HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - Đinh Vương Long NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI HIỆU NĂNG ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG WMN Chuyên ngành: Kĩ thuật điện tử Mã số: 60.52.70 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI - 2013 Luận văn hoàn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG Người hướng dẫn khoa học: ………………PGS TS Nguyễn Quốc Bình ………… Phản biện 1: …………………………………………………………………………… Phản biện 2: ………………………………………………………………………… Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thông Vào lúc: ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng MỞ ĐẦU Trong số năm gần đây, truyền thông không dây phát triển mạnh mẽ mạng tế bào mạng không dây cục bộ, hứa hẹn đem tới nhiều ứng dụng dựa kết nối không dây Tuy nhiên, khác biệt công nghệ hai kiểu mạng nảy sinh số hạn chế yêu cầu kết nối dịch vụ Mạng tế bào cung cấp vùng bao phủ lớn dịch vụ thường có giá thành cao tốc độ liệu thấp Trong mạng cục khơng dây đưa tốc độ truyền liệu cao với chất lượng dịch vụ đảm bảo Tuy nhiên, nhược điểm mạng cục khơng dây xuất phát từ hạn chế tính di động yêu cầu tầm nhìn thẳng thiết bị đầu cuối với trạm thu phát Vì vậy, mạng hình lưới không dây WMN (Wireless Mesh Network) lên giải pháp mở rộng vùng phủ, cung cấp đa dạng loại hình kết nối với tốc độ cao, đem lại hàng loạt ứng dụng Công nghệ WMN phát triển nhanh chóng thu đuợc ý nhà nghiên cứu năm gần Nhiều tập đồn lớn nhận tiềm cơng nghệ đưa sản phẩm mạng hình lưới khơng dây Các tổ chức tiêu chuẩn cơng nghiệp tích cực đưa tiêu cho mạng hình lưới Các thử nghiệm tiếp tục tiến hành phịng thí nghiệm trường đại học giới Do nhiều lợi điểm mạng WMN để xuất phát từ lực trình định tuyến, nên phần lớn nghiên cứu cải thiện hiệu mạng tập trung lớn vào vấn đề cải thiện hiệu định tuyến Hiệu định tuyến yếu tố ảnh hưởng tới hiệu định tuyến mạng WMN nội dung nghiên cứu luận văn Cấu trúc luận văn gồm ba chương Chương giới thiệu kiến trúc, đặc điểm ứng dụng mạng WMN; Vấn đề hiệu chung mạng xem xét Chương nghiên cứu lý thuyết toán định tuyến mạng WMN với yếu tố ảnh hưởng tới hiệu định tuyến mạng WMN Chương khảo sát hiệu số giao thức định tuyến thông qua mô nhiều kịch với yếu tố đầu vào khác Từ kết thu được, đưa kiến nghị trường hợp cụ thể Do hạn chế thời gian kiến thức thân, luận văn tránh khỏi khiếm khuyết Rất mong đóng góp ý kiến thầy cô, học viên quan tâm để luận văn hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Quốc Bình hướng dẫn em hồn thành luận văn 2 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ WMN Mạng hình lưới khơng dây (WMN) lên công nghệ chủ chốt dể cung cấp dịch vụ cho mạng không dây hệ kế tiếp: mạng băng rộng nhà, mạng cộng đồng, mạng doanh nghiệp v.v WMN nhận quan tâm lớn phương tiện để cung cấp dịch vụ khơng dây băng rộng tin cậy với chi phí đầu tư thấp vùng phủ mở rộng [22] Trong [1] định nghĩa: “Một mạng hình lưới khơng dây WMN mạng truyền thông tạo thành từ nút vô tuyến tổ chức theo cấu trúc hình lưới” Chương luận văn trình bày khái niệm WMN bao gồm kiến trúc chung hệ thống, ứng dụng WMN Sau tổng hợp hướng đề xuất cải thiện hiệu mạng lớp cụ thể 1.1 Kiến trúc đặc điểm WMN 1.1.1 Kiến trúc mạng WMN Một mạng WMN bao gồm định tuyến hình lưới khơng dây WMR (wireless Mesh Bộ định tuyến) nút khách hình lưới khơng dây WMC (wireless WMC) Kiến trúc mạng WMN chia làm nhóm dựa tính nút phương thức truyền thông [6] a Kiến trúc phân cấp: mạng WMN có sở hạ tầng Kiến trúc trình bày hình 1.1, nơi đường đứt liền mô tả đường truyền không dây có dây riêng rẽ Cơ sở hạ tầng hình lưới cung cấp thành phần lõi không dây cho khách truyền thống cho phép tích hợp WMN với mạng không dây tồn tại, thông qua chức cổng/cầu nối WMR b Kiến trúc phẳng: mạng WMN khách Mạng hình lưới khách cung cấp mạng ngang hàng (peer-to-peer) thiết bị khách Ở loại kiến trúc này, nút khách tạo thành mạng thực tế để thực chức định tuyến cấu hình, cung cấp ứng dụng đầu cuối cho khách Bởi vậy, WMR không cần thiết cho loại mạng c Kiến trúc lai ghép: mạng WMN lai ghép Kiến trúc kết hợp hình