TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN THỊ HẢI NÂNG CAO HIỆU NĂNG MẠNG AD HOC ĐA CHẶNG LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG Hà Nội, 2012 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN THỊ HẢI NÂNG CAO HIỆU NĂNG MẠNG ADHOC ĐA CHẶNG Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60 52 70 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS.Nguyễn Quốc Tuấn Hà Nội – 2012 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com MỤC LỤC Danh mục các ký hiệu, thuật ngữ và chữ viết tắt Danh mục bảng biểu, hình vẽ Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG ADHOC .2 Các đặc tính của mạng adhoc .3 Các ứng dụng của mạng adhoc .4 Các thách thức đối với mạng adhoc .2 Phân phối tài nguyên và dịch vụ .3 Kết nối với Internet .4 An ninh mạng adhoc .5 Hiệu năng mạng adhoc. 10 Chƣơng 2 GIAO THỨC IEEE802.1 Các thách thức đối với tầng MAC .1 Chất lượng liên kết RF.2 Vấn đề trạm ẩn .2 Các kiểu truy cập MAC .1 Các chức năng cảm nhận sóng mang và vec tơ phân phối mạng .2 Khoảng cách liên khung .3 Truy cập dựa trên tranh chấp sử dụng DCF. 19 Thuật toán Backoff theo luật mũ .4 Phân mảnh và hợp mảnh .5 Định dạng khung .6 Hỗ trợ mạng Ad hoc .1 Duy trì đồng bộ (synchronization maintenance) .2 Thu nhận đồng bộ ( Synchronization acquirement.7 Các giao thức định tuyến cơ bản trong mạng adhoc .1 Định tuyến nguồn động (DSR) .2 Giao thức định tuyến vecto khoảng cách dựa trên nhu cầu trong mạng adhoc (AODV) .8 Quản lý năng lƣợng. 37 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chƣơng 3: ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP LẬP LỊCH TRONG MẠNG ADHOC ĐA CHẶNG .2 Tranh chấp tại tầng MAC .3 Tranh chấp tại tầng LLC .1 Phương pháp lập lịch theo thuật toán FIFO .2 Phương pháp lập lịch theo thuật toán Round Robin .3 Phƣơng pháp lập lịch kiểm soát vào/ra .4 Đánh giá hiệu năng.
53 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 54 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU THUẬT NGỮ VÀ CHỮ VIẾT TẮT AODV Ad hoc On-Demand Distance Định tuyến theo yêu cầu Vector ATMI Adhoc Traffic Indication Sơ đồ hướng dịch chuyển Adhoc Map BAN Body Area Network Mạng khu vực cá thể CIOS Controlled Input Output Lập lịch có kiểm soát vào/ra Scheduling CSMA/CA Carrier Sense Multiple Đa truy cập cảm nhận sóng mang Access with Collision tránh xung đột Advoidance CSMA/CD Carrier Sense Multiple Đa truy cập cảm nhận sóng mang Access with Collision Detect phát hiện xung đột CTS Clear To Send Sẵn sàng nhận DCF Distributed Coordination Chức năng điều phối phân tán Function DIFS Distributed coordination Khoảng cách liên khung DCF function InterFrame Space DSR Dynamic Source Routing Định tuyến nguồn động EIFS Extended Inter-Frame Khoảng cách liên khung mở rộng Spacing FIFO First In First Out Vào trước ra trước IBSS Independent Basic Service Tâp dịch vụ cơ sở độc lập Set ICI Inter Channel Interference Nhiễu liên kênh ITU International Hiệp hội viễn thông quốc tế Telecommunication Union LLC Logical Link Control Kiểm soát liên kết logic MAC Medium Access Control Kiểm soát truy cập đường truyền MACA Multiple Access Collision Tránh xung đột đa truy cập LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Avoidance