Luận văn: Định tuyến trong Mạng không dây Ad-hoc - Trần Trung Kiên (ĐHBK Hà Nội)

Tìm hiểu các giao thức định tuyến trong mạng Ad-hoc, phân tích ưu nhược điểm và đề xuất giải pháp tối ưu cho hệ thống mạng không dây hiện đại.

• Tác giả: Trần Trung Kiên
• Người hướng dẫn: Ts. Ngô Quỳnh Thu
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Mạng Máy Tính Và Truyền Thông
• Đề tài: Định Tuyến Trong Mạng Không Dây Ad-Hoc
• Loại tài liệu: Luận văn
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan về Mạng Ad hoc Không Dây

Mạng Ad-hoc không dây là một hạ tầng mạng hiện đại với khả năng tự tổ chức và tự điều phối. Các nút mạng trong mạng Ad-hoc hoạt động độc lập mà không cần hỗ trợ từ cơ sở hạ tầng trung tâm. Đây là giải pháp lý tưởng cho các ứng dụng quân sự, ứng cứu thảm họa và truyền thông di động. Mạng không dây Ad-hoc có tính linh hoạt cao, cho phép các thiết bị di động kết nối nhanh chóng. Tuy nhiên, các mạng này cũng đối mặt với nhiều thách thức như hạn chế băng thông, thời lượng pin và độ tin cậy kết nối. Nghiên cứu về định tuyến trong mạng Ad-hoc là một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ thông tin hiện nay.

1.1. Khái Niệm và Đặc Điểm Chung của Mạng Ad hoc

Mạng Ad-hoc là hệ thống các nút di động kết nối với nhau thông qua liên kết không dây. Mỗi nút có khả năng định tuyến các gói tin đến các nút khác. Các đặc điểm nổi bật bao gồm: tô-pô động, khả năng tự tổ chức, tính độc lập về hạ tầng. Mạng không dây Ad-hoc không yêu cầu điểm truy cập cố định, cho phép thiết bị kết nối linh hoạt hơn.

1.2. Các Ứng Dụng Thực Tiễn của Mạng Ad hoc

Mạng Ad-hoc không dây được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Quân sự sử dụng mạng Ad-hoc để thực hiện liên lạc tối mật không phụ thuộc cơ sở hạ tầng. Trong ứng cứu thảm họa, các nhân viên cứu hộ có thể thiết lập mạng không dây tạm thời. Y tế sử dụng mạng Ad-hoc để giám sát bệnh nhân từ xa. Các ứng dụng khác bao gồm mạng cảm biến, giao thông thông minh và truyền thông trên biển.

II. Định Tuyến trong Mạng Ad hoc Không Dây

Định tuyến là một thành phần then chốt trong mạng Ad-hoc vì nó quyết định đường đi của các gói tin. Giao thức định tuyến mạng Ad-hoc phải thích ứng với tô-pô động, tiết kiệm năng lượng và băng thông. Các giao thức định tuyến Ad-hoc được phân loại thành ba loại chính: định tuyến điều khiển theo bảng ghi, định tuyến theo yêu cầu nguồn và định tuyến kết hợp. Định tuyến trong mạng không dây Ad-hoc đặc biệt khó khăn vì các nút di động liên tục thay đổi vị trí. Giao thức AODV và DSR là hai giao thức định tuyến phổ biến nhất trong nghiên cứu mạng Ad-hoc.

2.1. Phân Loại Giao Thức Định Tuyến Ad hoc

Định tuyến điều khiển theo bảng ghi (Table Driven Routing) duy trì bảng định tuyến hoàn chỉnh tại mỗi nút. Định tuyến theo yêu cầu nguồn (Source Initiated On-demand Routing) chỉ khám phá tuyến đường khi cần thiết. Định tuyến kết hợp (Hybrid Routing) kết hợp ưu điểm của cả hai loại. Giao thức AODV sử dụng yêu cầu định tuyến để tìm tuyến đường mới. Giao thức DSR cho phép các nút tự quản lý định tuyến để giảm lưu lượng điều khiển.

2.2. Yêu Cầu Đối với Giao Thức Định Tuyến Ad hoc

Giao thức định tuyến cho mạng Ad-hoc phải đáp ứng nhiều yêu cầu khắt khe. Chúng phải có khả năng định tuyến hiệu quả với chi phí tối thiểu. Giao thức cần tiết kiệm năng lượng vì các thiết bị di động chạy bằng pin. Cần giảm lưu lượng định tuyến để tiết kiệm băng thông. Giao thức phải phát hiện và khắc phục lỗi liên kết nhanh chóng. Độ trễ của định tuyến phải thấp để đảm bảo truyền thông thực thời.

