Tài liệu Đánh giá ảnh hưởng của tấn công lỗ đen trong giao thức định tuyến aodv trên mạng manet

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI --------------- LUẬN VĂN THẠC SĨ TÊN ĐỀ TÀI: ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA TẤN CÔNG LỖ ĐEN TRONG GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN AODV TRÊN MẠNG MANET HỌC VIÊN THỰC HIỆN: HOÀNG LÊ DIÊN CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN MÃ NGÀNH: 8480201 HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN VĂN TAM HÀ NỘI - 2022 LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS. Nguyễn Văn Tam, người thầy đã tận tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm luận văn và truyền cho tôi những kinh nghiệm quý báu trong thời gian thực hiện đề tài. Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc tới thầy, cô trong trường Đại Học Mở Hà Nội. Thầy, cô đã truyền lại cho chúng tôi những kiến thức vô cùng hữu ích trong thực tiễn, cũng như dạy chúng tôi phương pháp nghiên cứu khoa học, phát huy khả năng tư duy sáng tạo trong mọi lĩnh vực. Cuối cùng, tôi xin được cảm ơn gia đình, bạn bè, những người thân yêu nhất của tôi. Mọi người luôn ở bên cạnh tôi, động viên, khuyến khích tôi học tập, nghiên cứu. Do thời gian nghiên cứu và kinh nghiệm nghiên cứu chưa nhiều nên luận văn còn nhiều thiếu sót, rất mong nhận được những ý kiến góp ý của các Thầy/Cô và các bạn học viên. 1 2 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết quả đạt được trong luận văn là sản phẩm của riêng cá nhân tôi, không sao chép lại của người khác. Luận văn là kết quả của quá trình học tập, nghiên cứu trong suốt khóa học. Trong các nội dung của luận văn, những vấn đề được trình bày hoặc là kết quả của cá nhân hoặc là kết quả tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu khác. Những kết quả nghiên cứu nào của cá nhân đều được chỉ rõ ràng trong luận văn. Các thông tin tổng hợp hay các kết quả lấy từ nhiều nguồn tài liệu khác đều được trích dẫn đầy đủ và hợp lý. Tất cả tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp. Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định cho lời cam đoan của mình. Hà Nội, tháng 01 năm 2022 Ngƣời cam đoan HOÀNG LÊ DIÊN 3 MỤC LỤC LỜICẢM ƠN...................................................................................................................................................................................................................................................1 LỜICAM ĐOAN.........................................................................................................................................................................................................................................3 MỤC LỤC..............................................................................................................................................................................................................................................................4 DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT.......................................................................................................................................................6 DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ..........................................................................................................................................................................................7 MỞ ĐẦU..................................................................................................................................................................................................................................................................9 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG MANET...................................................................................................................................11 1.1. Giới thiệu tổng quan về mạng MANET …. ...................................................... 11 1.2. Đặc điểm của mạng MANET... .......................................................................... 