Tài liệu Nghiên cứu phương pháp cải tiến giao thức định tuyến aomdv nhằm đảm bảo chất lượng dịch vụ cho mạng manet

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG Hà Mạnh Huy NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP CẢI TIẾN GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN AOMDV NHẰM ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ CHO MẠNG MANET LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Thái Nguyên - 2020 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG Hà Mạnh Huy NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP CẢI TIẾN GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN AOMDV NHẰM ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ CHO MẠNG MANET Ngành: Khoa học máy tính Mã số: 8480101 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. ĐỖ ĐÌNH CƯỜNG Thái Nguyên - 2020 LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập, nghiên cứu đề tài luận văn: “Nghiên cứu phương pháp cải tiến giao thức định tuyến AOMDV nhằm đảm bảo chất lượng dịch vụ cho mạng MANET” tôi đã nhận được sự giúp đỡ, chỉ bảo nhiệt tình của các thầy, cô giáo thuộc Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông – Đại học Thái Nguyên để hoàn thành luận văn này. Với tình cảm chân thành, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đối với Ban giám hiệu, phòng Đào tạo, Khoa Công nghệ thông tin, các thầy giáo, cô giáo thuộc Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông – Đại học Thái Nguyên đã tham gia quản lý, giảng dạy và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu. Tôi xin bày tỏ sự biết ơn đặc biệt đến Thầy TS. Đỗ Đình Cường - người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ về kiến thức, tài liệu và phương pháp để tôi hoàn thành đề tài luận văn thạc sĩ này. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã động viên, cổ vũ, khích lệ và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian qua. Mặc dù đã có nhiều cố gắng trong suốt quá trình thực hiện đề tài, song có thể còn có những mặt hạn chế, thiếu sót. Tôi rất mong nhận được ý kiến đóng góp và sự chỉ dẫn của các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện. Thái Nguyên, ngày … tháng …. năm 2020 Học viên Hà Mạnh Huy MỤC LỤC MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. ĐỊNH TUYẾN ĐA ĐƯỜNG TRONG MẠNG MANET .......... 3 1.1. Tổng quan về mạng MANET................................................................. 3 1.1.1. Định nghĩa mạng MANET.............................................................. 3 1.1.2. Đặc điểm của mạng MANET.......................................................... 4 1.1.3. Ứng dụng của mạng MANET ......................................................... 6 1.1.3.1. Ứng dụng trong quân đội ............................................................. 6 1.3.1.2. Các ứng dụng trong cuộc sống..................................................... 7 1.3.1.3. Mạng cảm biến ............................................................................. 8 1.3.1.4. Mạng Rooftop .............................................................................. 9 1.3.1.5. Mở rộng phạm vi của điểm truy cập .......................................... 10 1.2. Giao thức định tuyến đa đường AOMDV............................................ 10 1.2.1. Tổng quan về giao thức AOMDV................................................. 10 1.2.2. Vấn đề chống định tuyến lặp ........................................................ 12 1.2.3. Các đường tách biệt....................................................................... 14 1.2.4. Bảng định tuyến ............................................................................ 20 1.2.5. Thuật toán cập nhật đường ............................................................ 21 1.2.6. Tiến trình khám phá đường ........................................................... 23 1.2.7. Cơ chế bảo trì đường ..................................................................... 26 1.2.8. Cơ chế chuyển tiếp dữ liệu............................................................ 26 1.3. Một số nghiên cứu cải tiến giao thức AOMDV ................................... 