Tổng quan nghiên cứu

Mạng di động tùy biến (MANET) là một trong những công nghệ mạng không dây có tính linh hoạt cao, được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực quân sự, cứu trợ khẩn cấp, vận tải và truyền thông di động. Theo ước tính, dung lượng mạng MANET là một chỉ số quan trọng phản ánh năng lực vận chuyển tối đa của mạng trong điều kiện tốt nhất. Tuy nhiên, dung lượng này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như số lượng nút mạng, độ linh động của các nút, giao thức định tuyến và mô hình truyền thông. Các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào các mô hình lý thuyết với các nút mạng cố định, bỏ qua ảnh hưởng của sự di động và các giao thức định tuyến thực tế.

Mục tiêu của luận văn là đánh giá dung lượng mạng MANET dựa trên số nút và độ linh động của các nút mạng, sử dụng các giao thức định tuyến phổ biến như AODV và DSR. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi mô phỏng mạng với số lượng nút thay đổi từ 25 đến 169, vận tốc di chuyển từ 0 đến 20 m/s, trên vùng mô phỏng 1000m x 1000m. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc lựa chọn giao thức định tuyến phù hợp, tối ưu hóa hiệu năng mạng MANET trong các ứng dụng thực tế, đặc biệt trong môi trường mạng có tính biến động cao.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Mạng MANET (Mobile Ad hoc Network): Mạng không dây động, không cần hạ tầng cố định, các nút vừa là thiết bị truyền thông vừa là bộ định tuyến. Đặc điểm chính gồm tô-pô mạng động, khoảng cách truyền sóng ngắn, năng lượng hạn chế, băng thông thấp và bảo mật yếu.

  • Giao thức định tuyến trong MANET: Bao gồm ba loại chính:

    • Giao thức định tuyến dựa trên bảng (Proactive): Luôn duy trì bảng định tuyến cập nhật, phù hợp với mạng ít di động.
    • Giao thức định tuyến theo yêu cầu (Reactive): Tạo đường đi khi có nhu cầu, tiết kiệm tài nguyên, phù hợp với mạng có độ linh động cao.
    • Giao thức định tuyến kết hợp (Hybrid): Kết hợp hai cơ chế trên, thích hợp với mạng quy mô lớn.

  • Giao thức AODV (Ad hoc On Demand Distance Vector): Giao thức định tuyến theo yêu cầu, sử dụng bảng định tuyến truyền thống, kiểm tra độ mới của thông tin bằng Sequence Number, tối ưu đường đi dựa trên hop-count.

  • Giao thức DSR (Dynamic Source Routing): Giao thức định tuyến theo yêu cầu, sử dụng cơ chế định tuyến nguồn, lưu trữ toàn bộ đường đi trong header gói tin, duy trì bộ nhớ đệm đường đi (Route Cache).

  • Mô hình di chuyển nút mạng: Sử dụng hai mô hình tổng hợp phổ biến:

    • Random Waypoint: Nút di chuyển đến điểm đích ngẫu nhiên với tốc độ phân bố đều, có thời gian tạm dừng.
    • Random Walk: Nút di chuyển ngẫu nhiên theo hướng và tốc độ, không có thời gian tạm dừng.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các mô phỏng mạng MANET trên bộ mô phỏng NS-2 phiên bản 2.34 và 2.35.

  • Phương pháp phân tích: Mô phỏng mạng với các tham số thay đổi gồm số nút (25, 49, 81, 121, 169), vận tốc di chuyển (0, 5, 10, 15, 20 m/s), mô hình di chuyển (Random Waypoint, Random Walk), giao thức định tuyến (AODV, DSR). Lưu lượng truyền tải sử dụng mô hình CBR với tốc độ 4 packet/s, kích thước gói tin 512 byte, thời gian mô phỏng 600 giây.

  • Timeline nghiên cứu: Mô phỏng và thu thập dữ liệu trong khoảng thời gian 10 phút cho mỗi kịch bản, đảm bảo đủ thời gian để các nút di chuyển và thay đổi tô-pô mạng.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Số lượng nút mạng thay đổi theo lưới vuông từ 5x5 đến 13x13, đảm bảo khoảng cách giữa các nút phù hợp với phạm vi truyền sóng 250m. Mỗi kịch bản được chạy nhiều lần với các tệp ngữ cảnh di chuyển khác nhau để lấy giá trị trung bình, giảm sai số.

