Tìm Hiểu Mạng MANET

Tìm Hiểu Mạng MANET Trong những năm qua, sự phát triển không ngừng của các thiết bị di dộng (máy tính xách tay, thiết bị cầm tay PDA, điện thoại thông minh, v.v.) và ứng dụng đa phương tiện đã tạo nên một cuộc cách mạng mới trong ngành truyền thông dữ liệu [8]. Theo báo cáo của Cisco năm 2022 Lưu lượng dữ liệu di động toàn cầu hàng tháng sẽ là 77 exabyte vào năm 2022 và lưu lượng hàng năm sẽ đạt gần một zettabyte. Điện thoại di động sẽ chiếm 20% tổng lưu lượng IP vào năm 2022. Số lượng thiết bị kết nối di động bình quân đầu người sẽ đạt 1,5 vào năm 2022. Tốc độ kết nối điện thoại thông minh trung bình toàn cầu sẽ vượt 40 Mbps vào năm 2022. Điện thoại thông minh sẽ vượt 90% tốc độ lưu lượng dữ liệu di động vào năm 2022. Kết nối 4G sẽ chiếm tỷ trọng cao nhất (54%) trong tổng số kết nối di động vào năm 2022. Do đó đòi hỏi mạng phải linh hoạt, có thể kết nối mọi lúc, mọi nơi mà không bị giới hạn hay phụ thuộc vào một kiến trúc hạ tầng nhất định [13]. Trong số những công nghệ mạng thỏa mãn tốt nhất yêu cầu đặt ra, mạng di động tùy biến (mạng MANET - Mobile Ad-hoc Network) ngày một phát triển và trở thành vấn đề nghiên cứu quan trọng trong ngành mạng máy tính và được dự đoán sẽ rất phổ biến trong tương lai [8]. Ra đời từ những năm 1970, MANET là một kiểu mạng di động có ưu điểm vượt trội trong truyền thông dữ liệu: hạ tầng linh hoạt, hỗ trợ di động, cho phép kết nối tốt hơn, đảm bảo chuyển giao ổn định giữa các mạng khác nhau, v.v. Mạng Adhoc di động (MANET) bao gồm các miền router kết nối lỏng với nhau [8]. Để giao tiếp với nhau, các nốt mạng adhoc cần cấu hình giao diện mạng của nó với địa chỉ địa phương có giá trị trong khu vực của mạng adhoc đó. Các nốt mạng adhoc có thể phải cấu hình các địa chỉ toàn cầu có thể được định tuyến, để giao tiếp với các thiết bị khác trên mạng Internet [1].

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆPKHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆPĐề Tài: TÌM HIỂU MẠNG MANET

Khoa: Công Nghệ Thông Tin

Chuyên Ngành: Mạng Máy Tính Và Truyền Thông Dữ Liệu Nhóm sinh viên: ĐÀO DUY HỢP

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan rằng khoá luận "Tìm hiểu tham số định tuyến cơ bản trong mạng MANET" là kết quả của sự nỗ lực nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của các giảng viên tại Trường Đại học Kinh tế Kỹ thuật Công nghiệp Trong khoá luận này, tôi đã sử dụng thông tin từ nhiều nguồn tham khảo và đã tuân thủ quy định về trích dẫn và ghi rõ nguồn gốc Các kết quả nghiên cứu được trình bày trong khoá luận là kết quả của công việc của tôi, chưa từng được công bố ở bất kỳ nơi nào khác ngoài khoá luận Tôi cam kết tất cả các số liệu và kết quả được trình bày là trung thực và đáng tin cậy Khoá luận này được hoàn thành trong thời gian tôi học tập tại Trường Đại học Kinh tế Kỹ thuật Công nghiệp.

Hà Nội, ngày 10 tháng 4 năm 2024 Tác giả đề tài

Đào Duy Hợp

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành khóa luận này, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến: Ban giám hiệu trường Kinh Tế Kỹ Thuật Công Nghiệp vì đã tạo điều kiện về cơ sở vật chất với hệ thống thư viện hiện đại, đa dạng các loại sách, tài liệu thuận lợi cho việc tìm kiếm, nghiên cứu thông tin.

Xin cảm ơn giảng viên hướng dẫn - Ths Trần Bình Thành đã giảng dạy tận tình, chi tiết để em có đủ kiến thức và vận dụng chúng vào khóa luận này Do chưa có nhiều kinh nghiệm làm đề tài cũng như những hạn chế về kiến thức, trong khóa luận chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận được sự nhận xét, ý kiến đóng góp, phê bình từ phía Thầy để khóa luận được hoàn thiện hơn.

Lời cuối cùng, em xin kính chúc thầy nhiều sức khỏe, thành công và hạnh phúc

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG MANET 3

1.1 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 3

1.2 TÌM HIỂU CHUNG MANET 3

1.3.2 Một số mô hình mạng MANET phổ biến 13

1.3.3 Bản chất hoạt động và điểm khác biệt của mạng MANET 18

1.4 CÁC THÁCH THỨC CHÍNH CỦA MANET 19

1.4.1 Động lượng của nút 19

1.4.2 Quản lý tài nguyên hạn chế 19

1.4.3 Tính không đồng nhất của môi trường 19

1.4.4 Quản lý động lượng năng lượng 19

1.4.5 Bảo mật và riêng tư 20

2.1.2 Phân loại một số kỹ thuật định tuyến 22

2.2 MỘT SỐ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN CHÍNH TRONG MẠNG

3.1 THAM SỐ DỰA TRÊN VỊ TRÍ VÀ DI ĐỘNG 45

3.1.1 Tham số dựa trên vị trí (Location) 45

3.1.2 Tham số độ di động 46

3.2 THAM SỐ DỰA TRÊN NĂNG LƯỢNG 47

3.2.1 Tham số mức tiêu thụ năng lượng (MTPR) 48

3.2.2 Dung lượng pin còn lại 50

ei là phần năng lượng tiêu thụ trên liên kết i

Rbrc Tỷ lệ dung lượng pin còn lại của nút

Ei Năng lượng còn lại của nút mạng i

Emax Năng lượng khởi tạo ban đầu của mỗi nút mạng

L Liên kết trực tiếp giữa hai nút mạng

AODV Ad-Hoc On Demand

Distance Vector Định tuyến theo yêu cầu

Từ viết tắt Thuật ngữ Tiếng Anh Thuật ngữ Tiếng Việt

DSR Dynamic Source Routing Giao thức định tuyến nguồn động

GPS Global Poisitioning System Hệ thống định vị toàn cầu

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

Viện Kỹ sư Điện và Điện tử

IETF The Internet Engineering Task Force Nhóm đặc trách kỹ thuật

MTPR Minimal Total Power Routing

Định tuyến với tổng công suất tối thiểu

NS2 Network Simulator 2 Phần mềm mô phỏng mạng

OLSR Optimized Link State Routing Protocol

Giao thức định tuyến tối ưu đường liên kết

OSPF Open Shortest Path First Giao thức định tuyến theo trạng thái đường liên kết RREP Route Reply Gói tin trả lời lộ trình RREQ Route Request Gói tin yêu cầu lộ trình