12 1.3. Phân loại mạng MANET ... ................................................................................. 13 1.3.1. Phân loại theo cấu trúc ................................................................................... 13 1.3.2. Phân loại theo phương thức ........................................................................... 15 1.4. Những vấn đề cơ bản về định tuyến trong mạng MANET .... ........................ 16 1.4.1. Giới thiệu về thuật toán định tuyến truyền thống ....................................... 17 1.4.2. Bài toán định tuyến mạng MANET ............................................................. 18 1.4.3. Các cơ chế định tuyến trong mạng MANET .............................................. 19 1.5. Một số giao thức định tuyến trong mạng MANET .......................................... 21 1.5.1. Dynamic Source Routing (DSR).. ................................................................ 22 1.5.2. Ad hoc On-demand Distance Vector Routing (AODV).. ......................... 25 1.5.3. Destination-Sequence Distance Vector (DSDV)… ................................... 29 Kết luận chương 1 ........................................................................................................ 30 CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU CÁC PHƯƠNG THỨC TẤN CÔNG TRONG MẠNG MANET.31 2.1. Vấn đề an ninh trong mạng MANET.. ............................................................... 31 2.1.1. Thách thức về an ninh trong mạng MANET .............................................. 31 2.1.2. Các yêu cầu về đảm bảo an toàn an ninh mạng … .................................... 31 2.2. Một số phương thức tấn công trong giao thức định tuyến mạng MANET . . 32 2.2.1. Tấn công bằng cách sửa đổi thông tin bảng định tuyến ............................ 33 2.2.2. Tấn công bằng cách chế tạo .......................................................................... 34 2.2.3. Tấn công bằng cách mạo danh (giả mạo các node trung gian) ................. 35 2.2.4. Một vài kiểu tấn công đặc biệt ...................................................................... 36 2.3. Tấn công lỗ đen trong giao thức định tuyến mạng MANET .. ....................... 37 2.3.1. Lỗ hổng của giao thức AODV ...................................................................... 37 2.3.2. Phân loại tấn công kiểu lỗ đen ...................................................................... 38 2.3.3. Cơ chế hoạt động của tấn công lỗ đen sử dụng giao thức AODV ........... 38 Kết luận chương 2 ........................................................................................................ 40 CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ TẤN CÔNG LỖ ĐEN TRONG GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRÊN MẠNG MANET THÔNG QUA SỬ DỤNG CÔNG CỤ MÔ PHỎNG .................... 40 3.1. Phân tích và lựa chọn phương pháp đánh giá … .............................................. 40 4 3.2. Bộ mô phỏng NS-2 và cài đặt mô phỏng........................................................... 41 3.2.1. Giới thiệu NS-2 .. ........................................................................................... 41 3.2.2. Các thành phần của bộ chương trình mô phỏng NS-2 ............................... 43 3.2.3. Các chức năng mô phỏng chính của NS-2 .................................................. 43 3.2.4. Thiết lập mô phỏng mạng MANET trong NS-2 … ................................... 45 3.2.5. Cài đặt, bổ sung chương trình mô phỏng tấn công lỗ đen .. ..................... 51 3.3. Mô phỏng, đánh giá ảnh hưởng của tấn công lỗ đen .. .................................... 54 3.3.1. Các độ đo hiệu năng được đánh giá ............................................................. 55 3.3.2. Thiết lập các lựa chọn, tham số mô phỏng .................................................. 56 3.3.3. Các kịch bản mô phỏng ................................................................................. 56 3.4. Phân tích tệp .tr để tính các tham số hiệu năng của mạng. .............................. 64 3.4.1. Kịch bản 1........................................................................................................ 