Đăng ký Đăng nhập

Tài liệu Mang adhoc ngo hai son

.PDF
61
520
62

Mô tả:

Mạng Adhoc, Khóa luận tốt nghiệp Cử nhân CNTT, Ngô Hải Sơn, 2008 Nội dung khóa luận Ngày nay, mạng không dây trong đời sống con người đang ngày càng đóng vị trí quan trọng. Trong số các mạng không dây, mạng adhoc được quan tâm một cách đặc biệt. Không giống như mạng có dây truyền thống hay mạng không dây có sơ sở hạ tầng, với tính linh động cao, dễ dàng thiết lập nên mạng adhoc đang được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của xã hội. Trong đó, vấn đề định tuyến trong mạng adhoc là một trong những vấn đề quan trọng, đang được nghiên cứu rất nhiều vì nó ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất của mạng. Đây là những nội dung chính trong khóa luận này. Khóa luận gồm 4 chương. Chương đầu là khái quát chung về mạng không dây WLAN và mạng adhoc. Chương 2 đi sâu vào trình bày cấu trúc vật lý của mạng không dây theo chuẩn 802.11. Chương ba nói về tầm quan trọng của giao thức định tuyến trong mạng adhoc và trình bày cụ thể một số giao thức định tuyến phổ biến của mạng adhoc. Chương cuối cùng, dựa vào một số thực nghiệm thông qua bộ mô phỏng của những người nghiên cứu trước, tôi rút ra một số đánh giá và so sánh giữa các giao thức định tuyến. Do thời gian có hạn, luận văn của em có thể còn một số thiếu sót, rất mong nhận được sự chỉ bảo, góp ý và thông cảm của các thầy cô. Em hi vọng sau này có thể tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về vấn đề này. 1 Mạng Adhoc, Khóa luận tốt nghiệp Cử nhân CNTT, Ngô Hải Sơn, 2008 Lời cảm ơn Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS. TS. Nguyễn Đình Việt. Thầy đã tận tình chỉ bảo em trong suốt quá trình làm khóa luận này. Em cũng xin chân thành các thầy cô trong trường đã dạy dỗ em trong suốt những năm học tập tại trường. Cuối cùng, em cũng xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè, những người đã động viên em rất nhiều trong thời gian làm khóa luận. Hà Nội, ngày 1 tháng 6 năm 2008 Ngô Hải Sơn   2 Mạng Adhoc, Khóa luận tốt nghiệp Cử nhân CNTT, Ngô Hải Sơn, 2008 Mục Lục Nội dung khóa luận .......................................................................................................................1 Danh sách các từ viết tắt ................................................................................................................5 Chương 1: Giới thiệu chung...........................................................................................................7 1.1. Đặt vấn đề......................................................................................................................7 1.1.1. Khái niệm về WLAN[1],[3],[6] .....................................................................................7 1.1.2. Lịch sử ra đời mạng WLAN.....................................................................................8 1.1.3. Một số ưu và nhược điểm của WLAN ......................................................................8 1.2. Mạng adhoc......................................................................................................................10 1.2.1. Khái niệm và một số đặc điểm chung của mạng adhoc ..................................................10 1.2.2. Ví dụ về mạng adhoc ..................................................................................................11 1.2.3. Các ứng dụng của mạng adhoc ....................................................................................12 1.2.4. Một số vấn đề cần quan tâm trong mạng adhoc .............................................................13 1.3. Mục tiêu của luận văn .......................................................................................................14 Chương 2: Mạng LAN không dây...........................................................................................15 2.1. Mạng WLAN theo chuẩn 802.11[1], [2],[6] ..............................................................................15 2.1.1. Mạng WLAN có cơ sở hạ tầng ...............................................................................15 2.1.2. Mạng adhoc ..........................................................................................................16 2.2. Kiến trúc giao thức mạng WLAN theo chuẩn 802.11 ......................................................17 2.2.1. Lớp Vật Lý ................................................................................................................18 2.2.2. Lớp điều khiển truy cập môi trường truyền MAC..........................................................22 2.2.3. Lớp quản lý tầng MAC..........................................................................................28 Chương 3: Định tuyến trong mạng adhoc ................................................................................31 3.1. Giới thiệu về thuật toán định