MỞ ĐẦU Mặc dù ý tƣởng nghiên cứu về mạng MANET (Mobile Ad hoc Network) có từ những năm 70 của thế kỷ XX khi nghiên cứu về công nghệ Mobile Packet Radio, hiện nay vẫn còn rất nhiều vấn đề về mạng MANET dành đƣợc sự quan tâm của cộng đồng nghiên cứu nhƣ: bài toán định tuyến, tối ƣu hóa tầng vật lý và tầng MAC, khả năng tự cấu hình, các vấn đề về an ninh, các ứng dụng và dịch vụ mới cho mạng ad hoc cùng kiến trúc của chúng … Một mạng MANET làm việc trên nguyên lý quảng bá theo từng chặng từ một nút nguồn tới các nút láng giềng nằm trong phạm vi truyền thông của nó. Các vấn đề liên quan tới năng lƣợng truyền thông là những vấn đề phổ biến ảnh hƣởng tới chức năng của mạng không dây phi cấu trúc. Nó liên quan tới toàn bộ các tầng trong ngăn xếp giao thức, từ tầng vật lý tới tầng chuyển vận làm phát sinh ba vấn đề chính: độ trễ cao, mất gói tin và thông lƣợng thấp. Do các tính chất khác biệt của mạng MANET so với mạng truyền thống, có nhiều thách thức cần đƣợc giải quyết từ các nhà nghiên cứu và triển khai công nghệ mạng này.
Để góp phần giải quyết những vấn đề là thách thức của mạng MANET, giao thức định tuyến sử dụng trong mạng này cần đảm bảo đƣợc yêu cầu tối thiếu hoá tải điều khiển và tải xử lý, hỗ trợ định tuyến đa chặng, đáp ứng những thay đổi về topo mạng và ngăn chặn định tuyến lặp. Khi một giao thức đƣợc thiết kế theo nguyên tắc phân tầng, hoạt động của giao thức này chỉ tập trung vào một tầng cụ thể nào đó mà không xem xét tới các tham số từ các tầng khác của trong mô hình ngăn xếp giao thức. Vì vậy, hoạt động của các giao thức chỉ đạt mục tiêu tại tầng mà nó đƣợc thiết kế chứ không c 2 tối ƣu cho vấn đề điều khiển năng lƣợng truyền thông gây ảnh hƣởng tới hiệu năng của toàn mạng. Đã có nhiều cải tiến nghiên cứu đƣợc đề xuất nhằm cải tiến các giao thức định tuyến cho mạng MANET.
Tuy nhiên, mỗi đề xuất cải tiến chỉ áp dụng cho một giao thức định tuyến hoặc một nhóm các giao thức có chung chiến lƣợc định tuyến nhất định. Các so sánh đánh giá về hiệu năng của các giao thức đã cải tiến so với các giao thức ban đầu cũng chỉ tập trung vào một số mô hình toán học và kịch bản mô phỏng nhất định đối với mạng MANET. Vì vậy, trong từng ngữ cảnh triển khai mạng MANET với các yêu cầu cụ thể, cần lựa chọn, cải tiến và sử dụng giao thức định tuyến một cách phù hợp. Đề tài này tập trung nghiên cứu vào một số phƣơng pháp và kỹ thuật cải tiến giao thức định tuyến dành cho mạng MANET trên cơ sở phƣơng pháp tiếp cận xuyên tầng nhằm tối ƣu hóa việc sử dụng năng lƣợng trong truyền thông để nâng cao hiệu năng mạng.