Hình 2 3 Bảng định tuyến của nút H6 trong 1 khoảng thời gian [13] 30

Hình 2 4 Nút H4 truyền gói đến nút H6 để chuyển tiếp [13] 30

Hình 2 5 Nút H6 xác định đích và đường đi để chuyển tiếp [13] 30

Hình 2 6 Nút H6 chuyển tin đến next-hop [13] 30

Hình 2 7 Phát quảng bá gói tin yêu 32

Hình 2 8 Phát định danh gói tin RREP trả về thông tin đường đi 32

Hình 2 9 Mô tả giao thức DSR 37

Hình 2 10 Phát hiện tuyến đường trong AODV [4] 39

Hình 2 11 Tiến trình phát hiện đường đi 40

Hình 2 12 Ví dụ về giao thức AODV 43

Hình 2 13 Mô tả giao thức AODV 44

Hình 3 1 Mô phỏng giao thức AODV trong mạng MANET 62

Hình 3 2 Mô phỏng giao thức DSR trong mạng MANET 62

Hình 3 3 Mô phỏng giao thức DSDV trong mạng MANET 63

Hình 3 4 Đích đến và tốc độ ban đầu của node 64

Hình 3 5 Năng lượng dư thừa ban đầu 64

Hình 3 6 Đích đến và tốc độ sau khi thay đổi của node 65

Hình 3 7 Năng lượng dư thừa sau khi thay đổi 65

Hình 3 8 So sánh năng lượng dư thừa 66

Hình 3 9 Tham số mức tiêu thụ năng lượng 66

Hình 3 10 Đồ thị biểu thị tham số hoạt động trong giao thức AODV 67

Hình 3 11 Đồ thị biểu thị tham số hoạt động trong giao thức DSR 67

Hình 3 12 Đồ thị biểu thị tham số hoạt động trong giao thức DSDV 68

Hình 3 13 So sánh năng lượng dư giữa 3 giao thức 68

Hình 3 14 So sánh thông lượng tức thì 69

MỞ ĐẦU

Trong những năm qua, sự phát triển không ngừng của các thiết bị di dộng (máy tính xách tay, thiết bị cầm tay PDA, điện thoại thông minh, v.v.) và ứng dụng đa phương tiện đã tạo nên một cuộc cách mạng mới trong ngành truyền thông dữ liệu [8] Theo báo cáo của Cisco năm 2022 Lưu lượng dữ liệu di động toàn cầu hàng tháng sẽ là 77 exabyte vào năm 2022 và lưu lượng hàng năm sẽ đạt gần một zettabyte Điện thoại di động sẽ chiếm 20% tổng lưu lượng IP vào năm 2022 Số lượng thiết bị kết nối di động bình quân đầu người sẽ đạt 1,5 vào năm 2022 Tốc độ kết nối điện thoại thông minh trung bình toàn cầu sẽ vượt 40 Mbps vào năm 2022 Điện thoại thông minh sẽ vượt 90% tốc độ lưu lượng dữ liệu di động vào năm 2022 Kết nối 4G sẽ chiếm tỷ trọng cao nhất (54%) trong tổng số kết nối di động vào năm 2022 Do đó đòi hỏi mạng phải linh hoạt, có thể kết nối mọi lúc, mọi nơi mà không bị giới hạn hay phụ thuộc vào một kiến trúc hạ tầng nhất định [13] Trong số những công nghệ mạng thỏa mãn tốt nhất yêu cầu đặt ra, mạng di động tùy biến (mạng MANET - Mobile Ad-hoc Network) ngày một phát triển và trở thành vấn đề nghiên cứu quan trọng trong ngành mạng máy tính và được dự đoán sẽ rất phổ biến trong tương lai [8] Ra đời từ những năm 1970, MANET là một kiểu mạng di động có ưu điểm vượt trội trong truyền thông dữ liệu: hạ tầng linh hoạt, hỗ trợ di động, cho phép kết nối tốt hơn, đảm bảo chuyển giao ổn định giữa các mạng khác nhau, v.v Mạng Adhoc di động (MANET) bao gồm các miền router kết nối lỏng với nhau [8] Để giao tiếp với nhau, các nốt mạng adhoc cần cấu hình giao diện mạng của nó với địa chỉ địa phương có giá trị trong khu vực của mạng adhoc đó Các nốt mạng adhoc có thể phải cấu hình các địa chỉ toàn cầu có thể được định tuyến, để giao tiếp với các thiết bị khác trên mạng Internet [1].

Qua phân tích ở trên có thể khẳng định: mạng MANET không phải là một lĩnh vực xa lạ mà thực tế chúng ta đang ứng dụng nó trong đời sống hàng ngày Nó đang là một định hướng của công nghệ không dây phổ biến trong một tương lai gần Khóa luận sẽ làm rõ hơn về MANET thông qua các vấn đề

cụ thể sẽ được chỉ ra trong đề tài Bố cục của khóa luận sẽ gồm ba phần: Mở đầu, Nội dung và Kết luận Phần Nội dung gồm 03 chương:

Chương 1, sẽ trình bày tổng quan về mạng MANET gồm: tìm hiểu trung về mạng MANET, cấu trúc của mạng MANET và các thách thức trong mạng MANET

Chương 2, với tiêu đề là “Nguyên lý định tuyến trong mạng

MANET” sẽ trình bày những vấn đề liên quan đến định tuyến trong mạng MANET, gồm: khái niệm của định tuyến, nguyến lý hoạt động của định tuyến và các thách thức trong định tuyến của mạng MANET.

Chương 3, với tiêu đề là “Tìm hiểu một số tham số định tuyến trong mạng MANET” sẽ trình bày một vài tham số định tuyến trong mạng, gồm: tham số dựa trên vị trí và di động, tham số dựa trên năng lượng Để làm rõ hơn về các tham số này, chương 3 sẽ có hình ảnh chạy mô phỏng mạng MANET trên phần mềm NS2.

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG MANET1.1 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Khóa luận tập trung nghiên cứu về mạng MANET, kết hợp phân tích trên lý thuyết cùng thực nghiệm mô phỏng để tìm ra và đánh giá ảnh hưởng của sự di động và năng lượng của các nút mạng ở các mức độ khác nhau đến hiệu suất của một số giao thức định tuyến [8]

Nội dung cụ thể gồm:

 Tìm hiểu sâu về mạng MANET, trong đó chủ yếu xem xét tới các giao thức định tuyến

 Tìm hiểu về một số tham số trong mạng MANET

 Xây dựng môi trường mô phỏng, đưa các giao thức định tuyến trong mạng MANET vào mô phỏng thông qua NS-2

 Đánh giá ảnh hưởng sự chuyển động và năng lượng của các nút mạng đến hiệu suất của các giao thức định tuyến DSDV, AODV và DSR bằng bộ mô phỏng mạng NS-2 [8]

1.2 TÌM HIỂU CHUNG MANET1.2.1 Manet là gì

Ta cần hiểu MANET là từ viết tắt của cụm từ Mobile Adhoc Netwok (mạng di động tùy biến không dây)

- Hình trạng mạng có thể thay đổi được - Các nút mạng có thể di chuyển linh động

- Hình trạng mạng được thiết lập tùy ý

- Không hạ tầng mạng, không server, không Accesspoint

- Tất cả các nút mạng đều có chức năng và hoạt động như một router

Về bản chất, mạng MANET là mạng tự tổ chức, được hình thành tạm thời giữa các thiết bị di động mà không đòi hỏi phải có một hạ tầng cố định Điều này có nghĩa là mạng MANET cho phép nhiều thiết bị kết nối mạng trong

những khu vực không có hạ tầng truyền thông [7] Mỗi nút di động khác nhau trong mạng MANET có thể có những đặc điểm riêng về nguồn năng lượng, bộ phận thu phát sóng, khả năng tính toán, v.v Hơn nữa, chúng có thể di chuyển tự do về mọi hướng theo các tốc độ khác nhau và giao tiếp với các nút mạng khác một cách tùy ý Các nút mạng tự quyết định việc kết nối mạng và giữa chúng có thể hình thành một mô hình mạng bất kỳ [7].

Trong môi trường mạng không dây ad-hoc, hai nút mạng có thể liên lạc trực tiếp với nhau nếu như chúng nằm trong vùng phủ sóng của nhau (radio communication range) Ngược lại, nếu hai nút mạng xa nhau muốn trao đổi dữ liệu với nhau thì chúng cần sự hỗ trợ của các nút mạng lân cận để chuyển tiếp thông tin

Hình 1 1 Minh hoạ mạng MANET [7]

Trong mạng MANET, mỗi nút mạng được đại diện bởi các đỉnh trong một đồ thị Nếu hai nút có khả năng truyền thông trực tiếp với nhau, thì mối liên kết giữa chúng được thể hiện bằng một cạnh trong đồ thị [9] Đồ thị này có thể biến đổi linh hoạt và không cố định tại một thời điểm cụ thể Mạng MANET có thể tồn tại độc lập, hoặc cũng có thể kết nối với các mạng lớn hơn như Internet.

Trong ví dụ minh họa trong Hình 1.1, chúng ta thấy một mạng MANET bao gồm 7 nút Phạm vi truyền thông của mỗi nút được đại diện bằng một

hình tròn, và các nút nằm trong phạm vi truyền thông của nhau có thể truyền thông trực tiếp Các kết nối giữa các nút mạng được xác định bởi khoảng cách giữa chúng và khả năng hợp tác để tạo thành một mạng, ngay cả khi là một mạng tạm thời.

1.2.2 Các đặc điểm chính của mạng MANET bao gồm

1.2.2.1 Tính Di Động

Các nút trong mạng MANET thường là các thiết bị di động như điện thoại di động, máy tính xách tay hoặc cảm biến di động Các nút này có khả năng di chuyển trong môi trường và tham gia vào mạng ở bất kỳ vị trí nào.

a) Khả năng Tự Điều Chỉnh: Các nút trong mạng MANET có khả năng tự điều chỉnh khi chúng di chuyển từ vị trí này sang vị trí khác Điều này có thể bao gồm việc cập nhật thông tin định tuyến, thiết lập lại kết nối và điều chỉnh cơ chế truyền dẫn để phù hợp với điều kiện môi trường mới b) Độ Linh Hoạt: Tính di động mang lại độ linh hoạt cho mạng, cho phép các nút tham gia hoặc rời khỏi mạng một cách linh hoạt Điều này làm cho mạng có thể thích ứng với sự biến đổi của môi trường và yêu cầu của ứng dụng.

c) Thách Thức với Định Tuyến: Tính di động tạo ra thách thức cho quá trình định tuyến trong mạng MANET Do các nút có thể di chuyển, đường đi tối ưu có thể thay đổi liên tục, và việc định tuyến phải thích ứng với sự thay đổi này một cách nhanh chóng và hiệu quả.

d) Ứng Dụng Đa Dạng: Tính di động của mạng MANET làm cho nó phù hợp cho một loạt các ứng dụng, từ quân sự và cứu hộ đến giao thông thông minh và mạng cảm biến không dây Việc có thể di chuyển và tự tổ chức mạng mà không cần sự can thiệp từ cơ sở hạ tầng cố định là một lợi ích lớn cho các ứng dụng di động và yêu cầu linh hoạt cao.