tuyến.....................................................................................31 3.2. Yêu cầu của thuật toán định tuyến cho mạng không dây adhoc ........................................31 3.3. Phân loại các thuật toán định tuyến cho mạng adhoc .......................................................35 3.3.1. DSDV (Destination Sequence Distance Vector) ......................................................35 3 Mạng Adhoc, Khóa luận tốt nghiệp Cử nhân CNTT, Ngô Hải Sơn, 2008 3.3.2. AODV (Adhoc On-Demand Distance Vector Routing) ............................................37 3.3.3. DSR (Dynamic Source Routing) ............................................................................38 3.3.4. TORA (Temporally Ordered Routing Algorithm)....................................................40 Chương 4: Đánh giá hiệu suất các giao thức định tuyến bằng bộ mô phỏng mạng NS2 ....................42 4.1. Giới thiệu bộ mô phỏng NS2[4],[5] .......................................................................................42 4.2. Khả năng mô phỏng các mạng của NS2 ..............................................................................43 4.3. Mô phỏng mạng adhoc và các giao thức định tuyến trong mạng adhoc .................................43 4.3.1. Mô phỏng mạng adhoc................................................................................................43 4.3.2. Mô phỏng các giao thức định tuyến trong mạng adhoc [1, T.Việt], [4], [5] .....................................45 4.4. Phân tích và so sánh hiệu suất của các giao thức định tuyến trong mạng adhoc ................48 4.4.1. Các tham số của môi trường: .......................................................................................48 4.4.2. Các thông số đánh giá hiệu suất: ..................................................................................49 4.4.3. Các thí nghiệm mô phỏng [1, T.Việt] .................................................................................49 4.4.4. Nhận xét về hiệu suất của các giao thức định tuyến .................................................52 Kết luận......................................................................................................................................54 Phụ Lục......................................................................................................................................55 Tài liệu tham khảo……………………………………………………………………………... 61 4 Mạng Adhoc, Khóa luận tốt nghiệp Cử nhân CNTT, Ngô Hải Sơn, 2008 Danh sách các từ viết tắt 2G second-generation technology 3G third-generation technology ACK Acknowledgement AODV Adhoc On demand Distance Vector ATIM Adhoc Traffic Indication Map BS Base Station CBR Cluster Based Routing CFP Content Free Period CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access/ Collision Avoidance CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access/ Collision Detection CTS Clear to send DSDV Destination Sequence Distance Vector DIFS Distributed InterFrame Space DSR Dynamic Source Routing DSSS Direct Sequence Spread Spectrum DCF Distributed Coordination Function FCC Federal Communication Commission FDMA Frequency-Division Multiple Access FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum GHz Gigahertz IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers ISM Industrial, Scientific and Medical IMEP Internet MANET Encapsulation Protocol Kbps Kilobits per second LAN Local Area Network 5 Mạng Adhoc, Khóa luận tốt nghiệp Cử nhân CNTT, Ngô Hải Sơn, 2008 MAC Medium Access Control MANET Mobile Adhoc Networks Mbps Megabits per second MHz Megahertz NS-2 Network Simulation 2 NAV Network Allocation Vector OFDM Orthogonal Frequency-Division Multiplexing Otcl Object Tool Command Language PDA Personal Digital Assistant PLCP Layer Convergence Protocol PMD Physical Medium Dependent RREQ Route Request RREP Route Reply RTS Request To Send SIFS Short InterFrame Space TDMA Time Division Multiple Access TCP Transmission Control Protocol TORA Temporally Ordered Routing Algorithm UDP User Datagram Protocol Wi-Fi Wireless Fidelity WLAN Wireless Local Area Network 6 Mạng Adhoc, Khóa luận tốt nghiệp Cử nhân CNTT, Ngô Hải Sơn, 2008 Chương 1: Giới thiệu chung 1.1. Đặt vấn đề Ngày nay, cùng với sự phát triển vượt bậc của khoa học công nghệ nói chung, ngành công nghệ thông tin đang ngày càng được đầu tư và phát triển mạnh mẽ. Khi mà ngày càng nhiều các lĩnh vực trong đời sống xã hội như y tế, giáo dục, xây dựng, kinh tế, ... ứng dụng tin học vào trong công việc thì Internet ngày càng khẳng định vị trí quan trọng của mình trong đời sống xã hội. Khi mà cuộc sống con người ngày càng phát triển thì nhu cầu trao đổi thông tin và giải trí của con người ngày càng cao. Con người muốn mình có thể kết nối với thế giới bất cứ lúc nào, bất cứ nơi đâu. Đó là lý do mà mạng không dây ra đời. Ngày nay, chúng ta có thể thấy được sự hiện diện của mạng không dây