồn mở phong phú, đặc biệt là cho các giao thức MANET như AODV. NS-3 là phiên bản kế thừa được viết lại hoàn toàn bằng C++, cung cấp kiến trúc mô-đun hóa tốt hơn nhưng có thể yêu cầu nhiều nỗ lực hơn để port các mô hình cũ. OMNeT++ là một framework mô phỏng mạnh mẽ khác, nổi bật với giao diện đồ họa và khả năng mở rộng. Lựa chọn NS-2 cho nghiên cứu này dựa trên sự ổn định, cộng đồng hỗ trợ lớn và tính sẵn có của các module mô phỏng tấn công đã được phát triển.

3.2. Thiết lập kịch bản và tham số mô phỏng tấn công

Việc thiết lập kịch bản mô phỏng là bước quan trọng nhất. Các tham số cần được xác định rõ ràng, bao gồm: kích thước khu vực mô phỏng, số lượng nút, mô hình di chuyển của các nút (ví dụ: Random Waypoint), tốc độ di chuyển, thời gian tạm dừng (pause time), và số lượng nút độc hại. Trong kịch bản tấn công, một agent đặc biệt được lập trình để mô phỏng hành vi của nút độc hại, tức là luôn trả lời RREQ với thông số DSN cao và HC thấp. Các kịch bản sẽ được chạy trong hai điều kiện: mạng bình thường (không có tấn công) và mạng có sự hiện diện của tấn công blackhole để so sánh và đánh giá.

IV. Phân Tích Hiệu Năng AODV Chi Tiết Khi Bị Tấn Công Lỗ Đen

Kết quả từ các kịch bản mô phỏng mạng trên công cụ mô phỏng NS-2 cung cấp một cái nhìn sâu sắc về sự suy giảm hiệu suất mạng khi AODV bị tấn công lỗ đen. Các độ đo hiệu năng chính được sử dụng để đánh giá bao gồm Tỷ lệ gửi gói thành công (Packet Delivery Ratio - PDR), Thông lượng (Throughput), Độ trễ đầu cuối (End-to-End Delay), và Chi phí định tuyến (Routing Overhead). Phân tích cho thấy tấn công blackhole gây ra sự sụt giảm thảm hại ở PDR và Throughput, vì phần lớn các gói dữ liệu đều bị nút độc hại hủy bỏ thay vì được chuyển đến đích. PDR có thể giảm xuống gần bằng 0 khi nút độc hại nằm ở vị trí chiến lược. Độ trễ đầu cuối, mặc dù có vẻ giảm trong một số trường hợp, nhưng đây là một chỉ số gây hiểu lầm, bởi nó chỉ được tính cho số ít các gói tin đến được đích (nếu có), trong khi phần lớn đã bị mất. Chi phí định tuyến cũng có thể thay đổi khi mạng cố gắng tìm kiếm các tuyến đường mới không thành công. Những phân tích này khẳng định mức độ nguy hiểm của tấn công lỗ đen và sự cấp thiết của các giải pháp phòng thủ.

4.1. Đánh giá Packet Delivery Ratio PDR và throughput thông lượng

Packet Delivery Ratio (PDR) là tỷ lệ giữa số gói tin được nhận thành công tại đích và tổng số gói tin được gửi đi từ nguồn. Dưới tác động của tấn công lỗ đen, PDR giảm mạnh vì các gói tin bị chuyển hướng đến nút độc hại và bị hủy. Tương tự, throughput (thông lượng), đo lường tốc độ truyền dữ liệu thành công qua mạng, cũng giảm xuống mức rất thấp. Kết quả mô phỏng cho thấy khi số lượng nút độc hại tăng lên hoặc khi chúng ở vị trí trung tâm, cả hai chỉ số này đều tiệm cận không, cho thấy mạng gần như tê liệt hoàn toàn.

4.2. Phân tích end to end delay độ trễ và routing overhead

End-to-end delay (độ trễ) là tổng thời gian một gói tin mất để đi từ nguồn đến đích. Trong kịch bản tấn công, chỉ số này có thể khó diễn giải. Mặc dù các gói tin bị hủy không được tính, một số gói có thể đến đích qua các con đường thay thế (nếu có), làm tăng độ trễ. Routing overhead là tổng số gói tin điều khiển (RREQ, RREP, RERR) được tạo ra để duy trì các tuyến đường. Tấn công lỗ đen có thể làm tăng chi phí này do các nút liên tục phải khởi tạo lại quá trình khám phá tuyến khi các liên kết qua nút độc hại bị coi là thất bại, gây lãng phí tài nguyên mạng.