MACAW Multiple Access with Đa truy cập cảm nhận sóng mang Collision Advoidance for cho mạng không dây wireless MANET Mobile Adhoc Network Mạng phi cấu trúc di động NAT Network Address Translation Phân giải địa chỉ mạng NAV Network Allocation Vector Vec-tơ phân bổ mạng PAN Private Area Network Mạng khu vực cá nhân PCF Point Coordination Function Chức năng điều phối điểm PIFS Point Coordination Function Khoảng cách liên khung PCF Interframe Space RF Radio Frequency Dải tần số sóng radio RR Round Robin Xoay vòng RTS Request To Send Yêu cầu gửi SIFS Short interframe spacing Khoảng cách liên khung ngắn SR Sensing Range Phạm vi cảm nhận TSF Timing Synchronization Hàm đồng bộ thời gian Function WEP Wired Equivalent Privacy Mã truy nhập tương đương có dây LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com DANH MỤC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ Hình 1.1 Mạng Ad hoc Bảng 1.1 Cách đặc tính của mạng Ad hoc Bảng 1.2 Các ứng dụng của mạng Ad hoc Bảng 1.3 Các công nghệ cho phép ứng dụng mạng Ad hoc Hình 2.1 Vị trí của lớp MAC trong mô hình 7 lớp Hình 2.2 Quá trình truyền khung Hình 2.4 Quá trình bắt tay 4 bước Hình 2.5 Các tính năng điều phối MAC Hình 2.6 Các giao thức mạng không dây lớp MAC Hình 2.7 Sử dụng NAV để cảm nhận sóng mang ảo Hình 2.8 Các khoảng cách lien khung Hình 2.9 Cơ chế truy cập đường truyền Hình 2.10 Quá trình Backoff theo luật mũ Hình 2.11 Phân mảnh có sử dụng NAV và SIFS Hình 2.12 Định dạng khung MAC Hình 2.13 Trường điều khiển Hình 2.14 Phân loại các giao thức định tuyến trong mạng ad hoc Hình 2.15 Tìm đường trong DSR Hình 2.16 Duy trì đường trong DSR Hình 2.17 Tìm đường trong AODV Hình 2.18 Duy trì đường trong AODV Hình 2.19 Sơ đồ trao đổi dữ liệu giữa các trạm ở chế độ tiết kiệm năng lượng Bảng 2.1 Khoảng cách liên khung trong 802.2 Định nghĩa các giá trị trong trường Type và SubType Bảng 2.3 Biểu diễn các giá trị trong trường địa chỉ Hình 3.1 Mô hình mạng ad hoc đa chặng cơ bản Hình 3.2 Sự mất cân bằng về chia sẻ băng thông trong 802.3 Thông lượng đầu cuối của luồng dữ liệu từ trạm S1 và S2 Hình 3.4 Thông lượng đầu cuối trong phương pháp lập lịch theo thuật toán RR Hình 3.5 Lập lịch có kiểm soát vào/ra Hình 3.6 Chỉ số cân bằng trong 3 phương pháp lập lịch Hình 3.7 Tổng kích thước hàng đợi tại trạm S1 trong mô hình mạng ad hoc LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com đa chặng cơ bản Hình 3.8 Thời gian trễ của luồng dữ liệu trực tiếp tại trạm S1 trong mô hình mạng ad hoc đa chặng cơ bản Hình 3.9 Tổng thông lượng trong mô hinh mạng ad hoc đa chặng cơ bản Bảng 3.1 Các tham số trong chương trình mô phỏng đánh giá hiệu năng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 1 Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG ADHOC 1.1 Giới thiệu Lĩnh vực không dây và di động đã có những bước tăng trưởng vượt bậc trong những thập kỷ vừa qua. Mọi người có thể dùng điện thoại di động để kiểm tra thư điện tử và truy cập vào internet. Các điểm truy cập mạng LAN không dây cho phép lướt web ở sân bay, bến tàu, khách sạn, trường học… Việc truy cập Internet băng rộng với sự hỗ trợ của giải pháp mạng LAN không dây trong nhà cho phép sự chia sẻ truy cập giữa các máy tính.