ở nhiều nơi như trong các tòa nhà, nơi công sở, bệnh viện hay các quán cà phê. Cùng với sự phát triển của mạng có dây truyền thống, mạng không dây cũng đang có những bước phát triển nhanh chóng nhằm đáp ứng như cầu truyền thông và giải trí của con người một cách tốt nhất. Khi mà mạng không dây ngày càng được quan tâm, đầu tư và phát triển thì ngày càng nhiều mô hình, kiến trúc mạng được đề xuất. Các mô hình, kiến trúc mạng này được đề ra nhằm làm cho mạng không dây dần thoát khỏi hoàn toàn sự phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng. Một trong những mô hình mạng được đề xuất đó chính là mạng Adhoc (Mobile Adhoc Network) thường được viết tắt là MANET. Việc các mạng không dây ít phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng là một điều rất thuận lợi nhưng lại có những vấn đề khác đặt ra như tốc độ mạng không ổn định như mạng có dây truyền thống, các nút mạng hay di chuyển, ... Do đó, cùng với vấn đề bảo mật của mạng không dây thì vấn đề định tuyến trong mạng là vô cùng quan trọng. Nó quyết định rất lớn đến hiệu suất của toàn mạng. Mạng cục bộ không dây (WLAN) 1.1.1. Khái niệm về WLAN[1],[3],[6] WLAN là một mạng cục bộ kết nối hai hay nhiều máy tính với nhau mà không sử dụng dây cáp mạng như các mạng có dây truyền thống. WLAN hiện nay đã được ứng dụng rộng rãi trong các tòa nhà, trường học, bệnh viện, một số nơi công cộng như quán cafe, ... Hai công nghệ chính được sử dụng để truyền thông trong WLAN là truyền thông bằng tia hồng ngoại (ở bước sóng 900 nm, 1nm = 10-9m) hoặc truyền thông bằng sóng vô tuyến. WLAN cũng có hai dạng kiến trúc là WLAN có cơ sở hạ tầng (sử dụng các Access Point để kết nối phần mạng không dây với phần mạng có dây truyền thống) và mạng không có cơ sở hạ tầng (mạng adhoc). 7 Mạng Adhoc, Khóa luận tốt nghiệp Cử nhân CNTT, Ngô Hải Sơn, 2008 1.1.2. Lịch sử ra đời mạng WLAN Công nghệ WLAN lần đầu tiên được xuất hiện vào cuối những năm 90 của thế kỉ trước, khi mà các nhà sản xuất giới thiệu những sản phẩm hoạt động trong băng tần 900 MHz. Những giải pháp (chưa có sự thống nhất giữa các nhà sản xuất) này cung cấp tốc độ truyền dữ liệu 1Mbps, thấp hơn nhiều so với công nghệ sử dụng cáp khi đó (tốc độ truyền dữ liệu là 10Mbps). Năm 1992, các nhà sản xuất bắt đầu bán những sản phẩm WLAN đầu tiên sử dụng băng tần 2.4 GHz. Các sản phẩm này đã có tốc độ truyền dữ liệu cao hơn. Tuy nhiên nó vẫn là những giải pháp riêng biệt của từng nhà sản xuất và không được công bố rộng rãi. Năm 1997, chuẩn IEEE 802.11ra đời, hoạt động ở băng tần 2.4 GHz với tốc độ truyền dữ liệu là 2 Mbps (có thể nâng lên 10 Mbps). Đến cuối năm 1999 và đầu năm 2000, hai chuẩn mới lần lượt được IEEE công bố là chuẩn 802.11b (hoạt động ở dải tần 2.4 GHz) và 802.11a (hoạt động ở dải tần 56GHz). Năm 1999 cũng đánh dấu một bước phát triển quan trọng trên thị trường mạng không dây khi hãng máy tính Apple thông báo, chuẩn Wi-Fi sẽ xuất hiện trên dòng máy iBook mới của họ. Năm 2003, IEEE công bố thêm một sự cải tiến mới là chuẩn 802.11g có thể hoạt động trên cả hai băng tần là 2.4GHz và 5GHz, tốc độ truyền dữ liệu có thể lên đến 54Mbps. 1.1.3. Một số ưu và nhược điểm của WLAN 1.1.3.1. Ưu điểm của WLAN - Sự tiện lợi: Do không cần phải có dây cáp mà chỉ cần một điểm truy cập (Access Point) nên việc tạo ra một mạng không dây là nhanh chóng và dễ dàng đối với người sử dụng. Nó cho phép người dùng có thể dễ dàng truy xuất tài nguyên ở bất cứ nơi đâu có triển khai mạng (tòa nhà hay các văn phòng). Với việc các thiết bị di động nhỏ và dễ dàng di chuyển như PDA, laptop có hỗ trợ Wi-Fi ngày càng được sử dụng nhiều như hiện nay thì đây là một điều vô cùng thuận lợi. - Độ linh động: Tính linh động của mạng không dây được thể hiện rõ nhất ở việc người dùng không còn bị ràng buộc bởi dây cáp. Cùng với sự phát triển của mạng không dây công cộng như hiện nay thì người dùng có thể dễ dàng truy cập mạng ở bất 8 Mạng Adhoc, Khóa luận tốt nghiệp Cử nhân CNTT, Ngô Hải Sơn, 2008 kì đâu. Ví dụ điển hình có thể nói tới là các quán cafe wifi, nơi người sử dụng có thể truy cập mạng một cách miễn phí. - Về hiệu quả của công việc: Người dùng có thể dễ dàng duy trì kết nối mạng khi di chuyển từ nơi này đến nơi khác. Đối với việc kinh doanh, điều này vô cùng có lợi. Việc duy trì truyền thông trong khi di chuyển có thể làm tăng thêm hiệu quả công việc của họ. - Thiết kế và triển khai mạng là rất dễ dàng. Không giống như mạng có dây truyền thống, để thiết lập mạng chúng ta cần có những tính toán thiết kế hợp lý, tiến hành nhiều thao tác thì với mạng không dây, chỉ cần các thiết bị tuân theo một chuẩn nhất định và một điểm truy cập, hệ thống mạng đã có thể hoạt động bình thường. Điều này cũng rất có ý nghĩa với những tòa nhà cao tầng hay những công trình cổ, khi mà việc triển khai mạng có dây có thể ảnh hưởng không tốt đến kiến trúc hay kết cấu của chúng. - Một điều thuận lợi nữa của mạng không dây mà chúng ta không thể không nói tới. Đó chính là tính bền vững với sự cố như hỏa hoạn hay thiên tai ... Nếu có thiên tai, hay một sự cố nào đó, việc một mạng có dây bị phá hủy, không thể hoạt động là điều hoàn toàn bình thường, gần như không thể tránh được. Trong những điều kiện như vậy, mạng không dây vẫn có thể hoạt động bình thường hoặc được thiết lập lại một cách nhanh chóng. 