66 3.4.2. Kịch bản 2........................................................................................................ 71 3.5. Đánh giá ảnh hưởng của tấn công lỗ đen trong các giao thức định tuyến AODV. ...... 76 Kết luận chương 3: ....................................................................................................... 78 KẾT LUẬN.......................................................................................................................................................................................................................................................80 Tài liệutham khảo ......................................................................................................................................................................................................................................82 Phụlục.......................................................................................................................................................................................................................................................................84 5 DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT MANET AODV DSDV DSR ABR WRP CGSR TORA ZRP HECTOR ARAN OLSR IP RREQ RREP RERR SN HC DSN ID DV LS NS-2 FPT CBR UDP TCP PRD EED CO Mobile Adhoc NETwork Adhoc On-demand Distance Vector Destination-Sequenced Distance Vector Dynamic Source Routing Associativity-based routing Wireless routing protocol Cluster-head gateway switch routing Temporally ordered routing algorithm Zone routing protocol Hybrid energy efficient tree-based optimized routing protocol Authenticated Routing for Ad hoc Networks Optimized Link State Routing Internet Protocol Route Request Route Reply Route Error Sequence Number Hop count Destination Sequence Number Identification Distance Vector Link State Network Simulator 2 File Transfer Protocol Constant bitrate User Datagram Protocol Transmission Control Protocol Packet Delivery Ratio End to end delay Control overhead 6 DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1. 1. Mạng MANNET ............................................................................................ 11 Hình 1. 2. Mô hình mạng đẳng cấp ................................................................................ 14 Hình 1. 3. Mô hình mạng phân cấp ................................................................................ 14 Hình 1. 4. Mô hình mạng kết hợp................................................................................... 15 Hình 1. 5. Mô hình mạng Single-hop............................................................................. 16 Hình 1. 6. Mô hình mạng Multi-hop .............................................................................. 16 Hình 1. 7. Phân loại giao thức định tuyến trong mạng MANET ................................ 22 Hình 1. 8. Route discovery (S: Nguồn; D: Đích) ......................................................... 23 Hình 1. 9. Route maintenance (liên kết giữa 4, D bị hỏng ) ....................................... 24 Hình 1. 10. Các trường trong gói tin RREQ ................................................................. 25 Hình 1. 11. Cơ chế xử lý khám phá đường tại node của AODV ................................ 27 Hình 1. 12. Các trường trong gói tin RREP .................................................................. 28 Hinh 2. 1. Các kiểu tấn công giao thức định tuyến trong mạng MANET ................. 33 Hinh 2. 2. Ví dụ về việc sửa đổi bảng định tuyến ........................................................ 34 Hinh 2. 3. Ví dụ về tấn công bằng cách tạo ra thông tin bịa đặt ................................. 34 Hinh 2. 4. Ví dụ về tấn công bằng giả mạo ................................................................... 35 Hinh 2. 5. Ví dụ về tấn công Wormhole....................................................................... 36 Hinh 2. 6. Thực hiện tấn công lỗ đen bằng việc giả mạo gói tin RREQ ................... 39 Hinh 2. 7. Thực hiện tấn công lỗ đen bằng việc giả mạo gói tin RREP .................... 40 Hình 3. 1 Tổng quan về NS-2 dưới góc độ người dùng .............................................. 42 Hình 3. 2 Luồng các sự kiện cho file Tcl chạy trong NS-2......................................... 43 Hình 3. 3. Kiến trúc tầng của NS2.................................................................................. 45 Hình 3. 4 file.nam hiển thị các Node AODV không có lỗ đen ................................... 63 Hình 3. 5 file.nam hiển thị các Node AODV khi có lỗ đen xuất hiện ....................... 63 Hình 3. 6 Định dạng của file trace.................................................................................. 64 Hình 3. 7. Biểu đồ Max. Number connect – Packets drop .......................................... 67 Hình 3. 8. Biểu đồ Max. Number connect – Packets Throughput ............................. 68 Hình 3. 9 Biểu đồ Max. Number connect – Packet Delivery Ratio ........................... 69 Hình 3. 10 Biểu đồ Max. Number connect – End-to-End Delay................................ 70 Hình 3. 11. Biểu đồ Max. Number connect – Controloverhead ................................. 71 Hình 3. 12 Biểu đồ Pause time – Packets drop ............................................................. 72 Hình 3. 13 Biểu đồ Pause time – Throughput............................................................... 73 Hình 3. 14 Biểu đồ Pause time – Packet Delivery Ratio ............................................. 74 Hình 3. 15. Biểu đồ Pause time – End to End Delay ................................................... 75 Hình 3. 16. Biểu đồ Pause time – Controleoverhead ................................................... 76 7 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2. 1. Các thông số dễ bị khai thác trong gói tin AODV .................................... 37 Bảng 3. 1. Bảng tham số mô phỏng ............................................................................... 60 Bảng 3. 2. Max. Number connect – Packets drop ........................................................ 67 Bảng 3. 3. Max. Number connect – Throughput .......................................................... 68 Bảng 3. 4. Max. Number connect – Packet Delivery Ratio ........................................ 68 Bảng 3. 5. Max. Number connect – End-to-End Delay ............................................... 69 Bảng 3. 6. Max. Number connect – ControlOverhead ................................................ 70 Bảng 3. 7. Pause time – Packets drop ............................................................................ 71 Bảng 3. 8. Pause time – Throughput .............................................................................. 72 Bảng 3. 9. Pause time – Packet Delivery Ratio ............................................................ 73 Bảng 3. 10. Pause time – End-to-End Delay................................................................. 74 Bảng 3. 11. Pause time – Control overhead .................................................................. 75 8 MỞ ĐẦU Mạng truyền thông không dây đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong đời sống, kinh tế số, xã hội của con người. Nó đã và đang phát triển rất mạnh mẽ trong thời gian gần đây. Mạng di động không dây đặc biệt là MANET cho phép các máy tính di động thực hiện kết nối và truyền thông với nhau không cần dựa trên hạ tầng có dây. Ứng dụng của mạng MANET trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: tác chiến điện tử, an ninh, dự báo, cảnh báo thiên tai thảm họa, IOT(Internet of thing)… Ưu điểm mạng MANET hoạt động trong môi trường không khí và không phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng mạng cố định, nhưng nó cũng rất dễ bị tấn công. Những điểm yếu cơ bản của mạng MANET đến từ kiến trúc mở peer-to-peer. Những kẻ tấn công có thể xâm nhập vào mạng thông qua việc tấn công các node, từ đó làm tê liệt hoạt động của mạng. Một số các cách tấn công được tin tặc sử dụng nhiều nhất như: Blackhole, Grayhole, Wormhole, Sinkhole, Rushing and Flooding. Trên cơ sở phân tích các tấn công trong mạng MANET, trong phạm vi của luận văn bày một số vấn đề về an toàn giao thức định tuyến trong mạng MANET, tấn công lỗ đen trong giao thức định tuyến AODV và Đánh giá ảnh hưởng của tấn công lỗ đen trong giao thức định tuyến AODV trên mạng MANET. Bố cục luận văn gồm 3 chƣơng: Chƣơng 1: Tổng quan về mạng MANET Nghiên cứu tổng quan về mạng MANET, đặc điểm, phân loại các kiểu mạng, tìm hiểu phương thức hoạt động, cơ chế tìm đường của một số giao thức định tuyến cơ bản. Trong đó tập trung tìm hiểu, phân tích kỹ vào giao thức định tuyến AODV. Chƣơng 2: Tìm hiểu các phƣơng thức tấn công trong mạng MANET Nghiên cứu những vấn đề an ninh trong mạng MANET và yêu cầu chung đảm bảo an toàn an ninh mạng, phân tích một số phương pháp tấn công phổ biến. Phân tích kỹ lưỡng cơ chế hoạt động của kiểu tấn công lỗ đen trong giao thức định tuyến AODV, đặc biệt là các trường dễ bị kẻ tấn công khai thác trong gói tin điều khiển. Chƣơng 3: Đánh giá tấn công lỗ đen trong giao thức định tuyến AODV trên mạng MANET thông qua sử dụng công cụ mô phỏng. 9 Phân tích, lựa chọn phương pháp đánh giá, tìm hiểu công cụ mô phỏng NS2, ngôn ngữ TCL, C++, AWK, Gnuplot, tạo Agent bổ sung giao thức blackhole mô phỏng hành vi của node độc hại (lỗ đen) trong mạng dựa trên giao thức AODV có sẵn trên phần mềm mô phỏng NS2.35. Thiết lập bài toán mô phỏng mạng, xây dựng kịch bản, chọn tham số mô phỏng tấn công kiểu lỗ đen. Viết chương trình, Script theo từng kịch bản, phân tích file vết (trace), tính toán các thông số hiệu năng và vẽ đồ thị mô tả ảnh hưởng của lỗ đen lên thống số hiệu năng của mạng theo từng kịch bản. Đánh giá mức độ ảnh hưởng của hiệu năng mạng khi có sự xuất hiện lỗ đen. 10 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG MANET Ngày nay mạng MANET thực sự rất phát triển ở tất cả các lĩnh vực trên thế giới. Sự gia đời điện thoại thông minh kích thích việc phát triển mạnh mẽ của mạng di động từ 3G, 4G , 5G, IOT. Mô hình MANET đã được ứng dụng và triển khai rộng rãi trên thế giới và việt nam, nó giúp cho các thiết bị di động kết nối được với nhau ở mọi lúc mọi nơi mà không cần phải xây dựng hạ tầng mạng phức tạp. 1.1. Giới thiệu tổng quan về mạng MANET Error! Reference source not found.Error! Reference source not found. Mạng tùy biến không dây (Wireless ad-hoc network) là một tập hợp gồm nhiều hơn một thiết bị/node mạng với khả năng nối mạng và giao tiếp không dây với nhau mà không cần sự hỗ trợ của một sự quản trị trung tâm, cơ sở hạ tầng mạng nào. Mỗi node trong một mạng tùy biến không dây hoạt động vừa như một máy chủ (host) vừa như một thiết bị định tuyến. Hình 1. 1. Mạng MANNET Mạng MANNET được minh họa trong Hình 1.1. Trong đó các gói tin từ node nguồn là một thiết bị di động cần chuyển tới một node đích là một thiết bị di động không nằm trong phạm vi truyền của node nguồn. Để chuyền dữ liệu từ node nguồn đến nút đích cần có sự trợ giúp của các node trung gian để chuyển tiếp gói tin. Do vậy các node mạng phải sử dụng giao thức định tuyến phù hợp. Thuật ngữ “Ad hoc” mô tả một mạng không có cơ sở hạ tầng cố định, trong đó hình trạng mạng được tạo thành bởi chính các node 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 (MANET) đã mở rộng khái niệm “Ad hoc” đa chặng theo nghĩa: một node mạng có thể định tuyến và chuyển tiếp một gói tin nó nhận được từ một node mạng khác. Nói cách 11 khác, con đường chuyển tiếp gói tin từ node nguồn tới node đích có thể chứa các node trung gian khác. Các node trung gian sẽ đọc thông tin trong phần header của các gói tin và chuyển tiếp chúng tới chặng kế tiếp trên con đường đã được hình thành. Các node trong mạng MANET thông thường sẽ kết nối với nhau trong một khoảng thời gian để trao đổi thông tin. Trong khi trao đổi thông tin, các node này vẫn có thể di chuyển. Do đó, mạng MANET cần đáp ứng được yêu cầu truyền dữ liệu khi cấu trúc mạng có thể thay đổi liên tục. Các node mạng phải có cơ chế tự tổ chức thành một mạng để thiết lập các đường truyền dữ liệu mà không cần sự hỗ trợ từ bên ngoài. Trong mô hình này, mỗi node mạng có thể đóng vai trò vừa là một node đầu cuối để chạy các chương trình ứng dụng của người sử dụng vừa là một bộ định tuyến để chuyển tiếp các gói tin cho các node mạng khác. 1.2. Đặc điểm của mạng MANETError! Reference source not found. - Thiết bị tự trị đầu cuối (Autonomous terminal): Trong MANET, mỗi thiết bị di động đầu cuối là một node tự trị. Nó có thể mang chức năng của host và router. Bên cạnh khả năng xử lý cơ bản của một host, các node di động này có thể chuyển đổi chức năng như một router. Vì vậy, thiết bị đầu cuối và chuyển mạch là không thể phân biệt được trong mạng MANET. - Hoạt động phân tán (Distributed operation): Vì không có hệ thống mạng nền tảng cho trung tâm kiểm soát hoạt động của mạng nên việc kiểm soát và quản lý hoạt động của mạng được chia cho các thiết bị đầu cuối. Các node trong MANET đòi hỏi phải có sự phối hợp với nhau. Khi cần thiết các node hoạt động như một thiết bị chuyển tiếp để thực hiện chức năng của mình như bảo mật và định tuyến. - Định tuyến đa đường (Multipath routing): Thuật toán định tuyến không dây cơ bản có thể định tuyến một chặng và nhiều chặng dựa vào các thuộc tính liên kết khác nhau và giao thức định tuyến. Định tuyến đơn đường trong MANET đơn giản hơn định tuyến đa đường ở vấn đề cấu trúc và thực hiện với chi phí thấp và ít ứng dụng. Khi truyền các gói dữ liệu từ một nguồn của nó đến điểm trong phạm vi truyền tải trực tiếp không dây, các gói dữ liệu sẽ được chuyển tiếp qua một hoặc nhiều các node trung gian. - Tô-pô mạng động (Dynamic network topology): Vì các node là di động, nên cấu trúc mạng có thể thay đổi nhanh và không thể biết trước, các kết nối giữa các thiết bị đầu cuối có thể thay đổi theo thời gian. MANET sẽ thích ứng tuyến và 12 điều kiện lan truyền giống như mẫu di động và các node mạng di động. Các node di động trong mạng thiết lập định tuyến động với nhau khi chúng di chuyển, hình thành mạng riêng của chúng trong không gian. Hơn nữa, một người dùng trong MANET có thể không chỉ hoạt động trong mạng lưới di động đặc biệt, mà còn có thể yêu cầu truy cập vào một mạng cố định công cộng như Internet. - Các thiết bị đầu cuối thường có khả năng chịu tải nhẹ (Light-weight terminals): trong hầu hết các trường hợp các node trong mạng MANET là thiết bị với tốc độ xử lý thấp, bộ nhớ ít và lưu trữ điện năng ít. Vì vậy cần phải tối ưu hoá các thuật toán và cơ chế. - Dao động về dung lượng liên kết (Fluctuating link capacity): Bản chất tỷ lệ bit lỗi cao và thường xuyên biến động của kết nối không dây cần được quan tâm trong mạng MANET. Đường đi từ đầu cuối này đến đầu cuối kia có thể được chia sẻ qua một vài chặng. Kênh giao tiếp ở đầu cuối chịu ảnh hưởng của nhiễu, hiệu ứng đa đường, sự giao thoa và băng thông của nó ít hơn so với mạng có dây. Trong một vài tình huống, truy cập của hai người dùng có thể qua nhiều liên kết không dây và các liên kết này có thể không đồng nhất. 1.3. Phân loại mạng MANET Error! Reference source not found.,Error! Reference source not found. 1.3.1. Phân loại theo cấu trúc * Mạng MANET đẳng cấp (Flat): Trong kiến trúc này tất cả các node có vai trò ngang hàng với nhau (peer - topeer) và các node đóng vai trò như các router định tuyến gói dữ liệu trên mạng. Trong những mạng lớn thì cấu trúc Flat không tối ưu hoá việc sử dụng tài nguyên băng thông của mạng vì những thông tin điều khiển phải truyền trên toàn bộ mạng. Tuy nhiên nó thích hợp trong những tô-pô có các node di chuyển nhiều. 13 Hình 1. 2. Mô hình mạng đẳng cấp *Mạng MANET phân cấp (Hierarchical): Đây là mô hình sử dụng phổ biến nhất. Trong mô hình này thì mạng chia thành các miền (domain), trong mỗi domain bao gồm một hoặc nhiều cụm (cluster), mỗi cluster bao gồm nhiều node (node). Có hai loại node là node chủ hay còn được gọi là node cụm chủ (master node) và node bình thường (nomal node). - Master node: Là node quản trị một router có nhiệm vụ chuyển dữ liệu của các node trong cluster đến các node trong cluster khác và ngược lại. Nói cách khác nó có nhiệm vụ như một gateway. - Normal node: Là các node nằm trong cùng một cluster. Nó có thể kết nối với các node trong cluster hoặc kết nối với các cluster khác thông qua master node. Hình 1. 3. Mô hình mạng phân cấp + Với các cơ chế trên mạng sử dụng tài nguyên băng thông hiệu quả hơn vì các thông báo điều khiển chỉ phải truyền trong phạm vi một cluster. Tuy nhiên việc 14 quản lý tính chuyển động của các node trở nên phức tạp hơn. Kiến trúc mạng phân cấp thích hợp cho các mạng có tính chuyển động thấp. * Mạng MANET kết hợp (Aggregate): - Trong kiến trúc mạng này được mô tả như Hình 1.4, mạng phân thành các vùng (zone) và các node được chia vào trong các vùng. Mỗi node thuộc hai cấp cấu trúc liên kết: cấu trúc liên kết cấp thấp (node level) và cấu trúc liên kết cấp cao (zone level). - Mỗi node còn đặc trưng bởi hai thông số: node ID và zone ID. Thông thường, kiến trúc tổng hợp có liên quan đến khái niệm vùng. Trong các kiến trúc tổng hợp, cả kiến trúc nội vùng và liên khu vực, lần lượt có thể hỗ trợ các kiến trúc phẳng hoặc phân cấp. Hình 1. 4. Mô hình mạng kết hợp 1.3.2. Phân loại theo phương thức truyền thông * Truyền một chặng (Single-hop): - Mạng Manet định tuyến single-hop là loại mô hình mạng ad hoc đơn giản nhất. Trong đó, tất cả các node đều nằm trong cùng một vùng phủ sóng, nghĩa là các node có thể kết nối trực tiếp với nhau mà không cần các node trung gian. - Mô hình này các node có thể di chuyển tự do nhưng chỉ trong một phạm vi nhất định đủ để các node liên kết trực tiếp với các node khác trong mạng. 15 N2 N3 N1 N4 BS Hình 1. 5. Mô hình mạng Single-hop * Truyền đa chặng (Multi-hop): - Đây là mô hình phổ biến nhất trong mạng MANET, nó khác với mô hình trước là các node có thể kết nối với các node khác trong mạng mà có thể không cần kết nối trực tiếp với nhau. Các node có thể định tuyến với các node khác thông qua các node trung gian trong mạng. N6 N2 N5 N1 N7 N3 N4 Hình 1. 6. Mô hình mạng Multi-hop - Để mô hình này hoạt động một cách hoàn hảo thì cần phải có giao thức định tuyến phù hợp với mô hình mạng MANET. * Mobile multi-hop: Mô hình này cũng tương tự với mô hình thứ hai nhưng sự khác biệt ở đây là mô hình này tập trung vào các ứng dụng có tính chất thời gian thực như audio, video (UDP). 1.4. Những vấn đề cơ bản về định tuyến trong mạng MANET Error! Reference source not found.,Error! Reference source not found. Trên thực tế trước khi một gói tin đến được đích, nó có thể phải được truyền qua nhiều chặng, như vậy cần có một giao thức định tuyến để tìm đường đi từ nguồn tới đích qua hệ thống mạng. Giao thức định tuyến có hai chức năng chính, 16 lựa chọn các tuyến đường cho các cặp nguồn-đích và phân phối các gói tin đến đích chính xác. Truyền thông trong mạng MANET dựa trên các đường đi đa chặng và mọi node mạng đều thực hiện chức năng của một router, chúng cộng tác với nhau, thực hiện chuyển tiếp các gói tin hộ các node mạng khác nếu các node mạng này không thể truyền trực tiếp với node nhận, do vậy định tuyến là bài toán quan trọng nhất đối với việc nghiên cứu MANET. Cho đến nay, đã có nhiều thuật toán định tuyến được đề xuất, mỗi thuật toán đều có các ưu và nhược điểm riêng. Điều đặc biệt là mức độ của các ưu nhược điểm phụ thuộc rất nhiều vào mức độ di động của các node mạng. Một số thuật toán là ưu việt hơn các thuật toán khác. Trong điều kiện các node mạng di động ở mức độ thấp nhưng lại kém hơn hẳn khi mức độ di động của các node mạng tăng cao. 1.4.1. Giới thiệu về thuật toán định tuyến truyền thống Để tìm đường đi cho các gói tin qua hệ thống các router trong mạng, các giao thức định tuyến truyền thống thường sử dụng giải thuật véc tơ khoảng cách (Distance Vector Routing - DV) hoặc trạng thái liên kết (Link State Routing –LS). Thuật toán Distance Vector còn được gọi là thuật toán Bellman-Ford, được dùng trong mạng ARPANET lúc mới ra đời và được sử dụng trong mạng Internet với tên gọi là RIP (Routing Information Protocol). Thuật toán Link State được sử dụng trong giao thức OSPF (Open Shortest Path First) của Internet. Trong giải thuật Distance Vector, mỗi router quảng bá một cách định kỳ tới các láng giềng thông tin khoảng cách từ nó tới tất cả các router khác. Các router dựa trên thông tin nhận được này tính toán đường đi tốt nhất tới các router khác. Bằng việc so sánh các khoảng cách từ mỗi láng giềng tới một đích nào đó, router có thể quyết định láng giềng nào sẽ là chặng tiếp theo trong đường đi tới đích để đường đi là tối ưu nhất. Bảng định tuyến tại các router do đó lưu trữ các thông tin về các đích trong mạng (các router khác trong