Mạng Ad Hoc Không Dây: Bài giảng TEL 1430 (Chi Tiết)

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

BÀI GIẢNG

MẠNG AD HOC KHÔNG DÂY

TEL 1430

KHOA VIỄN THÔNG 1

TS. NGUYỄN VIỆT HÙNG (CHỦ BIÊN)

ThS. NGUYỄN THỊ THU HẰNG

ThS. LÊ TÙNG HOA

TS. NGUYỄN VIỆT HƯNG

TS. NGUYỄN QUÝ SỸ

TS. VŨ TRƯỜNG THÀNH

Hà Nội - 2014

Lời Mở Đầu

LỜI MỞ ĐẦU

Các thiết bị cầm tay không dây đã và đang trở nên phổ biến và đóng một vài trò lớn trong các hoạt động của xã hội loài người, cũng như đóng góp to lớn vào việc thay đổi cách mà loài người sống và làm việc. Các mạng thông tin vô tuyến truyền thống thường đòi hỏi phải được phục vụ bởi một cơ sở hạ tầng mạng nào đó, ví dụ trong công nghệ 2G-GSM, 3G- WCDMA, 4G-LTE ứng dụng cho mạng diện rộng WAN, trong công nghệ WiMAX ứng dụng cho mạng đô thị MAN, trong công nghệ WiFi ứng dụng trong mạng cục bộ LAN. Mặc dù xét kỹ thì đã có những cấu hình kỹ thuật cho phép các thiết bị trong các công nghệ nói trên kết nối với nhau theo mô hình sơ khai của mạng Ad hoc. Khái niệm vê mô hình mạng Ad hoc lý tưởng theo nghĩa chặt là mạng không cần tới sự hỗ trợ của bất cứ hạ tầng cố định nào.

Ngày nay cùng với việc thông minh hóa các thiết bị đầu cuối nói chung và các thiết bị di động cầm tay nói riêng, các thiết bị trong mạng cũng có khả năng thích ứng tự cấu hình. Những điều này đã tạo nên sự trưởng thành của mạng Ad hoc, nơi mà người sử dụng có thể mong đợi các thiết bị cầm tay của họ có khả năng tự kết nối để tạo ra một mạng diện rộng, đảm bảo nhu cầu thông tin liên lạc của những người tham gia. Do vậy cuốn bài giảng “Mạng Ad hoc Không Dây” này ra đời với hi vọng cung cấp cho sinh viên những kiến thức liên quan đến một xu hướng lớn và tất yếu này của mạng thông tin vô tuyến. Cuốn bài giảng này được chia làm 8 chương trình bày về những khái niệm và đặc điểm cơ bản của mạng Ad hoc cũng như những khía cạnh quan trọng trong việc thiết kế và sử dụng mạng Ad hoc. Các chương trong cuốn bài giảng bao gồm:

Chương 1: Tổng Quang Mạng Ad hoc Không Dây

Chương 2: Lớp Điều Khiển Truy Nhập Môi Trường

Chương 3: Định Tuyến trong Mạng Ad hoc

Chương 4: Lớp Truyền Tải trong các Mang Ad hoc

Chương 5: Quản Lý Năng Lượng trong Mạng Ad hoc

Chương 6: Các Vấn Đề QoS trong Mạng Ad hoc

Chương 7: An Ninh trong mạng Ad hoc

Chương 8: Ứng Dụng và Hướng Phát Triển của Mạng Ad hoc

Đây là phiên bản đẩu tiên của cuốn bài giảng và tất nhiên không tránh được những sai sót. Rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các đồng nghiệp và các bạn sinh viên.

NHÓM BIÊN SOẠN

Mục Lục

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................................. i

MỤC LỤC .................................................................................................................................. ii

TỪ VIẾT TẮT ........................................................................................................................... ix

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN MẠNG AD HOC KHÔNG DÂY ............................................ 1

1.1. Định nghĩa và khái niệm về mạng Ad hoc ................................................................... 1

1.1.1. Mạng Ad hoc là gì ................................................................................................ 1

1.1.2. Sự khác nhau giữa mạng di động và mạng Ad hoc .............................................. 2

1.2. Một số công nghệ không dây cho Ad hoc.................................................................... 2

1.2.1. Công nghệ Bluetooth ............................................................................................ 3

1.2.2. Công nghệ IrDA ................................................................................................... 4

1.2.3. Công nghệ SWAP HomeRF ................................................................................. 5

1.2.4. Họ công nghệ IEEE 802.11-WiFi ........................................................................ 7

1.2.5. Họ công nghệ IEEE 802.16-WiMAX .................................................................. 9

1.2.6. Công nghệ 4G-LTE .............................................................................................. 9

1.3. Các đặc tính kỹ thuật của mạng Ad hoc .................................................................... 19

1.3.1. Các giao thức MAC ............................................................................................ 19

1.3.2. Định tuyến .......................................................................................................... 21

1.3.3. Điều khiển truyền tải .......................................................................................... 25

1.3.4. Chất lượng dịch vụ ............................................................................................. 26

1.3.5. Quản lý năng lượng ............................................................................................ 27

1.3.6. Các vấn đề về thiết kế liên lớp ........................................................................... 29

1.3.7. Các thử thách an ninh trong mạng Ad hoc không dây ....................................... 30

1.4. Tổng kết chương 1 ..................................................................................................... 31

1.5. Câu hỏi ôn tập chương 1 ............................................................................................ 31

1.6. Tài liệu tham khảo chương 1 ..................................................................................... 31

CHƯƠNG 2: LỚP ĐIỂU KHIỂN TRUY NHẬP MÔI TRƯỜNG ...................................... 33

Mục Lục

2.1. Giới thiệu chung ........................................................................................................ 33

2.2. Những vấn đề quan trọng và cần thiết cho các giao thức lớp MAC .......................... 34

2.3. Phân loại giao thức MAC .......................................................................................... 36

2.3.1. Các giao thức MAC dựa trên sự hài lòng ........................................................... 38

2.3.2. Các giao thức MAC hài lòng với các cơ chế đặt chỗ ......................................... 38

2.3.3. Các giao thức MAC sử dụng anten tính hướng .................................................. 44

2.3.4. Các giao thức MAC đa kênh .............................................................................. 45

2.3.5. Các giao thức MAC tính đến năng lượng ........................................................... 49

2.4. Tổng kết chương 2 ..................................................................................................... 53

2.5. Câu hỏi ôn tập chương 2 ............................................................................................ 54

2.6. Tài liệu tham khảo chương 2 ..................................................................................... 54

CHƯƠNG 3: ĐỊNH TUYẾN TRONG CÁC MẠNG AD HOC .......................................... 55

3.1. Mở đầu ....................................................................................................................... 55

3.2. Những vấn đề thiết kế các giao thức định tuyến cho mạng Adhoc ........................... 57

3.2.1. Kiến trúc định tuyến ........................................................................................... 57

3.2.2. Hỗ trợ các liên kết đơn hướng ............................................................................ 57

3.2.3. Sử dụng siêu trạm ............................................................................................... 58

3.2.4. Định tuyến đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) .................................................. 58

3.2.5. Hỗ trợ đa điểm .................................................................................................... 59

3.3. Định tuyến chủ động (Proactive) ............................................................................... 60

3.3.1. Giao thức định tuyến DSDV .............................................................................. 61

3.3.2. Giao thức định tuyến OLSR ............................................................................... 63

3.3.3. Giao thức định tuyến FSR .................................................................................. 65

3.4. Định tuyến theo yêu cầu ............................................................................................ 68

3.4.1. Giao thức định tuyến AODV .............................................................................. 68

3.4.2. Giao thức định tuyến DSR.................................................................................. 72

3.4.3. Giao thức định tuyến TORA .............................................................................. 74

3.4.4. Một số giao thức định tuyến theo yêu cầu khác ................................................. 76

3.5. Các giao thức định tuyến khác ................................................................................... 79

iii

Mục Lục

3.5.1. Giao thức định tuyến lai giữa giao thức định tuyển chủ động và theo yêu cầu .. 79

3.5.2. Giao thức định tuyến theo vị trí .......................................................................... 80

3.5.3. Giao thức định tuyến phân cấp ........................................................................... 80

3.6. Tổng kết chương 3 ..................................................................................................... 80

3.7. Câu hỏi ôn tập chương 3 ............................................................................................ 80

3.8. Tài liệu tham khảo chương 3 ..................................................................................... 81

CHƯƠNG 4: LỚP TRUYỀN TẢI TRONG MẠNG AD HOC ............................................ 83

4.1. Giới thiệu ................................................................................................................... 83

4.2. Những thách thức và vấn đề thiết kế TCP trong các mạng Ad hoc ........................... 83

4.2.1. Các thách thức .................................................................................................... 83

4.2.2. Các ràng buộc năng lượng .................................................................................. 88

4.2.3. Các mục tiêu thiết kế .......................................................................................... 88

4.3. Hiệu năng TCP trên mạng di động Ad Hoc (MANETs) ........................................... 89

4.3.1. Hiệu năng TCP ................................................................................................... 89

4.3.2. Các vấn đề khác .................................................................................................. 90

4.4. Giao thức truyền tải Ad Hoc ...................................................................................... 91

4.4.1. Phương pháp tiếp cận chia tách .......................................................................... 91

4.4.2. Phương pháp tiếp cận đầu cuối đến đầu cuối ..................................................... 92

4.4.3. Giao thức truyền tải Ad hoc (ATP) .................................................................. 100

4.4.4. Giao thức ATP .................................................................................................. 102

4.5. Giao thức truyền tải được ứng dụng điều khiển (ACTP) ......................................... 108

4.6. Tổng kết chương 4 ................................................................................................... 109

4.7. Câu hỏi ôn tập chương 4 .......................................................................................... 110

4.8. Tài liệu tham khảo chương 4 ................................................................................... 110

CHƯƠNG 5: QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG AD HOC ............................. 111

5.1. Giới thiệu chung ...................................................................................................... 111

5.1.1. Tại sao quản lý năng lượng lại cần thiết đối với mạng Adhoc ......................... 111

5.1.2. Phân loại các chế độ quản lý năng lượng ......................................................... 112

5.1.3. Tổng quan về công nghệ pin ............................................................................ 113

Mục Lục

5.1.4. Nguyên lý xả pin .............................................................................................. 114

5.1.5. Ảnh hưởng của các đặc tính xả tới dung lượng pin .......................................... 115

5.1.6. Mô hình hóa pin ................................................................................................ 121

5.1.7. Hệ Thống pin thông minh ................................................................................. 123

5.2. Giao thức định tuyến tiết kiệm năng lượng ............................................................. 125

5.2.1. Giới thiệu chung ............................................................................................... 125

5.2.2. Giao thức đề xuất kiểm soát truy cập đường truyền tiết kiệm năng lượng ...... 126

5.3. Truyền chế độ quản lý công suất ............................................................................. 128

5.3.1. Quản lý công suất của mạng Ad Hoc ............................................................... 128

5.3.2. Giao thức định tuyến tính toán cân bằng chi phí năng lượng PCCB................ 131

5.3.3. Phân tích giao thức định tuyến PCCB .............................................................. 133

5.3.4. Giao thức MAC ................................................................................................ 133

5.3.5. Tiết kiệm năng lượng ........................................................................................ 134

5.3.6. Chức năng đồng bộ hóa thời gian ..................................................................... 135

5.3.7. Chức năng tiết kiệm năng lượng ...................................................................... 135

5.3.8. Tiềm năng Tiết kiệm năng lượng ..................................................................... 137

5.4. Điều khiển công suất truyền tải ............................................................................... 138

5.4.1. Đáp ứng công suất truyền theo trạng thái của kênh ......................................... 139

5.4.2. Kỹ thuật MAC .................................................................................................. 139

5.4.3. Điều khiển liên kết logic ................................................................................... 141

5.5. Giao thức AODV ..................................................................................................... 143

5.5.1. Giới thiệu chung về giao thức AODV .............................................................. 143

5.5.2. Tìm đường ........................................................................................................ 143

5.5.3. Bảo trì định tuyến ............................................................................................. 144

5.6 Định tuyến tính đến năng lượng cục bộ dựa trên AODV ............................................. 144

5.5.4. Giới thiệu .......................................................................................................... 144

5.5.5. Tìm đường ........................................................................................................ 144

5.5.6. Bảo trì định tuyến ............................................................................................. 144

5.6. Định tuyến tính đến công suất dựa trên AODV (PAR-AODV) .............................. 145

Mục Lục

5.6.1. Giới thiệu .......................................................................................................... 145

5.6.2. Tìm đường ........................................................................................................ 145

5.6.3. Bảo trì định tuyến ............................................................................................. 146

5.7. Định tuyến dự báo thời gian tồn tại dựa trên AODV (LPR-AODV) ....................... 146

5.7.1. Giới thiệu .......................................................................................................... 146

5.7.2. Tìm đường ........................................................................................................ 146

5.7.3. Bảo trì định tuyến ............................................................................................. 147

5.8. Tổng kết chương 5 ................................................................................................... 147

5.9. Câu hỏi ôn tập chương 5 .......................................................................................... 148

5.10. Tài liệu tham khảo chương 5 ................................................................................ 148

CHƯƠNG 6: CÁC VẤN ĐỀ QOS TRONG MẠNG AD HOC ......................................... 150

6.1. Mở đầu ..................................................................................................................... 150

6.2. Thách thức khi triển khai QoS cho mạng ad hoc không dây ................................... 150

6.3. Phân loại giải pháp QoS ........................................................................................... 153

6.3.1. Giải pháp lớp MAC .......................................................................................... 153

6.3.2. Giải pháp lớp mạng .......................................................................................... 154

6.4. QoS- Giao thức định tuyến vecto khoảng cách Ad Hoc On-demand ...................... 155

6.4.1. Mở rộng QoS cho giao thức AODV ................................................................. 155

6.4.2. Ưu và nhược điểm ............................................................................................ 155

6.5. Mô hình QoS cho mạng không dây Ad Hoc ............................................................ 156

6.5.1. Các mô hình QoS .............................................................................................. 157

6.6. Mô hình QoS INSIGNIA ......................................................................................... 159

6.6.1. Hoạt động của mô hình INSIGNIA .................................................................. 160

6.6.2. Ưu và nhược điểm ............................................................................................ 162

6.7. Mô hình QoS INORA .............................................................................................. 162

6.7.1. Mô hình phản hồi kém ...................................................................................... 163

6.7.2. Mô hình phản hồi tốt dựa trên lớp .................................................................... 163

6.7.3. Ưu điểm ............................................................................................................ 164

6.8. Tổng kết chương 6 ................................................................................................... 164

Mục Lục

6.9. Câu hỏi ôn tập chương 6 .......................................................................................... 165

6.10. Tài liệu tham khảo chương 6 ................................................................................ 165

CHƯƠNG 7: AN NINH TRONG MẠNG AD HOC ......................................................... 166

7.1. Mở đầu ..................................................................................................................... 166

7.2. Các yếu tố an ninh chính của mạng Ad hoc ............................................................ 166

7.2.1. Tính khả dụng (Availability) ........................................................................... 167

7.2.2. Tính bảo mật (Confidentiality) ......................................................................... 167

7.2.3. Tính toàn vẹn (Integrity)................................................................................... 167

7.2.4. Nhận thực (Authentication) .............................................................................. 168

7.2.5. Chống từ chối (non-repudiation) ...................................................................... 168

7.2.6. Chống phát lại (non-replay) .............................................................................. 168

7.3. Các thách thức an ninh đặc trưng của mạng Ad hoc ............................................... 168

7.4. Các giao thức thỏa thuận và phân phối khóa trong mạng ad hoc ............................ 170

7.4.1. Quản lý khóa trong các mạng vô tuyến ............................................................ 170

7.5. Các giao thức định tuyến an toàn ............................................................................. 174

7.5.1. Các mô hình tấn công lớp mạng [9] ................................................................. 174

7.5.2. Các giao thức định tuyến an toàn ..................................................................... 181

7.5.3. Định tuyến thống kê ngẫu nhiên ....................................................................... 185

7.6. Tổng kết chương 7 ................................................................................................... 186

7.7. Câu hỏi và bài tập chương 7 .................................................................................... 187

7.8. Tài liệu tham khảo chương 7 ................................................................................... 188

CHƯƠNG 8: ỨNG DỤNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA MẠNG AD HOC............ 191

8.1. Giới thiệu ................................................................................................................. 191

8.2. Các ứng dụng điển hình ........................................................................................... 192

8.2.1. PAN .................................................................................................................. 193

8.3. Các ứng dụng và các cơ hội ..................................................................................... 194

8.3.1. Các ứng dụng trong môi trường học thuật ........................................................ 194

8.3.2. Các ứng dụng quốc phòng ................................................................................ 195

8.3.3. Các ứng dụng trong môi trường công nghiệp ................................................... 196

vii

Mục Lục

8.3.4. Các ứng dụng chăm sóc sức khỏe .................................................................... 196

8.3.5. Các ứng dụng tìm kiếm và cứu hộ .................................................................... 197

8.3.6. Các mạng ad hoc xe cơ giới.............................................................................. 197

8.4. Những thách thức ..................................................................................................... 198

8.4.1. An ninh ............................................................................................................. 200

8.5. Một số nghiên cứu nổi bật gần đây trong lĩnh vực .................................................. 201

8.5.1. Các bộ cảm biến ............................................................................................... 201

8.5.2. Các mạng cảm biến Ad hoc vô tuyến ............................................................... 202

8.6. Tổng kết chương 8 ................................................................................................... 202

8.7. Câu hỏi ôn tập chương 8 .......................................................................................... 202

8.8. Tài liệu tham khảo chương 8 ................................................................................... 203

DANH MỤC HÌNH VẼ ......................................................................................................... 204

DANH MỤC BẢNG .............................................................................................................. 206

viii

Từ Viết Tắt

TỪ VIẾT TẮT

Từ Viết Tắt Viết Đầy Đủ Nghĩa Tiếng Việt

ADC Analog Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự số

AKA Auxiliary Key Agreement Thỏa thuận khóa trợ giúp

AKM Autonomous Key Management Quản lý khóa tự trị

AMRIS Adhoc Multicast Routing protocol utilizing Increasing ID numbers Giao thức định tuyến Multicast trong mạng Ad hoc sử dụng số nhận dạng tăng dần

AODV Ad hoc On-demand Distance Vector Vector khoảng cách theo yêu cầu trong mạng ad hoc

AP Access Point Điểm truy nhập

ARAN Authenticated Routing for Ad hoc Network Định tuyến có xác thựccho mạng ad hoc

ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ chuyển giao không đồng bộ

BH Black Hole Hố đen

BTMA Busy Tone Multiple Access Đa truy nhập sử dụng âm bận

CA Certificate Authority Chủ thể chứng thực

CAMP Core-Assisted Mesh Protocol Giao thức hỗn hợp hỗ trợ lõi

CB Cell Broadcast Quảng bá ô

CBM Condition Based Maintenance Bảo dưỡng dựa trên điều kiện

Từ Viết Tắt

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã

CLIQues CLIQ

Care of Address Quan tâm địa chỉ CoA

COMP Composite Key Management for Ad hoc Network Quản lý khóa tổng hợp cho mạng ad hoc

Control Packet Overhead Tiêu đề gói điều khiển CPO

Cyclic Redundancy Check Kiểm tra vòng thặng dư CRC

Certificate Revocation List Danh sách thu hồi chứng chỉ CRL

CSMA Carrier Sense Multiple Access Đa truy nhập cảm nhận sóng mang

CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance Đa truy nhập cảm nhận sóng mang với tránh xung đột

CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection Đa truy nhập cảm nhận sóng mang với phát hiện xung đột

CVIS Cooperative Vehicle Infrastructure System Hệ thống cơ sở hạ tầng xe cộ hợp tác

D&C IDS Distributed and Coperative Intrusion Detection System Hệ thống phát hiện xâm nhập hợp tác phân bố

DBTMA Dual Busy Tone Multiple Access Đa truy nhập âm bận hai chiều

DCA-PC Dynamic Channel Assignment with Power Control Gán kênh động với điều khiển năng lương

Diffe-Hellman D-H

Desirable Matrix Ma trận mong muốn DM

Denial of Service Từ chối dịch vụ DoS

Từ Viết Tắt

Department Of Transportation Bộ phận vận chuyển DOT

Dynamic Power-Saving Mechanism Cơ chế tiết kiệm băng tần động DPSM

Data-Sending Gửi dữ liệu DS

Destination Sequence Distance Vector Vec tơ khoảng cách chuỗi đích DSDV

Dynamic Source Routing Định tuyến nguồn động DSR

DSRC Dedicated Short Range Communication Thông tin khoảng ngắn dành riêng

Europe Council Hội đồng châu Âu EC

Elliptic Curve Diffe-Hellman ECDH

Electronic Road Project 2 Dự án đường điện tử ERP2

Europe Union Liên minh châu Âu EU

Floor Acquisition Multiple Access Đa truy nhập giữ nền FAMA

FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số

FHSS Frequency Hopping Spectrum Spread Trải phổ nhẩy tần

Frequency Shift Key Khóa chuyển tần FSK

Fishey State Routing Định tuyến trạng thái Fishey FSR

GAMA-PS Group Allocation Multiple Access with Packet Sensing Đa truy nhập phân bổ nhóm với cảm nhận gói

Gray Hole Lỗ xám GH

General Intrusion Detection Protocol GIDP Giao thức phát hiện xâm nhập tổng quát

Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu GPS

Từ Viết Tắt

H&O Hypercube and Octopus

HARD-KM Hop-by-Hop Authentication Routing- driven Dynamic Key Management Quản lý động hướng dẫn bằng định tuyến xác thực theo từng chặng

HMAC Hash Message Authentication Code Mã xác thực bản tin băm

HRMA Hop-Reservation Multiple Access Đa truy nhập phân chia đặt trước chặng

IBC-K Identity-Based Public Key Khóa công cộng dựa trên nhận dạng

ID Identification Nhận dạng

IDS Intrusion Detection System Hệ thống phát hiện xâm nhập

IETF Internet Engineering Task Force Nhóm làm việc về internet

IFS Interframe Spacing Slot Khe giữa các khung

IKA Initial Key Agreement Thỏa thuận khóa ban đầu

ING Ingemarsson, Tang and Wong

IP Internet Protocol Giao thức internet

IrDA Infrared Data Association Liên kết sẽ liệu hồng ngoại

ISM Industrial, Scientific and Medical band Băng tần tự do

ISO International Standard Organization Hệ thống tiêu chuẩn quốc tế

ISP Internet Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ internet

ITS Intelligent Transport System Hệ thống giao vận thông minh

ITU International Telecomunication Union Liên minh viễn thông quốc tế

KBID Knowledge-Based Intrusion Detection Phát hiện xâm nhập dựa trên

xii

Từ Viết Tắt

thông tin có trước

LAN Local Area Network Mạng nội hạt

LKH Logical Key Hierarchy Phân cấp khóa logic

LSU Link State Update Cập nhật trạng thái liên kết

LZRW3 Lempel-Ziv Ross Williams

MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trường

MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập môi trường

MAC Message Authentication Code Mã xác thực bản tin

MACA Multiple Access Collision Avoidance Tránh xung đột đa truy nhập

MACAW MACA for Wireless LANs

MANET Mobile Ad hoc Network Mạng Ad hoc di động

MAODV Multicast Ad hoc On-demand Distance Vector Vec tơ khoảng cách theo yêu cầu cho mạng Ad hoc phát multicast

MIM Man In the Middle Ở giữa hai bên

MMAC Multichannel Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trường đa kênh

MOB Mobility-Based Key Management Scheme Mô hình quản lý khóa dựa trên tính di dộng

MOCA MObile Certificate Authority Nhà quản lý chứng nhận di động

MPR Multi-Point Relay Chuyển tiếp đa điểm

MSAODV Modified Secure Ad hoc On-demand Vec tơ khoảng cách theo yêu cầu cho mạng Ad hoc đảm bảo

xiii

Từ Viết Tắt

Distance Vector an ninh đã được chỉnh sửa

NAV Network Allocation Vector Vec tơ phân bổ mạng

NCM Network Characteristic Matrix Ma trận đặc tính mạng

OBU On-Board Unit Đơn vị trên bảng mạch

ODMRP On-Demand Multicast Routing Protocol Giao thức định tuyến multicast theo yêu cầu

OLSR Optimized Link State Routing Định tuyến trạng thái liên kết tối ưu

OSI Open System Interconnection Hệ thống tham chiếu mở

PAMAS Power-Aware Medium Access Control with Signaling Điều khiển truy nhập môi trường có cảm nhận năng lượng với báo hiệu

PAN Personal Area Network Mạng cỡ cá nhân

PCI Peripheral Component Interconnect Liên kết nối thành phần ngoại vi

PCM Power-Control Medium Access Control Điều khiển đa truy nhập theo năng lượng

PCMA Power-Controlled Multiple Access Đa truy nhập điều khiển bằng năng lượng

PDA Personal Digital Assitant Thiết bị hỗ trợ số

PDR Packet Dropped Rate Tỉ lệ mất gói

PKG Private Key Generator Bộ tạo khóa riêng

PKI Public Key Infrastructure Cơ sở hạ tầng khóa công cộng

PSGK Pre-Shared Group Key Khóa nhóm chia sẻ trước

xiv

Từ Viết Tắt

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

RDP Route Discovery Packet Gói khám phá tuyến

RERR (ERR) Route Error Lỗi tuyến

RREP (REP) Route Reply Trả lời tuyến

RREQ (REQ) Route Request Yêu cầu tuyến

RSA Ron Rivest, Adi Shamir, Len Adleman

RSU RoadSide Unit Đơn vị bên cạnh đường

RSVP Reservation Protocol Giao thức đặt trước

RTS/CTS request-to-send/clear-to-send Yêu cầu gửi/tốt để gửi

SAHODSR Secure Ad hoc On-Demand Source Routing protocol Giao thức định tuyến nguồn theo yêu cầu của mạng ad hoc an ninh

SAODV Secure Ad hoc On-demand Distance Vector Vec to khoảng cách theo yêu cầu của mạng ad hoc an ninh

SBID Specified-Based Intrustion Detection Phát hiện xâm nhập dựa trên xác định

SCK Self-Certified Key Khóa tự xác nhận

SD Sleep Deprivation Chống ngủ

SEAD Secure Efficient Distance Vector Véc tơ khoảng cách hiệu quả an ninh

SEAR Secure Efficient Ad hoc on-demand Routing protocol Giao thức định tuyến theo yêu cầu của mạng ad hoc hiệu quả an toàn

SEKM Secure and Efficient Key Management Quản lý khóa hiệu quả và an

Từ Viết Tắt

toàn

SHA1 Secure Hash Algorithm 1 Thuật toán hàm băm an toàn

S-HEAL Self-Healing Session Key Distribution Phân bổ khóa phiên tự sửa chữa

SKiMPy Symmetric Key Management Protocol Giao thức quản lý khóa đối xứng

SLSP Secure Link State routing Protocol Giao thức định tuyến trạng thái đường an toàn

SMOCK Scalable Method of Cryptographic Key Phương thức linh hoạt của khóa bảo mật

SMTP Secure Message Transmission Protocol Giao thức truyền tài bản tin bảo mật

SRM Secure Route Maintenance Bảo dưỡng tuyến an toàn

SRP Secure Routing Protocol Giao thức định tuyến an toàn

SSID Service Set Identification Nhận dạng nhóm dịch vụ

SSR Signal Stability Routing Định tuyến ổn định tín hiệu

SWAP Shared Wireless Access Point Điểm truy nhập vô tuyến chia sẻ

TBRPF Topology dissemination Based on Reserve Path Forwarding Chuyển tiếp đường đặt trước dựa trên thông tin cấu hình mạng

TBTTs Target Beacon Transmission Times Thời gian phát đèn hiệu đích

TCP Transport Control Protocol Giao thức điều khiển truyền tải

TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian

TESLA Timed Efficient Stream Loss-tolerant Nhận thực có lỗi trên luồng

xvi

Từ Viết Tắt

Authentication hiệu quả được định thời

TORA Temporally Ordered Routing Algorithm Giao thức định tuyến được đặt tạm thời

TSF Timing Synchronization Function Chức năng đồng bộ thời gian

TTL Time To Live Thời gian sống

UBIQ Ubiquitous Security Support Hỗ trợ an ninh mọi nơi

USOR Unobservable Secure On-demand Routing protocol Giao thức định tuyến theo yêu cầu an toàn không quan trắc

V2I Vehical to Infrastructure Từ phương tiện đến cơ sở hạ tầng

V2V Vehical to Vehical Từ phương tiện đến phương tiện

VANET Vehicular Ad hoc NETwork Mạng ad hoc cho phương tiện giao thông

VLSI Very Large-Scale Integration circuit Mạch tích hợp kích cỡ lớn

WAN Wide Area Network Mạng diện rộng

Wi-Fi Wireless Fidelity Độ trung thực vô tuyến

WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access Hệ thống tương thích toàn cầu cho truy nhập vô tuyến

WLAN Wireless Local Area Network Mạng cụ bộ vô tuyến

WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến vô tuyến

Z-H Zhou and Haas

ZRP Zone-based Routing Protocol Giao thức định tuyến dựa theo vùng

xvii

Từ Viết Tắt

xviii

Chương 1: Tổng quan mạng Ad hoc không dây

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN MẠNG AD HOC KHÔNG DÂY

Nguyễn Việt Hùng

1.1. Định nghĩa và khái niệm về mạng Ad hoc

1.1.1. Mạng Ad hoc là gì

Một mạng ad hoc là một tập các nút (thiết bị) di động không dây tạo thành một mạng tạm thời, và mạng này không cần sử dụng bất kì hạ tầng mạng hay hệ thống quản lý tập trung nào. Các nút có thể tự do di chuyển ngẫu nhiên và có khả năng tự tổ chức. Điều này làm cho topo không dây của mạng ad hoc có thể thay đổi nhanh chóng và không thể đoán trước được. Mạng ad hoc là mạng có thể hoạt động trong một mô hình độc lập hoặc có thể được kết nối với tới mạng Internet. Tính đa chặng, tính di động và việc kích thước mạng lớn kết hợp với sự không đồng nhất về mặt thiết bị, băng thông và năng lượng pin khiến cho việc thiết kế một giao thức định tuyến đầy đủ cho mạng ad hoc là một thử thách không hề nhỏ. Trên Hình 1.1 cho ta một ví dụ về hai nút mong muốn trao đổi các gói dữ liệu với nhau, việc trao đổi thông tin này có thể không được thực hiện trực tiếp mà phải thông qua những nút trung gian.

Hình 1.1: Mạng di động ad hoc

Mạng ad hoc

Những người dùng di động sẽ muốn truyền thông trong các tình huống mà trong đó không hạ tầng mạng có dây cố định nào là có sẵn. Ví dụ, một nhóm các nhà nghiên cứu trên đường tới một hội nghị có thể gặp tại sân bay và yêu cầu kết nối tới mạng diện rộng, các sinh viên có thể cần tương tác trong suốt bài giảng hay những nhân viên cứu hỏa cần kết nối tới xe cứu thương trên đường tới một trường hợp khẩn cấp. Trong các tình huống đó, một tập các nút di động với các giao diện mạng không dây có thể tạo thành một mạng tạm thời mà không cần sự trợ giúp của bất kỳ hạ tầng được thiết lập hay quản lý tập trung nào. Ý tưởng hình thành một mạng giữa các nhà nghiên cứu, giữa sinh viên hay giữa các thành viên của một đội cứu hộ, những người mà có thể dễ dàng được trang bị với các thiết bị có khả năng kết nối với

Chương 1: Tổng quan mạng Ad hoc không dây

nhau, là khả thi. Các mạng như vậy nhận được sự quan tâm đáng kể trong những năm gần đây ở cả khía cạnh thương mại và ứng dụng quân sự do những thuộc tính hấp dẫn của việc xây dựng một mạng không dây và không đòi hỏi bất kỳ hạ tầng được lên kế hoạch trước cũng như trạm gốc hay trạm điều khiển trung tâm.

1.1.2. Sự khác nhau giữa mạng di động và mạng Ad hoc

Bảng 1.1: Sự khác nhau giữa mạng di động và mạng ad hoc

Bảng 1.1 đưa ra những sự khác nhau chính giữa mạng di động và mạng ad hoc trên những góc nhìn liên quan đến kiến trúc mạng, chất lượng kết nối, cơ chế hoạt động và chi phí về thời gian và giá cả để xây dựng và lắp đặt mạng.

Mạng di động Mạng ad hoc

Cơ sở hạ tầng mạng cố định, topo Cơ sở hạ tầng mạng không cố định,

mạng backbone cố định, trạm gốc cố định.

không có trạm gốc và triển khai nhanh chóng, topo mạng thay đổi liên tục với nhiều chặng.

Các kết nối ổn định hơn Kết nối kém ổn định hơn

Phải có kế hoạch chi tiết trước khi Mạng ad hoc tự hình thành và thích

trạm gốc có thể được lắp đặt. nghi với thay đổi.

Chi phí lắp đặt lớn. Chi phí hiệu quả.

Tốn nhiều thời gian lắp đặt. Tốn ít thời gian lắp đặt.

1.2. Một số công nghệ không dây cho Ad hoc

Thiết lập truyền thông giữa các thiết bị khác nhau trong mạng giúp cho việc cung cấp các dịch vụ sáng tạo và độc đáo trở nên dễ dàng hơn, mặc dù công việc này có thể đòi hỏi những kỹ thuật phức tạp và khiến cho hệ thống kém linh hoạt. Bên cạnh đó, khi tồn tại nhiều chuẩn cho việc kết nối như hiện nay, thì mỗi thiết bị phải hỗ trợ nhiều chuẩn hơn để giúp cho việc tương thích với các thiết bị khác. Lấy ví dụ về việc thiết lập truyền thông trong một mạng trong văn phòng. Toàn bộ tòa nhà văn phòng phải cung cấp số cáp có chiều dài nhiều km thông qua các ống dẫn trong tường, dưới sàn và trên trần nhà để đi tới các bàn làm việc, nơi đặt các máy tính để bàn và laptop. Nếu như công tác thiết kế và triển khai không hiệu quả, thì việc gặp rắc rối trong quản lí và sử dụng mạng này là điều đương nhiên sẽ gặp khi phải đối mặt với một số lượng lớn dây dùng để kết nối hàng trăm thiết bị như thế.

Để giảm bớt chi phí và mong muốn tạo ra một môi trường thuận tiện hơn, một vài năm trước đây, nhiều chuẩn và các công nghệ kết nối không dây đã được nghiên cứu triển khai. Các công nghệ này cho phép người dùng kết nối một phạm vi rộng các thiết bị tính toán và truyền thông một cách dễ dàng hơn, đơn giản hơn mà không cần mua, lắp đặt hay kết nối

Chương 1: Tổng quan mạng Ad hoc không dây

hàng km cáp. Thêm vào đó, các công nghệ này mang tới cơ hội cho các kết nối Ad hoc nhanh chóng và khả năng kết nối tự động giữa các thiết bị. Chúng sẽ loại bỏ sự cần thiết của cáp kết nối giữa các thiết bị cá nhân, do đó thiết lập khả năng sử dụng dữ liệu di động trong nhiều ứng dụng khác nhau. Các mạng nội bộ sử dụng dây (LAN) đã từng rất thành công trong một vài năm trước đây và bây giờ, với sự hỗ trợ của các công nghệ kết nối không dây này, mạng nội bộ không dây (WLAN) bắt đầu nổi lên như một sự thay thế linh hoạt và mạnh mẽ. Tốc độ của WLAN bị hạn chế vào khoảng 2Mbps trong những giai đoạn đầu nhưng với sự xuất hiện của các chuẩn mới thì tốc độ này hiện tại đã có thể hỗ trợ hàng Gbps với những chuẩn gần đây như IEEE 802.11ac và IEEE 802.11ad.

Nhìn chung, có khá nhiều các chuẩn và công nghệ dành cho mạng không dây nhưng đáng chú ý hơn cả là Bluetooth, IrDA, SWAP HomeRF, và đặc biệt là nhóm chuẩn IEEE 802.11. Các công nghệ này cạnh tranh trên một số khía cạnh ứng dụng và đôi khi, bổ sung cho nhau. Bởi vậy, với việc thực tế có quá nhiều công nghệ tồn tại thì công nghệ nào là tốt nhất và giải pháp nào nên được lựa chọn cho một ứng dụng cụ thể? Để có thể giải quyết được vấn đề này thì ta cần nhìn vào những điểm mạnh, điểm yếu và phạm vi ứng dụng của mỗi công nghệ cũng như mỗi chuẩn đem lại.

Tiền đề đằng sau tất cả các chuẩn này là sử dụng một số công nghệ vô tuyến cơ sở nhằm phục vụ cho việc truyền dẫn không dây của dữ liệu, cung cấp những hỗ trợ cho sự hình thành của các mạng và công việc quản lý các thiết bị khác nhau bằng các phần mềm cao cấp. Tuy nhiên, phải ghi nhớ rằng, tính khả thi của một công nghệ phụ thuộc vào khả năng ứng dụng và tất nhiên là cả chi phí của nó nữa.

1.2.1. Công nghệ Bluetooth

Bluetooth là một công nghệ kết nối không dây trong phạm vi ngắn, công suất thấp, được thiết kế để kết nối các máy điện thoại, máy tính laptop, các thiết bị hỗ trợ số cá nhân PDA và các thiết bị cầm tay khác với ít hoặc không cần sự can thiệp của người dùng. Không giống như sóng hồng ngoại, Bluetooth không yêu cầu vị trí nằm trong tầm nhìn trực tiếp của các thiết bị kết nối. Công nghệ này sử dụng những thay đổi của các kỹ thuật WLAN trước đó, nhưng đáng chú ý nhất là kích thước nhỏ và chi phí thấp của nó. Bất kỳ nơi nào có thiết bị được hỗ trợ Bluetooth trong phạm vi của chúng, chúng sẽ ngay lập tức truyền dẫn thông tin và thiết lập các mạng nhỏ giữa các thiết bị khác nhau mà không cần sự can thiệp của người dùng.

Bluetooth là một chuẩn công nghệ không dây phục vụ cho việc trao đổi dữ liệu qua khoảng cách ngắn từ các thiết bị cố định và di động, thiết lập các mạng nội bộ cá nhân (PAN) với mức an ninh cao. Được thiết kế bởi nhà cung cấp dịch vụ viễn thông Ericsson vào năm 1994, Bluetooth được đặt theo tên của vua Harald Blat (trong tiếng Anh có nghĩa là vua Harold Bluetooth), người cai trị vương quốc Đan Mạch trong thế kỷ 10 sau công nguyên. Nhưng tới năm 1998, Bluetooth mới được giới thiệu lần đầu tiên và ban đầu nó được cho là một sự thay thế cho các cáp dữ liệu RS-232. Bên cạnh đó, nó có thể kết nối vài thiết bị và khắc phục các vấn đề đồng bộ. Hiện nay, Bluetooth được phát triển bởi SIG.

Chương 1: Tổng quan mạng Ad hoc không dây

Với Bluetooth, tại bất kỳ thời điểm nào, dữ liệu có thể được truyền giữa thiết bị chủ và một thiết bị khác. Thiết bị chủ có quyền lựa chọn thiết bị mà mình sẽ kết nối, sau đó, nó có thể chuyển nhanh chóng từ một thiết bị này sang một thiết bị khác theo quy tắc lựa chọn xoay vòng round-robin. Thiết bị chủ có vai trò trung tâm, nó có thể kết nối 7 thiết bị khách cùng một lúc, trong khi các thiết bị khách chỉ có thể có một thiết bị chủ và chúng cũng chỉ có thể lắng nghe trong mỗi khe thời gian nhận.

Các đặc điểm của công nghệ Bluetooth được trình bày tóm tắt dưới đây:

 Hoạt động ở băng ISM 2.56GHz, băng tần này có sẵn trên phạm vi toàn cầu

mà không cần phải đăng kí.

 Sử dụng kỹ thuật trải phổ nhảy tần FHSS.

 Có thể hỗ trợ tới 8 thiết bị trong một mạng nhỏ (piconet) và tối đa 10 piconet

trong một vùng phủ sóng.

 Truyền dẫn đa hướng và không cần trong tầm nhìn thẳng.

 Phạm vi kết nối 10-100m.

 Chi phí thấp.

 Công suất 1mW.

 Phạm vi mở rộng với bộ khuếch đại công suất mở rộng là 100m.

1.2.2. Công nghệ IrDA

IrDA là một tổ chức quốc tế có nhiệm vụ thiết lập và quảng bá các chuẩn kết nối dữ liệu hồng ngoại chi phí thấp và tương thích với nhau. IrDA có một tập các giao thức trải khắp các lớp trong mô hình truyền tải dữ liệu và thêm nữa nó có một số thiết kế quản lý và tương tác. Trong các giao thức IrDA, IrDA DATA đóng vai trò là phương tiện cho việc chuyển phát dữ liệu và IrDA CONTROL dành cho việc gửi thông tin điều khiển. Nói chung, IrDA được sử dụng để cung cấp các công nghệ kết nối không dây cho các thiết bị mà thông thường chúng vẫn sử dụng cáp để kết nối. IrDA là một chuẩn truyền dẫn dữ liệu sử dụng cho mạng Ad hoc, góc hẹp 300, điểm - điểm, được thiết kế để hoạt động trong phạm vi khoảng 0-1m tại tốc độ 9600 bps – 16 Mbps.

Các đặc điểm của IrDA được trình bày tóm tắt dưới đây:

 Phạm vi sử dụng từ 0-1m và có thể mở rộng tới 2m, phiên bản công suất thấp có thể kéo giãn tầm hoạt động ít nhất là 20cm giữa các thiết bị công suất thấp và 30cm giữa các thiết bị công suất tiêu chuẩn và công suất thấp. Việc này có thể làm cho việc tiêu thụ công suất thấp hơn 10 lần.

 Truyền thông song hướng là cơ sở của mọi đặc tả kỹ thuật.

 Truyền dẫn dữ liệu với các tốc độ 9600 bps, 115 kbps và 4 Mbps.

Chương 1: Tổng quan mạng Ad hoc không dây

 Các gói dữ liệu được bảo vệ sử dụng mã kiểm tra vòng CRC (CRC-16 cho tốc

độ lên tới 1.152 Mbps và CRC-32 tại 4Mbps).

1.2.2.1. So sánh Bluetooth và IrDA

Cả Bluetooth và IrDA, mỗi công nghệ đều có những lợi thế, bất lợi khác nhau, và không công nghệ nào đáp ứng được hết các yêu cầu của người dùng. Khả năng của Bluetooth là có thể xâm nhập qua các vật thể rắn và hỗ trợ di động tối đa trong mạng pic (piconet) và cho phép các ứng dụng trao đổi dữ liệu, trong khi đó việc mà rất khó thực hiện được trong IrDA. Ví dụ, với Bluetooth, một người có thể đồng bộ điện thoại của mình với một máy tính PC mà không cần bỏ điện thoại ra khỏi túi, trong khi đó thì điều này là không thể đối với IrDA. Khả năng đa hướng của Bluetooth cho phép việc đồng bộ được bắt đầu ngay khi điện thoại di chuyển vào trong phạm vi của máy tính PC.

Tuy nhiên với các ứng dụng liên quan tới việc trao đổi dữ liệu một – một, IrDA lại có lợi thế hơn. Ta hãy xét một ví dụ mà trong đó có nhiều người ngồi trong cùng một bàn ở hội nghị. Các thẻ điện tử có thể được trao đổi giữa hai người bằng cách chỉ định các thiết bị IrDA tới mỗi người khác (vì IrDA là môi trường định hướng). Đối lập với nó, vì Bluetooth là đa hướng trong môi trường, nên các thiết bị Bluetooth sẽ phát hiện tất cả các thiết bị tương tự trong phòng và người dùng phải chọn người nào mình có ý định kết nối. Xét về mặt an ninh, các thiết bị Bluetooth cung cấp các cơ chế an ninh tốt hơn, điều này không có trong IrDA. Tuy nhiên, với phạm vị kết nối hẹp của IrDA, mặc dù cung cấp mức an ninh thấp hơn nhưng IrDA vẫn đánh bại Bluetooth trên phương diện chi phí. Chuẩn Bluetooth định nghĩa các hoạt động tại lớp 1 và 2 của mô hình tham chiếu hệ thống mở OSI.

1.2.3. Công nghệ SWAP HomeRF

HomeRF là một nhóm làm việc của ITU và có nhiệm vụ chính là phát triển một chuẩn cho việc truyền thông dữ liệu và thoại tại tần số vô tuyến với chi phí thấp. Nhóm này cũng đã cũng phát triển giao thức truy nhập không dây chia sẻ (SWAP). SWAP là một đặc tả kỹ thuật công nghiệp cho phép các PC, thiết bị ngoại vi, điện thoại không dây và các thiết bị khác truyền thông thoại và trao đổi dữ liệu mà không cần sử dụng cáp. SWAP tương tự như giao thức CSMA/CA của IEEE 802.11 nhưng mở rộng với lưu lượng thoại.

Hệ thống SWAP hoạt động vừa là một mạng Ad hoc vừa là một mạng hạ tầng dưới sự điều khiển của một điểm kết nối. Trong một mạng Ad hoc, tất cả các trạm đều có vai trò ngang nhau, điểm điều khiển được phân bố giữa các trạm và chỉ hỗ trợ cho dữ liệu. Trong một mạng hạ tầng, một điểm kết nối là cần thiết để phối hợp hệ thống mà nó cung cấp cổng ra ví dụ như trong mạng điện thoại chuyển mạch công cộng (PSTN). Các chức năng của SWAP không bị ảnh hưởng bởi các bức tường chắn hay sàn nhà. Bên cạnh đó, một số cơ chế an ninh cũng được cung cấp thông qua việc sử dụng một nhận dạng mạng duy nhất. Hệ thống này mạnh mẽ và đáng tin cậy, có thể tối thiểu hóa tác động của nhiễu vô tuyến.

Các đặc điểm của HomeRF được trình bày tóm tắt dưới đây:

Chương 1: Tổng quan mạng Ad hoc không dây

 Hoạt động ở dải tần 2.45GHz của băng ISM.

 Phạm vi ứng dụng 150 feet (khoảng 45 m).

 Sử dụng nhảy tần 50 chặng/giây.

 Hỗ trợ cả 2 kiểu đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) để cung cấp chuyển phát thoại tương tác và đa truy nhập cảm biến sóng mang (CSMA/CA) cho chuyển phát các gói dữ liệu tốc độ cao.

 Khả năng hỗ trợ tối đa 127 nút.

 Công suất truyền dẫn 100mW.

 Tốc độ dữ liệu: 1 Mbps sử dụng điều chế khóa dịch tần số 2-FSK và 2 Mbps sử

dụng điều chế 4-FSK.

 Kết nối thoại cho phép cung cấp tối đa 6 kết nối song công.

 Cơ chế an ninh đảm bảo trên cơ sở sử dụng thuật toán mật mã blowfish1 (trên

1 tỉ mã).

 Phương pháp nén dữ liệu được thực hiện bằng thuật toán LZRW3.

1.2.3.1. So sánh Bluetooth và SWAP

Hiện tại, SWAP có một nền tảng cài đặt lớn hơn so với Bluetooth, nhưng mọi người đều tin rằng Bluetooth cuối cùng sẽ thắng thế, như chúng ta cũng đang thấy trên thị trường điện thoại thông minh hiện nay. Bluetooth là một công nghệ kết nối không dây với mục đích cung cấp các kết nối phạm vi ngắn giữa các thiết bị di động và từ các thiết bị này tới Internet thông qua các cầu nối hay tới các mạng khác (có dây và không dây), tới nơi cung cấp khả năng truy nhập Internet.

1 Blowfish là một mã khối khóa đối xứng, được thiết kế bởi Bruce Schneiner vào năm 1993. Kích thước khóa trong Blowfish là 32-448 bit, kích thước khối 64 bit. (theo https://www.schneier.com/blowfish.html)

Trong khi đó, SWAP là một công nghệ không dây được tối ưu hóa cho môi trường mạng trong nhà. Ứng dụng chính của nó là cung cấp kết nối mạng dữ liệu giữa các thiết bị như PC, điện thoại không dây, tablet và modem thuê bao số (DSL) hay modem cáp băng rộng. Cả hai công nghệ này đều chia sẻ phổ tần số giống nhau nhưng không gây nhiễu cho nhau khi hoạt động trong cùng một vùng không gian. Khi so sánh với IrDA, SWAP gần hơn với Bluetooth trong và ngoài phạm vi của nó, vì thế, giữa Bluetooth và IrDA có nhiều điểm khác nhau hơn là với SWAP. Những so sánh này được liệt kê trong Bảng 1.2.

Chương 1: Tổng quan mạng Ad hoc không dây

1.2.4. Họ công nghệ IEEE 802.11-WiFi

Công nghệ IEEE 802.11 là cơ sở để tạo nên một mạng không dây điển hình bao gồm một điểm truy cập AP cung cấp sóng vô tuyến được sử dụng bởi mỗi thuê bao (hay thiết bị truy cập có hỗ trợ chuẩn kết nối này). Điểm truy cập AP là một nơi tập trung cung cấp dịch vụ kết nối cho khoảng 1-100 thuê bao hay thiết bị. Nhiều AP có thể được yêu cầu trong các khu vực địa lý rộng hay để phục vụ nhiều người dùng hơn. Một AP có thể kết nối tới các AP khác hay kết nối trực tiếp tới mạng mà từ đó có thể ra được Internet. AP thường được đặt trong một vị trí trung tâm của một nhóm thuê bao và của một nhóm các AP khác hay với một kết nối mạng tới một điểm hiện diện PoP.

AP quản lý lưu lượng thông tin giữa các thuê bao và tới các thực thể khác trong mạng. Nó quảng bá một ID hay dịch vụ mạng (SSID) được hiểu là tên mạng và xử lý các chức năng an ninh giới hạn truy cập. Khi một thuê bao kết nối tới mạng không dây công cộng, sóng vô tuyến của thuê bao đó được cấu hình để sử dụng SSID của AP và các thông số an ninh liên quan. Sóng vô tuyến của thuê bao sau đó thiết lập một kết nối tới mạng không dây và một liên kết trao đổi dữ liệu được hình thành.

Một hệ thống máy tính được kết nối tới một thiết bị không dây sử dụng một cáp Ethernet. Thông tin được gửi từ máy tính này (hay các máy tính khác trong cùng một mạng Ethernet) được chuyển phát tới thiết bị không dây theo cơ chế sau:

 Máy phát gửi tín hiệu vô tuyến với thông tin tới một anten.

 Anten giữ tín hiệu vô tuyến và định hướng chúng vào trong môi trường không

gian rồi tới một vị trí vật lý cụ thể.

 Máy thu nghe thấy tín hiệu vô tuyến bằng cách sử dụng anten của nó và

chuyển đổi chúng thành định dạng mà máy tính có thể hiểu và sử dụng.