Tuy nhiên, tất cả các tiến bộ này vẫn đòi hỏi một hạ tầng mạng cố định với sự quản trị tập trung, điều này sẽ gây lãng phí do chi phí lắp đặt và duy trì. Hơn nữa,các thiết bị như laptop. máy tính bỏ túi, máy tính bảng, điện thoại di động thông minh, máy ảnh số, máy nghe nhạc MP3… được hỗ trợ bởi giao tiếp không dây sóng ngắn cần phải có phương thức trao đổi thông tin tiện lợi hơn. Điều này đã nảy ra một sáng kiến mới về một phương thức truyền tin di động, trong đó các thiết bị di động hình thành một mạng không dây tự quản trị và tự tổ chức, gọi là mạng không dây adhoc.
Với các mạng không dây truyền thống, người dùng trực tiếp trao đổi thông tin qua trạm cơ sở (Access Point). Tuy nhiên, mạng adhoc không dựa trên hạ tầng sẵn có để hoạt động. Mạng này là sự kết hợp của các nút di động với mỗi cặp nút là một liên kết không dây. Các cặp nút nằm trong phạm vi gửi có thể trao đổi trực tiếp với nhau và có thể phát hiện các nút khác nằm trong phạm vi cảm nhận.
Các nút trung gian hoạt động như một router chuyển tiếp các gói tin đến đích. Do đó, các nút này thường tiêu tốn năng lượng. Hơn nữa, các thiết bị thường kết nối và ngắt kết nối rất ngẫu nhiên, làm cho hình dạng mạng thay đổi bất ngờ. Trong môi trường mạng đa chặng, phân tán, di động, hạn chế năng lượng, các nút cần tự tổ chức để đưa ra các tính năng mạng cần thiết khi không có hạ tầng cố định và quản trị tập trung.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.1 Mạng adhoc Thuật ngữ “adhoc” trong tài liệu này dành cho loại mạng được thiết lập trong những tình huống đặc biệt. Do đó, sự tồn tại của mạng adhoc thường là ngắn hạn. Các giao thức có xu hướng được điều chỉnh theo ứng dụng cụ thể (gửi video trên chiến trường, nhận biết hỏa hoạn trong rừng, thiết lập một hội nghị truyền hình giữa các nhóm cứu hộ). Môi trường mạng này có thể thay đổi liên tục.
Kết quả là, giao thức adhoc phải tự cấu hình để điều chỉnh theo môi trường, lưu lượng và các thay đổi của nhiệm vụ. Do tính di động, bản chất không có hạ tầng, mạng adhoc đặt ra các yêu cầu thiết kế mới. Đầu tiên là tự cấu hình (địa chỉ và định tuyến) dưới dạng di động. Tại mức ứng dụng, người dùng mạng adhoc thường trao đổi và hợp tác dưới dạng nhóm ứng dụng (cảnh sát, lính cứu hỏa, nhân viên y tế).
Do đó những nhóm ứng dụng này trao đổi nhóm dữ liệu với lưu lượng thời gian thực, hiệu quả (multicasting). Sự phức tạp của các thiết kế mạng adhoc đã thách thức các nhà nghiên cứu những năm thập kỷ 70. Một phần nhờ vào những tiến bộ trong công nghệ radio, đem lại thành công chủ yếu được báo cáo trong quân sự cũng như trong các ứng dụng dân sự. Sau đó công nghệ mạng adhoc dần trở nên quen thuộc và tiếp cận với mọi người trong cuộc sống hàng ngày.2 Các đặc tính của mạng adhoc LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 3 Di động: Các nút có thể được định vị lại nhanh chóng và/hoặc di chuyển đến một vị trí ngẫu nhiên của mạng adhoc.
Sự triển khai nhanh chóng trong các khu vực không có hạ tầng làm cho các công việc hợp tác giữa các nhóm trong các tình huống đặc biệt được tiến hành dễ dàng. Đa chặng: Một mạng đa chặng là một mạng ở đó đường từ nguồn đến đích có thể đi qua nhiều nút khác nhau. Trên các chiến trường, đặc điểm này được ưa chuộng vì các chặng ngắn sẽ làm cho kẻ thù khó phát hiện. Bảng Các đặc tính của mạng Adhoc 1.