1.1.3.2. Nhược điểm của WLAN - Nhược điểm đầu tiên chúng ta có thể nói tới đó chính là vấn đề an toàn và bảo mật dữ liệu trong mạng không dây. Do truyền thông trong mạng không dây là truyền thông trong một môi trường mang tính mở nên việc truy cập tài nguyên mạng trái phép là điều khó tránh khỏi. So với mạng có dây thì tính bảo mật của mạng không dây là không cao bằng. Do đó, vấn đề bảo mật cho mạng không dây là vấn đề vô cùng quan trọng và được quan tâm đặc biệt. Một điểm nữa đó là việc các thiết bị mạng phát sóng radio ra không gian xung quanh có thể ảnh hưởng đến hoạt động của một số thiết bị điện tử khác như các thiết bị trong bệnh viện hay các phòng nghiên cứu. - Thứ hai là chất lượng dịch vụ của mạng không dây. So với mạng có dây thì mạng không dây có tốc độ chậm hơn (chỉ đạt từ 1- 10Mbit/s), độ trễ cao hơn, tỉ lệ lỗi cũng nhiều hơn (tỉ lệ lỗi là 10-4 so với 10-10 của mạng sử dụng cáp quang). Tuy vậy, theo một số chuẩn mới, ở một số môi trường truyền đặc biệt, việc truyền thông trong mạng không dây cũng có thể đạt được tốc độ cao hơn đáng kể, ví dụ như trong chuẩn 802.11n việc truyền thông có thể đạt tốc độ từ 100-200Mbit/s. 9 Mạng Adhoc, Khóa luận tốt nghiệp Cử nhân CNTT, Ngô Hải Sơn, 2008 - Thứ ba đó là vấn đề chi phí cho các thiết bị của mạng WLAN. So với giá thành của các thiết bị mạng có dây, thiết bị dành cho mạng không dây là cao hơn khá nhiều. Đây cũng là một trở ngại cho sự phát triển của mạng không dây. - Tiếp đó là vấn đề độc quyền trong các sản phẩm. Nhiều thiết bị và sản phẩm chỉ có thể hoạt động được nếu sử dụng phần cứng hoặc phần mềm của công ty sản xuất nào đó, và phải hoạt động theo quy định của quốc gia mà nó đang được sử dụng. Các tần số phát cũng được các quốc gia quy định nhằm tránh việc xung đột sóng radio của các mạng khác nhau. Do đó, việc sản xuất các sản phẩm cho mạng WLAN cần phải chú ý đến quy định của từng quốc gia. - Cuối cùng là phạm vi phủ sóng của mạng không dây. Các mạng không dây chỉ hoạt động trong phạm vi nhất định. Nếu ra khỏi phạm vi phát sóng của mạng thì chúng ta không thể kết nối mạng. 1.2. Mạng adhoc 1.2.1. Khái niệm và một số đặc điểm chung của mạng adhoc Ngày nay, với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ, đời sống con người ngày càng được nâng cao. Việc sở hữu một thiết bị di động như máy tính xách tay, PDA hay các smart phone không còn là quá khó khăn với nhiều người. Điều này đã tạo điều kiện và càng thúc đẩy mạng không dây phát triển. Việc kết nối mạng theo mô hình không dây truyền thống (có sử dụng Access point) đã không còn là xa lạ với chúng ta nữa. Nhưng không phải lúc nào mạng không dây truyền thống cũng có thể phát huy được hiệu quả. Ví dụ như trong vùng mới xảy ra thiên tai hay trong lớp học, người ta cần thiết lập một mạng tạm thời, trong một khoảng thời gian ngắn để có thể trao đổi thông tin với nhau. Lúc này nếu thiết lập một mạng không dây có cơ sở hạ tầng là một điều tốn kém và không hợp lý. Do đó, chúng ta cần thiết lập một mạng không dây không cần có cơ sở hạ tầng nhưng vẫn đảm bảo cho các thiết bị có thể trao đổi thông tin được với nhau. Đây chính là mô hình của mạng adhoc. Chúng ta có thể hiểu mạng adhoc là mạng không cần có cơ sở hạ tầng, nghĩa là không cần một sự quản trị trung tâm nào. Nó là tập hợp của hai hay nhiều thiết bị có hỗ trợ truyền thông và kết nối mạng không dây. Các nút mạng trong mạng có thể trực tiếp nhận và xử lý các gói tin trực tiếp từ nút mạng khác trong mạng – nghĩa là đóng vai trò như các host, đồng thời, chúng cũng có thể làm nhiệm vụ của một router là định tuyến và gửi chuyển tiếp các gói tin đến các nút mạng khác trong mạng. 10 Mạng Adhoc, Khóa luận tốt nghiệp Cử nhân CNTT, Ngô Hải Sơn, 2008 Mạng adhoc là một mạng có tính tự thiết lập và thích nghi. Điều đó có nghĩa là các nút mạng có thể di động làm cho topo mạng thay đổi (topo động). Nhưng các nút mạng có thể tự phát hiện ra sự có mặt của các nút mạng khác và thực hiện kết nối cho phép truyền thông tin mà không cần bất kì một sự quản trị trung tâm nào hay một thiết bị điều khiển nào cả. Một điểm cần lưu ý ở đây là các nút mạng không những có thể phát hiện khả năng kết nối của các thiết bị mà nó còn có thể phát hiện ra loại thiết bị và các đặc tính tương ứng của các loại thiết bị đó. Các nút mạng có thể là các thiết bị khác nhau, ví dụ như máy tính xách tay, PDA, hay smart phone, ... nên khả năng tính toán, lưu trữ hay truyền dữ liệu của các nút mạng cũng là khác nhau. Một điều cũng dễ dàng nhận thấy là vấn đề sử dụng và duy trì năng lượng cho các nút mạng của mạng adhoc là vấn đề đáng quan tâm vì các nút mạng thường dùng pin để duy trì sự hoạt động của mình. Ngoài ra, cũng giống như mạng không dây có cơ sở hạ tầng, tính bảo mật trong truyền thông của mạng adhoc là không cao. Truyền thông trong không gian là khó kiểm soát và dễ bị tấn công hơn so với mạng có dây rất nhiều. 