 Một khi tín hiệu vô tuyến rời anten phát, nó di chuyển qua không gian và được nhận bởi anten thu. Vì tín hiệu di chuyển qua không gian, nó có thể suy giảm và cuối cùng mất năng lượng cần thiết để để máy thu có thể thu được chính xác.

Các mạng không dây có thể ở nhiều dạng khác nhau như phát thanh VHF, phát thanh FM-AM, mạng điện thoại di động tế bào và vô tuyến quảng bá cell (CB), nhưng chúng có những mục đích cụ thể (trước đây thường là mục đích trao đổi thông tin thoại, hiện nay trao đổi dữ liệu ngày càng chiếm đa số). Dữ liệu được trao đổi có thể là thoại, số liệu cho kết nối Internet hay bất kỳ kiểu thông tin nào.

Có nhiều công nghệ không dây phù hợp cho mạng dữ liệu. Khi khái niệm sử dụng các tín hiệu vô tuyến để kết nối các máy tính khác nhau trong một tòa nhà được giới thiệu, IEEE đã thành lập một ủy ban để thiết lập các chuẩn cho công nghệ. Ủy ban này được gọi là IEEE 802.11 và các chuẩn khác nhau mà họ phát triển được biết tới như là 802.11a, 802.11b,

Chương 1: Tổng quan mạng Ad hoc không dây

802.11g, 802.11n, 802.11ac và 802.11ad. Nhóm các chuẩn này sau khi được thương mại hóa thì cũng được xem như là chuẩn cho công nghệ Wi-Fi. Cùng với sự phát triển này, công nghệ Wi-Fi nhanh chóng trở nên phổ biến và chi phí cho các thiết bị Wi-Fi cũng giảm đáng kể theo thời gian. Nhiều tổ chức và các nhà cung cấp dịch vụ Internet (ISP) đã bắt đầu với Wi-Fi.

Wi-Fi là một công nghệ không dây phổ biến được sử dụng bởi các hộ gia đình, công ty nhỏ và các ISP mới. Các thiết bị Wi-Fi luôn sẵn có ở các cửa hàng máy tính và các thiết bị Wi-Fi nâng cao thì được thiết kế cho các ISP.

Các lợi ích có thể kể tới của Wi-Fi như sau:

 Phổ biến và độc lập với các nhà cung cấp; bất kì thiết bị Wi-Fi nào cũng sẽ làm việc với thiết bị Wi-Fi khác mà không cần quan tâm tới nhà sản suất của chúng.

 Giá thành hợp lý.

 Có thể để mở rộng phạm vi và hiệu năng của một mạng Wi-Fi.

Các bất lợi của Wi-Fi:

 Được thiết kế cho LAN, không cho WAN

 Sử dụng kỹ thuật CSMA. Trong đó, chỉ duy nhất một trạm không dây có thể “nói chuyện” tại một thời điểm, có nghĩa là một người dùng có thể chiếm toàn bộ tài nguyên của mạng. Mọi ứng dụng như là hội nghị video, VoIP và đa phương tiện có thể làm sập mạng.

Những so sánh của các công nghệ mạng kể trên, được trình bày trong Bảng 1.2 dưới

Bảng 1.2: So sánh giữa các công nghệ không dây

đây:

Phạm vi Chi phí Hỗ trợ thoại Hỗ trợ dữ

Tốc độ dữ liệu đỉnh liệu liên quan

2 Mpbs 50 m Trung bình TCP/IP IP

IEEE 802.11

16 Mpbs <2 m Thấp PPP IP IrDA

1 Mpbs <10 m Trung bình PPP Bluetooth

IP và mạng cellular

1.6 Mpbs 50 m Trung bình IP và PSTN TCP/IP

SWAP HomeRF

Chương 1: Tổng quan mạng Ad hoc không dây

1.2.5. Họ công nghệ IEEE 802.16-WiMAX

WiMAX được phát triển từ nền tảng chuẩn 802.16 vào năm 1999, cho tới năm 2003, thì WiMAX forum mới được thành lập nhằm phát triển và quảng bá công nghệ truy nhập băng rộng này. Nó là một sự mở rộng của Wi-Fi, được thiết kế đặc biệt dành riêng cho phân bố và di động chặng cuối (last-mile). WiMAX cung cấp tốc độ cao hơn 30Mbps. Phạm vi phủ sóng trung bình từ 5 km tới 10 km.

WiMAX di động là một công nghệ truy nhập băng rộng tốc độ cao, cho phép các ứng dụng truy cập Internet với chi phí thấp. Nó là sự hội tụ của truy nhập băng rộng cố định và di động trong một kiến trúc mạng và giao diện vô tuyến duy nhất. WiMAX kết hợp OFDMA và MIMO cùng với băng thông linh hoạt và khả năng thích ứng nhanh, tạo ra một giao diện vô tuyến hiệu quả. Các mạng WiMAX được xây dựng hoàn toàn trên kiến trúc mạng IP, có thể hỗ trợ nhiều mô hình dịch vụ và ứng dụng khác nhau. Cùng với xu hướng chung hội tụ các mạng BAN, PAN, LAN, MAN, WAN, WiMAX đã có những chuyển đổi để tương thích với 4G-LTE.

1.2.6. Công nghệ 4G-LTE

1.2.6.1. Tiến trình phát triển của hệ thống di động trước LTE.

Vào năm 1946, Ủy ban Truyền thông Liên bang Mỹ (FCC) đã phê duyệt dịch vụ thương mại đầu tiên của hệ thống thoại, được cung cấp bởi tập đoàn AT&T. Năm 1947, AT&T giới thiệu khái niệm di động: tái sử dụng tần số vô tuyến - khái niệm này đã trở thành nền tảng cho tất cả các hệ thống thông tin di động tiếp theo. Các hệ thống tương tự được điều hành bởi một số công ty điện thoại độc quyền và các nhà khai thác mạng hữu tuyến trong suốt những năm 1950 và 1960, sử dụng thiết bị cồng kềnh, luôn thiếu nguồn cung cấp về năng lượng và cung cấp dịch vụ cho một số lượng rất hạn chế của người sử dụng.

Như một tất yếu các hệ thống thông tin di động quốc tế đầu tiên ra đời vào đầu những năm 1980; nổi tiếng nhất là NMT bắt đầu từ các nước Bắc Âu, AMPS ở Bắc Mỹ, TACS ở châu Âu và J-TACS tại Nhật Bản. Thiết bị cồng kềnh, bo mạch là chủ yếu, chất lượng âm thanh thường không đáp ứng được cuộc gọi là những vấn đề phổ biến. Các hệ thống di động thế hệ đầu tiên là hệ thống tương tự hỗ trợ POTS-“plain old telephony services” có nghĩa là, dịch vụ thoại với một số dịch vụ bổ sung liên quan.

Hình 1.2: Tiến trình phát triển của hệ thống thông tin di động

Chương 1: Tổng quan mạng Ad hoc không dây

Công nghệ kỹ thuật số phát triển đã đưa đến việc nâng cao năng lực của hệ thống, cung cấp một chất lượng nhất quán hơn của dịch vụ để phát triển các thiết bị hấp dẫn hơn nhiều và di động thực sự.

Tại châu Âu vào giữa những năm 1980, khi GSM đang được triển khai rộng khắp thì dự án phát triển một hệ thống điện thoại di động đã được khởi xướng ở châu Âu bởi CEPT (Hội nghị các nhà quản lý về Bưu Chính viễn thông Châu Âu, gồm nhà quản lý viễn thông từ 48 nước) và sau đó tiếp tục trong Viện tiêu chuẩn Viễn thông châu Âu (ETSI). Các tiêu chuẩn GSM dựa trên TDMA, cũng như các tiêu chuẩn của Mỹ-TDMA và tiêu chuẩn PDC Nhật Bản đã được giới thiệu các khung thời gian tương tự nhau. Một phần sau sự phát triển của tiêu chuẩn CDMA được gọi là IS-95 được hoàn thành tại Mỹ trong năm 1993.

Thế hệ thứ hai thông tin di động kỹ thuật số đã đưa đến cơ hội cung cấp dịch vụ dữ liệu qua mạng điện thoại di động. Các dịch vụ dữ liệu chính được giới thiệu trong 2G là tin nhắn văn bản (SMS) và các dịch vụ dữ liệu chuyển mạch cho phép email và các ứng dụng dữ liệu khác, trước hết ở một tốc độ dữ liệu tối đa khiêm tốn 9,6 kbps. Tốc độ dữ liệu cao hơn đã được giới thiệu sau này trong các hệ thống 2G phát triển bằng cách gán nhiều khe thời gian cho một người dùng và thông qua các chương trình mã hóa sửa đổi. Dữ liệu gói trên hệ thống di động đã trở thành thực tế vào nửa sau những năm 1990, với GPRS giới thiệu trong GSM và dữ liệu gói cũng thêm vào công nghệ di động khác như tiêu chuẩn PDC Nhật Bản. Những công nghệ này thường được gọi là 2.5G, như chỉ ra trên Hình 1.2.

Sự ra đời của 3G và giao diện vô tuyến băng thông cao hơn của UTRA đưa đến cơ hội ra đời cho một loạt các dịch vụ mới mà với 2G và 2.5G mới chỉ là ý tưởng. 3G/UTRA phát triển truy cập vô tuyến ngày nay là xử lý trong 3GPP. Tuy nhiên, những bước đầu tiên cho 3G đã được thực hiện vào đầu những năm 1990, rất lâu trước khi 3GPP được hình thành. GSM là

Chương 1: Tổng quan mạng Ad hoc không dây

một dự án của châu Âu, nhưng nó nhanh chóng thu hút sự quan tâm trên toàn thế giới khi các tiêu chuẩn GSM đã được triển khai ở một số quốc gia ngoài châu Âu. Lợi ích toàn cầu trong kinh tế khiến cho việc mở rộng hơn các sản phẩm về dịch vụ di động trên thị trường. Điều này đã thúc đẩy việc hợp tác quốc tế chặt chẽ hơn xung quanh công nghệ di động 3G so với các thế hệ trước đó.

Hoạt động của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba bắt đầu trong ITU trong những năm 1980, đầu tiên dưới tên gọi hệ thống thông tin di động mặt đất công cộng tương lai (FPLMTS), sau đó thay đổi thành IMT-2000. Hội nghị nhà quản lý vô tuyến WARC-92 xác định tần số 230 MHz phổ tần cho IMT-2000 trên toàn thế giới. Trong số này 230 MHz, 2x 60 MHz được xác định là cặp phổ đối với FDD và 35 MHz là đơn phổ cho TDD, cả hai đều sử dụng trên mặt đất. Một số quang phổ cũng được dành cho các dịch vụ truyền hình vệ tinh.

Song song với việc triển khai rộng rãi và phát triển của các hệ thống di động 2G trong những năm 1990, những nỗ lực đáng kể về nghiên cứu 3G cũng được triển khairộng rãi trên khắp thế giới. Tại châu Âu, một số dự án do EU tài trợ đã phần nàođưa ra khái niệm đa truy nhập, bao gồm thành phần CDMA băng thông rộng là với tiền thân là ETSI vào năm 1996. Ở Nhật Bản, Hiệp hội thương mại và công nghiệp vô tuyến (ARIB) cũng đồng thời xác định 3G công nghệ truyền thông không dây dựa trên CDMA băng thông rộng. Ở Mỹ một khái niệm gọi là WCDMA WIMS đã được phát triển trong ủy ban T1.P1. Hàn Quốc cũng bắt đầu làm việc với WCDMA tại thời điểm này.

Sau những thành công từ việc triển khai 3G vào thực tế, đã có nhiều bước phát triển cả về dịch vụ thoại, cũng như những tiện ích về truyền tin chất lượng cao được áp dụng. Thị trường viễn thông quốc tế không chỉ sôi động mà còn đa dạng và đưa ra nhiều hướng phát triển tiếp theo đầy hứa hẹn. Với việc không ngừng phát triển, các tổ chức nghiên cứu hàng đầu đã dần dần đưa ra ý tưởng về một thế hệ di động tiếp theo, mạng di động thế hệ thứ 4, đặc trưng bởi công nghệ LTE, với những tính năng nổi bật hơn hẳn 3G và khắc phục những hạn chế từ 3G.

Chương 1: Tổng quan mạng Ad hoc không dây

Hình 1.3: Sự tiến hóa của 3GPP

1.2.6.2. Các phiên bản 4G- LTE

Từ năm 2004 sau một vài năm phát triển LTE vẫn đang trong quá trình tập trung vào việc phát triển UTRA. LTE băng thông rộng hay phổ biến hơn được gọi là 4G được phát triển từ dự án đối tác thế hệ thứ ba (3GPP) và được thông qua bởi Viện Tiêu chuẩn Viễn thông châu Âu (ETSI). Trên thực tế, mục đích của dự án LTE là phải tạo ra thông lượng sử dụng trung bình bằng 3-4 lần so với phiên bản 6 HSDPA trong đường xuống (100 Mbps) và 2-3 lần so với mức HSUPA trong đường lên (50 Mbps).

Bảng 1.3 liệt kê các phiên bản mà 3GPP đã đưa ra từ sự ra đời của UMTS, cùng với

Bảng 1.3: Các phiên bản của 3GPP cho UMTS và LTE

các thông tin quan trọng nhất của mỗi bản phát hành.

Phiên bản Phát hành Thông tin chính

Quy định đầu tiên cho các mạng 3G UMTS, tích hợp R99 3/2000 giao diện không dây WCDMA.

Ban đầu gọi là Phiên bản 2000, thêm các đặc tính bao

R4 3/2001 gồm: một mạng lõi toàn IP và giao diện không dây TS-

SCDMA.

6/2002 Giới thiệu đa phương tiện IMS, HSDPA. R5

Tích hợp hoạt động với các mạng Wireless LAN và thêm 3/2005 R6 HSUPA, tăng cường cho IMS.

Chương 1: Tổng quan mạng Ad hoc không dây

Tập trung vào việc giảm trễ, cải thiện QoS và các ứng

R7 12/2007 dụng thời gian thực như VoIP và tập trung cải tiến

HSPA+.

Phiên bản LTE đầu tiên và mạng toàn IP SAE. Giao diện R8 12/2008 vô tuyến mới dựa trên OFMDA, FDE và MIMO.

Cải tiến, tăng cường LTE và SAE, liên kết giữa WiMAX R9 12/2009 và LTE/UMTS.

LTE-A hoàn thành các yêu cầu của 4G IMT-A. Tương R10 3/2011 thích ngược với phiên bản 8.

Cải tiến LTE-A. Liên kết IP tiên tiến giữa các dịch vụ.

R11 9/2012 Liên kết lớp dịch vụ giữa các nhà khai thác quốc tế cũng

như các nhà cung cấp ứng dụng bên thứ ba.

Trong năm 2007, công nghệ truy cập vô tuyến thế hệ thứ ba - EUTRA phát triển từ giai đoạn nghiên cứu khả thi thành dự án với các thông số kỹ thuật đã được phê duyệt. Đến cuối năm 2008, thông số kỹ thuật đã đủ ổn định cho làn phát sóng đầu tiên của thiết bị LTE trong phiên bản 8. Những yếu tố để tổ chức 3GPP đưa ra Phiên bản thứ 8 là:

 Cần phải đảm bảo tính liên tục của khả năng cạnh tranh với hệ thống 3G trong

tương lai;

 Nhu cầu người dùng cao hơn về tốc độ dữ liệu và chất lượng dịch vụ;

 Hệ thống chuyển mạch gói được tối ưu hóa;

 Nhu cầu giảm chi phí;

 Độ phức tạp thấp;

 Tránh phân mảnh không cần thiết đối với các cặp băng thông hay băng thông

đơn đang vận hành

ITU đã đặt ra thuật ngữ IMT-Advanced để xác định hệ thống điện thoại di động có khả năng tiến xa hơn IMT-2000. Để đáp ứng thách thức mới này, các tổ chức đối tác của 3GPP đã đồng ý mở rộng phạm vi của 3GPP để bao gồm cả việc nghiên cứu và phát triển các hệ thống ngoài 3G.

Tuy nhiên, một số lợi ích gia tăng từ việc cải tiến đã được giới thiệu trong phiên bản 9, phiên bản này đã được đóng trong tháng 12 năm 2009. Release 9 được phát triển dựa trên những cái chưa hoàn thiện ở Rel-8 với các công nghệ như:

Chương 1: Tổng quan mạng Ad hoc không dây

 Dịch vụ quảng bá đa phương tiện (MBMS).

 MIMO sử dụng hai lớp beamforming, định vị LTE.

 Hệ thống cảnh báo công cộng (PWS), yêu cầu RF cho BS đa sóng mang.

 Mang đặc điểm kỹ thuật của eNútB (Femto-cell).

 Mạng lưới tự tổ chức (SON).

Tháng 09 năm 2009, các đối tác 3GPP đã đệ trình chính thức cho ITU đề xuất rằng LTE Phiên bản 10 và xa hơn nữa (LTE-Advanced) được đánh giá là một ứng cử viên cho công nghệ IMT-Advanced với các công nghệ chính:

 Phát triển thêm SON

 Các nút thông minh.

 Hỗ trợ cho trễ, phân bổ tài nguyên thích ứng.

 Đa sóng mang.

 Phối hợp beamforming.

 Cho tốc độ 500Mbps với UL.

 1Gbps cho đường xuống DL.

 Băng thông 40MHz.

Release 11 được phát triển từ cuối năm 2012 cho đến đầu năm 2013 là tiêu chuẩn cho HSPA+ và LTE-Advance cải tiến để hỗ trợ chất lượng của các dịch vụ ở mức cao. Đối với HSPA, trên DL sử dụng 8 sóng mang với MIMO 4x4 tỉ lệ thông lượng đạt 336Mbps. UL sử dụng MIMO 2x2 khép kín và mở truyền đa dạng sử dụng điều chế 64QAM cho tốc độ rất cao. Đối với LTE, Rel-11 cung cấp các cải tiến cho LTE-A gồm:

 Tập hợp các sóng mang (CA).

 Dịch vụ quảng bá đa phương tiện (MBMS).

 SON.

 Phối hợp đa điểm (CoMP).

 Tăng cường kênh vật lý điều khiển (EPDCCH).

 Tăng cường phối hợp nhiễu liên ô (FeICIC).

Release 12 được phát triển từ tháng 3/2013 và đã được phát hành trong năm nay

8/2014 với những công nghệ nổi trội như:

 Phối hợp giữa TDD và FDD.

Chương 1: Tổng quan mạng Ad hoc không dây

 Cải tiến MIMO DL/3D MIMO.

 Loại truyền thông chi phí thiết bị thấp.

 Loại sóng mang mới (NCT), phối hợp các cell nhỏ.

 Phát thanh qua 3GPP/WIFI.

 Cải tiến tính di động Hetnet.

Release 13 được phát triển từ tháng 9/2014. Trong tương lại, sự phát triển của Rel-13 với những công nghệ mạnh mẽ được áp dụng vào thực tế đem lại những lợi ích to lớn cho người sử dụng với tốc độ cao và chi phí thấp cho nhà khai thác.

1.2.6.3. Đặc điểm của LTE

LTE là một giải pháp băng thông rộng di động cung cấp một tập hợp tính năng phong phú với sự linh hoạt lớn về các tùy chọn triển khai và dịch vụ cung cấp tiềm năng. Một số tính năng quan trọng và nổi bật như liệt kê trong Bảng 1.4.

Bảng 1.4: Các thông số cơ bản của LTE

Thông số Giá trị

Kỹ thuật truy cập đường lên SC- FDMA

Kỹ thuật truy cập đường xuống OFDMA

1.4, 3, 5, 10, 15, 20 MHz Băng thông

TTI tối thiểu 1ms

Khoảng cách sóng mang phụ 15Khz

Vùng phủ Giống như LTE

Tiền tố chu kỳ ngắn 4.7 µs

Tiền tố chu kỳ dài 16.7µs

Các băng thông mở rộng Lên tới 20-100MHz

Điều chế QPSK. 16QAM, 64QAM

Ghép kênh không gian Lớp đơn cho đường lên, trên từng UE; lên tới 4

lớp cho đường xuống, trên từng UE. Hỗ trợ MU-

MIMO cho đường lên và đường xuống

Chương 1: Tổng quan mạng Ad hoc không dây

OFDM cho hiệu suất phổ cao là nền tảng lớp vật lý: OFDM được sử dụng trong đường xuống để có được chống nhiễu đa đường với kỹ thuật tiên tiến như lập lịch miền tần số kênh phụ và MIMO, trong khi SC-FDMA được sử dụng trong đường lên để có được một tỷ số công suất đỉnh trung bình (PAPR) thấp, miền tần số được sử dụng trực giao và ứng dụng đa ăn-ten.

Hỗ trợ TDD và FDD: LTE hỗ trợ cả TDD và FDD. TDD được ưu tiên sử dụng trong một phần lớn của việc triển khai công nghệ vì lợi thế: (1) tính linh hoạt trong việc lựa chọn tỷ lệ tốc độ dữ liệu đường lên, đường xuống (2) khả năng khai thác kênh tương hỗ, (3) khả năng thực hiện trải phổ không ghép đôi và (4) thiết kế bộ thu phát ít phức tạp hơn.

Điều chế và mã hoá tương thích (AMC): LTE hỗ trợ một số chương trình điều chế và mã hóa FEC và cho phép chương trình này thay đổi trên từng người dùng và từng khung dữ liệu, dựa trên các điều kiện kênh. AMC là một cơ chế hiệu quả để tối đa hóa thông lượng trong một kênh thời gian không cố định. Các thuật toán tương thích thường dùng cho chương trình điều chế, mã hóa cao nhất có thể giúp tăng tỷ số tín hiệu trên nhiễu, tạp âm tại đầu thu như vậy mỗi người dùng sẽ được cung cấp tốc độ dữ liệu cao nhất, có thể được hỗ trợ trong liên kết tương ứng.

Hỗ trợ băng thông biến đổi: E-UTRA sẽ hoạt động trong dải phân bổ quang phổ của các kích cỡ khác nhau, bao gồm 1.25, 1.6, 2.5, 5, 10, 15 và 20 MHz ở cả đường lên và đường xuống, như ta thấy trong Bảng 1.4. Hoạt động phổ tần đơn hay phổ tần theo cặp đều được hỗ trợ. Nó có thể được thực hiện tự động để hỗ trợ người dùng di động trên các mạng có phân bổ băng thông khác nhau.

Tốc độ dữ liệu đỉnh cao: LTE có khả năng hỗ trợ tốc độ dữ liệu đỉnh rất cao. Trong thực tế, tốc độ dữ liệu PHY đỉnh có thể cao bằng tốc độ dữ liệu đỉnh đường xuống 100 Mb/s trong một phân bố phổ tần đường xuống 20MHz (5 bps/Hz), trong khi nó cung cấp tốc độ dữ liệu đỉnh đường lên là 50 Mb/s (2.5 bps/Hz) trong phân bố phổ tần đường lên 20MHz.

Tính di động: công nghệ E-UTRAN tối ưu hơn cho di động tốc độ thấp 0-15 km/h. Tốc độ di động cao hơn từ 15 - 120 km/h cần được hỗ trợ với hiệu suất cao. Di chuyển qua mạng di động tổ ong được duy trì ở tốc độ 120-350 km/h (hoặc thậm chí lên đến 500 km/h tùy thuộc vào băng tần).

Khả năng truyền lại tại tầng liên kết: LTE hỗ trợ kỹ thuật truyền lại tự động ARQ tại tầng liên kết.Các kết nối đã kích hoạt chế độ ARQ sẽ yêu cầu mỗi gói tin được truyền phải được xác nhận nhận bởi người nhận; các gói dữ liệu không được xác nhận sẽ được giả định là bị mất và được truyền lại. LTE cũng hỗ trợ tùy chọn kỹ thuật hybrid-ARQ, đó là sự kết hợp hiệu quả giữa FEC và ARQ.

Hỗ trợ người dùng đồng bộ: LTE cung cấp khả năng để thực hiện lập kế hoạch tài nguyên 2 chiều (trong thời gian và tần số), cho phép hỗ trợ nhiều người sử dụng trong một khoảng thời gian; Ngược lại, công nghệ 3G hiện có thực hiện lập kế hoạch một chiều là cái đang hạn chế bớt dịch vụ cho một người sử dụng trong từng khe thời gian.

Chương 1: Tổng quan mạng Ad hoc không dây

An ninh: LTE cung cấp tăng cường bảo mật thông qua việc thực hiện các UICC SIM và các liên kết vững chắc và không xâm nhập lưu trữ quan trọng và xác thực khóa đối xứng bằng khóa bí mật 128-bit. LTE bổ sung kết hợp xác thực lẫn nhau mạnh mẽ, sử dụng bảo mật danh tính, bảo vệ tính toàn vẹn của tất cả các bản tin báo hiệu giữa UE và MME và tùy chọn nhiều cấp mã hóa dữ liệu.

Chuyển vùng hiệu quả trên toàn thế giới: Bởi vì LTE là một thể thống nhất các tiêu chuẩn 4G đối với hầu hết các hang 3GPP và 3GPP2 trên toàn thế giới, các thiết bị LTE sẽ dễ dàng hơn để thiết lập chuyển vùng trên toàn thế giới. Một cảnh báo trước là các băng tần thực tế được sử dụng bởi các hãng khác nhau sẽ khác nhau (do đó duy trì thiết bị đa băng tần là cần thiết).

1.2.6.4. Đặc điểm nổi bật của LTE – Advanced

LTE-Advanced phải là một mạng không dây băng thông rộng thực sự mà cung cấp tốc độ dữ liệu đỉnh cao bằng hoặc lớn hơn so với mạng có dây, ví dụ: Fiber To The Home (FTTH), trong khi cung cấp QoS tốt hơn. Các yêu cầu chính của LTE là giảm chi phí mạng (chi phí cho mỗi bit), dịch vụ dự phòng tốt hơn và khả năng tương thích với hệ thống 3GPP. LTE-Advanced là một sự tiến hóa từ LTE tương thích ngược. Ngoài các tính năng tiên tiến được sử dụng bởi LTE Release 8, LTE-Advanced tăng cường các tính năng nổi bật sau.

Tốc độ dữ liệu đỉnh: LTE-Advanced hỗ trợ một cách đáng kể việc tăng tốc độ dữ liệu đỉnh tức thời. Ở mức tối thiểu, LTE-Advanced sẽ hỗ trợviệc cải thiện tốc độ dữ liệu đỉnh để giúp các dịch vụ và ứng dụng tiên tiến (100 Mbps đối với tốc độ cao và 1 Gbps cho di chuyển tốc độ thấp được coi như là mục tiêu nghiên cứu).

Di động: Hệ thống sẽ hỗ trợ di chuyển trên mạng di động tổ ông với tốc độ di động lên đến 350 km/h (hoặc có lẽ thậm chí lên đến 500 km/h tùy dải tần). Hiệu năng hệ thống sẽ được tăng cường đối với tốc độ di chuyển 0-10 km/h và ít nhất không thua kém E-UTRA và E- UTRAN đối với việc di chuyển tốc độ cao hơn.

Bảng 1.5: So sánh các tính năng của LTE và LTE – Advanced

Thông số

LTE

LTE - Advanced

300 Mbps

1Gbps

Tốc độ dữ liệu

đỉnh

75 Mbps

500Mbps

20MHz

100 MHz

Băng

thông

truyền dẫn

20MHz

40MHz

Năng suất trải DL

phổ đỉnh

3,75

Tối ưu với

tốc độc

chậm

(<15km/h), hiệu suất làm việc cao

Độ di động

Tương tự LTE

tại tốc độ lên tới 120km/h, duy trì

kết nối với tốc độ 350km.h

Công suất vùng phủ toàn phần lên

Giống như LTE

Vùng phủ

tới 5 km

Các

băng

1.4, 3, 5, 10, 15, 20 MHz

Lên tới 20-100MHz

thông mở rộng

Chương 1: Tổng quan mạng Ad hoc không dây

Lớp đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA): OFDMA được sử dụng cho kỹ thuật truy cập vô tuyến LTE-Advanced. Một công nghệ được biết đến là tập hợp các song mang được dùng ở lớp OFDMA để kết hợp với các sóng mang thành phần LTE (từ LTE Release 8) trên lớp vật lý để cung cấp băng thông cần thiết. Do đó, truy cập vô tuyến OFDMA có thể đạt được yêu cầu cao hơn đáng kể về các thông số hiệu năng và công suất hệ thống khi so sánh với các phương pháp truy cập vô tuyến được sử dụng trong LTE Release 8.

Kỹ thuật truyền dẫn đa anten nâng cao: Trong LTE-A, kỹ thuật MIMO được cải thiện hơn nữa trong việc sử dụng hiệu quả quang phổ, thông lượng cell trung bình và hiệu suất làm việc tại rìa cell. Với truyền nhận đa điểm, thì việc sử dụng các anten cho các vị trí đa cell được dùng như là một cách để những anten thu/phát của các tế bào phục vụ và các tế bào lân cận có thể cải thiện chất lượng của tín hiệu thu được tại các thiết bị người dùng và giảm nhiễu đồng kênh từ các tế bào lân cận. Hiệu suất trải phổ đỉnh tỷ lệ thuận với số lượng anten được sử dụng.

Bảng 1.6: So sánh hiệu suất phổ của LTE và LTE – Advanced

Cấu hình

Thông số

LTE

LTE - Advance

ănten

2x2

1.69

2.4

Đường

4x2

1.87

2.6

Hiệu

suất

phổ

xuống

[bps/Hz/cell]

4x4

2.67

3.7

Đường lên

1x2

0.74

1.2

2x4

2.0

2x2

0.05

0.07

Đường

4x2

0.06

0.09

Thông lượng người

xuống

dùng tại rìa cell

4x4

0.08

0.12

[bps/Hz/cell/user]

1x2

0.024

0.04

Đường lên

2x4

0.07

Chương 1: Tổng quan mạng Ad hoc không dây

Những đặc điểm kỹ thuật nổi bật của LTE và LTE - Advanced vừa được nêu ra phần

nào đã cho chúng ta cái nhìn chung nhất về công nghệ nhiều ưu việt này.

Phần tiếp theo của chương, chúng ta sẽ đi cụ thể hơn vào kiến trúc của hệ thống, các kỹ thuật truyền dẫn đặc trưng, và điều này đã làm nên sự khác biệt của LTE so với các công nghệ trước đó.

1.3. Các đặc tính kỹ thuật của mạng Ad hoc

Các kiểu thiết bị đầu cuối khác nhau như PDA, điện thoại di động, máy nhắn tin hai chiều, hoặc các cảm biến thiết lập mạng Ad hoc với khả năng khác nhau trong công suất phát, năng lượng, mô hình di động và các yêu cầu chất lượng dịc vụ QoS. Bởi vậy, các mạng Ad hoc không đồng nhất về thiết bị đầu cuối và dịch vụ mà nó cung cấp. Tuy nhiên, khi đề cập tới hiệu năng hoạt động, một mạng phải được xem xét không chỉ ở sự không đồng nhất của các nút trong công suất phát và năng lượng mà còn ở các khía cạnh truyền thông khác như việc các nút đang trong trạng thái “ngủ” hay tích cực và sự tồn tại của nguồn cung cấp năng lượng. Bên cạnh đó, mạng Ad hoc được kế thừa một số các vấn đề cố hữu truyền thống của các mạng truyền thông không dây như môi trường truyền dẫn mở, kênh vô tuyến không đáng tin cậy và không được bảo vệ.

1.3.1. Các giao thức MAC

1.3.1.1. Giới thiệu

Trong các mạng Ad hoc, mỗi nút chỉ có thể là máy phát (TRX) hoặc máy thu (RX) tại một thời điểm. Truyền thông giữa các nút bị giới hạn trong một phạm vi truyền dẫn hạn hẹp về băng thông, do vậy, các nút phải chia sẻ nguồn tài nguyên này khi trao đổi dữ liệu hoặc các bản tin. Điều này dẫn tới chỉ một kênh truyền dẫn được sử dụng khi hoạt động trong miền tần số giống nhau như vậy, và kênh này đương nhiên sẽ chiếm toàn bộ băng thông. Không giống như các mạng có dây, với Ad hoc, trễ gói không chỉ gây ra bởi tải lưu lượng tại mỗi nút mà còn bị gây ra bởi tải lưu lượng tại mỗi nút hàng xóm, hay còn gọi là “nhiễu lưu lượng”. Các giao thức điều khiển truy nhập môi trường (MAC) đóng một vai trò quan trọng trong việc xác

Chương 1: Tổng quan mạng Ad hoc không dây

định mỗi nút có thể chia sẻ nguồn tài nguyên hữu hạn này như thế nào một cách hiệu quả. Nguồn và đích có thể rất xa nhau và khi đó, mỗi gói tin sẽ cần được chuyển tiếp qua các nút khác trước khi tới được đích. Môi trường truyền dẫn lúc này cần được truy nhập và các giao thức MAC sẽ điều khiển việc truy nhập ấy.

Một trong những thử thách hàng đầu trong MANET là làm thế nào để tăng hiệu năng toàn mạng trong khi vẫn tiêu dùng ít năng lượng cho quá trình xử lý và trao đổi các gói tin. Thật không may, thông lượng thấp lại là một thuộc tính khó chịu của các kênh vô tuyến, kết hợp với môi trường dựa trên cạnh tranh của các giao thức MAC phổ biến được sử dụng trong MANET. Chính vì thế, bất kể là giao thức MAC nào, cũng cần xét tới các thông số hiệu năng sau:

 Thông lượng và trễ: Thông lượng được tính bởi phần trăm khung dữ liệu truyền dẫn thành công trên một đơn vị thời gian. Trễ được xác định bởi khoảng thời gian giữa thời điểm tới của khung tại lớp MAC của máy phát (tới lớp MAC để chuẩn bị chuyển đi) và thời gian máy phát biết rằng khung dữ liệu đó đã được nhận bởi máy thu.

 Công bằng: Đảm bảo việc phân bổ kênh được thực hiện công bằng như thế nào đối với các dòng dữ liệu trong các nút khác nhau. Đặc tính di động của nút và độ thiếu tin cậy của các kênh vô tuyến là hai nhân tố chính ảnh hưởng tới sự công bằng này.

 Hiệu quả năng lượng: Hiệu quả năng lượng được tính là phần tiêu thụ năng lượng hữu ích (cho các truyền dẫn khung dữ liệu thành công) trên tổng năng lượng tiêu dùng.

 Hỗ trợ đa phương tiện: Đây là khả năng của một giao thức MAC để điều tiết lưu lượng với các yêu cầu dịch vụ khác nhau như là thông lượng, trễ, và tỉ lệ mất khung.

1.3.1.2. Các vấn đề quan trọng và sự cần thiết của các giao thức MAC

Lớp MAC là một lớp con của lớp liên kết dữ liệu, liên quan tới các chức năng và thủ tục cần thiết để trao đổi dữ liệu giữa hai hoặc nhiều nút trong mạng. Nó thực hiện các hoạt động cụ thể trong việc tạo khung, đánh địa chỉ vật lý, điều khiển luồng và sửa lỗi, cùng với đó là giải quyết xung đột giữa các nút trong việc truy nhập kênh. Từ các trách nhiệm đó, mục đích thiết kế của các giao thức MAC bao gồm:

 Hoạt động của giao thức nên được phân tán

 Giao thức nên hỗ trợ QoS cho các lưu lượng thời gian thực

 Giữ cho trễ truy nhập trung bình với mọi gói tin là thấp

 Băng thông phải được sử dụng hiệu quả

Chương 1: Tổng quan mạng Ad hoc không dây

 Đảm bảo phân bổ công bằng băng thông cho các nút

 Giữ chi phí điều khiển ở mức thấp nhất có thể

 Tối thiểu ảnh hưởng của các vấn đề đầu cuối ẩn và hiện

 Có khả năng mở rộng với các mạng lớn

 Nên có cơ chế điều khiển công suất

 Nên có các kỹ thuật điều khiển tốc độ dữ liệu thích ứng

 Nên sử dụng anten định hướng

 Nên cung cấp sự đồng bộ giữa các nút

1.3.2. Định tuyến

Môi trường có tính động cao của một mạng Ad hoc dẫn tới những sự thay đổi thường xuyên và khó dự đoán của topo mạng, cũng như làm tăng thêm sự khó khăn và phức tạp cho việc định tuyến trong các nút di động. Những thử thách và sự phức tạp ấy cùng với tầm quan trọng đặc biệt của giao thức định tuyến trong việc thiết lập truyền thông giữa các nút di động, làm cho khu vực định tuyến trở thành lĩnh vực nghiên cứu tích cực nhất của MANET.

Nhiều giao thức và các thuật toán định tuyến đã được đề xuất cùng với việc nghiên cứu và so sánh hiệu năng của chúng trong các môi trường mạng và điều kiện lưu lượng khác nhau. Các giao thức định tuyến này có thể được phân loại theo đặc tính như là unicast, multicast, geocast hay broadcast.

1.3.2.1. Định tuyến unicast

Mục đích chính của các giao thức định tuyến unicast là thiết lập và duy trì tuyến chính xác và hiệu quả giữa hai nút để các bản tin có thể được chuyển phát tin cậy và kịp thời. Các đặc tính của MANET khiến cho việc sử dụng trực tiếp các giao thức này không khả thi vì chúng phải hoạt động trong các mạng với topo có tính động cao nơi mà các thuật toán định tuyến phải chạy trên các thiết bị có tài nguyên hạn chế. Do vậy, cần phải có những sửa đổi phù hợp để thích ứng.

Một trong những phương pháp phổ biến nhất để phân biệt các giao thức định tuyến unicast trong các mạng Ad hoc là dựa trên việc các thông tin định tuyến được thu thập và duy trì như thế nào bởi các nút di động. Sử dụng phương pháp này, các giao thức thường được chia thành ba nhóm chính: định tuyến chủ động, định tuyến phản ứng và các giao thức lai.

2 Trạng thái liên kết là các giao thức định tuyến theo trạng thái đường kết nôi

Các giao thức định tuyến chủ động có nguồn gốc từ các giao thức trạng thái liên kết2 và vec tơ khoảng cách3. Chúng duy trì thông tin định tuyến cập nhật và vững chắc cho mỗi

Chương 1: Tổng quan mạng Ad hoc không dây

cặp nút mạng bằng cách quảng bá các cập nhật định tuyến một cách chủ động trong khoảng thời gian cố định. Vì thông tin định tuyến thường được duy trì trong các bảng, các giao thức này cũng được đề cập như là các giao thức định tuyến bảng điều khiển. Ngược lại, trong giao thức định tuyến phản ứng, các tuyến được xác định khi chúng được yêu cầu bởi các nút nguồn sử dụng một quá trình khám phá tuyến. Các giao thức lai kết hợp những đặc tính nổi bật cơ bản từ hai giao thức trên và linh hoạt hơn khi áp dụng cho nhóm. Mỗi nhóm có một chiến lược định tuyến khác nhau được triển khai phẳng hay phân lớp.

Các giao thức định tuyến chủ động

Như đã đề cập ở trên, các giao thức định tuyến chủ động còn được gọi là các giao thức định tuyến theo bảng vì các thông tin định tuyến được lưu trong một bảng định tuyến. Sử dụng các giao thức này, các nút trong mạng Ad hoc liên tục đánh giá các tuyến đường tới các nút khác và cố gắng duy trì thông tin định tuyến ổn định, cập nhật theo chu kỳ hoặc sự kiện. Bởi vậy, một nút nguồn có thể xác định được đường định tuyến ngay lập tức khi nó cần.

Trong các giao thức định tuyến chủ động, mọi nút cần duy trì thông tin về topo mạng để nếu bất kì kết nối nào bị đứt hoặc topo mạng thay đổi, các thông tin sẽ được quảng bá tới các nút lân cận. Hầu hết các giao thức kiểu này trong Ad hoc thừa hưởng các đặc tính từ các thuật toán được sử dụng trong mạng có dây và để thích ứng với đặc tính động trong Ad hoc thì những sự thay đổi cần thiết đã được bổ sung. Một số giao thức chủ động điển hình là giao thức vector khoảng cách chuỗi điểm đến (DSDV), giao thức định tuyến trạng thái đường liên kết tối ưu (OLSR), giao thức quảng bá topo dựa trên việc chuyển tiếp đường ngược (TBRPF) và giao thức định tuyến kiểu mắt cá (FSR).

DSDV là một giao thức distance-vector, sử dụng thuật toán Bellman-Ford với những mở rộng để phù hợp với MANET. Trong các bảng định tuyến của DSDV, mỗi entry 4 lưu thông tin chặng tiếp theo, giá trị metric 5 cho tuyến tới đích và một số thứ tự đích, được thiết lập bởi đích. Số thứ tự này nhằm phân biệt các tuyến đường cũ và các tuyến đường mới nhằm tránh lặp tuyến. Một nút sẽ tăng số thứ tự của nó mỗi khi có sự thay đổi xảy ra ở nút kế bên.

3 Vec tơ khoảng cách là các giao thức định tuyến dưa trên vec tơ khoảng cách

4 Entry là đầu vào của bảng định tuyến hay dòng dữ liệu chứa thông tin định tuyến tới một mạng hay một nút cụ thể trong bảng định tuyến.

5 Metric là giá trị đặc trưng cho mỗi tuyến trong các giao thức định tuyến. Giá trị này được tính dựa trên các tham số khác nhau tùy theo các giao thức định tuyến khác nhau.

6 Flooding là hành động đổ tràn các gói tin ra mọi giao diện của nút, trừ giao diện mà từ đó đã nhận gói tin. Flooding khác với broadcast, broacast là việc phát đồng thời gói tin ra cho mọi nút.

OLSR là một sự tối ưu cho MANET của các giao thức link-state cũ. Chìa khóa của sự tối ưu này là chuyển tiếp đa điểm (MPR). Bằng cách flooding6 một bản tin tới các MPR của

Chương 1: Tổng quan mạng Ad hoc không dây

nó, một nút được đảm bảo rằng bản tin đó, khi được phát lại bởi các MPR, sẽ được nhận bởi tất cả hàng xóm two-chặng của nút này (các nút cách nút nguồn một MPR).

TBRPF là một giao thức định tuyến link-state, sử dụng kỹ thuật giảm tải chi phí khác nhau. Mỗi nút tính toán một cây đường đi ngắn nhất tới tất cả các nút khác; tuy nhiên để tối ưu hóa băng thông, chỉ phần của cây được quảng bá tới các hàng xóm.

Giao thức định tuyến trạng thái mắt cá FSR cũng là một sự tối ưu nhờ các thuật toán link-state sử dụng kỹ thuật mắt cá. FSR quảng bá thông tin trạng thái đường link tới các nút khác trong mạng dựa trên khoảng cách tính theo số chặng với các nút đích.

Các giao thức định tuyến phản ứng.

Với các giao thức này, để giảm chi phí, tuyến đường giữa hai nút được khám phá chỉ khi nó cần thiết. Có nhiều kiểu khác nhau của các giao thức định tuyến dạng này như giao thức định tuyến nguồn động (DSR), giao thức định tuyến vector khoảng cách theo yêu cầu Ad hoc (AODV), thuật toán định tuyến yêu cầu tạm thời (TORA), giao thức định tuyến dựa trên kết hợp (ABR) và giao thức định tuyến ổn định tín hiệu (SSR).

DSR là một giao thức định tuyến theo yêu cầu, dựa trên nguồn và không bị lặp. Tại đây, mỗi nút duy trì một bộ nhớ tuyến, chứa đựng các tuyến nguồn được học bởi nút. Quá trình khám phá tuyến được khởi tạo chỉ khi một nút nguồn không có một tuyến hợp lệ để tới đích trong bộ nhớ tuyến của nó; các entry trong bộ nhớ tuyến được cập nhật liên tục khi các tuyến mới được học. Định tuyến nguồn động được sử dụng cho việc chuyển tiếp gói tin.

AODV là một giao thức định tuyến phản ứng khác được cải tiến từ DSDV. AODV tối thiểu hóa số lượng tuyến broadcast bằng cách thiết lập tuyến theo yêu cầu, trái ngược với việc duy trì một danh sách hoàn chỉnh của các tuyến trong DSDV. Tương tự DSR, việc khám phá tuyến được khởi tạo theo yêu cầu và yêu cầu tuyến sau đó được chuyển tiếp từ nguồn tới đích.

TORA là một giao thức định tuyến theo yêu cầu, nguồn khởi tạo, được xây dựng trên khái niệm đảo ngược liên kết của đồ thị không chu trình trực tiếp ACG. Nhờ việc không bị lặp và hiệu quả về băng thông, TORA có khả năng thích ứng cao trong việc chỉnh sửa tuyến trong suốt quá trình thích ứng liên kết và liên kết bị lỗi trong khi cung cấp nhiều tuyến cho bất kì cặp nguồn-đích mong muốn nào.

Giao thức ABR cũng là một giao thức không lặp được xây dựng sử dụng một số metric định tuyến mới gọi là “mức độ ổn định liên kết” trong việc lựa chọn tuyến đường. Ưu điểm của nó là để tuyến đã được khám phá có thể sống lâu hơn và vì thế ổn định hơn và yêu cầu ít cập nhật hơn. Sự hạn chế của ABR chủ yếu tới từ việc một chu kì được sử dụng để thiết lập các metric ổn định liên kết, có thể dẫn tới việc tiêu dùng thêm năng lượng.

Thuật toán ổn định tín hiệu SSA cơ bản dựa trên giao thức ABR với sự bổ sung thêm

các đặc tính lựa chọn tuyến sử dụng độ mạnh của tín hiệu trên đường kết nối.

Các giao thức định tuyến lai ghép

Chương 1: Tổng quan mạng Ad hoc không dây

Bên cạnh các giao thức phản ứng và chủ động, một lớp khác của các giao thức định tuyến unicast là các giao thức lai. Giao thức định tuyến link-state phân lớp dựa trên vùng (ZRP) là một ví dụ của một giao thức lai. Nó bao gồm cả cách tiếp cận phản ứng và chủ động, vì thế mang lại những lợi thế của hai cách tiếp cận này. ZRP định nghĩa quanh mỗi nút có một vùng chứa các thông tin hàng xóm với một số chặng đã cho nhất định tính từ nút đó. Các thuật toán chủ động và phản ứng được sử dụng bởi nút để định tuyến gói tin trong và ngoài vùng tương ứng.

1.3.2.2. Định tuyến multicast

Multicast là một dịch vụ truyền thông hiệu quả cho việc hỗ trợ các ứng dụng đa điểm. Hai cách tiếp cận chính được sử dụng cho định tuyến multicast trong các mạng cố định là: cây chia sẻ nhóm và cây nguồn cụ thể. Trong nhóm chia sẻ, một cây đơn được xây dựng cho toàn bộ nhóm. Cách tiếp cận nguồn cụ thể duy trì cho mỗi nguồn một cây tới tất cả người nhận của nó.

Có hai kiểu giao thức multicast: MAODV và giao thức định tuyến multicast Ad hoc sử dụng số ID tăng (AMRIS). Cả hai là các giao thức theo yêu cầu và xây dựng một cây phân phối chia sẻ để hỗ trợ nhiều người gửi và nhận trong một phiên multicast.

Topo của một mạng di động không dây có thể rất động và do đó, việc duy trì một cây định tuyến multicast kết nối trực tiếp có thể gây ra chi phí lớn. Để tránh điều này, một cách tiếp cận khác dựa trên mô hình lưới được đề xuất. Mô hình lưới phù hợp hơn cho các môi trường động vì chúng hỗ trợ nhiều kết nối hơn so với các cây; vì thế chúng hỗ trợ các cây multicast.

Có hai kiểu giao thức định tuyến multicast dựa trên lưới bao gồm: giao thức lưới lõi hỗ trợ (CAMP) và giao thức định tuyến multicast theo yêu cầu (ODMRP). Các giao thức này xây dựng các lưới định tuyến để quảng bá các gói tin multicast trong nhóm. Sự khác biệt ở đây là ODMRP sử dụng cơ chế flooding để xây dựng lưới trong khi CAMP sử dụng một hay nhiều nút để hỗ trợ việc xây dựng lưới thay cho flooding.

1.3.2.3. Định tuyến nhận thức vị trí

7 Forwarding là hoạt động chuyển tiếp gói tin. Trong khuôn khổ tài liệu này, thỉnh thoảng các thuật ngữ “forwarding”, “chuyển tiếp” và “chuyển tiếp gói tin” được sử dụng thay thế cho nhau.

Trong suốt hoạt động forwarding7, các giao thức định tuyến nhận thức vị trí sử dụng vị trí các nút được cung cấp bởi hệ thống định vị toàn cầu GPS hay các cơ chế khác. Cụ thể, một nút lựa chọn chặng tiếp theo cho việc chuyển tiếp gói tin bằng cách sử dụng vị trí vật lý của hàng xóm của nó và vị trí vật lý của nút đích. Định tuyến nhận thức vị trí không yêu cầu việc thiết lập và duy trì tuyến và không thông tin định tuyến nào được lưu lại. Cách sử dụng thông tin vị trí địa lý tránh các tìm kiếm mở rộng mạng cũng như việc cả hai gói tin dữ liệu và điều khiển được gửi tới các tọa độ địa lý của các nút đích.

Chương 1: Tổng quan mạng Ad hoc không dây

Ba chiến lược chính có thể thực hiện trong các giao thức định tuyến nhận thức vị trí đó là: Greedy forwarding – chuyển tiếp tham lam, Directed flooding – tràn ngập trực tiếp và Hirearchical routing – định tuyến phân cấp.

 Greedy forwarding: Trong kiểu chiến lược này, một nút cố gắng chuyển tiếp gói tin tới một trong các hàng xóm gần đích hơn của nó. Nếu nhiều hơn một nút như thế, các sự lựa chọn khác nhau là có thể. Mặt khác, nếu không hàng xóm nào gần hơn, các luật mới sẽ được thực hiện trong các chiến lược để tìm tuyến thay thế.

 Direct flooding: Các nút chuyển tiếp gói tin tới mọi hàng xóm của nó nằm ở hướng đi tới đích. Thuật toán hiệu quả định tuyến khoảng cách cho di động (DREAM) và định tuyến hỗ trợ vị trí (LAR) là hai thuật toán định tuyến áp dụng dựa trên những nguyên tắc cơ sở này.

 Hierarchical routing: Giao thức định tuyến ủy quyền vị trí và giao thức định tuyến nút đầu cuối là các giao thức định tuyến phân lớp mà trong đó định tuyến được xây dựng trong hai lớp. Cả hai giao thức này áp dụng những quy tắc khác nhau cho việc định tuyến khoảng cách dài và ngắn tương ứng. Định tuyến nhận thức vị trí được sử dụng cho việc định tuyến trên khoảng cách dài, và khi một gói tin tới gần đích thì một giao thức định tuyến distance-vector chủ động sẽ được áp dụng.

