Phần mở đầu giới thiệu ý nghĩa, mục tiêu nghiên cứu và bố cục của luận văn. Trong Chƣơng 1, các vấn đề tổng quan về mạng ad hoc, các chuẩn và giao thức tầng MAC dành cho mạng ad hoc, các chiến lƣợc định tuyến dành cho mạng ad hoc và vấn đề đánh giá hiệu năng mạng ad hoc sẽ đƣợc trình bày. Nội dung của Chƣơng 2 trình bày chi tiết về cơ chế hoạt động của một số giao thức và thuật toán định tuyến phổ biến trong mạng ad hoc. Chƣơng 3 trình bày vấn đề mô phỏng mạng máy tính và bộ công cụ mô phỏng NS-2, kết quả mô phỏng và những phân tích đánh giá hiệu năng của một số giao thức định tuyến dƣới góc nhìn về mức độ ảnh hƣởng của tốc độ di chuyển và tải dữ liệu.
Cuối cùng là phần kết luận và hƣớng phát triển của luận văn. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 3 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG AD HOC 1. Giới thiệu về mạng ad hoc 1.
Khái niệm mạng ad hoc Mạng ad hoc [4] là một tập các nút di động có khả năng tự kết nối và tự tổ chức để hình thành một mạng mà không cần các thiết bị hạ tầng mạng cơ sở đóng vai trò trung gian để thu/phát tín hiệu và chuyển tiếp dữ liệu. Do mỗi nút di động sử dụng công nghệ truyền thông không dây chỉ có thể truyền thông một phạm vi giới hạn nên cần có sự hỗ trợ của các nút lân cận để chuyển tiếp các gói dữ liệu. Các nút trong mạng ad hoc thông thƣờng sẽ 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. Thuật ngữ “Ad hoc” áp dụng cho mạng không dây mô tả một mạng không có cơ sở hạ tầng 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 4 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. Một ví dụ của mạng ad hoc Hình 1.1 minh họa một mạng ad hoc.
Trong ví dụ này, các gói tin từ nút nguồn là một máy tính cần chuyển tới một nút đích là một điện thoại thông minh không nằm trong phạm vi truyền của nút nguồn. Vì vậy, 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 cho mạng ad hoc. Đặc điểm của mạng ad hoc 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 còn có một số đặc điểm nổi bật sau [1]: LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 5 Cấu trúc động.
Chất lƣợng liên kết hạn chế. Các nút mạng có tài nguyên hạn chế. Độ bảo mật thấp ở mức độ vật lý. Đây là những đặc điểm ảnh hƣởng rất nhiều đến hiệu năng của mạng ad hoc.
Để có thể triển khai đƣợc mạng ad hoc trong thực tế, các thiết kế mạng ad hoc phải giải quyết đƣợc những thách thức sinh ra do những đặc điểm đã nêu trên của mạng ad hoc. Ứng dụng của mạng ad hoc Ngày nay, mạng ad hoc 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 biến đổi trong cấu trúc mạng. Mạng ad hoc có tiềm năng ứng dụng rất lớn trong những lĩnh vực sau: Ứng dụng trong thƣơng mại Ứng dụng trong quân sự Ứng dụng trong phòng chống thiên tai, thảm họa Ứng dụng trong giáo dục Ứng dụng trong quản lý giao thông Ứng dụng trong mạng cảm biến LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.11 và giao thức tầng MAC của mạng ad hoc 1.
Vấn đề trạm ẩn trong mạng không dây IEEE 802.11b Trong chế độ ad-hoc của IEEE 802.11b, hai nút chỉ có thể truyền thông đƣợc với nhau khi chúng ở trong phạm vi hoạt động của nhau. Các nút bên ngoài phạm vi hoạt động đƣợc coi là “không trông thấy”. Vấn đề trạm ẩn xảy ra khi hai nút ở bên ngoài phạm vi hoạt động của nhau truyền dữ liệu tại cùng một thời điểm tới một nút thứ ba (ở trong phạm vi hoạt động của hai nút kia). Do hai nút này ở ngoài phạm vi hoạt động của nhau nên không thể “cảm nhận” đƣợc tình huống này.
Xung đột sẽ xảy ra tại nút thứ ba.2 minh họa vấn đề trạm ẩn. Tác động của vấn đề trạm ẩn là cả nút A hoặc nút B không thể dò tìm đƣợc xung đột do chúng ở ngoài phạm vi hoạt động của nhau. Việc thiếu ACK cho mỗi gói tin sẽ làm cho hai nút giả thiết rằng gói tin bị mất vì một vài lý do nào đó. Kết quả là cả hai sẽ truyền lại gói tin của chúng làm cho có thể xung đột lại xảy ra một lần nữa.