lưới sở hạ tầng hình lưới khách trình bày hình 1.3 Các WMC truy cập mạng thông qua WMR kết nối hình lưới qua WMC khác Trong sở hạ tầng cung cấp tính kết nối với mạng khác Internet, WiFi, WiMax, di động tế bào mạng cảm biến; khả định tuyến khách cung cấp kết nối cải thiện vùng phủ sóng bên WMN Kiến trúc lai ghép trường hợp áp dụng nhiều thực tế Hình 1.3: Kiến trúc lai ghép [6] 1.1.2 Các đặc điểm mạng WMN • Mạng khơng dây đa điểm Một mục tiêu để phát triển mạng WMN mở rộng phạm vi mạng không dây mà không giảm dung lượng kênh truyền • Hỗ trợ mạng tùy biến có khả tự định hình, tự khơi phục tự tổ chức WMN nâng cao hiệu mạng, kiến trúc mạng mềm dẻo, dễ dàng triển khai cấu hình, khơi phục lỗi đặc tính kết nối hình lưới • Tính di động phụ thuộc vào kiểu nút Các WMR thường có tính di động thấp WMC nút cố định di động • Hỗ trợ nhiều kiểu truy nhập mạng Trong WMN, truy nhập đến Internet truyền thông ngang hàng hỗ trợ Hơn nữa, tích hợp WMN với mạng không dây khác cung cấp dịch vụ tới người dùng mạng thực thơng qua mạng WMN • Giới hạn công suất tiêu thụ phụ thuộc vào kiểu nút Các WMR thường không hạn chế nghiêm ngặt công suất tiêu thụ Tuy nhiên, WMC cần phải giao thức hiệu lượng • Sự tương thích khả tương thích với mạng khơng dây có Ví dụ mạng WMN xây dựng dựa công nghệ 802.11, cần tương thích với chuẩn trường hợp hỗ trợ khả hình lưới khách WiFi thơng thường WMNs cần thiết hoạt động tốt với mạng không dây khác WiMAX, Zig- Bee mạng di động tế bào 1.2 Ứng dụng WMN 1.2.1 Mạng nhà băng rộng Mạng gia đình băng rộng thực tế mạng WLAN theo chuẩn IEEE 802.11 Tuy nhiên, mạng tồn vấn đề việc chọn vị trí cho điểm truy nhập với ngơi nhà nhỏ có nhiều vị trí mà điểm truy nhập khơng phủ sóng hết Cơng nghệ mạng WMN hình vẽ 1.4 giải vấn đề 1.2.2 Mạng cộng đồng Trong kịch mạng cộng đồng, truy nhập Internet thường dựa công nghệ cáp quang công nghệ DSL (Digital Subcriber Line) Thành phần cung cấp khả truy nhập không dây kết nối tới cáp modem DSL Phương pháp truy nhập mạng có số nhược điểm Các mạng WMN khắc phục nhược điểm việc sử dụng kết nối hình lưới linh hoạt ngơi nhà 1.2.3 Mạng đô thị Sử dụng WMN khu vực thị có số ưu điểm Tốc độ truyền dẫn lớp vật lý nút mạng WMN lớn nhiều so với tốc đô nút mạng di động Ví dụ nút chuẩn IEEE 802.11g truyền tốc độ 54Mbps Hơn nữa, việc truyền tin nút không cần thành phần lõi hữu tuyến 1.2.4 Một số ứng dụng khác Các hệ thống giao thơng Thay sử dụng công nghệ theo chuẩn IEEE 802.11 hay IEEE 802.16, cung cấp truy nhập đến bến đỗ, công nghệ mạng WMN mở rộng truy nhập đến xe buýt, bến phà, hay tàu hỏa Do đó, cung cấp dịch vụ dịch vụ thông tin hành khách, điều khiển từ xa cách sử dụng video an ninh đặt xe, hay thông tin liên lạc với lái xe Các hệ thống giám sát an ninh Vấn đề an ninh quan tâm nên hệ thống giám sát an ninh trở nên cần thiết cho tòa nhà doanh nghiệp, khu mua sắm nhỏ, cửa hàng tạp hóa v.v Để triển khai hệ thống này, sử dụng WMN giải pháp khả thi với việc cung cấp kết nối không dây, cho phép triển khai dễ dàng, chi phí đầu tư ban đầu không tốn cung cấp băng thông rộng phục vụ cho nhu cầu truyền hình ảnh video, vốn lưu lượng chủ yếu cần phải truyền kịch ứng dụng 1.3 Tiêu chuẩn hóa 1.3.1 WMN dựa chuẩn 802.11s Tất chuẩn họ 802.11 xây dựng chế truyền thông đơn bước không dây, không phù hợp với mơ hình truyền thơng đa bước, đa kênh đa thu phát vơ tuyến Vì vậy, IEEE thiết lập nhóm làm việc 802.11s để tiêu chuẩn hóa cài đặt, cấu hình điều hành mạng hình lưới dựa chuẩn 802.11 Trong tiêu chuẩn 802.11s, tất thiết bị định nghĩa điểm hình lưới MP (Mesh Point) Một hệ thống phân bổ không dây WDS (Wireless Distributed System) tập gồm MP liên kết không dây Điểm truy nhập hình lưới MAP (Mesh Access Point) MP đặc biệt hoạt động điểm truy nhập AP điểm kết nối cổng hình lưới MPP (Mesh Portal Point) 1.3.2 WMN dựa chuẩn 802.15 Nhóm làm việc IEEE 802.15 thiết lập để phát triển tiêu chuẩn cho mạng cá nhân không dây WPAN Để giải pháp tốc độ cao WPAN, IEEE 802.15.3 thiết lập tiêu chuẩn hóa đặc tính lớp truy nhập phương tiện MAC (Medium Access Control) lớp vật lư PHY (Physical