1.3.3. Điều khiển truyền tải

Tầng truyền tải hoạt động như sợi dây liên kết giữa các giao thức lớp cao và các giao thức lớp thấp. Để có thể thực hiện được điều này, tầng truyền tải hoạt động không phụ thuộc vào mạng vật lý và có những cơ chế liên kết thích hợp. Mục tiêu của các giao thức truyền tải bao gồm chuyển phát toàn bộ bản tin đầu cuối tới đầu cuối, đánh địa chỉ, đảm bảo tin cậy, điều khiển luồng và ghép kênh.

Hai giao thức truyền tải phân biệt là UDP và TCP. UDP cung cấp các dịch vụ phi kết nối, không tin cậy cho các ứng dụng thời gian thực. Ngược lại, TCP hỗ trợ nhiều dịch vụ và ứng dụng hơn với việc hỗ trợ truyền tải dữ liệu tin cậy. Sử dụng các cơ chế điều khiển luồng, đánh số thứ tự, yêu cầu hồi đáp, định thời, TCP đảm bảo dữ liệu được chuyển phát từ quá trình gửi tới quá trình nhận một cách chính xác và theo thứ tự. Nhờ TCP mà các dịch vụ không tin cậy chạy trên IP giữa các hệ thống đầu cuối được chuyển thành các dịch vụ truyền tải dữ liệu tin cậy giữa các quá trình xử lý.

TCP cũng sử dụng cơ chế điều khiển tắc nghẽn. Theo nguyên tắc, TCP cho phép các kết nối TCP có thể đi qua một kết nối mạng bị nghẽn để chia sẻ băng thông của kết nối đó một cách công bằng. Điều này được thực hiện bằng cách điều chỉnh tốc độ các điểm khởi tạo có thể gửi lưu lượng đi vào mạng. Lưu lượng UDP thì không chỉnh sửa như vậy. Một ứng

Chương 1: Tổng quan mạng Ad hoc không dây

dụng sử dụng UDP có thể gửi lưu lượng tại bất kỳ tốc độ nào cũng như bao lâu nó muốn, do đó, phù hợp cho các ứng dụng đa phương tiện thời gian thực.

Các giao thức truyền tải thông thường được sử dụng trong mạng có dây là không đủ để hỗ trợ trong Ad hoc vì các vấn đề đặc trưng của Ad hoc như tính di động, đa chặng, các vấn đề đầu cuối ẩn-hiện. Ví dụ, các kết nối không dây phải hứng chịu tỷ lệ lỗi liên kết cao và TCP có thể chỉ ra được mất gói gây ra bởi lỗi liên kết do tắc nghẽn. Vì đặc tính di động của nút, việc đứt và thay đổi liên tục trong tuyến là thường xuyên. Điều này lần lượt làm rối loạn các cơ chế điều khiển TCP hiện tại. Các thách thức mà TCP phải đối mặt trong Ad hoc là phức tạp hơn nhiều với các kênh truyền mất mát do môi trường, suy giảm tín hiệu, dịch chuyển Doppler, fading đa đường, phân vùng mạng, lỗi định tuyến và giới hạn năng lượng.

Để giải quyết được các thách thức đó, rất nhiều những cơ chế và kỹ thuật sửa đổi cũng như tối ưu hóa đã được đề xuất để cải thiện hiệu năng TCP như cách tiếp cận TCP phân tách, cách tiếp cận đầu cuối tới đầu cuối với các giải pháp TCP-F, TCP-ELFN, ATCP và TCP-Bus.

1.3.4. Chất lượng dịch vụ

Khả năng của mạng để cung cấp QoS phụ thuộc vào các đặc tính tự nhiên của tất cả các thành phần mạng, từ các kết nối truyền dẫn tới MAC và các lớp mạng. Các liên kết không dây có dung lượng khác nhau và tỉ lệ mất mát cao trong khi các topo biến động lớn và các giao thức MAC dựa trên truy nhập ngẫu nhiên không hỗ trợ QoS. Do đó, QoS trên một mạng MANET không đủ để cung cấp một chức năng định tuyến cơ bản. Các khía cạnh khác nên được xem xét là các hạn chế về băng thông do môi trường bị chia sẻ; vấn đề topo động; vấn đề tiêu thụ năng lượng do năng lượng pin hạn chế.

Với các mạng truyền thông hữu tuyến, có hai cách tiếp cận để đạt được QoS: cung cấp vượt mức và kỹ thuật lưu lượng. Cung cấp vượt mức bao gồm hoạt động mạng mà cung cấp một lượng tài nguyên lớn hơn cần thiết để mạng có thể sử dụng tất cả các ứng dụng yêu cầu. Kỹ thuật lưu lượng phân loại các kết nối hiện tại và xử lý chúng theo một tập các quy tắc. Hai đề xuất này được chỉ định trong IETF là IntServ và DiffServ.

IntServ là một phương pháp dành trước tài nguyên có định hướng, nơi mà người dùng yêu cầu các tham số QoS họ cần. Giao thức dành trước tài nguyên RSVP được đề xuất bởi IETF để thiết lập việc dành trước tài nguyên cho IntServ. Đối lập với IntServ, DiffServ là một phương pháp không dành trước tài nguyên. Sử dụng DiffServ, các nhà cung cấp dịch vụ thiết lập một tập các lớp khác nhau của QoS cho khách hàng của họ để hỗ trợ các kiểu ứng dụng khác nhau. IPv4 TOS octet hay IPv6 Traffic class octet được sử dụng nhằm đánh dấu gói tin để nhận một lớp QoS cụ thể.

Nói chung, các mô hình QoS có dây không tương thích với MANET. Cung cấp vượt mức không thể thực hiện được bởi vì tài nguyên trong Ad hoc là khan hiếm. IntServ/RSVP có thể đòi hỏi bộ lưu trữ không thể đáp ứng được, thêm nữa là quá trình xử lý cho các nút di động và chi phí báo hiệu. DiffServ là một mô hình chi phí thấp có thể phù hợp hơn, tuy nhiên,

Chương 1: Tổng quan mạng Ad hoc không dây

nó không tương thích với bản chất phân bố của MANET. Hơn nữa, các mạng Ad hoc được mong đợi sẽ đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển của các hệ thống truyền thông không dây trong tương lai. Vì thế, nó cực kỳ quan trọng để cung cấp QoS hiệu quả mà các nhà cung cấp yêu cầu. Điều này đã thúc đẩy nhiều đề xuất nghiên cứu về QoS tập trung cho MANET.

Chất lượng dịch vụ của một mạng được tính toán từ khối lượng dữ liệu được đảm bảo có thể truyền từ nơi này sang nơi khác trong một khung thời gian thực cho trước như là audio và video. Việc này tạo ra một số các thử thách công nghệ khác. Kích thước của mạng Ad hoc liên quan trực tiếp tới chất lượng dịch vụ của mạng. Nếu kích thước lớn, nó có thể gây ra vấn đề điều khiển cực kỳ khó khăn. Truyền thông giữa hai nút tham gia trong mạng Ad hoc di động có thể được xem như là một kênh đầu cuối phức tạp, cái mà làm thay đổi tuyến đường theo thời gian.

Trong một mạng Ad hoc, một số lượng tuyến khác nhau với số lượng nút và năng lượng khác nhau có thể sẵn sàng cho một nguồn để truyền dữ liệu tới đích. Kết quả là, không phải tất cả các tuyến có khả năng cung cấp cùng mức QoS mà người dùng yêu cầu. Hơn nữa, thậm chí nếu tuyến được chọn thỏa mãn được QoS của người dùng, các đặc tính lỗi mạng cũng sẽ khác nhau theo thời gian do bản chất động của các mạng Ad hoc và do đó cũng không đáp ứng được các yêu cầu QoS. Bởi vậy, để cung cấp QoS hiệu quả trong mạng Ad hoc, việc thiết lập các kiến trúc và dịch vụ mới cho việc điều khiển, giám sát mạng là rất cần thiết.

Các hoạt động nghiên cứu gần đây đã chỉ ra tầm quan trọng của việc cung cấp các cơ chế QoS tại nhiều lớp trong chồng giao thức. Các giao thức điều khiển truy nhập môi trường hỗ trợ QoS và thiết kế liên lớp là các giải pháp tiềm năng cho QoS trong MANET. Định tuyến QoS có thể được sử dụng bởi các giao thức định tuyến MANET để lựa chọn các tuyến đường khác nhau tới đích phụ thuộc vào các đặc tính của gói tin.

Các giao thức MAC QoS giải quyết vấn đề tranh giành môi trường truyền dẫn, hỗ trợ truyền thông unicast tin cậy và cung cấp việc dành trước tài nguyên cho lưu lượng thời gian thực trong môi trường không dây phân tán. Nhiều giao thức MAC và sự cải tiến được đề xuất để có thể cung cấp những sự đảm bảo QoS cho lưu lượng thời gian thực trong môi trường không dây phân tán bao gồm giao thức GAMA/PR và cơ chế tranh giành black burst.

1.3.5. Quản lý năng lượng

Một mạng Ad hoc là một tập các đầu cuối dữ liệu số di động, chúng sử dụng năng lượng pin hạn chế cho mọi hoạt động truyền thông của mình, do đó, việc quản lý năng lượng là rất quan trọng và cần thiết. Các nút cần tiết kiệm năng lượng và sử dụng nó một cách tối ưu và hiệu quả để có thể duy trì hoạt động mạng trong thời gian lâu hơn.

Đã có khá nhiều các kỹ thuật khác nhau, trong cả phần mềm và phần cứng, được đề xuất và triển khai để cắt giảm sự tiêu thụ năng lượng cho các thiết bị tính toán di động trong các mạng không dây khác như WLAN. Tuy nhiên, việc quản lý năng lượng trong Ad hoc là

Chương 1: Tổng quan mạng Ad hoc không dây

một vấn đề khó hơn bởi hai lý do. Thứ nhất, trong một mạng Ad hoc, một nút vừa là đầu cuối gửi/nhận tin, vừa đóng vai trò là một router chuyển tiếp dữ liệu, tham gia vào các giao thức điều khiển và định tuyến mức cao. Thêm nữa, vai trò này là không cố định và có thể thay đổi theo thời gian. Thứ hai, không có một thực thể quản lý trung tâm nào như AP trong WLAN để giám sát và duy trì các phương thức quản lý năng lượng cho mỗi nút trong mạng, đệm dữ liệu và “đánh thức” các nút đang “ngủ”. Vì thế, việc quản lý năng lượng trong Ad hoc phải được thực hiện trong một mô hình hợp tác và phân tán, cùng với đó, đối mặt với thử thách lớn nhất là giảm hiệu năng, thông lượng thấp và trễ lâu hơn. Nhận thức năng lượng cần được lưu ý khi xây dựng các giao thức tại mọi lớp và nó phải được xem xét như một trong những mục tiêu thiết kế quan trọng nhất. Các giải pháp quản lý năng lượng trong Ad hoc có thể được chia thành 3 nhóm chính:

 Quản lý pin

 Quản lý công suất truyền dẫn

 Quản lý công suất hệ thống

Hình 1.4: Phân loại các khung quản lý năng lượng

Hình 2.3 chỉ ra lược đồ phân loại các khung quản lý năng lượng và các ví dụ cho mỗi giải pháp này. Các chương trình quản lý pin liên quan tới các vấn đề lựa chọn công nghệ pin, tối ưu dung lượng và lập lịch. Các kỹ thuật quản lý công suất truyền dẫn cố gắng tìm ra phạm vi truyền dẫn tối ưu cho mỗi nút. Quản lý công suất hệ thống, chủ yếu giải quyết vấn đề tối thiểu hóa công suất yêu cầu bởi các phần cứng ngoại vi của một nút và tích hợp các chiến lược công suất thấp vào trong các giao thức được sử dụng trong các lớp khác nhau của chồng giao thức. Một số kỹ thuật khác được phân loại thành các khung quản lý hỗn hợp.

Chương 1: Tổng quan mạng Ad hoc không dây

1.3.6. Các vấn đề về thiết kế liên lớp

1.3.6.1. Giới thiệu

Khi các mạng truyền thông không dây đang dần nhanh chóng đóng một vai trò trung tâm trong các hoạt động nghiên cứu và phát triển, thì sự phù hợp của một trong những nền tảng của mạng – kiến trúc giao thức phân lớp – với các mạng này, được xem xét một cách kỹ lưỡng. Vẫn tồn tại nhiều những tranh cãi rằng mặc dù các kiến trúc phân lớp hỗ trợ rất tốt cho các mạng có dây, nhưng nó không phù hợp với các mạng không dây. Và để mô tả quan điểm này, các nhà nghiên cứu thường trình bày một kỹ thuật mà họ gọi là thiết kế liên lớp.

Do thiếu sự liên kết giữa các lớp, việc thực hiện kiến trúc phân lớp đặt ra những thử thách đặc biệt cho Ad hoc. Để khắc phục những hạn chế của kiến trúc phân lớp, thiết kế liên lớp được đề xuất; ý tưởng ở đây là để duy trì các chức năng vốn có của các lớp nhưng cho phép phối hợp, tương tác và tối ưu hóa các giao thức liên lớp. So sánh với kiến trúc phân lớp, hiệu năng của kiến trúc liên lớp là tốt hơn với việc thiết kế giao thức được thực hiện bởi sự hợp tác giữa các lớp.

1.3.6.2. Định nghĩa

Mô hình OSI là một kiến trúc phân lớp được khuyến nghị bởi ISO. Nó chia toàn bộ các chức năng mạng vào các lớp và các dịch vụ được cung cấp bởi các lớp khác nhau. Mỗi lớp được kết hợp với một tập các giao thức cung cấp truyền thông giữa các lớp tương ứng từ các máy tính và không cho phép truyền thông trực tiếp giữa các lớp không kế cận. Trong kiến trúc phân lớp, các giao thức được thiết kế với sự tuân thủ các quy tắc, điều này có nghĩa là giao thức lớp cao hơn chỉ có thể tận dụng các dịch vụ lớp thấp hơn và không liên quan đến việc các dịch vụ đó được cung cấp như thế nào. Thay vì tuân thủ nghiêm ngặt các quy tắc của OSI như vậy, các giao thức có thể vi phạm chúng bằng cách cho phép truyền thông trực tiếp giữa các giao thức tại các lớp không kế cận, hay còn gọi là thiết kế liên lớp.

1.3.6.3. Nguyên tắc thiết kế liên lớp

Hình 1.4 cho thấy kiến trúc OSI, kỹ thuật có vai trò quan trọng trong thành công của Internet như ngày hôm nay. OSI được tổ chức và chia thành 7 lớp, mỗi lớp được xây dựng trên đỉnh của lớp dưới và thực hiện một mục đích xác định và hạn chế. Mỗi lớp thấp hơn cung cấp dịch vụ cho lớp tương ứng ở trên và đóng gói dữ liệu cho các dịch vụ của nó. Điều này dẫn tới sự phát triển nhanh chóng của một số các ứng dụng trên Internet.

Bản chất động của các mạng không dây như Ad hoc khiến cho kiến trúc phân lớp tỏ ra không linh hoạt trong môi trường này vì mỗi lớp không có thông tin đầy đủ về mạng. Nó không cho phép chia sẻ thông tin giữa các lớp một cách tự động. Điều này thúc đẩy các thiết kế liên lớp trong Ad hoc.

Như đã thảo luận ở trên, sự hiện diện của các liên kết không dây thúc đẩy các nhà thiết kế vi phạm các nguyên tắc của kiến trúc phân lớp vì các vấn đề đặc biệt của các mạng không dây. Tiếp đó, một môi trường không dây cần một số yêu cầu cho truyền thông mà cơ sở vật

Chương 1: Tổng quan mạng Ad hoc không dây

Hình 1.5: Thiết kế liên lớp với thông tin trao đổi giữa các lớp khác nhau

chất của chúng không được hỗ trợ bởi kiến trúc phân lớp. Cụ thể, việc tiếp nhận gói tin được thực hiện bởi lớp vật lý tại cùng một thời điểm.

Một sơ đồ của thiết kế liên lớp mới với thông tin được trao đổi giữa các lớp khác nhau được thể hiện như hình trên. Tại lớp liên kết dữ liệu, điều chế thích ứng được sử dụng để tối đa tốc độ kết nối với các điều kiện kênh khác nhau. Điều này mở rộng vùng dung lượng có thể đạt được của mạng. Mỗi điểm của vùng này xác định một phân định có thể của các dung lượng liên kết khác nhau.

Dựa theo thông tin trạng thái đường link (dịch vụ), MAC chọn một điểm của vùng dung lượng bằng cách ấn định các khe thời gian, mã và băng tần cho mỗi liên kết. Lớp MAC hoạt động cùng với lớp mạng để xác định tập các dòng dữ liệu tối thiểu tắc nghẽn. Giải pháp cho các phân định dung lượng và dòng dữ liệu mạng được trao đổi lặp lại giữa hai lớp lõi của khung thiết kế liên lớp (lớp mạng và MAC). Tại lớp truyền tải, điều khiển tắc nghẽn và truyền lại của gói tin diễn ra. Cuối cùng, lớp ứng dụng xác định tỷ lệ mã hóa hiệu quả.

1.3.7. Các thử thách an ninh trong mạng Ad hoc không dây

Cuối cùng, bản chất Ad hoc không dây của MANET mang tới những thử thách an ninh mới cho việc thiết kế mạng. Các mạng không dây dễ bị ảnh hưởng bởi các đe dọa an

Chương 1: Tổng quan mạng Ad hoc không dây

ninh vật lý và thông tin so với các mạng có dây. Việc dễ bị tổn thương của các kênh và các nút, sự vắng mặt của hạ tầng mạng và sự thay đổi động topo tạo ra một nhiệm vụ khó khăn trong việc thiết kế các giải pháp an ninh, đặc biệt là trong lớp định tuyến. Bởi đơn giản, các đặc tính không ổn định của kênh hay sự di động của các nút tác động rất lớn tới quá trình chuyển tiếp các gói tin trong lớp này. Các kênh không dây quảng bá tạo cơ hội cho việc nghe trộm các bản tin một cách dễ dàng. Sự vắng mặt của hạ tầng mạng làm cho các giải pháp an ninh cổ điển không thể áp dụng được. Bên cạnh đó, lớp định tuyến đóng vai trò trung tâm trong quá trình trao đổi các gói dữ liệu, ảnh hưởng trực tiếp tới sự thành công của một phiên truyền thông. Do vậy, định tuyến an toàn và thiết lập các cơ chế an ninh phù hợp và hiệu quả trong môi trường Ad hoc trở thành một trong những mối quan tâm hàng đầu và trọng yếu.

1.4. Tổng kết chương 1

Chương 1 đã giới thiệu những khái niệm liên quan đến mạng Ad hoc cũng như những đặc tính kỹ thuật theo cấu trúc phân lớp tương ứng với mô hình OSI, như lớp vật lý, lớp điều khiển truy nhập môi trường và lớp truyền tải. Thêm vào đó, chương cũng đã đưa ra những đặc điểm kỹ thuật được quan tâm trong việc thiết kế và sử dụng mạng Ad hoc như quản lý chất lượng dịch vụ, năng lượng, an ninh cũng như thiết kế liên lớp. Những đặc điểm kỹ thuật cũng như những vấn đề này sẽ tiếp tục được trình bày chi tiết trong các chương tiếp theo của cuốn bài giảng này.

1.5. Câu hỏi ôn tập chương 1

1. 1 Nêu định nghĩa và khái niệm mạng Ad hoc

1.2 Hãy so sánh và phân tích những nét chính giữa mạng di động và mạng ad hoc

1.3 Nêu và so sánh những công nghệ không dây thông dụng trong ứng dụng mạng ad hoc

1.4 Nêu các đặc tính cơ bản của lớp MAC của mạng Ad hoc

1.5 Nêu các đặc điểm của định tuyến trong mạng Ad hoc

1.6 Nêu những đặc điểm của điều khiển truyền tải, quản lý chất lượng và năng lượng

trong mạng ad hoc.

[1] Subir Kumar Sarkar, T.G.B.a.C.P., Ad Hoc Mobile Wireless Networks: Principles,

1.6. Tài liệu tham khảo chương 1

[2] Matin, M.A., Wireless Sensor Networks – Technology and Protocols, ed. M.A. Matin.

Protocols, and Applications, Second Edition 2013: CRC Press.

[3] Sudip Misra, S.C.M.a.I.W., Guide to Wireless Ad Hoc Networks 2009: Springer. [4] Monapatra, P., Ad Hoc Networks Technologies and Protocols. 2005: Springer

2012: InTech.

Science.

[5] Stefano Basagni, M.C., Mobile Ad hoc Network: Cutting Edge Direction. IEEE

Chương 1: Tổng quan mạng Ad hoc không dây

Express. 2013.

Chương 1: Tổng quan mạng Ad hoc không dây

CHƯƠNG 2: LỚP ĐIỂU KHIỂN TRUY NHẬP MÔI

TRƯỜNG

Nguyễn Việt Hưng, Nguyễn Việt Hùng

2.1. Giới thiệu chung

Sự đơn giản trong việc triển khai đã tạo nên các mạng ad hoc di dộng (mà không yêu cầu bất kì cơ sở hạ tầng nào) tương thích với một loạt các ứng dụng, ví dụ như tính toán hợp tác, khắc phục thảm họa, và thông tin liên lạc tại chiến trường. Với sự phát triển của truyền thông và các thiết bị tính toán, chẳng hạn như điện thoại di động, máy tính xách tay, hoặc các PDA, mạng khu vực cá nhân (PAN), mạng adhoc trở thành một công nghệ “mạng cơ sở” gây được nhiều sự quan tâm chú ý trong thời gian gần đây.

Trong các mạng ad hoc, các thiết bị phát sử dụng tín hiệu vô tuyến để liên lạc. Thông thường tại cùng một thời điểm, mỗi nút chỉ có thể là một máy phát (TRX) hoặc một máy thu (RX), Thông tin liên lạc giữa các nút di động được giới hạn trong một phạm vi truyền dẫn nhất định.Và các nút chia sẻ miền tần số giống nhau để giao tiếp. Vì thế, trong phạm vi tương tự, chỉ có một kênh truyền dẫn được sử dụng, chiếm toàn bộ băng thông. Không giống như các mạng có dây, trễ gói bị gây ra không chỉ bởi lưu lượng tại nút mà còn bởi lưu lượng tại các nút lân cận, gọi là nhiễu lưu lượng (traffic interference).

Các giao thức điều khiển truy nhập môi trường (MAC) đóng một vai trò quan trọng trong việc thực hiện các mạng ad hoc di động (MANETs). Một giao thức MAC định nghĩa mỗi đơn vị di động có thể chia sẻ tài nguyên băng thông bị giới hạn theo một cách hiệu quả. Nguồn và đích có thể nằm ở xa nhau và mỗi gói tin cần phải được chuyển tiếp từ một nút này đến một nút khác theo cách thức đa chặng (multi-chặng), một môi trường phải được truy nhập. Việc truy nhập các môi trường đúng cách đòi hỏi chỉ phải thông báo cho các nút trong vùng lân cận của truyền dẫn. Các giao thức MAC điều khiển việc truy nhập vào môi trường truyền dẫn. Mục đích của chúng là cung cấp việc sử dụng có trật tự và hiệu quả của quang phổ chung. Các giao thức này có trách nhiệm tạo một kết nối và hủy bỏ kết nối (giải phóng).

Một trong những thách thức cơ bản trong việc nghiên cứu MANET là làm thế nào để tăng thông lượng toàn mạng trong khi vẫn duy tri mức tiêu thụ năng lượng thấp để xử lí gói tin và liên lạc (giao tiếp). Thông lượng thấp là do các đặc điểm xấu của kênh vô tuyến kết hợp với bản chất xung đột của các giao thức MAC thường được sử dụng trong các MANET.

Về giao thức MAC cho một mạng ad hoc di dộng không dây, các biện pháp thực hiện

sau đây cần được xem xét:

 Thông lượng và trễ: Thông lượng thường được đo bằng tỉ lệ phần trăm các khung liên kết vô tuyến được truyền thành công trên một đơn vị thời gian. Trễ truyền dẫn được định nghĩa là khoảng cách giữa thời điểm khung đến tại lớp

Chương 1: Tổng quan mạng Ad hoc không dây

MAC của một máy phát và thời điểm máy phát biết được rằng khung truyền đã được gửi đến máy thu thành công.

 Tính công bằng: Nhìn chung, điều này thể hiện sự công bằng việc phân bổ kênh giữa các dòng lưu lượng trong các nút di động khác nhau. Tính di dộng của nút và sự không tin cậy của các kênh vô tuyến là hai yếu tố chính ảnh hưởng đến tính công bằng.

 Công năng: Nhìn chung, công năng được đo bằng phần tiêu thụ năng lượng có

ích (để truyền khung thành công) với tổng năng lượng đã tiêu hao.

 Hỗ trợ đa phương tiện: Đây là một khả năng của một giao thức MAC để đáp ứng lưu lượng với các yêu cầu dịch vụ khác nhau, như là thông lượng, độ trễ, và tỉ lệ mất khung.

2.2. Những vấn đề quan trọng và cần thiết cho các giao thức lớp MAC

Có một số vấn đề quan trọng trong các mạng không dây ad hoc. Hầu hết các ứng dụng mạng không dây ad hoc sử dụng dải tần công nghiệp, khoa học, và y tế (ISM), đó là dải tần miễn phí đối với các thủ tục cấp giấy phép. Bởi vì không dây (wireless) là môi trường được kiểm soát một cách chặt chẽ, nó có băng thông kênh giới hạn mà thông thường là ít hơn nhiều so với mạng có dây. Ngoài ra, môi trường không dây dễ xảy ra lỗi cố hữu. Mặc dù một sóng vô tuyến có thể có đủ băng thông kênh, các yếu tố như đa truy nhập, pha-đinh tín hiệu, và nhiễu có thể làm cho thông lượng có ích trong các mạng không dây trở nên thấp hơn đáng kể. Bởi vì các nút không dây có thể di động, cấu trúc liên kết mạng có thể thay đổi thường xuyên mà không có bất cứ một mô hình dự đoán nào. Thông thường liên kết giữa các nút sẽ là song hướng, nhưng có thể có các trường hợp khi những sự khác biệt trong công suất truyền làm gia tăng các liên kết một chiều, mà đòi hỏi phải được xử lý đặc biệt bởi các giao thức MAC.

Các nút mạng ad hoc phải bảo toàn năng lượng bởi vì chúng dựa vào năng lượng pin, mà đó cũng chính là nguồn năng lượng của chúng. Các vấn đề an ninh nên được xem xét trong việc thiết kế hệ thống mạng tổng thể, bởi vì nó tương đối dễ dàng bị “nghe trộm” trong truyền dẫn không dây. Các giao thức định tuyến yêu cầu thông tin về cấu trúc liên kết hiện tại để một lộ trình từ một nguồn đến một đích có thể được tìm thấy. Tuy nhiên, các phương thức định tuyến hiện có, như các giao thức dựa trên trạng thái liên kết và vector khoảng cách, dẫn đến hội tụ luồng kém và thông lượng thấp cho cấu trúc liên kết động. Vì vậy, một tập các cách thức định tuyến mới là rất cần thiết cho mạng không dây ad hoc.

Lớp MAC, đôi khi còn được gọi là một lớp con của lớp liên kết dữ liệu, bao gồm các chức năng và thủ tục cần thiết để trao đổi dữ liệu giữa hai hay nhiều nút trong mạng. Đây là trách nhiệm của lớp MAC để thực hiện việc sửa lỗi cho các sự cố bất thường trong lớp vật lí. Nó thực hiện các hoạt động cụ thể cho khung, đánh dấu địa chỉ vật lí, cũng như kiểm soát luồng và lỗi. Nó có trách nhiệm giải quyết các xung đột giữa các nút khác nhau cho truy nhập kênh. Bởi vì lớp MAC có một ảnh hưởng trực tiếp đến độ tin cậy và hiệu quả của dữ liệu

Chương 1: Tổng quan mạng Ad hoc không dây

được truyền giữa hai nút theo đường định tuyến trong mạng, nó ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ (QoS) của mạng. Việc thiết kế một giao thức MAC cũng giải quyết các vấn đề bị gây ra bởi tính di động của các nút và một kênh biến thiên (theo thời gian) không tin cậy.

Những mục tiêu thiết kế của giao thức MAC bao gồm:

 Các hoạt động của giao thức nên được phân phối.

 Giao thức cần cung cấp hỗ trợ QoS cho lưu lượng truy cập thời gian thực.

 Trễ truy nhập, liên quan tới trễ trung bình gây ra bởi bất cứ gói tin dùng để

truyền tải, phải được giữ ở mức thấp.

 Các băng thông có sẵn phải được sử dụng hiệu quả.

 Giao thức nên đảm bảo việc phân bổ công bằng băng thông cho các nút.

 Chi phí càng thấp càng tốt.

 Giao thức nên giảm thiểu các tác động của các vấn đề đầu cuối ẩn và hiện.

 Giao thức phải được mở rộng cho các mạng lớn.

 Giao thức cần phải có cơ chế kiểm soát quyền hạn.

 Giao thức cần phải có các cơ chế kiểm soát tỉ lệ dữ liệu thích ứng.

 Giao thức nên cố gắng sử dụng các anten định hướng (anten hướng tính).

 Giao thức nên cung cấp đồng bộ hóa giữa các nút.

Điều cần thiết cho các giao thức MAC đặc biệt

Hệ thống MAC đa truy nhập nhận biết sóng mang CSMA và các biến thể của nó, như đa truy nhập nhận biết nhà khai thác có phát hiện xung đột CSMA/CD được phát triển cho các mạng có dây, không thể được sử dụng một cách trực tiếp trong các mạng không dây, được giải thích như sau. Trong các hệ thống CSMA cơ sở, nút truyền dẫn đầu tiên nhận biết môi trường để kiểm tra xem trạng thái đang rỗi hay bận. Nút sẽ dừng truyền tín hiệu của nó để ngăn chặn xung đột với các tín hiệu đang có nếu môi trường bận. Nếu không, nút sẽ bắt đầu truyền tín hiệu của nó trong khi vẫn tiếp tục nhận biết (cảm biến) môi trường. Tuy nhiên, những xung đột sẽ xảy ra tại các nút nhận dữ liệu. Vì cường độ tín hiệu trong môi trường không dây sẽ mất dần theo tỷ lệ bình phương của khoảng cách từ máy phát, sự hiện diện của một tín hiệu tại nút nhận có thể không được phát hiện một cách rõ ràng tại các thiết bị đầu cuối gửi tín hiệu khác nếu chúng nằm ngoài dải.

Như minh họa trong hình 2.1, nút B nằm trong dải của nút A và nút C, nhưng A và C lại không nằm trong dải của nhau. Chúng ta hãy xem xét trường hợp A đang truyền tín hiệu tới B. Nút C đang nằm ngoài dải của A, không thể phát hiện một sóng mang và do đó có thể gửi tín hiệu tới B, và gây ra một xung đột tại B. Điều này gọi là ẩn thiết bị đầu cuối, như các

Chương 1: Tổng quan mạng Ad hoc không dây

Hình 2.1: Minh họa các vấn đề ẩn-hiện đầu cuối.

nút A và C là ẩn với nhau. Bây giờ chúng ta xem xét trường hợp khác khi B đang truyền tín hiệu tới A. Bởi vì C nằm ngoài dải của B, nó nhận biết một sóng mang và quyết định trì hoãn việc truyền tải tín hiệu của nó. Tuy nhiên, điều này là không cần thiết bởi vì không có cách nào mà việc truyền tải của C gây ra bất cứ xung đột nào tại nới nhận A. Điều này gọi là vấn đề hiện thiết bị đầu cuối, bởi vì thiết bị đầu cuối của B hiện (lộ) ra trước C gây ra việc trì hoãn truyền dẫn của nó theo cách không cần thiết. Các hệ thống MAC được thiết kế để khắc phục vấn đề này.

2.3. Phân loại giao thức MAC

Phần này mô tả việc phân loại các giao thức MAC và các yếu tố khác nhau được xem xét để phân loại. Các hệ thống MAC khác nhau được phát triển cho các mạng ad hoc không dây có thể được phân loại như thể hiện trong hình 2.2. Trong các hệ thống contention-free (khoảng thời gian không tranh chấp) (ví dụ, đa truy nhập phân chia theo thời gian [TDMA], đa truy nhập phân chia theo tần số [FDMA], và đa truy nhập phân chia theo mã [CDMA]), các nhiêm vụ cụ thể được sử dụng để tránh xung đột. Các hệ thống contention-based (tranh chấp cơ sở), mặc khác, nhận thức được sự nguy hiểm của các xung đột của dữ liệu được truyền đi. Bởi vì các hệ thống MAC contention-free được áp dụng nhiều hơn cho các mạng tĩnh và/hoặc các mạng với điểu khiển tập trung, chương này tập trung vào các hệ thống MAC contention-based.

Hình 2.2: Phân loại các giao thức MAC.

Chương 1: Tổng quan mạng Ad hoc không dây

Một loại khác phụ thuộc vào các giao thức tiết kiệm năng lượng ở tất cả các lớp của mô hình mạng. Do đó, các giao thức MAC có khả năng nhận biết là điều cần thiết. Một lớp các giao thức MAC khác sử dụng anten định hướng. Ưu điểm của phương pháp này là các tín hiệu được truyền duy nhất theo một hướng. Các nút khác do đó không còn dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu và các xung đột, và tái sử dụng không gian được thuận tiện. Một số hệ thống MAC đã được đề xuất cho các liên kết đơn hướng.

Người dùng sẽ yêu cầu một số mức độ QoS từ MANET, như trễ toàn trình (end-to-end delay), băng thông có sẵn, xác suất mất gói tin, v.v...Tuy nhiên, việc thiếu kiểm soát tập trung, các kênh băng thông bị hạn chế, nút di dộng, các hạn chế về năng lượng hoặc khả năng điện toán, và bản chất dễ bị lỗi của môi trường không dây làm cho nó trở nên khó khăn trong việc cung cấp QoS hiệu quả trong các mạng ad hoc. Bởi vì lớp MAC có một ảnh hưởng trực tiếp lên mức độ tin cậy và hiệu quả của dữ liệu có thể được truyền đi từ một nút đến một nút tiếp theo trên đường định tuyến trong mạng, nó ảnh hưởng đến QoS của mạng. Một vài hệ thống MAC nhận biết QoS (QoS-aware) sẽ được thảo luận trong chương này.

Một phân loại khác dựa trên số lượng các kênh được sử dụng để truyền dữ liệu. Các giao thức đơn kênh thiết lập các vùng riêng cho các truyền dẫn và sau đó truyền dữ liệu của chúng bằng cách sử dụng cùng một kênh hay tần số. Các giao thức đa kênh sử dụng nhiều hơn một kênh để phối hợp các phiên kết nối giữa máy phát và các nút thu.

Chương 1: Tổng quan mạng Ad hoc không dây

2.3.1. Các giao thức MAC dựa trên sự hài lòng

Các giao thức này tập trung vào các xung đột của dữ liệu được truyền đi. Bao gồm hai

loại: truy nhập ngẫu nhiên và các giao thức phân giải xung đột động.

1. Với các hệ thống access-based (truy nhập cơ sở) ngẫu nhiên, chẳng hạn như ALOHA, một nút có thể truy nhập kênh ngay sau khi nó sẵn sàng. Đương nhiên, có nhiều hơn một nút có thể truyền tải cùng một thời điểm, gây ra những xung đột. ALOHA phù hợp hơn theo các tải hệ thống thấp với số lượng lớn người gửi tiềm năng và nó cung cấp thông lượng tương đối thấp. Một biến thể khác của ALOHA, termed slotted ALOHA (ALOHA phân khe), giới thiệu về các khe thời gian truyền tải đồng bộ như TDMA. Trong trường hợp này, các nút chỉ có thể truyền vào đầu của một khe thời gian. Sự xuất hiện của các khe thời gian làm tăng gấp đôi thông lương so với hệ thống ALOHA nguyên gốc, với đòi hỏi của việc đồng bộ thời gian cần thiết. Các hệ thống CDMA-based (CDMA cơ sở) tiếp tục giảm thiểu khả năng những xung đột gói tin và cải thiện thông lượng.

2. Các giao thức phân giải xung đột động: để giải quyết các vấn đề ẩn-hiện đầu cuối trong CSMA, các nhà nghiên cứu đã tìm ra nhiều giao thức thuộc dạng contention-based nhưng liên quan đến một số dạng phân giải xung đột động. Một vài hệ thống sử dụng các gói tin kiểm soát request-to-send/clear-to-send để ngăn chặn các xung đột (ví dụ, tránh xung đột đa truy nhập [MACA] và MACA cho các mạng LAN không dây [MACAW]).

Các hệ thống MAC contention-based cũng có thể được phân loại là sender-initiated (khởi tạo từ phía gửi) với receiver-initiated (khởi tạo từ phía nhận), đơn kênh với đa kênh, nhận biết quyền hạn (power-aware), directional antenna-based (anten cơ sở hướng tính), unidirectional link-based (liên kết cơ sở đơn hướng), và các hệ thống nhận biết QoS, như đã được đề cấp trước. Như đã đề cập trước đây, cách tiếp cận dynamic reservation (đặt chỗ động) liên quan đến việc thiết lập liên quan đến một số loại đặt chỗ trước khi truyền dữ liệu. Nếu một nút muốn gửi dữ liệu khởi xướng việc thiết lập reservation (đặt chỗ) này, giao thức được coi là một giao thức sender-initiated. Hầu hết các hệ thống là sender-initiated. Trong một giao thức receiver-initiated, nút nhận sẽ thăm dò một nút truyền tiềm năng cho dữ liệu. Nếu nút gửi thực sự có một số dữ liệu cho bên nhận, nó cho phép truyền sau khi được thăm dò.

2.3.2. Các giao thức MAC hài lòng với các cơ chế đặt chỗ

Phương pháp tiếp cận đặt chỗ động liên quan đến việc thiết lập liên quan đến một số loại đặt chỗ trước khi truyền dữ liệu. Nếu một nút muốn gửi dữ liệu khởi xướng việc thiết lập reservation (đặt chỗ) này, giao thức được coi là một giao thức sender-initiated. Hầu hết các hệ thống là sender-initiated. Trong một giao thức receiver-initiated, nút nhận sẽ thăm dò một nút truyền tiềm năng cho dữ liệu. Nếu nút gửi thực sự có một số dữ liệu cho bên nhận, nó cho

Chương 1: Tổng quan mạng Ad hoc không dây

phép truyền sau khi được thăm dò. MACA bằng phương thức gửi lời mời (MACA-BI) và đa truy nhập tín hiệu bận khởi tạo từ phía nhận (RI-BTMA) là những ví dụ cho các hệ thống này.

2.3.2.1 Tránh xung đột đa truy nhập MACA

Giao thức MACA khắc phục được các vấn đề ẩn-hiện đầu cuối. MACA sử dụng hai gói tín hiệu ngắn. Ý tưởng chính của hệ thống MACA là bất cứ nút “hàng xóm” (lân cận) nào biết được một gói RTS đều phải trì hoãn việc truyền tín hiệu và bất cứ nút nào biết được một gói CST sẽ trì hoãn độ dài của việc truyền dữ liệu mong muốn. Trong một kịch bản ẩn thiết bị đầu cuối, như được giải thích trong phần 2.2, C sẽ không biết RTS được gửi bởi A, nhưng nó sẽ biết CTS được gửi bởi B. Theo đó, C trì hoãn việc truyền dẫn của nó trong suốt quá trình truyền dữ liệu của A. Tương tự như vậy, trong tình huống hiện thiết bị đầu cuối, C sẽ biết RTS được gửi bởi B, nhưng không biết CTS được gửi bởi A. Vì vậy, C sẽ tự xem xét để truyền tín hiệu trong suốt quá trình truyền dữ liệu của B.

Rõ ràng rằng sự trao đổi RTS-CTS cho phép các nút lân cận giảm thiểu các xung đột tại phía nhận, không phải là phía gửi. Mặc dù các xung đột vẫn có thể xảy ra giữa các gói RTS khác nhau. Nếu hai gói RTS xảy ra xung đột bởi bất cứ lí do gì, mỗi nút gửi sẽ chờ một khoảng thời gian được chọn ngẫu nhiên trước khi thử lại. Quá trình này tiếp tục cho đến khi một trong những đường truyền RTS tạo ra CTS mong muốn từ phía nhận. MACA có hiệu quả bởi vì những gói RTS và CTS ngắn hơn nhiều so với những gói dữ liệu thực, và do đó các xung đột giữa chúng ít tốn kém hơn so với các xung đột giữa các gói dữ liệu dài hơn.

Tuy nhiên, cách tiếp cận RTS-CTS không thường xuyên giải quyết được vấn đề ẩn đầu cuối một cách hoàn toàn, và các xung đột có thể xảy ra khi khi các nút khác gửi các gói RTS và CTS. Chúng ta hãy xem xét một ví dụ với bốn nút A, B, C, và D trong hình 2.3. Nút A gửi một gói RTS đến B, và B gửi một gói CTS trở lại A. Tại C, tuy vậy, gói CTS này xung đột với một gói RTS được gửi bởi D. Do đó, C không có cơ sở dữ liệu nào về việc truyền dữ liệu tiếp theo từ A tới B. Trong khi gói dữ liệu đang được truyền đi, D gửi ra RTS khác bởi vì nó đã không nhận được một gói CTS trong nỗ lực đầu tiên của nó. Lần này, C hồi đáp tới D với một CTS mà xung đột với gói dữ liệu tại B. Trong thực tế, khi các đầu cuối ẩn hiện diện và lưu lượng mạng ở mức cao, khả năng của MACA giảm như của ALOHA.

Một điểm yếu khác của MACA là nó không cung cấp bất cứ một tin báo nhận nào của việc truyền dữ liệu tại lớp liên kết dữ liệu. Nếu một truyền dẫn thất bại bởi bất cứ lí do nào, việc truyền lại sẽ được bắt đầu từ lớp truyển tải. Điều này có thể gây ra các chậm trễ đáng kể trong việc truyền dữ liệu.

Hình 2.3: Minh họa sự thật bại của cơ chế RTS-CTS khi xử lý các vấn đề ấn-hiện đầu cuối.

Chương 1: Tổng quan mạng Ad hoc không dây

2.3.2.1. Các ứng dụng cho MACA

Nếu giao thức MACA chứng minh được tính hiệu quả, nó có thể làm cho các mạng vô tuyến chuyển gói không chuyên đơn tần trở nên thực tế. Mặc dù nó sẽ vẫn thích hợp hơn cho các đường truyền chính (backbone) cố định để sử dụng riêng rẽ, các kênh dành riêng hoặc các liên kết điểm-điểm (point-to-point) bất cứ khi nào có thể, đều có khả năng tạo ra tính khả dụng, các mạng đơn tần, mạng ad hoc đều có thể rất hữu ích trong các trường hợp nhất định. Chúng bao gồm các kênh truy nhập người dùng (như tần số 145.01 MHz trong nhiều khu vực) và trong các hoạt động di động, di chuyển tạm thời tại nơi nó thường không khả thi để phối hợp với các mạng đa tần trước. Điều này có thể đặc biệt hữu ích cho các tình huống khẩn cấp ở các vùng sâu vùng xa không có thiết bị chuyên dụng.

2.3.2.2. Các điểm yếu của giao thức MACA

Những điểm yếu của giao thức bao gồm

 Khi các thiết bị đầu cuối ẩn hiện diện và lưu lượng mạng ở mức cao, khả năng

làm việc của MACA giảm như là ALOHA.

 MACA không cung cấp bất cứ một tin báo nhận nào của việc truyền dữ liệu tại lớp liên kết. Nếu một truyền dẫn thất bại bởi bất cứ lí do nào, việc truyền lại sẽ được bắt đầu từ lớp truyển tải. Điều này có thể gây ra các chậm trễ đáng kể trong việc truyền dữ liệu.

Mạng không dây MACAW

Chương 1: Tổng quan mạng Ad hoc không dây

Đa truy nhập với việc tránh xung đột cho mạng không dây (MACAW) là một giao thức MAC phân khe (slotted MAC) được sử dụng rộng rãi trong các mạng ad hoc. Hơn nữa, nó là nền tảng của nhiều giao thức MAC khác được sử dụng trong các mạng cảm biến không dây (WSNs). Cơ chế IEEE 802.11 RTS/CTS được áp dụng từ giao thức này. Nó sử dụng trình tự khung RTS-CTS-DS-DATA-ACK để chuyển dữ liệu, đôi khi bắt đầu bằng trình tự khung RTS-RRTS, theo quan điểm để cung cấp một giải pháp cho vấn đề ẩn-hiện thiết bị đầu cuối. Mặc dù các giao thức dựa trên MACAW, ví dụ như S-MAC, sử dụng cảm biến sóng mang bổ sung vào cơ chế RTS/CTS, MACAW không tạo nên việc sử dụng cảm biến sóng mang.

Các nguyên tắc hoạt động: Giả sử rằng nút A có dữ liệu để truyền tới B, nút A khởi đầu quá trình bằng cách gửi một yêu cầu để gửi (RTS) khung tới nút B. Nút đích (nút B) hồi đáp rõ ràng để gửi (CTS) khung. Sau khi nhận CTS, nút A gửi dữ liệu. Sau khi tiếp nhận thành công, nút B hổi đáp bằng một khung báo nhận (ACK). Nếu nút A phải gửi nhiều hơn một đoạn dữ liệu, nó phải đợi một thời gian ngẫu nhiên sau mỗi lần truyền dữ liệu thành công và cạnh tranh với các nút lân cận về môi trường sử dụng cơ chế RTS/CTS. Bất kì nút nào nhận biết được một khung RTS (ví dụ, nút F hoặc nút E trong hình minh họa) đều phải kiềm chế gửi bất cứ thứ gì cho đến khi CTS được nhận hoặc sau khi chờ một thời gian nhất định.

Nếu RTS được bắt không theo CTS, thời gian chờ đợi tối đa là thời gian truyền đạt RTS và thời gian quay vòng nút đích. Bất cứ nút nào nhận biết được một khung CTS đều phải kiềm chế gửi bất cứ thứ gì trong thời gian này cho đến khi khung dữ liệu và ACK đã được nhận (giải quyết vấn đề ẩn đầu cuối), cộng với một khoảng thời gian ngẫu nhiên. Cả hai khung RTS và CTS đều chứa thông tin về độ dài của khung dữ liệu. Do đó, một nút sử dụng thông tin này để ước lượng thời gian hoàn thành việc truyền dữ liệu. Trước khi gửi một khung dữ liệu dài, nút A sẽ gửi một khung gửi dữ liệu ngắn (DS), cung cấp thông tin về độ dài của khung dữ liệu. Mỗi trạm nhận biết được khung này sẽ hiểu rằng trao đổi RTS/CTS đã thành công. Một trạm đang nhận biết, có thể đã nhận RTS và DS nhưng không phải CTS, sẽ trì hoãn việc truyền tín hiệu của nó cho đến sau khi khung ACK đã được nhận cộng với một khoảng thời gian ngẫu nhiên.

Tóm lại, một phiên chuyển dữ liệu thành công (A đến B) bao gồm trình tự của các

khung sau đây:

1. Khung yêu cầu gửi (RTS-Request to send) từ A tới B. 2. Khung CTS (Clear to send) từ B tới A. 3. Khung gửi dữ liệu (DS-Data sending) từ A tới B. 4. Khung dữ liệu từ A tới B. 5. Khung báo nhận (ACK) từ B tới A.

MACAW là một giao thức phân khe không liên tục, có nghĩa là sau khi môi trường đã bận – ví dụ, sau một tin nhắn CTS – trạm chờ một khoảng thời gian ngẫu nhiên sau khi bắt đầu của một khe thời gian trước khi gửi một RTS. Điều này dẫn đến khả năng truy nhập công bằng tới môi trường. Nếu, ví dụ, nút A, B, và C có những đoạn dữ liệu để gửi sau một khoảng

Chương 1: Tổng quan mạng Ad hoc không dây

thời gian bận, chúng sẽ có môt cơ hội tương tự để truy nhập môi trường bởi vì chúng nằm trong dải truyền dẫn tín hiệu của nhau.

Đa truy nhập thu nhận nền FAMA (Floor Acquisition Multiple Access)

FAMA là một hệ thống MACA-based (MACA cơ sở) khác mà yêu cầu mọi trạm truyền quyền kiểm soát nền (ví dụ, kênh không dây) trước khi nó thực sự gửi bất cứ gói dữ liệu nào. Không giống như MACA hoặc MACAW, FAMA yêu cầu việc tránh xung đột được thực hiện tại cả các nút nhận và các nút gửi. Để “thu được nền” (acquire the floor), nút gửi sẽ gửi một RTS sử dụng cảm biến gói không liên tục (NPS) và cảm biến sóng mang không liên tục (NCS). Phía nhận đáp lại bằng một gói CTS, trong đó có chứa địa chỉ của nút gửi. Bất cứ trạm nào nhận biết được gói CTS này đều có thể biết về trạm đã thu nhận nền. Các gói CTS được lặp đi lặp lại đủ dài vì lợi ích của bất cứ người gửi ẩn nào mà không đăng kí RTS của nút gửi khác. Các tác giả đã khuyến nghị các biến thể NCS cho các mạng ad hoc bởi vì nó giải quyết vấn đề ẩn thiết bị đầu cuối một cách hiệu quả.

2.3.2.3. Hệ thống MAC IEEE 802.11

Hệ thống IEEE 802.11 xác định hai mô hình giao thức MAC: mô hình chức năng phối hợp phân phối (DCF) (cho các mạng ad hoc) và mô hình chức năng phối hợp điểm (PCF) (đối với các mạng dựa trên cơ sở hạ tầng phối hợp trung tâm). DCF trong IEEE 802.11 dựa trên CSMA với việc tránh xung đột (CSMA/CA), có thể được xem như là một sự kết hợp của các hệ thống CSMA và MACA. Giao thức sử dụng trình tự RTS-CTS-DATA-ACK để truyền dữ liệu. Giao thức không chỉ sử dụng cảm biến sóng mang vật lí, mà còn giới thiệu khái niệm của cảm biến sóng mang ảo. Điều này được thực hiện dưới hình thức của một vector phân bổ mạng (NAV), được duy tri bởi mỗi nút.

NAV chứa một giá trị thời gian đại diện cho khoảng thời gian mà môi trường không dây được dự kiến là sẽ bận bởi các truyền dẫn của các nút khác. Vì mỗi gói chứa thông tin thời gian cho phần còn lại của tin nhắn, mỗi nút nhận biết một gói tin liên tục cập nhật NAV cùa chúng. Các khe thời gian được chia thành đa khung và có một số loại là các IFS (Interframe Spacing Slot). Để tăng chiều dài, chúng là các IFS ngắn (SIFS), IFS chức năng phối hợp điểm (PIFS), DCF IFS (DIFS), và IFS mở rộng (EIFS). Nút đợi môi trường trống trải (free) cho một kết hợp của các thời điểm khác nhau trước khi nó thực sự truyền. Các loại khác của các gói có thể yêu cầu môi trường trống trải cho một số lượng hoặc loại khác của IFS.