Trong đó, tập trung vào phƣơng pháp sử dụng thông tin về độ mạnh của tín hiệu thu đƣợc (RSS) từ tầng vật lý để xây dựng cơ chế điều khiển năng lƣợng truyền động tích hợp vào giao thức AODV tại tầng định tuyến nhằm tối ƣu việc sử dụng năng lƣợng tại các nút mạng và tăng độ tin cậy truyền thông. Cấu trúc luận văn đƣợc trình bày nhƣ sau: Chƣơng 1 trình bày tổng quan về mạng MANET và các ứng dụng của mạng này. Các đề xuất tối ƣu hóa năng lƣợng trong mạng MANET sẽ đƣợc trình bày trong Chƣơng 2. Thiết kế, thuật toán, mô phỏng, phân tích và đánh giá của giao thức CLPC tiếp cận theo hƣớng xuyên tầng nhằm tối ƣu hóa năng lƣợng trong mạng MANET đƣợc trình bày c 3 trong Chƣơng 3.
Cuối cùng là phần kết luận đƣa ra những tổng kết và hƣớng phát triển của luận văn. TỔNG QUAN VỀ MẠNG MANET VÀ ỨNG DỤNG 1. Giới thiệu về mạng MANET 1. Định nghĩa và đặc trưng của mạng MANET Theo định nghĩa của Tổ chức IETF (Internet Engineering Task Force), MANET ( Mobile Ad-hoc Network) còn đƣợc gọi là Mạng ad hoc không dây di động là một vùng tự trị (Autonomous System) của các bộ định tuyến đƣợc kết nối với nhau bằng liên kết không dây.
Mỗi nút mạng vừa đóng vai trò là thiết bị đầu cuối vừa đóng vai trò là bộ định tuyến. Các nút có thể di chuyển một cách tự do làm cho kiến trúc của mạng thay đổi liên tục. Minh họa mạng MANET Nhƣ vậy có thể thấy mạng MANET bao gồm tập các nút không dây di động có thể trao đổi dữ liệu một cách linh động mà không cần sự hỗ trợ của trạm cơ sở cố định hoặc mạng có dây. Mỗi nút di động có một phạm vi truyền giới hạn, do đó chúng cần sự trợ giúp của các nút láng giềng để chuyển tiếp các gói dữ liệu.1 là một ví dụ minh họa cho một mạng MANET.
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 MANET. Trong mạng MANET, liên kết giữa các nút mạng đƣợc đặc trƣng bởi khoảng cách giữa các nút và tính sẵn sàng hợp tác để tạo thành mạng mặc dù là tạm thời.
Để triển khai thành công đƣợc mạng MANET, thiết kế và công nghệ mạng phải đáp ứng đƣợc các yêu cầu sau: Đảm bảo kết nối khi nút mạng di chuyển: Khoảng cách giữa các nút hoặc trạng thái ở gần nhau của chúng định nghĩa ranh giới mạng. Chỉ cần hai hoặc nhiều nút chuyển động trong một bán kính nhất định là tạo thành một mạng ad-hoc. Chính sự chuyển động làm cho khoảng cách giữa các nút thay đổi gây ra bản chất đặc biệt (ad-hoc) của mạng. Tính sẵn sàng hợp tác: Các nút ở trong khoảng cách đủ gần phải sẵn sàng hợp tác để tạo thành mạng.
Nói cách khác, tự bản thân nút quyết định “online” hay “offline”. Mạng ngang hàng tạm thời: Tại bất cứ một thời điểm nào, mạng ad-hoc đƣợc xác định bởi các nút đang “online” và ở trong một khoảng cách nhất định. Một nút luôn có xu hƣớng tham gia hay biến mất khỏi mạng. Do đó, mạng đƣợc coi là tạm thời.
Hơn nữa, do không có một cơ sở hạ tầng mạng cho trƣớc, các nút trong mạng phải truyền thông theo kiểu ngang hàng (peer-to- peer). Đặc điểm của mạng MANET Do MANET 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 MANET còn có một số đặc điểm nổi bật sau [2]: Cấu trúc động: Do tính chất di chuyển ngẫu nhiên của các nút mạng nên cấu trúc của loại mạng này cũng thƣờng xuyên thay đổi một cách ngẫu nhiên ở những thời điểm không xác định trƣớc. Trong khi thay đổi, cấu trúc của mạng MANET có thêm hoặc mất đi các kết nối hai chiều hoặc kết nối một chiều. Chất lƣợng liên kết hạn chế: Các liên kết không dây thƣờng có băng thông nhỏ hơn so với các liên kết có dây.