Layer) vào năm 2003 Chuẩn IEEE 802.15.4 tập trung vào chế cần có lớp MAC PHY phép kết nối hình lưới, đồng thời cung cấp khung làm việc để mở rộng liên điều hành thiết bị WPAN Các mạng hình lưới dựa chuẩn IEEE 802.15 đem lại số lợi điểm yếu như: mở rộng vùng phủ, tăng độ tin cậy kéo dài thời gian hoạt động mạng 1.3.3 WMN dựa chuẩn 802.16 Để đưa tiêu chuẩn hóa cho truy nhập khơng dây băng rộng mạng thị, nhóm làm việc IEEE 802.16 thiết lập năm 1999 Tiêu chuẩn ban đầu IEEE 802.16 thiết kế để điều hành băng tần cấp phép (10-66 GHz) phát triển cấu trúc điểm – đa điểm PMP (Point to Multipoint), nơi trạm sở BS (Base Station) phục vụ số thiết bị đầu cuối vùng phủ Tuy nhiên, kiến trúc yêu cầu tầm nhìn thẳng thiết bị giới hạn lượng nhiễu đa đường cho phép tần số cao Để hoạt động mơi trường khơng có tầm nhìn thẳng thực sự, 802.16a mở rộng vào năm 2003 Tiêu chuẩn 802.16a hoạt động vùng tần số 2-11GHz, cho phép truyền thơng khơng có tầm nhìn thẳng chức kết nối hình lưới bổ sung vào chế độ kết nối điểm - đa điểm PMP 1.4 Các yêu cầu hiệu mạng WMN Các công nghệ không dây Được thúc đẩy phát triển nhanh chất bán dẫn, công nghệ vô tuyến, lý thuyết thông tin, thiết bị không dây trải qua cách mạng thực Hiện nay, nhiều tiếp cận đề xuất nhằm tăng dung lượng linh hoạt hệ thống không dây Chẳng hạn việc sử dụng anten có hướng, anten thơng minh, hệ thống MIMO, hệ thống đa kênh đa sóng (multi-radio/multi-channel) Khả mở rộng Truyền thơng đa điểm kiểu truyền thông phổ biến mạng WMN Đối với mạng sử dụng kiểu truyền thông ln gặp vấn đề mở rộng Khi kích thước mạng tăng, hiệu mạng suy giảm đáng kể Nguyên nhân độ tin cậy kết nối đầu cuối đến đầu cuối giảm mạnh kích thước mạng tăng lên Với kiến trúc tùy biến mạng WMN, phương pháp đa truy nhập tập trung TDMA CDMA khó thực phức tạp yêu cầu đồng thời gian cho TDMA việc quản lý mã cho CDMA Tính kết nối hình lưới Nhiều ưu điểm mạng WMN bắt nguồn từ kết nối hình lưới, yêu cầu quan trọng thiết kế giao thức cho lớp, đặc biệt giao thức MAC định tuyến Băng thông rộng QoS Khác với mạng tùy biến khác, hầu hết ứng dụng mạng WMN dịch vụ băng rộng với yêu cầu QoS đa dạng Khả tích hợp điều hành Đây đặc điểm mong muốn cho WMN để hỗ trợ truy nhập mạng cho khách truyền thống khác khách hình lưới Đây động lực cho việc triển khai mạng WMN Bảo mật WMN cần phải có giải pháp bảo mật thuyết phục để cung cấp tới khách dịch vụ địi hỏi độ tin cậy cao Mặc dù có nhiều kế hoạch bảo mật đưa cho mạng WLAN chúng chưa thực thích hợp cho mạng WMN Ví dụ, khơng có nút tập trung để phân phối khóa chung WMN đặc điểm kiến trúc phân tán Tính dễ sử dụng Các giao thức cần thiết kế để có khả tự trị cao công suất, tự tổ chức, điều khiển cấu hình động, đối phó với việc liên kết tạm thời, xác thực nhanh chóng Dung lượng mạng WMN Dung lượng (độ thông qua) mạng WMN bị ảnh hưởng nhiều yếu tố kiến trúc mạng, cấu trúc liên kết mạng, mơ hình lưu lượng, mật độ nút mạng, số kênh sử dụng cho nút, cơng suất truyền dẫn, tính di động nút Việc hiểu rõ ảnh hưởng yếu tố lên dung lượng mạng giúp cho trình thiết kế kiến trúc mạng, phát triển giao thức việc triển khai tốt 1.5 Kết luận chƣơng Trong chương tác giả đưa nhìn đầy đủ mạng WMN, bao gồm kiến trúc mạng, đặc điểm, ứng dụng tiêu chuẩn đưa Mạng WMN cung cấp ứng dụng như: mạng băng rộng nhà, mạng cộng đồng, mạng doanh nghiệp, giao thông, y tế v.v với phạm vi phủ sóng rộng so với mạng tùy biến mạng Wifi Bài toán hiệu chung mạng giới thiệu thông qua yêu cầu hiệu cụ thể CHƢƠNG 2: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG TỚI HIỆU NĂNG ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG WMN Một trở ngại lớn toán thiết kế cải thiện hiệu mạng hình lưới khơng dây WMN xuất phát từ đặc điểm kiến trúc mạng đặc tính cố hữu kênh truyền vô tuyến như: biến động cấu hình, tính khơng ổn định kênh truyền, chất lượng liên kết, mơ hình truyền lan xuyên nhiễu phức tạp, v.v Một loạt thách thức toán hiệu chương gồm: dung lượng thông lượng mạng, khả mở rộng, kỹ thuật định tuyến, chất lượng dịch vụ, bảo mật khả liên điều hành tích hợp Trong đó, nhiều nghiên cứu cải