Ví dụ, trong chế độ (mô hình) ad hoc, nếu môi trường trống trải sau khi một nút đã đợi DIFS, nó có thể truyền một gói theo hàng. Mặc khác, nếu môi trường vẫn bận, một bộ đếm chờ để truyền (back-off timer) được khởi động. Các giá trị bắt đầu của bộ đếm 10 được chọn ngẫu nhiên từ giữa 0 và CW-1, tại cửa sổ contention (tranh chấp) (CW) là chiều rộng của cửa sổ contention về các khe thời gian. Sau một nỗ lực truyền tải không thành công, một back-off khác được thực hiện với kích thước gấp đôi của CW được quyết định bởi một thuật toán back- off nhị phân theo cấp số nhân. Mỗi lần môi trường rỗi sau DIFS, bộ đếm thời gian được giảm

Chương 1: Tổng quan mạng Ad hoc không dây

đi. Khi bộ đếm hết hạn, gói dữ liệu được truyền. Sau mỗi lần truyền thành công, một back-off ngẫu nhiên khác (được gọi là postback-off) được thực hiện bởi nút truyền tải hoàn thành (transmission-completing). Một gói tin điều khiển như RTS, CTS, hoặc ACK được truyền sau khi môi trường đã trống trải cho SIFS.

2.3.2.4. Đa truy nhập tránh xung đột bởi lời mời MACA-BI

Trong các giao thức ngưởi gửi khởi tạo điển hình, nút gửi cần phải chuyển sang chế độ nhận (để nhận CTS) ngay sau khi truyền RTS. Mỗi lần trao đổi như vậy các gói tin điều khiển thêm vào thời gian quay vòng, làm giảm thông lượng tổng thể. MACA-BI [1] là một giao thức receiver-initiated làm giảm số lượng các trao đổi gói tin điều khiển. Thay vì phía gửi chờ đợi để được truy nhập vào kênh, MACA-BI đòi hỏi phía nhận gửi yêu cầu phía gửi truyền dữ liệu bằng cách sử dụng một gói tin RTR (ready-to-receiver) thay vì các gói RTS và CTS. Vì vậy, nó là một trao đổi hai chiều (RTR-DATA) so với việc trao đổi 3 chiều (RTS-CTS- DATA) của MACA.

Bởi vì máy phát không thể gửi bất cứ dữ liệu nào trước khi được yêu cầu từ phía nhận, do đó phải có một thuật toán dự đoán lưu lượng được xây dựng từ phía nhận để nó có thể biết được khi nào thì gửi yêu cầu dữ liệu từ phía gửi. Sự hiệu quả của thuật toán này giúp xác định thông lượng của hệ thống. Thuật toán được đề xuất bởi các tác giả sử dụng thông tin về chiều dài hàng đợi của gói tin và tỷ lệ của dữ liệu đến tại phía gửi trong gói dữ liệu. Khi phía nhận nhận được các dữ liệu này, nó có thể dự đoán sự tồn đọng trong máy phát và gửi các gói tin RTR phù hợp. Có một sự chuẩn bị cho máy phát để gửi một gói tin RTS nếu bộ đệm đầu vào của nó tràn. Hệ thống MACA-BI hoạt động hiệu quả trong các mạng với các mô hình dự đoán lưu lượng. Tuy nhiên, nếu lưu lượng bùng phát, hiệu suất làm việc sẽ giảm như MACA.

2.3.2.5. Đa truy nhập phân bổ nhóm với cảm biến gói tin GAMA-PS

GAMA-PS kết hợp các tính năng của phương thức contention-based cũng như contention-free. Nó chia kênh không dây thành một loạt các chu kỳ. Mỗi chu kỳ lại được chia thành hai phần cho truyền contention và truyền nhóm. Mặc dù thời gian truyền nhóm được chia thêm thành các các khoảng thời gian truyền thêm, GAMA-PS không yêu cầu đồng bộ hóa thời gian và tạo nhịp (clock) giữa các nút thành viên khác nhau. Các nút có nhu cầu giành chỗ cho truy nhập vào kênh sử dụng cho trao đổi RTS-CTS. Tuy nhiên, một nút sẽ back-off chỉ khi nó hiểu toàn bộ gói tin. Mình cảm biến sóng mang là không đủ lý do để back-off.

GAMA-PS tổ chức các nút thành các nhóm truyền tải, bao gồm các nút đã được phân bổ một khoảng thời gian truyền dẫn. Mỗi nút trong nhóm được dự kiến là sẽ nhận biết kênh. Do đó, không cần đến bất cứ điều khiển tập trung nào. Mỗi nút trong nhóm nhận thức tất cả các trao đổi RTS-CTS thành công và, nói rộng ra, của tất cả các khoảng thời gian truyền rỗi. Các thành viên của nhóm truyền nhận các lượt truyền dữ liệu, và một nút được dự kiến sẽ gửi gói thời gian truyền bắt đầu (BTP) trước dữ liệu thực. BTP chứa trạng thái của nhóm truyền, vị trí của nút trong nhóm, và số lượng thành viên trong nhóm. Một trạm thành viên có thể truyền tải lên một độ dài dữ liệu cố định, qua đó làm tăng hiệu suất.

Chương 1: Tổng quan mạng Ad hoc không dây

Thành viên cuối cùng của nhóm truyền sẽ phát quảng bá một gói tin yêu cầu truyền dẫn (TR) sau khi nó gửi dữ liệu của nó. Việc sử dụng TR rút ngắn chiều dài tối đá của thời gian contention bằng cách chống lại bất cứ trạm nào có thể cạnh tranh cho thành viên nhóm để làm như vậy vào lúc bắt đầu của thời gian (chu kỳ) contention. GAMA-PS giả định rằng không có thiết bị đẩu cuối ẩn nào. Kết quả là, hệ thống này có thể không làm việc tốt trong mạng ad hoc di động. Khi không có đủ lưu lượng trong mạng, GAMA-PS thực hiện như CSMA. Tuy nhiên, khi tải tăng lên, nó bắt đầu bắt chước TDMA và cho phép mỗi nút truyền một lần trong mỗi chu kỳ.

2.3.3. Các giao thức MAC sử dụng anten tính hướng

Trong trường hợp của các giao thức MAC trong các mạng ad hoc, các anten đẳng hướng, truyền và nhận các tín hiệu vô tuyến từ tất cả các hướng, thường được sử dụng. Các nút khác nằm trong vùng lân cận vẫn duy tri trạng thái “im lặng”. Nhưng các anten tính hướng đạt được độ lợi lớn hơn và hạn chế việc phát quảng bá theo một hướng tỉ mỉ. Việc tiếp nhận gói tin tại một nút với các anten tính hướng không được phóng đại bởi sự can thiệp từ các hướng khác. Theo đó, tùy thuộc vào hướng truyền, nó có thể là hai cặp của các nút nằm trong vùng lân cận của nhau được liên hệ cùng một lúc. Đối với các hướng không bị ảnh hưởng khác, điều này dẫn tới việc tái sử dụng không gian tốt hơn. Nhưng các anten này đang cung cấp đúng hướng và biến đó thành thời gian thực không phải là một nhiệm vụ dễ dàng.

Hơn nữa, các giao thức mới sẽ cần phải được lên kế hoạch để tận dụng lợi thế của các tính năng được cung cấp bởi các anten tính hướng bởi vì các giao thức hiện tại (ví dụ, IEEE 802.11) không thể được hưởng lợi từ các tính năng này. Hiện nay phần cứng của anten tính hướng được cho là cồng kềnh hơn và đắt hơn anten đẳng hướng. Các ứng dụng liên quan đến phương tiện quân sự lớn, tuy nhiên, là những thứ thích hợp cho các thiết bị không dây sử dụng các hệ thống anten như vậy. Việc sử dụng các dải tần số cao hơn (ví dụ, truyền tải siêu băng rộng) sẽ làm giảm kích thước của các anten tính hướng. Nhiều hệ thống được kiến nghị với với ý tưởng này:

1. Với các mạng vô tuyến chuyển gói và các anten tính hướng, hệ thống ALOHA phân khe liên quan đến các anten đa tính hướng. Trong trường hợp các anten tính hướng điều hướng chùm sóng (beam-forming), các mô hình truy nhập kênh, kiểm soát quyền hạn liên kết được yêu cầu.

2. Thông qua việc sử dụng các gói tin kiểm soát (điều khiển) đặc biệt, mỗi nút tự động lưu trữ một số thông tin về các “hàng xóm” (lân cận) của nó và lịch trình truyền tải của chúng. Điều này cho phép một nút định hướng anten của nó một cách thích hợp dựa trên các truyền dẫn đang diễn ra bên “hàng xóm”. Việc sử dụng các anten tính hướng để áp dụng các hình thức mới của trạng thái liên kết dựa trên định tuyến cũng được đề xuất.

3. Sử dụng các anten tính hướng, một hệ thống MAC tính hướng (D-MAC) sử dụng trình tự quen thuộc là RTS-CTS-DATA-ACK tại gói tin RTS được gửi

Chương 1: Tổng quan mạng Ad hoc không dây

bằng cách sử dụng một anten tính hướng. Mặc dù mỗi nút đều được giả định được chuẩn bị với một vài anten tính hướng, nhưng chỉ duy nhất một trong số chúng được phép truyền bất cứ lúc nào, tùy thuộc vào vị trí (dự định) của phía nhận. Ở đây, mỗi nút nhận thức được vị trí của mình cũng như vị trí của “hàng xóm” trực tiếp với nó.

4. Trong giao thức IEEE 802.11, mỗi nút đều có đa anten. Bất cứ nút nào có dữ liệu để gửi đều trước tiên phải xuất ra một bản tin RTS theo tất cả các hướng sử dụng anten. Phía gửi (dự định) cũng xuất ra gói tin CTS theo tất cả các hướng sử dụng anten. Phía gửi gốc bây giờ có thể chọn ra anten có tín hiệu CTS mạnh nhất và hiểu được hướng có liên quan của phía nhận. Gói dữ liệu được gửi bằng cách sử dụng anten tương ứng theo hướng phía nhận (dự định). Vì vậy các nút tham gia không cần phải biết thông tin về vị trí của chúng trước. Chỉ có một máy thu phát vô tuyến tại một nút có thể truyền và nhận tại bất cứ thời gian nào. Hệ thống này có thể đat được gấp 2-3 lần thông lượng trung bình hơn CSMA/CA với hệ thống RTS/CTS (sử dụng anten đẳng hướng). 5. Một hệ thống khác là RTS đa chặng (M-MAC) để truyền trên các đường đa chặng. Khi các anten tính hướng có một dải truyền dẫn và độ lợi cao hơn các anten đẳng hướng, một nút sẽ ở xa hơn nút khác giao tiếp trực tiếp. Để giao tiếp với các nút ở xa, M-MAC sử dụng nhiều chặng để gửi các gói tin RTS để thiết lập một liên kết, nhưng các gói tin CTS, dữ liệu, ACK tiếp theo được gửi theo một chặng duy nhất. Giao thức này có thể đạt được thông lượng tốt hơn và trễ end-to-end tốt hơn so với các hệ thống IEEE 802.11 cơ bản và D-MAC. Phụ thuộc vào cấu hình cấu trúc mạng và các mô hình lưu lượng của hệ thống, hiệu suất cũng khác nhau. Các anten tính hướng mang lại ba vấn đề mới: (1) các loại đầu cuối ẩn mới, (2) nhiễu tính hướng cao hơn (các vấn đề này là do các nút nằm trên cùng một đường thẳng), và (3) “độ điếc” (tại nơi tuyến của hai luồng lưu lượng chia sẻ một liên kết chung). Các vấn đề này phụ thuộc vào cấu trúc và mô hình lưu lượng. Với nút di động, hiệu suất của các hệ thống này sẽ giảm. Một số giao thức hiện tại giả định không chính xác rằng độ lợi của các anten tính hướng là giống như các anten đẳng hướng. Nhưng, không ai trong số chúng xem xét đến ảnh hưởng của kiểm soát việc truyền dẫn, sử dụng đa kênh, hay hỗ trợ cho lưu lượng thời gian thực.

2.3.4. Các giao thức MAC đa kênh

Xác suất xung đột cao với số lượng lớn các nút là vấn đề chính đối với hệ thống kênh chia sẻ đơn (single shared channel). Vấn đề này có thể được giải quyết với phương pháp đa kênh. Như đã thấy trong phân loại, một vài hệ thống đa kênh sử dụng một kênh chuyên dụng cho các gói tin (hoặc báo hiệu) điều khiển và một kênh riêng cho các truyền tải dữ liệu. Chúng thiết lập các tín hiệu bận trên kênh điều khiển, với mức tiêu thụ băng thông nhỏ, do đó các nút sẽ “ý thức” việc truyền liên tục (đang diễn ra).

Chương 1: Tổng quan mạng Ad hoc không dây

Một cách khác là sử dụng đa kênh cho việc truyền các gói tin dữ liệu, điều này có các

ưu điểm sau:

1. Việc sử dụng một số lượng các kênh có khả năng làm tăng thông lượng, bởi vì thông lượng tối đa của một hệ thống kênh đơn được giới hạn bởi băng thông của kênh đó.

2. Các truyền dẫn dữ liệu trên các kênh khác nhau là không giống nhau, và đa truyền dẫn có thể xảy ra trong cùng một khu vực. Điều này dẫn tới có ít các xung đột nghiêm trọng.

3. Dễ dàng hỗ trợ QoS bằng cách sử dụng đa kênh.

Trong thời gian thực, một giao thức MAC đa kênh dữ liệu phải phân chia việc từ các kênh khác nhau có đến các nút khác nhau. Vấn đề của truy nhập môi trường vẫn cần phải được giải quyết. Điều này liên quan đến việc quyết định, ví dụ, các khe thời gian mà tại đó một nút sẽ truy nhập vào một kênh riêng (cụ thể). Trong một số trường hợp nhất định, nó có thể cần thiết cho tất cả các nút được hài hòa với nhau, trong khi các trường hợp khác, nó cho các nút có thể “đàm phán” lịch trình với nhau. Các chi tiết của một số hệ thống MAC đa kênh sẽ được thảo luận tiếp theo.

2.3.4.1. Đa truy nhập tín hiệu bận kép (DBTMA)

Trong các hệ thống trao đổi đối thoại RTS/CTS, các gói tin điều khiển này tự bản thân chúng cũng dễ gây ra xung đột,. Vì thế, trong sự hiện diện của các đầu cuối ẩn, vẫn còn một nguy cơ phá hủy gói dữ liệu do xung đột. Hệ thống DBTMA có thể giải quyết tốt các vấn đề ẩn-hiện đầu cuối bằng báo hiệu ngoài băng (out-of-band). Việc truyền dữ liệu đang diễn ra trên kênh không dây chia sẻ đơn (single shared wireless channel). Nó xây dựng dựa trên các hệ thống BTMA và RI-BTMA (receiver-initiated BTMA). Để quản lý truy nhập vào môi trường chung, DBTMA phân trách nhiệm và không yêu cầu việc đồng bộ hóa thời gian giữa các nút.

Một lần nữa, để thiết lập các yêu cầu truyền tải, DBMTA gửi các gói RTS trên các kênh dữ liệu. Sau đó, hai tín hiệu bận khác nhau trên một kênh hẹp riêng được sử dụng để bảo vệ việc chuyển giao của các gói RTS và dữ liệu. Phía gửi RTS thiết lập một tín hiệu (tone) transmit-busy (BTt). Tương tự, phía nhận thiết lập một tín hiệu receive-busy (BTr) để báo nhận RTS mà không sử dụng bất cứ gói CTS nào. Bất kỳ nút nào cảm biến được một sự tồn tại của BTr hoặc BTt đều trì hoãn gửi RTS của nó trên kênh. Vì vậy, cả hai tín hiệu bận này đều cùng nhau đảm bảo sự an toàn khỏi va chạm từ các nút khác trong vùng lân cận. Thông qua việc sử dụng kết hợp BTr và BTt, các thiết bị đầu cuối hiện (exposed) có thể bắt đầu truyền gói dữ liệu. Đồng thời các thiết bị đầu cuối ẩn có thể trả lời các yêu cầu RTS như là việc truyền dữ liệu xảy ra giữa phía nhận và phía gửi. Tuy nhiên, hệ thống DBTMA không sử dụng ACK để báo nhận các gói dữ liệu đã được nhận. Nó đòi hỏi sự tham gia của phần cứng phụ (bổ sung).

Chương 1: Tổng quan mạng Ad hoc không dây

2.3.4.2. Giao thức MAC đa truy nhập cảm biến sóng mang đa kênh (CSMA)

Tổng băng thông có sẵn (W) được chia thành N kênh riêng biệt với W/N băng thông bởi giao thức CSMA đa kênh. Ở đây, N thấp hơn số lượng các nút trong mạng. Ngoài ra, các kênh được phân chia dựa trên hoặc là một hệ thống FDMA hoặc CDMA. Một máy phát sử dụng cảm biến sóng mang để nhận biết xem kênh được sử dụng cuối cùng là trống hay không. Nếu trống, kênh sẽ sử dụng nó. Nếu không, một kênh trống khác sẽ được chọn ngẫu nhiên. Nếu không có kênh trống nào được tìm thấy, nút sẽ thử lại sau.

Ngay cả khi tải lưu lượng rất cao và các kênh thích hợp không thể truy nhập, nguy cơ xảy ra xung đột vẫn giảm được phần nào bởi mỗi nút có xu hướng thích cuối cùng sử dụng kênh của nó thay vì chỉ đơn giản là lựa chọn một kênh mới một cách tùy tiện. Giao thức này hiệu quả hơn các hệ thống CSMA đơn kênh. Điều thú vị là, hiệu suất của hệ thống này là thấp hơn so với hệ thống CSMA đơn kênh tại các tải lưu lượng thấp hoặc khi mà chỉ có một số lượng nhỏ các nút tích cực (active) trong một khoảng thời gian dài. Điều này xảy ra do sự lạm dụng của các kênh rỗi. Giao thức được mở rộng để chọn kênh tốt nhất dựa trên năng lượng của tín hiệu được quan sát ở phía gửi.

2.3.4.3 Đa truy nhập đặt chặng HRMA

Hình 2.4: Cấu trúc khung và khe (slot) của HRMA.

Trong băng ISM, dựa trên vô tuyến trải phổ nhẩy tần FHSS, HRMA là một giao thức MAC hiệu quả. Để gửi toàn bộ gói trong cùng một chặng (chặng), nó sử dụng các thuộc tính khe thời gian của FHSS rất chậm. Để giao tiếp mà không cần tới sự can thiệp từ các nút khác, HRMA không yêu cầu cảm biến sóng mang; nó sử dụng một trình tự chặng có tần số chung và cũng cho phép một cặp nút để bảo vệ một tần số chặng (thông qua việc sử dụng một trao đổi RTS-CTS). Một trong số các tần số có sẵn N trong mạng được dành riêng cho việc đồng bộ hóa. N-1 tần số còn lại được chia thành M=((N-1)/2) cặp tần số (theo floor – lấy số nguyên có giá trị dưới).

Chương 1: Tổng quan mạng Ad hoc không dây

Đối với mỗi cặp, tần số đầu tiên được dùng để đặt chặng (HR), RTS, CTS, và các gói dữ liệu, và tần số thứ hai được dùng cho các gói ACK. HRMA được coi là một hệ thống TDMA, nơi mà các khe thời gian được chỉ định (phân chia) một tần số cụ thể được chia nhỏ thành bốn phần: giai đoạn đồng bộ hóa, HR, RTS, và CTS. Hình 2.4 mô tả khung HRMA. Trong suốt giai đoạn đồng bộ của mỗi khe thời gian, tất cả các nút rỗi đồng bộ hóa với nhau. Trên ba giai đoạn khác, chúng cùng nhau đi trên các chặng có tần số chung đã được phân chia cho các khe thời gian.

Đầu tiên, nút gửi sẽ gửi một gói RTS đến phía nhận trong giai đoạn RTS của khe thời gian. Trong cùng khe thời gian đó, phía nhận gửi một gói CTS đến phía gửi trong giai đoạn CTS. Bây giờ, phía gửi gửi dữ liệu trên cùng tần số (tại thời điểm này, các nút rỗi khác đang đồng bộ) và sau đó nhảy tới tần số báo nhận mà phía nhận gửi một ACK. Nếu dữ liệu lớn và đòi hỏi nhiều khe thời gian, phía gửi sẽ cho thấy điều này trong mào đầu của gói dữ liệu. Phía nhận sau đó gửi một gói tin HR trong giai đoạn HR của khe thời gian tiếp theo, để kéo dài quy định của tần số hiện tại cho phía gửi cũng như là phía nhận. Điều này cho thấy các nút khác bỏ qua tần số này trong trình tự chặng. HRMA nhận thông lượng cao hơn nhiều so với ALOHA phân khe trong các kênh HFSS. Nó sử dụng đơn giản, bán song công, các tần số chậm (slow-frequency) có sẵn. Mặc khác, nó đòi hỏi sự đồng bộ hóa giữa các nút, mà không thích hợp cho các mạng đa chặng.

2.3.4.3. Điều khiển truy nhập môi trường đa kênh MMAC)

MMAC sử dụng một số kênh bằng cách chuyển đổi giữa chúng một cách linh hoạt. Trong khi giao thức IEEE 802.11 có hỗ trợ nội tại cho đa kênh trong chế độ DCF, hiện tại nó chỉ sử dụng một kênh. Nguyên nhân chính là các máy chủ (host) với một máy thu phát bán song công đơn chỉ có thể truyền hoặc “lắng nghe” một kênh tại một thời điểm. MMAC là một sự hiệu chỉnh đối với DCF để sử dụng đa kênh. Cũng giống như hệ thống DPSM, thời gian được chia thành nhiều khoảng thời gian cố định. Khi bắt đầu mỗi khoảng thời gian đều có một cửa sổ ATIM nhỏ. Trong cừa sổ ATIM này các gói tin được trao đổi giữa các nút để hài hòa nhiệm vụ của các kênh thích hợp để sử dụng các khe thời gian tiếp theo trong khoảng thời gian đó.

Trái ngược với các giao thức đa kênh khác, MMAC chỉ cần một máy thu phát. Khi bắt đầu mỗi quãng báo hiệu, mỗi nút tự đồng bộ hóa với các nút khác bằng cách điều chỉnh thành một kênh đồng bộ chung trên các gói ATIM được trao đổi. Trong suốt khoảng thời gian này không có một sự lan truyền gói dữ liệu nào được cho phép. Hơn nữa, mỗi nút giữ một danh sách kênh ưa thích (PCL) lưu trữ cách sử dụng của các kênh trong phạm vi truyền dẫn của nó và cũng cho phép cho việc đánh dấu ưu tiên cho các kênh đó. Khi một nút đang gửi một gói dữ liệu, nó sẽ xuất ra một gói ATIM tới phía nhận bao gồm PCL của phía gửi. Phía nhận sau đó so sánh PCL của phía gửi với danh sách của nó và chọn ra một kênh thích hợp để sử dụng. Đáp ứng (trả lời) sẽ được đưa ra với một gói ATIM-ACK bao gồm kênh được lựa chọn trong đó.

Chương 1: Tổng quan mạng Ad hoc không dây

Nếu kênh được chọn đạt tiêu chuẩn với phía gửi, nó sẽ trả lời bẳng một gói tin ATIM- RES (reservation). Bất kỳ nút nào “nghe được” một gói tin ATIM-ACK hoặc ATIM-RES đều cập nhật vào PCL của nó. Sau đó, phía nhận và phía gửi trao đổi các tin nhắn RTS/CTS trên kênh được chọn trước khi trao đổi dữ liệu. Nếu không, nếu kênh được chọn không thích hợp cho phía gửi, nó phải “treo” cho đến khi quãng báo hiệu tiếp theo thử lại với kênh khác. Xét về hiệu suất thông lượng, MMAC tốt hơn so với IEEE 802.11 và DCA. Nó cũng có thể được kết hợp với chế độ IEEE 802.11 PSM chỉ sử dụng phần cứng đơn giản. Tuy nhiên, trễ gói cũng dài hơn DCA. Hơn nữa, nó không phù hợp với các mạng ad hoc đa chặng bởi vì các nút được đồng bộ hóa.

2.3.4.4. Phân kênh động với điều khiển năng lượng (DCA-PC)

DAC-PC là một phiên bản mở rộng của giao thức DCA. Nó kết hợp các khái niệm kiểm soát (điều khiển) năng lượng và truy nhập môi trường đa kênh trong khuôn khổ của MANETs. Các kênh được phân cho máy chủ khi mà chúng yêu cầu. Băng thông được chia thành một kênh điều khiển và các kênh đa dữ liệu, và mỗi nút được chuẩn bị hai máy thu phát bán song công. Để trao đổi các gói điều khiển (sử dụng năng lượng tối đa), một máy thu phát hoạt động trên kênh điều khiển để “đặt chỗ” kênh dữ liệu; cái khác chuyển giao giữa các kênh dữ liệu cho trao đổi dữ liệu và các báo nhận (với điều khiển năng lượng). Khi một máy chủ muốn một kênh “trò chuyện” với kênh khác, nó tự tham gia vào một chuyển mạch RTS/CTS/RES, mà RES là một gói “đặt chỗ” đặc biệt đánh dấu kênh dữ liệu thích hợp được sử dụng.

Mỗi nút có một bảng các mức năng lượng để sử dụng khi các giao tiếp diễn ra với các nút khác. Dựa trên các trao đổi RTS/CTS trên kênh điều khiển, các mức năng lượng này được tính toán. Khi các nút luôn “lắng nghe” kênh điều khiển, nó thậm chí có thể cập nhật các giá trị năng lượng với tính động dựa trên các trao đổi điều khiển khác đang diễn ra xung quanh nó. Mỗi nút duy trì một thông tin việc sử dụng danh sách kênh. Danh sách này thông báo cho nút mà kênh “hàng xóm” của nó đang sử dụng và cả thời gian sử dụng. DCA-PC có thông lượng cao hơn DCA. Nhưng, khi một số lượng các kênh được tăng lên vượt quá một điểm, hậu quả của điều khiển năng lượng là thấp hơn đáng kể đối với tải của kênh điều khiển. DCA- PC là một nỗ lực ban đầu để giải quyết vấn đề phân kênh động và các vấn đề điều khiển năng lượng.

2.3.5. Các giao thức MAC tính đến năng lượng

Điều quan trọng để bảo toàn năng lượng và sử dụng năng lượng hiệu quả như các thiết bị di động là năng lượng pin được điều khiển (kiểm soát). Bảo toàn năng lượng được xem xét trên tất cả các lớp của chồng giao thức. Sau đây là các nguyên tắc hướng dẫn cho việc bảo toàn năng lượng trong các giao thức MAC:

1. Các xung đột nên được tránh bởi vì chúng là nguyên nhân chính của việc

truyền lại gây tốn kém.

Chương 1: Tổng quan mạng Ad hoc không dây

2. Các máy thu phát tiêu thụ hầu hết năng lượng trong chế độ tích cực, vì thế

chúng nên giữ ở chế độ chờ (hoặc tắt) bất cứ khi nào có thể.

3. Máy phát cần được kiểm soát ở một chế độ năng lượng thấp hơn thay vì năng

lượng tối đa bởi vì điều đó là đủ cho nút đích nắm được việc truyền dẫn.

Cụ thể của các hệ thống được chọn sẽ được thảo luận tiếp theo.

2.3.5.1. Điều khiển truy nhập môi trường Power-Aware với báo hiệu (PAMAS)

Ý tưởng cơ bản đằng sau PAMAS đó là tất cả các tương tác RTS-CTS được thực hiện trên kênh báo hiệu và truyền tải dữ liệu được giữ ngoài trên một kênh dữ liệu. Nút đích bắt đầu gửi một tín hiệu bận trên kênh báo hiệu để tiếp nhận một gói dữ liệu. Khi năng lượng đi xuống, các nút bắt đầu “lắng nghe” kênh báo hiệu bằng cách giả định rằng đó là điều thuận lợi nhất để ngắt các máy thu phát của chúng. Để đảm bảo năng lượng không bị sụt giảm, mỗi nút tự quyết định xem có hay không việc ngắt năng lượng để tránh sụt giảm thông lượng. Khi một nút không có gì để truyền tải, nó tự ngắt năng lượng và nhận ra rằng “hàng xóm” của nó đang truyền tải. Một nút cũng có thể tự ngắt năng lượng nếu ít nhất một “hàng xóm” đang truyển tải và một “hàng xóm” khác đang tiếp nhận vào cùng một thời điểm.

Có một vài quy tắc để quyết định khoảng thời gian của một trạng thái ngắt năng lượng (power-down). Hệ thống này được sử dụng với các giao thức khác giống như FAMA. Việc sử dụng ACK và truyền tải nhiều gói tin cải thiện hiệu suất của PAMAS. Thời gian quay vòng thu phát vô tuyến, mà không đáng kể, được đo trong hệ thống PAMAS.

2.3.5.2. Cơ chế tiết kiệm năng lượng động (DPSM)

Khái niệm trạng thái “ngủ” và “thức” của các nút được sử dụng trong DPSM để bảo toàn năng lượng. Nó là một loại thuộc hệ thống IEEE 802.11 mà nó sử dụng lưu lượng ad hoc biểu thị các cửa sổ ATIM để đạt được các lần “dozing” (ngủ) lâu hơn tại các nút. Chế độ IEEE 802.11 DCF là một cơ chế tiết kiệm nặng lượng mà thời gian được chia thành các quãng báo hiệu được sử dụng đê đồng bộ các nút. Tại mào đầu của các quãng báo hiệu, tất cả các nút phải “thức” cho khoảng thời gian cố định được biết tới là cửa sổ ATIM, thông báo trạng thái của các gói tin sẵn sàng truyền tải tới các nút nhận. Việc thông báo được tạo thông qua các khung ATIM và được báo nhận thông qua các gói ATIM-ACK trong suốt quãng báo hiệu tương tự. Hình 2.5 cho thấy cách thức này. Hiệu suất chịu tổn thất về thông lượng và tiêu thụ năng lượng nếu kích thước cửa sổ ATIM được giữ cố định.

Hình 2.5: Cơ chế tiết kiệm năng lượng cho DCF.

Chương 1: Tổng quan mạng Ad hoc không dây

Mỗi nút tự động và độc lập lựa chọn chiều dải của cửa số ATIM trong DPSM. Kết quả là, mỗi nút kết thúc với một cửa sổ có kích thước khác nhau. Sau khi tham gia vào việc truyển tải các gói tin được thông báo trong khung ATIM trước, nó cho phép các nút phía gửi và phía nhận thực hiện chế độ “ngủ” ngay lập tức. Trái ngược với phương thức DCF, chúng không duy trì trạng thái “thức” trong toàn bộ quãng báo hiệu.

Sau khi cửa sổ hiện tại “hết hạn”, chiều dài của cửa sổ ATIM được mở rộng nếu một số gói tin được xếp hàng trong trong bộ đệm vẫn chưa được gửi. Một lần nữa, mỗi gói dữ liệu mang chiều dài hiện tại của cửa sổ ATIM và bất cứ nút nào “nghe trộm” thông tin này có thể quyết định thay đổi chiều dài cửa sổ của chúng dựa trên thông tin đã nhận. Về việc tiết kiệm năng lượng và thông lượng, DPSM hiệu quả hơn IEEE 802.11 DCF. Tuy nhiên, IEEE 802.11 và DPSM không thích hợp với các mạng ad hoc đa chặng bởi vì chúng được cấp các máy tạo xung của các nút đươc đồng bộ và mạng được kết nối. Cây biến đổi của DPSM cho các MANET đa chặng có sẵn được sử dụng cho các máy tạo xung không đồng bộ.

Nút A thông báo một gói đệm tới B sử dụng một khung ATIM. Nút B trả lời bằng cách gửi một bản tin ATIM-ACK và cả A và B đều duy trì trạng thái “thức” trong suốt toàn bộ quãng báo hiệu. Việc truyền tải dữ liệu thực sự từ A đến B được hoàn thành trong suốt quãng báo hiệu; bởi C không có bất cứ gói tin nào để gửi hay nhận, nó “ngủ” sau cửa sổ ATIM.

2.3.5.3. Điều khiển truy nhập môi trường kiểm soát năng lượng (PCM)

Việc thay đổi trạng thái ‘ngủ” và “thức” cho các nút đã được sử dụng trong các khái niệm trước cho việc điều khiển năng lượng. Trong PCM, các gói RTS và CTS được gửi bằng các phương thức năng lượng tối đa, trong khi các gói dữ liệu và ACK được gửi với năng lượng tối thiểu cần thiết cho liên lạc. Một ví dụ được thể hiện trong hình 2.6. Nút D gửi RTS tới nút E ở mức năng lượng truyền Pmax và bao gồm (chứa) giá trị này trong gói tin. E đo cường độ tín hiệu thật Pr của gói RTS được nhận. Được tìm thấy trên Pmax, Pr và cường độ nhiễu tại vị trí của nó, E tính toán mức năng lượng tối thiểu, Psuff, mà thực sự là đủ để sử

Chương 1: Tổng quan mạng Ad hoc không dây

Hình 2.6: Mô tả hệ thống điều khiển năng lượng: CS = Cảm biến sóng mang và TR = Cự ly truyền tải.

dụng bởi D. Bây giờ, khi E trả lời với gói CTS sử dụng năng lượng tối đa nó có, nó bao gồm Psuff mà D sử dụng cho truyền tải dữ liệu. G có khả năng “nghe” gói CTS này và trì hoãn các truyền tải của nó.

E cũng chứa mức năng lượng mà nó sử dụng cho truyển tải trong gói CTS. D sau đó cũng đi theo một tiến trình tương tự và tính toán mức năng lượng yêu cầu tối thiểu cần thiết để nhận một gói tin từ E tới nó. Nó chứa giá trị này trong gói dữ liệu mà E có thể dùng nó để gửi ACK. PCM cũng quy định rằng nút nguồn truyền gói dữ liệu theo thời gian tại mức năng lượng tối đa để các nút trong dải cảm biến sóng mang, như A, có thể càm biến nó. PCM do đó tiết kiệm năng lượng mà không có sự thiếu hụt thông lượng nào. Hoạt động của hệ thông PCM cần một đánh giá chính xác về cường độ tín hiệu của gói tin nhận được. Vì vậy, tính động của tín hiệu không dây trải ra do pha-đinh và các hiệu ứng đổ bóng làm suy giảm công suất của nó. Một nhược điểm khác của hệ thống này là sự phức tạp trong việc thực hiện các thay đổi thường xuyên ở các cấp độ năng lượng truyền tải.

Chương 1: Tổng quan mạng Ad hoc không dây

2.3.5.4. Đa truy nhập điểu khiển công suấ PCMA

Đa truy nhập điểu khiển công suất PCMA dựa vào việc kiểm soát năng lượng truyển tải của phía gửi. Sau đó phía nhận (dự kiến) có khả năng giải mã gói tin. Nhiễu từ các nút lân cận khác không liên quan đến trao đổi gói bị tránh. PCMA sử dụng hai kênh, một dùng cho truyền các tín hiệu bận và một dùng cho các gói dữ liệu và điều khiển. Phương pháp điều khiển năng lượng trong PCMA được sử dụng để tăng hiệu quả kênh bằng tất cả các cách thông qua tái sử dụng tần số không gian hơn là chỉ tăng tuổi thọ pin. Kết quả là, một mối bận tâm lớn tới cặp máy phát và máy nhận được giải quyết ở mức năng lượng tối thiểu được yêu cầu để máy nhận giải mã gói tin. Vì thế, không có khó khăn nào trong việc tiếp nhận của phía nhận bởi bất cứ máy phát nào, phía nhận sẽ thông báo độ nhiễu cho phép của nó.

Trong các phương thức thông thường để tránh xung đột, một nút hoặc là được cho phép truyển tải hoặc không, phụ thuộc vào kết quả của cảm biến sóng mang. Trong PCMA, phương pháp này được khái quát hóa cho một mô hình năng lượng bao quanh. Phía gửi gửi một gói tin Request_Power_To_Send (RPTS) trong kênh dữ liệu tới phía nhận trước khi truyển tải dữ liệu. Phía nhận đáp lại bằng một gói tin Accept_Power_To_Send (APTR) trong kênh dữ liệu. Chuyển đổi RPTS-APTS này được sử dụng để xác định mức năng lượng truyển tải tối thiểu, cái mà tạo ra việc tiếp nhận gói tin thành công tại phía nhận. Sau trao đổi này, dữ liệu thực được truyền đi và báo nhận bằng một gói tin ACK.

Mỗi máy nhận thiết lập một tín hiệu bận đặc biệt là một xung định kì trong các kênh riêng biệt. Năng lượng tín hiệu của nó thông báo tới các nút khác năng lượng nhiễu được thêm vào nút nhận có thể chịu đựng. Khi một phía gửi theo dõi kênh tín hiệu bận (busy-tone), nó sẽ làm một thứ gì đó tương tự tới cảm biến sóng mang, như là trong mô hình CSMA/CA. Khi một máy nhận phát ra một xung tín hiệu bận, nó sẽ làm một thứ gì đó tương tự tới việc xuất ra một tin CTS. Việc trao đổi RPTS-APTS tương đương với trao đổi RTS-CTS. Nhưng sự khác nhau chính là việc trao đổi RPTS-APTS không bắt buộc các máy phát ẩn khác phải back-off. Các xung đột được giải quyết bằng cách sử dụng một chính sách back-off thích hợp.

2.4. Tổng kết chương 2

Chương này đã tập trung vào các mạng không dây ad hoc đối với các giao thức MAC. Nhiều hệ thống và tính năng nổi bất của chúng đã được thảo luận. Đặc biệt, nó đã tập trung vào các vấn đề giải quyết xung đột, bảo toàn năng lượng, đa kênh, và các lợi thế của việc sử dụng các anten tính hướng. Các nguyên tắc hoạt động của một vài hệ thống MAC đã được thảo luận. Trong khi một số trong chúng là các giao thức đa năng (như là MACA, MACAW, v.v...), số khác tập trung vào các tính năng cụ thể như kiểm soát năng lượng (PAMAS, PCM, v.v...) hoặc việc sử dụng công nghệ chuyên dụng như anten tính hướng (D-MAC, RTS MAC đa chặng, v.v...). Hầu hết các hệ thống này, tuy vậy, không được thiết kế một cách đặc biệt cho các mạng với các nút di động. Ngược lại, thời gian giao dịch tại lớp MAC là tương đối ngắn. Hậu quả của tính di động trở nên ít quan trọng bởi vì băng thông kênh có sẵn tiếp tục phát triển.

Chương 1: Tổng quan mạng Ad hoc không dây

2.5. Câu hỏi ôn tập chương 2

2.1 Giải thích sự cần thiết của các giao thức MAC đối với các mạng ad hoc.

2.2 Thảo luận về các yếu tố khác nhau cân được xem xét khi đo hiệu suất làm việc của

giao thức MAC đối với các mạng ad hoc.

2.3 Với một sơ đồ gọn gàng, giải thích các vấn đề ẩn-hiện nút.

2.4 Cung cấp việc phân loại các giao thức MAC với một ví dụ thích hợp.

2.5 Mô tả các giao thức MAC contention-based với một ví dụ.

2.6 Giải thích các giao thức MAC contention-based với việc “đặt chỗ”.

2.7 Mô tả giao thức MACA với một ví dụ thích hợp.

2.8 Giải thích ngắn gọn hai chế độ hoạt động trong hệ thống MAC IEEE 802.11.

2.9 Thảo luận về hoạt động của tránh xung đột đa truy nhập bằng lời mời (MACA-BI)

với một hình minh họa.

2.10 Làm thế nào để đa truy nhập phân bổ theo nhóm với cảm biến gói (GAMA-PS) làm

việc tốt với các mạng ad hoc? Giải thích.

2.11 Mô tả các giao thức MAC sử dụng anten tính hướng một cách chi tiết.

2.12 Giải thích lợi thế của các giao thức MAC đa kênh.

2.13 Thảo luận về lợi thế của các giao thức MAC power-aware hoặc energy-efficient.

2.14 Giải thích điều khiển truy nhập môi trường nhận thức năng lượng (power-aware) với

báo hiệu (PAMAS) cùng một ví dụ.

2.15 Giải thích cơ chế tiết kiệm năng lượng động (DPSM) là một giao thức MAC hiệu

quả trong các mạng ad hoc.

2.16 Thảo luận về điều khiển truy nhập môi trường kiểm soát năng lượng (PCM) và đa

truy nhập PCMA.

2.17 Các mục đích thiết kế của giao thức MAC là gì?

2.18 Mô tả các ứng dụng của giao thức MACA.

2.19 Thảo luận về các điểm yếu của giao thức MACA.

2.20 Giải thích nguyên tắc hoạt động của giao thức MACAW.

2.6. Tài liệu tham khảo chương 2

[1] Talucci, F., and M. Gerla. 1997. MACA-BI (MACA by invitation). A wireless MAC protocol for high speed ad hoc networking. Proceedings of IEEE ICUPC.

Chương 3: Định Tuyến Trong các Mạng Ad hoc

CHƯƠNG 3: ĐỊNH TUYẾN TRONG CÁC MẠNG AD HOC

Nguyễn Thị Thu Hằng, Nguyễn Việt Hùng

3.1. Mở đầu

Với những cải tiến trong công nghệ truyền thông không dây, những thiết bị thu phát có năng lực mạnh và giá thành thấp đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng di động. Trong những năm gần đây các mạng di động thu hút được sự quan tâm đáng kể vì đặc tính rất linh hoạt và có giá thành giảm. So với các mạng có dây, mạng di động có những đặc tính rất độc đáo. Trong các mạng di động, sự di chuyển của nút có thể dẫn tới việc hình trạng mạng thay đổi thường xuyên, điều này hiếm khi xảy ra với mạng có dây. Mạng có dây có dung lượng liên kết ổn định trong khi đó dung lượng của liên kết không dây thường xuyên thay đổi vì ảnh hưởng của nguồn phát, độ nhậy của máy thu, nhiễu, pha đinh và xuyên nhiễu. Ngoài ra, các mạng di động không dây còn có tỷ lệ lỗi cao, bị giới hạn về công suất và băng thông [2], [3].

Tùy thuộc vào cơ sở hạ tầng cố định, các mạng di động có thể được phân chia thành mạng có cơ sở hạ tầng và mạng adhoc di động (MANET). Trong mạng di động có cơ sở hạ tầng, các nút di động có các điểm truy nhập có dây (hoặc các trạm gốc) trong cự ly truyền dẫn của chúng. Những điểm truy nhập này tạo nên đường trục (backbone) cho mạng hạ tầng. Trái lại, các mạng adhoc di động là các mạng tự tổ chức mà không cần hỗ trợ hạ tầng. Trong mạng adhoc di động, các nút di chuyển tùy biến vì thế mạng có thể thay đổi hình trạng rất nhanh chóng và khó đoán trước. Ngoài ra vì nút trong các mạng adhoc di động thường có cự ly truyền dẫn giới hạn nên một số nút không thể truyền thông trực tiếp với nhau. Vì vậy các đường định tuyến trong mạng adhoc di động có thể có nhiều chặng và mỗi nút trong mạng adhoc di động có thể làm việc như một bộ định tuyến.

Các mạng adhoc di động ban đầu được đề xuất trong dự án của DARPA (Cục các dự án tiên tiến của Bộ quốc phòng Chính phủ Mỹ), PRNet (Mạng vô tuyến gói) và SURAN. Với hạ tầng độc lập thiết lập trước, các mạng adhoc di động có những ưu điểm như triển khai dễ và nhanh, cải thiện độ linh hoạt và chi phí giảm. Các mạng adhoc di động phù hợp với những ứng dụng di động kể cả trong môi trường bất lợi nơi không có sẵn cơ sở hạ tầng hay trong các ứng dụng di động thiết lập tạm thời mà giá thành lại là vấn đề quan trọng. Trong những năm gần đây, ứng dụng của các mạng adhoc di động đã ngày càng quan trọng hơn trong các tổ chức công cộng phi quân sự và trong những lĩnh vực thương mại và công nghiệp. Những ứng dụng điển hình nhất là cứu hộ, hoạt động thực thi pháp luật, robot công nghiệp hợp tác, điều hành giao thông và hoạt động giáo dục trong trường học.

Những nghiên cứu chủ động cho các mạng adhoc di động được thực hiện chủ yếu trong các lĩnh vực điều khiển truy nhập môi trường (MAC), định tuyến, quản lý tài nguyên, điều khiển năng lượng và an toàn. Vì sự quan trọng của các giao thức định tuyến trong các

Chương 3: Định Tuyến Trong các Mạng Ad hoc

mạng đa bước động, rất nhiều giao thức định tuyến mạng adhoc di động đã được đề xuất trong những năm gần đây. Có một vài thách thức là cho sự thiết kế các giao thức định tuyến mạng adhoc di động trở nên khó khăn. Thứ nhất, trong các mạng adhoc di động sự di chuyển của nút làm cho hình trạng mạng thường xuyên thay đổi và gián đoạn. Thứ hai, vì dung lượng của các liên kết không dây là thay đổi và không thể đoán trước nên có thể thường xuyên xảy ra hiện tượng mất gói tin. Hơn nữa, bản chất quảng bá tự nhiên của môi trường không dây dẫn đến hiện tượng đầu cuối bị ẩn và nảy sinh nhiều bài toán về đầu cuối. Ngoài ra, các nút di động bị giới hạn về tài nguyên như năng lượng, khả năng tính toán và băng thông nên yêu cầu có những cơ cấu định tuyến hiệu quả. Là kiểu mạng hứa hẹn cho những ứng dụng di động tương lai, các mạng adhoc di động là chủ đề ngày càng hấp dẫn các nhà nghiên cứu.

Trong mạng có dây có hai giải thuật định tuyến chính được sử dụng là trạng thái liên kết và vector khoảng cách. Việc cập nhật thường xuyên và định kỳ của hai giải thuật này khiến nó khó có thể mở rộng trong mạng MANET lớn vì nó tiêu tốn một phần đáng kể băng thông, làm tăng việc cạnh tranh kênh truyền và tiêu hao nhiều năng lượng. Để khắc phục vấn đề này có rất nhiều giao thức định tuyến cho mạng Ad hoc đã được đưa ra, có nhiều phương pháp để phân biệt các giao thức định tuyến này như dựa vào cách trao đổi thông tin định tuyến giữa các nút di động (dựa trên sự phản ứng); dựa vào vị trí địa lý; dựa vào hình trạng mạng (phẳng hay phân cấp); dựa vào năng lượng; dựa vào sự thích nghi; dựa vào sự an toàn hay dựa vào cách truyền multicast…[1], [2], [3], [4], [10], [11]. Một trong những phương pháp phân loại phổ biến nhất là dựa vào cách trao đổi thông tin định tuyến giữa các nút di động, thông qua phương pháp này, có ba nhóm giao thức chính (hình 3.1).

Các giao thức định tuyến trong MANET

(dựa vào cách trao đổi thông tin định tuyến)

Các giao thức định tuyến lai

Các giao thức định tuyến chủ động

Các giao thức định tuyến theo yêu cầu

ZPR

TORA

…

DSDV

OLSR

FSR

…

DSR

AODV

ACOR

…

Hình 3.1: Một số giao thức định tuyến trong mạng MANET

 Định tuyến chủ động hay định tuyến theo bảng (proactive routing/table-driven)

 Định tuyến theo yêu cầu (reactive routing/on-demand routing)

 Định tuyến lai (hybrid routing)

Chương 3: Định Tuyến Trong các Mạng Ad hoc

Chương này sẽ giới thiệu một số vấn đề liên quan tới việc thiết kế các giao thức định tuyến trong mạng Adhoc và giới thiệu về một số giao thức định tuyến điển hình trong mạng Ad hoc.

3.2. Những vấn đề thiết kế các giao thức định tuyến cho mạng Adhoc

Phần này bàn luận về những vấn đề thiết kế chính trong các mạng adhoc di động [3].

3.2.1. Kiến trúc định tuyến

Kiến trúc định tuyến của mạng tự tổ chức có thể ở dạng phân cấp hoặc phẳng. Trong hầu hết các mạng tự tổ chức, các trạm (host) sẽ hoạt động như thiết bị định tuyến độc lập, có nghĩa là kiến trúc định tuyến coi như là phẳng, nghĩa là mỗi địa chỉ được nhận dạng duy nhất và không chứa bất kỳ thông tin gì về một trạm nào khác. Trong mạng tự tổ chức có kiến trúc phẳng thì không cần quản lý tính di động vì tất cả các nút có thể thấy nhau qua giao thức định tuyến. Trong các giải thuật định tuyến phẳng như DSDV (Destination Sequenced Distance Vector) và WRP (Wireless Routing Protocol), các bảng định tuyến có thông tin tới tất cả các trạm trong mạng tự tổ chức. Tuy nhiên giải thuật định tuyến phẳng không có khả năng mở rộng tốt. Tiêu đề định tuyến tăng nhanh chóng khi mạng mở rộng. Vì vậy để điều khiển tái sử dụng không gian kênh (tần số, thời gian hay mã trải phổ) và giảm tiêu đề thông tin định tuyến, cần triển khai cơ cấu phân cấp. Phân cụm là kỹ thuật thông dụng nhất được dùng trong kiến trúc định tuyến phân cấp. Ý tưởng ẩn sau định tuyến phân cấp là chia các trạm của mạng tự tổ chức thành một số cụm tách rời hoặc chồng lấn. Một nút được cử làm cụm chủ cho mỗi cụm. Cụm chủ này chứa thông tin của các thành viên trong cụm.

Các nút không phải là cụm chủ sẽ được coi là nút bình thường. Khi một nút bình thường gửi gói, nút có thể gửi gói tới cụm chủ để rồi gói được định tuyến tiếp tới đích. CGSR (Clusterhead Gateway Switch Routing) và CBRP (Cluster-Based Routing Protocol) là giao thức định tuyến loại này. Định tuyến phân cấp liên quan tới việc phân cụm, quản lý địa chỉ và tính di động.

3.2.2. Hỗ trợ các liên kết đơn hướng

Hầu hết giao thức định tuyến hiện tại có xu hướng coi toàn bộ liên kết là song hướng.

Tuy nhiên, có một số yếu tố sẽ làm liên kết không dây trở thành đơn hướng, đó là:

 Tính năng vô tuyến khác biệt: Trong một mạng vô tuyến có thể có công suất phát hoặc độ nhạy máy thu khác nhau. Điều này tương tự trong môi trường quân sự khi có thiết bị cho con người và thiết bị xe cộ không dây. Với môi trường vô tuyến của xe cộ, vì ít bị giới hạn về kích thước và trọng lượng nên thiết bị thường có công suất phát hớn hơn 12dB so với thiết bị theo người. Các liên kết đơn hướng sẽ thường gặp trong các mạng quân sự.

