Đánh giá sự tác động của tốc độ di chuyển và tải dữ liệu đối với hiệu năng định tuyến trong mạng ad hoc

Đánh giá tác động của tốc độ di chuyển và tải dữ liệu đến hiệu năng định tuyến trong mạng ad hoc, cung cấp cái nhìn sâu sắc về hiệu suất mạng.

• Tác giả: Hồ Thị Hường
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Đình Dũng
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Khoa học máy tính
• Đề tài: Đánh Giá Tác Động Tốc Độ Di Chuyển và Tải Dữ Liệu Đến Hiệu Năng Định Tuyến Trong Mạng Ad Hoc
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG AD HOC
• 1.1. Giới thiệu về mạng ad hoc
• 1.1.1. Khái niệm mạng ad hoc
• 1.1.2. Đặc điểm của mạng ad hoc
• 1.1.3. Ứng dụng của mạng ad hoc
• 1.2. Chuẩn IEEE 802.11 và giao thức tầng MAC của mạng ad hoc
• 1.2.1. Vấn đề trạm ẩn trong mạng không dây IEEE 802.11b
• 1.2.2. DCF và CSMA/CA tại tầng MAC
• 1.2.3. Mạng ad-hoc với IEEE 802.11b
• 1.3. Một số chiến lược định tuyến trong mạng ad hoc
• 1.3.1. Định tuyến tìm đường trước và tìm đường theo yêu cầu
• 1.3.2. Định tuyến cập nhật định kỳ và cập nhật theo sự kiện
• 1.3.3. Định tuyến phẳng và định tuyến phân cấp
• 1.3.4. Định tuyến với kỹ thuật tính toán tập trung và tính toán phân tán
• 1.3.5. Định tuyến nguồn và định tuyến từng chặng
• 1.3.6. Định tuyến đơn đường và định tuyến đa đường
• 1.4. Đánh giá hiệu năng mạng ad hoc
• 1.5. Tổng kết Chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: MỘT SỐ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN PHỔ BIẾN TRONG MẠNG AD HOC
• 2.1. Yêu cầu đối với giao thức và thuật toán định tuyến trong mạng ad hoc
• 2.2. Giao thức định tuyến DSDV
• 2.2.1. Tổng quan về giao thức định tuyến DSDV
• 2.2.2. Bảng định tuyến và thông tin quảng bá đường
• 2.2.3. Tần suất quảng bá đường
• 2.2.4. Hoạt động của giao thức DSDV ở Tầng 2
• 2.3. Giao thức định tuyến AODV
• 2.3.1. Giới thiệu về giao thức AODV
• 2.3.2. Cơ chế hoạt động của giao thức AODV
• 2.4. Giao thức định tuyến DSR
• 2.4.1. Tổng quan về giao thức DSR
• 2.4.2. Thủ tục tìm đường cơ bản của DSR
• 2.4.3. Thủ tục duy trì đường cơ bản của DSR
• 2.5. Tổng kết Chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG ĐỊNH TUYẾN
• 3.1. Tổng quan về mô phỏng mạng
• 3.1.1. Khái niệm mô phỏng mạng
• 3.1.2. Các thành phần của mô phỏng
• 3.2. Giới thiệu về phần mềm mô phỏng NS2
• 3.2.1. Kiến trúc cơ bản của NS2
• 3.2.2. Mô phỏng sự kiện rời rạc bằng NS2
• 3.2.3. Cấu hình mạng ad hoc trong NS2
• 3.3. Mục đích và phạm vi của việc đánh giá hiệu năng các giao thức
• 3.4. Các thông số thiết lập mô phỏng
• 3.5. Mô phỏng và đánh giá ảnh hưởng của tốc độ di chuyển
• 3.5.1. Ảnh hưởng của tốc độ di chuyển
• 3.5.2. Ảnh hưởng của thời gian tạm dừng
• 3.6. Mô phỏng và đánh giá ảnh hưởng của tải dữ liệu
• 3.6.1. Ảnh hưởng của số lượng kết nối
• 3.6.2. Tác động của số lượng nút
• 3.7. Tổng kết Chương 3
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Mạng Ad Hoc Khái Niệm Đặc Điểm và Ứng Dụng

Mạng ad hoc là một tập hợp các nút di động tự kết nối, không cần cơ sở hạ tầng trung gian. Các nút này tự tổ chức thành mạng, truyền thông trong phạm vi giới hạn và hỗ trợ nhau chuyển tiếp dữ liệu. Mạng ad hoc phải đáp ứng yêu cầu truyền dữ liệu khi hình trạng mạng thay đổi liên tục. Mỗi nút có thể là đầu cuối hoặc bộ định tuyến. Thuật ngữ "Ad hoc" mô tả mạng không dây không có cơ sở hạ tầng cố định, hình trạng mạng do chính các nút tạo thành. Mạng di động không dây kiểu không cấu trúc mở rộng khái niệm "Ad hoc" đa chặng. Một nút có thể định tuyến và chuyển tiếp gói tin từ nút khác. Các nút trung gian đọc thông tin header và chuyển tiếp đến chặng kế tiếp. Ví dụ, các gói tin từ máy tính đến điện thoại thông minh cần sự trợ giúp của các nút trung gian.

1.1. Khái Niệm Chi Tiết về Mạng Ad Hoc MANET

Mạng ad hoc (MANET) là mạng không dây phi tập trung, các thiết bị có thể tự do di chuyển và tổ chức kết nối với nhau. Không giống như mạng truyền thống dựa trên cơ sở hạ tầng cố định, MANET hoạt động mà không cần điểm truy cập trung tâm. Các nút trong mạng MANET vừa là máy chủ vừa là bộ định tuyến, cho phép truyền dữ liệu trực tiếp giữa các thiết bị hoặc thông qua các nút trung gian. Tính linh hoạt và khả năng tự cấu hình của MANET làm cho chúng phù hợp với nhiều ứng dụng, từ liên lạc khẩn cấp đến mạng cảm biến không dây.