thiện hiệu mạng tập trung vào vấn đề cải thiện giao thức định tuyến, tất khía cạnh như: thuật tốn định tuyến, tham số định tuyến thủ tục định tuyến 8 2.1 Thuật toán định tuyến mạng WMN 2.1.1 Thuật toán định tuyến vector khoảng cách (distance vector) Phương pháp gán số, gọi giá (hay trọng số), cho liên kết nút mạng Các nút gửi thông tin từ điểm A đến điểm B qua tuyến có tổng chi phí thấp (là tổng giá kết nối nút dùng) Khi nút khởi động lần đầu, biết nút kề trực tiếp với nó, chi phí trực tiếp để đến (thơng tin này, danh sách đích, tổng chi phí nút, bước để gửi liệu đến tạo nên bảng định tuyến, hay bảng khoảng cách) 2.1.2 Thuật toán định tuyến trạng thái liên kết (link-state) Khi áp dụng thuật toán trạng thái liên kết, nút sử dụng sở liệu đồ mạng dạng đồ thị Để làm điều này, nút phát tới tồn mạng thơng tin nút khác kết nối Sử dụng đồ này, định tuyến chọn tuyến tốt từ đến nút khác mạng 2.1.3 Nhận xét thuật toán định tuyến Ưu điểm định tuyến trạng thái kết nối phản ứng nhanh nhạy thay đổi liên kết Ngồi ra, kích thước gói gửi qua mạng định tuyến trạng thái kết nối nhỏ gói dùng định tuyến vector khoảng cách Định tuyến vector khoảng cách đòi hỏi bảng định tuyến đầy đủ phải truyền đi, định tuyến trạng thái kết nối có thơng tin “hàng xóm” nút truyền Khuyết điểm định tuyến trạng thái kết nối địi hỏi nhiều lưu trữ tính tốn để chạy định tuyến vector khoảng cách 2.2 Tham số định tuyến 2.2.1 Một số tham số định tuyến đề xuất a Tham số định tuyến bước nhảy Tham số bước nhảy (hop count) tham số định tuyến đơn giản nhằm cung cấp đường dẫn có số bước nhảy tối thiểu Chất lượng liên kết phản ánh qua khái niệm nhị phân: tồn không tồn liên kết b Tham số truyền dẫn mong đợi ETX Tham số truyền dẫn mong đợi ETX (Expected Transmission Count) đề xuất để cải thiện số nhược điểm tham số bước nhảy [4] ETX phản ánh đồng thời độ dài đường dẫn tỷ số lỗi liên kết trình chọn đường ETX định nghĩa số lượng truyền dẫn mong đợi lớp điều khiển truy nhập phương tiện MAC cần thiết để chuyển phát thành cơng gói tin unicast qua liên kết ETX liên kết đơn xác định qua công thức sau: ETX  d f  dr (2.1) Trong đó: d f : xác suất gói tin chuyển thành cơng theo hướng d r : xác suất gói tin chuyển thành cơng theo ngược lại c Tham số thời gian mong đợi ETT Tham số thời gian mong đợi ETT (Expected Transmission Time) tham số cải thiện ETX nhằm bổ sung để tính tốn cho liên kết có băng thơng khác gói tin có kích thước khác [5] d Tham số thời gian truyền dẫn mong đợi trọng số tích lũy WCETT Tham số WCETT (Weighted cumulative ETT) tham số cải thiện từ ETT với bổ sung đặc tính phân tập kênh [5] Tham số định tuyến phản ánh nhiễu iAWRE iAWARE (Interference AWARE) tham số định tuyến nhằm phản ánh ảnh hưởng biến động tỉ lệ lỗi liên kết, khác biệt tốc độ truyền dẫn nhiễu liên luồng nội luồng [20] iAWARE xác định thời gian trung bình bận đường truyền nhiễu từ lân cận iAWARE đường dẫn p xác định qua công thức đây: n iAWARE p   1     iAWAREi   max X j (2.4) 1j k i 1 2.2.3 Nhận xét tham số định tuyến Bảng 2.1: Đặc tính tham số định tuyến Tham số /Đặc tính HOP ETX ETT WCETT iAWARE Số lượng bước nhảy      Cân      Tính mềm dẻo      Chất lượng liên kết      10 Bảo toàn thứ tự      Nhiễu  * *  + : Phản ánh đặc tính; : khơng phản ánh đặc tính; #: chưa xác định; *: phản ánh nhiễu liên luồng; +: gồm nhiễu ngoại 2.3 Các giao thức định tuyến WMN Để đưa giao thức định tuyến hiệu cho mạng WMN, trước hết cần có nhìn sơ giao thức định tuyến có, so sánh phân tích ưu nhược điểm giao thức định tuyến Các giao thức định tuyến phân loại thành ba nhóm [19]: theo bảng (proactive), theo yêu cầu (reactive), lai ghép (hybrid) 2.3.1 Các giao thức định tuyến theo bảng (Proactive) Trong phương pháp định tuyến theo bảng, nút mạng liên tục đánh giá tuyến tới nút để trì tính tương thích, cập nhật thơng tin định tuyến Vì vậy, nút nguồn đưa đường dẫn định tuyến cần Trong giao thức định tuyến theo bảng, tất nút cần trì thơng tin cấu hình mạng Khi cấu hình mạng thay đổi, cập nhật truyền lan mạng nhằm thông tin thay đổi Một số giao thức định tuyến theo bảng kể đến: WRP, DSDV, OLSR, định tuyến trạng thái fisheye (Fisheye State Routing), v.v Giao thức OLSR OLSR (Optimized Link State Protocol) [7] giao thức định tuyến theo bảng thường gặp nhất, nhiều nghiên cứu cải thiện giao thức định tuyến thực thời gian qua OLSR với cải thiện giải pháp định tuyến hứa hẹn cho mạng WMN 2.3.2 Các giao thức định tuyến theo yêu cầu (reactive) Trong giao thức định tuyến theo yêu cầu, đường dẫn tìm kiếm có yêu cầu truyền dẫn lưu lượng Hoạt động định tuyến bao gồm thủ tục xác định tuyến Thủ tục tìm tuyến kết thúc tuyến khơng tìm thấy khơng có tuyến khả dụng sau xác minh tồn tập hốn vị tuyến Ví dụ số giao thức định tuyến theo yêu cầu gồm DSR, AODV 11 Giao thức định tuyến nguồn động DSR DSR [10] viết tắt Dynamic Source Routing – giao thức định tuyến nguồn động, giao thức định tuyến theo yêu cầu Theo đó, host có nhu cầu gửi thơng tin, kiểm tra nhớ tuyến xem có tuyến tới đích khơng Nếu có, chép thơng tin tuyến vào gói tin gửi đi, nút nhận vào thông tin để chuyển tiếp gói tin Nếu khơng có tuyến dành cho gói tin cần gửi, thiết lập yêu cầu tuyến (Route request) Giao thức định tuyến vector khoảng cách theo yêu cầu AODV AODV giao thức định tuyến theo yêu cầu phổ biến [16] Các tuyến thiết lập theo yêu cầu, tuyến hoạt động trì Điều làm giảm thiểu tiêu đề định tuyến, có nhược điểm trễ giao thức định tuyến theo yêu cầu 2.3.3 Các giao thức định tuyến lai ghép Các giao thức định tuyến lai ghép đề xuất để tổ hợp đặc tính ưu điểm giao thức định tuyến theo bảng theo yêu cầu Thông thường, giao thức định tuyến lai ghép MANET sử dụng kiến trúc phân cấp Các giao thức định tuyến theo bảng theo yêu cầu triển khai cấp thích hợp Một số ví dụ giao thức định tuyến lai ghép: giao thức định tuyến vùng ZRP, giao thức định tuyến trạng thái liên kết phân cấp dựa vùng ZHLS giao thức định tuyến tùy biến lai ghép HARP v.v 2.4 Các mơ hình chuyển động Hiệu chung giao thức định tuyến phụ thuộc vào khoảng thời gian tồn kết nối hai nút nhiều Chúng ta gọi tham số trung bình tồn mạng “số tuyến kết nối trung bình” [3] Sự chuyển động nút ảnh hưởng đến số tuyến kết nối trung bình, kéo theo ảnh hưởng đến hiệu thuật tốn định tuyến Hình 2.1: Mối quan hệ mơ hình chuyển động hiệu định tuyến Các mơ hình chuyển động ngẫu nhiên chấp nhận sử dụng rộng rãi công cụ mơ kể đến [21]: random waypoint (điểm đường ngẫu nhiên); random walk (bước ngẫu nhiên); random direction (hướng ngẫu nhiên) 12 2.4.1 Mơ hình chuyển động điểm đường ngẫu nhiên (Radom Waypoint) Mơ hình chuyển động điểm đường ngẫu nhiên có khoảng thời gian dừng ngẫu nhiên Tpause bên cạnh tốc độ V  t  hướng  t  Ban đầu, nút chọn ngẫu nhiên vị trí phạm vi mơ di chuyển tới vị trí với vận tốc cố định chọn theo phân phối ngẫu nhiên [0,V max], Vmax vận tốc cực đại nút Khi đến đích, nút dừng lại khoảng thời gian Tpause Nếu Tpause = 0, chuyển động nút liên tục Sau khoảng thời gian này, lại tiếp tục chọn điểm ngẫu nhiên khác tiếp tục lặp lại q trình mơ kết thúc (hình 2.2) Hình 2.2: Vết nút di động mơ hình điểm đƣờng ngẫu nhiên [21] 2.4.2 Mơ hình chuyển động bước ngẫu nhiên (Random Walk) Trong mơ hình chuyển động bước ngẫu nhiên, nút thay đổi tốc độ hướng thời điểm bắt đầu giai đoạn Tại thời điểm này, sau chọn ngẫu nhiên theo phân bố cho hướng chuyển động hướng  t  (0,2 ] vận tốc v(t) [0,Vmax], di chuyển nút với vector vận tốc v t  cos  t , v t  sin  t  diễn khoảng thời gian cố định “tconst” quãng đường cố định “dconst” Khi chuyển động theo quy tắc tới biên phạm vi mô phỏng, nút di chuyển ngược trở lại với góc  t     t  Mơ hình chuyển động bước ngẫu nhiên q trình khơng nhớ, thơng tin trạng thái khứ không dùng cho định tương lai (hình 2.3) 2.4.3 Mơ hình chuyển động hưỡng ngẫu nhiên (Random Direction) Yếu tố ngẫu nhiên mơ hình hướng di chuyển Một nút chọn hướng ngẫu nhiên để di chuyển giống mơ hình chuyển động bước ngẫu nhiên Nút sau chọn hướng di chuyển theo hướng biên phạm vi 13 mô phỏng; dừng lại khoảng thời gian cho trước, sau chọn hướng khác tiếp tục lặp lại trình (hình 2.4) 2.4.4 Nhận xét mơ hình chuyển động Các mơ hình chuyển động thiết kế để mô tả