V. Top 3 Phương Pháp Phát Hiện và Phòng Chống Tấn Công Lỗ Đen

Đối mặt với mối đe dọa nghiêm trọng từ tấn công lỗ đen, cộng đồng nghiên cứu đã đề xuất nhiều cơ chế phòng thủ nhằm nâng cao an ninh mạng MANET. Việc phát hiện tấn công lỗ đen và phòng chống nó đòi hỏi các phương pháp tiếp cận đa dạng, từ việc sửa đổi giao thức AODV gốc đến việc triển khai các hệ thống giám sát độc lập. Các giải pháp này thường tập trung vào việc xác thực tính hợp lệ của các gói tin RREP trước khi cập nhật bảng định tuyến. Một nút cần có cơ chế để kiểm tra xem một nút khác có thực sự sở hữu một tuyến đường đáng tin cậy đến đích hay không, thay vì tin tưởng một cách mù quáng. Việc triển khai thành công các biện pháp phòng chống tấn công lỗ đen là yếu tố sống còn để đảm bảo tính sẵn sàng và toàn vẹn của dữ liệu trong các mạng MANET. Dưới đây là ba phương pháp tiêu biểu đã được nghiên cứu và chứng minh hiệu quả trong việc giảm thiểu tác động của loại tấn công này.

5.1. Cơ chế phòng thủ dựa trên việc xác minh chặng tiếp theo

Một trong những phương pháp phát hiện tấn công lỗ đen hiệu quả là yêu cầu nút trung gian xác minh chặng tiếp theo. Khi một nút A nhận được RREP từ nút B về một tuyến đường đến đích D, thay vì tin ngay, A sẽ gửi một yêu cầu xác minh đến nút C, là chặng tiếp theo từ B trên tuyến đường được quảng cáo. Nếu C xác nhận rằng nó có một liên kết hợp lệ đến D, thì tuyến đường qua B được coi là đáng tin cậy. Cơ chế này làm tăng độ phức tạp và chi phí định tuyến nhưng giảm đáng kể khả năng một nút độc hại có thể giả mạo thành công một tuyến đường mà nó không thực sự sở hữu.

5.2. Giải pháp an ninh với giao thức SAODV Secure AODV

Để giải quyết các lỗ hổng bảo mật AODV, một phiên bản an toàn hơn là giao thức SAODV (Secure Ad hoc On-Demand Distance Vector) đã được đề xuất. SAODV sử dụng chữ ký số và chuỗi băm để đảm bảo tính toàn vẹn và xác thực của các trường không thể thay đổi trong gói tin điều khiển. Ví dụ, giá trị Hop Count có thể được xác thực để ngăn chặn kẻ tấn công tự ý giảm nó xuống. Mặc dù SAODV cung cấp một lớp bảo vệ mạnh mẽ, nó đòi hỏi một hạ tầng quản lý khóa công khai (PKI), điều này có thể là một thách thức trong môi trường phân tán hoàn toàn của MANET.

5.3. Sử dụng hệ thống phát hiện xâm nhập IDS cho MANET

Triển khai các Tác nhân Hệ thống Phát hiện Xâm nhập (IDS Agents) trên các nút trong mạng là một hướng tiếp cận khác. Các tác nhân này hoạt động ở chế độ promiscuous, lắng nghe tất cả các gói tin trong vùng lân cận. Bằng cách phân tích hành vi của các nút láng giềng (ví dụ: một nút luôn trả lời RREQ với DSN cực cao), IDS có thể xác định và cảnh báo về sự hiện diện của một nút độc hại. Phương pháp này có ưu điểm là không cần sửa đổi giao thức định tuyến gốc nhưng đòi hỏi tài nguyên tính toán và năng lượng trên mỗi nút.

VI. Kết Luận và Tương Lai An Ninh Mạng MANET Trước Tấn Công

Nghiên cứu và đánh giá tác động của tấn công lỗ đen trên giao thức định tuyến AODV đã khẳng định đây là một mối đe dọa nghiêm trọng đối với sự ổn định và an toàn của mạng ad-hoc di động. Thông qua mô phỏng mạng sử dụng NS-2, các kết quả đã lượng hóa được mức độ suy giảm hiệu suất mạng trên các chỉ số quan trọng như PDR, throughput và delay. Sự tồn tại của chỉ một nút độc hại có thể làm tê liệt các luồng giao tiếp quan trọng, nhấn mạnh sự cấp thiết của việc tích hợp các cơ chế bảo mật vào các giao thức định tuyến. Mặc dù các giải pháp như SAODV hay IDS đã được đề xuất, cuộc chiến giữa tấn công và phòng thủ trong an ninh mạng MANET vẫn tiếp diễn. Các hình thức tấn công ngày càng tinh vi hơn, đòi hỏi các nhà nghiên cứu phải liên tục phát triển các cơ chế phòng thủ thông minh hơn, linh hoạt hơn và tiêu tốn ít tài nguyên hơn. Tương lai của mạng MANET phụ thuộc rất nhiều vào khả năng xây dựng một môi trường truyền thông đáng tin cậy và có khả năng chống chịu trước các cuộc tấn công.