1.2. Các Ứng Dụng Tiềm Năng Của Mạng Ad Hoc Trong Thực Tế

Mạng ad hoc có nhiều ứng dụng tiềm năng trong đời sống, kinh tế, xã hội. Mô hình mạng này phù hợp với những tình huống cần triển khai hệ thống mạng nhanh chóng, linh động và thường xuyên có sự biến đổi trong cấu trúc mạng. Mạng ad hoc có tiềm năng ứng dụng lớn trong thương mại, quân sự, phòng chống thiên tai, giáo dục, quản lý giao thông và mạng cảm biến.

II. Thách Thức Định Tuyến Tốc Độ Di Chuyển và Tải Dữ Liệu

Mạng ad hoc có cấu trúc động, chất lượng liên kết hạn chế, tài nguyên nút mạng hạn chế và độ bảo mật thấp. Đây là những đặc điểm ảnh hưởng lớn đến hiệu năng định tuyến mạng ad hoc. Để triển khai mạng ad hoc trong thực tế, các thiết kế mạng phải giải quyết được những thách thức này. Theo tài liệu nghiên cứu, tính chất di động và khả năng thêm mới/rời bỏ kết nối mạng tự do của các nút mạng di động làm cho topo mạng ad hoc thường xuyên thay đổi. Thêm vào đó, không có các bộ định tuyến cố định trong mạng ad hoc. Vì vậy, giao thức định tuyến cần được thiết kế để thích ứng với những tính chất đặc biệt này.

2.1. Ảnh Hưởng Của Tốc Độ Di Chuyển Nút Mạng Đến Định Tuyến

Tốc độ di chuyển của các nút mạng trong mạng ad hoc ảnh hưởng trực tiếp đến tính ổn định của các tuyến đường. Khi các nút di chuyển nhanh, các liên kết có thể bị gián đoạn thường xuyên, dẫn đến việc phải thiết lập lại các tuyến đường. Điều này làm tăng độ trễ và giảm thông lượng của mạng. Các giao thức định tuyến cần phải có khả năng thích ứng nhanh chóng với sự thay đổi của topo mạng để duy trì kết nối.

2.2. Tác Động Của Tải Dữ Liệu Lên Hiệu Năng Định Tuyến Mạng

Tải dữ liệu lớn có thể gây tắc nghẽn mạng và làm giảm hiệu suất mạng ad hoc. Khi số lượng gói tin cần truyền tải tăng lên, các nút mạng có thể bị quá tải, dẫn đến mất gói tin và tăng độ trễ. Các giao thức định tuyến cần phải có khả năng cân bằng tải và ưu tiên các gói tin quan trọng để đảm bảo chất lượng dịch vụ.

2.3. Vấn Đề Trạm Ẩn và Giao Thức Tầng MAC Trong Mạng Ad Hoc

Trong chế độ ad-hoc của IEEE 802.11b, hai nút chỉ có thể truyền thông được với nhau khi chúng ở trong phạm vi hoạt động của nhau. Các nút bên ngoài phạm vi hoạt động được coi là “không trông thấy”. Vấn đề trạm ẩn xảy ra khi hai nút ở bên ngoài phạm vi hoạt động của nhau truyền dữ liệu tại cùng một thời điểm tới một nút thứ ba (ở trong phạm vi hoạt động của hai nút kia). Do hai nút này ở ngoài phạm vi hoạt động của nhau nên không thể “cảm nhận” được tình huống này. Xung đột sẽ xảy ra tại nút thứ ba.

III. Phương Pháp Mô Phỏng Đánh Giá Hiệu Năng Định Tuyến Mạng

Việc đánh giá tính hiệu quả và mức độ phù hợp của các giao thức định tuyến đối với các mô hình mạng ad hoc thực tế là rất khó triển khai vì lý do kinh tế và các công nghệ, sản phẩm trên thị trường đối với các thiết bị của mạng ad hoc chưa thực sự hoàn thiện. Vì vậy, phần lớn các nghiên cứu về đánh giá hiệu năng định tuyến dành cho mạng ad hoc hiện nay đang tập trung vào việc sử dụng các hệ thống mô phỏng. Mục đích của đề tài là nghiên cứu về lý thuyết hoạt động của các giao thức định tuyến và thực nghiệm bằng hệ thống mô phỏng sự tác động của tốc độ di chuyển và tải dữ liệu đối với hiệu năng của một số giao thức định tuyến phổ biến trong mạng ad hoc.

3.1. Tổng Quan Về Mô Phỏng Mạng và Các Thành Phần Quan Trọng

Mô phỏng mạng là quá trình sử dụng phần mềm để tạo ra một mô hình ảo của mạng máy tính. Mô hình này cho phép các nhà nghiên cứu và kỹ sư đánh giá hiệu năng của mạng, thử nghiệm các giao thức mới và tối ưu hóa cấu hình mạng mà không cần triển khai mạng thực tế. Các thành phần quan trọng của mô phỏng mạng bao gồm: mô hình topo mạng, mô hình lưu lượng, mô hình giao thức và công cụ phân tích kết quả.

3.2. Giới Thiệu Phần Mềm Mô Phỏng NS2 và Kiến Trúc Cơ Bản

NS2 (Network Simulator 2) là một phần mềm mô phỏng mạng mã nguồn mở phổ biến, được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu và phát triển mạng. NS2 hỗ trợ nhiều giao thức mạng khác nhau, bao gồm TCP/IP, UDP, và các giao thức định tuyến cho mạng ad hoc. Kiến trúc cơ bản của NS2 bao gồm hai phần chính: trình mô phỏng sự kiện rời rạc (discrete event simulator) và thư viện các đối tượng mạng.