di chuyển nút di động theo cách đơn giản Do đơn giản thực phân tích, mơ hình chấp nhận rộng rãi công cụ mơ Trong mơ hình trên, vận tốc thể trình ngẫu nhiên; nghĩa vận tốc đoạn đường độc lập hồn tồn với vận tốc trước 2.5 Các hình thức công WMN 2.5.1 Tấn công lớp vật lý Lớp vật lý chịu trách nhiệm lựa chọn tần số, tạo tần số song mang, điều chế mật má hóa liệu Giống tất mạng không dây khác, khả bị công gây tắc nghẽn (jamming attack) lớp mạng WMN tránh khỏi Đây kiểu công gây nhiễu tới tần số vô tuyến mà nút sử dụng để truyền thông WMN [17] 2.5.2 Tấn công lớp MAC Tấn công nghe trộm thụ động (Passive eavesdropping) Đặc tính quảng bá tự nhiên truyền thơng khơng dây khiến cho mạng khơng dây bị công nghe trộm thụ đọng kẻ cơng từ bên ngồi Các mạng khơng dây đa bước WMN bị cơng từ nút trung gian, nút copy tất dự liệu chuyển tiếp mà không cần thơng tin nút khác mạng Tấn công gây tắc nghẽn lớp liên kết liệu (Link layer jamming) Kiểu công gây tắc nghẽn lớp liên kết phức tạp nhiều so với kiểu công lớp vật lý Bằng cách truyền liên tục bit ngẫu nhiên, kẻ công truyền khung điều khiển MAC kênh truyền thông khiến cho nút hợp lệ khác mạng thấy kênh bận, phải chờ khoảng thời gian back-of trước cảm nhận kênh lần Hệ nút bị từ chối dịch vụ DoS Tấn công thay đổi địa MAC (MAC spoofing attack) Địa MAC địa lớp sử dụng mạng có dây mạng WLAN Các giao thức MAC giao diện mạng không cung cấp khả 14 chống lại việc kẻ công thay đổi địa MAC nguồn khung liệu truyền Điều kẻ cơng sử dụng theo nhiều cách khác Tấn công truyền lại (replay attack) Kiểu công thường biết đến kiểu cơng man-in-the-middle, thực nút bên nút bên Một nút cơng bên ngồi (khơng phải nút mạng WMN) nghe trộm thơng tin quảng bá hai nút mạng (nút A nút B) mơ tả hình 2.5 2.5.3 Tấn cơng lớp mạng Tấn công Rushing Là phương pháp công từ chối dịch vụ hiệu giao thức định tuyến theo yêu cầu, gồm giao thức thiết kế cho bảo mật Nút công chuyển tiếp gói tin cách nhanh chóng cách bỏ qua vài thủ tục định tuyến Rushing attack khai thác chế khám phá tuyến giao thức định tuyến theo yêu cầu Trong giao thức này, nút nguồn tràn lụt tin RREQ để tìm tuyến tới nút đích Tấn cơng wormhole Trong công wormhole, hai nhiều hai nút thông đồng với cách thiết lập đường hầm sử dụng kết nối có dây kết nối khơng dây tốc độ cao băng tần khác Hình 2.6: Mô tả công wormhole Tấn công lỗ đen (blackhole attack) Là kiểu công khác dẫn đến DoS mạng WMN Nó lợi dụng ccow chế khám phá tuyến giao thức định tuyến theo yêu cầu Trong công lỗ đen, nút công trả lời tin RREQ, khơng có tuyến hợp lệ tới nút đích Do nút khơng kiểm tra bảng định tuyến nên ln nút trả lời tin RREQ Khi đó, phần lớn liệu nút lân cận nút công hướng trực tiếp tới nút nà, gây tượng gói tin DoS 15 2.6 Kết luận chƣơng Trong chương tác giả xem xét toán định tuyến mạng WMN khía cạnh thuật toán định tuyến, tham số định tuyến Các tham số định tuyến đề xuất thời gian gần cho mạng khảo sát khía cạnh hiệu mạng Các giao thức định tuyến WMN dựa giao thức có mạng MANET thiết kế để tận dụng triệt để đặc điểm riêng mạng WMN Các yếu tố mơ hình chuyển động hình thức cơng có ảnh hưởng đáng kể tới hiệu giao thức định tuyến WMN Các yếu tố tiếp tục nghiên cứu chương thông qua kịch mô CHƢƠNG KHẢO SÁT HIỆU NĂNG CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG WMN Chương khảo sát hiệu số giao thức định tuyến điển hình WMN ảnh hưởng yếu tố trình bày chương 3.1 Các tham số đánh giá hiệu mạng Để so sánh hiệu giao thức kịch mơ khác ta sử dụng tham số bao gồm:  Trễ/Trễ đầu cuối Thời gian bit liệu truyền từ nút tới nút khác mạng gọi trễ hay trễ đầu cuối Đơn vị trễ giây (s) dend end  N daccess  dprop  dproc  (3.1) Trong đó, dend end trễ đầu cuối, daccess trễ truy nhập phương tiện, d prop trễ lan truyền d proc trễ xử lý Nếu có N nút mạng, trễ trung bình tính cách lấy trung bình tất gói tin, cặp nguồn đích cấu hình mạng  Thơng lượng Tốc độ liệu truyền từ nút sang nút khác mạng truyền thông biết đến thông lượng Đơn vị bit/s  Tải mạng Khi có nhiều lưu lượng mạng,việc điều khiển lưu lượng mạng trở nên khó khăn Khi mạng mang tải biết đến tải