Điều này sẽ tiếp diễn cho đến khi hết thời gian của nút A và B và báo lỗi. Ví dụ 1 về tình huống trạm ẩn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 7 Trong Hình 1.3, nút B muốn gửi dữ liệu tới C, nó sẽ cảm nhận kênh truyền. Khi cảm nhận kênh truyền là không rỗi, nó kết luận sai rằng không thể truyền dữ liệu tới C thậm chí còn nghĩ rằng A đang truyền dữ liệu tới D (D không đƣợc chỉ ra trong hình vẽ). Hơn nữa, hầu hết các kênh truyền sóng vô tuyến đều là kênh truyền bán song công – có nghĩa là chúng không thể truyền tin và lắng nghe phản hồi tại cùng một thời điểm đối với cùng một tần số đơn.
Kết quả là 802.11b không sử dụng chiến lƣợc CSMA/CD nhƣ của Ethernet. Ví dụ 2 về tính huống trạm ẩn Để giải quyết vấn đề này, IEEE 802.11b hỗ trợ hai trạng thái hoạt động: DCF – không sử dụng bất cứ điều khiển tập trung nào (ở khía cạnh này tƣơng tự nhƣ Ethernet) và PCF – sử dụng một trạm cơ sở để điều khiển tất cả các hoạt động trong tế bào (cell) của nó. Tất cả các cài đặt đều phải hỗ trợ DCF nhƣng PCF là tùy chọn.2 DCF và CSMA/CA tại tầng MAC Để khắc phục những vấn đề không tƣơng thích trong dò tìm xung đột giữa mạng có dây và mạng không dây, IEEE 802.11b sử dụng kỹ thuật tránh xung đột cùng với một chiến lƣợc biên nhận tích cực nhƣ sau (Hình 1.4): Trạm muốn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 8 truyền tin cảm nhận kênh truyền. Nếu kênh truyền đƣợc cảm nhận là bận, nó sẽ chờ.
Nếu kênh truyền là rỗi trong một khoảng thời gian xác định (đƣợc gọi là DIFS – Distributed Inter Frame Space), trạm đƣợc phép truyền tin. Bên nhận khi nhận đƣợc gói tin sẽ thực hiện thuật toán CRC để dò tìm lỗi, sau đó đợi trong một khoảng thời gian đƣợc gọi là SIFS (SIFS < DIFS) và gửi gói ACK. ACK sẽ không đƣợc gửi đi nếu gói tin do trạm nguồn gửi bị lỗi hoặc bị mất. Nếu bên gửi không nhận đƣợc ACK, nó sẽ giả thiết có xung đột và lập kế hoạch truyền lại.
Cơ chế CSMA/CA Khi phát hiện thấy gói tin gửi đi bị lỗi, kênh truyền phải rỗi trong một khoảng thời gian nhỏ nhất là EIFS trƣớc khi trạm đƣợc kích hoạt trở lại thuật toán back-off để lập kế hoạch truyền tin tiếp theo (Hình 1. Xung đột LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 9 Để làm giảm xác suất xung đột, IEEE 802.11b sử dụng kỹ thuật back-off: Khi trạm S muốn truyền tin đi cảm nhận thấy kênh truyền đang bận, nó sẽ chờ cho đến khi kết thúc quá trình truyền tin hiện tại. Tại thời điểm cuối của quá trình truyền tin hiện tại, trạm S khởi tạo một bộ đếm (gọi là back-off timer) bằng cách chọn một khoảng thời gian ngẫu nhiên (back-off interval) để lập lịch cho việc truyền tin của nó. Bộ đếm sẽ giảm trong thời gian kênh truyền đƣợc cảm nhận là rỗi, dừng lại khi có phát hiện thấy kênh truyền đang truyền tin và đƣợc kích hoạt lại khi kênh truyền đƣợc cảm nhận là rỗi trong một khoảng thời gian lớn hơn DIFS.
Khi bộ đếm bằng 0, trạm đƣợc phép truyền tin. Ở đây DCF sử dụng kỹ thuật back-off hàm mũ hai theo khe thời gian. Thời gian theo sau một DIFS hoặc EIFS đƣợc phân chia thành khe; một trạm chỉ đƣợc phép truyền tin tại thời điểm bắt đầu mỗi khe thời gian (Slot Time). Thời gian back-off thƣờng đƣợc chọn trong khoảng (0, CW), đƣợc gọi là Cửa sổ Back-off (Back-off Window/Contention Window).
Tại thời điểm thử truyền tin lần đầu tiên, CW = CWmin, giá trị CW đƣợc gấp đôi sau mỗi lần thử truyền tin lại (CWi = 2k+i-1 – 1, trong đó i là số lần thử truyền tin – tính cả lần đang xét, k là hằng số xác định giá trị CWmin), tới giá trị tối đa là CWmax. Giá trị cụ thể của CWmin và CWmax phụ thuộc vào từng kiểu tầng vật lý, ví dụ nếu tầng vật lý là FHSS thì CWmin = 16 và CWmax = 1024. Việc cảm nhận kênh truyền nhƣ trên là cảm nhận vật lý kênh truyền. Chức năng cảm nhận do tầng vật lý cung cấp.