6.1. Tóm tắt tác động chính của tấn công blackhole lên AODV

Tóm lại, tấn công blackhole khai thác sự tin cậy vốn có của AODV để chuyển hướng và hủy bỏ lưu lượng dữ liệu. Tác động chính của nó bao gồm: sụt giảm nghiêm trọng Tỷ lệ gửi gói thành công (PDR) và Thông lượng (Throughput); gây ra tình trạng tấn công từ chối dịch vụ (DoS); lãng phí tài nguyên mạng do các nỗ lực khám phá lại tuyến đường thất bại. Những ảnh hưởng này làm giảm đáng kể độ tin cậy và tính sẵn sàng của mạng MANET, khiến nó không thể đáp ứng yêu cầu của các ứng dụng quan trọng.

6.2. Hướng nghiên cứu tương lai về an toàn giao thức định tuyến

Hướng nghiên cứu trong tương lai cần tập trung vào việc phát triển các cơ chế phòng thủ nhẹ và hiệu quả, phù hợp với các thiết bị có tài nguyên hạn chế trong MANET. Các lĩnh vực tiềm năng bao gồm: áp dụng học máy (machine learning) để phát hiện các hành vi bất thường của nút; xây dựng các mô hình tin cậy (trust models) phân tán để các nút có thể đánh giá độ tin cậy của nhau; và nghiên cứu các giao thức định tuyến an toàn lai (hybrid), kết hợp ưu điểm của nhiều phương pháp phòng thủ khác nhau để tạo ra một hệ thống bảo mật nhiều lớp, có khả năng chống chịu cao trước các biến thể tấn công mới.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Mạng truyền thông không dây đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong đời sống, kinh tế số, xã hội của con người. Nó đã và đang phát triển rất mạnh mẽ trong thời gian gần đây. Mạng di động không dây đặc biệt là MANET cho phép các máy tính di động thực hiện kết nối và truyền thông với nhau không cần dựa trên hạ tầng có dây. Ứng dụng của mạng MANET trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: tác chiến điện tử, an ninh, dự báo, cảnh báo thiên tai thảm họa, IOT(Internet of thing)… Ưu điểm mạng MANET hoạt động trong môi trường không khí và không phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng mạng cố định, nhưng nó cũng rất dễ bị tấn công.

Những điểm yếu cơ bản của mạng MANET đến từ kiến trúc mở peer-to-peer. Những kẻ tấn công có thể xâm nhập vào mạng thông qua việc tấn công các node, từ đó làm tê liệt hoạt động của mạng. Một số các cách tấn công được tin tặc sử dụng nhiều nhất như: Blackhole, Grayhole, Wormhole, Sinkhole, Rushing and Flooding. Trên cơ sở phân tích các tấn công trong mạng MANET, trong phạm vi của luận văn bày một số vấn đề về an toàn giao thức định tuyến trong mạng MANET, tấn công lỗ đen trong giao thức định tuyến AODV và Đánh giá ảnh hưởng của tấn công lỗ đen trong giao thức định tuyến AODV trên mạng MANET.

Bố cục luận văn gồm 3 chƣơng: Chƣơng 1: Tổng quan về mạng MANET Nghiên cứu tổng quan về mạng MANET, đặc điểm, phân loại các kiểu mạng, tìm hiểu phương thức hoạt động, cơ chế tìm đường của một số giao thức định tuyến cơ bản. Trong đó tập trung tìm hiểu, phân tích kỹ vào giao thức định tuyến AODV. Chƣơng 2: Tìm hiểu các phƣơng thức tấn công trong mạng MANET Nghiên cứu những vấn đề an ninh trong mạng MANET và yêu cầu chung đảm bảo an toàn an ninh mạng, phân tích một số phương pháp tấn công phổ biến. Phân tích kỹ lưỡng cơ chế hoạt động của kiểu tấn công lỗ đen trong giao thức định tuyến AODV, đặc biệt là các trường dễ bị kẻ tấn công khai thác trong gói tin điều khiển.