mạng  Jitter 16 Biến đổi thời gian tín hiệu có chu kỳ hay nhảy tín hiệu miền thời gian gọi jitter  Tỉ lệ mát gói tin Xảy gói tin liệu khơng thể đến nút đích mạng Khi nút nguồn gửi gói tin liệu tới nút đích mà nút khơng nhận gói tin liệu gọi mát gói tin Nếu QoS đảm bảo mạng truyền thơng tỉ lệ mát gói tin mạng thấp  Tiêu đề định tuyến Khi kích thước mạng tăng kéo theo lưu lượng định tuyến tăng theo WMN mạng mở rộng được, để xem xét mạng có khả mở rộng ta cần phải quan tâm đến tiêu đề định tuyến mạng Khi tổng số lượng gói tin định tuyến phát mạng, cịn gọi tiêu đề định tuyến, có đơn vị bit/s  Tỉ lệ chuyển tiếp gói tin Là tỉ số số lượng gói tin phát nguồn so với số lượng gói tin nhận đích Để mạng hoạt động hiệu tỉ lệ chuyển tiếp gói tin phải lớn Do tỉ số nên khơng có đơn vị Từ tỉ số này, ta thấy thơng lượng mạng Đặc tính tỉ số cho thấy độ xác lực giao thức định tuyến 3.2 Mô hiệu giao thức định tuyến WMN Mô thực phần mềm mô OPNET [15], phiên 14.5 để so sánh hiệu giao thức định tuyến OLSR, AODV DSR ảnh hưởng yếu tố đầu vào khác mơ hình chuyển động, mơ hình lưu lượng đầu vào, mật độ nút mạng 3.3.1 Kịch mơ  Mơ hình mạng Các kịch mô mạng WMN thực phạm vi 1000m * 1000m Nhằm xét đến ảnh hưởng mật độ nút, kiểu kịch với 10, 20, 40 nút thực Trong đó, số nút bố trí cố định đóng vai trị định tuyến hình lưới nhằm tăng tính kết nối mạng Các nút khác di động theo mơ hình chuyển động định nghĩa Vị trí ban đầu nút di động đặt ngẫu nhiên phạm vi mơ  Mơ hình chuyển động 17 Các nút di động mạng chuyển động theo mơ hình điểm đường ngẫu nhiên với mức độ chuyển động khác nhau: nhanh, trung bình chậm Hình 3.1: Kịch mơ với 40 nút  Mơ hình giao thức Mơ thực với giao thức OLSR, AODV, DSR Các tham số giao thức cấu hình theo khuyến nghị RFC thể bảng 3.3, 3.4 3.5 3.3.2 Kết mô thảo luận Các mô thực với thời gian 30 phút Kết trình bày dạng đồ thị thể biến động tham số hiệu theo thời gian (phút) - Ảnh hưởng mật độ nút Tham số hiệu dùng để so sánh trễ đầu cuối trễ truy nhập phương tiện Ta so sánh hiệu giao thức định tuyến kịch 10 nút, 20 nút 40 nút Kết hình 3.2 cho thấy mật độ nút thay đổi trễ giao thức AODV ồn định nhất, khơng có nhiều thay đổi, ổn định 1.2ms Nói cách khác, hiệu giao thức AODV bị ảnh hưởng số lượng nút mạng Trong đó, trễ giao thức DSR tăng lên số lượng nút tăng lên, từ 5ms kịch 10 nút đến 11ms kịch 40 nút Ngược lại, trễ giao thức OLSR lại có xu hướng giảm số lượng nút tăng lên, giảm từ 0.8ms kịch 10 nút xuống 0.5ms kịch 40 nút Điều giải thích sau: số lượng nút mạng tăng lên, mức độ kết nối mạng tăng lên trễ giao thức định tuyến theo bảng OLSR thấp 18 - Ảnh hưởng mơ hình chuyển động Kết hình 3.3 cho thấy trễ giao thức AODV OLSR bị ảnh hưởng mơ hình chuyển động khác Giá trị trễ trung bình thời điểm cuối mơ OLSR 0.3 ms AODV 0.6ms Trễ DSR cho thấy dao động lớn nhất, thay đổi khoảng từ 4ms đến 5ms OLSR AODV DSR Hình 3.2: Trễ giao thức OLSR, AODV, DSR với mật độ nút khác OLSR AODV DSR Hình 3.3: Trễ giao thức OLSR, AODV, DSR với mơ hình chuyển động khác - Ảnh hưởng mơ hình lưu lượng Với hai mơ hình lưu lượng ứng dụng HTTP nặng nhẹ, kết mô trễ thông lượng mô tả hình 3.5 3.6 Trễ trung bình trường hợp lưu lượng 19 nhẹ thấp trường hợp lưu lượng nặng (bằng khoảng 50%) Giá trị trễ OLSR AODV lớn thời điểm khởi tạo mạng, trước đến giá trị ổn định Kết hầu hết kịch mô trễ giao thức DSR vượt trội so với hai giao thức lại Giao thức OLSR cho hiệu cao theo khía cạnh trễ thơng lượng 3.3 Ảnh hƣởng công mạng lên hiệu định tuyến WMN 3.3.1 Mô tả kịch mô Kịch mô công mạng WMN thực với tham số trình bày bảng 3.6 Một tập nút tĩnh bố trí theo cấu trúc tổ ong để đảm bảo tính kết nối hình lưới mạng WMN Các nút đánh dấu vòng tròn màu đỏ nút cơng đánh dấu vịng tròn màu vàng Trong kịch này, hai giao thức định tuyến OLSR AODV khảo sát công 2, 4, nút Tất tham số hai giao thức định tuyến cấu hình mặc định bảng 3.3 3.4 Mỗi nút mạng chọn ngẫu nhiên nút đích gửi lưu lượng CBR với tham số: kích thước gói 1500 byte khoảng thời gian gói 0.5 giây Nút cơng cấu hình gửi gói có kích thước nhỏ 200 bytes khoảng thời gian ngắn 0.01 