III. Các Giao Thức Định Tuyến Thông Dụng

Giao thức AODV (Ad hoc On-demand Distance Vector) là một trong những giao thức định tuyến được sử dụng rộng rãi nhất trong mạng Ad-hoc. AODV hoạt động theo cơ chế tìm kiếm yêu cầu, giảm lưu lượng mạng so với các giao thức khác. Giao thức DSR (Dynamic Source Routing) cho phép từng gói tin mang thông tin đường đi hoàn chỉnh. Giao thức DSDV duy trì bảng định tuyến sẽ được cập nhật định kỳ. Giao thức ZRP kết hợp định tuyến theo bảng ghi vùng và định tuyến theo yêu cầu. Mỗi giao thức định tuyến có ưu và nhược điểm riêng tùy vào yêu cầu mạng Ad-hoc cụ thể.

3.1. Giao Thức AODV và Cơ Chế Hoạt Động

Giao thức AODV khám phá tuyến đường khi có yêu cầu gửi dữ liệu. Nguồn gửi yêu cầu định tuyến (RREQ) để tìm đích. Giao thức AODV sử dụng số thứ tự để tránh vòng lặp. Nút đích gửi phản hồi RREP khi nhận được RREQ. Định tuyến AODV duy trì tuyến đường trong thời gian sử dụng. Khi liên kết bị mất, giao thức phát hiện lỗi và khôi phục định tuyến nhanh chóng.

3.2. So Sánh các Giao Thức Định Tuyến Khác

Giao thức DSR có lợi thế tiết kiệm năng lượng nhưng tăng kích thước gói tin. Giao thức DSDV cập nhật định kỳ tạo lưu lượng định tuyến lớn hơn. Giao thức ZRP cân bằng giữa proactive và reactive, thích hợp cho mạng Ad-hoc quy mô vừa. Giao thức AODV thường hiệu quả nhất cho mạng động. Lựa chọn giao thức định tuyến phụ thuộc vào đặc điểm mạng Ad-hoc như kích thước, tốc độ di chuyển và yêu cầu ứng dụng.

IV. Mô Phỏng và Đánh Giá Hiệu Năng Mạng Ad hoc

Mô phỏng mạng Ad-hoc là phương pháp quan trọng để kiểm proof các giao thức định tuyến trước khi triển khai thực tế. Simulator NS2 được sử dụng phổ biến để mô phỏng mạng không dây Ad-hoc. Mô phỏng cho phép kiểm tra hiệu năng với các tô-pô khác nhau, từ 3 nút đến hàng trăm nút. Đánh giá hiệu năng bao gồm thông lượng mạng, độ trễ truyền, tỷ lệ gói tin bị mất. Kết quả mô phỏng cho thấy giao thức AODV đạt cân bằng tốt giữa thông lượng và độ trễ. Mô phỏng mạng Ad-hoc giúp tối ưu hóa các giao thức định tuyến để đáp ứng yêu cầu thực tế.

4.1. Công Cụ Mô Phỏng và Cấu Hình

NS2 (Network Simulator 2) là nền tảng mô phỏng mạng được sử dụng rộng rãi. Mô phỏng NS2 cung cấp khả năng mô phỏng mạng Ad-hoc với độ chính xác cao. Kiến trúc NS2 bao gồm core engine và các module ngoại rộng. Chuẩn wireless theo mô hình Monarch của CMU được tích hợp. Công cụ mô phỏng cho phép cấu hình các thông số như khoảng cách truyền, mô hình chuyển động, luật lưu thông lượng dữ liệu.

4.2. Chỉ Số Hiệu Năng và Kết Quả Đánh Giá

Thông lượng mạng được đo bằng lượng dữ liệu thành công truyền trong đơn vị thời gian. Độ trễ là thời gian truyền từ nút nguồn đến nút đích. Tỷ lệ gói tin bị mất phản ánh độ tin cậy của mạng Ad-hoc. Kết quả đánh giá cho mạng 9 nút và mạng 80 nút cho thấy hiệu năng thay đổi theo số lượng nút. Giao thức AODV duy trì thông lượng ổn định khi mạng mở rộng. Độ trễ tăng nhẹ khi tô-pô phức tạp hơn do tăng số lần định tuyến.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Tổng quan về mạng Ad-hoc di động không dây 1. Giới thiệu chung mạng không dây Mạng không dây ngày cảng đóng vai trò quan trọng trong cuộc sông con người. Đây lả một thế hệ mạng sử dụng các kết nổi không dây để truyền tin hiệu cho nhau.