  • Công cụ hỗ trợ: Sử dụng các công cụ như Perl để xử lý dữ liệu, Gnuplot để vẽ đồ thị phân tích kết quả mô phỏng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của số nút mạng đến dung lượng:

    • Khi số nút tăng từ 25 (5x5) đến 121 (11x11), dung lượng mạng tăng tuyến tính nhanh chóng với cả hai giao thức AODV và DSR.
    • Khi số nút tăng lên 169 (13x13), dung lượng mạng không còn tăng tuyến tính mà có xu hướng bão hòa, tăng theo hàm logarit do hiện tượng giao thoa và tắc nghẽn kênh truyền.
    • Thông lượng mạng sử dụng AODV cao hơn DSR khoảng 10-15% trong các kịch bản tĩnh.

  2. Ảnh hưởng của độ linh động (vận tốc nút) theo mô hình Random Waypoint:

    • Dung lượng mạng giảm khi vận tốc nút tăng từ 0 đến 20 m/s, do tô-pô mạng thay đổi liên tục gây mất kết nối và tăng chi phí định tuyến.
    • Ở vận tốc 0 m/s, dung lượng đạt mức cao nhất, giảm khoảng 25-30% khi vận tốc đạt 20 m/s.
    • AODV duy trì dung lượng cao hơn DSR khoảng 8-12% trong mọi mức vận tốc.

  3. Ảnh hưởng của mô hình di chuyển:

    • Mô hình Random Walk với chuyển động liên tục không có thời gian tạm dừng làm dung lượng mạng giảm mạnh hơn so với Random Waypoint.
    • Sự biến động dung lượng trong mô hình Random Walk lớn hơn, thể hiện qua sai số khoảng 97,5% trong các tệp mô phỏng.
    • AODV thể hiện sự ổn định dung lượng tốt hơn DSR trong môi trường di động cao.

  4. So sánh hiệu quả giao thức định tuyến:

    • AODV có chi phí định tuyến thấp hơn, lựa chọn đường đi tối ưu hơn nhờ kiểm tra hop-count và sequence number.
    • DSR thu thập nhiều đường đi hơn nhưng dễ bị giảm hiệu suất khi mạng có độ di động cao do tồn tại nhiều đường đi không còn hiệu lực trong Route Cache.
    • Cả hai giao thức đều phù hợp với mạng MANET, nhưng AODV ưu việt hơn trong môi trường mạng có mật độ nút cao và độ di động lớn.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng cho thấy dung lượng mạng MANET phụ thuộc chặt chẽ vào số lượng nút và độ linh động của các nút. Khi số nút tăng, dung lượng mạng tăng do khả năng truyền tải dữ liệu được mở rộng, nhưng đến một ngưỡng nhất định, hiện tượng giao thoa sóng và tắc nghẽn kênh làm dung lượng bão hòa. Điều này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về giới hạn dung lượng mạng không dây.

Độ linh động cao làm thay đổi liên tục tô-pô mạng, gây mất kết nối và tăng chi phí định tuyến, làm giảm dung lượng mạng. Mô hình Random Waypoint với thời gian tạm dừng giúp mạng ổn định hơn so với mô hình Random Walk, nơi các nút di chuyển liên tục và ngẫu nhiên.

So sánh hai giao thức AODV và DSR cho thấy AODV có ưu thế về hiệu suất và ổn định dung lượng trong các điều kiện mạng khác nhau, nhờ cơ chế kiểm tra độ mới của thông tin định tuyến và lựa chọn đường đi tối ưu. DSR phù hợp với mạng có mật độ thấp và độ di động thấp hơn.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa số nút, vận tốc di chuyển và dung lượng mạng, giúp trực quan hóa xu hướng và so sánh hiệu quả các giao thức.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa số lượng nút mạng: Cần duy trì số lượng nút trong phạm vi phù hợp với vùng phủ sóng để tránh hiện tượng giao thoa và tắc nghẽn, tối ưu hóa dung lượng mạng. Chủ thể thực hiện: Nhà quản lý mạng, thời gian: ngắn hạn (6 tháng).

  2. Lựa chọn giao thức định tuyến phù hợp: Ưu tiên sử dụng giao thức AODV trong các mạng MANET có mật độ nút cao và độ di động lớn để đảm bảo hiệu suất và ổn định dung lượng. Chủ thể thực hiện: Nhà phát triển phần mềm mạng, thời gian: trung hạn (1 năm).