Tóm lại, tính di động trong mạng MANET là một yếu tố quan trọng định hình cách mà mạng được triển khai và hoạt động, đồng thời cung cấp khả năng linh hoạt và thích ứng trong nhiều ứng dụng khác nhau.

1.2.2.2.Tự Tổ Chức:

Mạng MANET không yêu cầu cơ sở hạ tầng mạng cố định như trạm cơ sở hoặc điểm truy cập Thay vào đó, các nút trong mạng tự tổ chức và tự

thiết lập kết nối với nhau Dưới đây là một số điểm quan trọng cần nắm vững về tính tự tổ chức trong mạng MANET:

a) Tự thiết lập kết nối

Các nút trong mạng MANET có khả năng tự thiết lập kết nối với các nút khác trong phạm vi truyền thông của chúng Điều này có thể diễn ra thông qua việc sử dụng các giao thức định tuyến động như AODV (Ad hoc On-Demand Distance Vector) hoặc DSR (Dynamic Source Routing), nơi các nút có thể tìm ra đường đi tới nút đích mà không cần trước tiên biết toàn bộ cấu trúc mạng.

b) Tự động hình thành cấu trúc mạng

Khi các nút trong mạng MANET di chuyển và tham gia vào hoặc rời khỏi mạng, cấu trúc mạng có thể tự động điều chỉnh mà không cần sự can thiệp từ bên ngoài Điều này đòi hỏi các giao thức và thuật toán mạng được thiết kế để hoạt động trong môi trường không đồng nhất và thay đổi.

c) Tự động cập nhật thông tin định tuyến

Các nút trong mạng MANET thường cần cập nhật thông tin định tuyến để đảm bảo rằng dữ liệu được chuyển tiếp theo đúng đường đi Thông tin định tuyến này có thể được truyền qua lại giữa các nút trong mạng một cách tự động và định kỳ.

d) Tự phục hồi và tự bảo vệ

Mạng MANET thường có khả năng tự phục hồi và tự bảo vệ chống lại các vấn đề như mất mát kết nối hoặc tấn công mạng Các nút trong mạng có thể tự động thay đổi đường đi hoặc tạo ra các kết nối thay thế khi cần thiết để duy trì tính liên tục của mạng.

Tóm lại, tính tự tổ chức là một trong những đặc điểm quan trọng của mạng MANET, cho phép nó hoạt động linh hoạt và hiệu quả trong các môi trường không dây và di động Điều này làm cho mạng MANET trở thành lựa chọn phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu tính linh hoạt và tự động cao.

1.2.2.3 Định Tuyến Động

Mạng MANET thường sử dụng các thuật toán định tuyến động, cho phép các nút trong mạng tự hợp tác để tìm đường đi tối ưu cho dữ liệu Các thuật toán như AODV (Ad hoc On-Demand Distance Vector), DSR

(Dynamic Source Routing), và OLSR (Optimized Link State Routing) thường được sử dụng và nó bao gồm một số yếu tố sau:

a) Tính linh hoạt

Trong mạng MANET, các nút di động có khả năng di chuyển trong môi trường và tham gia vào mạng ở bất kỳ vị trí nào Điều này làm thay đổi cấu trúc của mạng liên tục, đòi hỏi các thuật toán định tuyến phải linh hoạt và có khả năng thích ứng.

b) Định tuyến theo yêu cầu (On-Demand Routing)

Trong mạng MANET, định tuyến thường được thực hiện theo yêu cầu, tức là chỉ khi có dữ liệu cần được truyền đi, các nút mới thực hiện việc tìm đường đi Các thuật toán định tuyến như AODV (Ad hoc On-Demand Distance Vector) và DSR (Dynamic Source Routing) là những ví dụ điển hình.

c) Tự hợp tác

Các nút trong mạng MANET thường tự hợp tác để tìm ra đường đi tối ưu cho dữ liệu Khi có yêu cầu định tuyến, các nút có thể gửi tin nhắn điều tra (route discovery) hoặc tham gia vào quá trình định tuyến thông qua thông tin định tuyến đã được truyền đến.

d) Thích ứng với sự thay đổi

Do tính di động của các nút và sự thay đổi không ngừng của môi trường truyền thông, định tuyến trong mạng MANET phải thích ứng với sự biến đổi này một cách nhanh chóng và hiệu quả.

e) Quản lý tài nguyên

Định tuyến động trong mạng MANET cũng đặt ra thách thức về quản lý tài nguyên, bao gồm băng thông, năng lượng và dung lượng pin Các thuật toán định tuyến cần cân nhắc sử dụng tài nguyên một cách hiệu quả để tối ưu hoá hiệu suất mạng.

Tóm lại, đặc điểm định tuyến động của mạng MANET cho phép mạng thích ứng với sự di chuyển của các nút và thay đổi của môi trường một cách linh hoạt và hiệu quả Điều này làm cho mạng MANET phù hợp cho nhiều ứng dụng yêu cầu tính di động và linh hoạt cao.

1.2.3 Các ứng dụng của mạng MANET:

Các công nghệ mạng không dây kiểu không cấu trúc mang lại nhiều lợi ích so với các mạng truyền thống, bao gồm cả mạng không dây và có dây, đặc biệt là trong những tình huống mà triển khai một cơ sở hạ tầng mạng cố định là không khả thi hoặc khó có thể thực hiện được do đó mạng MANET (Mobile Ad hoc NETwork) có nhiều ứng dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực khác nhau Dưới đây là một số ứng dụng tiêu biểu của mạng MANET:

1.2.3.1.Ứng Dụng trong Quân Sự

Trong môi trường quân sự, mạng MANET được sử dụng để cung cấp kết nối mạng linh hoạt và tự tổ chức cho các đơn vị quân sự di động trên chiến trường Mạng MANET cho phép các đơn vị quân sự di động liên lạc và chia sẻ dữ liệu một cách hiệu quả mà không cần phải phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng mạng cố định.

Mạng MANET được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng quân sự, đặc biệt là trong việc phối hợp tác chiến giữa các đơn vị quân sự Trong môi trường quân sự hiện đại, các trang thiết bị quân sự thường tích hợp nhiều loại thiết bị máy tính và mạng lưới MANET cho phép quân sự tận dụng lợi thế của công nghệ mạng phổ biến để duy trì một hệ thống thông tin liên kết [3] Trong nhiều năm qua, quân đội đã sử dụng các mạng "packet radios" – là một nguyên mẫu đầu tiên của mạng chuyển mạch gói không dây ngày nay.

Tuy nhiên, giải pháp mạng MANET cho quân đội có những đặc điểm khác biệt so với mạng MANET thuần túy Trong mạng MANET thuần túy, các nút thường di chuyển ngẫu nhiên theo bất kỳ hướng và tốc độ nào Tuy nhiên, trong mô hình mạng MANET cho quân đội, các nút thường được tổ chức thành các nhóm theo bản chất tự nhiên của chúng khi thực hiện một nhiệm vụ cụ thể.

Ngoài ra, mô hình này cũng mở ra cơ hội để nghiên cứu và triển khai các ứng dụng mới trong mạng MANET Việc hiểu rõ hơn về cách các nhóm di động hoạt động có thể dẫn đến việc phát triển các ứng dụng thông minh và linh hoạt hơn, từ việc truyền dữ liệu đến việc quản lý tài nguyên và an ninh mạng Tóm lại, việc áp dụng một mô hình di động theo nhóm trong mạng MANET không chỉ giúp tăng cường hiểu biết về cách mạng hoạt động mà

còn mở ra nhiều cơ hội mới cho việc nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực này.

1.2.3.2.Ứng Dụng trong đời sống

Mạng MANET được sử dụng trong các ứng dụng đô thị, chẳng hạn như cung cấp dịch vụ Internet cho các khu vực không có cơ sở hạ tầng cố định [8] Tuy nhiên, mạng MANET đòi hỏi sự tích cực trong việc xây dựng và duy trì một mạng lưới đa phương tiện, có khả năng tự tổ chức ngay lập tức và tạm thời Trong các tình huống khẩn cấp hoặc tại các khu vực gặp thảm họa, khi các hệ thống truyền thông cố định bị phá hủy hoàn toàn, mạng MANET trở thành một giải pháp linh hoạt và hiệu quả [5] Cụ thể, trong các xe cứu hỏa, cứu thương, hoặc các phương tiện cảnh sát, mỗi chiếc được trang bị như một thiết bị đầu cuối di động, góp phần tạo nên một mạng ad-hoc tạm thời để truyền bá và chia sẻ thông tin Mỗi nhân viên cũng mang theo một thiết bị đầu cuối di động, tạo ra một mạng kết nối linh hoạt giữa các thành viên Các thiết bị này không chỉ có khả năng gửi và nhận thông tin mà còn có khả năng chuyển tiếp dữ liệu, hoạt động như các bộ định tuyến trên Internet.

Tính linh hoạt và khả năng tự tổ chức của mạng MANET là điểm mạnh giúp nó trở thành một công cụ hiệu quả trong việc trao đổi thông tin và tương tác giữa các bộ phận trong tình huống khẩn cấp hoặc khi gặp các vấn đề về truy cập mạng [8] Điều này làm cho mạng MANET trở thành một phần quan trọng trong hệ thống liên lạc và quản lý khẩn cấp.

1.2.3.3.Ứng Dụng của MANET trong mạng cảm biến

Các cảm biến đóng vai trò quan trọng trong việc thu thập thông tin từ môi trường xung quanh, và chúng thường được sử dụng để giám sát và theo dõi nhiều loại dữ liệu khác nhau [7] Mạng cảm biến là một hệ thống gồm các nút cảm biến (sensor nodes) hoạt động cùng nhau để thực hiện các nhiệm vụ cụ thể như giám sát môi trường, theo dõi hành vi động vật hoặc địa hình, hay thậm chí là thực hiện các nhiệm vụ quân sự như trinh sát.

Trước đây, mạng cảm biến thường được xây dựng dựa trên một số lượng nhỏ các nút cảm biến được kết nối bằng cáp đến một trạm xử lý tập trung Tuy nhiên, trong thời đại hiện đại, các nút mạng cảm biến thường được thiết kế để hoạt động không dây và phân tán [7] Điều này giúp vượt qua các

rào cản vật lý của môi trường, tiết kiệm năng lượng và khắc phục khả năng thiếu hụt về cơ sở hạ tầng về truyền thông và năng lượng.

Công nghệ mạng không dây kiểu không cấu trúc thường được áp dụng để triển khai mạng cảm biến vì các lý do sau [7]:

- Các nút cảm biến thường được phân tán trong các vùng không có sẵn cơ sở hạ tầng về truyền thông và năng lượng, và do đó, phải tự tạo ra kết nối với nhau.

- Các nút cảm biến cần có khả năng tự cấu hình và hoạt động độc lập trong bất kỳ tình huống nào.

- Cấu hình mạng luôn có thể thay đổi do các yếu tố như sự hỏng hóc của các nút cảm biến hoặc việc thêm mới các nút vào mạng, do đó, mạng cảm biến phải có khả năng tự thích nghi với những thay đổi này

1.2.3.4.Ứng Dụng của MANET trong mạng Rooftop:

Mạng rooftop, một công nghệ đang trỗi dậy, đang trở thành lựa chọn phổ biến để cung cấp truy cập internet băng thông rộng cho các hộ gia đình Đây là một giải pháp thay thế cho các công nghệ truyền dẫn dữ liệu như ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) và các công nghệ tương tự [7] Mạng rooftop sử dụng công nghệ mạng ad-hoc để mở rộng phạm vi của một số điểm truy cập, trong đó các điểm này được kết nối với nhà cung cấp dịch vụ Internet (ISP) Mạng rooftop không chỉ là một dạng mạng MANET thông thường, mà còn là một biến thể đặc biệt được triển khai trên các tòa nhà cao tầng Mạng này thường sử dụng các thiết bị truyền thông không dây như Wi-Fi hoặc radio để kết nối các điểm truy cập (AP) được đặt trên mái nhà hoặc các tầng cao của tòa nhà Điều này cho phép phát sóng mạng Wi-Fi trong một phạm vi rộng hơn và cung cấp dịch vụ internet ổn định cho cả các tầng cao của tòa nhà và các khu vực xung quanh [3].

Hình 1 2 Ứng dụng mạng MANET

1.3 CẤU TRÚC MẠNG MANET

1.3.1 Các thành phần của một mạng MANET

Một mạng MANET (Mobile Ad hoc Network) là một mạng không dây tự tổ chức và tự cấu hình, trong đó các nút di động tự kết nối với nhau mà không cần sự can thiệp của một cơ sở hạ tầng cố định như trạm cơ sở Dưới đây là các thành phần chính và cấu trúc tổng thể của một mạng MANET:

1.3.1.1 Nút di động (Mobile Nodes):

Đây là các thiết bị di động như điện thoại di động, máy tính xách tay, hoặc bất kỳ thiết bị di động nào có khả năng kết nối mạng không dây và tham gia vào mạng MANET.

1.3.1.2 Nút cố định (Fixed Nodes):

Đây là các thiết bị không di động, thường được cài đặt tại các vị trí cố định như cổng vào mạng, cơ sở hạ tầng có dây, hoặc các trạm cơ sở để hỗ trợ mạng MANET.

1.3.1.3 Liên kết không dây (Wireless Links):

Các liên kết không dây kết nối các nút trong mạng MANET Các liên kết này có thể là liên kết point-to-point hoặc liên kết đa điểm (multi-hop) thông qua các nút trung gian.

1.3.1.4 Giao thức định tuyến (Routing Protocol):

Để các nút có thể giao tiếp và truyền dữ liệu cho nhau trong mạng MANET, cần có các giao thức định tuyến để quản lý và điều phối việc chuyển tiếp dữ liệu Một số giao thức định tuyến phổ biến cho MANET bao gồm AODV (Ad hoc On-Demand Distance Vector), DSR (Dynamic Source Routing), và OLSR (Optimized Link State Routing).

1.3.1.5 Cơ sở hạ tầng hỗ trợ (Support Infrastructure):

Trong một số trường hợp, mạng MANET có thể được hỗ trợ bởi các cơ sở hạ tầng cố định như trạm cơ sở, máy chủ, hoặc các nút cố định khác để cung cấp các dịch vụ như quản lý mạng, quản lý nguồn lực, hoặc tích hợp với mạng dây.

Do các đặc điểm của mạng MANET (di động, vô tuyến, không dự tính trước) nên việc xác định các thành phần của một mạng MANET là rất khó khăn, nếu không nói là không thể trong một số trường hợp nhất định Tại một thời điểm mạng MANET có thể bao gồm một số nốt nào đó, nhưng tại thời điểm sau đó mạng này có thể chia thành nhiều mạng MANET [6] Sau đó nó lại có thể nhập lại thành một nhóm mới các node và tạo thành mạng MANET

lớn hơn [6]

1.3.2 Một số mô hình mạng MANET phổ biến

Mạng MANET định tuyến singal-hop là một mô hình mạng ad-hoc đơn giản nhất và thường được sử dụng trong các tình huống đặc biệt Trong mô hình này, tất cả các node đều nằm trong cùng một vùng phủ sóng [2], có nghĩa là các node có khả năng kết nối trực tiếp với nhau mà không cần sự trung gian của các node khác Mạng này cho phép các node di chuyển tự do, nhưng chỉ trong một phạm vi nhất định sao cho các node vẫn có thể liên kết trực tiếp với nhau.

Hình 1 3 Đặc điểm thay đổi theo thời gian mạng MANET

Trong mô hình này, mỗi node trong mạng có khả năng trực tiếp giao tiếp với bất kỳ node khác mà không cần sự trung gian của các node thứ ba Điều này tạo ra một cấu trúc mạng đơn giản và hiệu quả, giảm thiểu độ phức tạp trong việc quản lý và điều hành mạng [2] Tuy nhiên, mạng này thường giới hạn về phạm vi và khả năng mở rộng, và không phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi phủ sóng rộng lớn hoặc yêu cầu một số lượng lớn các node kết nối với nhau.

Hình 1 4 Singal-hop [2] Trong hình vẽ gồm một số thông tin chính sau:

- MN1, MN2, MN3, MN4: Các nút di động (Mobile Node) trong mạng di

Hoạt động của các nút gồm các bước [2]:

Gửi dữ liệu: Nút MN1 muốn gửi dữ liệu đến nút MN4, lúc này nút

MN1 sẽ sử dụng thuật toán định tuyến để tìm đường dẫn đến nút MN4 Trong ảnh, đường dẫn được xác định là MN1-MN2-MN3-MN4 Sau đó nút MN1

này sẽ chia dữ liệu thành các gói nhỏ và truyền đi theo từng bước nhảy từ nút này sang nút khác.

Chuyển tiếp dữ liệu: Mỗi nút nhận được gói tin sẽ kiểm tra xem mình

có phải là nút đích hay không Nếu không, nút sẽ chuyển tiếp gói tin đến nút tiếp theo trên đường dẫn dựa vào thông tin trong bảng định tuyến Lúc này nút MN1 chuyển tiếp gói tin đến nút MN2, nút MN2 chuyển tiếp gói tin đến nút MN3, nút MN3 chuyển tiếp gói tin đến nút MN4.

Nhận dữ liệu: Nút MN4 nhận được gói tin và xác nhận với nút MN1.Cập nhật bảng định tuyến: Khi truyền dữ liệu, các nút cập nhật bảng

định tuyến của mình dựa trên thông tin nhận được từ các nút lân cận Khi đó nút MN1, MN2, MN3 sẽ cập nhật bảng định tuyến của mình sau khi nhận được thông tin từ các nút lân cận.

b) Vai trò của trạm gốc (BS)

Trạm gốc (BS) đóng vai trò là điểm truy cập trung tâm cho các nút di động trong mạng Các nút di động có thể kết nối với trạm gốc để truy cập internet và các dịch vụ mạng khác Lúc này trạm gốc có thể sử dụng để chuyển tiếp dữ liệu giữa các nút di động trong mạng.

Kết luận: Giao thức signal-hop là một phương thức truyền dữ liệu hiệu quả và linh hoạt cho mạng di động ad-hoc Mặc dù có một số nhược điểm về độ trễ và tài nguyên, nhưng giao thức này vẫn là lựa chọn tốt cho các ứng dụng cần khả năng mở rộng và thích ứng với môi trường mạng thay đổi liên tục.

Mô hình phổ biến nhất trong mạng MANET là mô hình multi-hop, khác biệt so với mô hình singal-hop ở việc các node có thể kết nối với nhau thông qua các node trung gian trong mạng [ánh] Trong mô hình này, mỗi node trong mạng có khả năng định tuyến với các node khác thông qua các node trung gian, mở ra khả năng kết nối mạng một cách linh hoạt và phù hợp với nhiều tình huống.

Để mô hình multi-hop này hoạt động một cách hiệu quả, cần phải có các giao thức định tuyến phù hợp với đặc điểm của mạng MANET [7].

Những giao thức này cần có khả năng tự tổ chức, linh hoạt và có thể thích nghi với sự thay đổi trong cấu trúc mạng, đồng thời đảm bảo hiệu suất truyền dẫn và độ tin cậy của mạng Điều này đặt ra một thách thức lớn trong việc phát triển các giao thức và công nghệ để quản lý và điều hành mạng MANET trong môi trường động và không dây.

Hình 1 5 Multi-hop [2] Trong hình vẽ này có một số thông tin chính như sau:

- MN1, MN2, MN3, MN4, MN5, MN6: Các nút di động (Mobile Node) trong mạng di động ad-hoc (MANET)

- BS: Trạm gốc (Base Station)

- Mũi tên: Biểu thị hướng truyền dữ liệu

- Gói tin: Biểu thị dữ liệu được truyền giữa các nút a) Nguyên tắc hoạt động

Gửi dữ liệu: Nút MN1 muốn gửi dữ liệu đến nút MN4 Sau đó nút

MN1 sử dụng thuật toán định tuyến để tìm đường dẫn đến nút MN4 Trong ảnh, đường dẫn được xác định là MN1-MN2-MN3-MN4 Nút MN1 chia dữ liệu thành các gói nhỏ và truyền đi theo từng bước nhảy từ nút này sang nút khác.

Chuyển tiếp dữ liệu: Mỗi nút nhận được gói tin sẽ kiểm tra xem mình

có phải là nút đích hay không Nếu không, nút sẽ chuyển tiếp gói tin đến nút tiếp theo trên đường dẫn dựa vào thông tin trong bảng định tuyến Nút MN1 chuyển tiếp gói tin đến nút MN2 Nút MN2 chuyển tiếp gói tin đến nút MN3 Và cuối cùng nút MN3 chuyển tiếp gói tin đến nút MN4.

Nhập dữ liệu: Nút MN4 nhận được gói tin và xác nhận với nút MN1.Cập nhật bảng định tuyến: Khi truyền dữ liệu, các nút cập nhật bảng

định tuyến của mình dựa trên thông tin nhận được từ các nút lân cận Nút MN1, MN2, MN3 cập nhật bảng định tuyến của mình sau khi nhận được thông tin từ các nút lân cận.

b) Vai trò của trạm gốc

Trạm gốc (BS) đóng vai trò là điểm truy cập trung tâm cho các nút di động trong mạng Các nút di động có thể kết nối với trạm gốc để truy cập internet và các dịch vụ mạng khác Trạm gốc có thể sử dụng để chuyển tiếp dữ liệu giữa các nút di động trong mạng.

Kết luận: Giao thức signal-hop là một phương thức truyền dữ liệu hiệu quả và linh hoạt cho mạng di động ad-hoc Mặc dù có một số nhược điểm về độ trễ và tài nguyên, nhưng giao thức này vẫn là lựa chọn tốt cho các ứng dụng cần khả năng mở rộng và thích ứng với môi trường mạng thay đổi liên tục.

1.3.2.2.Mobile multi-hop

Mô hình này, cũng tương tự với mô hình multi-hop nhưng sự khác biệt ở đây là mô hình này được gọi là mạng MANET đẳng cấp (Flat), tập trung vào các ứng dụng có tính chất thời gian thực như truyền audio, video và các ứng dụng yêu cầu độ trễ thấp Trong kiến trúc này, tất cả các node trong mạng đều có vai trò ngang hàng với nhau (peer-to-peer), và mỗi node đóng vai trò như một router định tuyến dữ liệu gói trên mạng [2] Mô hình này phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi sự linh hoạt và tính thời gian thực, nơi mà mỗi node cần có khả năng truyền và nhận dữ liệu một cách trực tiếp với các node khác trong mạng Tính cấp thiết của việc truyền dữ liệu một cách nhanh chóng và hiệu quả trong các ứng dụng như trò chơi trực tuyến, video streaming hoặc giao tiếp giữa các thiết bị di động là yếu tố quan trọng trong mô hình này.

Tuy nhiên, trong các mạng lớn, cấu trúc Flat có thể không tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên băng thông của mạng do thông tin điều khiển phải truyền qua toàn bộ mạng Điều này có thể gây ra tình trạng tắc nghẽn và giảm hiệu suất truyền dẫn dữ liệu [2] Tuy vậy, mô hình Flat vẫn được ưa chuộng trong các topo có các node di chuyển thường xuyên, nơi mà việc duy trì kết nối trực tiếp giữa các node là cần thiết để đảm bảo hiệu suất và đáp ứng yêu cầu của các ứng dụng thời gian thực.

1.3.3 Bản chất hoạt động và điểm khác biệt của mạng MANET

1.3.3.1 Bản chất hoạt động

Bản chất hoạt động của mạng MANET (Mobile Ad hoc Network) là khả năng tự tổ chức và tự cấu hình của các nút di động trong mạng để tạo ra và duy trì kết nối mạng mà không cần sự can thiệp của một cơ sở hạ tầng cố định Các nguyên lý thiết kế dựa trên gói dữ liệu đặc biệt được áp dụng để xác định kết nối trong mạng MANET Tuy nhiên, cần bổ sung một số tính năng không kết nối và chuyển đổi để đáp ứng các thách thức và cơ hội của mạng động như MANET.

1.3.3.2 Điểm khác biệt của mạng MANET với các mạng khác

Mạng MANET (Mobile Ad hoc Network) có những điểm khác biệt quan trọng so với các loại mạng khác, bao gồm:

a) Tính di động cao

Mạng MANET được thiết kế để hoạt động trong môi trường di động, với các nút có thể di chuyển liên tục Điều này tạo ra một môi trường động và thường xuyên thay đổi, yêu cầu các thuật toán và giao thức phải linh hoạt để đảm bảo kết nối liên tục.

b) Tự tổ chức và tự cấu hình

Mạng MANET không yêu cầu sự can thiệp của một cơ sở hạ tầng cố định Thay vào đó, các nút trong mạng tự tổ chức và tự cấu hình, tự xây dựng và duy trì các kết nối mạng.

c) Tính không đồng nhất của môi trường

Mạng MANET thường hoạt động trong môi trường không đồng nhất và không dây, gặp phải nhiều thách thức như yếu tố nhiễu, suy hao tín hiệu, và biến đổi môi trường.

d) Thiết kế giao thức định tuyến đặc biệt

Giao thức định tuyến trong mạng MANET phải xử lý các thách thức đặc biệt như động lượng, tự cấu hình, và tính chịu lỗi cao Các thuật toán định tuyến trong MANET thường tập trung vào việc tối ưu hóa việc chuyển tiếp dữ liệu trong môi trường động và không đồng nhất.

e) Tính tự sắp xếp và tự động thích ứng

Mạng MANET có khả năng tự động thích ứng với sự thay đổi trong cấu trúc mạng và điều kiện môi trường, ví dụ như sự xuất hiện hoặc biến mất của các nút hoặc các kết nối.

f) Tính an ninh và quản lý mạng phức tạp

Vì tính động và phức tạp của mạng MANET, việc bảo mật và quản lý mạng trở thành một thách thức lớn Các biện pháp bảo mật phải được tinh chỉnh để đối phó với các mối đe dọa tiềm ẩn như tấn công từ chối dịch vụ (DoS), tấn công nghe trộm, và xâm nhập.

Tóm lại, mạng MANET đặc biệt với tính di động cao, tính tự tổ chức và tự cấu hình, và yêu cầu các giải pháp định tuyến, an ninh và quản lý mạng đặc biệt được phát triển để phù hợp với môi trường mạng không dây động.

1.4 CÁC THÁCH THỨC CHÍNH CỦA MANET

Mạng MANET (Mobile Ad hoc Network) đối diện với một số thách thức đặc biệt do tính đặc thù của nó Mạng MANET phải đối diện với một số thách thức đặc biệt do tính đặc thù của nó như:

1.4.1 Động lượng của nút

Các nút trong mạng MANET có thể di chuyển liên tục, tạo ra sự thay đổi liên tục trong cấu trúc mạng Điều này đặt ra thách thức cho việc duy trì kết nối liên tục và hiệu suất định tuyến.

1.4.2 Quản lý tài nguyên hạn chế

Mạng MANET thường có tài nguyên hạn chế như băng thông, năng lượng pin và dung lượng bộ nhớ Việc quản lý hiệu quả các tài nguyên này là một thách thức lớn đối với mạng MANET.

1.4.3.Tính không đồng nhất của môi trường

Mạng MANET thường hoạt động trong môi trường không đồng nhất và không dây, nơi có thể xuất hiện yếu tố nhiễu, suy hao tín hiệu và biến đổi môi trường.

1.4.4 Quản lý động lượng năng lượng

Năng lượng là một nguồn tài nguyên quan trọng trong mạng MANET, đặc biệt là đối với các thiết bị di động Việc quản lý và tiết kiệm năng lượng là một thách thức lớn, đặc biệt là trong các ứng dụng có yêu cầu năng lượng cao

1.4.5 Bảo mật và riêng tư

Tính động và phức tạp của mạng MANET làm cho việc triển khai các biện pháp bảo mật trở nên phức tạp Mạng MANET dễ bị tấn công từ chối dịch vụ (DoS), tấn công nghe trộm, và các mối đe dọa khác.

1.4.6 Quản lý định tuyến

Định tuyến trong mạng MANET đòi hỏi các thuật toán định tuyến phải có khả năng tự thích ứng với sự thay đổi nhanh chóng trong mạng và phải đảm bảo hiệu suất tốt trong điều kiện mạng không đồng nhất.

1.4.7 Tính động và không chắc chắn

Mạng MANET có thể có cấu trúc mạng thay đổi liên tục do di chuyển của các nút, điều này tạo ra tính không chắc chắn trong việc xác định cấu trúc mạng và điều chỉnh việc định tuyến.

Kết chương

Mạng MANET là một loại mạng không dây có nhiều ứng dụng tiềm năng Tuy nhiên, mạng MANET cũng có một số thách thức, chẳng hạn như độ di động của các nút mạng và sự hạn chế về năng lượng Các thuật toán định tuyến trong mạng MANET cần phải giải quyết các thách thức này để đảm bảo hiệu suất của mạng Trên cơ sở này, hướng nghiên cứu của khoá luận được xác định là đề xuất nghiên cứu tìm hiểu về một số nguyên lý định tuyến trong mạng MANET, để hiểu rõ hơn sự hoạt động của mạng manet thì chương hai sẽ trình bày nguyên lý định tuyến của mạng MANET

CHƯƠNG 2 NGUYÊN LÝ ĐỊNH TUYẾN TRONG MANET

Trong mạng thông tin vô tuyến nói chung và mạng Ad hoc nói riêng, mọi nút mạng đều có khả năng di chuyển, dẫn đến sự thay đổi không ngừng trong cấu trúc topo của mạng Điều này tạo ra một thách thức lớn trong việc truyền tải gói tin, đặc biệt là trong mạng Ad hoc, khi gói tin cần phải đi qua nhiều trạm và nút mạng trước khi đến được đích Do đó, để đảm bảo gói tin đến được đích một cách hiệu quả, các nút mạng phải sử dụng các phương pháp định tuyến [3] Trong chương 2 của khoá luận, chúng ta sẽ tiếp tục tìm hiểu về những giao thức định tuyến được áp dụng trong mạng MANET.

2.1 KHÁI NIỆM

Định tuyến là quá trình lựa chọn một đường dẫn tối ưu để truyền dữ liệu từ nguồn đến đích Trong mạng MANET, các nút mạng có thể di

chuyển tự do, điều này có thể dẫn đến sự thay đổi liên tục của trạng thái liên kết Do đó, các thuật toán định tuyến trong mạng MANET cần phải có khả năng thích ứng với sự thay đổi của trạng thái liên kết.

2.2 NGUYÊN LÝ

Mạng MANET (Mobile Ad hoc Network) là một mạng không dây tự cấu hình, trong đó các nút mạng có thể di chuyển tự do Do đó, các nút mạng trong MANET không có cơ sở hạ tầng cố định, chẳng hạn như các trạm gốc (BS) trong mạng không dây có cơ sở hạ tầng.

Định tuyến trong mạng MANET là quá trình lựa chọn một đường dẫn tối ưu để truyền dữ liệu từ nguồn đến đích Đường dẫn tối ưu là đường dẫn có chi

phí thấp nhất, trong đó chi phí có thể được đo bằng các tiêu chí như thời gian trễ, năng lượng tiêu thụ hoặc độ tin cậy.

2.1.1 Một số yêu cầu chính đối với việc định tuyến trong mạng MANET

Để đảm bảo mạng MANET hoạt động một cách hiệu quả và an toàn, các giao thức định tuyến phải tuân thủ một số yêu cầu quan trọng Đây là những tiêu chí quan trọng cần được giao thức định tuyến đáp ứng [7]:

2.1.1.1.Thích ứng nhanh khi tô-pô mạng thay đổi

Trong mạng MANET, các nút có khả năng di chuyển, và do đó, tô-pô mạng có thể thay đổi liên tục Các giao thức định tuyến cần có khả năng thích ứng nhanh chóng với sự biến đổi này, để đảm bảo rằng mạng luôn duy trì được kết nối và hoạt động hiệu quả Việc thích ứng nhanh cũng giúp tránh được hiện tượng mất kết nối hoặc trễ đường truyền.

2.1.1.2.Đảm bảo hiệu quả trong môi trường ổn định

Trong những tình huống mà môi trường truyền thông ổn định và các nút đứng yên, các giao thức định tuyến cần đảm bảo hiệu quả và tiết kiệm tài nguyên bằng cách giảm thiểu lưu lượng điều khiển và cập nhật Việc này giúp cải thiện hiệu suất của mạng và tiết kiệm năng lượng.

2.1.1.3.Ngăn chặn lặp định tuyến

Sự xuất hiện của các vòng lặp định tuyến có thể gây ra sự lãng phí tài nguyên mạng và làm giảm hiệu suất truyền thông Do đó, các giao thức định tuyến cần có các cơ chế để ngăn chặn và phát hiện lặp định tuyến, đảm bảo rằng gói tin không bị mắc kẹt trong các vòng lặp không mong muốn.

2.1.1.4.Bảo mật

Mạng MANET đối mặt với nhiều rủi ro bảo mật do tính chất không dây và phân tán của nó Các giao thức định tuyến cần có các biện pháp bảo mật như mã hóa dữ liệu, xác thực và phát hiện xâm nhập để ngăn chặn các cuộc tấn công từ bên ngoài và bảo vệ tính toàn vẹn của dữ liệu truyền qua mạng.

2.1.2 Phân loại một số kỹ thuật định tuyến

2.1.2.1.Link state và Distance Vector

a Thuật toán định tuyến vector khoảng cách

Thuật toán định tuyến vector khoảng cách (Distance-vector routing protocols), còn được gọi là thuật toán vector khoảng cách, là một trong những phương pháp phổ biến nhất được sử dụng trong mạng MANET để quản lý và định tuyến dữ liệu [8] Thuật toán này thường dựa trên thuật toán Bellman-Ford để xác định đường đi tối ưu từ một nút đến một nút khác trong mạng, dựa trên việc tính toán chi phí hoặc trọng số của các kết nối giữa các nút

Quá trình hoạt động của thuật toán này khá đơn giản nhưng hiệu quả Khi một nút trong mạng khởi động lần đầu, nó chỉ biết về các nút kề cận và chi phí trực tiếp để đến từng nút đó Sử dụng thông tin này, nút sẽ tạo ra bảng định tuyến, thường được gọi là bảng khoảng cách, để ghi lại chi phí đến từng nút và bước kế tiếp để gửi dữ liệu đến đó Mỗi nút trong mạng sẽ gửi thông tin về tổng chi phí của mình đến tất cả các nút láng giềng của mình Các nút láng giềng sẽ so sánh thông tin này với thông tin mà chúng biết và cập nhật bảng định tuyến của mình nếu cần thiết [8] Quá trình này được lặp lại cho đến khi mọi nút trên mạng hội tụ và tìm ra đường đi tối ưu đến tất cả các nút khác Khi một nút gặp sự cố, như mất kết nối hoặc xảy ra sự cố phần cứng, các nút khác trong mạng sẽ phát hiện và cập nhật thông tin định tuyến của mình Thông tin này sau đó được truyền đến các nút khác trong mạng và quá trình cập nhật sẽ được lặp lại cho đến khi mọi nút có thông tin mới và đường đi tối ưu tới mọi đích Điều này giúp mạng MANET tự điều chỉnh và tự phục hồi sau các sự cố một cách tự động và linh hoạt.

b Thuật toán định tuyến trạng thái kết nối

Thuật toán định tuyến trạng thái kết nối, hay còn gọi là Link-state routing protocols, là một trong những phương pháp quan trọng trong việc quản lý và định tuyến dữ liệu trong mạng MANET Điểm đặc biệt của thuật toán này là mỗi nút trong mạng sẽ sử dụng dữ liệu cơ sở của mình như là một bản đồ của toàn bộ mạng, thể hiện dưới dạng một đồ thị Khi áp dụng thuật toán này, mỗi nút sẽ phát đi thông tin về các nút mà nó có thể kết nối được tới toàn bộ mạng Thông tin này sau đó sẽ được tổng hợp và cập nhật độc lập tại

mỗi nút, tạo thành một bản đồ đồ thị đầy đủ về mạng Dựa trên bản đồ này, mỗi nút có thể xác định tuyến đường tối ưu từ chính nó đến mọi nút khác trong mạng.

Thuật toán Dijkstra là một ví dụ điển hình của thuật toán định tuyến trạng thái kết nối Thuật toán này xây dựng một cấu trúc dữ liệu dạng cây, với nút hiện tại là gốc, và chứa tất cả các nút khác trong mạng Ban đầu, cây chỉ chứa chính nút đó Tiếp theo, thuật toán sẽ lần lượt thêm các nút có chi phí thấp nhất để đến một nút đã có trên cây, cho đến khi tất cả các nút đều đã được thêm vào cây Cây này sau đó được sử dụng để xây dựng bảng định tuyến, cung cấp thông tin về bước truyền kế tiếp tối ưu từ một nút đến bất kỳ nút nào khác trên mạng Điều này giúp mạng MANET tự điều chỉnh và tìm ra đường đi tối ưu một cách linh hoạt và tự động

c So sánh các thuật toán định tuyến

Các giao thức định tuyến dựa trên thuật toán vector khoảng cách được coi là phương pháp đơn giản và hiệu quả trong các mạng nhỏ, nơi không đòi hỏi quá nhiều giám sát [8] Tuy nhiên, một trong nhược điểm của chúng là tốc độ hội tụ chậm khi áp dụng trong các mạng lớn và thường xuyên thay đổi, điều này đã đẩy phát triển của các thuật toán định tuyến dựa trên trạng thái kết nối, mặc dù phức tạp hơn nhưng hiệu quả hơn trong các mạng lớn.

Ưu điểm chính của định tuyến bằng trạng thái kết nối là khả năng phản ứng nhanh và linh hoạt hơn đối với các thay đổi trong mạng trong một khoảng thời gian ngắn Bên cạnh đó, kích thước của các gói dữ liệu được gửi qua mạng trong định tuyến bằng trạng thái kết nối thường nhỏ hơn so với định tuyến bằng vector Trong định tuyến bằng vector, bảng định tuyến đầy đủ phải được truyền đi, trong khi định tuyến bằng trạng thái kết nối chỉ yêu cầu thông tin về "hàng xóm" của mỗi nút được truyền đi Do đó, các gói dữ liệu này tiêu tốn ít tài nguyên mạng hơn Tuy nhiên, khuyết điểm chính của định tuyến bằng trạng thái kết nối là yêu cầu nhiều lưu trữ và tính toán hơn để thực hiện so với định tuyến bằng vector Điều này đòi hỏi các thiết bị mạng phải có khả năng xử lý và lưu trữ thông tin lớn hơn, cũng như tiêu tốn nhiều tài nguyên hơn từ phía hệ thống.

2.1.2.2.Định tuyến chủ ứng và phản ứng

Các giao thức định tuyến trong mạng MANET được phân loại thành ba loại chính: định tuyến chủ ứng (proactive), định tuyến phản ứng (reactive) và định tuyến lai ghép (hybrid) giữa hai loại trên Các giao thức định tuyến chủ ứng thường sử dụng phương pháp phát tràn (Floading) để quảng bá thông tin tới các thiết bị trong mạng Mặc dù phương pháp này cho phép thiết lập đường truyền nhanh chóng dựa trên thông tin sẵn có về các thiết bị kết nối, nhưng đồng thời cũng tăng lượng lưu lượng gói tin tìm đường lên đáng kể, đây là một nhược điểm của phương pháp này [8] Ví dụ về các giao thức định tuyến chủ ứng là giao thức OLSR (Optimized Link State Routing) và giao thức DSDV (Dynamic Destination-Sequenced Distance-Vector Routing).

Các giao thức định tuyến phản ứng thiết lập tuyến dựa trên yêu cầu kết nối cụ thể Phương pháp này giúp giảm thiểu chi phí tìm đường, nhưng nhược điểm chính là gây ra trễ lớn cho các khung truyền dẫn đầu tiên cũng như thời gian chọn đường dẫn chậm Hai ví dụ tiêu biểu cho các giao thức định tuyến phản ứng là giao thức AODV (On-demand Distance Vector Routing) và giao thức DSR (Dynamic Source Routing) Khi xảy ra lỗi tại một nút trong mạng, các giao thức định tuyến thường khôi phục đường dẫn bằng cách thiết lập tuyến mới Hầu hết các phương pháp hiện đại đều sử dụng thông tin phản hồi từ thiết bị đích nhằm khởi tạo tuyến mới Tuy nhiên, điều này dẫn đến việc lưu lượng bản tin trao đổi tăng lên nhanh chóng, đặc biệt là trong các mạng lớn, đặc biệt là với các giao thức định tuyến chủ ứng Sự tăng kích thước mạng cũng gây ra hiện tượng suy giảm hiệu năng của mạng do trễ trong quá trình định tuyến và thời gian chờ đợi truyền khung đầu tiên tăng lên đáng kể, đặc biệt là khi sử dụng các giao thức định tuyến phản ứng

2.1.2.3.Định tuyến nguồn và định tuyến theo chặng

Trong định tuyến nguồn, toàn bộ thông tin về đường đi tới đích được đặt trong trường tiêu đề của gói tin dữ liệu, làm cho các nút trung gian chỉ cần chuyển tiếp gói tin theo đường đã được xác định trong tiêu đề, mà không cần phải thực hiện quá trình tìm kiếm đường đi [8] Lợi điểm đáng chú ý của giao thức này là loại bỏ được nhu cầu quảng bá đường định kỳ và các gói tin khám phá (discovery) hàng xóm, giảm thiểu lưu lượng mạng và tăng hiệu suất định tuyến.

Trong định tuyến theo chặng, khi một nút nhận được gói tin cần chuyển tới đích, nút đó chuyển tiếp gói tin theo chặng tiếp theo hướng tới đích mà nó biết Quá trình này tiếp tục cho đến khi gói tin đến được đích Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi tất cả các nút cần duy trì thông tin định tuyến, dẫn đến việc xử lý nhiều hơn và có thể tạo ra các vòng lặp định tuyến, ảnh hưởng đến hiệu suất và độ tin cậy của mạng Tóm lại, mặc dù cả hai phương pháp định tuyến này đều có ưu và nhược điểm riêng, việc lựa chọn phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của mạng cũng như các yếu tố như kích thước, tính động và sự linh hoạt của mạng

2.2 MỘT SỐ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN CHÍNH TRONG MẠNGMANET

Mạng MANET (Mobile Ad Hoc Network) là một mạng không dây đặc biệt, được hình thành từ tập hợp các thiết bị di động có khả năng giao tiếp trực tiếp với nhau hoặc thông qua các nút trung gian [2] Trong mạng này, các thiết bị di động không chỉ tham gia vào việc truyền thông mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc định tuyến dữ liệu, tức là chúng không cần phụ thuộc vào một cơ sở hạ tầng mạng cố định Tính linh hoạt và tự xác định của MANET giúp nó trở thành một lựa chọn phổ biến cho các ứng dụng yêu cầu sự di động, như các hệ thống giám sát, quân sự, cứu hộ, và IoT.

Tuy nhiên, tính chất đặc biệt này cũng đặt ra nhiều thách thức cho việc định tuyến trong mạng MANET Một số vấn đề phát sinh khi sử dụng các giao thức định tuyến truyền thống như Distance-Vector hoặc Link-State là [3]:

Tiêu tốn băng thông mạng và năng lượng nguồn nuôi cho các cập nhậtđịnh kỳ: Trong mạng MANET, các thiết bị di động thường sử dụng nguồn pin

cho việc hoạt động của mình Do đó, việc truyền và nhận các gói tin định tuyến sẽ tiêu tốn một lượng đáng kể năng lượng Đặc biệt, khi các nút mạng di chuyển và cấu hình topo mạng thay đổi, việc hội tụ của mạng để cập nhật các tuyến đường mới yêu cầu phải thực hiện một cách nhanh chóng và liên tục Điều này dẫn đến việc các giao thức định tuyến phải liên tục gửi cập nhật định tuyến, tiêu tốn không ít băng thông và năng lượng.

Các đường đi dư thừa được tích lũy một cách không cần thiết: Trong

mạng MANET, do tính di động và linh hoạt của các nút mạng, có rất nhiều đường đi từ nút nguồn đến nút đích Những đường đi này thường được cập nhật tự động vào bảng định tuyến của các thiết bị định tuyến [7] Điều này có thể dẫn đến việc tích lũy các đường đi dư thừa trong bảng định tuyến, tăng bớt hiệu suất và tăng cường khả năng tạo ra các vòng lặp định tuyến.