1.2.2. Ví dụ về mạng adhoc Hình 1: Ví dụ cơ bản về mạng adhoc Hình trên mô tả một mạng adhoc đơn giản gồm có 5 nút mạng được kí hiệu từ N1 đến N5. Nhìn vào hình vẽ chúng ta có thể dễ dàng thấy được: ở thời điểm t1, liên kết từ N1 đến N2, N1 đến N4, N2 đến N3, N2 đến N5, N3 đến N5, N4 đến N2, N4 đến N5 là những good link nghĩa là những liên kết mạnh, từ N4 đến N1, N5 đến N4, N5 đến N3 là những weak link tức những liên kết yếu. Như vậy ở đây một đặc điểm của mạng adhoc đã được thể hiện rõ. Đó là liên kết giữa 2 nút mạng của mạng có thể không giống nhau dù có chung điểm đầu và điểm cuối. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng liên kết hai chiều không đối xứng. Liên kết từ N4 đến N5 là liên kết mạnh nhưng liên kết từ N5 đến N4 lại là liên kết yếu. Điều này là do vị trí an-ten của 2 nút mạng khác nhau, hoặc do năng lượng phát của các nút mạng trong mạng là khác 11 Mạng Adhoc, Khóa luận tốt nghiệp Cử nhân CNTT, Ngô Hải Sơn, 2008 nhau... Tương tự chúng ta cũng có thể thấy N3 có thể nhận tín hiệu từ N2 là một liên kết mạnh nhưng mà N2 lại không thu được tín hiệu từ N3. Sang đến thời điểm t2, lúc này topo mạng đã thay đổi, liên kết giữa các nút mạng cũng thay đổi theo. Lúc này, N1 chỉ có liên kết mạnh với N2, liên kết với N4 lại là liên kết yếu và N1 không còn thu được tín hiệu từ N4. Liên kết từ N2 đến N3 và N5 lại là liên kết mạnh. Lúc này, N2 cũng có thể thu được tín hiệu từ N3 mặc dù đó là liên kết yếu. Điều này ở thời điểm t1 là không có. Mặt khác chúng ta cũng có thể thấy hai nút mạng nằm trong vùng phủ sóng của nhau có thể truyền thông trực tiếp cho nhau. Ví dụ như trong thời điểm t1, việc truyền thông giữa hai nút mạng N1 và N4 là trực tiếp với nhau. Tuy nhiên ngay cả khi không nằm trong vùng phủ sóng của nhau thì giữa các nút mạng vẫn hoàn toàn có thể thực hiện việc truyền thông với nhau thông qua các nút mạng trung gian. Ví dụ N1 có thể thực hiện truyền dữ liệu cho N3 thông qua nút mạng N2, còn N3 có thể truyền dữ liệu cho N1 thông qua nút mạng N5 và N4. 1.2.3. Các ứng dụng của mạng adhoc - Đáp ứng nhu cầu truyền thông mang tính chất tạm thời: Tại một địa điểm trong một thời gian nhất định, giống như trong một lớp học hay một cuộc họp, ... việc thiết lập một mạng mang tính chất tạm thời để truyền thông với nhau chỉ diễn ra trong một khoảng thời gian ngắn. Nếu chúng ta thiết lập một mạng có cơ sở hạ tầng, dù là mạng không dây vẫn rất tốn kém tiền bạc cũng như nhân lực, vật lực, thời gian. Do đó, mạng adhoc được coi là giải pháp tốt nhất cho những tình huống như thế này. - Hỗ trợ khi xảy ra các thiên tai, hỏa hoạn và địch họa: Khi xảy ra các thiên tai, hỏa hoạn ở một nơi nào đó, cơ sở hạ tầng ở đó như đường dây, các máy trạm, máy chủ, ... có thể bị phá hủy dẫn đến hệ thống mạng bị tê liệt là hoàn toàn khó tránh khỏi. Vì thế , việc thiết lập nhanh chóng một mạng có tính tin cậy mà không cần cơ sở hạ tầng để đáp ứng truyền thông, nhằm giúp khắc phục, giảm tổn thất sau thiên tai, hỏa hoạn là cần thiết. Mạng adhoc lại là một lựa chọn cho những tình huống như vậy. - Đáp ứng truyền thông tại những nơi xa trung tâm, các vùng sâu, vùng xa: Tại những nơi xa trung tâm, dân cư thưa thớt hay ở vùng sâu, vùng xa, việc thiết lập các hệ thống mạng có cơ sở hạ tầng là rất khó khăn và tốn kém. Vậy nên, ở những nơi này, giải pháp được đưa ra là sử dụng các mạng vệ tinh hoặc mạng adhoc. - Tính hiệu quả: Trong một số ứng dụng nào đó, nếu sử dụng dịch vụ mạng có cơ sở hạ tầng có thể không có hiệu quả cao bằng việc dùng mạng adhoc. Ví dụ như với 12 Mạng Adhoc, Khóa luận tốt nghiệp Cử nhân CNTT, Ngô Hải Sơn, 2008 một mạng có cơ sở hạ tầng, do được điều khiển bởi một base station nên các nút mạng muốn truyền thông với nhau đều phải thông qua nó. Ngay cả khi hai nút mạng ở gần nhau, chúng cũng không thể trực tiếp truyền thông với nhau mà phải chuyển tiếp qua một base station ở xa. Điều đó gây ra một sự lãng phí thời gian và băng thông mạng. Trong khi đó, nếu sử dụng mạng adhoc việc truyền thông giữa hai nút mạng đó lại trở lên vô cùng dễ dàng và nhanh chóng. Hai nút mạng gần nhau có thể truyền thông trực tiếp với nhau mà không cần phải thông qua thiết bị trung gian nào khác. 1.2.4. Một số vấn đề cần quan tâm trong mạng adhoc - Chi phí cho việc sử dụng phổ tần số: Việc sử dụng phổ tần số chịu sự giám sát của một cơ quan nhà nước chuyên phụ trách về truyền thông (ví dụ như Việt Nam là Bộ truyền thông và thông tin). Để ngăn ngừa nhiễu sóng, cơ quan này phải đưa ra quy định về dải phổ cụ thể cho từng mạng hoạt động, trong đó có cả mạng adhoc. Các dải phổ này được cấp phát và quản lý một cách chặt chẽ, đồng thời