 Nhiễu: Nhiễu do đài nhiễu âm đối địch hay do xen nhiễu lân cận, nó sẽ làm giảm độ nhạy của các máy thu ở gần. Ví dụ: Trạm A có thể nhận gói gửi từ

Chương 3: Định Tuyến Trong các Mạng Ad hoc

trạm B vì có rất ít nhiễu trong vùng lân cận của A. Tuy nhiên B có thể nằm trong vùng nhiễu của một nút khác và vì vậy không thể nhận gói từ A. Do đó, liên kết giữa A và B có hướng từ B sang A.

 Yêu cầu quảng bá bản tin: Việc quảng bá bản tin trên một vùng rộng có tầm quan trọng lớn. Các máy phát vệ tinh được dùng cho đường xuống trong khi đường lên sử dụng các đường luân phiên.

 Chế độ câm: Trong trường hợp cực kỳ cá biệt, chỉ ứng dụng trong các mạng di động chiến sự là khi các trạm không thể phát do mối nguy hại sắp xảy ra. Trong trường hợp này, vẫn cần thu nhận thông tin, tuy nhiên không thể truyền thông song hướng.

 Trạng thái hướng liên kết thay đổi theo thời gian: Trạng thái về hướng của liên kết không dây có thể ổn định hoặc là nhất thời. Tần suất của sự chuyển dịch và khoảng thời gian ở mỗi trạng thái sẽ là hàm của lưu lượng sắp đặt, địa thế, sự di động, mưa và năng lượng.

3.2.3. Sử dụng siêu trạm

Các giao thức định tuyến hiện tại đều giả sử rằng tất cả các trạm di động đều có đặc tính giống nhau do mạng tự tổ chức có cấu trúc ngang hàng, sử dụng các dịch vụ của nhau để truyền thông. Mặc dù trong một số trường hợp điều này là đúng, tuy nhiên cũng có những trường hợp khác là mạng có các trạm có băng thông vượt trội, cung cấp công suất đảm bảo và liên kết không dây có tốc độ cao. Những trạm này được gọi là siêu trạm (SuperHost). Ví dụ, một công ty trong môi trường quân sự gồm nhiều lính bộ binh được trang bị theo người thiết bị không dây dung lượng thấp và một số xe tăng có phương tiện vô tuyến dung lượng cao. Thông thường, các mạng tự tổ chức trong trường hợp này có 2 kiến trúc mức mạng: đường trục và ngoại vi. Khu vực đường trục gồm các siêu trạm. Hơn nữa các siêu trạm có tính di động thấp hơn các trạm thông thường để duy trì được sự ổn định cho mạng đường trục. Các trạm thông thường không cần đưa ra quyết định định tuyến. Ví dụ, một trạm vệ tinh (siêu trạm) có thể dễ dàng thu thập thông tin định tuyến từ vị trí địa lý của các trạm, xây dựng bảng định tuyến và lan truyền đi các tuyến này.

3.2.4. Định tuyến đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS)

Cho tới nay, đa phần các giao thức định tuyến đều được đề xuất cho mạng ad hoc không dây được tối ưu hóa chỉ sử dụng một metric là bước nhảy khoảng cách (distance chặng), vì vậy tuyến đường ngắn nhất thường được lựa chọn. Với lưu lượng dữ liệu đồ, tuyến đường định tuyến ngắn nhất có vẻ hiệu quả. Tuy nhiên, liên kết trong mạng tự tổ chức thường khan hiếm và biến động nên rất khó tận dụng tài nguyên hiệu quả và thực hiện ứng dụng thời gian thực. Khi xem xét những vấn đề này, việc cung cấp định tuyến QoS là cần thiết để hỗ trợ điều khiển hiệu quả tổng lưu lượng luồng vào mạng. Định tuyến QoS là một cơ cấu định tuyến mà theo đó tuyến đường được xác định dựa trên tài nguyên sẵn có trong mạng và đảm bảo yêu cầu QoS cho luồng. Định tuyến QoS là việc chọn tuyến đường có đủ tài nguyên theo

Chương 3: Định Tuyến Trong các Mạng Ad hoc

các tham số QoS yêu cầu. Định tuyến QoS có 2 mục tiêu: Một là đáp ứng các yêu cầu QoS cho mỗi kết nối đã được chấp nhận; Hai là đạt được hiệu quả tổng thể về việc sử dụng tài nguyên. Do đó định tuyến QoS cần xem xét cùng lúc nhiều giới hạn và đảm bảo cân bằng tải tốt hơn bằng cách phân bố lưu lượng trên các tuyến đường khác nhau với các lưu lượng có yêu cầu về QoS khác nhau. Ngược lại, các giao thức định tuyến hiện nay dường như ưu tiên cho định tuyến lưu lượng dựa trên tuyến đường ngắn nhất, do đó dẫn đến hiện tượng nghẽn cổ chai. Trong mạng tự tổ chức, nhiều metric cần được xem xét: (1) tuyến đường tin cậy nhất, (2) tuyến đường ổn định nhất, (3) tuyến đường có tổng năng lượng còn lại tốt nhất, (4) tuyến đường có băng thông khả dụng lớn nhất…Việc lựa chọn tuyến với chi phí nhỏ nhất dựa trên các metric nêu trên chứ không chỉ cung cấp tuyến đường ngắn nhất dựa trên khoảng cách bước nhảy.

3.2.5. Hỗ trợ đa điểm

Như ta đã biết, định tuyến đa điểm là chức năng của lớp mạng, nó xây dựng các tuyến đường cho gói dữ liệu từ một nguồn và phân phối đến nhiều điểm đích chứ không phải tới tất cả các điểm trên mạng. Định tuyến đa điểm sẽ gửi bản sao của gói dữ liệu một cách đồng thời đến nhiều nơi nhận trên một liên kết truyền thông bằng cách chia sẻ tuyến đường đến nơi nhận. Việc chia sẻ liên kết trong một tập các tuyến đường đến nơi nhận được xác định để phát tán các gói tin đến nhiều điểm. Trái với định tuyến đơn điểm, định tuyến đa điểm rất tiện dụng và hiệu quả trong việc hỗ trợ truyền thông theo nhóm. Trường hợp này đặc biệt đúng với mạng tự tổ chức có băng thông và năng lượng hạn chế. Hơn nữa trong mạng tự tổ chức thường bao gồm vài nhóm hợp tác làm việc với nhau. Việc triển khai định tuyến đa điểm trong mạng tự tổ chức có thể cung cấp hội nghị đa phương tiện và phổ biến thông tin trong các tình huống quan trọng như thiên tai, hoạt động quân sự. Định tuyến đa điểm trong mạng tự tổ chức đã trở thành một chủ đề nghiên cứu mới và được thảo luận dựa trên thiết kế của giao thức định tuyến đơn điểm. Tuy nhiên, mạng tự tổ chức phù hợp với định tuyến đa điểm hơn đơn điểm vì những đặc trưng quảng bá của nó.

Việc thực hiện định tuyến đa điểm trong mạng tự tổ chức đặt ra những thách thức mới. Giao thức định tuyến đa điểm truyền thống không phù hợp với môi trường mạng tự tổ chức vì những nguyên nhân sau:

1. Tuyến đường gốc ban đầu yêu cầu thay đổi, làm cho giao thức định hướng

nguồn không hiệu quả.

2. Các thành viên trong nhóm đa điểm di chuyển, do đó không thể sử dụng topo đa

điểm cố định.

3. Vòng lặp tạm thời có thể xảy ra trong quá trình tái cấu hình cây mở rộng. 4. Việc duy trì quá nhiều thông tin về trạng thái đa điểm sẽ tạo ra áp lực về cả khả năng lưu trữ và công suất, đây là hạn chế rất lớn đối với các thiết bị cầm tay trong mạng tự tổ chức.

Chương 3: Định Tuyến Trong các Mạng Ad hoc

3.3. Định tuyến chủ động (Proactive)

Giao thức định tuyến Proactive hay còn gọi là giao thức định tuyến theo bảng (Table- driven) hoạt động dựa trên sự trao đổi định kỳ của các bản tin điều khiển [2]. Tư tưởng của phương pháp này là cố gắng duy trì thông tin định tuyến cập nhật liên tục từ các nút mạng đến mọi nút mạng khác trong mạng nhờ sử dụng một hoặc nhiều bảng ghi để lưu trữ thông tin định tuyến và chúng đáp ứng những thay đổi trong topo mạng bằng cách phát quảng bá rộng rãi các thông tin cập nhật tuyến qua mạng để duy trì tầm kiểm soát mạng một cách liên tục và có cái nhìn nhất quán về mạng. Khi có các vùng khác nhau về số bảng ghi liên quan đến định tuyến cần thiết hay khi topo mạng có sự thay đổi, thông tin cập nhật tương ứng phải được gửi đi cho tất cả các nút trong mạng để thông báo về sự thay đổi đó. Do đó một nút nguồn có thể gửi bản tin tới đích ngay lập tức khi nó cần mà không cần tốn thời gian cho việc tìm kiếm đường trong lúc truyền dữ liệu.

Hầu hết các giao thức định tuyến dạng Proactive dành cho mạng Ad hoc đều thừa kế các đặc tính của các thuật toán định tuyến dùng cho mạng có dây. Để đáp ứng cho đặc tính “động” của mạng Ad hoc, cần phải thay đổi một số đặc tính truyền thống của các giao thức định tuyến này. Sử dụng giao thức định tuyến Proactive, mỗi nút luôn cập nhật trạng thái của mạng và duy trì các tuyến đường cho dù tuyến đó có lưu lượng dữ liệu chuyển qua hay không. Điều này dẫn đến sự lãng phí tài nguyên, vì vậy các giao thức định tuyến chủ động thường áp dụng cho mô hình mạng MANET có các nút ít di chuyển.

Đặc tính của giao thức Proactive

Đặc tính của giao thức Proactive có thể được thể hiện thông qua ưu điểm và nhược

điểm của giao thức như sau.

Ưu điểm của giao thức Proactive:

 Mạng hội tụ nhanh. Khi topo mạng có sự thay đổi thì gần như ngay lập tức các

nút trong mạng sẽ cập nhật thay đổi topo mạng của mình.

 Độ trễ tuyến thấp. Mỗi nút có đầy đủ thông tin về topo mạng nên khi cần trao đổi thông tin thì nút nguồn có thể ngay lập tức tìm thấy tuyến đường đi tới đích. Đặc tính này rất phù hợp với việc truyền thông tin yêu cầu thời gian thực.

Nhược điểm của giao thức Proactive:

 Tiêu tốn nhiều băng thông mạng do các bản tin điều khiển gửi đi một cách đều

đặn theo phương thức bản tin quảng bá (broadcast).

Một số giao thức định tuyến Proactive:

 Giao thức định tuyến DSDV (Destination Sequenced Distance Vector Routing

Protocol)

 Giao thức định tuyến OLSR (Optimized Link State Routing Protocol)  Giao thức định tuyến FSR (Fisheye State Routing Protocol)

Chương 3: Định Tuyến Trong các Mạng Ad hoc

 Giao thức định tuyến HSR (Hierarchical State Routing Protocol), giao thức

định tuyến WRP (Wireless Routing Protocol), …

3.3.1. Giao thức định tuyến DSDV

3.3.1.1. Mô tả

Giao thức định tuyến DSDV (Destination Sequenced Distance Vector) là một biến thể của giao thức định tuyến theo vectơ khoảng cách theo kiểu bảng ghi, dựa trên ý tưởng của thuật toán định tuyến Bellman-Ford với cải tiến mới của DSDV là sử dụng kĩ thuật đánh số trình tự để tránh sự cố đếm tới vô cùng hoặc lặp vòng trong các giao thức vector khoảng cách của mạng có dây, kĩ thuật này dùng để nhận ra các con đường đi không còn giá trị trong quá trình cập nhật bảng định tuyến, do đó sẽ tránh được vòng lặp trong quá trình định tuyến. Mỗi nút sẽ tăng số trình tự khi gửi thông tin về bảng định tuyến của nó cho các nút khác trong mạng. Ví dụ khi thêm hoặc xóa một liên kết trong mạng, khi có sự lựa chọn giữa hai tuyến tới đích thì luôn có một nút được lựa chọn đường truyền với số trình tự lớn nhất tới đích. Điều này đảm bảo cho những thông tin mới được sử dụng tối đa [2, 3].

3.3.1.2. Đặc điểm trong DSDV

DSDV phụ thuộc vào thông tin quảng bá định kỳ nên nó sẽ tiêu tốn thời gian để tổng hợp thông tin trước khi đường định tuyến được đưa vào sử dụng. Thời gian này là không đáng kể đối với mạng có cấu trúc cố định nói chung (bao gồm cả mạng có dây) nhưng với mạng Ad hoc thời gian này là đáng kể, có thể gây ra mất gói tin trước khi tìm ra được tuyến đường hợp lý. Ngoài ra, bản tin quảng cáo định kỳ cũng là nguyên nhân gây ra lãng phí tài nguyên mạng.

3.3.1.3. Các cơ chế trong DSDV

Quản lý bảng định tuyến:

Do DSDV là giao thức dựa theo vetơ khoảng cách lên mỗi nút đều có thông tin về đường đi tới nút khác trong mạng dựa vào bảng định tuyến. Bảng định tuyến có những thông tin như sau:

a) Địa chỉ của nút đích; b) Số chặng đến đích (chặng - count); c) Chặng kế tiếp (next chặng); d) Số trình tự của thông tin thu được về nút đích.

Để đảm bảo cho bảng định tuyến luôn phù hợp với những thay đổi trong mạng thì các nút phải thường xuyên cập nhật bảng định tuyến theo một khoảng thời gian nhất định hoặc khi mạng có sự thay đổi. Do đó, các nút phải quảng bá thông tin định tuyến của nó cho các nút khác trong mạng bằng cách phát quảng bá những thay đổi trong bảng định tuyến của nó. Khi một nút nhận gói tin cập nhật bảng định tuyến nó sẽ kiểm tra số trình tự của gói tin cập nhật nếu số này trong gói tin cập nhật lớn hơn hoặc bằng số trình tự hiện có trong bảng định tuyến và có số chặng-count nhỏ hơn thì nút đó sẽ cập nhật thông tin đó vào bảng đinh tuyến.

Chương 3: Định Tuyến Trong các Mạng Ad hoc

Cách thức cập nhật bảng định tuyến

Bảng định tuyến cập nhật theo hai cách:

a) Cập nhật toàn bộ bảng định tuyến cho các nút hàng xóm và có thể truyền trong

nhiều gói gọi là full-dump

b) Cập nhật những thành phần thay đổi trong bảng định tuyến của nó cho các nút hàng xóm và các thông tin thay đổi đó chỉ được gửi đi trong một gói. Cách thức cập nhật này gọi là incremental-update

Full - dump là sự chuyển giao toàn bộ bảng định tuyến của một nút hiện có cho các nút hàng xóm, thông điệp này chỉ được gửi đi khi topo mạng có sự thay đổi. Ngược lại thì Incremental - update sẽ được gửi thường xuyên hơn tới các nút trong mạng để xác nhận lẫn nhau.

Khi thông tin cập nhật tuyến được gửi đi, các nút sẽ chọn tuyến có số tuần tự đích cao hơn để cập nhật vào bảng định tuyến của mình (để đảm bảo rằng thông tin đó được dùng mới nhất) và nếu có nhiều tuyến có số tuần tự bằng nhau thì chọn tuyến có số chặng tốt hơn để cập nhật.

Để tránh lặp tuyến, DSDV sử dụng số trình tự gắn với mỗi đường, số trình tự này xác định độ mới của tuyến đường, để các nút mạng di động có thể phân biệt được các tuyến đường mới và các tuyến đường cũ thì số thứ tự của mỗi tuyến đường sẽ được tăng lên 1 mỗi khi có một tuyến đường mới được phát quảng bá. Đường có số thứ tự cao hơn được xem là tốt hơn, nếu hai đường có cùng số thứ tự thì đường nào có số chặng ít hơn sẽ được sử dụng và khi có một liên kết bị hỏng (nút mạng không nhận được các thông báo cập nhật định kỳ) thì trong lần quảng bá sau, nút mạng phát hiện ra liên kết bị hỏng sẽ phát quảng bá đường tới đích có số chặng là vô cùng

Hình 3.2: Ví dụ về sự cập nhật bảng định tuyến DSDV

Chương 3: Định Tuyến Trong các Mạng Ad hoc

Quản lý sự thay đổi của topology

Khi một nút di chuyển từ nơi này đến nơi khác thì các liên kết của nó với các nút hàng xóm có thể không còn hiệu lực. Khi nút phát hiện rằng liên kết đến nút tiếp theo (next chặng) của nó không tồn tại, thì đường đi thông qua chặng tiếp theo đó lập tức sẽ có đếm chặng là vô cùng và số thứ tự lại được tăng lên 1.

Sau đó nút sẽ phát quảng bá thông tin đó cho tất cả các nút trong mạng và các nút

trong mạng sẽ cập nhật lại bảng định tuyến của mình.

3.3.2. Giao thức định tuyến OLSR

OLSR (Optimized Link State Routing) là giao thức định tuyến theo bảng (định tuyến chủ động), nó thừa hưởng đặc tính ổn định của giao thức trạng thái liên kết cổ điển, hoàn toàn thích hợp cho mạng di động Ad hoc. OLSR tối thiểu hóa tiêu đề định tuyến bằng cách chỉ sử dụng các nút được chọn để phát tràn lụt lưu lượng điều khiển, được gọi là Chuyển tiếp đa điểm - MPR (Multipoint Relay). Kỹ thuật này giảm đáng kể số lượng yêu cầu truyền lại so với việc phát tràn lụt một bản tin tới tất cả các nút trong mạng [2].

3.3.2.1. Bầu chọn Multipoint Relay

Ý tưởng dùng MPR là để tối thiểu hóa tiêu đề (overhead) khi phát tràn lụt bản tin trong mạng bằng cách giảm số lần truyền dư thừa trong cùng một vùng. Mỗi nút trong mạng lựa chọn một tập hợp nút trong các nút hàng xóm trực tiếp của nó để làm MPR. Hàng xóm của nút A mà không nằm trong tập hợp MPR của A có thể nhận và xử lý các bản tin quảng bá nhưng không thể chuyển tiếp các bản tin quảng bá nhận được từ A (Hình 3.4).

Chương 3: Định Tuyến Trong các Mạng Ad hoc

Mỗi nút lựa chọn tập hợp MPR từ những hàng xóm trực tiếp (one-chặng) của nó. Tập hợp MPR của nút A, kí hiệu là MPR(A), là tập con của tập hợp các hàng xóm trực tiếp của A, phải thỏa mãn những điều kiện sau: mỗi nút trong hàng xóm hai bước (two-chặng) của A phải có một liên kết trực tiếp đến MPR(A). Tập hợp MPR càng nhỏ thì tiêu đề lưu lượng điều khiển của giao thức định tuyến càng nhỏ. Mỗi nút phải duy trì thông tin về tập hợp hàng xóm mà chúng chọn làm MPR. Tập hợp này gọi là “MPR selector set” của một nút.

Hình 3.3: Quá trình phát tràn lụt bản tin quảng bá trong OLSR

MPR

Trong OLSR, mỗi nút truyền bản tin Hello định kỳ (ví dụ một giây một bản tin) trên mỗi giao diện của nút. Mục đích chính của bản tin Hello là cho phép mỗi nút có thể khám phá tuyến trực tiếp tới hàng xóm của nó.

MPR

Hình 3.4: Bầu chọn MPR

Chương 3: Định Tuyến Trong các Mạng Ad hoc

Bản tin Hello được quảng bá từng chặng (chặng-by-chặng) và phải không được truyền trước đó. Bản tin Hello chứa tên của nút khởi tạo, hàng xóm trực tiếp mà nút khởi tạo truyền bản tin khám phá và các nút mà nút khởi tạo chọn làm MPR. Khi một nút nhận bản tin Hello, nó kiểm tra liệu bản tin đó có phải được phát sinh từ hàng xóm mới hay không, và nếu đúng, nút sẽ cập nhật vào danh sách hàng xóm trực tiếp của nút. Bản tin Hello rất quan trọng trong việc hỗ trợ MPR. Mỗi nút kiểm tra bản tin Hello nhận được từ hàng xóm của nó để xem nó liệu có được lựa chọn làm MPR của bất kỳ hàng xóm nào không. Nếu vậy, nút sẽ phát tràn lụt các cập nhật định tuyến được phát sinh từ các hàng xóm mà đã chọn nó là MPR. Mỗi nút cũng có thể khám phá liệu các nút có là hàng xóm hai bước từ bản tin Hello, bởi vì danh sách các hàng xóm hai bước đã được liệt kê trong bản tin Hello của nút hàng xóm trực tiếp của nó. Mỗi nút lựa chọn MPR trên cơ sở hàng xóm hai bước, do vậy mỗi hàng xóm hai bước phải nhận được bản tin MPR.

3.3.2.2. Truyền bá bản tin điều khiển topo (topology control)

Bản tin điều khiển topo được truyền đi với mục đích là cung cấp cho mỗi nút trong

mạng đủ thông tin trạng thái liên kết để cho phép tính toán được tuyến đường.

3.3.2.3. Tính toán tuyến

Thông qua việc trao đổi định kỳ các bản tin, các nút sẽ biết được thông tin trạng thái liên kết và cấu hình giao diện của các nút, vì thế có thể tính toán bảng định tuyến của mỗi nút.

3.3.3. Giao thức định tuyến FSR

FSR – Fisheye State Routing (định tuyến trạng thái mắt cá) là một giao thức định tuyến phân cấp ngầm. Nó sử dụng phương pháp “mắt cá” do Kleinrock và Stevens đưa ra, đó là kỹ thuật được sử dụng để giảm bớt kích thước của thông tin được yêu cầu để biểu diễn dữ liệu đồ họa. Mắt của loài cá chụp điểm ảnh có độ phân giải cao với những điểm gần tiêu cự, với những điểm xa tiêu cự hơn thì độ phân giải sẽ giảm đi. Trong định tuyến, phương pháp tiếp cận mắt cá truyền thông tin lại để duy trì khoảng cách và chất lượng tuyến thông tin chính xác về ngay vùng lân cận của một nút, khi khoảng cách gia tăng thì độ chính xác càng giảm [2, 3].

FSR có chức năng tương tự với LSR, nó lưu bản đồ hình trạng tại mỗi nút, sự khác nhau quan trọng là cách mà thông tin định tuyến được truyền đi. Trong LSR, những gói trạng thái liên kết được tạo ra và tràn lụt vào trong mạng bất cứ khi nào nút phát hiện cấu trúc liên kết thay đổi. Trong FSR, những gói trạng thái liên kết không gửi tràn lan. Thay vào đó, nút duy trì bảng trạng thái liên kết dựa trên thông tin cập nhật đã nhận được từ những nút lân cận và chỉ trao đổi định kỳ nó với vùng lân cận (không tràn lan). Thông qua tiến trình trao đổi này, bảng ban đầu với số trình tự lớn hơn sẽ thay thế bảng có số trình tự nhỏ hơn. Bảng định kỳ FSR trao đổi giống với sự trao đổi vector trong DBF (chính xác hơn là DSDV với khoảng cách được cập nhật tùy thuộc vào dấu thời gian hoặc số trình tự được cập nhật từ nút gốc). Tuy nhiên, trạng thái liên kết trong FSR được truyền đi chứ không phải vector khoảng cách.

Chương 3: Định Tuyến Trong các Mạng Ad hoc

Hơn thế nữa, giống như định tuyến trạng thái liên kết (LSR), FSR duy trì bản đồ cấu trúc liên kết đầy đủ tại mỗi nút và tuyến ngắn nhất được tính toán dựa trên bản đồ này.

Trong môi trường không dây, liên kết vô tuyến giữa các nút di động có thể thường xuyên bị mất hoặc tái kết nối. Giao thức LSR cập nhật trạng thái liên kết cho mỗi lần thay đổi như vậy làm tràn lụt mạng. FSR tránh sự cố này bằng cách trao đổi định kỳ thay vì hướng theo sự kiện những bản tin bản đồ topo làm giảm đáng kể tiêu đề bản tin điều khiển trong mạng. Khi kích thước mạng gia tăng, các bản tin cập nhật có thể chiếm khá nhiều băng thông phụ thuộc vào chu kỳ cập nhật. Để giảm kích thước những thông báo cập nhật mà không làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến tính chính xác định tuyến, FSR sử dụng kỹ thuật mắt cá, hình 3.5 minh họa việc áp dụng mắt cá vào mạng không dây di động.

Hình 3.5 Phạm vi của mắt cá

Những vòng tròn với những sắc thái màu xám khác nhau xác định những phạm vi mắt cá tới nút trung tâm (nút 11). Phạm vi được xác định là tập hợp các nút có số lượng bước nhảy nhất định. Trong trường hợp này có ba phạm vi tương ứng là 1, 2 và > 2 bước nhảy. Những nút được mã mầu tương ứng là màu đen, màu xám và trắng. Số mức và bán kính của mỗi phạm vi sẽ phụ thuộc vào kích thước của mạng. Việc giảm tiêu đề cập nhật định tuyến đạt được bằng cách sử dụng những chu kỳ trao đổi khác nhau cho những mục khác nhau trong bảng định tuyến.

Hình 3.6 Độ giảm thông báo khi sử dụng mắt cá

Chương 3: Định Tuyến Trong các Mạng Ad hoc

Cụ thể hơn nữa, mục nhập tương ứng với nút trong phạm vi nhỏ hơn được truyền bá tới những nút hàng xóm với tần số cao nhất, các mục còn lại thì được gửi với tần số thấp hơn. Kết quả là, một tỷ phần đáng kể mục trạng thái liên kết được lược bớt đi trong bản tin cập nhật thông thường và làm giảm kích thước bản tin cập nhật. Chiến lược này giúp việc cập nhật thường xuyên cho các trạm ở gần, nhưng lại gây trễ lớn với những trạm ở xa. Tuy nhiên, sự thiếu chính xác của tuyến đường tốt nhất tới một đích ở xa được bù lại bằng thực tế là tuyến sẽ trở nên chính xác hơn khi gói tiến gần tới đích. Khi kích thước mạng gia tăng thì cần sử dụng kế hoạch cập nhật thường xuyên trên nhiều phạm vi để duy trì được việc giảm tiêu đề bản tin cập nhật.

Khái niệm FSR bắt nguồn từ giao thức định tuyến trạng thái chung (GSR-Global State Routing). GSR có thể được coi là một trường hợp đặc biệt của FSR khi chỉ có một mức phạm vi mắt cá. Kết quả là toàn bộ bảng định tuyến được trao đổi giữa các nút lân cận. Rõ ràng việc này tiêu tốn một lượng băng thông đáng kể khi kích thước mạng tăng lên. Thông qua quá trình cập nhật trạng thái liên kết với tần số khác nhau phụ thuộc vào phạm vi khoảng cách, FSR phù hợp với kích thước mạng đủ lớn và giữ tiêu đề nhỏ mà không phải thỏa hiệp việc tính toán chính xác tuyến đường khi đích ở gần. Bằng cách sở hữu một mục định tuyến cho mỗi đích, FSR tránh được việc bổ sung thêm quá trình tìm đích đến (như trong định tuyến theo yêu cầu) và do đó có thể truyền gói tin với độ trễ ở mức thấp. Việc gia tăng sự di chuyển làm những tuyến đường đến đích xa trở nên ít chính xác. Tuy nhiên, khi một gói tiến dần đến đích nó sẽ có những chỉ dẫn định tuyến chính xác hơn khi nó đi vào vùng có tốc độ cập nhật cao hơn.

Chương 3: Định Tuyến Trong các Mạng Ad hoc

3.4. Định tuyến theo yêu cầu

Giao thức định tuyến Reactive, còn gọi là giao thức định tuyến theo yêu cầu, chỉ tìm ra các tuyến đường khi có yêu cầu từ các nút cần trao đổi thông tin. Dạng giao thức này hoạt động theo hai chức năng chính là khám phá tuyến và duy trì tuyến [2].

 Khám phá tuyến: Chức năng này đáp ứng cho việc dò tìm tuyến mới. Khi một nút cần trao đổi thông tin với nút khác, nó sẽ phát bản tin yêu cầu tìm tuyến đường tới đích. Quá trình này hoàn thành khi tìm thấy được một tuyến đường hoặc tất cả các tuyến khả thi đều đã được kiểm tra.

 Duy trì tuyến: Chức năng này đáp ứng cho việc cảm nhận đường liên kết và duy trì những tuyến đang tồn tại. Khi một tuyến được thiết lập, nó được đảm bảo bởi một phương thức duy trì tuyến cho đến khi đích đó không thể truy nhập trên tất cả các đường từ nguồn đó hoặc cho đến khi tuyến đường không được yêu cầu nữa.

Đặc tính của giao thức Reactive:

Đặc tính của giao thức Reactive có thể được thể hiện thông qua ưu điểm và nhược

điểm của giao thức như sau.

Ưu điểm của giao thức Reactive

 Với việc sử dụng phương thức dò tìm tuyến, giao thức Reactive có ưu điểm là

ít chiếm dụng băng thông.

 Giao thức Reactive chỉ dò tìm tuyến khi có yêu cầu chứ không gửi bản tin cập nhật trên mạng một cách tuần tự nên không gây ra lãng phí tài nguyên mạng.

Nhược điểm của giao thức Reactive

 Việc dò tìm tuyến khi có nhu cầu gây ra tình trạng trễ trên mạng vì phải chờ

đợi tìm tuyến xong mới gửi bản tin đi.

 Khó có thể sử dụng trong việc truyền thời gian thực.

Một số giao thức định tuyến Reactive:

 Giao thức AODV (Ad hoc On-demand Distance Vector Routing).  Giao thức DSR (Dynamic Source Routing).  Giao thức TORA (Temporally Ordered Routing Algorithm).  Giao thức CBRP (Cluster-Based Routing Protocol), giao thức LAR (Location- Aided Routing), giao thức ARA (Ant Colony-Based Routing Algorithms) …

3.4.1. Giao thức định tuyến AODV

Giao thức định tuyến AODV (Ad hoc On-demand Distance Vector Routing) là một loại giao thức định tuyến Reactive trong mạng MANET. Trong AODV, khi một nút cần gửi dữ liệu cho nút khác mà đường đi chưa được xác định trước, nó sẽ cố tìm một đường đi mới

Chương 3: Định Tuyến Trong các Mạng Ad hoc

bằng cách sử dụng bản tin yêu cầu tìm đường RREQ (Route REQuest), bản tin RREQ này được quảng bá trong mạng, chứa địa chỉ IP của nút nguồn và nút đích mà nó cần tìm. Bản tin RREQ sẽ được quảng bá trên mạng cho đến khi có một nút biết được đường tới đích hoặc chính nút đích đáp ứng lại với bản tin phản hồi RREP (Route REPly). Bản tin RREP được gửi trở lại nút nguồn và nút nguồn sẽ sử dụng thông tin đường đi của bản tin này để thiết lập đường liên kết từ nút khởi đầu đến nút đích. AODV sử dụng kỹ thuật Sequence Number (số thứ tự) để loại bỏ những tuyến đường không còn giá trị trong bảng định tuyến. Mỗi nút sẽ có một bộ đếm số thứ tự riêng.

3.4.1.1. Tìm đường

Quá trình tìm đường được khởi tạo khi có một nút cần truyền thông tin với nút khác mà đường liên kết giữa chúng không tìm thấy trong bảng định tuyến. Mỗi nút duy trì hai bộ đếm riêng biệt: số thứ tự nút và ID quảng bá. Nút nguồn bắt đầu tìm đường bằng việc quảng bá một gói tin yêu cầu đường RREQ (Route REQuest) tới các nút lân cận của nó.

Gói tin RREQ chứa một số trường sau:

<địa chỉ nguồn, số thứ tự nguồn# ID quảng bá, địa chỉ đích, số thứ tự đích# số chặng>

Cặp <địa chỉ nguồn, ID quảng bá> xác định duy nhất một RREQ, ID quảng bá tăng lên mỗi khi nguồn phát ra một gói RREQ mới. Khi các nút lân cận nhận được gói tin RREQ, nó sẽ kiểm tra theo các bước sau:

 Khi một nút nhận được RREQ, nó sẽ kiểm tra xem nó đã xử lý RREQ này chưa bằng cách xem xét <địa chỉ nguồn, ID quảng bá>. Do một nút có thể nhận nhiều bản sao của cùng một gói tin RREQ từ các nút khác nhau, nên nếu nó nhận được một RREQ có cùng ID quảng bá và địa chỉ nguồn, nó sẽ loại bỏ gói tin RREQ đến sau và không xử lý gì thêm. Nếu không nó sẽ chuyển qua bước 2.

 Nút cũng kiểm tra xem địa chỉ đích có phải là địa chỉ của nó không, nếu đúng thì nó sẽ gửi gói tin RREP về nguồn, nếu không nó sẽ tìm trong bảng định tuyến xem có chứa tuyến đường đến đích mong muốn hay không, nó sẽ kiểm tra tính khả dụng của tuyến đường đó bằng cách so sánh số thứ tự đích tương ứng với tuyến đường có trong bảng định tuyến của nó với số thứ tự đích trong gói tin RREQ mà nó nhận được. Nếu số thứ tự đích của RREQ lớn hơn số thứ tự đích được lưu trữ bởi nút trung gian thì nút đó không được sử dụng thông tin về tuyến đường đến đích trong bảng định tuyến để trả lời gói tin RREQ. Thay vào đó nó sẽ phải tiếp tục quảng bá gói tin RREQ sau khi tăng giá trị của trường chặng_cnt đồng thời giữ lại các thông tin cần thiết để thiết lập tuyến đường đảo chiều.

Chương 3: Định Tuyến Trong các Mạng Ad hoc

 Nút trung gian chỉ có thể phản hồi gói tin RREP khi nó có một tuyến đường đến đích với số thứ tự đích tương ứng lớn hơn hoặc bằng số thứ tự đích chứa trong RREQ. Một gói tin RREP bao gồm các thông tin:

 Địa chỉ IP đích  Địa chỉ IP nguồn  ID quảng bá  Thời gian sống cho đường đảo chiều  Số thứ tự của nút nguồn

3.4.1.2. Thiết lập đường đảo chiều

Có hai số thứ tự (ngoài ID quảng bá) trong một RREQ đó là: số thứ tự nguồn và số thứ tự đích mới nhất. Số thứ tự nguồn được sử dụng để duy trì thông tin về “độ mới” của tuyến đường đảo chiều đến nguồn, số thứ tự đích chỉ rõ tuyến đường phải “mới” như thế nào mới được nút nguồn chấp nhận. RREQ đi từ một nguồn đến nhiều đích khác nhau, các đường đảo chiều tới nút nguồn sẽ được thiết lập tự động tại tất cả các nút mà nó đi qua. Để thiết lập đường đảo chiều, một nút sẽ ghi lại địa chỉ của nút lân cận từ bản sao RREQ đầu tiên mà nó nhận được. Tuyến đường đảo chiều này được duy trì trong khoảng thời gian ít nhất đủ cho gói tin RREQ đi qua mạng và tạo được một phản hồi về cho bên gửi.

3.4.1.3. Thiết lập đường chuyển tiếp

Khi nút trung gian có một tuyến đến đích khả dụng và gói tin RREQ chưa được xử lý trước đó thì nó sẽ trả lời bằng một gói tin RREP theo đường truyền đơn hướng ngược lại nút mà nó đã nhận RREQ trước đó.

Một RREP chứa các thông tin sau:

< source_addr dest_addr dest sequence# chặng_cnt lifetime>

<địa chỉ nguồn, địa chỉ đích, số thứ tự đích# số chặng, thời gian sống>

Khi RREQ được quảng bá đến một nút có thể cung cấp tuyến đường đến đích mong muốn, một đường đảo chiều tới nút nguồn của RREQ sẽ được thiết lập. Mỗi nút dọc theo tuyến đảo chiều mà RREP quay lại nguồn sẽ đóng vai trò là một nút chuyển tiếp, các nút này sẽ cập nhật lại toàn bộ thông tin về tuyến đường giữa nguồn và đích, đồng thời ghi lại số thứ tự đích cuối cùng của nút đích. Tuyến đường mà RREP quay lại nguồn được gọi là tuyến đường chuyển tiếp. Các nút không nằm trên tuyến chuyển tiếp sẽ xóa các tuyến ngược chiều mà chúng đã thiết lập trước đó khi khoảng thời gian ACTIVE ROUTE TIMEOUT kết thúc (3000ms).

Một nút sẽ truyền gói tin RREP đầu tiên về nguồn ngay khi nó nhận được. Nếu nó nhận được nhiều gói tin RREP, cập nhật thông tin định tuyến và truyền bản tin RREP chỉ được thực hiện khi RREP chứa số thứ tự đích lớn hơn so với số thứ tự đích trong RREP trước đó hoặc bằng nhưng tuyến đường mới phải có số chặng_cnt nhỏ hơn. Việc tăng số lượng

Chương 3: Định Tuyến Trong các Mạng Ad hoc

RREP gửi về nguồn đảm bảo thông tin được cập nhật nhanh và nhiều nhất. Nút nguồn có thể thực hiện truyền dữ liệu sớm nhất có thể khi nó hoàn thành quá trình cập nhật thông tin từ RREP đầu tiên mà nó nhận được và có thể tiếp tục cập nhật thông tin định tuyến nếu nó học được một tuyến đường tốt hơn.

3.4.1.4. Quản lý bảng định tuyến

Ngoài các số thứ tự nguồn và đích, AODV còn sử dụng một bộ đếm thời gian dành cho đường đảo chiều gọi là “bộ đếm thời gian giới hạn yêu cầu đường”. Với các nút không nằm trên tuyến đường từ nguồn đến đích, thông tin về các đường đảo chiều sẽ bị xóa khi thời gian giới hạn kết thúc. Thời gian giới hạn này phụ thuộc vào độ lớn của mạng. Một tham số quan trọng khác liên quan đến định tuyến là giới hạn thời gian lưu trữ cho các tuyến đường, sau khoảng thời gian này tuyến đường đó sẽ được xem như không hợp lệ. Trong bảng định tuyến, địa chỉ của các nút lân cận ở trạng thái hoạt động mà nó nhận được thông qua các gói tin cũng được duy trì. Một nút lân cận được xem là ở trạng thái hoạt động nếu nó khởi tạo hoặc chuyển tiếp ít nhất một gói tin cho đích đó trong khoảng thời gian giới hạn gần nhất. Thông tin định tuyến này được duy trì để các nút có thể được thông báo khi một liên kết dọc đường truyền tới đích bị hỏng. Một tuyến đường được coi là khả dụng nếu nó được sử dụng bởi bất kỳ nút lân cận nào ở trạng thái hoạt động. Tất cả các tuyến trong bảng định tuyến được gán số thứ tự đích để đảm bảo không xảy ra hiện tượng lặp vòng trong quá trình định tuyến. Bảng định tuyến chứa các thông tin sau:

 Địa chỉ đích  Bước nhảy tiếp theo  Số bước nhảy (metric)  Các nút lân cận hiệu dụng cho tuyến đường  Thời gian giới hạn cho các tuyến đường

Trong khoảng thời gian giới hạn, tuyến đường sẽ được sử dụng cho truyền dữ liệu từ nguồn đến đích, thời gian này được thiết lập lại bằng cách cộng thời điểm thực hiện truyền dẫn với khoảng thời gian giới hạn. Nếu có một tuyến mới được cung cấp cho nút, nó sẽ so sánh số thứ tự đích của tuyến đường mới với số thứ tự đích của tuyến đường hiện tại. Tuyến đường có số thứ tự đích lớn hơn sẽ được chọn. Nếu số thứ tự đích như nhau, tuyến mới chỉ được chọn khi nó có một metric nhỏ hơn (số chặng-count nhỏ hơn).

3.4.1.5. Duy trì tuyến

Do cơ chế hoạt động của AODV là không cần phải biết về thông tin của các nút hàng xóm mà chỉ cần dựa vào thông tin trong bảng định tuyến nên khi một nút nhận thấy rằng chặng kế tiếp (next-chặng) của nó không thể tìm thấy, nó sẽ phát một gói tin RERR (Route Error) với số thứ tự bằng số thứ tự trước đó cộng thêm 1, chặng-count bằng ∞ và gửi tới tất cả các nút hàng xóm đang ở trạng thái hoạt động, cứ như vậy cho đến khi tất cả các nút ở trạng thái hoạt động trong mạng nhận được gói tin này.

Chương 3: Định Tuyến Trong các Mạng Ad hoc

Sau khi nhận được các thông báo này, các nút sẽ xóa tất cả các đường đi có chứa nút hỏng đồng thời nút nguồn sẽ khởi động lại quá trình tìm đường mới nếu nó vẫn yêu cầu một tuyến đường đến đích bằng cách gửi một gói tin RREQ với số thứ tự đích lớn hơn số thứ tự đích đã biết trước đó đến các nút hàng xóm để tìm địa chỉ đến đích.

Thông thường việc xử lý RERR và liên kết hỏng cần đến các bước sau:

 Làm mất hiệu lực các tuyến hiện tại.  Liệt kê các đích bị ảnh hưởng.  Xác định rõ nút lân cận nào có thể bị ảnh hưởng.  Gửi một RERR tới các nút lân cận.

3.4.1.6. Quản lý kết nối nội vùng

Các nút có thể học thông tin từ các nút lân cận của chúng bằng nhiều cách khác nhau. Bất cứ khi nào nó nhận được quảng bá từ một nút lân cận, nó sẽ cập nhật thông tin kết nối nội bộ để đảm bảo nút đó trở thành hàng xóm của nó. Khi một nút chưa gửi gói tin nào cho các nút lân cận trong khoảng thời gian Hello, nó sẽ quảng bá tới các nút lân cận một bản tin Hello, một bản tin RREP đặc biệt chứa nhận dạng và số thứ tự của nó. Số thứ tự của nút không được thay đổi khi truyền bản tin Hello. Bản tin Hello sẽ không thể quảng bá ra ngoài vùng lân cận vì giá trị của trường thời gian sống TTL là 1. Các nút lân cận nhận gói tin này sẽ cập nhật thông tin kết nối nội bộ chứa trong gói tin. Khi nhận một quảng bá hay một bản tin Hello từ một nút lân cận mới hoặc mất liên tục các gói tin Hello từ một nút lân cận trước đó được ngầm hiểu là kết nối nội bộ đã bị thay đổi. Nếu nút không nhận được các bản tin Hello từ các nút kế tiếp dọc theo tuyến đường đang hoạt động thì nó sẽ sử dụng các nút kế tiếp này để gửi thông báo lỗi liên kết. Số lần mất gói tin Hello cho phép là hai. Quản lý kết nối nội bộ với các bản tin Hello được sử dụng để đảm bảo chỉ có các nút có kết nối song hướng mới được xem là hàng xóm của nhau. Với mục đích này, nút sẽ gửi bản tin Hello theo một danh sách các nút mà nó “nghe” được và nó cũng kiểm tra để đảm bảo chỉ sử dụng những tuyến đường đến hàng xóm mà nó nghe được qua bản tin Hello.

3.4.2. Giao thức định tuyến DSR

DSR (Dynamic Source Routing) là giao thức định tuyến đơn giản và hiệu quả đặc biệt thiết kế cho MANET đa chặng. Sử dụng DSR, mạng hoàn toàn có thể tự tổ chức, tự cấu hình mà không cần cơ sở hạ tầng sẵn có. Các nút trong mạng (máy tính) phối hợp để chuyển tiếp gói tin cho nhau, cho phép truyền thông đa chặng giữa các nút không nằm trong dải truyền thông trực tiếp của nhau. Khi các nút trong mạng di chuyển, tham gia vào mạng hoặc rời khỏi mạng và khi điều kiện truyền dẫn không dây thay đổi thì toàn bộ vấn đề định tuyến được giao thức DSR duy trì và xác lập. Vì số lượng và trình tự của các nút trung gian cần thiết để tới đích thay đổi bất kỳ nên hình trạng mạng có thể thay đổi nhanh chóng.

Giao thức định tuyến nguồn động DSR cho phép nút khám phá động một tuyến nguồn qua mạng đa chặng tới bất kỳ đích nào trong mạng adhoc. Phần tiêu đề của gói dữ liệu sẽ lưu

Chương 3: Định Tuyến Trong các Mạng Ad hoc

trữ thứ tự các nút mà gói tin cần phải đi qua để đến được đích. Do vậy các nút trung gian chỉ cần giữ liên lạc với các nút hàng xóm của nó để chuyển tiếp gói tin.

Tại mỗi một nút mạng luôn duy trì một bộ nhớ đệm (Route Cache), đây là cấu trúc dữ liệu lưu trữ các con đường đã biết. Khi có con đường tồn tại trong bộ nhớ đệm, nút sẽ nhận thông tin về đường đi và thực hiện truyền tin theo tuyến đường đã chọn. Ngược lại khi không tồn tại đường đi trong bộ nhớ đệm hoặc có tồn tại đường đi nhưng không còn hiệu lực, DSR sẽ thực hiện cơ chế tìm đường bằng cách gửi gói tin quảng bá Route Request (RREQ) đến các nút lân cận trên toàn bộ mạng. Các nút trung gian nhận được gói tin quảng bá sẽ kiểm tra đường đi trong bộ nhớ đệm. Khi đường đi được tìm thấy, gói tin Route Reply (RREP) chứa thứ tự các chặng tới đích và được truyền trở lại nguồn.

Như vậy hoạt động của giao thức DSR bao gồm hai cơ chế chính: tìm đường và duy trì

tuyến đường.

3.4.2.1. Tìm đường

Cơ chế tìm đường (Route Discovery) cho phép các nút trong mạng Ad hoc tìm kiếm đường đi đến đích một cách tự động thông qua các nút trung gian. Nút nguồn thực hiện quá trình tìm đường bằng cách phát gói tin RREQ đến các nút lân cận của nó trong mạng. RREQ sẽ bao gồm địa chỉ nguồn, địa chỉ đích và số request_ID là số định danh duy nhất cho một RREQ.

Khi một nút nhận gói RREQ thì nó sẽ tiến hành kiểm tra thông tin trong RREQ như

 Bước 1: Thông qua trường request_ID, nút sẽ kiểm tra xem nó đã từng nhận gói tin này hay chưa. Nếu đã tồn tại thì nó sẽ loại bỏ gói tin đó và không xử lý gì thêm.

 Bước 2: Khi đã xác nhận là nhận gói RREQ đầu tiên, nút sẽ thêm địa chỉ nguồn và Request ID vào bộ nhớ đệm, đồng thời kiểm tra xem địa chỉ đích có trùng với địa chỉ của nó hay không. Nếu trùng thì nó gửi lại cho nguồn gói tin RREP chứa thông tin về đường đi đến đích và kết thúc quá trình. Nếu không có thì chuyển sang bước 3.

 Bước 3: Nó kiểm tra trong bộ nhớ đệm của nó xem có đường đi tới đích mà còn hiệu lực hay không. Nếu có tồn tại một đường như vậy thì nó sẽ phản hồi lại cho nút nguồn bằng gói RREP chứa thông tin về đường đi đến đích và kết thúc tiến trình. Ngược lại nó sẽ phát quảng bá gói tin RREQ đến các nút hàng xóm của nó.

Quá trình này cứ tiếp tục cho đến khi nút nguồn nhận được thông tin về đường đi đến đích hoặc thông tin rằng không thể định tuyến đến đích. Gói tin RREP được gửi đến nguồn bằng cách gửi unicast.

Chương 3: Định Tuyến Trong các Mạng Ad hoc

3.4.2.2. Duy trì tuyến (Route Maintanance)

Giao thức DSR cho phép các nút trong mạng tự động duy trì thông tin định tuyến trong bộ nhớ đệm. Các nút chuyển gói tin trên mạng đều phải có trách nhiệm xác nhận rằng gói tin đó đã chuyển đến nút kế tiếp hay chưa thông qua sự phản hồi của nút nhận. Trong trường hợp nút đó phát hiện rằng gói tin không thể truyền đến nút kế tiếp, nó sẽ gửi gói tin RERR (Route Error) cho nút nguồn để thông báo tình trạng hiện thời của liên kết và địa chỉ của nút kế tiếp không thể gửi gói tin đi. Khi nguồn nhận RERR, nó sẽ xóa tuyến đường có liên kết hỏng trong bộ nhớ đệm và tìm một đường đi khác mà nó biết trong bộ nhớ đệm hoặc sẽ khởi động một quá trình tìm đường mới nếu như không tồn tại đường đi thích hợp.

3.4.3. Giao thức định tuyến TORA

Giao thức TORA (Temporally Ordered Routing Algorithm): Giao thức giải thuật định tuyến tuần tự tạm thời là giao thức định tuyến được phát triển cho các mạng không dây di động đa chặng, giải quyết được nhược điểm của các giao thức định tuyến truyền thống là phá bỏ được vòng lặp (loop-free) và có khả năng thích ứng cao với môi trường mạng có nhiều thay đổi dựa trên khái niệm liên kết ngược (link reversal). Nó tìm kiếm thông tin về đường đi theo yêu cầu, cung cấp nhiều đường đi tới đích, xác lập đường đi một cách nhanh chóng.

TORA ít sử dụng con đường đi tối ưu (tức là con đường đi ngắn nhất) mà nó thường sử dụng các con đường đi dài hơn nhằm hạn chế việc phải tìm kiếm các con đường đi mới làm ảnh hưởng đến lưu lượng truyền trên mạng.

Cách thức hoạt động của thuật toán TORA có thể hình dung như nước chảy từ nút nguồn đến nút đích của mạng. Các ống nước đại diện cho liên kết giữa các nút, giao điểm của các ống nước đại diện cho các nút và nước trong ống đại diện cho các gói dữ liệu truyền đến đích. Mỗi nút có một trọng số tới mỗi nút đích được tính toán bởi giao thức định tuyến. Nếu một ống nước giữa nút A và nút B bị chặn làm cho nước không thể chảy qua được, thì độ cao của nút A được đặt lớn hơn các nút láng giềng của nó và do đó nước sẽ chảy ngược trở ra nút A (và chảy vào các nút khác mà có thông tin định tuyến đến đích qua nút A)

Giao thức định tuyến TORA được sử dụng trong môi trường mạng di động có tính chất di động cao, cung cấp nhiều đường đi khác nhau giữa hai nút. Để làm được điều này, các nút cần duy trì thông tin định tuyến đến các nút láng giềng của nó. Giao thức định tuyến này thực hiện ba chức năng chính là:

 Tạo tuyến  Duy trì tuyến  Xoá bỏ tuyến

Mỗi nút trong mạng luôn duy trì một đồ thị không vòng có hướng (Direct Acyclic Graph - DAG) dành riêng cho mỗi nút còn lại trong mạng. Mỗi DAG có 5 năm thông số sau :

 t - thời gian liên kết bị đứt (lỗi).