mạng), chặng tiếp theo và khoảng cách tới đích. Những vấn đề với Distance Vector là khả năng hội tụ chậm và sự hình thành các vòng lặp định tuyến. Trong giải thuật Link State, mỗi router duy trì một thông tin đầy đủ về cấu hình của toàn bộ mạng. Để làm được điều này, mỗi router quảng bá định kỳ các gói 17 tin LSP (Link State Packet) có chứa thông tin về các láng giềng và chi phí (cost) tới mỗi láng giềng. Các thông tin này sẽ được truyền tới tất cả các router trong mạng. Từ thông tin về giá của các liên kết trong toàn bộ mạng, các router có thể tính toán đường đi ngắn nhất tới các đích có thể. Việc sử dụng các giao thức định tuyến truyền thống trong mạng MANET với việc xem mỗi node như các router dẫn tới một loạt các vấn đề: - Tiêu tốn băng thông mạng và năng lượng nguồn nuôi cho các cập nhật định kỳ. - Các node bị phá vỡ chế độ tiết kiệm năng lượng do liên tục phải nhận và gửi thông tin. - Mạng có thể bị quá tải với các thông tin cập nhật khi số node trong mạng tăng, do đó làm giảm tính khả mở của mạng. - Các đường đi dư thừa được tích luỹ một cách không cần thiết. - Hệ thống khó có thể phản hồi đủ nhanh với các thay đổi thường xuyên trong cấu hình mạng. 1.4.2. Bài toán định tuyến mạng MANET Các giao thức định tuyến truyền thống đặt quá nhiều tính toán và truyền thông với các node di động trong mạng MANET. Ngoài ra yêu cầu về tính hội tụ của các giao thức sẽ khó có thể thực hiện trong mạng MANET với tính chất động của môi trường. Mặc dù tốc độ hội tụ có thể cải thiện bằng cách gửi các thông điệp cập nhật thường xuyên hơn nhưng điều này sẽ làm tiêu tốn thêm băng thông và năng lượng nguồn nuôi. Hơn nữa, khi cấu hình mạng ít thay đổi việc gửi thường xuyên các cập nhật sẽ rất lãng phí. Do vậy, các giao thức định tuyến trong mạng MANET cần giảm tổng phí cho việc định tuyến, thích ứng nhanh và tự động với các điều kiện thay đổi của mạng. Giao thức phải đảm bảo thực hiện hiệu quả trong môi trường khi các node đứng yên và băng thông là không giới hạn và đủ hiệu quả khi băng thông tồn tại giữa các node thấp và mức độ di chuyển và thay đổi cấu hình cao. Do đó, thiết kế của các giao thức định tuyến trong mạng MANET thường xem xét một số các yếu tố sau đây: 18 - Hoạt động phân tán: Cách tiếp cận tập trung sẽ thất bại do sẽ tốn rất nhiều thời gian để tập hợp một trạng thái hiện tại và phát tán lại nó. Trong thời gian đó, cấu hình có thể đã có các thay đổi khác. - Không có lặp định tuyến: Hiện tượng xảy ra khi một phần nhỏ các gói tin quay vòng trong mạng trong một khoảng thời gian nào đó. Một giải pháp có thể là sử dụng giá trị thời gian quá hạn. - Tính toán đường dựa trên yêu cầu: Thay thế việc duy trì định tuyến tới tất cả các node tại tất cả các thời điểm bằng việc thích ứng với dạng truyền thông. Mục đích là tận dụng hiệu quả năng lượng và băng thông, mặc dù độ trễ tăng lên do sự phát hiện đường. - Tính toán đường trước: Khi độ trễ có vai trò quan trọng và băng thông, các tài nguyên năng lượng cho phép, việc tính toán đường trước sẽ giảm độ trễ phân phát. - Bảo mật: Giao thức định tuyến mạng MANET có khả năng bị tấn công dễ dàng ở một số dạng như xâm nhập truyền thông: phát lại, thay đổi các tiêu đề gói tin, điều hướng các thông điệp định tuyến. Do vậy, cần có các phương pháp bảo mật thích hợp để ngăn chặn việc sửa đổi hoạt động của giao thức. - Hoạt động nghỉ: Giao thức định tuyến cần cung cấp khả năng đáp ứng yêu cầu bảo tồn năng lượng của các node khi có thể. - Hỗ trợ liên kết đơn hướng: hỗ trợ trường hợp khi các liên kết đơn hướng tồn tại trong mạng MANET. 1.4.3. Các cơ chế định tuyến trong mạng MANET Các kỹ thuật định tuyến khác nhau được áp dụng trong các giao thức định tuyến MANET có thể được tổng kết và trình bày như dưới đây: * Định tuyến Link State và Distance Vector Một số các giao thức định tuyến mạng MANET dựa trên các kỹ thuật định tuyến trong mạng có dây Link State và Distance Vector để xây dựng các giải thuật thích ứng với mạng MANET. Vấn đề với định tuyến Link State là tổng phí định tuyến tăng cao khi mạng có nhiều thay đổi. Vấn đề với định tuyến Distance Vector là hội tụ chậm và có khuynh hướng tạo ra các vòng lặp định tuyến so với Links 19