cũng phải trả phí tổn. - Giải pháp truy nhập: Không giống như mạng không dây có cơ sở hạ tầng được điều khiển bởi một base station, mạng adhoc thiếu sự điều khiển tập trung và đồng bộ toàn cục. Điều này một mặt tạo cho người dùng khả năng di động và kết nối không giới hạn nhưng mặt khác lại làm cho cấu trúc của các nút mạng trở nên phức tạp hơn. Việc các nút mạng di động liên tục cũng có thể làm cho đường truyền phát sinh lỗi, kết nối giữa các nút mạng có thể bị đứt đột ngột. Do đó, các phương pháp điều khiển truy cập môi trường truyền thông dụng như TDMA và FDMA đều không thể thích hợp. Ngoài ra nhiều giao thức điều khiển truy cập môi trường truyền (MAC protocol) không giải quyết được sự di động của máy chủ. Mặt khác, do môi trường truyền được chia sẻ bởi nhiều nút mạng di động tùy biến nên việc truy nhập đến kênh truyền chung phải được thực hiện theo kiểu phân tán thông qua giao thức MAC. Giao thức MAC phải chứa đựng cơ chế điều khiển việc truy nhập kênh truyền, đồng thời phải tránh được sự xung đột với các nút mạng lân cận. Sự có mặt của tính di động, hiện tượng các “trạm cuối ẩn”, “trạm cuối lộ”... phải được tính đến khi thiết kế giao thức MAC cho mạng adhoc. - Vấn đề định tuyến trong mạng adhoc: Do đặc điểm chính của mạng adhoc là topo động, các nút mạng có thể di chuyển liên tục nên khả năng đứt gẫy liên kết xảy ra là lớn. Khi đó, các thuật toán định tuyến của mạng có dây như trạng thái liên kết (link state) hay Vector khoảng cách (distance vector) đều không phù hợp với mạng adhoc. Vì thế vấn đề định tuyến của mạng adhoc trở lên đặc biệt quan trọng vì nó liên quan đến khả năng hoạt động và hiệu suất của toàn mạng. 13 Mạng Adhoc, Khóa luận tốt nghiệp Cử nhân CNTT, Ngô Hải Sơn, 2008 - Ở đây, chúng ta cũng có thể nói thêm về giao thức TCP (Transmission Coltrol Protocol). Ta biết rằng, TCP là giao thức được thiết kế để thực hiện việc truyền tin cậy kiểu “đầu cuối - đầu cuối” (end-to-end), có thực hiện các cơ chế điều khiển tắc nghẽn và điều khiển lưu lượng trong mạng. TCP là giao thức hướng kết nối, có nghĩa là kết nối được duy trì trong khi truyền dữ liệu và nó sẽ bị loại bỏ khi việc truyền dữ liệu hoàn thành. Đây là điều hoàn toàn cần thiết bởi vì giao thức IP là phi kết nối, rất cần một giao thức truyền dẫn hướng kết nối đáng tin cậy qua một giao thức mạng. Nhưng TCP lại giả thiết các nút mạng là tĩnh và chỉ điều khiển tắc nghẽn ở các nút mạng đầu và nút mạng cuối. - Vấn đề về duy trì năng lượng cho các nút mạng: Hầu hết các giao thức mạng hiện nay đều không quan tâm đến việc tiêu tốn năng lượng do các máy chủ và bộ định tuyến đều được giả định là tĩnh và được cung cấp năng lượng từ nguồn điện lưới. Trong khi đó với mạng adhoc thì khác. Các nút mạng chủ yếu là những thiết bị di động, năng lượng được cung cấp từ pin. Vì thế, thời gian hoạt động của các thiết bị chỉ vào khoảng từ 2 đến 3h tùy theo loại pin. Sự giới hạn về thời gian như thế đòi hỏi phải sử dụng tiết kiệm và bảo trì tốt nguồn điện. Mặt khác, với mạng adhoc, các nút mạng không những vừa đóng vai trò của hệ thống đầu cuối (tương tác người dùng khi thực hiện ứng dụng người dùng) mà nó còn đóng vai trò của một hệ thống trung gian định tuyến cho các gói tin. Điều này cũng tiêu tốn đáng kể năng lượng, nên vấn đề tiết kiệm năng lượng khi thiết kế các giao thức mạng cũng cần phải được quan tâm đặc biệt. - Bảo mật trong mạng adhoc: Cũng như đối với mạng không dây nói chung, bảo mật trong mạng adhoc là không cao. Do đó, các kỹ thuật bảo mật cần được triển khai trên nhiều tầng giao thức nhằm giảm nguy cơ bị tấn công từ bên ngoài. 1.3. Mục tiêu của luận văn Cùng với sự phát triển của cuộc sống con người và khoa học kĩ thuật, công nghệ mạng cũng đang ngày càng phát triển. Việc nghiên cứu, phát triển và sử dụng mạng không dây đang ngày càng được quan tâm đặc biệt để có thể giúp cho việc truyền thông và giải trí của con người được đáp ứng tốt nhất. Do đó, mục tiêu đầu tiên của khóa luận là: - Nghiên cứu các đặc điểm chính của mạng LAN không dây (WLAN). - Nghiên cứu những đặc điểm chính của mạng adhoc, đồng thời nghiên cứu các giao thức định tuyến trong mạng adhoc, so sánh đánh giá hiệu suất của các giao thức định tuyến thông qua bộ mô phỏng NS2. 