Để giải quyết các vấn đề này, các giao thức định tuyến trong mạng MANET được phân loại thành ba loại chính: định tuyến chủ động, định tuyến theo yêu cầu và định tuyến hỗn hợp [7]

Hình 2 1 Phân loại giao thức của mạng MANET [4]

2.2.1 Định tuyến chủ động

Định tuyến chủ động, là phương thức định tuyến dựa trên bảng định tuyến để xác định đường đi giữa các nút trong mạng Định tuyến chủ động sử dụng một bảng định tuyến để xác định đường đi đến tất cả các nút trong mạng [7] Các nút thường xuyên được cập nhật thông tin định tuyến về kiến trúc mạng và trạng thái đường liên kết để làm mới bảng định tuyến [7] Điều này cho phép bảng định tuyến kiểm soát được toàn bộ tình trạng các liên kết trong mạng tốt hơn Tuy nhiên, trong một mạng có tính động cao, các thông tin cập nhật bảng định tuyến liên tục được trao đổi trong mạng với một tần suất lớn, điều này có thể làm ảnh hưởng lớn đến băng thông của mạng [7] Thích hợp cho mạng có dự di động nhỏ Trong mạng MANET, khóa luận tập trung tìm hiểu giao thức DSDV DSDV (Destination Sequence Distance Vector) là giao

thức định tuyến vector khoảng cách theo kiểu từng bước, được đề xuất để giải quyết các vấn đề của giao thức RIP và cung cấp giải pháp định tuyến hiệu quả cho mạng Ad hoc.

2.2.1.1 Giao thức định tuyến DSDV (Destination Sequence Distance Vector)

Thuật toán định tuyến DSDV (Destination-Sequenced Distance Vector) là giao thức định tuyến chủ động dựa trên vector khoảng cách theo chặng, được sửa đổi từ giao thức vector khoảng cách để hoạt động của nó phù hợp với mạng MANET Cơ sở của DSDV là thuật toán Bellman-Ford truyền thống với một số thay đổi [4]

Mọi trạm di động duy trì một bảng định tuyến với danh sách các đích có trước, số các bước tới đích và số tuần tự (Sequence number) được gán bởi nút mạng đích Các gói được truyền giữa các nút mạng sử dụng những bảng định tuyến được lưu trữ ở mỗi nút [4] Mỗi bảng định tuyến ở mỗi nút mạng ghi lại tất cả những đích có sẵn và số các bước đến mỗi đích [4]

a) Cấu trúc bảng định tuyến

Dữ liệu quảng bá bởi mỗi máy di động bao gồm số tuần tự mới của nó và các thông tin sau đây cho mỗi tuyến mới:

- Địa chỉ đích

- Metric: Số các bước cần thiết để tới được đích

- Sequence number (SN): Số tuần tự của thông tin được nhận liên quan tới đích đó

- Next-hop: Đích tiếp theo

Các bảng định tuyến truyền phát cũng bao gồm: địa chỉ phần cứng và địa chỉ mạng (nếu thích hợp) của các máy di động đang truyền dẫn trong tiêu đề gói Các tuyến với số thứ bằng nhau thì tuyến có giá trị bước nhỏ nhất được sử dụng [4] Bảng định tuyến cũng bao gồm một số tuần tự được tạo bởi bộ truyền phát Các tuyến với các số tuần tự mới hơn sẽ luôn được ưu tiên, như cơ sở để ra quyết định, không cần thiết phải quảng bá Bằng cách tự nhiên mà theo đó các bảng định tuyến được phân phát, số tuần tự được gửi tới tất cả các máy di động, một trong số đó quyết định duy trì một phần lưu trữ định tuyến cho máy di động khởi tạo [4].

b) Cơ chế hoạt động

Các node cập nhật bảng định tuyển với các thông điệp nhận được từ các nodes láng giềng theo định kỳ hoặc khi có thông tin mới để duy trì tính nhất quán của bảng định tuyến với topology mạng động

- Theo định kỳ hoặc ngay lập tức khi topology mạng thay đổi được phát hiện, mỗi node sẽ truyền đi thông tin định tuyến sử dụng phương thức broadcast hoặc multicast.

- Node láng giêng nhận được thông điệp quảng bá này thì nó cập nhật lại bảng định tuyến, với metric tăng lên 1 và truyền gói tin đi.

- Tiến trình sẽ lặp lại đến khi tất cả các node trong mạng nhận được bản sao của gói tin cập nhật với metric tương ứng

- Dữ liệu cập nhật được duy trì trong một khoảng thời gian nhất định để tìm ra đường đi tốt nhất cho mỗi node trước khi cập nhật bảng định tuyến và truyền gói tin đi.

- Nếu một node nhận được nhiều gói tin cập nhật cho cùng một đích trong khoảng thời gian chờ, đường đi nào với số sequence number mới hơn sẽ được lựa chọn để chuyển tiếp thông điệp

- Nếu các gói tin cập nhật có cùng số sequence với cùng một node, gói tin cập nhật với metric nhỏ nhất sẽ được sử dụng và đường đi đang tồn tại sẽ bị loại bỏ hoặc được lưu trữ với độ ưu tiên thấp hơn.

- Các thông điệp về đường đi đã thay đổi có thể bị làm trễ đêm khi đường đi tốt nhất được tìm thấy

- Các thành phần của bảng định tuyến của mỗi node thay đổi động để duy trì tính nhất quán với topology động

- Để đạt được tính nhất quán này, việc quảng bá thông tin định tuyên phải thực hiện thường xuyên hoặc đủ nhanh để đảm bảo môi node trong mạng luôn định vị được tất cả các node khác.

c) Ví dụ:

Hình 2 2 Ví dụ về mạng ad-hoc [13]

Hình 2 3 Bảng định tuyến của nút H6 trong 1 khoảng thời gian [13]

Hình 2 4 Nút H4 truyền gói đến nút H6 để chuyển tiếp [13]

Hình 2 5 Nút H6 xác định đích và đường đi để chuyển tiếp [13]

Hình 2 6 Nút H6 chuyển tin đến next-hop [13]

Hình 2.2 cho thấy một ví dụ về mạng ad hoc trước và sau sự di chuyển của các nút di động Hình 2.3 là bảng định tuyến của nút H6 tại thời điểm trước khi các nút chuyển động Sau khi H4 gửi gói tin đến H6 như trong Hình 2.4 Nút H6 tra cứu bước nhảy tiếp theo cho nút đích H5 trong bảng định tuyến của nó khi nó nhận được gói tin (Hình 2.5) Nút H6 sau đó chuyển tiếp gói đến next Hop H7 như được chỉ định trong bảng định tuyến như trong Hình 2.6 Thủ tục định tuyến được lặp lại dọc theo đường dẫn cho đến khi gói cuối cùng đến đích H5.

d) Ưu điểm

Cập nhật thông tin định tuyến nhanh chóng và chính xác: Nhờ sử dụng số thứ tự để đánh dấu đường tốt nhất và cập nhật thông tin theo sự kiện, DSDV đảm bảo thông tin định tuyến luôn được cập nhật kịp thời.

Đảm bảo tính ổn định cho mạng: Việc sử dụng số thứ tự giúp loại bỏ các vòng lặp định tuyến, đảm bảo tính ổn định cho mạng Ad hoc.

Phù hợp với mạng Ad hoc: DSDV có khả năng thích ứng với các thay đổi cấu trúc mạng Ad hoc một cách hiệu quả.

e) Nhược điểm

Gây gánh nặng cho mạng: Việc quảng bá thông tin định tuyến định kỳ có thể gây ra gánh nặng cho mạng, đặc biệt là mạng có mật độ cao.

Tăng nguy cơ va chạm gói tin: Việc quảng bá thông tin định tuyến đồng thời có thể dẫn đến va chạm gói tin, ảnh hưởng đến hiệu suất mạng.

Tóm lại

DSDV là giao thức định tuyến vector khoảng cách hiệu quả cho mạng Ad hoc, cung cấp giải pháp thay thế cho RIP với khả năng cập nhật thông tin nhanh chóng và đảm bảo tính ổn định cho mạng Tuy nhiên, cần lưu ý đến vấn đề gánh nặng mạng và tối ưu hóa việc truyền tải thông tin định tuyến để đảm bảo hiệu quả hoạt động

2.2.2 Định tuyến theo yêu cầu

Định tuyến theo yêu cầu là phương pháp định tuyến trong đó các đường đi được xây dựng chỉ khi có nhu cầu truyền dữ liệu mới Khi một nút trong mạng yêu cầu một tuyến đến một đích cụ thể, quá trình Route Discovery (khám phá tuyến) được khởi đầu Quá trình này bắt đầu bằng việc nút nguồn gửi đi các gói tin khám phá tuyến (Route Discovery packets) thông qua mạng, tìm kiếm các đường đi đến đích Quá trình này sẽ tiếp tục cho đến khi một tuyến hợp lệ được tìm thấy hoặc cho đến khi tất cả các tuyến khả thi đã được kiểm tra Khi một tuyến hợp lệ đã được khám phá và thiết lập, quá trình route maintenance (duy trì tuyến đường) bắt đầu [7] Trong giai đoạn này, các thông số định tuyến của tuyến đường này sẽ được duy trì và cập nhật liên tục bởi các giao thức định tuyến Điều này đảm bảo rằng tuyến đường vẫn hoạt động đúng cách và có sẵn khi cần thiết.

Các giao thức định tuyến theo yêu cầu thường phù hợp với các mạng có tỷ lệ truyền dữ liệu thấp và cấu trúc mạng thay đổi nhanh chóng, nhưng có thể tạo ra độ trễ trong việc thiết lập kết nối.