27 1.4. Tổng kết chương 1 ............................................................................... 29 CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH TUYẾN ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ CHO MẠNG MANET TRONG GIAO THỨC QCLR ................ 31 2.1. Đề xuất ý tưởng cải tiến cho giao thức AOMDV ................................ 31 2.2. Xây dựng hàm lượng giá đường theo QoS .......................................... 33 2.2.1. Phân lớp các ứng dụng theo yêu cầu QoS .................................... 33 3.2.2. Phương pháp ra quyết định chọn đường ....................................... 33 2.2.3. Xác định trọng số của các tiêu chuẩn QoS ................................... 36 2.3. Dự đoán chất lượng liên kết tại tầng MAC .......................................... 40 2.3.1. Ước lượng thời gian trễ theo thời gian phục vụ ............................ 41 2.3.2. Ước lượng tỉ lệ lỗi frame của liên kết ........................................... 45 2.4. Phát triển giao thức QCLR từ giao thức AOMDV .............................. 46 2.4.1. Xây dựng hàm lượng giá đường ................................................... 46 2.4.2. Cơ chế định tuyến QoS ................................................................. 48 2.9. Tổng kết Chương 2 .............................................................................. 50 CHƯƠNG 3. KIỂM NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ......................... 52 3.1. Kịch bản mô phỏng .............................................................................. 52 3.2. Các độ đo đánh giá hiệu năng .............................................................. 53 3.3. Các kết quả và đánh giá ....................................................................... 54 3.3.1. Độ trễ truyền gói tin trung bình .................................................... 54 3.3.2. Thông lượng trung bình ................................................................ 56 3.3.3. Tỉ lệ truyền gói thành công ........................................................... 57 3.3.4. Tải định tuyến ............................................................................... 59 3.3.5. Độ biến thiên trễ truyền gói tin ..................................................... 60 3.4. Tổng kết Chương 3 .............................................................................. 63 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ...................................................... 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 66 1 MỞ ĐẦU Được 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 hướng nghiên cứu khác nhau Định tuyến trong mạng MANET đã và đang là một vấn đề rất cần được quan tâm giải quyết trong những nghiên cứu cải tiến hiệu năng mạng MANET. Đã có nhiều cải tiến nghiên cứu được đề xuất nhằm cải tiến các giao thức định tuyến cho mạng MANET. Có thể phân nhóm các nghiên cứu này theo mục tiêu của chúng bao gồm: Tăng độ bền vững của đường được chọn, nâng cao hiệu quả định tuyến, đảm bảo an ninh trong định tuyến, định tuyến hỗ trợ QoS, định tuyến với cơ chế tiết kiệm năng lượng. Trong từng ngữ cảnh triển khai mạng MANET với các yêu cầu cụ thể, cần lựa chọn, cải tiến và sử dụng giao thức định tuyến một cách phù hợp. Đối với vấn đề định tuyến hỗ trợ QoS, các giao thức định tuyến phải có khả năng chọn đường phù hợp với yêu cầu QoS của dữ liệu cần truyền. Tại mỗi nút mạng, các luồng dữ liệu có yêu cầu QoS khác nhau có thể truyền theo các con đường khác nhau. Do các giao thức định tuyến đơn đường chỉ hỗ trợ tìm một đường duy nhất sau tiến trình định tuyến nên không thể chọn được các đường khác nhau theo các luồng dữ liệu có yêu cầu QoS khác nhau. Do đó, các giao thức định tuyến đa đường là lựa chọn thích hợp để tích hợp cơ chế định tuyến QoS. Các giao thức định tuyến đa đường có khả năng tìm và sử dụng nhiều đường đồng thời từ một nút nguồn tới một nút đích. Trong thời gian qua, đã có nhiều giao thức định tuyến đa