14 Mạng Adhoc, Khóa luận tốt nghiệp Cử nhân CNTT, Ngô Hải Sơn, 2008 Chương 2: Mạng LAN không dây 2.1. Mạng WLAN theo chuẩn 802.11[1], [2],[6] Ở chương đầu tiên, chúng ta đã có những khái niệm tổng quan nhất về mạng không dây. Trong chương này, tôi xin trình bày cụ thể kiến trúc kĩ thuật của mạng WLAN theo chuẩn 802.11. WLAN có hai dạng cơ bản là WLAN có cơ sở hạ tầng (infrastructured-based) và WLAN không có cơ sở hạ tầng (mạng adhoc). Mạng không dây có tính linh hoạt cao do hai dạng này luôn được sử dụng kết hợp với nhau. Nghĩa là các máy tính có thể trao đổi dữ liệu qua một Base Station hoặc cũng có thể truyền thông trực tiếp với nhau. Hình 2: Hai mô hình của mạng WLAN 2.1.1. Mạng WLAN có cơ sở hạ tầng Mạng WLAN có cơ sở hạ tầng, các nút mạng truyền thông được với nhau đều phải thông qua điểm truy cập chung AP (Access Point), nó còn có một tên gọi khác nữa là trạm cơ sở - BS (Base Station). Các base station không chỉ cung cấp khả năng kết nối mạng mà nó còn có chức năng chuyển tiếp, điều khiển các truy cập đường truyền. Ngoài ra, các base station còn thường được kết nối với các mạng có dây nên nó đóng vai trò như là cầu nối các mạng không dây và có dây với nhau tạo thành một mạng diện rộng. Tốc độ truyền dữ liệu của mạng không chỉ phụ thuộc vào đặc điểm 15 Mạng Adhoc, Khóa luận tốt nghiệp Cử nhân CNTT, Ngô Hải Sơn, 2008 của các nút mạng mà còn phụ thuộc vào bán kính phủ sóng của các AP. Các nút mạng càng gần AP thì tốc độ truyền dữ liệu càng cao. Do đó, việc lựa chọn tốc độ truyền và phạm vi hoạt động cần phải cân nhắc, khi đó ảnh hưởng trực tiếp tới sự bố trí của các AP. Khái niệm Indoor và Outdoor: Indoor là khái niệm dùng vô tuyến trong phạm vi không gian nhỏ, như trong một tòa nhà. Outdoor là khái niệm dùng vô tuyến trong phạm vi không gian lớn hơn, với WLAN thì bán kính đến các thiết bị mà nó quản lý có thể từ 5 – 20 km. Hình 3: Đặc trưng của một số chuẩn không dây Nhìn vào hình vẽ, ta có thể thấy các chuẩn 2G, 3G có phạm vi hoạt động rộng, và tốc độ truyền dữ liệu của nó là rất thấp (tốc độ của mạng 2G là 56Kbps, 3G là 384Kbps). Các chuẩn 802.x có phạm vi hoạt động nhỏ hơn, tốc độ truyền dữ liệu của các chuẩn này cũng cao hơn. 2.1.2. Mạng adhoc Các thiết bị di động (máy tính có hỗ trợ card mạng không dây) tập trung lại trong một không gian nhỏ để hình thành nên kết nối ngang cấp (peer-to-peer) giữa chúng. Các thiết bị này có thể trao đổi thông tin trực tiếp với nhau, không cần phải quản trị 16 Mạng Adhoc, Khóa luận tốt nghiệp Cử nhân CNTT, Ngô Hải Sơn, 2008 mạng. Vì việc thiết lập các mạng adhoc này có thể thực hiện nhanh và dễ dàng nên chúng thường được thiết lập mà không cần một công cụ hay kỹ năng đặc biệt nào vì vậy nó rất thích hợp để sử dụng trong các hội nghị thương mại hoặc trong các nhóm làm việc tạm thời. Tuy nhiên chúng có thể có những nhược điểm về vùng phủ sóng bị giới hạn, mọi người sử dụng đều phải nằm trong vùng có thể “nghe” được lẫn nhau. Hình 4:Mô hình mạng không dây adhoc 2.2.Kiến trúc giao thức mạng WLAN theo chuẩn 802.11 802.11 là một trong những chuẩn thuộc họ 802.x – là họ chuẩn cho các mạng LAN. IEEE802.11 có nhiều chuẩn nhưng phổ biến nhất hiện nay là ba chuẩn 802.11 a/b/g: - Chuẩn 802.11b: Hoạt động ở dải tần 2.4 GHz, tốc độ truyền dữ liệu là 11Mbps, là dải tần dành cho công nghiệp, khoa học và y tế - ISM (Industrial, Scientific và Medical). Ở Mỹ, thiết bị hoạt động ở dải tần này không cần phải đăng ký và được đảm bảo bởi tổ chức WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance). - Chuẩn 802.11a: Hoạt động ở dải tần 5-6 GHz, tốc độ truyền dữ liệu lên đến 54Mbps, chuẩn này đang được một số hãng đầu tư nghiên cứu thực hiện, nhằm hy vọng thay thế cho chuẩn 802.11b. Chuẩn này có đặc điểm là tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn, nhưng có điểm yếu là vùng phủ sóng hẹp do chuẩn này sử dụng dải tần 5GHz (dải tần càng cao thì vùng truyền tín hiệu càng nhỏ). - Chuẩn 802.11g: Là phiên bản nâng cấp của 802.11b, được thông qua bởi tổ chức IEEE. Nó cũng hoạt động ở dải tần 2.4GHz nhưng tốc độ truyền có thể lên tới 17 Mạng Adhoc, Khóa luận tốt nghiệp Cử nhân CNTT, Ngô Hải Sơn, 2008 54Mbps. Những sản phẩm áp dụng chuẩn này đều có thể tương thích được với sản phẩm áp dụng chuẩn 802.11b. Tuy nhiên điểm hạn chế của nó là chỉ truyền thông được giữa những đối tượng nằm trong khoảng cách ngắn với nhau. Về kiến trúc, chuẩn 802.11 được chia làm 2 lớp là lớp vật lý và lớp điều khiển truy cập môi trường truyền MAC. Trong đó, tầng MAC có nhiệm vụ là thực hiện cơ chế điều khiển truy nhập môi trường truyền, phân mảnh dữ liệu của ứng dụng người dùng và mã hóa. Tầng vật lý được chia làm hai tầng con (sublayer) với hai chức năng khác nhau. Đầu tiên là tầng giao thức hội tụ vật lý (Physical Layer Convergence Protocol - PLCP) có nhiệm vụ cảm nhận sóng mang và cung cấp điểm truy cập dịch vụ vật lý chung. Thứ hai là tầng phụ thuộc môi trường truyền (Physical Medium Dependent - PMD) có nhiệm vụ quản lý việc điều chế (mudulation) tín hiệu. Hình 5: Mô hình phân lớp của mạng WLAN theo chuẩn 802.11 Bây giờ chúng ta sẽ tìm hiểu cụ thể từng tầng: 2.2.1. Lớp Vật Lý Chuẩn IEEE hỗ trợ 3 phiên bản khác nhau của tầng vật lý: hai loại sử dụng công nghệ sóng radio (dải tần 2.4GHz) và loại còn lại sử dụng công nghệ hồng ngoại. Cả ba loại đều có chức năng là đánh giá kênh truyền rỗi - CCA (Clear Channel Assessment) và điểm truy cập dịch vụ vật lý. Chức năng CCA xác định cho tầng trên biết môi trường truyền có rỗi hay không. Điều này rất cần thiết cho việc điều khiển truy nhập môi trường truyền. Chức năng điểm truy cập dịch vụ vật lý cung cấp thông tin về tốc độ truyền, độc