Chương 3: Định Tuyến Trong các Mạng Ad hoc

 oid - id của nút nguồn (id duy nhất xác định mức tham chiếu mới)  r - bit chỉ thị phản xạ với 0 là nút chính, 1 là mức phản ánh.  d - chỉ mối quan hệ tham chiếu với các mức (thứ tự truyền).  i - id của nút.

Bộ ba (t, oid, r) được gọi là mức ưu tiên (tham chiếu), cặp (d, i) gọi là thứ tự truyền trong một mức tham chiếu. Mỗi nút lưu trữ một bảng chứa tham số độ cao của các nút láng giềng. Đầu tiên tham số độ cao của các nút là null (kí hiệu “-”), như vậy độ cao của các nút ban đầu là (-,-,-,-,i) và độ cao của nút đích (0,0,0,0,dest).

Với giao thức TORA, bộ năm (t, oid, r, d, i) đại diện cho độ cao của nút, thông số độ cao của một nút xác định phương hướng di chuyển của nút. Nơi đến nào có độ cao nhỏ nhất lưu lượng luôn chảy theo hướng đó. Những nút duy trì đường đi của mình thì thông số độ cao không thay đổi. Ngoài ra mỗi nút còn có cờ dành cho việc xác định yêu cầu định tuyến.

3.4.3.1. Tạo tuyến

Khi một nút muốn định tuyến đến một nút đích cụ thể nào đó, nó phát quảng bá một gói query (QRY) chứa thông tin về địa chỉ mạng đích và bật cờ xác định yêu cầu định tuyến để định danh cho một gói QRY.

Gói QRY này được truyền trong mạng cho đến khi nó tìm được nút đích hoặc một nút trung gian mà có thông tin định tuyến đến nút đích. Sau đó nút đích hoặc nút trung gian đó sẽ phát quảng bá một gói update (UPD) chứa trọng số của nó đến nút nguồn.

Khi một nút nhận được QRY nó tiến hành các công việc sau :

 Bước 1: Xem cờ đã được bật chưa? Nếu đã bật cờ nó sẽ loại bỏ gói QRY.

Ngược lại qua bước 2.

 Bước 2: Nút kiểm tra xem có đường đi thông luồng (downstream link) đến nút đích không? Nếu không nút sẽ bật cờ và phát lại gói QRY. Ngược lại qua bước 3.

 Bước 3: Nếu nút có ít nhất một đường đi đến nút trung gian có thông tin định tuyến đến nút đích mà độ cao cho liên kết đã mất hiệu lực, nút trung gian này điều chỉnh độ cao của nó đến cực tiểu so với các nút hàng xóm và phát gói UPD lên mạng. Nếu nút có đường đi và độ cao không là null nó sẽ loại bỏ gói QRY. Nếu gói UPD đã được phát hành khi liên kết có hiệu lực (cờ yêu cầu định tuyến đã bật), nó sẽ gửi gói UPD.

Khi gói UPD truyền qua mạng, các nút trong mạng mà nhận được gói UPD này sẽ cập nhật lại thông tin về độ cao đến nút đích của nó bằng cách đặt giá trị thứ tự truyền lớn hơn thứ tự của nút láng giềng mà đã nhận gói UPD trước đó (nếu cùng mức ưu tiên thì thứ tự truyền sẽ được tăng theo một số nguyên d nào đó) đồng thời xóa cờ yêu cầu định tuyến.

Chương 3: Định Tuyến Trong các Mạng Ad hoc

Nếu tuyến đường của nút hàng xóm không hợp lệ (cờ yêu cầu định tuyến không được bật) nó chỉ cập nhật nút hàng xóm vào bảng. Điều này tạo ra một chuỗi các liên kết có hướng từ nút gửi gói QRY đến nút gửi gói UPD trả lời.

3.4.3.2. Duy trì thông tin định tuyến

Quá trình duy trì thông tin định tuyến trong TORA như sau:

1. Nếu một nút phát hiện đường thông luồng cuối cùng đến nút đích tại nó bị lỗi. Nút sẽ định nghĩa một “mức tham chiếu ” mới (mức độ ưu tiên cao hơn), bằng cách thiết lập oid (ID nguồn ), t - thời gian xảy ra lỗi và giá trị thứ tự truyền là 0 - mức này được ưu tiên để chuyển hướng đường đi ngược lại với đường đi ban đầu và lan truyền mức tham chiếu ưu tiên này đến các nút hàng xóm. Nếu không nút lan truyền mức tham chiếu ưu tiên này đến các nút hàng xóm của nó.

2. Nếu các nút hàng xóm không có cùng mức tham chiếu. Nút sẽ lan truyền mức tham chiếu của nút có độ cao lớn nhất (mức ưu tiên nhất) và thiết lập giá trị số thứ tự truyền nhỏ hơn (thường là tăng với giá trị số nguyên d là -1) so với giá trị số thứ tự của các nút láng giềng có mức độ cao lớn nhất đó.

3. Nếu các nút đã có cùng mức tham chiếu nhưng bit phản xạ không được bật. Nút sẽ phản ánh lại độ cao tham chiếu lên một mức cao hơn (được ưu tiên hơn nữa) bằng cách thiết lập bit phản xạ, với giá trị số thứ tự ban đầu được gán bằng 0.

4. Nếu các nút đã có cùng mức tham chiếu và bit phản xạ cũng đã được bật, nút sẽ dò tìm và kiểm tra các nút xem có phải là nút đã phát sinh ra mức tham chiếu mới không? Nếu đúng, bắt đầu thủ tục xóa tại nút phát sinh mức tham chiếu mới. Giá trị độ cao biến được thiết lập là NULL.

5. Nếu không, nút sẽ phát sinh một mức tham chiếu mới với giá trị số nguyên d (số thứ tự truyền) sẽ được gán bằng 0. Điều này có nghĩa là đường liên kết đứt của các nút này không yêu cầu phản ứng mà chỉ đơn giản là định nghĩa một mức mới cao hơn trong thời gian liên kết bị đứt.

3.4.3.3. Xóa bỏ thông tin định tuyến

Khi một nút phát hiện có sự phân chia vùng, nó sẽ đặt độ cao của nó và độ cao của các nút hàng xóm của nó trong bảng trở về NULL và nút sẽ phát sinh một gói clear (CLR). Gói CLR chứa tham số định mức (t.oid,1) và địa chỉ nút đích. Nếu nút nhận gói CLR, nó thiết lập bảng trạng thái và xóa các con đường đi không còn hiệu lực.

3.4.4. Một số giao thức định tuyến theo yêu cầu khác

3.4.4.1. Giao thức CBRP – Cluster-Based Routing Protocol

CBRP chia nút mạng trong mạng Ad hoc thành các cụm. Mỗi một cụm có một nút mạng đại diện có chứa các thông tin về các thành viên trong cụm đó. Tuyến đường giữa các

Chương 3: Định Tuyến Trong các Mạng Ad hoc

cụm được tìm kiếm bằng cách sử dụng thông tin về các nút trong một cụm mà nút đại diện của cụm đó lưu trữ. Việc phân các nút thành từng cụm trong CBRP giúp giảm thiểu lưu lượng lan tràn trên mạng trong khi tìm đường cũng như đẩy nhanh quá trình này. CBRP cũng xem xét đến việc sử dụng các liên kết đơn hướng cho định tuyến trong nội bộ cụm và liên cụm. CBRP dựa tên thuật toán định tuyến nguồn tương tự như DSR, có nghĩa là định tuyến giữa các cụm được thực hiện thông qua bản tin RREQ gửi trên toàn mạng, chỉ khác là số lượng nút nhỏ hơn. CBRP là một giao thức phân tán, điều này có lợi khi mà cấu trúc mạng thay đổi liên tục, hơn nữa sẽ chú ý đến sự tồn tại của liên kết một chiều.

Hai tính năng chính được thêm vào giao thức này đó là rút ngắn tuyến đường và sửa chữa nội vùng. Mỗi nút duy trì thông tin về topo mạng bằng cách quảng bá các gói tin Hello. Kỹ thuật rút gắn tuyến giúp rút ngắn tuyến nguồn của gói dữ liệu đang truyền và thông tin cho nguồn về tuyến đường tốt hơn. Còn kỹ thuật sửa chữa tuyến nội vùng sẽ tự động sửa lại các tuyến nguồn bị hỏng và tránh cho nút nguồn phải thực hiện lại việc tìm đường.

Việc thiết kế giao thức định tuyến cho mạng MANET gặp phải một số khó khăn. Đầu tiên, topo mạng MANET thường xuyên thay đổi do tính di động của các nút trong mạng. Thứ hai, mạng MANET sử dụng giao thức định tuyến phẳng do vậy có thể phải điều khiển một lượng tiêu đề lớn khi mạng mở rộng. Thứ ba, tại một thời điểm các liên kết trong mạng có thể không đối xứng. Một giao thức định tuyến chỉ dựa vào liên kết song hướng có thể bị giới hạn về mặt kích thước và kết nối, trong khi việc sử dụng các liên kết đơn hướng có thể giúp giảm thiểu việc phân vùng mạng và cải thiện quá trình định tuyến.

CBRP có các tính năng sau:

 Giảm thiểu việc phát tràn lưu lượng trong quá trình tìm đường.  Sử dụng các liên kết đơn hướng trong khi các giao thức khác không sử dụng.  Sửa chữa các tuyến đường bị lỗi để không cần phải thực hiện tìm đường lại.  Có thể rút ngắn các tuyến đường tối ưu mà chúng sử dụng.

Trong giao thức CBRP sử dụng các cụm nhằm giảm thiểu việc cập nhật tiêu đề khi topo mạng thay đổi. Tuy nhiên các gói tin sử dụng cho việc duy trì cập nhật thông tin về các thành viên trong cụm và các thông tin định tuyến liên cụm tại các nút là rất quan trọng.

3.4.4.2. LAR – Location Aided Routing

Giao thức LAR sử dụng các thông tin về vị trí để giảm thiểu không gian tìm kiếm về một tuyến đường mong muốn. Việc giới hạn không gian tìm kiếm sẽ giúp sử dụng ít các bản tin tìm đường hơn.

LAR sử dụng phương pháp phát tràn lụt (flooding) để tìm đường. Khi nút nguồn S cần tìm một tuyến đường đến nút đích D, nút S sẽ phát quảng bá một bản tin yêu cầu tuyến đến tất cả hàng xóm của nó. Khi một nút X nhận được bản tin quảng bá này, nó sẽ so sánh địa chỉ đích với địa chỉ của nó xem có trùng nhau không. Nếu đúng thì đây là yêu cầu cho một tuyến đường đến nó. Ngược lại nếu không phải, nút X sẽ quảng bá yêu cầu tuyến này đến hàng xóm

Chương 3: Định Tuyến Trong các Mạng Ad hoc

của nó. Để tránh việc truyền thừa các yêu cầu tuyến, nút X sẽ chỉ quảng bá các yêu cầu tuyến riêng biệt một lần (việc nhận các yêu cầu tuyến trùng nhau được phát hiện bằng việc sử dụng số thứ tự).

Cũng có khả năng đích sẽ không nhận được gói tin yêu cầu tuyến (ví dụ như bên gửi không đến được đích hoặc gói tin yêu cầu bị mất do quá trình truyền bị lỗi), trong trường hợp này bên gửi cần khởi động lại quá trình tìm đường. Vì vậy khi phía gửi bắt đầu quá trình tìm đường, nó sẽ thiết lập một khoảng thời gian giới hạn. Khi kết thúc khoảng thời gian giới hạn này mà nguồn chưa nhận được gói tin đáp ứng tuyến từ đích thì một quá trình tìm đường mới sẽ được bắt đầu. Bản tin yêu cầu tuyến này sẽ có số thứ tự khác với bản tin yêu cầu tuyến trước đó. Quá trình tìm đường được đề xuất khi nút nguồn S phát hiện tuyến đường xác định trước đó đến nút đích D bị lỗi hoặc nút S không có tuyến đường đến D.

Khi sử dụng thuật toán trên, thấy rằng bản tin yêu cầu tuyến có thế đến được mọi nút mà nút S có thể gửi được (cũng có khả năng tất cả các nút trong mạng Ad hoc đều nhận được). Sử dụng thông tin vị trí giúp giảm thiểu số nút mà gói tin yêu cầu tuyến được truyền đến.

3.4.4.3. Thuật toán ARA

ARA là một thuật toán định tuyến theo yêu cầu mới dành cho mạng Ad hoc di động đa chặng. Giao thức này dựa trên những hiểu biết về đàn kiến. Phương pháp này nhằm cố gắng đưa ra cách giải quyết các vấn đề về mặt toán học và kỹ thuật xây dựng. Giao thức định tuyến bày có khả năng thích nghi cao, hiệu quả và khả năng mở rộng. Mục đích chính khi thiết kế giao thức này là giúp giảm thiểu xử lý tiêu đề cho định tuyến.

Ý tưởng của thuật toán này là dựa vào tập tính tìm kiếm thức ăn của những con kiến. Khi con kiến đi tìm thức ăn, chúng bắt đầu từ tổ của chúng đi đến chỗ có thức ăn. Khi gặp điểm giao cắt, nó quyết định rẽ nhánh để đi tiếp. Trong khi di chuyển, những con kiến này để lại pheromone (mùi đặc trưng của động vật) của chúng để đánh dấu tuyến đường đã đi qua. Nồng độ của pheromone thể hiện tập quán của chúng. Hiệu quả của việc truyền các tín hiệu bằng nồng độ pheromone sẽ giảm đi theo thời gian. Đặc tính này rất quan trọng vì nó bổ sung cho phương pháp tự động tìm kiếm tuyến đường.

Thức ăn

Hình 3.7 Tập tính của loài kiến

Tổ

Chương 3: Định Tuyến Trong các Mạng Ad hoc

Hình 3.7 là một ví dụ minh họa với giả thuyết có hai tuyến đường từ tổ kiến đến nới có thức ăn. Tại điểm giao nhau, những con kiến đầu tiên sẽ lựa chọn ngẫu nhiên nhánh tiếp theo. Vì tuyến đường ở dưới ngắn hơn tuyến đường ở trên, nên những con kiến nào chọn tuyến đường này sẽ đến nơi có thức ăn trước. Khi quay về tổ chúng lại phải chọn tuyến đường một lần nữa. Sau một khoảng thời gian ngắn thì nồng độ pheromone ở tuyến đường ngắn hơn sẽ cao hơn ở tuyến đường dài, vì thế tuyến đường ngắn nhất được nhận ra và tất cả chúng chỉ sử dụng tuyến đường này.

Tập tính của loài kiến có thể được sử dụng để tìm kiếm đường đi ngắn nhất trong mạng. Đặc biệt tích chất động của phương pháp này cho phép thích nghi cao với sự thay đổi topo của các mạng Ad hoc di động. Thuật toán ARA đáp ứng được các đặc tính sau của một mạng Ad hoc di động:

 Topo động: ARA dựa vào một hệ thống nhưng vẫn làm việc riêng lẻ từng đối

tượng. Điều này cho phép thích nghi cao với topo hiện thời của mạng.

 Làm việc cục bộ: Khác với các phương pháp định tuyến khác, ARA chỉ dựa vào thông tin nội vùng, không có bảng định tuyến cũng như thông tin truyền đến từ hàng xóm hay các nút khác trên mạng.

 Chất lượng liên kết: Chất lượng của các liên kết và kết nối có thể dựa trên việc tính toán nồng độ pheromone, nhất là quá trình bay hơi trong không khí. Các nút có thể vận dụng điều này cho các gói dữ liệu để giải quyết các vấn đề của mình, một nút phải giám sát chất lượng liên kết.

 Hỗ trợ đa đường: Mỗi nút có một bảng định tuyến lưu các thông tin về tất cả hàng xóm của nó, bao gồm cả “nồng độ pheromone”. Nguyên tắc để lựa chọn nút tiếp theo dựa vào “nồng độ pheromone” của nút hiện tại, vì vậy phương pháp này hỗ trợ định tuyến đa đường.

3.5. Các giao thức định tuyến khác

Như đã đề cập ở phần đầu chương 3, có nhiều phương pháp để phân biệt các giao thức định tuyến trong mạng Adhoc. Có thể là phương pháp dựa vào cách trao đổi thông tin định tuyến giữa các nút di động (dựa trên sự phản ứng) như các giao thức định tuyến chủ động và theo yêu cầu. Ngoài ra còn nhiều giao thức định tuyến khác như giao thức định tuyến lai ghép giữa giao thức định tuyến chủ động và theo yêu cầu; giao thức định tuyến theo vị trí; giao thức định tuyến phẳng hay phân cấp; giao thức định tuyến nhận thức năng lượng; giao thức định tuyến thích nghi; giao thức định tuyến đa điểm (multicast), … [1], [2], [3], [4], [10].

3.5.1. Giao thức định tuyến lai giữa giao thức định tuyển chủ động và theo yêu cầu

Phương pháp lai ghép là sự kết hợp các đặc tính của cả hai dạng giao thức Proactive và Reactive để tạo ra giao thức định tuyến tối ưu. Tư tưởng của phương pháp là thực hiện phân chia mạng thành từng vùng, mỗi vùng sẽ được quan tâm bởi nút trung tâm và nút biên (nút ngoại vi). Mỗi vùng được đánh số theo bán kính vùng, việc định tuyến được chia ra làm hai phương pháp. Định tuyến trong vùng sẽ sử dụng phương pháp định tuyến Proactive, định

Chương 3: Định Tuyến Trong các Mạng Ad hoc

tuyến ngoài vùng sẽ sử dụng phương pháp định tuyến Reactive. Nhờ vậy có thể giảm tối đa thời gian khám phá tuyến và thuận lợi khi topo mạng thay đổi [2, 3].

Tuy nhiên giao thức Hybrid cũng có một số nhược điểm sau:

 Khó khăn trong việc tổ chức mạng theo các thông số của nó.  Nút có thông tin về topo mạng ở mức cao phải duy trì nhiều thông tin định

tuyến, dẫn đến tiêu tốn nhiều bộ nhớ và tài nguyên mạng.

Một số giao thức Hybrid bao gồm:

 Giao thức ZRP (Zone Routing Protocol).  Giao thức HSLS (Hazy Sighted Link State Routing Protocol)  Giao thức HRPLS (Hybrid Routing Protocol for Large Scale Mobile Ad Hoc

Network with Mobile Backbones).

3.5.2. Giao thức định tuyến theo vị trí

Mục tiêu chính của giao thức định tuyến theo vị trí là dựa vào các thông tin về vị trí địa lý của các nút để tìm một đường đi hiệu quả đến đích. Loại định tuyến này còn có ưu điểm là yêu cầu sự tính toán và lượng tiêu đề thấp.

3.5.3. Giao thức định tuyến phân cấp

Loại giao thức định tuyến này cũng có thể là giao thức định tuyến chủ động hay theo yêu cầu, song vấn đề cơ bản là mạng chạy giao thức định tuyến này có cấu trúc phân cấp và nút nằm ở cấp nào sẽ chạy giao thức định tuyến phù hợp với cấp đó. Ban đầu định tuyến thiết lập với các tuyến theo kiểu chủ động và sau đó sẽ theo yêu cầu. Ví dụ một số giao thức định tuyến phân cấp như: CBRP (Cluster Based Routing Protocol), FSR (Fisheye State Routing protocol)…

3.6. Tổng kết chương 3

Chương 3 đi sâu nghiên cứu hoạt động của các giao thức định tuyến trong mạng adhoc, chủ yếu tập trung vào các giao thức định tuyến chủ động như DSDV, OLSR, FSR; giao thức định tuyến theo yêu cầu như DSR, AODV, TORA và một số giao thức định tuyến khác.

3.7. Câu hỏi ôn tập chương 3

3.1. Giải thích sự phân loại của mạng adhoc di động dựa vào cơ sở hạ tầng.

3.2. Nêu những yếu tố khiến cho liên kết không dây trong mạng adhoc trở thành đơn

hướng.

3.3. Giải thích lí do giao thức định tuyến đa điểm truyền thống không thể sử dụng trong

mạng adhoc.

3.4. Nêu khái niệm giao thức định tuyến chủ động và cho ví dụ.

Chương 3: Định Tuyến Trong các Mạng Ad hoc

3.5. Diễn giải việc thực hiện định tuyến của giao thức DSDV.

3.6. Giải thích ý nghĩa của việc bầu chọn MPR trong giao thức định tuyến OLSR, lấy ví

dụ minh họa.

3.7. Nêu cách làm giảm số lượng bản tin trao đổi trong giao thức FSR.

3.8. Nêu khái niệm giao thức định tuyến theo yêu cầu và cho ví dụ.

3.9. Trình bày hiểu biết cơ bản về giao thức định tuyến AODV, lấy ví dụ minh họa.

3.10. Mô tả giao thức định tuyến nguồn động DSR trong mạng adhoc.

3.11. Mạng adhoc sử dụng giao thức định tuyến TORA để định tuyến gói tin như thế

nào?

3.12. Giải thích cách giảm tiêu đề gói tin truyền trong mạng adhoc khi sử dụng giao thức

CBRP.

3.13. Giải thích hoạt động của giao thức LAR và nêu ví dụ.

3.14. Giải thích giải thuật định tuyến ARA bằng ví dụ cụ thể.

3.8. Tài liệu tham khảo chương 3

[1] Monapatra, P., Ad Hoc Networks Technologies and Protocols. 2005: Springer

Science.

[2]

Subir Kumar Sarkar, T.G.B.a.C.P., Ad Hoc Mobile Wireless Networks: Principles, Protocols, and Applications, First Edition 2008: CRC Press.

[3]

Subir Kumar Sarkar, T.G.B.a.C.P., Ad Hoc Mobile Wireless Networks: Principles, Protocols, and Applications, Second Edition 2013: CRC Press.

[4] Waltenegus Dargie, C.P., Fundamentals of wireless sensor networks. 2010: John

Wiley & Sons.

[5] Matin, M.A., Wireless Sensor Networks – Technology and Protocols, ed. M.A. Matin.

2012: InTech.

[6]

Yang, L., IEEE Book Chapter: A Survey of StateoftheArt Routing Protocols for Mobile Ad Hoc Networks. 2010.

[7]

Boukerche, A., Algorithms and Protocols for Wireless and Mobile Ad Hoc Networks. 2009: John Wiley & Sons,.

[8] Sudip Misra, S.C.M.a.I.W., Guide to Wireless Ad Hoc Networks 2009: Springer.

Chương 3: Định Tuyến Trong các Mạng Ad hoc

[9]

Anand, D.K. and S. Prakash. A Short Survey of Energy-Efficient Routing Protocols for Mobile Ad hoc Networks. in Advances in Recent Technologies in Communication and Computing (ARTCom), 2010 International Conference on. 2010.

[10] Saeed, N.H., M.F. Abbod, and H.S. Al-Raweshidy. MANET routing protocols in Future Communication Networks (ICFCN), 2012 International

taxonomy. Conference on. 2012.

[11] Allison June Barlow Chaney, Danh sách các giao thức định tuyến cho mạng Adhoc, (cập nhật ngày 08/12/2014) Trang web

Đại học Princeton, Mỹ. http://www.princeton.edu/~achaney/tmve/wiki100k/docs/List_of_ad hoc_routing_protocols.html

Chương 4: Lớp Truyền Tải trong Mạng Ad hoc

CHƯƠNG 4: LỚP TRUYỀN TẢI TRONG MẠNG AD HOC

Nguyễn Quý Sỹ, Nguyễn Việt Hùng

4.1. Giới thiệu

Các mạng Ad hoc là các hệ thống phân tán phức tạp bao gồm các nút cố định và di động vô tuyến, các nút này có thể tự tổ chức tự do và luôn thay đổi. Bằng cách này các nút tạo ra các cấu hình mạng ad hoc tùy ý (tùy hứng) và tạm thời, cho phép các thiết bị kết nối “không liền” trong các vùng với hạ tầng không không tồn tại trước. Hiện nay việc đưa ra các giao thức mới như such as Bluetooth, IEEE 802.11, và HyperLAN đang làm cho sự phát triển của các mạng các mạng Ad hoc có thể thương mại được.

Kết quả, nhiều nỗ lực nghiên cứu đã tập trung vào môi trường vô tuyến đầy thử thách mới này. Giao thức điều khiển truyền dẫn (TCP) đã được thiết kế để cung cấp vận chuyển dữ liệu end-to-end tin cậy qua các mạng không tin cậy. Về lý thuyết, TCP độc lập với hạ tầng bên dưới. Cụ thể TCP không quan tâm tới giao thức IP đang hoạt động như thế nào qua các kết hữu tuyến hoặc vô tuyến. Thực tế nó có ý nghĩa bởi vì hầu hết các triển khai TCP đã được thiết kế chi tiết dựa trên các giả thiết của các mạng hữu tuyến.

Khi bỏ qua các đặc điểm của truyền dẫn vô tuyến có thể dẫn tới thực hiện TCP với chất lượng tồi. Trong mạng ad hoc, nguyên lý của TCP nằm ở thực hiện điều khiển tắc ngẽn trong các trường hợp buông lỏng mà không gây ra tắc ngẽn mạng. Bởi vì tỷ lệ lỗi bit rất thấp trong các mạng hữu tuyến nên gần như tất cả các phiên bản TCP hiện nay giả thuyết rằng tổn thất gói là do tắc ngẽn. Cho nên khi một gói được phát hiện là bị mất bằng timout hoặc bằng các gói xác nhận (ACK), TCP điều chỉnh giảm tốc độ độ phát bằng điều chỉnh cửa sổ tắc ngẽn của nó. Nhưng các mạng vô tuyến lại chịu một số kiểu tổn thất không liên quan tới tắc ngẽn và làm cho TCP không thích ứng với môi trường này. Các mạng Ad hoc kế thừa một số tính chất như tốc độ lỗi bit cao, đường dẫn bất đối xứng, và thêm các vấn đề mới do tính di động và truyền thông đa chặng như là phần riêng của mạng, các lỗi tuyến và các thiết bị đầu cuối ẩn.

4.2. Những thách thức và vấn đề thiết kế TCP trong các mạng Ad hoc

Hoạt động của TCP bị suy giảm trong các mạng ad hoc. Đó là vì TCP phải đối mặt với những thách thức mới do mạng ad hoc như: mất kênh, các trạm ẩn và hiện, sự bất đối xứng đường dẫn, các phần riêng của mạng, các lỗi tuyến và các ràng buộc năng lượng.

4.2.1. Các thách thức

4.2.1.1. Mất kênh

Các nguyên nhân chính của lỗi trong các kênh vô tuyến như sau:

Chương 4: Lớp Truyền Tải trong Mạng Ad hoc

 Suy hao tín hiệu: Đó là duy giảm cường độ năng lượng điện từ ở phía thu

(chẳng hạn do khoảng cách), dẫn tới tín hiệu trên tạp âm (SNR) thấp.

 Dịch Doppler: Đó là do các vận tốc liên quan của máy phát và máy thu. Dịch Doppler gây ra dịch tần số tín hiệu, do đó làm phức tạp phần thu của tín hiệu.

 Pha đinh đa đường: Các sóng điện từ phản xạ trên bề mặt các vật thể hoặc nhiễu xạ xung quanh các vật thể có thể gây ra truyền tín hiệu trên nhiều đường dẫn từ máy phát tới máy thu. Truyền sóng đa đường có thể dẫn tới các dao động về biên độ, pha và góc geographical angle của tín hiệu máy thu nhận được.

Để tăng cường thành công truyền dẫn, các giao thức lớp liên kết dữ liệu thực hiện các kỹ thuật sau: Yêu cầu lặp lại tự động (ARQ), Chuẩn hóa lỗi chuyển tiếp (FEC) hoặc cả hai. Ví dụ, IEEE 802.11 thực hiện ARQ, vì vậy khi một máy phát phát hiện một lỗi, nó sẽ tự động phát lại khung đó và sử dụng một bộ đếm thời gian để phát hiện lỗi.

Bluetooth thực hiện cả hai ARQ và FEC trên một số kết nối đồng bộ và không đồng bộ. Chú ý: các gói được phát qua một kênh fading có thể gây ra cho giao thức định tuyến kết thúc không chuẩn-có thêm một nút đồng loại một chặng mới. Nút một chặng này có thể cung cấp tuyến ngắn hơn so với các nút khác. Đáng tiếc là tuyến ngắn hơn này thường không tin cậy. Nhưng một số giao thức, như Destination-Sequenced Distance Vector (DSDV) và Ad Hoc On-Demand Distance Vector (AODV) trong mạng thực, nhận thấy rằng không có giao thức nào trong chúng có thể cung cấp một tuyến đa chặng tin cậy bởi vì cách hoạt động của các kênh vật lý và đặc biệt là pha đing.

4.2.1.2. Các trạm ẩn và hiện

Trong các mạng ad hoc, các trạm có thể dựa trên một cơ chế cảm ứng sóng mang để xác định kênh rỗi, như chức năng điều phối phân tán (DCF) của IEEE 802.11. Cơ chế cảm ứng này không quyết định hoàn toàn các vấn đề trạm ẩn và hiện. Trước khi giải thích các vấn đề này chúng tôi cần làm rõ hơn thuật ngữ phạm vi truyền dẫn “tranmission range”-là phạm vi so với trạm phát mà một gói có thể nhận được thành công.

Một tình huống thiết bị đầu cuối ẩn điển hình được mô tả trong Error! Reference source not found.. Các trạm A và C có một khung để phát tới trạm B. Trạm A không thể phát hiện được việc truyền của C bởi vì nó nằm ngoài phạm vi truyền dẫn của C. Do đó trạm C (đối với A) bị ẩn đối với trạm A (đối với C). Bởi vì việc truyền của A và C không tách rời nên sẽ có xung đột gói ở B. Các xung đột này làm cho việc truyền từ A và C tới B khó giải quyết. Để giảm bớt vấn đề trạm ẩn, cảm biến sóng mang ảo đã được đề xuất dựa trên bắt tay hai chiều trước khi truyền dữ liệu. Đặc biệt trạm nguồn phát một khung điều khiển ngắn, được gọi là RTS tới trạm đích. Ngay khi nhận được RTS, trạm đích trả lời bằng một khung xóa phía phát (CTS) chỉ thị nó đã sẵn sàng nhận khung dữ liệu. Cả hai khung RTS và CTS đều chứa toàn bộ khoảng thời gian phát dữ liệu. Tất cả các trạm nhận được một trong hai RTS

Chương 4: Lớp Truyền Tải trong Mạng Ad hoc

Hình 4.1: Vấn đề thiết bị đầu cuối ẩn

hoặc CTS sẽ giữ yên lặng trong suốt giai đoạn truyền dữ liệu (ví dụ như trạm C trong Hình 4.1).

Hình 4.2: Vấn đề thiết bị đầu cuối hiện

Tuy nhiên vấn đề trạm ẩn có thể vẫn còn trong các mạng ad hoc IEEE 802.11 ngay cả khi sử dụng bắt tay RTS-CTS. Đó là do thực tế năng lượng cần cho gián đoạn nhận gói thấp hơn nhiều so với truyền một gói thành công. Nói cách khác, phạm vi truyền dẫn một nút nhỏ hơn phạm vi mà nút cảm ứng.

Chương 4: Lớp Truyền Tải trong Mạng Ad hoc

Vấn đề trạm hiện gây ra từ một tình huống mà một truyền dẫn phải bị trì hoãn bởi vì truyền dẫn giữa hai trạm khác trong phạm vi truyền của bên phát. Trong Hình 4.2 xem xét một tình huống điểm hình xảy ra vấn đề thiết bị đầu cuối hiện. Chúng ta cùng giả thiết rằng A và C trong phạm vi truyền của B và A là ngoài phạm vi truyền của C. Chúng ta cũng giả thiết rằng B đang phát tới A và C có một khung được phát tới D. Theo cơ chế cảm ứng sóng mang, C cảm ứng một kênh bận bởi vì sự truyền của B.

Do đó, trạm C sẽ cố gắng không phát tới D, mặc dù việc phát này cũng không gây

nhiễu ở A. Vì vậy vấn đề của trạm hiện có thể gây ra giảm khả năng sử dụng kênh.

Lưu ý là các vấn đề thiết bị đầu cuối ẩn và hiện liên quan lớp phạm vi truyền. Bằng cách tăng phạm vi truyền dẫn, vấn đề thiết bị đầu cuối ẩn đầu cuối ẩn xảy ra bớt thường xuyên. Mặt khác, vấn đề thiết bị đầu cuối hiện trở nên quan trọng hơn khi phạm vi truyền dẫn nhận dạng được vùng bị ảnh hưởng bởi một truyền dẫn riêng lẻ.

4.2.1.3. Bất đối xứng đường dẫn

Bất đối xứng đường dẫn trong mạng ad hoc có thể xuất hiện trong nhiều dạng như

băng thông bất đối xứng, bất đối xứng tỷ lệ suy hao, và bất đối xứng định tuyến.

Băng thông bất đối xứng: mạng truyền hình vệ tinh bị bất đối xứng lớn về băng thông, kết quả từ nhiều kỹ thuật cân bằng khác nhau (như công suất, khối lượng, âm lượng) cũng như thực tế đối với các sứ mệnh khoa học không gian, hầu hết các dữ liệu bắt nguồn từ vệ tinh truyền về trái đất. Nói chung, các kênh hồi tiếp không được sử dụng cho việc truyền dữ liệu. Ví dụ, trong mạng lưới vệ tinh quảng bá tốc độ băng thông của liên kết vệ tinh-mặt đất trên băng thông của liên kết trái đất-vệ tinh là khoảng 1.000. Mặt khác, trong các mạng ad hoc, mức độ bất đối xứng băng thông không phải là rất cao. Ví dụ, tốc độ băng thông nằm giữa 2 và 54 trong mạng ad hoc sử dụng giao thức IEEE 802.11g. Kết quả sự bất đối xứng từ việc sử dụng tốc độ truyền khác nhau. Bởi vì những tốc độ truyền dẫn khác nhau, thậm chí đối xứng đường dẫn nguồn-đích có thể bị bất đối xứng băng thông.

Bất đối xứng tốc độ tổn thất: Đây là loại bất đối xứng xảy ra khi đường dẫn ngược lại lại tổn thất đáng kể hơn đường dẫn chuyển tiếp. Trong các mạng ad hoc, bất đối xứng này là do thực tế là tổn thất gói phụ thuộc vào các ràng buộc cục bộ có thể thay đổi từ nơi này đến nơi khác. Lưu ý rằng bất đối xứng tốc độ tổn thất có thể sinh ra bất đối xứng băng thông. Ví dụ, trong cơ chế đa tốc độ của phiên bản giao thức IEEE 802.11, phía phát có thể sử dụng thuật toán ARF để lựa chọn tốc độ truyền tải. Với ARF, phía phát cố gắng sử dụng tốc độ truyền cao hơn sau khi truyền thành công liên tục, và quay trở lại để giảm tốc độ sau khi thất bại. Vì vậy, khi tốc độ mất tăng, phía phát sẽ tiếp tục sử dụng tốc độ truyền thấp.

Bất đối xứng tuyến: Không giống như hai hình thức trước của bất đối xứng, ở đây đường dẫn hướng đi và đường dẫn hướng về có thể giống nhau, bất đối xứng định tuyến có nghĩa là đường dẫn riêng biệt được sử dụng cho dữ liệu TCP và TCP ACK. Bất đối xứng này có thể do giao thức định tuyến tạo ra. Bất đối xứng định tuyến làm tăng chi phí quản lý định

Chương 4: Lớp Truyền Tải trong Mạng Ad hoc

tuyến và tổn thất gói trong trường hợp tính di động cao, bởi vì khi các nút di chuyển, sử dụng định tuyến riêng biệt chuyển tiếp và ngược lại (backward) làm tăng xác suất lỗi tuyến trên các kết nối TCP. Tuy nhiên, đây không phải là trường hợp với mạng tĩnh hoặc những mạng có mức độ di động thấp, như trường hợp của một mạng lưới với các tuyến có thời gian sống dài so với thời gian chuyển giao phiên. Vì vậy, đó là vào các giao thức định tuyến để chọn các đường đối xứng khi các tuyến như vậy có sẵn trong trường hợp của mạng ad hoc của tính di động cao.

Hình 4.3: Tình huống phân vùng mạng

4.2.1.4. Phân vùng mạng

Một mạng ad hoc có thể được biểu diễn bằng một đồ thị đơn giản G. Các trạm di động là "các đỉnh". Một truyền tải thành công giữa hai trạm là một mạng phân vùng vô hướng "biên" xảy ra khi G được ngắt kết nối. Lý do chính của ngắt kết nối này trong MANETs là sự di động của nút. Một yếu tố khác có thể dẫn đến phân vùng mạng là hoạt động năng lượng bị ràng buộc năng lượng của. Một ví dụ về phân vùng mạng được minh họa trong Hình 4.3. Trong hình này, đường đứt nét là các liên kết giữa các nút. Khi nút D di chuyển ra khỏi nút C, kết quả là phân vùng mạng thành hai phần riêng biệt. Rõ ràng, các TCP agent của nút A không thể nhận được TCP ACK từ nút F. Nếu ngắt kết nối tồn tại trong một khoảng thời gian lớn hơn giới hạn thời gian truyền lại (RTO) của nút A, các TCP agent sẽ kích hoạt thuật toán backoff theo hàm mũ, thuật toán này nhân đôi RTO bất cứ khi nào hết giới hạn thời gian. Từ đầu, TCP không có chỉ thị về thời gian chính xác của kết nối lại mạng. Việc thiếu chỉ thị này có thể dẫn đến các khoảng thời gian nhàn rỗi dài trong khi mạng được kết nối lại, nhưng TCP vẫn còn trong trạng thái backoff.

4.2.1.5. Các sự cố định tuyến

Trong mạng hữu tuyến, sự cố tuyến rất hiếm khi xảy ra. Trong MANETs, thường xuyên xảy ra sự cố tuyến. Nguyên nhân chính của sự cố tuyến là sự di động của nút. Một yếu tố khác có thể dẫn đến các sự cố tuyến là những sự cố liên kết do kết nối trên kênh vô tuyến, đó là nguyên nhân chính của suy giảm hiệu suất TCP trong MANETs. Khoảng thời gian thiết lập lại tuyến sau sự cố tuyến trong các mạng ad hoc phụ thuộc vào giao thức định tuyến, mô hình di động của các nút di động, và các đặc điểm lưu lượng. Nếu bên gửi TCP không có chỉ

Chương 4: Lớp Truyền Tải trong Mạng Ad hoc

thị về tái lập lại tuyến, thì thông lượng và trễ phiên sẽ bị suy giảm vì thời gian nhàn rỗi lớn. Ngoài ra, nếu các tuyến mới được thành lập là dài hơn hoặc ngắn hơn về số chặng thì sau đó TCP tuyến cũ sẽ phải đối mặt với một biến động lớn trong thời gian khứ hồi (RTT)

Ngoài ra, các mạng ad hoc, giao thức định tuyến dựa trên quảng bá các bản tin “Hello” để phát hiện sự tiến tới của các máy lân cận, có thể phải chịu vấn đề của "vùng xám truyền thông". Trong các khu vực này, các bản tin dữ liệu không thể trao đổi được, mặc fù các bản tin Hello được quảng bá và các khung điều khiển chỉ thị rằng các thiết bị lân cận có thể tiến đến. Vì vậy, khi gửi các bản tin dữ liệu, giao thức định tuyến sẽ trải qua các sự cố tuyến.

4.2.2. Các ràng buộc năng lượng

Bởi vì mỗi nút di động mang pin cung cấp năng lượng hạn chế, nên năng lượng xử lý bị hạn chế. Đây là một vấn đề lớn trong các mạng ad hoc, như mỗi nút hoạt động đồng thời vừa như một hệ thống đầu cuối và vừa như một bộ định tuyến, với ngụ ý rằng năng lượng bổ sung là cần thiết để chuyển tiếp và chuyển tiếp các gói tin. TCP phải sử dụng nguồn năng lượng khan hiếm này một cách "hiệu quả". Ở đây, "hiệu quả" nghĩa là giảm thiểu số lượng truyền lại không cần thiết ở lớp truyền tải cũng như tại lớp liên kết. Trong các mạng ad hoc nói chung, đặc biệt có hai vấn đề năng lượng tương quan: thứ nhất là "tiết kiệm năng lượng" nhằm giảm công suất tiêu thụ, và điều thứ hai là "điều khiển công suất" mà nhằm mục đích điều chỉnh công suất truyền của các nút di động. Chiến lược tiết kiệm năng lượng đã được thẩm định ở nhiều mức của một thiết bị di động, bao gồm cả truyền tải lớp vật lý, các hệ điều hành, và các ứng dụng.

Điều khiển công suất có thể được sử dụng cùng với các agent định tuyến hoặc truyền tải để cải thiện hiệu năng của mạng ad hoc. Các truyền thông bị ràng buộc năng lượng cũng bộc lộ các vấn đề hợp tác giữa các nút, như các nút không thể tham gia vào các thủ tục định tuyến và thủ tục chuyển tiếp để tiết kiệm nguồn pin.

4.2.3. Các mục tiêu thiết kế

Các mục tiêu sau đây phải được đáp ứng khi thiết kế các giao thức tầng truyền tải cho

mạng ad hoc:

 Thông lượng cho một kết nối cần được tối đa.

 Sự cân bằng thông lượng cần được cung cấp.

 Thời gian thiết lập kết nối cần được tối thiểu.

 Chi phí bảo trì kết nối cần được giảm thiểu.

 Cần kết hợp cơ chế tắc nghẽn và điều khiển lưu lượng.

 Cần cung cấp cả truyền tải đáng tin cậy và không đáng tin cậy.

 Cần sử dụng băng thông sẵn có hiệu quả.

Chương 4: Lớp Truyền Tải trong Mạng Ad hoc

 Cần phải nhận thức về hạn chế nguồn tài nguyên, ví dụ như, công suất và kích

thước bộ đệm.

 Để cải thiện hiệu năng, thông tin lớp thấp hơn nên được sử dụng một cách hiệu

quả.

 Các tương tác xuyên lớp cần phải hiệu quả, khả năng mở rộng, và độc lập giao

thức.

4.3. Hiệu năng TCP trên mạng di động Ad Hoc (MANETs)

4.3.1. Hiệu năng TCP

Để thực hiện một TCP di động, các yếu tố sau đây phải được xem xét.

4.3.1.1. Trễ không tắc nghẽn

Một trong những vấn đề chính mà TCP có trên MANETs là nó ấn định tất cả các tổn thất gói cho nghẽn, và được điều khiển bởi phương thức điều khiển tắc nghẽn. Cửa sổ tắc nghẽn giảm xuống, và khởi tạo lại bộ đếm thời gian truyền lại cho một khoảng thời gian backoff. Các thuật toán điều khiển tắc nghẽn cần phải được sử dụng chỉ trong trường hợp tắc nghẽn mạng thực sự. Lưu ý rằng Jacobson giả thuyết rằng gói tin bị mất hiếm khi do hưu hỏng phía phát; vì thế, có lẽ hầu hết các gói dữ liệu bị mất do tắc nghẽn mạng chứ không phải do hư hại. Theo Jacobson, các phương thức điều khiển nghẽn là vô tình với tổn thất. Tốc độ tổn thất cao do mất một gói cho mỗi cửa sổ (ví dụ, từ 12 đến 15% cho một cửa sổ 8 gói) làm suy giảm thông lượng TCP bằng 60%. Sự suy giảm bổ sung này từ cửa sổ tránh nghẽn càng làm tăng vấn đề này.

4.3.1.2. Các giới hạn thời gian theo thứ tự

Ngắt kết nối thường xuyên gây ra một trạng thái gọi là "Các giới hạn thời gian theo thứ tự" ở phía phát TCP. Điều này xảy ra khi bộ đếm thời gian truyền lại ở phía phát được tăng gấp đôi sau mỗi nỗ lực truyền lại không thành công, để giảm tốc độ truyền lại. Vì vậy, khi điện thoại di động được kết nối lại, TCP sẽ mất một thời gian dài để phục hồi và dữ liệu sẽ không được truyền đi trong một khoảng thời gian.

4.3.1.3. Thay đổi kích thước gói

Kích thước gói tin qua các kênh vô tuyến thường là nhỏ hơn nhiều so với kích thước gói tin qua các kênh hữu tuyến. Do đó, mỗi gói tin trên mạng hữu tuyến được phân mảnh khi truyền qua kênh vô tuyến. Bởi vậy, việc tìm kiếm kích thước gói tối ưu trên kênh vô tuyến là một vấn đề chính đối với hiệu năng.

4.3.1.4. Dữ liệu và Xác Nhận (ACK)

Vấn đề va chạm gói tin

Chương 4: Lớp Truyền Tải trong Mạng Ad hoc

Cơ chế tránh va chạm của IEEE 802.11b không ngăn cản tất cả các va chạm. Bởi vì lưu lượng TCP là hai chiều (với các gói dữ liệu trong một hướng và gói ACK theo chiều ngược lại), có thể có gói dữ liệu TCP và gói ACK va chạm. Những va chạm này gây ra truyền lại ở lớp MAC hoặc truyền lại ở lớp TCP khi không sử dụng phục hồi lỗi lớp liên kết. Ở đây, Jacobson đã kiểm thử tốc độ truyền lại cho giao thức gói tin người sử dụng (UDP) và TCP trong một môi trường không có sự can thiệp của nhiễu. Trong UDP, các truyền lại tương đối chậm (gần 1%), nhưng khi họ sử dụng TCP, các truyền lại tăng đến 5%. Họ đổ lỗi cho sự gia tăng trong tốc độ truyền lại đối với các va chạm TCP gói dữ liệu và gói ACK. Việc giảm hiệu năng là không quan trọng, nhưng hiệu năng thậm chí còn thấp hơn nếu không sử dụng phục hồi lớp MAC. Lưu lượng TCP mà không cần truyền lại lớp MAC là 23% thấp hơn so với có truyền lại ở lớp MAC. Hiệu năng tạo dòng UDP, ngay cả khi không có truyền lại ở lớp MAC truyền lại, cao hơn một chút so với TCP có truyền lại ở lớp MAC.

4.3.2. Các vấn đề khác

Các vấn đề khác trong các lớp thấp hơn được nêu dưới đây.

4.3.2.1. Sự răng ra của các tuyến cũ

Khi các nút di chuyển, các tuyến thay đổi, và chúng phải được cập nhật ngay khi có thể. Ngay cả khi thay đổi chậm cấu trúc liên kết, bộ phát TCP vẫn rất chậm trong việc làm sạch tuyến cũ từ bộ nhớ cache của nó, dẫn đến các sự cố bị lặp đi lặp lại. Sau những sự cố này, các nút trung gian trả lời yêu cầu tuyến với các tuyến trong cache của chúng, làm phức tạp vấn đề này vì đôi chi chúng trả lời bằng các tuyến cũ. Điều đó trở nên xấu hơn khi các nút khác tiếp nhận quá nhiều các tuyến cũ; do đó, các tuyến dự phòng được tràn lan trên mạng, tạo ra nhiều sự cố tuyến hơn. Đó là một số trong những thực tế có ảnh hưởng xấu đến hiệu năng TCP. Nó có thể được giải quyết bằng cách tự động điều chỉnh thời gian giới hạn cho bộ nhớ cache theo tốc độ thất bại tuyến quan sát được.

4.3.2.2. Vấn đề thích ứng tốc độ lớp điều khiển truy nhập môi trường (MAC)

Điều này liên quan đến thuật toán thích ứng tốc độ lớp MAC. Thích ứng tốc độ lớp MAC được giả thiết phải tăng thông lượng khi tốc độ lỗi kênh cao. Một thuật toán thích ứng tốc độ kém có thể làm giảm thông lượng. Thuật toán thích ứng tốc độ tăng theo cấp số nhân- Giảm theo cấp số nhân gây ra truyền lại gói TCP định kỳ. Cơ chế "thăm dò băng thông" làm cho mạng nội bộ không dây (WLAN) gặp nhiều rắc rối. Các nguồn tài nguyên kênh không dây bị lãng phí vì nhiều sự truyền lại ở lớp MAC, và nhiều sự truyền lại TCP hiệu quả hoặc không hiệu quả xảy ra. Đúng hơn là cần tới một thuật toán thích ứng tốc độ tốt hơn và sẽ cần tới một thuật toán "thăm dò băng thông” mới.

Nguyên nhân của sự suy giảm hiệu năng TCP trong MANETs là do bốn vấn đề chính:

 TCP là không thể phân biệt giữa tổn thất do lỗi tuyến và tắc nghẽn mạng.

 TCP mất chất lượng từ các sự số tuyến hay xảy ra.

Chương 4: Lớp Truyền Tải trong Mạng Ad hoc

 Các tranh chấp trên kênh vô tuyến.

 Không công bằng của TCP.

4.4. Giao thức truyền tải Ad Hoc

4.4.1. Phương pháp tiếp cận chia tách

Phần này đề cập các vấn đề các sự cố tuyến hay xảy ra trong MANETs. Hình 5.4 chỉ

Hình 4.4: Phân loại các giao thức lớp truyền tải

ra sự phân loại các giao thức lớp truyền tải.

Chương 4: Lớp Truyền Tải trong Mạng Ad hoc

Hình 4.5: Chia tách TCP

4.4.1.1. Chia tách TCP

Kết nối TCP có một số lượng lớn các chặng mất chất lượng vì các sự cố hay xảy ra do sự di động. Để cải thiện thông lượng của các kết nối và giải quyết vấn đề không công bằng, sơ đồ chia tách TCP đã được giới thiệu để chia tách các kết nối TCP dài thành các đoạn cục bộ ngắn hơn (xem Hình 4.5). Nút giao tiếp giữa hai đoạn cục bộ được gọi là "proxy."

Các agent định tuyến quyết định xem nút của nó có vai trò của proxy tương ứng với tham số khoảng cách giữa các proxy hay không. Proxy chặn các gói tin TCP, lưu đệm chúng, và xác nhận chúng đã nhận được từ nguồn (hoặc proxy trước) bằng cách gửi một Local Acknowledgment (LACK). Ngoài ra, một proxy có trách nhiệm vận chuyển các gói dữ liệu, ở tốc độ thích hợp, tới phân đoạn cục bộ tiếp theo. Khi nhận được một LACK (từ proxy tiếp theo hoặc từ đích cuối cùng), một proxy sẽ thanh lọc gói dữ liệu từ bộ đệm của nó. Để đảm bảo độ tin cậy nguồn tới đích, một ACK được gửi bởi đích đến nguồn tương tự như TCP tiêu chuẩn. Trong thực tế, phương thức này cũng chia tách chức năng lớp truyền tải ra thành điều khiển độ tin cậy đầu cuối đến đầu cuối và điều khiển tắc nghẽn.

Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng hai cửa sổ truyền dẫn tại nguồn là cửa sổ tắc nghẽn và cửa sổ đầu cuối đến đầu cuối. Cửa sổ tắc nghẽn là một cửa sổ con của cửa sổ đầu cuối đến đầu cuối. Mặc dù những cửa sổ tắc nghẽn thay đổi theo tốc độ tới của các LACK từ proxy tiếp theo, cửa sổ đầu cuối đến đầu cuối sẽ thay đổi theo tốc độ tới của các ACK đầu cuối đến đầu cuối từ đích. Tại mỗi proxy, sẽ có một cửa sổ tắc nghẽn, cửa sổ này sẽ chi phối tốc độ phát giữa các proxy.

Ưu điểm

Một khoảng cách giữa các proxy 3 và 5 có tác động tốt trên cả thông lượng và sự công bằng. Sự cải thiện lên đến 30% có thể đạt được trong tổng thông lượng bằng cách sử dụng chia tách TCP.

Nhược điểm

Nhược điểm là các bộ đệm lớn và các tiêu đề mạng. Chúng làm cho vai trò của các nút Proxy phức tạp hơn, vì mỗi phiên TCP chúng phải kiểm soát phân phối gói tin đến proxy thành công.

4.4.2. Phương pháp tiếp cận đầu cuối đến đầu cuối

Phương pháp này giải quyết vấn đề không làm được của TCP là khả năng để phân biệt

giữa tổn thất do sự cố định tuyến và do tắc nghẽn mạng trong MANETs.

4.4.2.1. Phản hồi TCP (TCP-F)

Trong các mạng di động ad hoc, cấu trúc liên kết có thể thay đổi nhanh chóng do sự chuyển động của máy chủ di động (MHS). Những thay đổi cấu trúc liên kết phổ biến gây ra

Chương 4: Lớp Truyền Tải trong Mạng Ad hoc

tổn thất gói tin bất ngờ và trễ. TCP hiểu sai như tổn thất tắc nghẽn và đưa ra điều khiển tắc nghẽn, dẫn đến truyền lại không cần thiết và mất thông lượng. Để khắc phục vấn đề này, thông tin phản hồi TCP (TCP-F) đã được đề xuất để phía phát có thể phân biệt giữa định tuyến thất bại và tắc nghẽn mạng. Trong mô hình này, phía phát bị buộc phải ngăn chặn truyền dẫn mà không làm giảm kích thước cửa sổ trên đường truyền thất bại. Ngay sau khi kết nối được thiết lập lại, truyền lại nhanh chóng được kích hoạt.

Hình 4.6: Máy trạng thái TCP-F

TCP-F dựa trên lớp mạng tại một nút trung gian để phát hiện lỗi tuyến do sự di chuyển của dòng truyền xuống hàng xóm dọc theo tuyến. Một phía phát có thể được trong một "trạng thái hoạt động" hoặc một "trạng thái báo lại." Trong trạng thái hoạt động, lớp truyền tải được điều khiển bởi các giao thức TCP bình thường. Ngay sau khi một nút trung gian phát hiện một tuyến bị hỏng, nó rõ ràng sẽ gửi một gói Route Failure Notification (RFN) đến phía phát và ghi lại sự kiện này. Sau khi tiếp nhận RFN, phía phát đi vào trạng thái báo lại, trong đó phía phát hoàn toàn dừng việc gửi các gói dữ liệu hơn nữa và đóng băng tất cả bộ định giờ và các giá trị của các biến trạng thái như RTO và kích thước cửa sổ tắc nghẽn. Trong khi đó, tất cả các nút trung gian dòng truyền lên tiếp nhận các RFN làm mất hiệu lực các tuyến riêng, để tránh thêm tổn thất gói. Phía phát vẫn còn trong trạng thái báo lại cho đến khi nó được thông báo về sự phục hồi của tuyến thông qua một gói Route Reestablishment Notification (RRN) từ một nút trung gian. Sau đó, nó lại tiếp tục truyền tải từ trạng thái đóng băng. Máy trạng thái của TCP-F được thể hiện trong hình 5.6.

4.4.2.2. Kỹ thuật dựa trên Explicit Link Failure Notification (ELFN)

Kỹ thuật dựa trên ELFN tương tự như TCP-F. Tuy nhiên trái ngược với TCP-F, đánh giá của đề xuất này được dựa trên sự tương tác thực sự giữa TCP và các giao thức định tuyến.

Chương 4: Lớp Truyền Tải trong Mạng Ad hoc

Sự tương tác này nhằm mục đích thông báo cho các TCP agent về các lỗi tuyếnkhi chúng xảy ra. Tác giả sử dụng một bản tin ELFN, được đi kèm trên bản tin lỗi tuyếnđược gửi bởi các giao thức định tuyến cho phía phát. Bản tin ELFN giống như một bản tin giao thức bản tin điều khiển mạng (ICMP) " host unreachable", trong đó có địa chỉ của phía phát và bộ thu và các cổng, cũng như số thứ tự các gói tin TCP. Khi nhận được bản tin ELFN, nguồn trả lời bằng cách vô hiệu hóa bộ tính giờ truyền lại của mình và vào một chế độ "chờ". Trong thời gian chờ, phía phát TCP thăm dò mạng để kiểm tra xem các tuyến được phục hồi. Nếu việc ghi nhận các gói tin thăm dò được nhận, phía phát TCP rời khỏi chế độ chờ, lại tiếp tục tính giờ truyền lại, và tiếp tục hoạt động bình thường.

Khoảng thời gian thăm dò của hai giây thực hiện tốt nhất và làm cho khoảng thời gian này một vài chức năng của RTT thay vì cho nó một giá trị cố định. Đối với các RTO và cửa sổ tắc nghẽn (CW) giá trị khi phục hồi tuyến, sử dụng các giá trị trước khi lỗi tuyếnthực hiện tốt hơn so với khởi tạo CW để một gói hoặc RTO đến sáu giây.

Ưu điểm

Kỹ thuật này cung cấp những cải tiến đáng kể so với tiêu chuẩn TCP, nhưng vẫn tiếp tục đánh giá là cần thiết. Ví dụ, giao thức định tuyến khác nhau nên được coi là khác với giao thức hoạt động định tuyến nguồn động (DSR), các giao thức đặc biệt là chủ động như định tuyến tối ưu hóa trạng thái liên kết (OLSR).

Nhược điểm

Trong trường hợp tải cao, ELFN thực hiện kém hơn so với TCP tiêu chuẩn, bởi vì ELFN dựa trên thăm dò mạng theo định kỳ để phát hiện tái lập tuyến. Ngoài ra, trong trường hợp tải nhẹ, ELFN thực hiện kém hơn so với TCP tiêu chuẩn bằng 5% trong trường hợp của mạng ad hoc tĩnh.

4.4.2.3. Ad Hoc TCP (ATCP)

ATCP cũng sử dụng thông tin phản hồi lớp mạng. Ngoài các định tuyến thất bại, ATCP cố gắng để đối phó với các vấn đề tốc độ lỗi bít cao (BER). Phía phát TCP có thể được đưa vào trạng thái bền vững, trạng thái kiểm xoát nghẽn mạng, hoặc trạng thái truyền lại. Sơ đồ chuyển đổi trạng thái cho ATCP ở phía phát được thể hiện trong hình 5.7. Lớp ATCP được chèn vào giữa các lớp TCP và IP của các nút nguồn TCP. ATCP lắng nghe các thông tin trạng thái mạng được cung cấp bởi bản tin bản tin nghẽn mạng rõ ràng (ECN) bởi bản tin ICMP "Destination Unreachable", sau đó ATCP đặt một TCP agnet vào tình trạng thích hợp. Khi nhận được bản tin “Destination Unreachable”, một TCP agnet đi vào trạng thái tồn tại. Các đại lý TCP trong trạng thái này được đóng băng và không có gói tin được gửi đi cho đến khi một đường dẫn mới được tìm thấy bằng cách thăm dò mạng.

Các ECN được sử dụng như một cơ chế để thông báo một cách rõ ràng phía phát về tắc nghẽn mạng dọc theo tuyến được sử dụng. Khi nhận được ECN, TCP điều khiển tắc ngẽn được gọi bình thường mà không chờ đợi một sự kiện thời gian chờ. Để phát hiện tổn thất gói

Chương 4: Lớp Truyền Tải trong Mạng Ad hoc

do lỗi kênh, ATCP giám sát ACK nhận được. Khi ATCP thấy rằng ACK thứ 3 trùng lặp đã được nhận, nó không chuyển tiếp bản sao ACK thứ ba nhưng đặt TCP trong trạng thái tồn tại và nhanh chóng truyền lại các gói tin bị mất từ bộ đệm TCP. Sau khi nhận được ACK tới, ATCP sẽ tiếp tục TCP đến trạng thái bình thường. Lưu ý rằng ATCP cho phép khả năng tương tác với các nguồn TCP hoặc các đích mà không thực hiện ATCP. Trong các trường hợp như nghẽn mạng, mất liên kết, phân vùng, và gói sắp xếp lại, thời gian chuyển của một tập tin được sử dụng ATCP mang lại hiệu suất tốt hơn so với TCP. Ngoài các tuyến hỏng, ATCP cố gắng để đối phó với các vấn đề của BER cao, tắc nghẽn mạng, và gói dữ liệu sắp xếp lại.

Hình 4.7: Sơ đồ chuyển dịch trạng thái của ATCP ở phía phát

Ưu điểm

ATCP là một đề nghị thiết thực hơn cho TCP trong MANETs.

Nhược điểm

Một số giả thiết, chẳng hạn như nút có chức năng ECN cũng như nút gửi luôn có thể truy cập, vì lý do nào đó khó có thể đáp ứng trong một bối cảnh mạng ad hoc di động. Ngoài ra, cơ chế thăm dò được sử dụng để phát hiện tái lập lại tuyến sẽ tạo ra các vấn đề khó giải quyết trong trường hợp tải cao.

Chương 4: Lớp Truyền Tải trong Mạng Ad hoc

4.4.2.4. Khả năng đệm của TCP và thông tin chuỗi

Thông tin khả năng đệm và sắp xếp TCP (TCP-BuS) sử dụng phản hồi của mạng để phát hiện các sự kiện lỗi tuyến và để có phản ứng phù hợp với sự kiện này. Thông tin này giới thiệu khả năng đệm trong các nút di động. Thông tin này sử dụng giao thức định tuyến dựa trên liên kết (ABR) do nguồn khởi tạo. Những cải tiến sau đây được đề xuất:

Thông báo rõ ràng: Hai bản tin điều khiển được sử dụng để thông báo cho nguồn về sự tuyến thất bại và sự tái lập tuyến. Các bản tin này được gọi là Explicit Route Disconnection Notification (ERDN) và Explicit Route Successful Notification (ERSN). Khi nhận được ERDN từ nút phát hiện lỗi tuyến, được gọi là nút quay (PN), nguồn dừng việc gửi. Và tương tự, sau khi PN tái lập tuyến thông qua một truy vấn cục bộ (LQ), PN sẽ truyền ERSN đến nguồn. Khi nhận ERSN, nguồn tiếp tục lại truyền dữ liệu.

Mở rộng các giá trị thời gian chờ: Trong giai đoạn tái thiết tuyến (RRC), các gói tin dọc theo đường dẫn từ nguồn đến PN được lưu đệm. Để tránh vượt quá thời gian chờ trong giai đoạn RRC, giá trị bộ đếm thời gian truyền lại cho các gói lưu đệm được tăng gấp đôi.

Yêu cầu truyền lại chọn lọc: Khi giá trị bộ đếm thời gian truyền lại được tăng gấp đôi, gói tin bị mất dọc theo đường dẫn từ nguồn đến PN là không truyền lại cho đến khi bộ đếm thời gian truyền lại hết hạn. Để khắc phục điều này, nguồn có một dấu hiệu để nguồn có thể truyền lại gói bị mất này một cách chọn lọc.

Tránh các yêu cầu không cần thiết để phát lại nhanh: Khi tuyến được khôi phục, đích thông báo nguồn về các gói tin bị mất dọc theo đường dẫn từ PN đến đích. Khi nhận được thông báo này, các nguồn chỉ đơn giản là truyền lại các gói tin bị mất. Tuy nhiên, các gói được lưu đệm dọc theo đường dẫn từ nguồn đến PN có thể đến đích sớm hơn so với các gói tin truyền lại. Vì vậy, đích sẽ trả lời bằng ACK trùng lặp, tránh được những gói tin yêu cầu không cần thiết để phát lại nhanh.

Hoạt động của TCP-BuS

Bởi vì các tuyến ad hoc có thể được vô hiệu bởi nút chuyển động, chúng ta sẽ thảo luận về các hành động của TCP-BuS tại nguồn, đích, và các nút trung gian để đối phó với tính di động của máy chủ.

Các chức năng TCP-BuS tại nút nguồn

Tại nguồn, TCP-BuS truyền các phân đoạn của mình theo cùng một cách thức như TCP nói chung khi không có bản tin phản hồi (như các bản tin ERDN và ERSN). Thông thường các cơ chế khởi động chậm và chống tắc ngẽn được thực hiện. Tuy nhiên, khi nguồn nhận được bản tin phản hồi ERDN từ mạng, nó sẽ ngừng gửi các gói dữ liệu. Ngoài ra, nó đóng băng tất cả các giá trị bộ đếm thời gian và các kích thước cửa sổ như trong TCP-F.

Tiếp theo, giá trị ERDN GEN SEQ được tách từ bản tin ERDN, và ERDN RCV SEQ được tính toán. Ví dụ (xem Hình 4.8), một nút quay phát hiện một lỗi tuyến khi nó có một

Chương 4: Lớp Truyền Tải trong Mạng Ad hoc

phân đoạn (10) để truyền. PN tạo ra một thông báo ERDN có chứa số thứ tự (10) của phân đoạn này trong đầu của hàng đợi truyền của nó. Vì vậy, khi nguồn nhận được bản tin ERDN, ERDN GEN SEQ được đặt là 10. Trong khi đó, các nguồn đã được gửi đoạn lên đến phân đoạn (14).

Từ đó, chúng ta có thể tính toán ERDN RCV SEQ, được thiết lập giá trị 14. Ngoài ra, các nút hướng về tiếp theo từ PN sẽ gửi bản tin RN về phía đích, làm mất hiệu lực một phần đường dẫn cũ và đệm ngang bằng gói tin dọc theo đường dẫn đó. Bởi vì một bản tin ERDN chỉ ra rằng có một lỗi tuyến trong mạng, các nguồn chỉ chờ đợi một bản tin ERSN. Khi nhận được bản tin ERSN này, nguồn hiểu rằng tái lập tuyến thành công. Sau đó nguồn có thể tiếp tục truyền dữ liệu theo cơ chế dựa trên cửa sổ TCP. Khi nhận được một bản tin ERSN sau khi xây dựng lại tuyến thành công (ví dụ, sau khi nút PN nhận được bản tin REPLY sử dụng trong ABR, nó tạo ra các bản tin ERSN với tham số ACK cuối cùng được lấy từ bản tin REPLY), nguồn có thể làm tăng cửa sổ tắc nghẽn bởi số lượng của các gói xác nhận. Đồng thời, nguồn có thể giả định một cách an toàn rằng các phân đoạn có dải số thứ tự từ (ACK cuối + 1) đến (ERDN GEN SEQ - 1) đã được loại bỏ trên đường dẫn từ PN đến đích trong mạng. Rõ ràng là các gói tin loại bỏ phải được truyền lại bởi nguồn. Trong hình 4.8, bởi vì bản tin ERSN bao gồm số thứ tự phân đoạn (6) lên tới giá trị mà đích đã nhận được thành công, các nguồn nhận thức được rằng nó cần truyền lại các phân đoạn từ số thứ tự (7) để số thứ tự (9), mà đã bị bỏ đi dọc theo phần đường dẫn cũ. Tuy nhiên, nó phụ thuộc vào tình trạng tắc nghẽn trên đường đi từ nguồn đến PN. Một bản tin ERSN có thể bao gồm thông tin trạng thái tắc nghẽn thông báo tình trạng của hàng đợi thiết bị định tuyến 'tại các nút trung gian. Người ta có thể sử dụng các bản tin ICMP như nguồn bị tắt để chỉ ra sự hiện diện của tắc nghẽn, và nguồn sẽ phải ngừng truyền cho một khoảng thời gian ngắn trong thời gian đó các nút trung gian có thể bắt kịp. Lưu ý rằng các giá trị thời gian chờ tại nguồn TCP cho các phân đoạn không được thừa nhận và không truyền lại từ ERDN GEN SEQ để ERDN liên kết nhân được (RCV SEQ) nên được điều chỉnh do sự gia tăng dự kiến trong thời gian tới gói tại các đích do sự hiện diện của tái lập tuyến . Tuy nhiên, nếu tổn thất gói có kinh nghiệm từng phần trên đường dẫn từ nguồn đến các PN do tắc nghẽn, nguồn phản ứng với tình trạng tắc nghẽn và truyền lại các gói tin bị mất có chọn lọc dựa trên gói yêu cầu truyền lại chọn lọc do bộ thu. Vì vậy, nó thực hiện một thủ tục điều khiển tắc ngẽn và làm giảm kích thước cửa sổ tắc nghẽn cho phù hợp.

Chương 4: Lớp Truyền Tải trong Mạng Ad hoc

Hình 4.8: Một ví dụ mô tả các cơ chế ERDN GEN SEQ và ERDN RCV SEQ

Các thông số và bản tin điều khiển như sau:

ERDN GEN SEQ: Khi một nút trung gian phát hiện lỗi tuyến và nó không thể chuyển tiếp các gói dữ liệu lưu đệm, ERDN GEN SEQ được định nghĩa là số thứ tự của các phân đoạn TCP cấp phát vào đầu dòng (HOL) của truyền hàng đợi của nút. Thông tin ERDN GEN SEQ được lan truyền từ PN đến nguồn thông qua các bản tin ERDN.

ERDN RCV SEQ: Khi nguồn đang truyền phân đoạn TCP, nếu nguồn nhận được một bản tin ERDN từ mạng, nguồn ngừng gửi các đoạn TCP. ERDN RCV SEQ được định nghĩa là số thứ tự của các phân đoạn TCP cuối cùng gửi cho đến khi nguồn TCP nhận được một gói điều khiển ERDN.

ACK cuối: Trong quá trình xây dựng lại tuyến, đích đáp ứng các bản tin LQ với REPLY. Do đó, ACK cuối cùng được định nghĩa là số thứ tự của các phân đoạn cuối cùng được rằng đích đến đã nhận được thành công.

Bằng cách sử dụng ERDN GEN SEQ và ERDN RCV SEQ, được đề cập ở trên, các

thông tin sau đây có thể được suy ra:

Chương 4: Lớp Truyền Tải trong Mạng Ad hoc

Các phân đoạn không được xác nhận (được đệm tại nguồn) lên đến phân đoạn có số thứ tự là (ERDN GEN SEQ - 1) có thể được chuyển tiếp dọc theo đường dẫn từ nút tiếp theo PN về phía đích.

Phân đoạn không được xác nhận (được đệm tại nguồn) có chuỗi số là từ ERDN GEN

SEQ để ERDN RCV SEQ có thể được đệm tại các nút trung gian.

Chức năng TCP-Bus tại nút trung gian

Sau khi PN phát hiện lỗi tuyến, nó sẽ gửi bản tin ERDN để thông báo cho nguồn về lỗi tuyến và khởi tạo khám phá từng phần tuyến bằng cách sử dụng quá trình LQ-REPLY. Trong khi các bản tin ERDN được lan truyền về phía nguồn, mỗi nút trung gian dừng truyền tiếp các gói dữ liệu và lưu đệm tất cả các gói cấp phát để trì hoãn việc truyền dẫn của họ. Sau khi nhận được bản tin REPLY, PN thông báo cho nguồn của tái lập tuyến thành công thông qua các bản tin ERSN, mà còn bao gồm các bản tin ACK cuối cùng. Tại mỗi nút trung gian nhận được bản tin ERSN, tiếp tục truyền tải các gói dữ liệu đệm.

Chức năng TCP-Bus tại nút đích

Một máy thu thực hiện các thủ tục TCP end-to-end thông thường trên đường dẫn giành được trong trường hợp không có hủy kết nối tuyến. Ngoài ra, một cơ chế truyền lại lựa chọn như trong ACK TCP-chọn lọc (SACK) có thể được áp dụng để điều khiển luồng hiệu quả. Một phương thức truyền lại chọn lọc được đề xuất để đối phó với các gói dữ liệu bị mất do tắc nghẽn trên đường dẫn thành phần từ nguồn đến máy thu. Yêu cầu truyền lại chọn lọc các gói tin bị mất được tạo ra ở máy thu khi phát hiện mất trình tự phân đoạn liên tiếp. Điều này đòi hỏi nguồn phản ứng lại tắc nghẽn. Với cách tiếp cận nêu trên, có thể có rất nhiều yêu cầu truyền lại nhanh theo hướng ngược lại. Hãy xem xét trường hợp phân đoạn có số thứ tự từ (ACK cuối + 1) đến (ERDN GEN SEQ - 1) sẽ đến đích muộn hơn các gói tin có số thứ tự từ ERDN GEN SEQ để ERDN RCV SEQ. Kết quả là, các đích tiếp tục yêu cầu truyền lại nhanh bằng cách gửi các gói tin ACK lặp lại cho mỗi gói tin đến nhận do sự khác biệt trong thứ tự chuỗi. Để tránh vấn đề này, một thủ tục bổ sung tại đích (xem Hình 4.8) là bắt buộc sau khi nhận được bản tin LQ. Khi nhận được một gói LQ trong quá trình khôi phục tuyến, đích trích giá trị ERDN GEN SEQ đi kèm trong gói LQ. Với việc xem xét truyền lại chọn lọc và tránh các yêu cầu không cần thiết để phát lại nhanh, đích sẽ gửi các ACK và các yêu cầu lặp lại cho các gói tin bị mất theo các nguyên tắc sau. Ở đây, chúng ta ký hiệu số thứ tự của các phân đoạn đến như "SEQ đến." "Giá trị Pivot" là số thứ tự mà phân đoạn tiếp theo của nó bị mất do tắc nghẽn. Vì vậy, bộ thu thông báo cho nguồn thông tin phân đoạn bị mất có chọn lọc. Khi nhận được một bản tin LQ để mở rộng tuyến, giá trị Pivot = ERDN RCV SEQ. Nếu SEQ đến = ERDN GEN SEQ, thì sau đó việc truyền các ACK trùng lặp cho phát lại nhanh được kiềm chế.

Nếu giá trị SEQ đến > giá trị pivot, thông báo cho nguồn thông tin về phân đoạn còn thiếu. Giá trị Pivot = SEQ đến. Nếu không, được phép truyền các ACK trùng lặp. TCP-Bus làm tốt hơn TCP tiêu chuẩn và TCP-F dưới các điều kiện khác nhau. TCP-Bus đã không đưa

Chương 4: Lớp Truyền Tải trong Mạng Ad hoc

Bảng 4.1: So sánh giữa các phương pháp tiếp cận từ đầu này đến đầu kia khác nhau

vào tính toán mà nút pivoting có thể không thiết lập một tuyến từng phần mới đến đích. Một so sánh giữa các phương pháp tiếp cận khác nhau được thể hiện trong Bảng 4.1.

TCP-F ELFN ATCP TCP-BuS

Không xử lý Không xử lý Xử lý Không xử lý Tổn thất gói BER cao

Gói RFN đóng Gói ELFN đóng Gói ẺDN đóng ICMP "Destination Phát hiện lỗi

tuyến (RF) băng trạng thái bộ phát TCP băng trạng thái bộ phát TCP unreachable" đóng băng trạng băng trạng thái bộ phát TCP

thái bộ phát TCP

Cơ chế thăm dò Cơ chế thăm dò Phát hiện tái lập tuyến (RR) Gói RRN lại tiếp tục TCP tới trạng thái bình Gói ERSN tiếp tục TCP tới trạng thái bình

thường thường

Sắp xếp lại gói Không xử lý Không xử lý Xử lý Không xử lý

Cửa sổ tắc ngẽn

CW và RTO cũ CW và RTO cũ CW và RTO cũ Khởi tạo từng tuyến mới (CW) và qua hạn truyền lại

(RTO) sau RR

Truyền dẫn tin

Không xử lý Không xử lý Không xử lý Xử lý

cậy các bản tin điều khiển

Phỏng tạo; Thử nghiệm;

Đánh giá Mô phỏng Mô phỏng

không giao thức định tuyến nào được xem xét không giao thức định tuyến nào được xem xét

4.4.3. Giao thức truyền tải Ad hoc (ATP)

Các giao thức truyền tải mới được gọi là giao thức vận chuyển ad hoc (ATP) được thiết kế hướng đến các đặc trưng của mạng ad hoc. ATP, theo thiết kế, là một đối nghịch của

100

Chương 4: Lớp Truyền Tải trong Mạng Ad hoc

TCP và bao gồm: truyền dựa trên tốc độ, khởi động nhanh trong thời gian khởi tạo kết nối và chuyển mạch tuyến, phát hiện tắc nghẽn và kiểm soát, không có giới hạn thời gian truyền lại, điều khiển tắc ngẽn tách rời và độ tin cậy, và phản hồi bộ thu. Sau đây là những nét chính liên quan đến các yếu tố thiết kế chính của ATP được đề xuất.

4.4.3.1. Phối hợp lớp

Một trong những xu hướng nổi lên trong các giao thức thích ứng cho các mạng không dây nói chung và mạng ad hoc nói riêng là sự phối hợp tham gia nhiều hơn giữa các lớp khác nhau của chồng giao thức. Ví dụ, hầu hết các giao thức định tuyến được thiết kế cho mạng ad hoc dựa vào thông tin lớp MAC để phát hiện các lỗi liên kết (và do đó đường dẫn). Một mức độ hơn nữa của phối hợp trong các mạng ad hoc là sự phối hợp rõ ràng giữa các nút khác nhau trong mạng để cải thiện hiệu suất đầu cuối tới đầu cuối. Ví dụ, TCP-ELFN sử dụng thông báo lỗi kênh từ các router trung gian đóng băng trạng thái TCP tại phía gửi. Một trong những nền tảng quan trọng của thiết kế ATP là việc sử dụng các thông tin lớp thấp và phản hồi rõ ràng từ các nút mạng khác để hỗ trợ các cơ chế lớp truyền tải. Cụ thể, ATP sử dụng thông tin phản hồi từ các nút mạng cho ba mục đích khác nhau:

1. Phản hồi tốc độ ban đầu để ước tính tốc độ khởi động. 2. Phản hồi tốc độ lũy tiến để phát hiện tắc nghẽn, tránh tắc nghẽn và điều khiển

tắc nghẽn.

3. Thông báo lỗi đường dẫn. Mặc dù sự phối hợp nút có thể hạn chế tiềm năng mở rộng của một giao thức, ATP không cần bất kỳ bảo trì trạng thái luồng tại các nút trung gian và do đó là khả năng mở rộng cao.

4.4.3.2. Truyền dẫn dựa trên tốc độ

ATP sử dụng truyền dẫn dựa trên tốc độ thay cho truyền dẫn dựa trên cửa sổ được

thực hiện bởi TCP. Truyền dẫn dựa trên tốc độ hỗ trợ nâng cao hiệu năng bằng 2 cách:

Chúng tránh những hạn chế do sự bùng phát. Bởi vì truyền dẫn được lên lịch bởi một

bộ đếm thời gian ở bên phát, nhu cầu tự khóa thông qua sự đến của các ACK được loại bỏ.

Lợi ích thứ hai được sử dụng bởi ATP để tách riêng cơ chế điều khiển tắc ngẽn thành cơ chế đáng tin cậy và cũng để giảm bớt tác động của đặc trưng đường dẫn ngược lên hiệu năng gây ra bởi dòng dữ liệu trên đường dẫn thuận.

Mặc dù hạn chế rõ ràng của phương thức dựa trên tốc độ là các tiêu đề bộ đếm thời gian phía trong bộ phát, tính chất bộ đếm thời gian cần thiết đối với các băng thông bị giới hạn trong mạng ad hoc là đủ lớn để được thực hiện mà không có các tiêu đề. Ví dụ, với một tải trọng hợp lý trong mạng 10 luồng (hoặc 25 luồng); một kích thước gói 512 byte; và một dung lượng kênh cơ bản 2 Mbps, bộ đếm thơi thời gian yêu cầu là 40 ms (hoặc 125 ms).

101

Chương 4: Lớp Truyền Tải trong Mạng Ad hoc

4.4.3.3. Tách điều khiển tắc ngẽn và độ tin cậy

Khác với TCP, ở đó cơ chế điều khiển tắc ngẽn và độ tin cậy được kết hợp chặt chẽ thông qua sự phụ thuộc vào sự đến của ACK, còn trong ATP hai cơ chế được tách riêng. Điều khiển tắc ngẽn được thực hiện bằng cách sử dụng thông tin phản hồi từ mạng, và độ tin cậy được đảm bảo thông qua phản hồi của bộ thu và ACK chọn lọc. Để thuận lợi cho điều khiển tắc ngẽn, các nút trung gian trong mạng lưới cung cấp thông tin tắc nghẽn dưới dạng tốc độ khả dụng. Các phản hồi được đi kèm trên các gói dữ liệu trong đường dẫn chuyển tiếp, và bộ thu ATP hợp nhất thông tin này và gửi trả lại thông tin phản hồi đã đối chiếu. Đối với độ tin cậy, bộ thu cũng sử dụng ACK chọn lọc để thông báo lại cho phía phát bất cứ lỗ hổng mới quan sát thấy trong các dòng dữ liệu. Không giống như trong TCP nơi mà các thông tin SACK bổ sung cho phương thức ACK tích lũy, thì ATP chỉ dựa vào các thông tin SACK.

4.4.3.4. Điều khiển tắc nghẽn được hỗ trợ

Giao thức điều khiển tắc ngẽn của ATP dựa trên phản hồi từ các nút trung gian đi qua bởi các kết nối để thích ứng với các tốc độ gửi. Tóm lại, mỗi nút trong mạng duy trì hai thông số:

 Qt (trung bình số mũ của trễ hàng đợi của các gói đi qua nút đó)

 Tt (trung bình số mũ của trễ truyền dẫn của các gói HOL tại nút đó)

Tt bị ảnh hưởng bởi các tranh chấp giữa các gói bên trong các nút ở cùng vùng lân cận tranh chấp, và Qt bị ảnh hưởng bởi các tranh chấp giữa các gói tin thuộc các luồng khác nhau tại cùng một nút. Đối với mỗi gói tin chuyển qua một nút, nút này dán tổng Qt + Tt nếu tổng đã dán trên gói nhỏ hơn giá trị hiện tại của nó. Bộ thu của một kết nối ATP thực hiện tiếp tính trung bình số mũ của các giá trị đóng trên các gói tin đến. Đối với mỗi giai đoạn, bộ thu sẽ gửi phản hồi tốc độ về cho phía phát bằng cách sử dụng giá trị đã tính trung bình số mũ. Phía gửi, dựa trên tốc độ hiện nay của nó và tốc độ xác định theo thông tin phản hồi, quyết định việc tăng, giảm, hoặc duy trì tốc độ của nó. Giai đoạn duy trì trong ATP là một sự khác biệt quan trọng với các trạng thái một kết nối TCP có thể được. Ngoài ra, sự tăng, giảm các hoạt động được thực hiện bởi ATP chính xác hơn vì nhận được phản hồi mạng.

4.4.3.5. Sự thân thiện và sự công bằng TCP

Sự thân thiện TCP không phải là ràng buộc khi thiết kế ATP, bởi vì nó được nhắm mục tiêu cho môi trường mạng ad hoc nơi mà các nút mạng có một ngăn xếp giao thức chuyên dụng. Tuy nhiên, công bằng giữa các luồng ATP vẫn là mối quan tâm chính như trong TCP, bởi vì ATP dựa trên các nút mạng trung gian cho phản hồi về tắc nghẽn.

4.4.4. Giao thức ATP

Cũng giống như trong giao thức TCP, ATP chủ yếu bao gồm các cơ chế ở phía phát để đạt được điều khiển tắc ngẽn hiệu quả và độ tin cậy. Tuy nhiên, không giống như trong giao

102

Chương 4: Lớp Truyền Tải trong Mạng Ad hoc

thức TCP, ATP dựa trên phản hồi không chỉ từ bộ thu, mà còn từ các nút trung gian trong đường dẫn kết nối. Về chức năng cụ thể, các nút trung gian cung cấp phản hồi tắc nghẽn cho phía phát, bộ thu và cung cấp phản hồi cho cả hai điều khiển lưu lượng và độ tin cậy. Bộ thu cũng hoạt động như một bộ so sánh các thông tin tắc nghẽn được cung cấp bởi các nút trung gian trong mạng trước thông tin được gửi lại cho phía phát. Bộ thu cung cấp độ tin cậy, điều khiển luồng, và các thông tin điều khiển tắc ngẽn đối chiếu qua bản tin định kỳ. Mặt khác, phía phát, chịu trách nhiệm quản lý kết nối, dự toán tốc độ ban đầu (với phản hồi mạng), điều khiển tắc ngẽn, và độ tin cậy. Phần còn lại sẽ bắt đầu với mô tả vai trò của các nút trung gian.

Sau đó mô tả các cơ chế ở bộ thu ATP để cung cấp phản hồi tốc độ và gửi thông tin SACK cho phía phát. Cuối cùng, sẽ là mô tả chi tiết các thành phần khác nhau của phía phát ATP cho trạng thái khởi động, điều khiển tắc ngẽn, và độ tin cậy.

4.4.4.1. Nút trung gian

ATP dựa trên các nút trung gian mà kết nối đi qua để cung cấp thông tin phản hồi tốc độ. Các nút trung gian trong mạng duy trì tổng hợp trễ hàng đợi trung bình (QT) và trễ truyền dẫn trung bình (Tt) trải qua các gói dữ liệu đi ngang qua chúng. Trong khi đó, Tt tại một nút bị ảnh hưởng bởi những bất đồng giữa các nút khác nhau trong vùng lân cận của nút đó, Qt bị ảnh hưởng bởi các tranh chấp tại đó nút giữa luồng khác nhau vượt qua các nút. Lưu ý rằng các giá trị Qt and Tt được tính trên tất cả các gói tin đi qua các nút, bất kể luồng nào mà các gói tin thuộc về. Vì vậy, Qt và Tt được duy trì trên cơ sở mỗi nút, và không phải trên một cơ sở cho mỗi luồng lưu lượng. Đối với mỗi gói tin gửi đi, một nút trung gian cập nhật giá trị Qt và Tt. Các giá trị được duy trì sử dụng trung bình số mũ như sau:

Qt= α+ Qt+ (1 − α) + Qmẫu (4.1)

Giao thức vận chuyển trong mạng ad hoc

Tt= α+ Tt+ (1 − α) + Tmẫu (4.2)

Trong đó Qmẫu và Tmẫu là trễ hàng đợi và trễ truyền dẫn của các gói tin gửi đi. Chúng tôi sử dụng một giá trị 0,75 cho kết quả mô phỏng αin của chúng tôi. Ngoài ra, mỗi gói bao gồm một trường phản hồi tốc độ D (lưu ý rằng tốc độ sẽ thực sự là một nghịch đảo của D) mà bao gồm giá trị lớn nhất Qt + Tt tại các nút hướng đi mà các gói tin đã đi qua. Khi gói tin được sắp xếp để truyền, các nút trung gian kiểm tra xem D có nhỏ hơn giá trị Qt + Tt tại nút đó không. Nếu D là nhỏ hơn, các nút trung gian cập nhật D trên các gói tin đến giá trị Qt + Tt của nó. Khi bộ thu nhận được một gói, trường D trong các gói tin cho biết trễ (trung bình) tối đa của các gói dữ liệu tại bất kỳ của các nút trung gian mà nó đi qua.

Khi một kết nối khởi động hoặc một gói tin thăm dò được gửi bởi phía phát, xử lý của nút trung gian là như nhau ngoại trừ khi không có lưu lượng nào khác xung quanh nút. Khi

103

Chương 4: Lớp Truyền Tải trong Mạng Ad hoc

nút quan sát một kênh nhàn rỗi, nó sử dụng η + (Qt + Tt) làm trễ thay cho Qt + Tt bình thường . Lý do cho cách xử lý này là như sau

Khi các kênh xung quanh nút trung gian nhàn rỗi, các giá trị Qt + Tt sẽ được xác định bởi trễ hàng đợi thực tế và trễ truyền dẫn trải qua các gói tin thăm dò. Tuy nhiên, khi các luồng dữ liệu thực sự bắt đầu, các gói thuộc luồng, tại mỗi chặng trong đường dẫn, sẽ tranh chấp với các gói khác thuộc cùng một luồng ở cả hai nút hướng đi và hướng về. Các nút trung gian dự tính tốc độ này bằng cách thiết lập một cách thích hợp η. Đối với đa truy nhập cảm biến sóng mang tránh xung đột (CSMA/CA), giá trị tiêu biểu cho η là 3. (Trong một chuỗi tuyến tính, mỗi nút thứ ba có thể truyền, nhưng đối với một số lượng lớn các chặng, nó có thể tới bằng 5 đối với một đường dẫn có chiều dài 5). Lưu ý rằng yêu cầu của ATP để phối hợp nút do đó cấu thành chỉ duy trì hai thông số, Qt và Tt, và các gói tin đóng dấu thích hợp được chuyển tiếp. Thêm nữa, chỉ trường bổ sung trong tiêu đề ATP cho đường dẫn (dữ liệu) chuyển tiếp, bên cạnh các trường khác trong tiêu đề TCP, là trường phản hồi tốc độ D.

4.4.4.2. Bộ thu ATP

Bộ thu ATP cung cấp phản hồi định kỳ cho phía phát để hỗ trợ độ tin cậy và cơ chế kiểm soát lưu lượng. Ngoài ra, nó cũng chuyên thu thập thông tin phản hồi tốc độ được cung cấp bởi các nút trung gian (thông qua các trường D trong các gói), và gửi nó lại cho phía phát. Để gửi phản hồi theo định kỳ, bộ thu chạy một bộ đếm thời gian của giai đoạn. Lưu ý giai đoạn E nên dài hơn thời gian khứ hồi của một kết nối, nhưng đồng thời phải đủ ngắn để theo dõi các động thái của các đặc trưng đường dẫn. E được chọn theo kinh nghiệm là 1/2 trong mô phỏng.

Phản hồi tốc độ

Đối với mỗi gói tin đến thuộc về một luồng lưu lượng, bộ thu thực hiện tính trung bình

số mũ của giá trị D được xác định trong gói:

Davg = β + Davg + (1 - β) + D (4.3)

Sau khi tất cả các bộ đếm thời gian hết hạn, bộ thu cung cấp giá trị Davg tại thời điểm đó như phản hồi cho phía phát. Trường hợp ngoại lệ là khi tốc độ kiểm soát lưu lượng được xác định bởi bộ thu là nhỏ hơn so với tốc độ dự báo từ giá trị Davg. Chúng tôi sử dụng một giá trị 0,75β cho tất cả các mô phỏng của chúng tôi.

Phản hồi độ tin cậy

Bộ thu ATP sử dụng các SACK để cung cấp thông tin về tổn thất trong dòng dữ liệu nhận được. Bởi vì phản hồi không được cung cấp cho mỗi gói dữ liệu gửi đến, mà là trên cơ sở định kỳ, ATP sử dụng một số lượng lớn các khối SACK hơn TCP-SACK. Trong khi, TCP- SACK chỉ sử dụng 3 khối trên một ACK, thì ATP sử dụng 20 khối SACK trong phản hồi độ tin cậy. Đối với tốc độ dữ liệu kênh điển hình của 2 Mbps, tốc độ trung bình trên mỗi dòng lưu lượng là khoảng 100 Kbps ngay cả khi chỉ có 5 kết nối trong mạng. Đối với một giai đoạn

104

Chương 4: Lớp Truyền Tải trong Mạng Ad hoc

một giây và một gói kích thước 512 byte, tốc độ chuyển thành khoảng 25 gói/giây. Do đó, khi sử dụng các khối 20 SACK hai mươi, hầu hết các tổn thất trong một giai đoạn này có thể được xác định. Tuy nhiên, không giống như trong giao thức TCP nơi các khối SACK trên ACK dần dần xác định lỗ hổng mới hơn, trong ATP các khối SACK luôn luôn xác định trình tự đầu tiên của 20 lỗ hổng trong các dòng dữ liệu. Điều này là do ATP không sử dụng giới hạn thời gian truyền lại ở phía phát và do đó phải dựa trên những phản hồi từ bộ thu để thực hiện khôi phục lỗi chính xác.

Xét về mặt tiêu đề đường dẫn ngược, như ví dụ trên, TCP-SACK có thể được hiển thị phải chịu một chi phí 2,4 kbps cho các khối SACK (một ACK cho mỗi hai gói dữ liệu, ba khối trên một ACK, hai số thứ tự trên một khối, và bốn byte trên một số thứ tự), trong khi ATP sẽ phải chịu một chi phí 1,28 kbps trong một thời gian của một giây. Tuy nhiên, tiêu đề của ATP có thể được thể hiện là nhỏ hơn đáng kể nếu toàn bộ các chi phí tiêu đề ở lớp truyền tải và ở các lớp thấp hơn được tính toán. Đó là là do ATP tổng hợp phản hồi của nó vào một gói, trong khi TCP-SACK sẽ gửi phản hồi 1 lần cho hai gói dữ liệu.

Phản hồi điều khiển luồng

Không giống như trong giao thức TCP, nơi điều khiển luồng được thực hiện thông qua quảng bá cửa sổ thích hợp, ATP thực hiện kiểm soát lưu lượng bằng cách quan sát tốc độ đọc ứng dụng Rapp mà tại đó các ứng dụng xử lý dữ liệu tự từ bộ đệm nhận được.

Khi phản hồi tốc độ được gửi đến phía phát, nếu Rapp là nhỏ hơn so với thông tin phản hồi tốc độ, thông tin phản hồi tốc độ được thay thế bằng Rapp. Bộ thu, trong bản tin phản hồi định kỳ cho phía phát, gửi cả hai phản hồi tốc độ và phản hồi độ tin cậy.

4.4.4.3. Phía phát ATP

Phía phát ATP, giống như trong giao thức TCP, bao gồm hầu hết các cơ chế điều khiển của giao thức lớp truyền tải. Cụ thể, phía phát ATP bao gồm các thành phần cho các chức năng sau:

 Khởi động nhanh

 Điều khiển tắc ngẽn

 Độ tin cậy

 Quản lý kết nối

Khởi động nhanh

Trong suốt khởi tạo kết nối, hoặc khi hồi phục từ một quá hạn thời gian, cơ chế khởi động chậm TCP sẽ mất một vài lần thời gian khứ hồi trước khi nó có thể hội tụ vào băng thông có sẵn cho một luồng. Do những lỗi đường dẫn thường xuyên và quá hạn thời gian trong một mạng ad hoc, một kết nối TCP có thể kết thúc việc sử dụng một phần đáng kể thời gian sống của nó trong giai đoạn khởi động chậm, như vậy làm suy giản khả năng mạng. ATP

105

Chương 4: Lớp Truyền Tải trong Mạng Ad hoc

sử dụng một cơ chế được gọi là " Khởi động nhanh " để thăm dò băng thông mạng có sẵn trong một lần thời gian khứ hồi. Về cơ bản, trong quá trình khởi tạo kết nối, ATP sử dụng TCP giống như một trao đổi SYN - SYN+ACK giữa phía phát và bộ thu.

Các nút trung gian, khi chuyển tiếp các gói SYN, đóng dấu vào các gói tin trễ Qt + Tt. Khi bộ thu trả lời lại với một ACK, nó đi kèm vào ACK giá trị Qt + Tt đã được đóng dấu trên gói SYN đến.

Phía phát, sau khi nhận được ACK, khởi động bằng cách sử dụng giá trị tốc độ có được dựa trên phản hồi. ATP thực hiện các hoạt động khởi động nhanh trong suốt quá trình khởi tạo kết nối và khi đường dẫn mạng cơ bản đi qua bởi những thay đổi kết nối. Động lực để thực hiện khởi động nhanh khi một đường dẫn thay đổi xảy ra là đơn giản. Khi một đường dẫn mới được sử dụng, kết nối không phải là nhận thức của các băng thông có sẵn trên đường dẫn. Do đó, thực hiện dự toán băng thông một lần nữa cho phép kết nối để hoạt động ở băng thông có sẵn thực sự thay vì một trong hai tận dụng vượt quá hay chưa tận dụng hết các nguồn lực sẵn dọc theo đường dẫn mới

Điều khiển tắc ngẽn

Không giống như TCP có hai giai đoạn giao thức điều khiển tắc ngẽn với một giai đoạn tăng lên và một giai đoạn giảm xuống, ATP sử dụng một giao thức điều khiển tắc ngẽn ba giai đoạn bao gồm các giai đoạn tăng, giảm và duy trì. Một trong những khác biệt chính giữa các cơ chế điều khiển tắc ngẽn TCP và của ATP là phản hồi mạng. Bởi vì TCP không dựa trên bất kỳ hỗ trợ nào của mạng, nó thăm dò băng thông nhiều hơn bằng cách tăng tuyến tính kích thước cửa sổ tắc nghẽn ở phía phát. Tương tự như vậy, khi xảy ra tổn thất, bởi vì TCP không biết mức độ thực sự của tình trạng tắc nghẽn, nó thận trọng thực hiện giảm kích thước cửa sổ tắc nghẽn theo cấp số nhân. Nói cách khác, ATP dựa trên thông tin phản hồi từ các nút mạng trung gian. Do đó, sự gia tăng của nó có thể được nhiều tích cực hơn so với TCP, giảm của nó có thể ít thận trọng hơn so với TCP, và quan trọng hơn là nó có thể hoạt động trong giai đoạn khi điều kiện mạng không thay đổi. Các giai đoạn như sau:

Giai đoạn tăng: Khi phản hồi tốc độ từ bộ thu là lớn hơn tốc độ S hiện tại bằng một ngưỡng φ + S, phía phát tiến vào pha tăng, trong đó φ là một hằng số nhỏ được sử dụng để ngăn chặn dao động. Ngưỡng được giữ như một hàm số của tốc độ hiện tại để cho phép dòng tranh chấp với tốc độ thấp hơn để tăng mạnh hơn so với luồng lưu lượng với tốc độ lớn hơn. Một khi quyết định tăng được thực hiện, luồng tăng tốc độ chỉ bằng một phần k của lượng tăng tiềm năng. Chúng tôi chọn một giá trị 5 cho k trong mô phỏng do các lý do sau đây: khi tốc độ của luồng được tăng lên một gói tin mỗi giây, tải trọng gây ra (khi phương thức MAC là CSMA/CA) trong mạng có thể tăng bởi đến 5 gói tin mỗi giây. Ví dụ, hãy xem xét một đường A-B-C-D-E-F. Ngay cả khi tốc độ của một luồng đi qua đường này tăng bởi một gói tin mỗi giây, một truyền dẫn trên liên kết C-D sẽ tranh chấp với tất cả các truyền dẫn bốn gói khác trên đường dẫn này.

106

Chương 4: Lớp Truyền Tải trong Mạng Ad hoc

Giai đoạn giảm: Mặt khác, khi phản hồi tốc độ là nhỏ hơn so với tốc độ hiện tại, phía

phát thực hiện pha giảm chỉ bằng cách điều chỉnh tốc độ hiện tại của nó với phản hồi tốc độ.

Giai đoạn duy trì: Nếu tốc độ khả dụng R nằm trong (S, S + φ + S), phía phát duy trì tốc độ của nó. Vì vậy, không giống như trong giao thức TCP đó có phải là một trong hai giai đoạn tăng hoặc giảm, ATP, tạo điều kiện mạng lưới ổn định, có thể hoạt động trong một trạng thái cân bằng

Lưu ý rằng các quyết định điều khiển tắc ngẽn trên có thể được thực hiện bởi phía phát ATP chỉ khi nó nhận được tốc độ phản hồi từ bộ thu một cách chính xác. Có thể là các phản hồi tốc độ từ bộ thu bị mất do lỗi đường trên đường ngược lại. ATP giải quyết vấn đề này bằng cách thực hiện giảm bội số của tốc độ gửi cho mọi giai đoạn, trong đó nó không nhận được phản hồi từ bộ thu, cho đến tối đa của hai giai đoạn. Nếu nó không nhận được bất cứ phản hồi vào cuối giai đoạn thứ ba, phía phát ATP đi vào pha khởi tạo kết nối của nó, gửi một bản tin thăm dò mọi giai đoạn cho đến khi nó nghe lại từ bộ thu. Lưu ý rằng một khi nó nghe được từ bộ thu, nó sẽ sử dụng tốc độ trên gói tin phản hồi đối với truyền dẫn của nó như là một phần của cơ chế khởi động nhanh của nó.

Độ tin cậy

Bộ thu như một phần của phản hồi định kỳ gửi thông tin về bất cứ lỗ hổng trong luồng dữ liệu đã nhận được. Phía phát ATP gửi xử lý các thông tin SACK cũng giống như trong TCP bằng cách duy trì một cấu trúc bảng dữ liệu SACK. Dữ liệu được đánh dấu để được truyền lại được gửi với một ưu tiên cao hơn so với dữ liệu mới. Lưu ý rằng các cơ chế điều khiển tắc ngẽn trong ATP được tách rời từ cơ chế tin cậy. Do đó, mặc dù các giao thức điều khiển tắc nghẽn xác định tốc độ mà phía phát cần được gửi, cơ chế đảm bảo độ tin cậy rằng các gói tin hàng đợi cần truyền lại được gửi ưu tiên khi bộ đếm thời gian gửi hết hạn. Nói cách khác, truyền lại được thực hiện trong phạm vi tốc độ truyền thông thường được xác định bởi các thuật toán điều khiển tắc nghẽn. Ngoài việc nhận thông báo cho phía phát về những tổn thất, khi có một đường dẫn thất bại, phía phát ATP sử dụng thông báo liên kết không rõ ràng từ nút trung gian thích hợp. Khi thông tin phản hổi như vậy được nhận, phía phát ATP ngay lập tức đi vào giai đoạn khởi tạo kết nối như là một phần của cơ chế phục hồi của nó sau khi chuyển đổi một đường truyền. Trong giai đoạn khởi đầu kết nối, phía phát ATP, cho mọi giai đoạn, gửi một gói tin thăm dò cho bộ thu. Các gói tin thăm rò được lựa chọn trở lại trên các chuỗi trong gói dữ liệu tiếp sau xếp hàng đợi để truyền. Thậm chí nếu có tổn thất đằng sau do đường dẫn thất bại, các gói tin thăm dò định kỳ tiếp theo được gửi bởi phía phát phục vụ để gợi ra một gói thông tin phản hồi từ bộ thu có chứa các thông tin SACK thích hợp.

