Luận Văn Thạc Sĩ: Cải Tiến Giao Thức AOMDV Để Nâng Cao Chất Lượng Dịch Vụ Mạng MANET

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu phương pháp cải tiến giao thức AOMDV, đảm bảo chất lượng dịch vụ cho mạng MANET, nâng cao hiệu suất định tuyến.

• Tác giả: Hà Mạnh Huy
• Người hướng dẫn: TS. Đỗ Đình Cường
• Trường học: Đại học Thái Nguyên - Trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông
• Chuyên ngành: Khoa học máy tính
• Đề tài: Nghiên cứu phương pháp cải tiến giao thức định tuyến AOMDV nhằm đảm bảo chất lượng dịch vụ cho mạng MANET
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Tổng quan về mạng MANET

Mạng MANET (Mobile Ad-hoc Network) là một mạng không dây đa chặng, được hình thành bởi các nút di động mà không cần cơ sở hạ tầng cố định. Các nút trong mạng vừa đóng vai trò là thiết bị đầu cuối, vừa là bộ định tuyến, giúp truyền dữ liệu qua nhiều chặng. Mạng MANET có đặc điểm nổi bật là cấu trúc động, tài nguyên hạn chế, và chất lượng liên kết không ổn định. Những đặc điểm này đặt ra nhiều thách thức trong việc đảm bảo chất lượng dịch vụ mạng (QoS).

1.1. Định nghĩa mạng MANET

Mạng MANET là một mạng không dây tự tổ chức, không cần cơ sở hạ tầng cố định. Các nút trong mạng có thể di chuyển tự do và tự động thiết lập kết nối với nhau. Mạng này thường được sử dụng trong các tình huống khẩn cấp hoặc môi trường không có sẵn cơ sở hạ tầng.

1.2. Đặc điểm của mạng MANET

Mạng MANET có các đặc điểm chính như: cấu trúc động, tài nguyên hạn chế, và chất lượng liên kết không ổn định. Các nút trong mạng thường là thiết bị di động với nguồn năng lượng hạn chế, điều này ảnh hưởng đến hiệu suất và độ bền của mạng.

1.3. Ứng dụng của mạng MANET

Mạng MANET được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như quân sự, cứu hộ, và mạng cảm biến. Trong quân sự, mạng này giúp truyền thông giữa các đơn vị di động. Trong cứu hộ, nó hỗ trợ trao đổi thông tin tại các khu vực thiên tai.

II. Giao thức định tuyến đa đường AOMDV

Giao thức AOMDV (Ad-hoc On-demand Multipath Distance Vector) là một giao thức định tuyến đa đường được phát triển từ giao thức AODV. Nó cho phép tìm kiếm và sử dụng nhiều đường dẫn từ nguồn đến đích, giúp cải thiện độ tin cậy và hiệu suất của mạng. Giao thức AOMDV đặc biệt phù hợp với mạng MANET do khả năng thích ứng với cấu trúc động của mạng.

2.1. Tổng quan về giao thức AOMDV

Giao thức AOMDV sử dụng phương pháp định tuyến từng chặng và tìm kiếm nhiều đường dẫn thông qua tiến trình khám phá đường. Nó tái sử dụng các thông tin định tuyến từ giao thức AODV, giúp giảm chi phí phát sinh trong quá trình khám phá đa đường.

2.2. Vấn đề chống định tuyến lặp

Một trong những thách thức chính của giao thức AOMDV là đảm bảo các đường dẫn không bị lặp. Các quy tắc cập nhật đường được thiết kế để đảm bảo tính phân tách và không lặp của các đường dẫn, giúp tăng hiệu quả định tuyến.

2.3. Cơ chế bảo trì đường

Giao thức AOMDV sử dụng các gói RREP và RERR để bảo trì các đường dẫn. Cơ chế này giúp duy trì tính ổn định của các đường dẫn trong mạng, đảm bảo dữ liệu được truyền một cách hiệu quả.

III. Cải tiến giao thức AOMDV đảm bảo chất lượng dịch vụ

Nghiên cứu này tập trung vào việc cải tiến giao thức AOMDV để đảm bảo chất lượng dịch vụ mạng (QoS) trong mạng MANET. Các phương pháp cải tiến bao gồm phân lớp ứng dụng theo yêu cầu QoS, dự đoán chất lượng liên kết, và tối ưu hóa quyết định chọn đường. Những cải tiến này giúp nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của mạng.