giây Tham số hiệu xét đến trễ trung bình số lượng gói tin bị 3.3.2 Kết mơ Kết hình 3.9 3.10 cho thấy hiệu giao thức định tuyến suy giảm rõ rệt số lượng nút công tăng lên Cụ thể trễ lượng liệu bị hai giao thức tăng lên đáng kể Giá trị cụ thể tham số hiệu trung bình thời điểm cuối mơ trình bày bảng 3.7 Bảng 3.7: Giá trị trễ lƣu lƣợng bị hủy bỏ Trễ trung bình (s) Lưu lượng bị hủy bỏ trung bình (b/s) AODV OLSR AODV OLSR Normal 0.0105 0.0066 28192 500 attackers 0.168 0.076 157240 25000 attackers 0.401 0.153 303194 64070 attackers 0.503 0.344 470004 163183 20 Có thể thấy giao thức OLSR cho kết trễ lượng liệu bị thấp giao thức AODV Khi tăng số lượng nút công, lượng liệu bị giao thức AODV tăng đột biến, tăng khoảng 16 lần có nút cơng so với trường hợp ban đầu Hình 3.7: So sánh trễ thông lƣợng giao thức OLSR, AODV, DSR Delay Data Dropped Hình 3.11: Ảnh hưởng vị trí cơng đến hiệu giao thức - So sánh hiệu giao thức định tuyến Để nghiên cứu ảnh hưởng suy giảm hiệu với vị trí cơng, nút cơng bố trí hai vị trí khác thể hình 3.8 Hai nút đánh dấu 21 màu xanh (vòng 1) hai nút đánh dấu màu vàng (vòng 2) Rõ ràng, nút cơng nằm vị trí có mức độ kết nối cao ảnh hưởng nghiêm trọng 3.4 Kết luận chƣơng Với mục tiêu khảo sát hiệu giao thức định tuyến điều kiện khác nhau, tác giả thực mô giao thức định tuyến AODV, OLSR, DSR môi trường mạng WMN Kết phần lớn kịch cho thấy giao thức OLSR cho hiệu tốt theo khía cạnh trễ thơng lượng Giao thức DSR có hiệu thấp tỏ khơng thích hợp để cung cấp yêu cầu dịch vụ cao từ phía người dùng Giao thức AODV ổn định với thay đổi tốc độ di chuyển nút Bên cạnh kịch cơng mạng, hiệu giao thức định tuyến giảm rõ rệt Kết địi hỏi phải có chế, giao thức thích hợp nhằm tăng cường tính bảo mật mạng WMN 22 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Mạng khơng dây hình lưới WMN hứa hẹn công nghệ mạng chủ chốt cho mạng không dây hệ với nhiều ứng dụng khả thi Tuy nhiên, để ứng dụng thực tiễn, WMN cịn có nhiều khía cạnh kể giải pháp kỹ thuật công nghệ cần phải tiếp tục nghiên cứu phát triển Một trở ngại lớn toán thiết kế cải thiện hiệu mạng hình lưới khơng dây WMN xuất phát từ đặc điểm kiến trúc mạng đặc tính cố hữu kênh truyền vơ tuyến như: biến động cấu hình, tính khơng ổn định kênh truyền, chất lượng liên kết, mơ hình truyền lan xun nhiễu phức tạp, v.v Trong hàng loạt vấn đề đối mặt, hiệu định tuyến nhận quan tâm hàng đầu nhà nghiên cứu, thiết kế triển khai công nghệ Kết mô tiến hành cho thấy giao thức định tuyến OLSR cho hiệu tốt theo khía cạnh trễ thơng lượng Giao thức DSR cho hiệu nhất, giao thức AODV cho thấy ổn định mặt hiệu với biến đổi cấu hình mạng Hiệu định tuyến giao thức đặt hình thức cơng có suy giảm rõ rệt Tuy nhiên, mức độ suy giảm phụ thuộc vào hình thức cơng vị trí cơng Kết đã giao thức định tuyến kế thừa từ mạng tùy biến không dây chưa đáp ứng yêu cầu QoS mạng WMN cần phải có nghiên cứu để nâng cao hiệu Một số hướng nghiên cứu để cải thiện hiệu định tuyến WMN kể đến: (i) xây dựng giao thức định tuyến cải thiện thủ tục để phù hợp với đặc điểm WMN; (ii) thiết kế tham số định tuyến phản ánh xác chất lượng liên kết thay cho tham số định tuyến bước nhảy truyền thống thông qua giải pháp xuyên lớp; (iii) thêm chế giao thức định tuyến hỗ trợ bảo mật Các cơng trình nghiên cứu tác giả gửi kèm phụ lục Một lần xin gửi lời cám ơn sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn, giảng viên cán khoa sau đại học, gia đình bạn bè giúp đỡ tơi hồn thành luận văn  ... dụng mạng WMN; Vấn đề hiệu chung mạng xem xét Chương nghiên cứu lý thuyết toán định tuyến mạng WMN với yếu tố ảnh hưởng tới hiệu định tuyến mạng WMN Chương khảo sát hiệu số giao thức định tuyến thông... thiện hiệu định tuyến Hiệu định tuyến yếu tố ảnh hưởng tới hiệu định tuyến mạng WMN nội dung nghiên cứu luận văn Cấu trúc luận văn gồm ba chương Chương giới thiệu kiến trúc, đặc điểm ứng dụng mạng. .. riêng mạng WMN Các yếu tố mơ hình chuyển động hình thức cơng có ảnh hưởng đáng kể tới hiệu giao thức định tuyến WMN Các yếu tố tiếp tục nghiên cứu chương thông qua kịch mô CHƢƠNG KHẢO SÁT HIỆU NĂNG