Ngoài ra, do ảnh hƣởng của cơ chế đa truy cập, vấn đề suy giảm tín hiệu, nhiễu và các yếu tố khác, băng thông thực của các liên kết không dây thƣờng thấp hơn nhiều so với tốc độ truyền tối đa theo lý thuyết của môi trƣờng truyền không dây. Các nút mạng có tài nguyên hạn chế: Mỗi nút di động trong mạng MANET có thể là một bộ cảm biến, một điện thoại thông minh hoặc một máy tính xách tay. Thông thƣờng các thiết bị này có tài nguyên hạn chế so với các máy tính trong mạng có dây và không dây truyền thống về tốc độ xử lý, dung lƣợng bộ nhớ và năng lƣợng nguồn pin nuôi sống hoạt động của nút. Độ bảo mật thấp ở mức độ vật lý: Mạng không dây di động thƣờng chịu tác động về mặt vật lý từ các nguồn gây nguy hại về an ninh nhiều hơn so với mạng có dây.
Về khía cạnh vật lý, các kỹ thuật gây mất an ninh và bảo mật trong mạng nhƣ nghe lén, giả mạo và tấn công từ chối dịch vụ thƣờng dễ triển khai trong mạng MANET hơn là trong mạng có dây truyền thống. Ứng dụng của mạng MANET Mạng MANET có rất nhiều ƣu thế so với các mạng truyền thống về mặt ứng dụng trong những điều kiện khó có thể triển khai đƣợc một cơ sở hạ tầng mạng cố định hoặc việc triển khai là không khả thi do những lý do về mặt thực hành (địa hình,…) hoặc do những lý do về kinh tế (chi phí cáp trong một không gian lớn, chi phí thiết lập nhiều điểm truy cập). Ứng dụng trong quân đội Những thành tựu mới của công nghệ thông tin thƣờng đƣợc áp dụng trong quân sự đầu tiên, và mạng không dây kiểu không cấu trúc cũng không phải là một ngoại lệ. Nhiều năm nay, quân đội đã sử dụng các mạng “packet radios” – một nguyên mẫu đầu tiên của mạng chuyển mạch gói không dây ngày nay.
Mạng MANET thuần túy thƣờng tuân theo một mô hình điểm ngẫu nhiên, các nút tự do di chuyển theo bất cứ hƣớng nào, với bất cứ tốc độ nào. Trong mô hình mạng MANET cho quân đội, các nút phân nhóm theo bản chất tự nhiên của chúng khi chúng cùng thực hiện một nhiệm vụ cụ thể. Xu hƣớng di động ở đây là theo nhóm (group mobility) Do đó, nếu đƣa ra đƣợc một mô hình chuyển động theo nhóm, các vấn đề của mạng MANET sẽ trở nên cụ thể hơn (ví dụ: định tuyến, sử dụng các ứng dụng thời gian thực nhƣ tiếng nói, video,…), cho phép phát triển một giải pháp tối ƣu. Các ứng dụng trong cuộc sống c 8 Mạng MANET rất lý tƣởng trong các trƣờng hợp không có sẵn một cơ sở hạ tầng thông tin, tuy nhiên lại cần phải thành lập một mạng tạm thời nhằm trao đổi thông tin và hợp tác cùng làm việc.
Tại các vùng bị thiên tai, thảm họa, khó có thể có đƣợc một cơ sở hạ tầng về thông tin vững chắc. Hệ thống có trƣớc đó rất có thể bị hỏng hoặc bị phá hủy hoàn toàn. Tại vùng có thảm họa, tất cả các phƣơng tiện và hệ thống truyền thông đều bị phá hủy hoàn toàn.