Chúng được sử dụng trong hâu hét các lĩnh vực như: mạng không dây gia đình, giúp kết nỏi các thiết bị thông minh sử dụng trong nhả; mạng điện thoại không, đây trong doanh nghiệp. Mạng không dây có tính linh hoạt cao, hỗ trợ các thiết bị đi động nên không. bị ràng buộc có định về phân bố địa lý như trong mạng hữu tuyến. Ngoải ra, trong.

quả trình hoạt động chúng ta cỏn có thé dé dang bổ sung hay thay thế các thiết bị tham gia mang mà không cân phải câu hình lại toàn bộ topology của mạng. Tuy nhiên hạn chẻ lớn nhất của mạng không dây là tốc độ truyền chưa cao so với mạng có dây truyền thông (mạng hữu tuyển); bên cạnh đỏ khả năng bị nhiều vả mat gi tin trên đường truyền cũng là vẫn đề lớn tiếp tục được các viện nghiên cứu, các tập đoản, các doanh nghiệp. quan tâm tim hướng giải quyết. “4 AP: Access Point Hình 1.

Mô hình mạng không dây 10 Hình 28. Đồ thị độ trể kết nói từ mút 55 đến nút 77. Dé thị độ rễ của toàn mạng EO nút. Đê thị gói tún bị lỗi kết nối từ núi.

Đỗ thị gói tin bị lỗi của toàn mạng 8Ó nút. Giới thiệu bộ mô phỏng mạng NS-2 48 2. Mô phông mạng không đây đi động trong N82. Tạo nút di déng (MobileNit).

Tao di chuyén cho Nut (Creating Nut movements). Tạo bộ mô phỏng sự kiện 55 2. Lưu vết vết hoạt động của mạng. Tạo kết ndi UDP 56 3.

Cầu trúc tập tin theo vật mạng đi động không dây 802. Tỏm tắt chương,.osccscssccccrerreerce TH hư Chương 4. Mô phông, đánh giá hiệu năng các giao thức định tuyến. Thước đo hiệu răng giao thie định Luyển 1.

Thông lượng mang (Throughpttt). Thời gian trễ truyền tin (delay) oo. Gói tin bi mat (packet lost) - - - a 60 1. Đường đi giữa nút nguồn và địchh.

Trích xuất dữ liệu bằng seript Tel. Phương pháp thye bin. Vẽ đã thị với gnuplot 62 4. Ma phéng ind hinh bai toan 9 nil mang -.

Kich han mô phông. Đánh giá hiệu năng các giao thức mạng. Mô phỏng mô hình bài toán 80 nút mạng -. Kích bản mô phỏng.

Topo mạng mô phóng. Danh giá hiên năng các giao thắc mạng. Đường định tuyến. se coi KẾT LUẬN.

Kết quả đạt được của luận vất 2. Hướng nghiên cửu tiếp theo. TÀI LIỆU THAM KHẢO. Giới thiệu bộ mô phỏng mạng NS-2 48 2.

Mô phông mạng không đây đi động trong N82. Tạo nút di déng (MobileNit). Tao di chuyén cho Nut (Creating Nut movements). Tạo bộ mô phỏng sự kiện 55 2.

Lưu vết vết hoạt động của mạng. Tạo kết ndi UDP 56 3. Cầu trúc tập tin theo vật mạng đi động không dây 802. Tỏm tắt chương,.osccscssccccrerreerce TH hư Chương 4.

Mô phông, đánh giá hiệu năng các giao thức định tuyến. Thước đo hiệu răng giao thie định Luyển 1. Thông lượng mang (Throughpttt). Thời gian trễ truyền tin (delay) oo.

Gói tin bi mat (packet lost) - - - a 60 1. Đường đi giữa nút nguồn và địchh. Trích xuất dữ liệu bằng seript Tel. Phương pháp thye bin.

Vẽ đã thị với gnuplot 62 4. Ma phéng ind hinh bai toan 9 nil mang -. Kich han mô phông. Đánh giá hiệu năng các giao thức mạng.

Mô phỏng mô hình bài toán 80 nút mạng -. Kích bản mô phỏng. Topo mạng mô phóng. Danh giá hiên năng các giao thắc mạng.