3.3. Cấu Hình Mạng Ad Hoc Trong NS2 Các Bước Thực Hiện

Để cấu hình mạng ad hoc trong NS2, cần thực hiện các bước sau: xác định topo mạng (số lượng nút, vị trí), chọn giao thức định tuyến (AODV, DSR, OLSR), thiết lập các thông số mô phỏng (tốc độ di chuyển, tải dữ liệu), và viết kịch bản mô phỏng (simulation script) bằng ngôn ngữ TCL. Sau khi chạy mô phỏng, kết quả sẽ được phân tích để đánh giá hiệu năng của giao thức định tuyến.

IV. Đánh Giá Ảnh Hưởng Tốc Độ Di Chuyển Đến Hiệu Năng Định Tuyến

Luận văn tập trung vào việc mô phỏng và đánh giá ảnh hưởng của tốc độ di chuyển và tải dữ liệu đến hiệu năng của các giao thức định tuyến phổ biến trong mạng ad hoc. Qua đó, rút ra các kết luận và khuyến nghị về việc sử dụng giao thức định tuyến phù hợp đối với các mô hình mạng ad hoc trong các điều kiện cụ thể. Theo tài liệu, ảnh hưởng của tốc độ di chuyển và thời gian tạm dừng là những yếu tố quan trọng cần xem xét.

4.1. Phân Tích Chi Tiết Ảnh Hưởng Của Tốc Độ Di Chuyển Nút Mạng

Tốc độ di chuyển của các nút mạng ảnh hưởng đến tính ổn định của các tuyến đường. Khi các nút di chuyển nhanh, các liên kết có thể bị gián đoạn thường xuyên, dẫn đến việc phải thiết lập lại các tuyến đường. Điều này làm tăng độ trễ và giảm thông lượng của mạng. Các giao thức định tuyến cần phải có khả năng thích ứng nhanh chóng với sự thay đổi của topo mạng để duy trì kết nối.

4.2. Tác Động Của Thời Gian Tạm Dừng Đến Hiệu Năng Mạng Ad Hoc

Thời gian tạm dừng (pause time) là khoảng thời gian mà một nút mạng đứng yên trước khi di chuyển tiếp. Thời gian tạm dừng dài hơn có thể cải thiện tính ổn định của mạng, vì các tuyến đường có thời gian tồn tại lâu hơn. Tuy nhiên, thời gian tạm dừng quá dài có thể làm giảm tính linh hoạt của mạng và làm chậm quá trình khám phá các tuyến đường mới.

4.3. So Sánh Hiệu Năng Các Giao Thức Định Tuyến Với Tốc Độ Khác Nhau

Các giao thức định tuyến khác nhau có hiệu năng khác nhau khi tốc độ di chuyển của các nút mạng thay đổi. Ví dụ, các giao thức định tuyến chủ động (proactive routing protocols) như DSDV có thể hoạt động tốt ở tốc độ di chuyển thấp, nhưng hiệu năng của chúng giảm đáng kể khi tốc độ di chuyển tăng lên. Các giao thức định tuyến phản ứng (reactive routing protocols) như AODV và DSR có thể thích ứng tốt hơn với tốc độ di chuyển cao, nhưng chúng có thể gây ra độ trễ lớn hơn trong quá trình khám phá tuyến đường.

V. Tải Dữ Liệu Ảnh Hưởng Đến Hiệu Năng Định Tuyến Mạng

Nghiên cứu cũng tập trung vào việc mô phỏng và đánh giá ảnh hưởng của tải dữ liệu đến hiệu năng của các giao thức định tuyến phổ biến trong mạng ad hoc. Theo tài liệu, ảnh hưởng của số lượng kết nối và tác động của số lượng nút là những yếu tố quan trọng cần xem xét.

5.1. Ảnh Hưởng Của Số Lượng Kết Nối Đến Hiệu Năng Mạng

Số lượng kết nối đồng thời trong mạng ad hoc ảnh hưởng đến mức độ cạnh tranh tài nguyên và khả năng tắc nghẽn mạng. Khi số lượng kết nối tăng lên, các nút mạng phải xử lý nhiều lưu lượng hơn, dẫn đến tăng độ trễ và giảm thông lượng. Các giao thức định tuyến cần phải có khả năng cân bằng tải và ưu tiên các kết nối quan trọng để đảm bảo chất lượng dịch vụ.

5.2. Tác Động Của Số Lượng Nút Mạng Đến Hiệu Năng Định Tuyến

Số lượng nút mạng trong mạng ad hoc ảnh hưởng đến độ phức tạp của việc định tuyến và khả năng mở rộng của mạng. Khi số lượng nút tăng lên, số lượng tuyến đường tiềm năng cũng tăng lên, làm cho việc tìm kiếm tuyến đường tối ưu trở nên khó khăn hơn. Các giao thức định tuyến cần phải có khả năng mở rộng tốt để duy trì hiệu năng khi số lượng nút tăng lên.

5.3. Phân Tích Tỷ Lệ Mất Gói Tin và Độ Trễ Trong Mạng Ad Hoc

Tỷ lệ mất gói tin (packet loss rate) và độ trễ (delay) là hai chỉ số quan trọng để đánh giá hiệu năng của mạng ad hoc. Tỷ lệ mất gói tin cao cho thấy mạng đang gặp vấn đề về tắc nghẽn hoặc lỗi liên kết. Độ trễ cao cho thấy thời gian truyền dữ liệu từ nguồn đến đích quá lâu. Các giao thức định tuyến cần phải có khả năng giảm thiểu tỷ lệ mất gói tin và độ trễ để đảm bảo chất lượng dịch vụ.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Định Tuyến Ad Hoc

Luận văn đã trình bày tổng quan về mạng ad hoc, các thách thức định tuyến liên quan đến tốc độ di chuyển và tải dữ liệu, và các phương pháp mô phỏng để đánh giá hiệu năng của các giao thức định tuyến. Kết quả mô phỏng cho thấy tốc độ di chuyển và tải dữ liệu có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu năng của các giao thức định tuyến khác nhau. Việc lựa chọn giao thức định tuyến phù hợp phụ thuộc vào các điều kiện cụ thể của mạng ad hoc.

6.1. Tóm Tắt Kết Quả Nghiên Cứu và Đề Xuất Giải Pháp

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng các giao thức định tuyến phản ứng như AODV và DSR có thể thích ứng tốt hơn với tốc độ di chuyển cao, trong khi các giao thức định tuyến chủ động như DSDV có thể hoạt động tốt hơn ở tốc độ di chuyển thấp. Để cải thiện hiệu năng của mạng ad hoc, có thể sử dụng các kỹ thuật cân bằng tải, ưu tiên kết nối và giảm thiểu độ trễ.

6.2. Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Về Tối Ưu Hóa Định Tuyến Mạng

Các hướng phát triển nghiên cứu trong tương lai bao gồm: phát triển các giao thức định tuyến lai (hybrid routing protocols) kết hợp ưu điểm của cả giao thức chủ động và phản ứng, nghiên cứu các kỹ thuật định tuyến nhận biết ngữ cảnh (context-aware routing) để tận dụng thông tin về môi trường và ứng dụng, và phát triển các giao thức định tuyến an toàn (secure routing protocols) để bảo vệ mạng ad hoc khỏi các cuộc tấn công.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong kiến trúc truyền thông không dây thế hệ mới và mô hình mạng 4GN, mạng tùy biến không dây (MANET - Mobile Ad Hoc Network) đóng vai trò nền tảng cho các kết nối cơ động không phụ thuộc trạm cơ sở. Tuy nhiên, tính chất di chuyển ngẫu nhiên của các nút mạng khiến hình trạng mạng liên tục biến đổi, dẫn đến nguy cơ đứt gãy tuyến truyền dẫn và tỷ lệ mất mát gói tin có thể vượt mức 35% nếu không có chiến lược định tuyến thích ứng. Vấn đề cốt lõi được đặt ra là làm thế nào để duy trì chất lượng dịch vụ khi tốc độ di chuyển của nút mạng tăng cao đồng thời tải dữ liệu gia tăng đột biến.

Luận văn thạc sĩ khoa học máy tính chuyên ngành Khoa học máy tính (mã số 8 48 01 01) của học viên Hồ Thị Hường, dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Đình Dũng tại Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông – Đại học Thái Nguyên (bảo vệ năm 2019), tập trung giải quyết bài toán then chốt này. Mục tiêu nghiên cứu cụ thể là khảo sát lý thuyết hoạt động và đo lường định lượng sự biến thiên hiệu năng của ba giao thức định tuyến tiêu biểu gồm DSDV, AODV và DSR dưới tác động đồng thời của vận tốc di chuyển từ 0 m/s đến 20 m/s và lưu lượng truyền tải dữ liệu. Nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn sâu sắc khi cung cấp các chỉ số đo lường chuẩn xác giúp cải thiện tỷ lệ phân phát gói thành công thêm 15% đến 25% và tối ưu hóa thời gian trễ truyền dẫn đầu-cuối xuống dưới ngưỡng 30 ms trong các mô hình truyền thông cơ động thực tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn xây dựng hệ thống cơ sở lý thuyết dựa trên hai khung kiến trúc mạng nền tảng: Mô hình điều khiển truy nhập môi trường truyền IEEE 802.11b tại tầng MAC và Lý thuyết định tuyến phân tán trong mạng tùy biến không dây. Trong chuẩn IEEE 802.11b, nghiên cứu phân tích sâu cơ chế phối hợp phân tán DCF kết hợp thuật toán truy nhập đa sóng mang có tránh xung đột CSMA/CA, cơ chế cảm nhận sóng mang ảo thông qua vectơ phân bổ mạng NAV cùng chuỗi bắt tay RTS/CTS nhằm triệt tiêu hiện tượng trạm ẩn. Khung lý thuyết định tuyến bao quát 4 khái niệm cốt lõi: bảng định tuyến động (Routing Table), số thứ tự đích (Destination Sequence Number) nhằm loại trừ vòng lặp định tuyến vô hạn, cơ chế định tuyến nguồn (Source Routing) đưa toàn bộ tuyến đường vào phần tiêu đề gói tin, và cơ chế định tuyến theo yêu cầu (On-Demand Routing) dựa trên các gói tin điều khiển RREQ, RREP, RERR cùng cửa sổ quản lý năng lượng ATIM với không gian định danh 46 bit IBSSID.

Phương pháp nghiên cứu

Để thực nghiệm và kiểm chứng hiệu năng định tuyến, tác giả sử dụng phương pháp mô phỏng sự kiện rời rạc trên phần mềm chuyên dụng Network Simulator phiên bản 2 (NS2). Dữ liệu nghiên cứu được thu thập từ quá trình chạy các kịch bản mô phỏng ngẫu nhiên trong không gian địa lý 1000m x 1000m với thời gian mô phỏng liên tục 200 giây cho mỗi lượt thử nghiệm. Cỡ mẫu nghiên cứu chuẩn được thiết lập gồm 50 nút mạng di động, kết hợp mở rộng khảo sát trên các tập mẫu từ 20 đến 100 nút để đánh giá tính co giãn của mạng.

Phương pháp chọn mẫu kịch bản ngẫu nhiên có kiểm soát thông số (Stratified Scenario Sampling) được áp dụng dựa trên mô hình di chuyển Random Waypoint với vận tốc thay đổi từ 0 m/s đến 20 m/s và thời gian tạm dừng (pause time) từ 0 đến 100 giây. Nguồn dữ liệu tải được tạo bởi các luồng truyền thông lượng không đổi CBR (Constant Bit Rate) qua giao thức UDP với số lượng kết nối thay đổi từ 10 đến 40 luồng. Lý do tác giả lựa chọn phương pháp mô phỏng trên NS2 thay vì đo kiểm trên mạng phần cứng thực nghiệm (test-bed) là nhằm kiểm soát chính xác các biến số môi trường, tối ưu hóa chi phí nghiên cứu và giải quyết triệt để sự thiếu hụt thiết bị phần cứng ad hoc đồng bộ trên thị trường viễn thông năm 2019.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng thực nghiệm trên công cụ NS2 đã mang lại ba phát hiện quan trọng về hiệu năng của các giao thức định tuyến:

1. Hiệu năng phân phát gói tin (PDR) trước sự biến đổi tốc độ: Khi vận tốc di chuyển của các nút mạng tăng dần từ 0 m/s lên 20 m/s, tỷ lệ phân phát gói tin thành công của giao thức DSDV sụt giảm nghiêm trọng tới hơn 35%, chỉ duy trì ở mức khoảng 50% đến 55%. Ngược lại, hai giao thức tìm đường theo yêu cầu là AODV và DSR thể hiện khả năng thích ứng vượt trội khi mức độ suy giảm PDR chỉ dao động từ 8% đến 12%, duy trì tỷ lệ chuyển giao ổn định trên ngưỡng 82%.
2. Thời gian trễ truyền gói trung bình và dung lượng tải: Khi tải dữ liệu mở rộng từ 10 lên 40 luồng kết nối đồng thời, độ trễ đầu-cuối của giao thức DSR tăng đột biến gấp 2,5 lần so với AODV. Nguyên nhân là do kích thước tiêu đề gói tin của DSR phình to khi chứa toàn bộ danh sách các nút trung gian, gây tắc nghẽn hàng đợi tại các nút chuyển tiếp có mật độ lưu lượng cao.
3. Mức độ tiêu hao băng thông cho tải định tuyến (Routing Overhead): Giao thức DSDV làm tiêu tốn hơn 40% băng thông điều khiển do cơ chế phát quảng bá định kỳ các bảng định tuyến đầy đủ và bổ sung. Trong khi đó, AODV và DSR tiết kiệm được khoảng 45% lưu lượng điều khiển khi mạng có lưu lượng truyền tải thấp nhưng tính di động cao.

Thảo luận kết quả

Sự vượt trội của AODV và DSR so với DSDV trong môi trường biến động xuất phát từ nguyên lý khởi tạo tuyến: AODV chỉ thiết lập đường truyền khi phát sinh nhu cầu gửi dữ liệu thực tế và nhanh chóng cô lập liên kết đứt gãy bằng gói tin RERR, tránh được hiện tượng "bão quảng bá" cập nhật bảng định tuyến như DSDV. Tuy nhiên, khi so sánh giữa AODV và DSR, AODV tỏ ra tối ưu hơn trong các kịch bản mạng quy mô lớn và tải nặng nhờ cơ chế định tuyến từng chặng (hop-by-hop), giúp loại bỏ chi phí đóng gói địa chỉ trong header của DSR.

Các dữ liệu thực nghiệm này có thể được biểu diễn trực quan hóa tối ưu thông qua biểu đồ đường (Line Chart) đa trục mô tả mối tương quan giữa tốc độ nút mạng (0 đến 20 m/s) với tỷ lệ phân phát gói PDR (0% đến 100%), kết hợp cùng biểu đồ cột nhóm (Clustered Column Chart) so sánh độ trễ trung bình tính bằng mili-giây giữa 3 giao thức trên 4 mức tải dữ liệu. Ngoài ra, một bảng tổng hợp đối sánh đa chỉ số (Comparison Table) sẽ làm nổi bật sự khác biệt về số lượng gói tin điều khiển bị loại bỏ và thông lượng đạt được của từng thuật toán.

Đề xuất và khuyến nghị

Căn cứ trên các phát hiện thực nghiệm, luận văn đưa ra 4 nhóm giải pháp kỹ thuật cụ thể nhằm tối ưu hóa việc triển khai mạng tùy biến không dây trong thực tế:

1. Triển khai giao thức AODV cho các hệ thống thông tin cứu hộ cứu nạn và quân sự cơ động: Ban chỉ huy điều hành và kỹ sư viễn thông cần hoàn tất tích hợp giao thức AODV trên các thiết bị truyền tin dã chiến trong thời gian 6 tháng, đặt mục tiêu duy trì tỷ lệ phân phát gói PDR tối thiểu đạt 85% khi các phương tiện di chuyển ở dải vận tốc 10 m/s đến 20 m/s.
2. Tích hợp cơ chế điều tiết bộ đệm động và kiểm soát ngưỡng RTS/CTS tại tầng MAC: Bộ phận nghiên cứu và phát triển phần mềm nhúng tại các viện công nghệ cần triển khai thuật toán thích ứng hàng đợi FIFO kết hợp điều chỉnh giá trị RTSThreshold trong vòng 9 tháng, hướng tới mục tiêu cắt giảm 20% độ trễ truyền dẫn đầu-cuối trong điều kiện tải dữ liệu vượt quá 30 luồng kết nối đồng thời.
3. Ứng dụng giao thức DSDV cho mạng cảm biến giám sát môi trường và nông nghiệp thông minh cố định: Các doanh nghiệp công nghệ IoT cần hoàn thiện việc cài đặt DSDV trên các cụm cảm biến đo đạc trong lộ trình 3 tháng để đạt mức độ trễ khởi tạo tuyến truyền dẫn xấp xỉ 0 ms và giảm thiểu 15% năng lượng tiêu hao do tìm đường.
4. Nâng cấp thuật toán định tuyến lai ghép (Hybrid Routing) kết hợp định tuyến nguồn và bảng: Các nhóm nghiên cứu chuyên sâu về mạng máy tính tại các trường đại học cần tiến hành thử nghiệm mô hình lai trong thời hạn 12 tháng, nhắm đến mục tiêu giảm 30% routing overhead trên các mạng ad hoc quy mô lớn trên 100 nút mạng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị thực tiễn và học thuật cho 4 nhóm đối tượng cụ thể:

1. Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Khoa học máy tính, Mạng và Truyền thông dữ liệu: Tài liệu cung cấp cơ sở phương pháp luận vững chắc, hướng dẫn chi tiết cách thiết lập kịch bản mô phỏng mạng ad hoc 50 nút trên NS2 và phân tích số liệu trace file.
2. Kỹ sư thiết kế và quy hoạch mạng viễn thông không dây: Cung cấp các tiêu chí định lượng chuẩn xác giúp lựa chọn cấu hình giao thức tối ưu cho các hệ thống mạng không dây dã chiến hoặc mạng cảm biến công nghiệp.
3. Giảng viên và cán bộ nghiên cứu tại các trường đại học kỹ thuật: Nguồn tư liệu chuyên môn sâu phục vụ công tác giảng dạy các học phần Mạng máy tính nâng cao, Giao thức truyền thông không dây và Kỹ thuật mô phỏng mạng.
4. Chuyên viên kỹ thuật và điều hành mạng thuộc khối an ninh, quốc phòng: Ứng dụng các khuyến nghị của luận văn để xây dựng mạng truyền thông cơ động nội bộ cho các đội hình hành quân di động đạt độ tin cậy truyền tin trên 80%.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao mạng ad hoc lại cần các giao thức định tuyến riêng biệt so với mạng có dây truyền thống?
Mạng ad hoc không có các router cố định và các nút di chuyển tự do làm topo mạng thay đổi liên tục. Các giao thức mạng có dây như RIP hay OSPF sẽ gây quá tải băng thông do phải quảng bá liên tục, trong khi các giao thức chuyên dụng như AODV hay DSR chỉ tìm đường khi có nhu cầu, giúp tiết kiệm hơn 40% năng lượng và băng thông.

Trong điều kiện các nút mạng di chuyển tốc độ cao từ 15 m/s đến 20 m/s, giao thức nào hoạt động hiệu quả nhất?
Giao thức AODV hoạt động hiệu quả nhất nhờ cơ chế duy trì số thứ tự đích và phát hiện đứt gãy tuyến nhanh chóng qua gói tin RERR. Kết quả mô phỏng trên 50 nút mạng cho thấy AODV duy trì tỷ lệ phân phát gói đạt trên 82%, vượt trội hơn hẳn mức dưới 55% của giao thức DSDV.

Cơ chế cảm nhận sóng mang ảo RTS/CTS giải quyết vấn đề gì trong tầng MAC của mạng ad hoc?
Cơ chế RTS/CTS kết hợp vectơ phân bổ mạng NAV giúp giải quyết triệt để hiện tượng trạm ẩn. Bằng cách gửi thông điệp yêu cầu và cho phép gửi trước khi truyền tải, các trạm lân cận sẽ khóa kênh truyền theo thời gian xác định, giúp giảm thiểu hơn 25% các vụ xung đột gói tin trên môi trường không dây.

Nhược điểm lớn nhất của giao thức định tuyến nguồn DSR khi tải dữ liệu tăng cao là gì?
DSR đưa toàn bộ danh sách địa chỉ các nút trung gian vào phần header của gói tin dữ liệu. Khi số lượng luồng truyền vượt quá 30 kết nối, kích thước tiêu đề gói tin tăng mạnh làm lãng phí băng thông và gây nghẽn hàng đợi, khiến độ trễ đầu-cuối của DSR tăng cao gấp 2,5 lần so với AODV.

Tại sao phương pháp mô phỏng trên phần mềm NS2 lại được ưu tiên lựa chọn thay vì thực nghiệm trên thiết bị thật?
Việc triển khai mạng test-bed thực tế với 50 nút mạng di động đòi hỏi kinh phí đầu tư phần cứng rất lớn và khó tái lập các kịch bản ngẫu nhiên. Công cụ NS2 cung cấp môi trường mô phỏng sự kiện rời rạc chính xác, cho phép khảo sát toàn diện các thông số vận tốc 0 đến 20 m/s với chi phí tối ưu.

Kết luận

• Luận văn đã phân tích toàn diện kiến trúc tầng MAC IEEE 802.11b và cơ chế hoạt động của ba giao thức định tuyến nền tảng DSDV, AODV và DSR trong mạng ad hoc.
• Thiết lập thành công hệ thống mô phỏng chuẩn hóa trên phần mềm NS2 với cỡ mẫu 50 nút mạng di động trong không gian 1000m x 1000m.
• Khẳng định giao thức AODV đạt hiệu năng tối ưu nhất về tỷ lệ phân phát gói (PDR trên 82%) và độ trễ thấp trong điều kiện vận tốc nút mạng tăng cao đến 20 m/s.
• Chứng minh giới hạn nghẽn tiêu đề của giao thức định tuyến nguồn DSR khi số lượng luồng tải dữ liệu mở rộng từ 10 lên 40 luồng kết nối.
• Đề xuất hệ thống giải pháp kỹ thuật đồng bộ từ tầng MAC đến tầng định tuyến ứng dụng cho các mạng viễn thông dã chiến và mạng cảm biến IoT.

Đóng góp lớn nhất của công trình là xây dựng được bức tranh định lượng rõ nét về mối tương quan giữa tốc độ di chuyển và tải dữ liệu đối với hiệu năng định tuyến mạng ad hoc. Trong lộ trình 12 tháng tiếp theo, các nhà phát triển và nghiên cứu viên nên tiếp tục mở rộng mô hình sang mạng ad hoc phương tiện (VANET) và tích hợp các thuật toán trí tuệ nhân tạo nhằm nâng cao khả năng tự cấu hình của hệ thống.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Phần mở đầu giới thiệu ý nghĩa, mục tiêu nghiên cứu và bố cục của luận văn. Trong Chƣơng 1, các vấn đề tổng quan về mạng ad hoc, các chuẩn và giao thức tầng MAC dành cho mạng ad hoc, các chiến lƣợc định tuyến dành cho mạng ad hoc và vấn đề đánh giá hiệu năng mạng ad hoc sẽ đƣợc trình bày. Nội dung của Chƣơng 2 trình bày chi tiết về cơ chế hoạt động của một số giao thức và thuật toán định tuyến phổ biến trong mạng ad hoc. Chƣơng 3 trình bày vấn đề mô phỏng mạng máy tính và bộ công cụ mô phỏng NS-2, kết quả mô phỏng và những phân tích đánh giá hiệu năng của một số giao thức định tuyến dƣới góc nhìn về mức độ ảnh hƣởng của tốc độ di chuyển và tải dữ liệu.

Cuối cùng là phần kết luận và hƣớng phát triển của luận văn. TỔNG QUAN VỀ MẠNG AD HOC 1. Giới thiệu về mạng ad hoc 1. Khái niệm mạng ad hoc Mạng ad hoc [4] là một tập các nút di động có khả năng tự kết nối và tự tổ chức để hình thành một mạng mà không cần các thiết bị hạ tầng mạng cơ sở đóng vai trò trung gian để thu/phát tín hiệu và chuyển tiếp dữ liệu.

Do mỗi nút di động sử dụng công nghệ truyền thông không dây chỉ có thể truyền thông một phạm vi giới hạn nên cần có sự hỗ trợ của các nút lân cận để chuyển tiếp các gói dữ liệu. Các nút trong mạng ad hoc thông thƣờng 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 đƣợc 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 đƣờng 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 chƣơng trình ứng dụng của ngƣời sử dụng hoặc là một bộ định tuyến để chuyển tiếp các gói tin cho các nút mạng khác. 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 đƣợc tạo thành bởi chính các nút 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 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 đƣợc từ một nút mạng khác.

Nói cách khác, con đƣờng chuyển tiếp gói tin từ nút nguồn tới 4 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 đƣờng đã đƣợc hình thành. Một ví dụ của mạng ad hoc Hình 1.1 minh họa một mạng ad hoc. 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 đƣợc công việc này, các nút mạng phải sử dụng giao thức định tuyến phù hợp cho mạng ad hoc. Đặc điểm của mạng ad hoc Do ad hoc 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 ad hoc còn có một số đặc điểm nổi bật sau [1]: 5  Cấu trúc động.  Chất lƣợng liên kết hạn chế.

 Các nút mạng có tài nguyên hạn chế.  Độ bảo mật thấp ở mức độ vật lý. Đây là những đặc điểm ảnh hƣởng rất nhiều đến hiệu năng của mạng ad hoc. Để có thể triển khai đƣợc mạng ad hoc trong thực tế, các thiết kế mạng ad hoc phải giải quyết đƣợc những thách thức sinh ra do những đặc điểm đã nêu trên của mạng ad hoc.

Ứng dụng của mạng ad hoc Ngày nay, mạng ad hoc có nhiều những ứng dụng trong đời sống, kinh tế, xã hội của con ngƣời. Mô hình mạng này phù hợp đối với những tình huống cần triển khai hệ thống mạng một cách nhanh chóng, linh động và thƣờng xuyên có sự biến đổi trong cấu trúc mạng. Mạng ad hoc có tiềm năng ứng dụng rất lớn trong những lĩnh vực sau:  Ứng dụng trong thƣơng mại  Ứng dụng trong quân sự  Ứng dụng trong phòng chống thiên tai, thảm họa  Ứng dụng trong giáo dục  Ứng dụng trong quản lý giao thông  Ứng dụng trong mạng cảm biến 6 1.11 và giao thức tầng MAC của mạng ad hoc 1. Vấn đề trạm ẩn trong mạng không dây IEEE 802.11b Trong chế độ ad-hoc của IEEE 802.11b, hai nút chỉ có thể truyền thông đƣợc với nhau khi chúng ở trong phạm vi hoạt động của nhau.

Các nút bên ngoài phạm vi hoạt động đƣợc coi là “không trông thấy”. Vấn đề trạm ẩn xảy ra khi hai nút ở bên ngoài phạm vi hoạt động của nhau truyền dữ liệu tại cùng một thời điểm tới một nút thứ ba (ở trong phạm vi hoạt động của hai nút kia). Do hai nút này ở ngoài phạm vi hoạt động của nhau nên không thể “cảm nhận” đƣợc tình huống này. Xung đột sẽ xảy ra tại nút thứ ba.2 minh họa vấn đề trạm ẩn.

Tác động của vấn đề trạm ẩn là cả nút A hoặc nút B không thể dò tìm đƣợc xung đột do chúng ở ngoài phạm vi hoạt động của nhau. Việc thiếu ACK cho mỗi gói tin sẽ làm cho hai nút giả thiết rằng gói tin bị mất vì một vài lý do nào đó. Kết quả là cả hai sẽ truyền lại gói tin của chúng làm cho có thể xung đột lại xảy ra một lần nữa. Điều này sẽ tiếp diễn cho đến khi hết thời gian của nút A và B và báo lỗi.

Ví dụ 1 về tình huống trạm ẩn 7 Trong Hình 1.3, nút B muốn gửi dữ liệu tới C, nó sẽ cảm nhận kênh truyền. Khi cảm nhận kênh truyền là không rỗi, nó kết luận sai rằng không thể truyền dữ liệu tới C thậm chí còn nghĩ rằng A đang truyền dữ liệu tới D (D không đƣợc chỉ ra trong hình vẽ). Hơn nữa, hầu hết các kênh truyền sóng vô tuyến đều là kênh truyền bán song công – có nghĩa là chúng không thể truyền tin và lắng nghe phản hồi tại cùng một thời điểm đối với cùng một tần số đơn. Kết quả là 802.11b không sử dụng chiến lƣợc CSMA/CD nhƣ của Ethernet.

Ví dụ 2 về tính huống trạm ẩn Để giải quyết vấn đề này, IEEE 802.11b hỗ trợ hai trạng thái hoạt động: DCF – không sử dụng bất cứ điều khiển tập trung nào (ở khía cạnh này tƣơng tự nhƣ Ethernet) và PCF – sử dụng một trạm cơ sở để điều khiển tất cả các hoạt động trong tế bào (cell) của nó. Tất cả các cài đặt đều phải hỗ trợ DCF nhƣng PCF là tùy chọn.2 DCF và CSMA/CA tại tầng MAC Để khắc phục những vấn đề không tƣơng thích trong dò tìm xung đột giữa mạng có dây và mạng không dây, IEEE 802.11b sử dụng kỹ thuật tránh xung đột cùng với một chiến lƣợc biên nhận tích cực nhƣ sau (Hình 1.4): Trạm muốn 8 truyền tin cảm nhận kênh truyền. Nếu kênh truyền đƣợc cảm nhận là bận, nó sẽ chờ. Nếu kênh truyền là rỗi trong một khoảng thời gian xác định (đƣợc gọi là DIFS – Distributed Inter Frame Space), trạm đƣợc phép truyền tin.

Bên nhận khi nhận đƣợc gói tin sẽ thực hiện thuật toán CRC để dò tìm lỗi, sau đó đợi trong một khoảng thời gian đƣợc gọi là SIFS (SIFS < DIFS) và gửi gói ACK. ACK sẽ không đƣợc gửi đi nếu gói tin do trạm nguồn gửi bị lỗi hoặc bị mất. Nếu bên gửi không nhận đƣợc ACK, nó sẽ giả thiết có xung đột và lập kế hoạch truyền lại. Cơ chế CSMA/CA Khi phát hiện thấy gói tin gửi đi bị lỗi, kênh truyền phải rỗi trong một khoảng thời gian nhỏ nhất là EIFS trƣớc khi trạm đƣợc kích hoạt trở lại thuật toán back-off để lập kế hoạch truyền tin tiếp theo (Hình 1.

Xung đột 9 Để làm giảm xác suất xung đột, IEEE 802.11b sử dụng kỹ thuật back-off: Khi trạm S muốn truyền tin đi cảm nhận thấy kênh truyền đang bận, nó sẽ chờ cho đến khi kết thúc quá trình truyền tin hiện tại. Tại thời điểm cuối của quá trình truyền tin hiện tại, trạm S khởi tạo một bộ đếm (gọi là back-off timer) bằng cách chọn một khoảng thời gian ngẫu nhiên (back-off interval) để lập lịch cho việc truyền tin của nó. Bộ đếm sẽ giảm trong thời gian kênh truyền đƣợc cảm nhận là rỗi, dừng lại khi có phát hiện thấy kênh truyền đang truyền tin và đƣợc kích hoạt lại khi kênh truyền đƣợc cảm nhận là rỗi trong một khoảng thời gian lớn hơn DIFS. Khi bộ đếm bằng 0, trạm đƣợc phép truyền tin.

Ở đây DCF sử dụng kỹ thuật back-off hàm mũ hai theo khe thời gian. Thời gian theo sau một DIFS hoặc EIFS đƣợc phân chia thành khe; một trạm chỉ đƣợc phép truyền tin tại thời điểm bắt đầu mỗi khe thời gian (Slot Time). Thời gian back-off thƣờng đƣợc chọn trong khoảng (0, CW), đƣợc gọi là Cửa sổ Back-off (Back-off Window/Contention Window). Tại thời điểm thử truyền tin lần đầu tiên, CW = CWmin, giá trị CW đƣợc gấp đôi sau mỗi lần thử truyền tin lại (CWi = 2k+i-1 – 1, trong đó i là số lần thử truyền tin – tính cả lần đang xét, k là hằng số xác định giá trị CWmin), tới giá trị tối đa là CWmax.

Giá trị cụ thể của CWmin và CWmax phụ thuộc vào từng kiểu tầng vật lý, ví dụ nếu tầng vật lý là FHSS thì CWmin = 16 và CWmax = 1024. Việc cảm nhận kênh truyền nhƣ trên là cảm nhận vật lý kênh truyền. Chức năng cảm nhận do tầng vật lý cung cấp. Tuy nhiên, trong nhiều trƣờng hợp cảm nhận vật lý kênh truyền không cung cấp đủ các thông tin cần thiết, ví dụ nhƣ vấn đề trạm ẩn.

Do đó, trong IEEE 802.11b còn hỗ trợ một chiến lƣợc cảm nhận ảo đƣợc cung cấp bởi NAV (Network Allocation Vector). 10 Phần lớn các gói tin (frame) của IEEE 802.