đường được đề xuất. Tuy nhiên trong các giao thức định tuyến đa đường đã được đề xuất này, vấn đề định tuyến theo yêu cầu 2 chất lượng dịch vụ của các lớp chương trình ứng dụng phân loại theo chuẩn ITU-T G.1010 vẫn chưa được giải quyết. Mục tiêu chính của đề tài này là nghiên cứu phương pháp cải tiến cho giao thức đa đường AOMDV trên cơ sở các đề xuất về phương pháp phân lớp các ứng dụng theo yêu cầu chất lượng dịch vụ theo chuẩn ITU-T G1010, phương pháp tính trọng số cho các tham số chất lượng dịch vụ, kỹ thuật dự đoán chất lượng liên kết tại tầng MAC, phương pháp triển khai cải tiến giao thức AOMDV theo cách tiếp cận liên tầng đảm bảo yêu cầu QoS, kiểm nghiệm và đánh giá kết quả của các cải tiến đã đề xuất trên cơ sở mô phỏng. Luận văn có bố cục như sau: Sau phần mở đầu, 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. 3 CHƯƠNG 1. ĐỊNH TUYẾN ĐA ĐƯỜNG TRONG MẠNG MANET 1.1. Tổng quan về mạng MANET 1.1.1. 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. Hình 1.1. 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. 4 Trong Hình 1.1 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). 1.1.2. 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; 1.1.3. 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. 1.1.3.1. 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. Hình 1.2 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 1.2. 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. 1..1.3.2. 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. 1.3.1.3. 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. Mạng cảm biến là mạng gồm các nút cảm biến (sensor) – các nút này hợp tác với nhau để cùng thực hiện một nhiệm vụ cụ thể, ví dụ như: giám sát môi trường (không khí, đất, 9 nước), theo dõi môi trường sống, hành vi, dân số của các loài động, thực vật, dò tìm động chấn, theo dõi tài nguyên, thực hiện trinh thám trong quân đội,... Trước đây mạng cảm biến thường bao gồm một lượng nhỏ các nút cảm biến được kết nối bằng cáp tới một trạm xử lý tập trung. Ngày nay, các nút mạng cảm biến thường là không dây, phân tán để vượt qua các trở ngại vật lý của môi trường, tiết kiệm năng lượng và do trong nhiều trường hợp không thể có được một hạ tầng có sẵn về năng lượng và truyền thông. Công nghệ mạng không dây kiểu không cấu trúc thường được áp dụng để triển khai mạng cảm biến do:  Các nút cảm biến được phân tán trong vùng không có sẵn cơ sở hạ tầng về truyền thông và năng lượng. Các nút phải tự hình thành kết nối.  Các nút phải tự tự cấu hình, tự hoạt động trong bất cứ trường hợp nào  Cấu hình mạng luôn có thể thay đổi (các nút cảm biến bị hỏng, các nút mới được thêm vào,…), mạng cảm biến phải tự thích nghi với những thay đổi này. 1.3.1.4. Mạng Rooftop Là một công nghệ đang bùng nổ để cung cấp truy cập mạng băng thông rộng tới các gia đình, một cách để thay thế ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) và các công nghệ tương tự khác. Mạng rooftop sử dụng công nghệ mạng ad-hoc để mở rộng phạm vi của một số điểm truy cập – các điểm này được nối với nhà cung cấp dịch vụ Internet (ISP). Mỗi người truy cập được trang bị một router ad-hoc cho phép chuyển tiếp lưu lượng thay mặt những người truy cập khác. Từ khía cạnh ad-hoc, những mạng MANET như vậy là tương đối tĩnh – cấu hình của mạng hiếm khi thay đổi. 10 Hình 1.3. Một ví dụ về mạng Rooftop 1.3.1.5. Mở rộng phạm vi của điểm truy cập Trong các mạng không dây được sử dụng rộng rãi ngày nay, các nút mạng di động được kết nối với các điểm truy cập theo cấu hình hình sao. Để được kết nối vào mạng, người sử dụng phải ở trong phạm vi truy cập của mạng. Do phạm vi truy cập này là giới hạn và cơ sở hạ tầng một chặng (one-hop) của cấu hình này, các điểm truy cập phải được trải rộng trong toàn bộ vùng, bao phủ khắp những nơi muốn kết nối với nhau. Sử dụng mạng không dây kiểu không cấu trúc, nhu cầu cần các điểm truy cập sẽ giảm – người sử dụng bên ngoài phạm vi truy cập sẽ vẫn có thể được “tiếp sóng” thông qua một hoặc nhiều nút trung gian để truy cập được vào mạng. 1.2. Giao thức định tuyến đa đường AOMDV 