Đường định tuyến. se coi KẾT LUẬN. Kết quả đạt được của luận vất 2. Hướng nghiên cửu tiếp theo.

TÀI LIỆU THAM KHẢO. Giới thiệu bộ mô phỏng mạng NS-2 48 2. Mô phông mạng không đây đi động trong N82. Tạo nút di déng (MobileNit).

Tao di chuyén cho Nut (Creating Nut movements). Tạo bộ mô phỏng sự kiện 55 2. Lưu vết vết hoạt động của mạng. Tạo kết ndi UDP 56 3.

Cầu trúc tập tin theo vật mạng đi động không dây 802. Tỏm tắt chương,.osccscssccccrerreerce TH hư Chương 4. Mô phông, đánh giá hiệu năng các giao thức định tuyến. Thước đo hiệu răng giao thie định Luyển 1.

Thông lượng mang (Throughpttt). Thời gian trễ truyền tin (delay) oo. Gói tin bi mat (packet lost) - - - a 60 1. Đường đi giữa nút nguồn và địchh.

Trích xuất dữ liệu bằng seript Tel. Phương pháp thye bin. Vẽ đã thị với gnuplot 62 4. Ma phéng ind hinh bai toan 9 nil mang -.

Kich han mô phông. Đánh giá hiệu năng các giao thức mạng. Mô phỏng mô hình bài toán 80 nút mạng -. Kích bản mô phỏng.

Topo mạng mô phóng. Danh giá hiên năng các giao thắc mạng. Đường định tuyến. se coi KẾT LUẬN.

Kết quả đạt được của luận vất 2. Hướng nghiên cửu tiếp theo. TÀI LIỆU THAM KHẢO. TÔNG QUAN VẺ NIIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN Su phat trién manh ctia mang MANET (Mobile Ad hoc Network) kéo theo vẫn để cần cò một giao thức định tuyển hiệu quá.

Hiện nay, các nhà khoa học đã để xuất rất nhiền giao thúc khác nhau cho thể hệ mạng này. Tuy nhiên, để có thể nghiên củu được chúng trong thực nghiệm, chúng ta cầu chỉ phí khá lớn. Do đỏ, lắc giả đã chọn hướng nghiên cứu bằng cách sử dụng công cụ mô phóng mạng. Công cu duoc chon 46 14 NS2 (Network Sinulater 2).

Dựa trên co sở đó, luận văn tập trung vào bến nhiệm vụ chính 1. Nghiên cửu các chuẩn dược sử dụng trong mạng không dây nói chung. Nghiên cứu các giao thức định tuyến trong mang khéng day Ad-hoc như. DSDV, AODV, DSR, ZRP 3.

Nghiên cửu về công cụ mô phỏng mang NS2 4. Tham khảo và chạy các chương trình mô phỏng đánh giá hiệu tăng của giao thức định tuyển DSDV, AODV, DSR trong mạng Ad-hoe với mỗ hình bai toàn 9 nút và mô hình bài toán 80 mút, ỗ cục của luận văn Luận văn duge chia lam 4 chuong: «© Chương 1. Tổng quan về mạng không day « Chương 2. Định tuyển trong mạng không day ad-hoc e Chương 3.

Cơ sở lý thuyết mê phỏng mạng « _ Chương 4: Chạy chương trình mô phóng đánh giá hiệu năng giao thức định tuyến mạng không dây. DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỎ THỊ Tình 1. Mô hình mạng không dây 'Hình 2. Phân loại các chuẩn mạng không đây theo khoảng cách dịa lý.

Mô hinh mạng không đây vô tuyển Ad- hoc 3 nút mạng, Hình 4 Tope Ad-hoc gẩm 6 nit mang - Hình 5. Phân loại các giao thức dịnh tuyến mạng Ad học. Mạng Ad-hee 3 nút mạng. Tope Ad-hoe 8 núi mạng Hình.

Topo mạng với nút 1 di chuyển mất liên kết với nút 2. Topo mạng sau khi nút L di chuyến tới vị trí mới Hình 19. Giao thức AODV khám phó và duy trì tuyển dường. Vị dụ giao thức AOI2V khối tạo đường đi.

Ví đụ giao thức DSE khởi tạo đường đi Tình 13. Cáu vừng cửa giao thúc Z. Kiển trúc NS2. Kiến trúc bên trong một nút đi động Hình 16.

SRNúI theo chuẩn wiroless của Monarch của CMU 1uổ rộng ra N62 Tlinh 17. Topo mang giả lập 9 nứt ban đầu. Topo mang 9 múi sau khả kết thúc đi chuyển Hình 19. Đô thị thông hương từ nút 2 dến nút 3 Linh 20.

Dé thi théng lượng của toàn mạng 9 nút. Đề thị độ trễ trung bình kết nội từ rút 2 đến nút 3. Hình 22, Bé thi dé trể trung bình của toàn mạng 9 mút. Dồ thị gói tin bị lỗi từ mút 2 đến mút 4.

Để thị gói tìm bị lỗi rủa. toàm mạng 9 túi Hình 25. 1 'opo mạng giả Jap mé phéng 80 nit ccs essere snsoeeeseoeetinsee Tĩnh 26. Dồ thị thông hượng, từ nút 55 đến nút 77 Hình 37.

Đề thị thông lượng của toàn mạng 8Ö nút. Tổng quan về mạng Ad-hoc di động không dây 1. Giới thiệu chung mạng không dây Mạng không dây ngày cảng đóng vai trò quan trọng trong cuộc sông con người. Đây lả một thế hệ mạng sử dụng các kết nổi không dây để truyền tin hiệu cho nhau.

Chúng được sử dụng trong hâu hét các lĩnh vực như: mạng không dây gia đình, giúp kết nỏi các thiết bị thông minh sử dụng trong nhả; mạng điện thoại không, đây trong doanh nghiệp. Mạng không dây có tính linh hoạt cao, hỗ trợ các thiết bị đi động nên không. bị ràng buộc có định về phân bố địa lý như trong mạng hữu tuyến. Ngoải ra, trong.

quả trình hoạt động chúng ta cỏn có thé dé dang bổ sung hay thay thế các thiết bị tham gia mang mà không cân phải câu hình lại toàn bộ topology của mạng. Tuy nhiên hạn chẻ lớn nhất của mạng không dây là tốc độ truyền chưa cao so với mạng có dây truyền thông (mạng hữu tuyển); bên cạnh đỏ khả năng bị nhiều vả mat gi tin trên đường truyền cũng là vẫn đề lớn tiếp tục được các viện nghiên cứu, các tập đoản, các doanh nghiệp. quan tâm tim hướng giải quyết. “4 AP: Access Point Hình 1.

Mô hình mạng không dây 10 DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỎ THỊ Tình 1. Mô hình mạng không dây 'Hình 2. Phân loại các chuẩn mạng không đây theo khoảng cách dịa lý. Mô hinh mạng không đây vô tuyển Ad- hoc 3 nút mạng, Hình 4 Tope Ad-hoc gẩm 6 nit mang - Hình 5.

Phân loại các giao thức dịnh tuyến mạng Ad học. Mạng Ad-hee 3 nút mạng. Tope Ad-hoe 8 núi mạng Hình. Topo mạng với nút 1 di chuyển mất liên kết với nút 2.

Topo mạng sau khi nút L di chuyến tới vị trí mới Hình 19. Giao thức AODV khám phó và duy trì tuyển dường. Vị dụ giao thức AOI2V khối tạo đường đi. Ví đụ giao thức DSE khởi tạo đường đi Tình 13.

Cáu vừng cửa giao thúc Z. Kiển trúc NS2. Kiến trúc bên trong một nút đi động Hình 16. SRNúI theo chuẩn wiroless của Monarch của CMU 1uổ rộng ra N62 Tlinh 17.

Topo mang giả lập 9 nứt ban đầu. Topo mang 9 múi sau khả kết thúc đi chuyển Hình 19. Đô thị thông hương từ nút 2 dến nút 3 Linh 20. Dé thi théng lượng của toàn mạng 9 nút.

Đề thị độ trễ trung bình kết nội từ rút 2 đến nút 3. Hình 22, Bé thi dé trể trung bình của toàn mạng 9 mút. Dồ thị gói tin bị lỗi từ mút 2 đến mút 4. Để thị gói tìm bị lỗi rủa.

toàm mạng 9 túi Hình 25. 1 'opo mạng giả Jap mé phéng 80 nit ccs essere snsoeeeseoeetinsee Tĩnh 26. Dồ thị thông hượng, từ nút 55 đến nút 77 Hình 37. Đề thị thông lượng của toàn mạng 8Ö nút.

Đồ thị độ trể kết nói từ mút 55 đến nút 77.