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.