Chƣơng 3: Đánh giá tấn công lỗ đen trong giao thức định tuyến AODV trên mạng MANET thông qua sử dụng công cụ mô phỏng. 9 Phân tích, lựa chọn phương pháp đánh giá, tìm hiểu công cụ mô phỏng NS2, ngôn ngữ TCL, C++, AWK, Gnuplot, tạo Agent bổ sung giao thức blackhole mô phỏng hành vi của node độc hại (lỗ đen) trong mạng dựa trên giao thức AODV có sẵn trên phần mềm mô phỏng NS2. Thiết lập bài toán mô phỏng mạng, xây dựng kịch bản, chọn tham số mô phỏng tấn công kiểu lỗ đen. Viết chương trình, Script theo từng kịch bản, phân tích file vết (trace), tính toán các thông số hiệu năng và vẽ đồ thị mô tả ảnh hưởng của lỗ đen lên thống số hiệu năng của mạng theo từng kịch bản.

Đánh giá mức độ ảnh hưởng của hiệu năng mạng khi có sự xuất hiện lỗ đen. 10 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG MANET Ngày nay mạng MANET thực sự rất phát triển ở tất cả các lĩnh vực trên thế giới. Sự gia đời điện thoại thông minh kích thích việc phát triển mạnh mẽ của mạng di động từ 3G, 4G , 5G, IOT. Mô hình MANET đã được ứng dụng và triển khai rộng rãi trên thế giới và việt nam, nó giúp cho các thiết bị di động kết nối được với nhau ở mọi lúc mọi nơi mà không cần phải xây dựng hạ tầng mạng phức tạp.

Giới thiệu tổng quan về mạng MANET Error! Reference source not found.Error! Reference source not found. Mạng tùy biến không dây (Wireless ad-hoc network) là một tập hợp gồm nhiều hơn một thiết bị/node mạng với khả năng nối mạng và giao tiếp không dây với nhau mà không cần sự hỗ trợ của một sự quản trị trung tâm, cơ sở hạ tầng mạng nào. Mỗi node trong một mạng tùy biến không dây hoạt động vừa như một máy chủ (host) vừa như một thiết bị định tuyến. Mạng MANNET Mạng MANNET được minh họa trong Hình 1.

Trong đó các gói tin từ node nguồn là một thiết bị di động cần chuyển tới một node đích là một thiết bị di động không nằm trong phạm vi truyền của node nguồn. Để chuyền dữ liệu từ node nguồn đến nút đích cần có sự trợ giúp của các node trung gian để chuyển tiếp gói tin. Do vậy các node mạng phải sử dụng giao thức định tuyến phù hợp. Thuật ngữ “Ad hoc” mô tả một mạng không có cơ sở hạ tầng cố định, trong đó hình trạng mạng được tạo thành bởi chính các node mạng.

Chế độ “Ad hoc” của chuẩn IEEE 802.11 hoạt động theo mô 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 node mạng có thể định tuyến và chuyển tiếp một gói tin nó nhận được từ một node mạng khác. Nói cách 11 khác, con đường chuyển tiếp gói tin từ node nguồn tới node đích có thể chứa các node trung gian khác. Các node trung gian sẽ đọc thông tin trong phần header của các gói tin và chuyển tiếp chúng tới chặng kế tiếp trên con đường đã được hình thành.

Các node 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 node này vẫn có thể di chuyển. Do đó, mạng MANET cần đáp ứng được yêu cầu truyền dữ liệu khi cấu trúc mạng có thể thay đổi liên tục. Các node 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 node mạng có thể đóng vai trò vừa là một node đầu cuối để chạy các chương trình ứng dụng của người sử dụng vừa là một bộ định tuyến để chuyển tiếp các gói tin cho các node mạng khác. Đặc điểm của mạng MANETError! Reference source not found. - Thiết bị tự trị đầu cuối (Autonomous terminal): Trong MANET, mỗi thiết bị di động đầu cuối là một node tự trị. Nó có thể mang chức năng của host và router.

Bên cạnh khả năng xử lý cơ bản của một host, các node di động này có thể chuyển đổi chức năng như một router. Vì vậy, thiết bị đầu cuối và chuyển mạch là không thể phân biệt được trong mạng MANET. - Hoạt động phân tán (Distributed operation): Vì không có hệ thống mạng nền tảng cho trung tâm kiểm soát hoạt động của mạng nên việc kiểm soát và quản lý hoạt động của mạng được chia cho các thiết bị đầu cuối. Các node trong MANET đòi hỏi phải có sự phối hợp với nhau.