3.1. Phân lớp ứng dụng theo yêu cầu QoS

Các ứng dụng trong mạng MANET được phân lớp dựa trên yêu cầu QoS, giúp tối ưu hóa việc chọn đường dẫn phù hợp. Phương pháp này đảm bảo các luồng dữ liệu quan trọng được ưu tiên truyền tải.

3.2. Dự đoán chất lượng liên kết

Kỹ thuật dự đoán chất lượng liên kết tại tầng MAC giúp đánh giá độ ổn định của các liên kết trong mạng. Điều này giúp giao thức AOMDV chọn được các đường dẫn có chất lượng cao, đảm bảo chất lượng dịch vụ mạng.

3.3. Tối ưu hóa quyết định chọn đường

Phương pháp ra quyết định chọn đường dựa trên các tiêu chí QoS như độ trễ, thông lượng, và tỉ lệ lỗi. Cách tiếp cận này giúp giao thức AOMDV đưa ra quyết định chọn đường tối ưu, đáp ứng yêu cầu của các ứng dụng khác nhau.

IV. Kiểm nghiệm và đánh giá kết quả

Các thử nghiệm mô phỏng được thực hiện để đánh giá hiệu quả của các cải tiến trong giao thức AOMDV. Kết quả cho thấy sự cải thiện đáng kể về độ trễ, thông lượng, và tỉ lệ truyền gói thành công. Những cải tiến này không chỉ nâng cao hiệu suất mạng MANET mà còn đảm bảo chất lượng dịch vụ mạng.

4.1. Kịch bản mô phỏng

Các kịch bản mô phỏng được thiết kế để kiểm tra hiệu năng của giao thức AOMDV trong các điều kiện mạng khác nhau. Các thông số như số lượng nút, tốc độ di chuyển, và mức độ tải được thay đổi để đánh giá hiệu quả của các cải tiến.

4.2. Đánh giá hiệu năng

Các độ đo hiệu năng như độ trễ, thông lượng, và tỉ lệ truyền gói thành công được sử dụng để đánh giá. Kết quả cho thấy giao thức AOMDV cải tiến đạt được hiệu suất cao hơn so với phiên bản gốc.

4.3. Kết quả và đánh giá

Các kết quả mô phỏng cho thấy sự cải thiện rõ rệt về hiệu suất mạng MANET khi áp dụng các cải tiến. Điều này khẳng định tính khả thi và hiệu quả của các phương pháp được đề xuất trong nghiên cứu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 của luận văn là nội dung giới thiệu tổng quan về mạng MANET, giao thức định tuyến đa đường AOMDV và một số kỹ thuật cải tiến giao thức định tuyến AOMDV. Chi tiết của phương pháp cải tiến giao thức định tuyến AOMDV nhằm đảm bảo chất lượng dịch vụ cho mạng MANET được trình bày trong Chương 2. Kết quả của các thực nghiệm nhằm kiểm nghiệm, đánh giá hiệu quả của phương pháp cải tiến so với phương pháp ban đầu được trình bày trong Chương 3. Cuối cùng là phần kết luận đưa ra những nội dung tổng kết và hướng phát triển của luận văn.

ĐỊNH TUYẾN ĐA ĐƯỜNG TRONG MẠNG MANET 1. Tổng quan về mạng MANET 1. Định nghĩa mạng MANET Mạng ad hoc di động (MANET) [5] 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.

Ví dụ về một mạng MANET 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. Mạng MANET có thể là một mạng độc lập, hoặc cũng có thể được kết nối với một mạng khác lớn hơn, ví dụ mạng Internet.1 là một ví dụ về một mạng MANET gồm 7 nút.

Phạm vi truyền thông của mỗi nút được biểu diễn bằng một hình tròn. Các nút nằm trong phạm vi truyền thông của nhau có thể truyền thông trực tiếp được với nhau. Kết nối giữa các nút mạng được đặc trưng bởi khoảng cách giữa các nút và tính sẵn sàng hợp tác để tạo thành mạng mặc dù là tạm thời. Các tính chất đặc trưng của kết nối trong mạng MANET bao gồm: (1) Khoảng cách giữa các nút: 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”. (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). Đặc điểm của mạng MANET Do ad hoc 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 ad hoc di động còn có một số đặc điểm nổi bật sau [4]: 5  Các nút mạng có tài nguyên hạn chế: Mỗi nút di động trong mạng có thể là một bộ cảm biến, một điện thoại thông minh hoặc một máy tính xách tay. Thông thường 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 lượng bộ nhớ và năng lượng nguồn pin nuôi sống hoạt động của nút.  Chất lượng liên kết hạn chế: Các liên kết không dây thường có băng thông nhỏ hơn so với các liên kết có dây.

Ngoài ra, do ảnh hưởng 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 thường thấp hơn nhiều so với tốc độ truyền tối đa theo lý thuyết của môi trường truyền không dây.  Cấu trúc động: Do tính chất di chuyển ngẫu nhiên của các nút mạng nên cấu trúc của loại mạng này cũng thường xuyên thay đổi một cách ngẫu nhiên ở những thời điểm không xác định trước. Trong khi thay đổi, cấu trúc của mạng có thêm hoặc mất đi các kết nối hai chiều hoặc kết nối một chiều.  Độ bảo mật thấp ở mức độ vật lý: Mạng không dây di động thường 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 như nghe lén, giả mạo và tấn công từ chối dịch vụ thường dễ triển khai trong mạng ad ho di động hơn là trong mạng có dây truyền thống. Có thể thấy những đặc điểm này là các yếu tố ảnh hưởng rất nhiều đến hiệu năng của mạng ad hoc di động. Để có thể triển khai được mạng ad hoc di động trong thực tế, các thiết kế mạng phải giải quyết được những thách thức sinh ra do những đặc điểm đã nêu trên của mạng. Những thách thức này gồm các vấn đề kỹ thuật như khả năng truyền dữ liệu và định tuyến hiệu quả khi kích thước mạng thay đổi; đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) cho các chương trình ứng dụng; cơ chế chuyển đổi một số dịch vụ từ mô hình client-server; tiết 6 kiệm năng lượng pin để kéo dài thời gian hoạt động của các nút mạng riêng lẻ và của toàn mạng; đảm bảo an ninh mạng; khả năng hợp tác giữa các nút mạng và khả năng tự tổ chức của mạng; 1.

Ứng dụng của mạng MANET Các công nghệ của mạng không dây kiểu không cấu trúc 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. 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 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.

Giải pháp mạng MANET cho quân đội có những đặc điểm khác so với mạng MANET thuần túy [1] 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 của chúng khi chúng cùng thực hiện một nhiệm vụ cụ thể. Xu hướng di động ở đây là theo nhóm.2 minh hoạ sự khác nhau về mô hình di động của mạng MANET thuần tuý và mạng MANET trong quân đội. 7 Mạng MANET thuần túy Mạng MANET quân đội Hình 1.

Mô hình di động mạng MANET thuần túy và mạng MANET quân đội 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. 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. 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 8 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. Đối với ứng dụng trong hội thảo, khác với cách làm truyền thống khi những người tham gia hội thảo muốn chia sẻ tài liệu cho nhau là gửi file đính kèm qua email hoặc sao chép qua các thiết bị lưu trữ thứ cấp có khả năng di động, 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. Mạng MANET cũng có thể ứng dụng trong cuộc sống. Chẳng hạn như mạng động được hình thành từ hai thiết bị cầm tay thông minh của các em học sinh để chơi game. Môi trường mạng ở đây là một mạng không dây kiểu không cấu trúc thuần túy, tức là không có cơ sở hạ tầng về cáp, các thiết bị đầu cuối tự cấu hình để thành lập mạng, mà không có sự quản lý tập trung.

Mạng này có thể tự chia nhỏ thành các mạng con: một mạng riêng giữa em học sinh và bạn của em, một mạng “chung” được khởi tạo bởi người muốn chia sẻ các chương trình trò chơi điện tử trên máy của anh ta. Hai mạng này được trộn lẫn vào nhau một cách linh động. Mạng cảm biến Cảm biến là các thiết bị nhỏ, phân tán, giá thành thấp, tiết kiệm năng lượng, có khả năng truyền thông không dây và xử lý cục bộ.