  3. Phát triển mô hình di chuyển thực tế: Nghiên cứu và áp dụng các mô hình di chuyển phù hợp với môi trường ứng dụng thực tế để mô phỏng chính xác hơn, từ đó cải thiện hiệu quả định tuyến. Chủ thể thực hiện: Các nhà nghiên cứu, thời gian: dài hạn (2 năm).

  4. Tăng cường quản lý và điều phối mạng: Áp dụng các kỹ thuật quản lý băng thông, điều phối truy cập kênh để giảm thiểu giao thoa và tăng dung lượng mạng. Chủ thể thực hiện: Nhà cung cấp dịch vụ mạng, thời gian: trung hạn (1 năm).

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ Thông tin: Nắm bắt kiến thức chuyên sâu về mạng MANET, giao thức định tuyến và phương pháp mô phỏng mạng.

  2. Kỹ sư phát triển phần mềm mạng: Áp dụng kết quả nghiên cứu để thiết kế, tối ưu hóa các giao thức định tuyến và hệ thống mạng không dây.

  3. Nhà quản lý và vận hành mạng không dây: Hiểu rõ ảnh hưởng của số lượng nút và độ di động đến hiệu năng mạng để đưa ra các quyết định quản lý phù hợp.

  4. Các tổ chức quân sự, cứu trợ khẩn cấp: Ứng dụng mạng MANET trong môi trường không có hạ tầng cố định, cần đánh giá và lựa chọn giải pháp mạng tối ưu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Dung lượng mạng MANET là gì và tại sao quan trọng?
    Dung lượng mạng MANET là năng lực vận chuyển tối đa của mạng trong điều kiện tốt nhất. Nó quyết định khả năng truyền tải dữ liệu hiệu quả, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng dịch vụ mạng.

  2. Tại sao cần đánh giá dung lượng theo số nút và độ linh động?
    Số nút và độ linh động ảnh hưởng đến tô-pô mạng, giao thoa sóng và chi phí định tuyến, từ đó tác động đến dung lượng và hiệu suất mạng. Đánh giá giúp tối ưu thiết kế và vận hành mạng.

  3. Giao thức AODV và DSR khác nhau như thế nào?
    AODV sử dụng bảng định tuyến truyền thống, kiểm tra độ mới của thông tin và chọn đường đi tối ưu. DSR sử dụng định tuyến nguồn, lưu trữ toàn bộ đường đi trong gói tin, phù hợp với mạng ít di động hơn.

  4. Mô hình di chuyển nào phù hợp hơn cho mô phỏng MANET?
    Mô hình Random Waypoint phổ biến và phù hợp với nhiều trường hợp do có thời gian tạm dừng, giúp mạng ổn định hơn. Mô hình Random Walk mô phỏng chuyển động liên tục, thích hợp cho các môi trường di động cao.

  5. Làm thế nào để giảm thiểu ảnh hưởng của giao thoa trong mạng MANET?
    Có thể giảm thiểu bằng cách điều chỉnh mật độ nút, sử dụng kỹ thuật quản lý băng thông, điều phối truy cập kênh và lựa chọn giao thức định tuyến hiệu quả như AODV.

Kết luận

  • Dung lượng mạng MANET tăng theo số lượng nút đến một ngưỡng nhất định, sau đó bão hòa do giao thoa và tắc nghẽn kênh.
  • Độ linh động cao làm giảm dung lượng mạng do thay đổi tô-pô và tăng chi phí định tuyến.
  • Giao thức AODV thể hiện hiệu suất và ổn định dung lượng tốt hơn DSR trong các điều kiện mạng khác nhau.
  • Mô hình di chuyển Random Waypoint phù hợp hơn cho mô phỏng mạng MANET so với Random Walk.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc lựa chọn giao thức và thiết kế mạng MANET trong thực tế.

Next steps: Tiếp tục phát triển mô hình di chuyển thực tế, mở rộng nghiên cứu với các giao thức định tuyến mới và ứng dụng trong môi trường mạng hỗn hợp.

Các nhà nghiên cứu và kỹ sư mạng nên áp dụng kết quả này để tối ưu hóa thiết kế và vận hành mạng MANET, nâng cao hiệu quả truyền thông không dây trong các ứng dụng thực tế.