MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, hiệu năng của máy tính và công nghệ truyền thông không dây đã phát triển một cách mạnh mẽ dẫn tới việc sử dụng và ứng dụng điện toán di động không dây tiên tiến ngày càng phổ biến. Phần lớn sự phát triển này liên quan đến việc sử dụng bộ giao thức IP. Mạng ad hoc di động (MANET) đƣợc thiết kế với mục đích hỗ trợ hoạt động mạng di động không dây một cách hiệu quả và mạnh mẽ thông qua việc kết hợp chức năng định tuyến vào các nút di động. Điều này đòi hỏi mạng MANET phải có cấu trúc liên kết đa điểm, động, ngẫu nhiên và tƣơng thích với các thay đổi nhanh chóng về cấu hình.
Đƣợc hình thành bởi các kết nối tạm thời giữa các nút mạng di động không có sự hỗ trợ của cơ sở hạ tầng mạng cố định, mạng MANET có nhiều những đặc điểm khác biệt so với mạng không dây và có dây truyền thống làm nảy sinh nhiều thách thức và các hƣớng nghiên cứu khác nhau nhƣ: vấn đề định tuyến hiệu quả khi topo mạng thay đổi, đảm bảo chất lƣợng dịch vụ theo yêu cầu từ chƣơng trình ứng dụng, đảm bảo an ninh mạng, tiết kiệm năng lƣợng, khả năng tự tổ chức, chuyển đổi các dịch vụ từ mô hình client-server và đảm bảo hiệu năng khi kích thƣớc mạng thay đổi. Kết quả nghiên cứu phân loại và đánh giá về số lƣợng các nghiên cứu theo các hƣớng khác nhau đối với mạng MANET trong thời gian gần đây cho thấy, hƣớng nghiên cứu về định tuyến trong mạng MANET đứng đầu về số lƣợng các nghiên cứu đã đƣợc công bố. Nhƣ vậy, có thể khẳng định, định tuyến trong mạng MANET đã và đang là một vấn đề rất cần đƣợc quan tâm giải quyết trong những nghiên cứu cải tiến hiệu năng mạng MANET. Một giao thức định tuyến đƣợc tối ƣu tốt sẽ đóng góp rất nhiều vào việc nâng cao hiệu năng mạng MANET trong điều kiện mạng MANET có các tài nguyên (băng thông, năng lƣợng nguồn nuôi, tốc độ xử lý, bộ nhớ,…) hạn chế hơn nhiều so với các mạng truyền thống.
Trong các nghiên cứu nhằm tối ƣu hóa giao thức định tuyến dành cho mạng MANET, một trong những hƣớng nghiên cứu đƣợc quan tâm 5 và đã có nhiều kết quả quan trọng đƣợc công bố là áp dụng cơ chế hoạt động bầy đàn của các loại côn trùng nhƣ kiến, ong, mối, … để cải tiến mô hình lan truyền thông tin định tuyến của các giao thức định tuyến. Mục tiêu của đề tài này là nghiên cứu cơ chế chọn đƣờng tối ƣu thuật toán định tuyến Enhanced-ANT-AODV sử dụng cho mạng MANET. Trong thuật toán này, kỹ thuật lan truyền tín hiệu sinh học (pheromone) của loài kiến trong quá trình hợp tác để tìm thức ăn đƣợc sử dụng để cải tiến kỹ thuật lan truyền thông tin định tuyến trong quá trình khám phá đƣờng của giao thức định tuyến AODV thành giao thức định tuyến Enhanced-ANT-AODV. Đối với loài kiến, trong quá trình tìm kiếm thức ăn, chúng sẽ xuất phát từ tổ rồi tản ra nhiều hƣớng.
Sau khi tìm thấy nguồn thức ăn, mỗi con kiến sẽ gửi tín hiệu sinh học cho các con khác trên đƣờng trở về tổ để các con kiến khác có đƣợc kiến thức về đƣờng đi tới nguồn thức ăn. Áp dụng kỹ thuật này của loài kiến, thay vì sử dụng gói yêu cầu đƣờng RREQ trong giao thức AODV, giao thức Enhanced-ANT-AODV sẽ sử dụng gói Req.Ant để lan truyền yêu cầu tìm đƣờng trong mạng từ nút nguồn. Trong quá trình lan truyền gói Req.Ant, thông tin về các con đƣờng bao gồm: độ tin cậy đầu cuối, độ tắc nghẽn, năng lƣợng còn lại của các nút trên đƣờng và chiều dài của đƣờng. Sau khi nhận đƣợc gói ReqAnt, nút đích sẽ tính toán số lƣợng pheromone của mỗi con đƣờng trên cơ sở thông tin đƣợc lƣu trong gói ReqAnt và gửi lại gói trả lời đƣờng Rep.