lập với công nghệ truyền thông. Khi mà tài nguyên tần số sóng vô tuyến ngày càng trở lên cạn kiệt thì người ta phải sử dụng kĩ thuật trải phổ nhằm nâng cao hiệu năng sử dụng tần số. Chúng ta có thể so sánh với công nghệ truyền thông băng hẹp, công nghệ truyền thông ra đời trước công nghệ trải phổ. Với truyền thông băng hẹp, mạng chỉ sử dụng phổ tần số ở một mức đủ hoàn thành công việc. Đặc điểm đáng chú ý ở truyền thông băng hẹp là công 18 Mạng Adhoc, Khóa luận tốt nghiệp Cử nhân CNTT, Ngô Hải Sơn, 2008 suất đỉnh (peak power) cao. Và dải tần số được sử dụng để truyền dữ liệu càng nhỏ thì công suất đỉnh lại càng lớn. Điều đó là để đảm bảo cho việc tiếp nhận tín hiệu trong băng hẹp không bị lỗi. Một đặc điểm nữa của truyền thông băng hẹp là tín hiệu truyền rất dễ bị tắc nghẽn hay nhiễu. Đây chính là điểm bất lợi của truyền thông băng hẹp. Trong khi đó, công nghệ trải phổ cho phép chúng ta truyền cùng một lượng thông tin như băng hẹp nhưng trải phổ chúng trên một vùng tần số lớn hơn nhiều. Ngoài ra, chúng ta có thể giảm được nhiễu và tắc nghẽn trong quá trình truyền dữ liệu. Do băng tần của trải phổ là tương đối rộng nên công suất đỉnh của nó rất thấp. Như vậy, đặc trưng của kĩ thuật trải phổ là băng thông rộng và công suất thấp. Cũng chính nhờ hai đặc điểm này mà bên nhận không mong muốn sẽ xem chúng như những tín hiệu nhiễu (tín hiệu nhiễu cũng có đặc điểm băng thông rộng và công suất thấp), do đó có thể tránh được “sự tò mò” không cần thiết, làm tăng thêm tính bảo mật khi truyền dữ liệu. Có hai kĩ thuật trải phổ thông dụng nhất hiện nay là kĩ thuật trải phổ nhảy tần (FHSS - Frequency Hopping Spread Spectrum) và kĩ thuật trải phổ dãy trực tiếp (DSSS -Direct Sequence Spread Spectrum ) 2.2.1.1. Kĩ thuật trải phổ nhảy tần (FHSS) Kĩ thuật trải phổ nhảy tần là công nghệ cho phép nhiều mạng không dây có thể đồng thời hoạt động trong cùng một vùng phủ sóng bằng cách phân chia cho các mạng sử dụng những dãy dải tần khác nhau. Trong hệ thống này, sóng mang sẽ thay đổi tần số tùy thuộc vào một bảng gồm nhiều tần số mà sóng mang có thể nhảy trong một khoảng thời gian xác định. Bảng này được gọi là chuỗi giả ngẫu nhiên (Pseudorandom), bên gửi sử dụng chuỗi này để tìm tần số truyền cho nó. Khoảng thời gian mà sóng mang tồn tại ở một tần số nào đó được gọi là dwell time (tính bằng mili giây), khoảng thời gian mà sóng mang nhảy từ tần số này sang tần số khác được gọi là hop time (tính bằng micro giây). Sau khi danh sách tần số được nhảy hết, phía gửi sẽ lặp lại chuỗi Pseudorandom từ đầu. Tất nhiên, việc sử dụng trải phổ nhảy tần không tránh khỏi việc nhiễu, mất mát trong khi truyền. Tuy nhiên, do trải phổ trên nhiều băng tần nên nếu tín hiệu bị nhiễu trên một băng tần nào đó vẫn có thể được truyền lại ở tần số khác. Chuẩn 802.11 xác định tốc độ truyền dữ liệu của FHSS là 1-2 Mbps. Để tránh hiện tượng xung đột trong môi trường dùng chung, hệ thống nhảy tần sử dụng một khái niệm gọi là kênh (channel). Channel thực chất là một dạng nhảy (hop pattern) xác định được quy định bởi một tổ chức có thẩm quyền (ở MỸ là FCC Federal Communication Commission) hoặc do đồng bộ hóa hệ thống giữa các mạng tạo ra. 19 Mạng Adhoc, Khóa luận tốt nghiệp Cử nhân CNTT, Ngô Hải Sơn, 2008 2.2.1.2. Kĩ thuật trải phổ dãy trực tiếp (DSSS) DSSS là kĩ thuật trải phổ được sử dụng rỗng rãi nhất trong các các kĩ thuật trải phổ vì nó dễ cài đặt và có tốc độ cao. Hệ thống truyền và hệ thống nhận của DSSS đều sử dụng một tập hợp các tần số có độ rộng là 22 MHz. Các kênh rộng này cho phép hệ thống DSSS có tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn hệ thống FHSS nhiều. Về nguyên tắc hoạt động, DSSS kết hợp tín hiệu dữ liệu tại trạm truyền với một chuỗi bit dữ liệu tốc độ cao, gọi là chip sequence, mỗi chip tương ứng với 1 bit trong dãy đó. Mỗi chip sequence bao gồm tối thiểu là 11 chip, từng bit của dãy bit số liệu cần truyền được kết hợp với một chip sequence, tạo thành một mã được gọi là mã Baker. Kỹ thuật DSSS làm giảm khả năng bị nhiễu của tín hiệu. Tiến trình DSSS bắt đầu với một sóng mang được điều chế với một chuỗi mã. Số lượng chip trong một chip sequence sẽ xác định độ trải rộng phổ của hệ thống và tốc độ của dãy bit đặc biệt này (tính bằng chip trên giây) sẽ xác định tốc độ truyền dữ liệu. IEEE 802.11 xác định tốc độ truyền dữ liệu của DSSS cũng là 1-2 Mbps. Giống như FHSS, hệ thống DSSS cũng sử dụng khái niệm kênh. Nhưng nếu như FHSS sử dụng chuỗi nhảy để xác định kênh thì khái niệm kênh trong DSSS lại được quy ước sẵn. Mỗi kênh trong DSSS là một dải tần số liên tục rộng 22 MHz, có tần số sóng mang cách nhau MHz (giống FHSS). Ví dụ: Kênh 1 hoạt động trong dải tần từ 2.401GHz đến 2.423GHz. Như vậy, các tần số được sử dụng để truyền dữ liệu trong kênh 1 là 2.412 GHz +/- 11 MHz, 2.412GHz +/- 10 MHz, ..., 2.412 GHz +/-1 MHz. Hình 6: Các kênh và dải tần số hoạt động 20
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan