Chương 1 ĐỊNH NGHĨA MẠNG ĐẶC BIỆT DI ĐỘNG Chương này định nghĩa mạng đặc biệt di động (MANET – Mobile Ad-hoc Network) và các đặc trưng của nó. Sau đó sẽ giới thiệu tổng quan về các ứng dụng trong đó vai trò của mạng MANET là rất cần thiết.1 Thế nào được gọi là đặc biệt (ad-hoc) Theo từ điển Lạc Việt – 2002, “ad hoc” có nghĩa như sau: ad hoc (adj): đặc biệt, không dự tính trước, không theo thể thức. Theo từ điển Webster, “ad hoc” được định nghĩa như sau: ad hoc adj 1: often improvised or impromptu; “an ad hoc committee meeting” 2: for or concerned with one specific purpose; “a coordinated policy instead of ad hoc decisions” adv: for one specific case; “they were appointed ad hoc”. Khi thuật ngữ ad-hoc được sử dụng trong mạng máy tính, nó chỉ một mạng tự phát, gồm các nút, được tạo ra nhân một sự kiện hoặc nhu cầu nào đó.
Điều này có nghĩa là một mạng MANET có thể có tuổi thọ rất ngắn, ngược lại hoàn toàn với mạng h ữu tuyến truyền thống – được lắp đặt và tồn tại trong một khoảng thời gian rất dài mà không hề thay đổi về cấu trúc. Ngữ cảnh sử dụng mạng MANET sẽ được giới thiệu trong các phần sau.2 Định nghĩa mạng đặc biệt di động 1.1 Định nghĩa Định nghĩa mạng đặc biệt di động (MANET – Mobile Ad-hoc NETwork): Là một mạng được hình thành bởi một tập các nút (máy/thiết bị) không dây, di động mà không hề có bất cứ sự trợ giúp nào của một trạm quản lý tập trung, một cơ sở hạ tầng truyền thông có trước hoặc sự can thiệp của người dùng. Việc truyền thông giữa các nút được thực hiện nếu như hai nút là đủ gần nhau để trao đổi các gói tin. Có thể hình dung mạng MANET như một đồ thị, trong đó các nút mạng được biểu diễn bởi các đỉnh của đồ thị.
Nếu hai nút có thể truyền thông trực tiếp với nhau, liên kết đó được biểu diễn bởi đường nối giữa hai nút. Đồ thị biểu diễn này là một đồ thị tùy ý, có thể thay đổi hình dạng tại bất cứ thời điểm nào. 12 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Hình vẽ 1-1: Một mạng MANET gồm 7 nút. Hình tròn biểu diễn phạm vi hoạt động của mỗi nút.
Các nút nằm trong phạm vi hoạt động của nhau có thể truyền thông trực tiếp được với nhau. Mạng MANET có thể là một mạng tách biệt, cũng có thể được kết nối với một mạng khác lớn hơn, ví dụ mạng Internet. Để tiện tham khảo hơn, xin đưa ra một định nghĩa về mạng MANET bằng tiếng Anh [21]: A collection of wireless mobile hosts forming a temporary network without the aid of any centralized administration or standard support services regularly available on the wide-area network to which the hosts may normally be connected. Theo [13], kết nối giữa các nút được kiểm soát bởi khoảng cách giữa các nút và tính sẵn sàng hợp tác để tạo thành một mạng “dính liền”, mặc dù là tạm thời.
(1) Khoảng cách giữa các nút: Trong mạng ad-hoc, ngoài các nút mạng, không cần thiết phải có thêm bất cứ một cơ sở hạ tầng mạng nào cả. 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.
(2) Tính sẵn sàng hợp tác: (1) chỉ là điều kiện cần, chưa phải là điều kiện đủ để thành lập mạng ad-hoc. 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”. 13 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com (3) Mạng ngang hàng tạm thời: Tại bất cứ một thời điểm nào, mạng ad-hoc được xác định bởi các nút đang “online” và ở trong một khoảng cách nhất định.
Một nút luôn có xu hướng tham gia hay biến mất khỏi mạng. Do đó, mạng được coi là tạm thời. Hơn nữa, do không có một cơ sở hạ tầng mạng cho trước, các nút trong mạng phải truyền thông theo kiểu ngang hàng (peer-to-peer).2 Các thuật ngữ của mạng đặc biệt di động Các thuật ngữ của mạng đặc biệt di động được sử dụng trong luận văn này: Nút mạng (node): Các máy tính/thiết bị riêng lẻ tham gia vào mạng ad-hoc. Một mạng đặc biệt di động có thể được biểu diễn như trong Hình vẽ 1-1.
Hai nút là có liên kết với nhau bởi một đường liên kết (link) nếu như chúng ở trong phạm vi hoạt động của nhau. Trong luận văn này, các từ (cụm từ) “mạng đặc biệt di động”, “mạng MANET”, “mạng ad-hoc” đều chỉ cùng một mạng đặc biệt di động (mobile adhoc network) với định nghĩa đã được đưa ra trong mục 1.3 Các ứng dụng của mạng đặc biệt di động Các công nghệ của mạng đặc biệt di động đem lại rất nhiều lợi ích so với các mạng truyền thống (cả không dây và có dây) trong những ngữ cảnh khó có thể triển khai được 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). Phần dưới đây sẽ giới thiệu các ứng dụng của mạng MANET.1 Ứng dụng trong quân đội Những thành tựu mới của công nghệ thông tin thường được áp dụng trong quân sự đầu tiên, và mạng đặc biệt di động 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.
Theo [4], giải pháp mạng MANET cho quân đội có những đặc điểm khác so với mạng MANET thuần túy 14 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Mạng MANET thuần túy Mạng MANET dùng cho quân đội Hình vẽ 1-2: Mô hình di động của mạng MANET thuần túy và giải pháp dùng trong quân đội Mạng MANET thuần túy thường tuân theo một mô hình điểm ngẫu nhiên, các nút tự do di chuyển theo bất cứ hướng nào, với bất cứ tốc độ nào. Trong mô hình mạng MANET cho quân đội, các nút phân nhóm theo bản chất tự nhiên c ủa chúng khi chúng cùng thực hiện một nhiệm vụ cụ thể. Xu hướng di động ở đây là theo nhóm (group mobility): - Quân đội thường hành động theo một chuỗi các mệnh lệnh. Mặc dầu việc truyền thông không nhất thiết phải tuân theo các chuỗi mệnh lệnh một cách nghiêm ngặt, các nút mạng nhìn chung vẫn được phân bố vật lý theo chuỗi mệnh lệnh.
Điều này ảnh hưởng tới việc cấu hình (topo) mạng thành lập như thế nào. - Các triển khai của quân đội trên chiến trường thường dựa trên nhiệm vụ. Mỗi đơn vị phải có khả năng tự hoạt động trong phạm vi của nó và hợp tác với nhau. Đặc điểm này dẫn đến việc có thể đoán trước được một phần nào chuyển động của một đơn vị.
- Các triển khai của quân đội thường tuân theo hoạt động trong một vùng giới hạn, trong một khoảng thời gian được xác định trước. Các nút không được chuyển động ngẫu nhiên. Do đó, nếu đưa ra được 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 như tiếng nói, video,…), cho phép phát triển một giải pháp tối ưu.2 Các ứng dụng trong cuộc sống Mạng MANET là rất lý tưởng trong các trường 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. 15 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Cứu hộ Tại các vùng bị thiên tai, thảm họa, khó có thể có được một cơ sở hạ tầng về thông tin vững chắc.
Hệ thống có trước đó rất có thể bị hỏng hoặc bị phá hủy hoàn toàn. Tại vùng có thảm họa, tất cả các phương tiện và hệ thống truyền thông đều bị phá hủy hoàn toàn. Mỗi chiếc xe của cảnh sát, cứu hỏa, cứu thương,… đều được trang bị như một thiết bị đầu cuối di động – là một phần của mạng ad-hoc. Mỗi nhân viên cũng mang theo một thiết bị đầu cuối di động.
Các thiết bị đầu cuối này đều liên kết với nhau, hình thành nên một mạng tạm thời nhằm trao đổi thông tin. Cấu hình mạng thay đổi theo những thời điểm khác nhau. Ngoài ra, các thiết bị đầu cuối di động không chỉ cung cấp chức năng gửi và nhận thông tin mà còn có thể chuyển tiếp thông tin – đóng vai trò như router trên Internet [1]. Hội thảo Trong một cuộc hội thảo, mỗi người tham dự có một thiết bị cầm tay riêng của họ hoặc một laptop có card mạng không dây.
Bình thường, nếu những người tham dự này muốn chia sẻ file hoặc tài liệu cho nhau, họ phải truy cập vào mạng nhà (home) của họ, sau đó đính kèm các file/tài liệu này vào thư vào gửi tới người nhận. Một cách khác là copy file/tài liệu vào đĩa mềm và trao đổi các đĩa này cho nhau. Cả hai cách làm trên đều rất không hiệu quả. Tất cả những người tham dự hội thảo đều có thể sử dụng thiết bị di động để tạo thành một mạng ad-hoc trong suốt thời gian đó.
Các thiết bị có thể truyền thông với nhau, truyền/nhận các tài liệu được sử dụng trong hội thảo. Khi hội thảo kết thúc, các thiết bị được tắt nguồn, mạng tự bị hủy bỏ. Đời sống hàng ngày [20] Loona, một học sinh tám tuổi, sống tại ngoại ô Paris. Hàng ngày, em đi học bằng xe buýt và cầm theo điện thoại di động (thiết bị đầu cuối di động).
Khi lên xe bus, thiết bị đầu cuối của em chuyển sang chế độ ad-hoc. Loona gặp bạn và muốn trao đổi file để so sánh kết quả bài tập toán về nhà. Sau đó, hai em muốn chơi trò chơi điện tử. Để có thể chơi với những người chơi khác, hai em phải kiểm tra xem trên xe buýt hoặc trong các ô tô xung quanh có một mạng chơi trò chơi điện tử nào hay chưa.
Loona chạy một ứng dụng ngang hàng và tìm một trò chơi nào đó có thể chơi trong lúc đi trên xe buýt. Rất may, một ai đó trên xe buýt đã chia sẻ các trò chơi và cho phép người khác tải về từ thiết bị đầu cuối của anh ta. Loona chọn một trò chơi. Trò chơi được tự động tải về, cài đặt và cấu hình trên thiết bị đầu cuối của em.
16 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Em có thể chơi điện tử ngay sau đó.