Đƣờng có số lƣợng pheromone cao nhất đƣợc lựa chọn để cài đặt vào bảng định tuyến và sử dụng để truyền các gói dữ liệu. Đề tài cũng sẽ thực hiện việc mô phỏng cơ chế hoạt động của kỹ thuật chọn đƣờng tối ƣu trong giao thức định tuyến Enhanced-Ant AODV và kỹ thuật chọn đƣờng theo số chặng của giao thức định tuyến AODV trên phần mềm mô phỏng NS2 để kiểm nghiệm độ hiệu quả của kỹ thuật chọn đƣờng tối ƣu trong giao thức Enhanced-Ant AODV so với giao thức AODV. Luận văn có cấu trúc nhƣ sau: Chƣơng 1 trình bày tổng quan về mạng MANET, vấn đề định tuyến trong mạng MANET và một số nghiên cứu tối ƣu cơ 6 chế định tuyến dành cho mạng MANET. Cơ chế chọn đƣờng tối ƣu theo yêu cầu chất lƣợng dịch vụ trong giao thức định tuyến Enhanced-ANT-AODV dành cho mạng MANET đƣợc trình bày chi tiết trong Chƣơng 2.
Kết quả của việc cài đặt, mô phỏng, so sánh đánh giá hiệu hiệu quả của giao thức định tuyến Enhanced-ANT- AODV với 3 giao thức định tuyến tiêu biểu cùng nhóm là DSR, AODV, và Enhanced-ANT-DSR đƣợc trình bày trong Chƣơng 3. Nội dung tổng kết và hƣớng phát triển của đề tài đƣợc đƣa ra trong phần kết luận. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG MANET 1. Tổng quan về mạng MANET 1.
Khái niệm mạng MANET Mạng MANET (Mobile Ad hoc Network – MANET) [11] là mạng di động không dây hoạt động không cần dựa vào hạ tầng mạng cố định, trong đó hình trạng mạng đƣợc tạo thành bởi chính các nút mạng. Chế độ “Ad hoc” của chuẩn IEEE 802.11 hoạt động theo mô hình này, mặc dù nó chỉ hỗ trợ để thiết lập một mạng đơn chặng. Các mạng di động không dây kiểu không cấu trúc đã mở rộng khái niệm “Ad hoc” đa chặng theo nghĩa: một nút mạng có thể định tuyến và chuyển tiếp một gói tin nó nhận đƣợc từ một nút mạng khác. Nói cách khác, con đƣờng chuyển tiếp gói tin từ nút nguồn tới nút đích có thể chứa các nút trung gian khác.
Các nút trung gian sẽ đọc thông tin trong phần header của các gói tin dữ liệu và chuyển tiếp chúng tới chặng kế tiếp trên một con đƣờng đã đƣợc hình thành. Có thể hiểu một mạng MANET là một 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 lân cận để chuyển tiếp các gói dữ liệu. Khi các gói tin dữ liệu từ nút nguồn cần gửi tới một nút đích mà nút đích không nằm trong phạm vi truyền của nút nguồn, 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. Minh họa của mạng MANET Hình 1.1 là một ví dụ của mạng MANET. Trong đó các nút trong mạng kết nối với nhau trong một khoảng thời gian để trao đổi thông tin. Trong khi trao đổi thông tin, các nút này vẫn có thể di chuyển, do đó, mạng này phải đáp ứng đƣợc yêu cầu truyền dữ liệu trong khi hình trạng mạng có thể thay đổi liên tục.
Các nút mạng phải có cơ chế tự tổ chức thành một mạng để thiết lập các đƣờng truyền dữ liệu mà không cần sự hỗ trợ từ bên ngoài. Trong mô hình này, mỗi nút mạng có thể đóng vai trò là một nút đầu cuối để chạy các chƣơng trình ứng dụng của ngƣời sử dụng hoặc là một bộ định tuyến để chuyển tiếp các gói tin cho các nút mạng khác. Đặc điểm của mạng MANET Do mạng 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 có một số đặc điểm nổi bật sau [11]: 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.
9 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 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. Có thể thấy những đặc điểm này là các yếu tố ảnh hƣởng rất nhiều đến hiệu năng của mạng MANET. Để có thể triển khai đƣợc mạng MANET trong thực tế, các thiết kế mạng phải giải quyết đƣợc những thách thức sinh ra do những đặc điểm đã nêu trên.
Những thách thức này gồm các vấn đề kỹ thuật nhƣ khả năng truyền dữ liệu và định tuyến hiệu quả khi kích thƣớc mạng thay đổi; đảm bảo chất lƣợng dịch vụ (QoS) cho các chƣơng trình ứng dụng; cơ chế chuyển đổi một số dịch vụ từ mô hình client-server; tiết kiệm năng lƣợng 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. Ứng dụng của mạng MANET Ngày nay, mạng MANET có nhiều những ứng dụng trong đời sống, kinh tế, xã hội của con ngƣời. Mô hình mạng này phù hợp đối với những tình huống cần triển khai hệ thống mạng một cách nhanh chóng, linh động và thƣờng xuyên có sự 10 biến đổi trong cấu trúc mạng.