1.2.1. Tổng quan về giao thức AOMDV Giao thức AOMDV [7] là giao thức định tuyến đa đường theo yêu cầu dạng vectơ khoảng cách được thiết kế dành cho mạng MANET. Nó được phát 11 triển từ giao thức AODV trên cơ sở chia sẻ một số đặc điểm với giao thức AODV. Nó dựa trên khái niệm vectơ khoảng cách và sử dụng phương pháp định tuyến từng chặng. Hơn nữa, giao thức AOMDV cũng tìm thấy các đường theo yêu cầu bằng cách sử dụng tiến trình khám phá đường. Sự khác biệt chính giữa hai giao thức này nằm ở số lượng đường tìm được sau mỗi tiến trình khám phá tuyến. Trong giao thức AOMDV, việc truyền gói RREQ từ nguồn tới đích sẽ thiết lập nhiều đường dẫn ngược ở cả các nút trung gian cũng như nút đích. Nhiều gói RREP đi qua các đường nghịch hướng về nút nguồn để tạo thành nhiều đường thuận đến đích tại các nút nguồn và nút trung gian. Giao thức AOMDV cũng cung cấp cho các nút trung gian các đường dự phòng nhằm làm giảm tần suất khám phá đường. Vấn đề trọng tâm của giao thức AOMDV là vấn đề đảm bảo phát hiện được nhiều đường không lặp và phân tách trong tiến trình tìm đường hiệu quả bằng cách sử dụng tiến trình khám phá đường dựa vào kỹ thuật “làm ngập tràn” (flooding). Các quy tắc cập nhật đường của giao thức AOMDV được áp dụng cục bộ tại mỗi nút đóng vai trò chính trong việc duy trì các đường không lặp và phân tách. Các nội dung được trình bày trong chương này là các ý tưởng chính để đạt được hai thuộc tính này. Các phần tiếp sẽ trình bày cách đưa những ý tưởng đó vào giao thức AOMDV bao gồm mô tả chi tiết các quy tắc cập nhật đường tại mỗi nút và tiến trình khám phá đa đường. Đề xuất thiết kế giao thức AOMDV tái sử dụng nhiều nhất có thể những thông tin định tuyến đã có sẵn trong giao thức AODV. Do đó, nó hạn chế chi phí phát sinh trong việc khám phá nhiều đường. Đặc biệt, nó không sử dụng thêm bất kỳ gói điều khiển đặc biệt nào. Trên thực tế, các gói RREP và RERR bổ sung để phát hiện và bảo trì đa đường cùng với một vài trường bổ sung trong các gói điều khiển định tuyến (RREQ, RREP và RERR) là chi phí bổ sung duy nhất trong giao thức AOMDV so với giao thức AODV. 12 1.2.2. Vấn đề chống định tuyến lặp Các quy tắc cập nhật tuyến của giao thức AODV giới hạn một nút chỉ tìm được tối đa một đường cho mỗi đích. Do đó, cần thiết phải sửa đổi các quy tắc cập nhật đường này để tại mỗi nút có nhiều hơn một đường cho mỗi đích. Tuy nhiên, những sửa đổi này cần được thực hiện để đảm bảo vấn đề tránh định tuyến lặp. Có hai vấn đề phát sinh khi tính toán nhiều đường dẫn không lặp tại một nút cho một đích. Một là, mỗi nút sẽ chọn đường nào trong nhiều đường để cung cấp hoặc quảng bá cho các nút khác? Do mỗi tuyến đường có thể có số chặng khác nhau nên việc lựa chọn một đường bất kỳ có thể tạo thành các đường lặp vòng. Hai là, một nút khi nhận được quảng bá đường có chấp nhận đường nhận được hay không? Việc chấp nhận tất cả các con đường có thể gây ra hiện tượng định tuyến lặp. Hình 1.4 minh họa vấn đề đường lặp vòng bằng các ví dụ đơn giản. Trong Hình 1.4(a), nút D là đích và nút I có hai đường đến D - một đường 5 chặng qua nút M (I –M –N –O–P –D) và một đường một chặng trực tiếp (I - D). Giả sử tuyến đường (I –M –N –O–P –D) được quảng bá đến nút J và tiếp theo tuyến đường (I – D) được quảng bá đến nút K. Sau đó, cả J và K đều có đường đến nút D qua nút I, nhưng mỗi tuyến đường đều có chặng khác nhau. Nếu sau đó nút I nhận được một đường 4 chặng đến đích D từ nút L (L–K–I–D), nút I sẽ không thể xác định được L là nút trước hay nút sau nó trên con đường tới đích D vì chỉ có thông tin số chặng được đưa vào quảng bá đường. Vì vậy, tại nút I sẽ hình thành một tuyến đường tới nút đích D thông qua nút L làm dẫn đến một vòng lặp. Tình huống như vậy xảy ra do một nút (ở đây là nút I) quảng bá một đường ngắn hơn (I - D) trong khi nó đã có một đường dự phòng dài hơn (I –M –N –O–P –D). 13 Hình 1.4. Ví dụ về các trường hợp có thể xảy ra định tuyến lặp Hình 1.4(b) cho thấy một tình huống tiềm năng khác xảy ra lặp vòng. Trong đó nút D là đích. Nút J có đường dẫn 3 chặng đến nút D thông qua nút (J–K–I–D). Nút L cũng có một đường 3 chặng đến nút D thông qua nút M (L M - N - D). Giả sử nút I nhận được một đường dẫn 4 chặng đến nút D từ nút L. Trong trường hợp này, nút I không thể xác định được liệu nút L có phải là nút đứng trước hay không bởi vì nút J cũng có thể cung cấp một con đường 4 chặng tới nút D. Do đó, việc một nút chấp nhận một đường dài hơn sau khi nó đã quảng bá một đường ngắn hơn tới các nút láng giềng cũng có thể gây ra định tuyến lặp. Tập các điều kiện chống định tuyến lặp đã được xây dựng cho giao thức AODV được phát biểu như sau: (i) Quy tắc số thứ tự: Chỉ duy trì các tuyến đường cho số thứ tự đích có giá trị cao nhất. Tại mỗi nút, nhiều tuyến đường có cùng số thứ tự đích được duy trì. Với quy tắc này, tính chất không lặp vòng của các tuyến đường có thể đạt được tương tự như giao thức AODV. Khi một nút nhận được quảng bá đường chứa số thứ tự đích cao hơn, tất cả các đường có số thứ tự cũ hơn tới đích tương ứng sẽ bị loại bỏ. Tuy nhiên, các nút khác nhau (trên cùng một tuyến đường) có thể có các số thứ tự khác nhau cho cùng một đích. 14 (ii) Đối với cùng một số thứ tự đích, (a) Quy tắc quảng bá đường: Không quảng bá đường ngắn hơn đường đã được quảng bá trước đó. (b) Quy tắc nhận đường: Không nhận đường dài hơn đường đã được quảng bá trước đó. Để duy trì nhiều đường cho cùng một số thứ tự, giao thức AOMDV sử dụng khái niệm “số chặng được quảng bá”. Mỗi nút duy trì một biến gọi là số chặng được quảng bá cho mỗi đích. Biến này được thiết lập giá trị bằng độ dài của đường (tính theo số chặng) dài nhất tại thời điểm quảng bá đầu tiên cho một số thứ tự đích cụ thể. Số lượng chặng được quảng bá không thay đổi cho đến khi số thứ tự đích thay đổi. Việc quảng bá độ dài đường dài nhất cho phép có nhiều hơn các đường thay thế được duy trì. 1.2.3. Các đường tách biệt Bên cạnh việc duy trì nhiều đường không lặp vòng, giao thức AOMDV còn có khả năng tìm các đường dự phòng không giao nhau. Với mục đích cải thiện khả năng chịu lỗi bằng nhiều đường thì các đường tách biệt là một lựa chọn tự nhiên để chọn một tập con các đường dự phòng hiệu quả từ một tập lớn các đường tiềm năng vì khả năng lỗi dây chuyền và đồng thời của các đường trong tập này nhỏ hơn so với tập các đường có giao cắt. Có hai loại đường tách biệt được xem xét là đường tách biệt theo liên kết và đường tách biệt theo nút. Đường tách biệt theo liên kết là tập hợp các đường không có liên kết chung giữa một cặp nút, trong khi đó, đường tách biệt theo nút còn còn thêm điều kiện là không có nút giao nhau. Không giống như vấn đề đường tách biệt trong lý thuyết đồ thị và tài liệu, khái niệm không giao ở đây chỉ giới hạn ở một cặp nút và không xem xét đến 15 tính không giao giữa các cặp nút khác. Cụ thể là cần đảm bảo mọi con đường có thể đi được từ một nút P bất kỳ tới một nút đích D là không giao nhau. Điều này có nghĩa là không nhất thiết tất cả các đường đi trong mạng dẫn đến nút D đều phải là đường tách biệt. Sự khác biệt này được minh họa bằng một ví dụ trong Hình 1.5. Giới hạn đường tách biệt ở trên là đủ khi nhìn từ góc độ về khả năng chịu lỗi và thực tế được sử dụng trong hầu hết các giao thức định tuyến đa đường khác nhau. B A C D E F Hình 1.5. Ví dụ về các đường giao nhau Trong Hình 1.5, các đường được duy trì tại các nút khác nhau đến đích có thể giao nhau. Ở đây D là đích đến. Nút A có hai đường dẫn không giao nhau đến nút D là A–B–D và A–C–D. Tương tự, nút E có hai đường tách biệt đến nút D là E–C–D và E–F–D. Tuy nhiên, các và A–C–D và E–C–D lại giao nhau khi chúng chia sẻ một liên kết C–D. Trong việc tìm kiếm các đường tách biệt, lực lượng hoặc độ dài của các đường dự phòng không được tối ưu hóa một cách rõ ràng. Trên thực tế, số lượng và chất lượng của các đường tách biệt được giao thức AOMDV phát hiện phần lớn được xác định qua tiến trình khám phá đường. Tuy nhiên, có thể kiểm soát các thuộc tính này bằng cách đặt giới hạn về số lượng và độ dài của các đường dự phòng được duy trì tại mỗi nút. Đây là cách tiếp cận hợp lý vì tính chất tồn tại trong thời gian ngắn của các đường trong mạng ad hoc di động và việc tính