Khi cần thiết các node hoạt động như một thiết bị chuyển tiếp để thực hiện chức năng của mình như bảo mật và định tuyến. - Định tuyến đa đường (Multipath routing): Thuật toán định tuyến không dây cơ bản có thể định tuyến một chặng và nhiều chặng dựa vào các thuộc tính liên kết khác nhau và giao thức định tuyến. Định tuyến đơn đường trong MANET đơn giản hơn định tuyến đa đường ở vấn đề cấu trúc và thực hiện với chi phí thấp và ít ứng dụng. Khi truyền các gói dữ liệu từ một nguồn của nó đến điểm trong phạm vi truyền tải trực tiếp không dây, các gói dữ liệu sẽ được chuyển tiếp qua một hoặc nhiều các node trung gian.

- Tô-pô mạng động (Dynamic network topology): Vì các node là di động, nên cấu trúc mạng có thể thay đổi nhanh và không thể biết trước, các kết nối giữa các thiết bị đầu cuối có thể thay đổi theo thời gian. MANET sẽ thích ứng tuyến và 12 điều kiện lan truyền giống như mẫu di động và các node mạng di động. Các node di động trong mạng thiết lập định tuyến động với nhau khi chúng di chuyển, hình thành mạng riêng của chúng trong không gian. Hơn nữa, một người dùng trong MANET có thể không chỉ hoạt động trong mạng lưới di động đặc biệt, mà còn có thể yêu cầu truy cập vào một mạng cố định công cộng như Internet.

- Các thiết bị đầu cuối thường có khả năng chịu tải nhẹ (Light-weight terminals): trong hầu hết các trường hợp các node trong mạng MANET là thiết bị với tốc độ xử lý thấp, bộ nhớ ít và lưu trữ điện năng ít. Vì vậy cần phải tối ưu hoá các thuật toán và cơ chế. - Dao động về dung lượng liên kết (Fluctuating link capacity): Bản chất tỷ lệ bit lỗi cao và thường xuyên biến động của kết nối không dây cần được quan tâm trong mạng MANET. Đường đi từ đầu cuối này đến đầu cuối kia có thể được chia sẻ qua một vài chặng.

Kênh giao tiếp ở đầu cuối chịu ảnh hưởng của nhiễu, hiệu ứng đa đường, sự giao thoa và băng thông của nó ít hơn so với mạng có dây. Trong một vài tình huống, truy cập của hai người dùng có thể qua nhiều liên kết không dây và các liên kết này có thể không đồng nhất. Phân loại mạng MANET Error! Reference source not found.,Error! Reference source not found. Phân loại theo cấu trúc * Mạng MANET đẳng cấp (Flat): Trong kiến trúc này tất cả các node có vai trò ngang hàng với nhau (peer - to- peer) và các node đóng vai trò như các router định tuyến gói dữ liệu trên mạng.

Trong những mạng lớn thì cấu trúc Flat không tối ưu hoá việc sử dụng tài nguyên băng thông của mạng vì những thông tin điều khiển phải truyền trên toàn bộ mạng. Tuy nhiên nó thích hợp trong những tô-pô có các node di chuyển nhiều. Mô hình mạng đẳng cấp *Mạng MANET phân cấp (Hierarchical): Đây là mô hình sử dụng phổ biến nhất. Trong mô hình này thì mạng chia thành các miền (domain), trong mỗi domain bao gồm một hoặc nhiều cụm (cluster), mỗi cluster bao gồm nhiều node (node).

Có hai loại node là node chủ hay còn được gọi là node cụm chủ (master node) và node bình thường (nomal node). - Master node: Là node quản trị một router có nhiệm vụ chuyển dữ liệu của các node trong cluster đến các node trong cluster khác và ngược lại. Nói cách khác nó có nhiệm vụ như một gateway. - Normal node: Là các node nằm trong cùng một cluster.

Nó có thể kết nối với các node trong cluster hoặc kết nối với các cluster khác thông qua master node. Mô hình mạng phân cấp + Với các cơ chế trên mạng sử dụng tài nguyên băng thông hiệu quả hơn vì các thông báo điều khiển chỉ phải truyền trong phạm vi một cluster. Tuy nhiên việc 14 quản lý tính chuyển động của các node trở nên phức tạp hơn. Kiến trúc mạng phân cấp thích hợp cho các mạng có tính chuyển động thấp.