Lưu ý rằng phía phát ATP thông thường sẽ nhận được thông báo liên kết thất bại trước khi (nếu có) nó nhận được thông tin SACK từ bộ thu. Điều này là do các thông tin SACK từ bộ thu sẽ được tạo ra chỉ khi không có tổn thất hậu tố vì đường dẫn thất bại. Tuy nhiên, tổn thất hậu tố sẽ được định mức trừ một số đường truyền được tận dụng được thực hiện bằng các nút trung gian. Thậm chí nếu cả hai thông báo lỗi liên kết và các gói tin phản hồi định kỳ của

107

Chương 4: Lớp Truyền Tải trong Mạng Ad hoc

bộ thu bị mất, thì phía phát cuối cùng sẽ bước vào giai đoạn thăm dò do thiếu thông tin phản hồi từ bộ thu và do đó phục hồi từ bất kỳ tổn thất nào.

4.5. Giao thức truyền tải được ứng dụng điều khiển (ACTP)

Không giống như các giải pháp TCP, ACTP là một giao thức lớp truyền tải. Nó không phải là một phần mở rộng cho TCP. ACTP ấn định trách nhiệm đảm bảo độ tin cậy cho các lớp ứng dụng. Nó giống như UDP với thông tin phản hồi của trạng thái phân phối và bảo trì. ACTP đứng ở giữa TCP và UDP, nơi TCP cung cấp hiệu suất thấp với độ tin cậy cao và UDP cung cấp hiệu suất tốt hơn với mất gói tin cao trong các mạng không dây ad hoc.

Quan điểm thiết kế chính của ACTP là rời bỏ việc cung cấp độ tin cậy cho các lớp ứng dụng và cung cấp thông tin phản hồi đơn giản về tình trạng phân phối các gói tin tới lớp ứng dụng. ACTP hỗ trợ các ưu tiên của gói tin sẽ được chuyển giao, nhưng nó là trách nhiệm của các lớp thấp hơn để thực sự cung cấp một dịch vụ phân biệt dựa trên ưu tiên này. Error! Reference source not found. cho thấy các lớp ACTP và các hàm giao diện lập trình ứng dụng (API) được sử dụng bởi lớp ứng dụng để tương tác với lớp ACTP. Mỗi hàm gọi API gửi một gói tin SendTo chứa các thông tin bổ sung cần thiết cho ACTP như trễ tối đa các gói dữ liệu có thể chịu đựng (trễ), số lượng bản tin của gói tin, và các ưu tiên của gói tin. Số lượng bản tin được phân cấp của lớp ứng dụng, và nó không cần phải theo thứ tự. Mức độ ưu tiên được gán cho mỗi gói bởi các ứng dụng. Nó có thể được thay đổi qua các gói tin trong cùng một luồng với số lượng ngày càng tăng đề cập đến các gói ưu tiên cao hơn. Giá trị khác không này trong trường số lượng bản tin hoàn toàn mang cái mà lớp ứngduụng mong chờ thông tin trạng thái phân phối về gói tin được gửi đi. Trạng thái phân phối này được duy trì ở lớp ACTP và có sẵn cho lớp ứng dụng để xác minh thông qua một hàm API, "Is ACKed ." Trạng thái phân phối được trả lại bởi gọi hàm "Is ACKed ." có thể phản ánh những điều sau đây:

Một phân phối thành công của các gói tin (nhận được ACK). Một mất mát có thể có của các gói tin (không nhận ACK được và thời hạn đã hết). Thời gian còn lại cho các gói tin (không nhận được ACK, nhưng thời hạn chưa hết).

Hình 4.9: Mô tả các hàm giao diện được sử dụng trong ATCP

108

Chương 4: Lớp Truyền Tải trong Mạng Ad hoc

Không có thông tin trạng thái tồn tại ở lớp ACTP đối với bản tin đang được xem xét. Số không trong lĩnh vực trễ đề cập đến các gói ưu tiên cao nhất, mà đòi hỏi phải truyền dẫn ngay lập tức với trễ nhỏ nhất có thể. Bất kỳ giá trị khác trong lĩnh vực trễ đề cập đến sự chậm trễ rằng bản tin có thể trải nghiệm. Khi nhận được thông tin về tình trạng chuyển giao, lớp ứng dụng có thể quyết định truyền lại một gói tin với các ưu tiên cũ hoặc với một ưu tiên cập nhật. Sau khi tuổi thọ của gói hết hạn, ACTP xóa thông tin trạng thái và tình trạng cung cấp của gói tin. Tuổi thọ của gói được tính bằng 4 × thời hạn truyền lại (RTO) và được thiết lập như là cuộc đời khi các gói dữ liệu được gửi đến các lớp mạng. Một nút ước tính khoảng thời gian RTO bằng cách sử dụng thời gian khứ hồi giữa thời gian truyền của một bản tin và thời gian tiếp nhận của ACK tương ứng. Do đó, giá trị RTO có thể không có sẵn nếu không có kết nối đáng tin cậy hiện có đến một đích đến. Một gói tin mà không cần bất kỳ số lượng bản tin (tức là, không có tình trạng yêu cầu chuyển giao) được xử lý chính xác theo cùng một cách như trong UDP mà không duy trì bất kỳ thông tin trạng thái nào.

Ưu điểm và nhược điểm

Một trong những lợi thế quan trọng nhất của ACTP là nó cung cấp sự tự do lựa chọn các mức độ tin cậy cần thiết để các lớp ứng dụng. Bởi vì ACTP là một giao thức lớp truyền tải gọn nhẹ, đó là khả năng mở rộng cho các mạng lớn. Thông lượng không bị ảnh hưởng bởi đường dẫn vi phạm nhiều như trong TCP, nó không có cửa sổ tắc nghẽn cho các thao tác như là một phần của sự phục hồi đường dẫn vi phạm. Một bất lợi của ACTP là nó không tương thích với TCP. Sử dụng ACTP trong một mạng không dây ad hoc rất lớn có thể dẫn đến tắc nghẽn nặng trong mạng vì nó không có bất kỳ cơ chế điều khiển tắc ngẽn.

4.6. Tổng kết chương 4

Chương này thảo luận về những thách thức lớn mà một giao thức lớp truyền tải phải đối mặt trong mạng không dây ad hoc. Các mục tiêu thiết kế chính của một giao thức tầng truyền tải đã được liệt kê và phân loại các giải pháp lớp truyển tải hiện đã được cung cấp. TCP là giao thức lớp truyền tải được sử dụng rộng rãi nhất và được coi là trụ cột của Internet ngày nay. Nó cung cấp vận chuyển các gói từ đầu cuối tới đầu cuối, đáng tin cậy, theo trật tự đến các nút. Bởi vì TCP được thiết kế để xử lý các vấn đề hiện tại trong mạng hữu tuyến truyền thống, nhiều vấn đề được trình bày trong các mô hình mạng động như mạng không dây ad hoc không được giải quyết. Điều này làm giảm thông lượng khi TCP được sử dụng trong các mạng không dây ad hoc. Sử dụng TCP trong mạng không dây ad hoc là rất quan trọng, vì điều quan trọng là nó liên tục trao đổi thông tin với Internet bất cứ khi nào và bất cứ nơi nào nó có sẵn. Chương này cung cấp một cuộc thảo luận về những lý do chính cho sự suy giảm hiệu năng của truyền thống TCP trong mạng không dây ad hoc và giải thích một số giải pháp đề xuất gần đây để cải thiện hiệu suất của TCP.

109

Chương 4: Lớp Truyền Tải trong Mạng Ad hoc

4.7. Câu hỏi ôn tập chương 4

4.1 Giả sử rằng khi kích thước hiện tại của cửa sổ tắc nghẽn là 48 kb, phía phát TCP trải qua một thời gian chờ. Cái gì sẽ là kích thước cửa sổ tắc nghẽn nếu ba bursts truyền dẫn tiếp theo thành công? Giả sử rằng các dịch vụ vệ tinh di động (MSS) là một KB. Xem xét (1) TCP Tahoe và (2) TCP Reno.

4.2 Tìm hiểu xác suất của phá vỡ đường dẫn cho một đường dẫn tám chặng, cho rằng xác

suất của một phá vỡ liên kết là 0,2.

4.3 Thảo luận về tác động của nhiều vi phạm trên một đường đơn ở TCP-F phía phát.

4.4 Bổ sung trạng thái thông tin là phải được duy trì ở đường chuyển tiếp Forwarding

Path (FP) trong giao thức TCP-F là gì?

4.5 Ưu điểm và nhược điểm của việc sử dụng một trong các gói tin thăm dò để phát hiện

một đường dẫn mới.

4.6 Ưu điểm và nhược điểm của việc sử dụng một LQ và REPLY cho việc tìm kiếm

đường dẫn một phần trong giao thức TCP-BuS.

4.7 Tác động của sự thất bại của các nút proxy trong Chia TCP là gì?

4.8 Trong một cuộc thảo luận nghiên cứu, một trong những đồng nghiệp của bạn cho thấy một phần mở rộng của chia TCP nơi mà mỗi nút trung gian đóng vai trò như một nút proxy. Bạn nghĩ gì sẽ là tác động của một giao thức như vậy?

4.9 Những ưu và nhược điểm của phân công trách nhiệm về độ tin cậy end-to-end với lớp

ứng dụng là gì?

5.10 Giá trị mặc định của β sử dụng để xử lý lưu lượng gây ra trong ATP là gì, và tại sao

như một giá trị được lựa chọn?

4.8. Tài liệu tham khảo chương 4

110

Chương 5: Quản Lý Năng Lượng Trong Mạng Ad hoc

CHƯƠNG 5: QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG AD

HOC

Nguyễn Việt Hưng, Nguyễn Việt Hùng

5.1. Giới thiệu chung

Một mạng di động ad hoc (Manet) là một tập hợp các thiết bị dữ liệu đầu cuối kỹ thuật số có thể giao tiếp với nhau mà không cần một cơ sở hạ tầng mạng cố định. Do các nút trong một Manet có tính di động, việc định tuyến và quản lý điện năng trở thành vấn đề hết sức quan trọng. Truyền thông không dây có lợi thế là cho phép khả năng liên lạc linh hoạt, tuy nhiên điều này cũng hàm ý sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng di động như pin. Do công nghệ pin vẫn chưa đạt được những bước tiến lớn, nó tiếp tục là một yếu tố hạn chế, do đó quản lý tiêu thụ năng lượng trong các mạng không dây vẫn còn là một vấn đề quan trọng.

Có nhiều giao thức định tuyến theo phương thức chủ động hay mang tính phản ứng cho MANETs, trong đó giao thức định tuyến nguồn phản ứng động (DSR) được coi là một giao thức hiệu quả. Tuy nhiên, khi kích thước mạng tăng lên, các quan sát thấy rằng trong DSR thông tin định tuyến và tiêu thụ điện năng của các nút trong mạng gia tăng, do đó làm giảm đáng kể hiệu quả của giao thức.

5.1.1. Tại sao quản lý năng lượng lại cần thiết đối với mạng Adhoc

Việc quản lý năng lượng trong mạng ad hoc là một khía cạnh rất quan trọng trong việc quản lý tổng thể mạng ad hoc. Các nút cảm biến không dây di động trong khu vực cần phải tiết kiệm năng lượng và sử dụng nó một cách tối ưu để hoàn thành vai trò được giao trong mạng ad hoc trong một thời gian dài.

Năng lượng pin là một nguồn quan trọng trong các mạng ad hoc. Các quan sát cho thấy trong các mạng này, việc tiêu thụ năng lượng không phản ánh các hoạt động truyền thông trong mạng. Hiện này, nhiều giao thức tiết kiệm năng lượng dựa trên việc chọn một đường định tuyến xương sống cho kết nối tổng thể không hề tính đến đặc điểm lưu lượng.

Nhiều kỹ thuật khác nhau, cả về phần cứng và phần mềm, đã được đề xuất để giảm tiêu thụ năng lượng cho các thiết bị điện toán di động trong mạng LAN không dây [1,2]. Trong khi đó, việc quản lý năng lượng trong mạng ad hoc vẫn còn gặp phải nhiều khó khăn hơn bởi hai lý do. Đầu tiên, trong các mạng ad hoc, một nút có thể đồng thời là nguồn dữ liệu và là một bộ định tuyến chuyển tiếp dữ liệu cho các nút khác và tham gia vào các giao thức định tuyến và kiểm soát ở cấp độ cao. Ngoài ra, vai trò của một nút cụ thể có thể thay đổi theo thời gian. Thứ hai, không có thực thể tập trung như một điểm truy cập để kiểm soát và duy trì chế độ quản lý điện năng của mỗi nút trong mạng, đệm dữ liệu, và đánh thức các nút đang ngủ. Do đó, quản lý điện năng trong mạng ad hoc phải được thực hiện một cách phân phối và hợp tác. Một thách thức lớn cho việc thiết kế một khung quản lý điện năng cho mạng ad hoc

111

Chương 5: Quản Lý Năng Lượng Trong Mạng Ad hoc

là bảo tồn năng lượng thường đi kèm với đánh đổi về suy giảm hiệu năng, chẳng hạn như băng thông thấp hơn hoặc trễ lâu hơn. Một giải pháp nông cạn mà chỉ xem xét tiết kiệm năng lượng tại các nút đơn lẻ có thể cuối cùng sẽ thành ra gây hại đến hoạt động của toàn bộ mạng lưới.

5.1.2. Phân loại các chế độ quản lý năng lượng

Các nút trong một mạng ad hoc không dây (AWN) bị ràng buộc bởi năng lượng pin hạn chế cho hoạt động của chúng. Do đó, quản lý năng lượng là một vấn đề quan trọng trong mạng lưới. Việc sử dụng các chuyển tiếp vô tuyến multichặng đòi hỏi một số lượng đủ các nút chuyển tiếp để duy trì kết nối mạng. Do đó, năng lượng pin được coi như một nguồn tài nguyên quý và phải được sử dụng một cách hiệu quả để tránh việc kết thúc hoạt động sớm của bất kỳ nút nào. Do đó nhận thức về năng lượng cần phải được xem xét và thực thi bởi các giao thức ở tất cả các lớp trong ngăn xếp giao thức, và phải được coi là một trong những mục tiêu thiết kế quan trọng cho tất cả các giao thức trong AWNs. Hầu hết các giải pháp quản lý năng lượng cho AWNs đều sử dung các phương pháp tương tự nhau để tăng tuổi thọ mạng, và được phân loại như sau:

 Chế độ quản lý pin

 Chế độ quản lý năng lượng truyền phát

Hình 5.1: Phân loại các chế độ quản lý năng lượng

 Chế độ quản lý năng lượng hệ thống

Hình 5.1 cho thấy sơ đồ phân loại và liệt kê các ví dụ tương ứng. Tối đa hóa tuổi thọ của một AWN đòi hỏi sự hiểu biết về dung lượng và giới hạn các nguồn năng lượng của các

112

Chương 5: Quản Lý Năng Lượng Trong Mạng Ad hoc

nút. Dung lượng pin lớn hơn dẫn đến khả năng hoạt động lâu hơn của các nút. Quản lý pin liên quan tới những vấn đề nằm trong việc lựa chọn các công nghệ pin, tìm kiếm dung lượng pin tối ưu, và lập thời gian biểu sử dụng pin để tăng dung lượng. Các kỹ thuật quản lý năng lượng truyền tải cố gắng tìm một phạm vi truyền dẫn tối ưu cho các nút trong AWN.

Mặt khác, quản lý năng lượng hệ thống, chủ yếu là giải quyết việc giảm thiểu điện năng cung cấp cho thiết bị phần cứng ngoại vi của một nút và kết hợp các chiến lược năng lượng thấp vào các giao thức được sử dụng trong các lớp khác nhau của ngăn xếp giao thức. Nó có thể được chia thành các chế độ quản lý năng lượng thiết bị và vi xử lý. Mặc dù chương trình quản lý năng lượng cho AWNs không thể phân loại theo đúng các lớp khác nhau của OSI, bởi chúng nằm tại nhiều hơn một lớp, việc phân loại đưa ra trong chương này được dựa trên lớp cao nhất trong ngăn xếp giao thức được sử dụng bởi các giao thức đó. Một vài kỹ thuật khác, mà không rơi vào bất kỳ loại nào, được phân loại như các chế độ hỗn hợp.

5.1.3. Tổng quan về công nghệ pin

Pin là một yếu tố thiết yếu của việc sản xuất các thiết bị điện tử ngày nay. Pin được sử dụng trong hầu như tất cả các thiết bị di động, từ điện thoại di động, máy tính xách tay và máy nghe nhạc MP3 đến đèn pin. Nếu không có công nghệ pin, nhiều thiết bị điện tử sẽ không thể tồn tại. Và do đó, công nghệ pin và sự phát triển của nó là rất cần thiết đối với các thiết bị điện tử ngày nay.

Sự tăng trưởng mạnh mẽ về số lượng các thiết bị sử dụng pin trong những năm gần đây dẫn đến nhiều phát triển mới trong công nghệ pin. Các nhà sản xuất luôn cố gắng để cải thiện sản phẩm của mình để tăng thị phần. Với nhu cầu rất lớn về pin, có rất nhiều các công nghệ khác nhau về pin và cell. Từ các công nghệ không sạc lại như cacbon kẽm và pin kiềm tới pin sạc từ nickel cadmium (NiCd) rồi cell kim loại hydride nickel (NiMH) cho tới pin sạc lithium ion mới. Với rất nhiều nghiên cứu về công nghệ pin đang được phát triển, việc các loại cell và pin mới cung cấp khả năng hoạt động thậm chí cao hơn nữa là hoàn toàn khả quan.

Một lĩnh vực khác của công nghệ pin đang trở nên ngày càng quan trọng đó là các khía cạnh môi trường. Một số công nghệ pin cũ chứa các hóa chất được coi là độc hại. Hiện tại, các thiết kế mới đang tìm cách sử dụng hóa chất thân thiện với môi trường hơn. Các cell sử dụng nickel cadmium giờ được coi là không thân thiện với môi trường và không được sử dụng rộng rãi như trước đây.

Có nhiều loại pin khác nhau như là :

 Pin và cell Nickel cadmium (NiCd

 Pin và cell sử dụng kim loại Nickel Hydride (NiMH)

 Pin Lithium ion (Li-ion)

113

Chương 5: Quản Lý Năng Lượng Trong Mạng Ad hoc

Pin và cell Nickel cadmium (NiCd) đã được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng cần nguồn điện sạc. Các cell NiCd đã được sử dụng cho nhiều thiết bị điện tử như máy tính xách tay, trò chơi điện tử, điện thoại di động, và nhiều linh kiện khác của thiết bị điện tử cần nguồn sạc. Thêm vào đó, các cell nickel cadmium cũng đã được sử dụng rộng rãi cho đèn pin và các linh kiện nhỏ khác của thiết bị điện tử. Ngày nay các cell NiCd ít được sử dụng rộng rãi hơn vì chúng sử dụng cadmium, nguyên tố này phải được xử lý cẩn thận khi pin hết. Những vấn đề môi trường, cùng với thực tế là có những loại pin sẵn có hiệu quả hơn, đã dẫn đến một sự suy giảm trong việc sử dụng pin nickel cadmium.

Pin và cell sử dụng kim loại Nickel Hydride (NiMH) đã được đưa vào sử dụng rộng rãi trong những năm gần đây như một hình thức pin có thể sạc lại. Những loại pin này cung cấp các đặc điểm gần giống công nghệ cũ NiCd, nhưng với những ưu điểm như việc các tế bào NiMH không có tác dụng phụ tới môi trường, và chúng cung cấp mật độ năng lượng và dung lượng tổng thể cao hơn. Kết quả là, các cell NiMH hiện đang được sử dụng rộng rãi với hiệu suất cao.

Pin Lithium ion (Li-ion) đang được sử dụng rộng rãi cho các ứng dụng như máy tính xách tay, điện thoại di động, máy ảnh và nhiều thiết bị khác. Mật độ năng lượng cao mà pin Li-ion cung cấp cho phép các thiết bị điện tử sử dụng chúng giảm việc phải sạc thường xuyên. Ngoài ra, pin Li-ion tương đối nhẹ khi so sánh với các loại pin có thể sạc lại khác. Nhờ sự thuận tiện của chúng, pin Li-ion được sử dụng rộng rãi và có nhiều nhà sản xuất tham gia cung cấp. Nhờ đó, giá thành đã giảm nhiều so với mức rất cao như ban đầu.

5.1.4. Nguyên lý xả pin

Mục đích của pin là để lưu trữ và giải phóng năng lượng tại các thời điểm mong muốn và theo một cách có kiểm soát. Phần này xem xét việc xả pin với các tốc độ xả khác nhau (C- rates) và đánh giá độ sâu mà pin có thể bị xả cạn một cách an toàn.

Chú thích: Tốc độ xả C-rate là đại lượng đo tốc độ mà pin được xả ra so với dung lượng tối đa của nó. Tốc độ 1C có nghĩa là dòng xả sẽ xả toàn bộ pin trong 1 giờ. Đối với một pin có công suất 100 mA giờ, điều này tương đương với một dòng xả hiện 100 mA.

Giới hạn xả pin

Bảng 5.1: Khuyến nghị các mức điện áp kết thúc xả với tải trung bình và tải lớn

Điện áp kết thúc xả cho axít chì là 1,75 V/cell, một hệ thống trên cơ sở niken là 1,00 V / cell, và hầu hết các hệ thống Li-ion là 3,00 V/cell. Ở cấp mức này, khoảng 95% năng lượng đã được tiêu thụ và điện áp sẽ giảm nhanh chóng nếu tiếp tục xả. Để bảo vệ pin khỏi hiện tượng xả quá mức, hầu hết các thiết bị ngừng hoạt động khi vượt qua ngưỡng được thiết lập của điện áp kết thúc.

Kết thúc xả Li-Manganese Li-Phosphate Axit chì NiCd/NiMh

114

Chương 5: Quản Lý Năng Lượng Trong Mạng Ad hoc

Tải trung bình 3.00 V/cell 2.70 V/cell 1.75 V/cell 1.00 V/cell

Tải lớn 2.70 V/cell 2.45 V/cell 1.40 V/cell 0.90 V/cell

Khi loại bỏ các tải sau khi xả, điện áp của pin dần dần hồi phục và tăng tới điện áp danh định. Sự khác biệt về nồng độ kim loại của điện cực kích hoạt điện thế khi pin rỗng. Một pin lão hóa không thể phục hồi điện áp vì tải ký sinh.

Một dòng tải cao làm giảm điện áp pin, vì vậy điện áp ngưỡng kết thúc xả nên được đặt thấp hơn cho phù hợp. Trở kháng nội của cell, hệ thống dây điện, mạch bảo vệ, và cực tiếp xúc tất cả cộng dồn vào trở kháng nội tổng thể. Điện áp cắt cũng nên được hạ xuống khi xả ở nhiệt độ rất lạnh để bù cho trở kháng nội cao hơn bình thường. Bảng 5.1 cho thấy kết thúc xả điển hình của các loại pin hoá học khác nhau.

Điện áp kết thúc xả thấp hơn trên tải cao bù cho tổn hao gây ra bởi các trở kháng bên

trong pin.

Một số máy phân tích pin áp dụng xả thứ cấp, rút điện áp của pin nickel xuống 0,5 V/cell và thấp hơn, điểm cắt bên dưới chỉ định của nhà sản xuất. Các máy phân tích này (Cadex) giữ tải xả thấp để giữ dòng ở mức cho phép trong khi điện áp nằm dưới mức xả.

5.1.5. Ảnh hưởng của các đặc tính xả tới dung lượng pin

5.1.5.1. Nhiệt độ đặc trưng

Hiệu suất của pin có thể thay đổi đáng kể theo nhiệt độ. Ở nhiệt độ cực thấp, trong các loại pin với dung dịch nước điện giải, chất điện phân có thể tự đóng băng, từ đó thiết lập giới hạn dưới về nhiệt độ hoạt động. Ở nhiệt độ thấp, cực dương pin lithium bị mạ lithium, làm giảm vĩnh viễn dung lượng pin. Ở nhiệt độ cao, các hóa chất hoạt động có thể phá hủy pin. Ở khoảng giữa những giới hạn này, hiệu suất của pin nói chung được cải thiện theo nhiệt độ.

115

Hình 5.2: Hiệu suất của pin Lithium ion theo nhiệt độ

Chương 5: Quản Lý Năng Lượng Trong Mạng Ad hoc

Hình 5.2 cho thấy cách hoạt động của pin lithium ion bị suy giảm khi nhiệt độ hoạt động giảm. Có lẽ quan trọng hơn là, đối với cả nhiệt độ cao và thấp, nhiệt độ hoạt động so với nhiệt độ phòng càng cao thời gian sạc của pin càng giảm.

5.1.5.2. Đặc điểm tự xả điện

Tốc độ tự xả là một đại lượng đo khả năng pin tự mất đi năng lượng của nó nhanh như thế nào trong khi không kết nối với mạch điện do các phản ứng hóa học không mong muốn trong pin. Tốc độ này phụ thuộc vào cấu tạo hóa học của pin và nhiệt độ.

Cấu tạo hoá học của pin.

Dưới đây là thấy tuổi thọ điển hình cho một số loại pin sơ cấp:

 Cacbon kẽm: 2 đến 3 năm

 Pin kiềm Alkaline: 5 năm

 Lithium: 10 năm hoặc lâu hơn

Tốc độ tự xả thông thường cho một số loại pin sạc lại như sau:

 Axit chì: 4% - 6% /tháng

 Nickel cadmium (NiCd): 15%-20% / tháng

 Kim loại Nickel hydride: 30%/tháng

 Lithium: 2%-3%/tháng

116

Hình 5.3: Tốc độ tự xả của pin Lithium

Chương 5: Quản Lý Năng Lượng Trong Mạng Ad hoc

Ảnh hưởng của nhiệt độ

Tốc độ của các phản ứng hóa học không mong muốn gây ra dòng rò nội giữa các điện cực dương và âm của pin, giống như tất cả các phản ứng hóa học, tăng theo nhiệt độ, do đó tăng tốc độ tự xả của pin. Hình 5.3 cho thấy tốc độ tự xả điển hình cho một pin lithium ion.

Trở kháng nội

Trở kháng nội của pin xác định khả năng cấp dòng. Trở kháng nội thấp sẽ cho dòng

cao.

Mạch tương đương

Hình 5.4: Mạch tương đương của pin

Sơ đồ trong hình 5.4 thể hiện các mạch tương đương cho một pin điện, trong đó:

117

Chương 5: Quản Lý Năng Lượng Trong Mạng Ad hoc

 Rm là trở kháng của đường kim loại trong pin, bao gồm cả các đoạn đầu cuối,

điện cực, và mối liên kết.

 Ra là trở kháng của đường điện hoá, bao gồm các điện cực và các phân cách.

 Cb là điện dung của các tấm song song tạo thành các điện cực của pin.

 Ri là điện trở tiếp xúc phi tuyến giữa các tấm hoặc điện cực với chất điện phân.

Trở kháng nội bộ thông thường có giá trị trong khoảng milliohm.

5.1.5.3. Ảnh hưởng của trở kháng nội

Khi dòng điện chạy qua pin gây ra sụt áp IR trên điện trở nội của pin, làm giảm điện áp đầu cuối của pin trong thời gian xả và làm tăng điện áp cần thiết để sạc tế bào, do đó làm giảm dung lượng hiệu dụng của nó cũng như làm giảm hiệu suất sạc/xả của nó. Tốc độ xả cao hơn làm tăng sụt áp nội; điều này giải thích các đường điện áp xả thấp hơn ở tốc độ xả cao. (Xem Phần 5.1.5.4.)

Trở kháng nội chịu ảnh hưởng bởi các đặc tính vật lý của chất điện phân; kích thước hạt của vật liệu điện phân càng nhỏ, trở kháng càng thấp. Kích thước hạt được kiểm soát bởi các nhà sản xuất pin trong quá trình sản xuất.

Việc thiết kế các điện cực xoắn ốc được sử dụng để tối đa hóa diện tích bề mặt và do đó làm giảm trở kháng nội. Điều này làm giảm sản sinh nhiệt và cho phép tốc độ sạc và xả nhanh hơn. Trở kháng nội của pin mạ phụ thuộc nhiệt độ, nó giảm khi nhiệt độ tăng do sự gia tăng tính di động điện tử. Đồ thị dưới đây là một ví dụ điển hình.

118

Hình 5.5: Trở kháng nội với nhiệt độ khác nhau.

Chương 5: Quản Lý Năng Lượng Trong Mạng Ad hoc

Vì vậy, pin có thể có hiệu suất kém ở nhiệt độ thấp nhưng hiệu suất được cải thiện ở nhiệt độ cao hơn do trở kháng nội thấp hơn cũng như tốc độ của phản ứng hóa học tăng. Tuy nhiên, trở kháng nội thấp hơn lại khiến tốc độ tự xả tăng. Ngoài ra, chu kì sạc giảm ở nhiệt độ cao. Một số hình thức làm nóng và làm mát có thể cần thiết để duy trì pin trong một phạm vi nhiệt độ giới hạn để đạt được hiệu suất tối ưu trong các ứng dụng năng lượng cao.

Trở kháng nội của hầu hết các pin hóa học cũng có xu hướng tăng đáng kể vào cuối chu kỳ xả do các hóa chất hoạt động được chuyển đổi thành trạng thái xả và coi như đã được sử dụng hết. Đây là nguyên nhân chính cho sự sụt giảm nhanh chóng điện áp pin vào cuối chu kỳ xả. Ngoài ra, hiệu ứng nhiệt Joule với tổn hao I2R trong trở kháng nội sẽ làm nhiệt độ của pin tăng lên.

Sự sụt giảm điện áp và tổn hao nhiệt 𝐼2𝑅 có thể không quan trọng đối với một pin 1000 mAh cung cấp năng lượng cho điện thoại di động, nhưng đối với một pin 100, 200 Ah pin cho ô tô, chúng trở nên đáng kể. Trở kháng nội điển hình cho một pin lithium 1000 mA cho điện thoại di động là khoảng 100 đến 200 mΩ và khoảng 1 mΩ cho một pin lithium 200Ah được sử dụng trong pin ô tô. Hoạt động tại tốc độ xả (C-rates), sụt áp cho mỗi cell sẽ vào khoảng 0,2V trong cả hai trường hợp (hơi ít hơn đối với điện thoại di động). Các tổn hao nhiệt I2R trong điện thoại di động sẽ là từ 0,1 đến 0,2 W. Tuy nhiên, trong pin ô tô, sự sụt áp trên toàn bộ pin sẽ là 20 V và tổn hao I2R tiêu tán dưới dạng nhiệt trong pin sẽ là 40 W mỗi cell hoặc 4 kW cho cả pin. Tổn hao này cộng dồn cùng với nhiệt sinh ra bởi các phản ứng điện hóa trong các tế bào.

Khi pin cũ đi, trở kháng của chất điện phân có xu hướng tăng. Lão hóa cũng làm cho bề mặt của các điện cực xấu đi; điện trở tiếp xúc tăng lên, đồng thời, khu vực hiệu dụng của các tấm mạ giảm dần, từ đó làm giảm điện dung của nó. Tất cả những ảnh hưởng làm tăng trở kháng nội của pin, gây ảnh hưởng xấu đến hiệu năng của nó. Việc so sánh trở kháng thực tế của một cell với trở kháng của nó lúc ban đầu có thể được sử dụng như là một phương thức để chỉ ra độ tuổi của một cell hoặc dung lượng hiệu dụng của nó. Phép do như vậy là thuận tiện hơn nhiều so với việc xả pin để đo và có thể được thực hiện mà không làm ảnh hương các pin được kiểm tra.

Trở kháng nội cũnng ảnh hưởng đến dung lượng hiệu dụng của pin. Trở kháng càng cao cao hơn là Tổn hao trong lúc nạp và xả càng cao, đặc biệt là tại dòng cao hơn. Điều này có nghĩa là, với tốc độ xả cao, dung lượng sẵn có của pin sẽ thấp hơn. Ngược lại, nếu nó được xả trong khoảng thời gian kéo dài, dung lượng tính theo ampe giờ sẽ cao hơn. Điều này rất quan trọng bởi vì một số nhà sản xuất xác định công suất của pin tại tốc độ xả rất thấp, do đó đưa ra giá trị tốt hơn rất nhiều so với thực tế.

119

Chương 5: Quản Lý Năng Lượng Trong Mạng Ad hoc

5.1.5.4. Tốc độ xả

Hình 5.6: Đường biểu thị tốc độ xả của pin Lithium

Các đường biểu thị tốc độ xả cho một pin lithium ion trong đồ thị dưới đây cho thấy dung lượng hiệu dụng của các tế bào bị giảm nếu các tế bào được xả ở tốc độ rất cao (hoặc ngược lại, tăng lên với xả thấp). Điều này được gọi bù dung lượng và nó là phổ biến đối với hầu hết các pin điện hoá.

5.1.5.5. Tải Pin

Hiệu suất xả của pin tùy thuộc vào tải mà pin phải cấp điện. Nếu quá trình xả diễn ra trong một thời gian dài vài giờ, như với một số ứng dụng tốc độ cao như xe điện, dung lượng hiệu dụng của pin có thể lớn gấp đôi công suất quy định tại tốc độ xả C-rate. Điều này là quan trọng nhất khi định cỡ một loại pin đắt tiền để sử dụng cho ứng dụng cần mức năng lượng cao. Dung lượng pin của các thiết bị điện tử ở mức năng lượng thấp thường được chỉ định cho xả ở C-rate, trong khi hiệp hội kĩ sư ô tô - SAE (Society of Automotive Engineers) sử dụng khoảng thời gian 20 giờ (0,05 C) là điều kiện tiêu chuẩn đánh giá công suất Ah của pin ô tô. Biểu đồ dưới đây cho thấy dung lượng hiệu dụng của một pin axít chì xả sâu gần như tăng gấp đôi khi tốc độ xả giảm từ 1,0 đến 0,05 C. Đối với thời gian xả ít hơn 1 giờ (C-rate cao) khả năng hiệu quả giảm xuống một cách đáng kể. Hiệu suất sạc cũng bị ảnh hưởng tương tự như tốc độ xả.

120

Hình 5.7: Dung lượng pin với những khoảng thời gian xả khác nhau.

Chương 5: Quản Lý Năng Lượng Trong Mạng Ad hoc

Có hai kết luận được rút ra từ biểu đồ này:

 Cần cẩn trọng khi so sánh các thông số kỹ thuật dung lượng pin để đảm bảo

tốc độ xả tương đương.

 Trong ứng dụng cho ô tô, nếu sử dụng dòng cao một cách thường xuyên để

tăng tốc nhanh hoặc leo núi, phạm vi hoạt động của chiếc xe sẽ bị giảm.

5.1.6. Mô hình hóa pin

Các nhà nghiên cứu trên thế giới đã phát triển một loạt các mô hình với mức độ phức tạp khác nhau. Họ nghiên cứu hành vi của pin cho các mục đích cụ thể, từ thiết kế pin, ước lượng hiệu suất cho đến mô phỏng mạch. Mô hình điện [3-6], chủ yếu được sử dụng để tối ưu hóa các khía cạnh thiết kế vật lý của pin, mô tả các cơ chế cơ bản của việc sản sinh điện và các thông số liên quan giữa thiết kế pin với các thông tin tầm vĩ mô (ví dụ, pin điện áp và dòng) và tầm vi mô (ví dụ, phân phối điện tích). Tuy nhiên, công việc này rất phức tạp và tốn thời gian vì chúng liên quan đến một hệ thống không gian phương trình vi phân một phần thời gian biến thể kết hợp [3]-một giải pháp đòi hỏi thời gian mô phỏng cỡ vài ngày, các thuật toán số phức tạp, và thông tin pin cụ thể mà rất khó để có được bởi tính chất chất độc quyền của công nghệ.

Việc mô hình hoá pin có thể được chia thành hai lĩnh vực:

 Ước lượng hiệu suất pin

121

Chương 5: Quản Lý Năng Lượng Trong Mạng Ad hoc

 Thiết kế pin.

5.1.6.1. Ước lượng hiệu suất pin.

Với một pin đã được hoàn thiện cho trước, vấn đề là làm thế nào để ước lượng hiệu suất của pin theo điều kiện cụ thể mà người dùng quan tâm. Vấn đề này thường được giải quyết bằng cách kiểm tra pin theo các điều kiện cụ thể và sử dụng một mô hình đại diện cho kết quả thí nghiệm. Các phương pháp tiếp cận để biểu diễn các kết quả thí nghiệm có thể từ mô hình thống kê đơn giản đến các mạng nơron cho đến các mô hình vật lý phức tạp. Việc thiết lập mô hình căn cứ vào dữ liệu thử nghiệm sẽ trở thành mơ hồ khi thử nghiệm trở nên không thực tế (chẳng hạn như một thử nghiệm tuổi thọ pin từ 10 đến 20 năm). Ước tính hiệu suất pin theo thời gian thực, một vấn đề quan trọng trong các ứng dụng ô tô, rơi vào khu vực này.

5.1.6.2. Thiết kế Pin

Vấn đề ở đây là ước tính tác động của việc thiết kế pin tới hiệu suất của nó. Đây là một vấn đề khó khăn và chỉ có thể được giải quyết một phần vì sự phức tạp của các hệ thống pin. Việc không thể mô tả đặc tính của các cơ chế liên quan đến tính chất hoá học của pin hạn chế việc áp dụng các mô hình để thiết kế pin. Thay vào đó, thiết kế pin phụ thuộc nhiều vào cách tiếp cận thử nghiểm theo kiểu thử và kiểm tra thấy đúng chứ không phải là trên các nguyên tắc kỹ thuật. Phương pháp chế tạo và thử nghiệm có tính thực tế bởi vì các pin dùng để kiểm tra thường không tốn nhiều chi phí chế tạo và các phép kiểm tra quan trọng (key test) thường có thể được thực hiện nhanh chóng. Nói tóm lại, việc phát triển một thiết kế pin bằng cách thử nghiệm và phát hiện lỗi thực sự tốn ít thời gian hơn so với việc xác định cách thức và cơ chế hoạt động của pin và sử dụng những hiểu biết đó cho thiết kế. Tuy nhiên, các khía cạnh của trong hoạt động của pin vẫn được nghiên cứu cũng đủ để mô hình, chẳng hạn như nhiệt độ và phân phối dòng, đã có được sự tối ưu hóa đáng kể. Tiến bộ này chỉ ra rằng sự hiểu biết về pin đã có nhiều tiến bộ và nhiều khía cạnh trong hoạt động pin đã tuân theo mô hình nghiên cứu, từ đó chúng ta có thể mong đợi một sự tăng tốc đáng kể trong phát triển các thiết kế pin.

Lĩnh vực ước lượng hiệu suất pin được quan tâm nhiều hơn so với lĩnh vực thiết kế pin. Ước lượng hiệu suất pin có thể được thực hiện bằng các nhiều loại công nhân với trình độ khác nhau, trong khi lĩnh vực thiết kế pin được giới hạn chủ yếu cho các nhà thiết kế và phát triển pin. Các nhà thiết kế pin coi thông tin thiết kế mang tính độc quyền cao và không muốn tiết lộ thông tin đó tới những người thiết kế mô hình, người, vẫn có xu hướng được coi là các học giả. Gần đây, trên thị trường xuất hiện các phần mềm thiết kế pin của bên thứ ba cung cấp một số thiết kế tiêu chuẩn có thể được nghiên cứu một cách công khai và do đó thúc đẩy sự phát triển của ngành khoa học về thiết kế pin.

Tuy nhiên, những tiến bộ trong lĩnh vực thiết kế pin đã được hưởng lợi nhiều nhất từ sự ra đời của pin lithium ion. Pin Lithium ion hoặc rocking-chair là loại pin mới nhất và có đặc tính hóa học gần như được hiểu rõ. Cả hai điện cực dương và âm phục vụ đơn giản như

122

Chương 5: Quản Lý Năng Lượng Trong Mạng Ad hoc

Hình 5.8: So sánh đồ thị mô phỏng và thực nghiệm đường điện áp xả cho pin Li-ion

vật chủ cho ion lithium vận chuyển thông qua một chất điện phân nhị phân. Hệ thống này có thể dễ dàng mô hình hóa. Ví dụ, một nghiên cứu gần đây [7] bởi một nhà phát triển pin cho thấy một mô hình vật lý có thể cung cấp một ước lượng khá chính xác hoạt động của pin. Sự hiểu biết đối với pin lithium ion đã khuyến khích các nhà thiết kết mô hình phát triển thành công các phương pháp cho hiệu suất thiết kế sạc/xả và dung sai tới hạn (Hình 5.5).

5.1.7. Hệ Thống pin thông minh

Một hệ thống pin thông minh (SBS) là một đặc điểm kỹ thuật để xác định khả năng đo dung lượng pin chính xác. Nó cho phép hệ thống điều hành thực hiện các hoạt động quản lý năng lượng dựa trên ước lượng thời gian còn lại. Các thông số kỹ thuật cho các hệ thống pin thông minh được phát triển bởi Duracell và Intel vào năm 1994 và sau đó triển khai bởi một số công ty sản xuất chất bán dẫn và pin. Thông số kỹ thuật pin thông minh hay hệ thống tiêu chuẩn được theo dõi và phát triển bởi các diễn đàn SBS, mà mục tiêu chính là tạo ra một tiêu chuẩn mở cho phép hệ thống nhận thức được trạng thái pin cung cấp năng lượng, nâng cao hiệu quả pin, vv

Trong một hệ thống pin thông minh, truyền thông được thực hiện trên một hệ thống bus quản lý (SMBus) bus truyền thông hai dây. Thông qua giao tiếp này, hệ thống cũng kiểm soát dung lượng mà pin phải được sạc. SBS quy định các thành phần sau:

123

Chương 5: Quản Lý Năng Lượng Trong Mạng Ad hoc

1. Bus quản lý hệ thống (SMBus). Bus quản lý hệ thống là thiết lập cụ thể bus I2C mô tả giao thức dữ liệu, địa chỉ, và các yêu cầu thiết kế để truyền lệnh và các thông tin vật lý giữa pin thông minh, máy chủ SMBus, bộ sạc pin thông minh, và các thiết bị thông minh khác.

2. Dữ liệu pin. Bộ dữ liệu Pin thông minh là một phương pháp để theo dõi một bộ pin sạc. Một mạch tích hợp đặc biệt (IC) trong gói pin theo dõi và báo cáo thông tin cho SMBus. Thông tin này có thể bao gồm loại, số mô hình, nhà sản xuất, đặc điểm, tốc độ xả, dự báo dung lượng còn lại, báo động sắp hết để hệ thống có thể tắt một cách mượt mà, nhiệt độ và điện áp để cung cấp sạc nhanh an toàn.

3 Bộ sạc pin thông minh. Bộ sạc pin này thường xuyên giao tiếp với pin thông minh và làm thay đổi đặc tính sạc pin của nó theo đáp ứng với các thông tin được cung cấp bởi pin thông minh.

4. Hệ thống chọn pin thông minh. Thiết bị này điều phối giữa hai hoặc nhiều pin thông minh. Nó điều khiển công suất và đường dẫn SMBus giữa các máy chủ SMBus, bộ sạc pin thông minh, và pin thông minh.

5. Hệ thống quản lý pin thông minh. Các hệ thống quản lý pin thông minh là một đặc tả kỹ thuật mô tả các yêu cầu và giao diện cho một thành phần hoặc hệ thống các thành phần quản lý một nhóm pin thông minh trong một hệ thống.

Hình 7.6 biểu diễn sơ đồ khối của một hệ thống pin thông minh. Pin thông minh A hoặc/và B cung cấp năng lượng cho hệ thống. Bộ sạc pin thông minh và SMBus hoạt động như một chức năng được bổ sung vào bộ điều khiển nhúng. Các khối cấu hình đường năng lượng được sử dụng bởi SBSM để chọn nào pin được sử dụng để cấp năng lượng cho hệ thống (ví dụ, để chọn pin thông minh A hoặc pin thông minh B hoặc kết hợp cả hai). Người thiết kế hệ thống lựa chọn các thuật toán được sử dụng, chứa trong SBSM. Nếu tồn tại dòng xoay chiều (AC), SBSM có thể chọn sạc hoặc pin A hoặc B hoặc cả hai. Một lần nữa, các thuật toán sử dụng được chứa hoàn toàn trong SBSM. Tín hiệu kết hợp an toàn đảm bảo đường tín hiệu thay thế của bộ sạc pin thông minh luôn được duy trì.

124

Hình 5.9: Hệ thống pin thông minh

Chương 5: Quản Lý Năng Lượng Trong Mạng Ad hoc

Các bộ định tuyến SMBus đảm bảo rằng hệ điều hành có thể giao tiếp với từng pin đơn lẻ cũng như cả tổ hợp pin được xả cùng một lúc. Các phương thức khác có thể được áp dụng, chẳng hạn như một giao diện riêng giữa mạch điện (EC) và hệ điều hành cho phép một trình điều khiển tùy chỉnh tính toán dữ liệu tổ hợp pin. Các bộ định tuyến SMBus cũng đảm bảo rằng hệ điều hành nhận được tất cả các báo động từ pin khi đang sạc cũng như đang xả.

5.2. Giao thức định tuyến tiết kiệm năng lượng

5.2.1. Giới thiệu chung

Một mạng lưới là một tập hợp các nút liên kết với nhau. Nó có thể được liên kết bằng đường dây tín hiệu, không dây, hoặc kết hợp dây và không dây. Một mạng ad hoc không dây không có cơ sở hạ tầng cố định. Các mạng di động và các thiết bị không dây ngày càng phổ biến bởi vì chúng cung cấp cho người dùng khả năng truy cập thông tin và liên lạc bất cứ lúc nào và ở bất cứ nơi đâu. Vì mỗi nút có thể làm việc như một máy chủ cũng như một bộ định tuyến, vì thế không cần một bộ định tuyến riêng biệt. Các mạng ad hoc di động có cấu trúc liên kết linh động, một tính năng giúp nó thay đổi nhanh chóng và bất ngờ.

Năng lượng là một yếu tố hạn chế trong trường hợp của mạng ad hoc. Do vậy định

tuyến trong các mạng này có một số đặc điểm độc đáo:

125

Chương 5: Quản Lý Năng Lượng Trong Mạng Ad hoc

1. Năng lượng của các nút là rất quan trọng và phụ thuộc vào pin, thứ chỉ có thể

cung cấp một nguồn năng lượng hạn chế.

2. Nút có thể di chuyển một cách không kiểm soát được, do vậy việc định tuyến

không thành công có thể là thường xuyên.

3. Kênh truyền không dây có băng thông thấp hơn và thay đổi nhiều hơn so với

mạng có dây.

Thiết kế tiết kiệm năng lượng là yếu tố rất quan trọng trong mạng ad hoc di động (MANET). Các mạng MANET tiêu thụ nhiều năng lượng hơn; do chúng không có cơ sở hạ tầng cố định, các nút cần thực hiện các hoạt động chuyển tiếp các gói tin đồng thời cùng với việc định tuyến. Vì vậy, lưu lượng tải trong MANETs nặng hơn trong các mạng không dây khác với các điểm truy cập cố định hoặc các trạm cơ sở. Vì lý do này, MANETs có mức tiêu thụ năng lượng nhiều hơn. Để chúng sử dụng tiết kiệm năng lượng hơn, phải có sự đánh đổi giữa các tiêu chuẩn hiệu suất mạng. Để tạo ra một Manet sử dụng năng lượng hiệu quả hơn, các giao thức khác nhau đã được đưa ra, một trong số đó là giao thức kiểm soát truy cập đường truyền tiết kiệm năng lượng (EE-MAC). Ý tưởng chính đằng sau thiết kế giao thức này là hầu hết các mạng ad hoc chủ yếu là hướng dữ liệu. Mục tiêu của giao thức EE-MAC là giảm mức tiêu thụ năng lượng mà không ảnh hưởng đến hiệu suất mạng của nó. EE-MAC dựa trên chuẩn (IEEE) 802.11 dành cho truyền thông không dây.

5.2.2. Giao thức đề xuất kiểm soát truy cập đường truyền tiết kiệm năng lượng

Giao thức này chọn ra các nút chủ (master) luôn ở trạng thái hoạt động và hoạt động như một mạng backbone (xương sống) để truyền dữ liệu. Các nút khác (slave) đặt ở chế độ ngủ để tiết kiệm năng lượng và thức dậy định kỳ để giao tiếp với các nút chủ. Để cân bằng tiêu thụ năng lượng, một cơ chế xoay vòng của các master và slave được sử dụng. EE-MAC sử dụng một số tính năng của chế độ phục vụ năng lượng (PSM).

5.2.2.1. Tiêu chí thiết kế.

Giao thức EE-MAC được thiết kế sao cho nó có đủ các nút master để xây dựng backbone của mạng. Mỗi nút có ít nhất một master gần đó. Các master, một cách tổng thể, được gọi là bộ kết nối chủ đạo (CDS). Các nút trong một mạng có thể thuộc CDS hoặc không. Các nút thuộc các CDS là master, và những nút khác là slave. Slave được tự do rơi vào trạng thái ngủ bất cứ khi nào chúng muốn, khi không tham gia vào quá trình định tuyến.

Tùy thuộc vào các thông tin địa phương mà thuật toán các nút chủ được chọn. Để đảm bảo việc này được phân phối một cách công bằng giữa master và slave, việc luân chuyển được thực hiện theo một thuật toán định trươccs. Điều này là rất cần thiết bởi vì nếu việc luân chuyển master và slave không được thực hiện, một nút sẽ được sử dụng quá nhiều và điều này có thể ảnh hưởng đến tuổi thọ mạng của mạng ad hoc. Nếu các nút được sử dụng như master và slave một cách luân phiên, chúng ta có thể có sự cân bằng trong tiêu thụ năng lượng.

126

Chương 5: Quản Lý Năng Lượng Trong Mạng Ad hoc

5.2.2.2. Tính năng của EE-MAC.

EE-MAC có một số tính năng quan trọng sau:

1. Vào chế độ ngủ sớm hơn. Một nhược điểm chính trong PSM gây ra tiêu thụ năng lượng lớn. Giả sử một nút có một số gói dữ liệu để gửi. Đầu tiên nó sẽ gửi một khung ATIM đến đích; phản ứng lại điều này, cả nguồn (transmitter) và đích (người nhận) sẽ được đánh thức trong khoảng thời gian truyền tin, không cần biết bao nhiêu gói cần phải được truyền đi. Các nút sẽ ở trạng thái thức một cách không cần thiết, ngay cả khi chỉ có một gói tin cần truyền. Nhược điểm này được khắc phục trong EE-MAC, khi mà thông tin về số lượng gói tin còn lại được gửi đến đích. Điều này cho phép điểm đích biết khi nào nó đã nhận được tất cả các gói được phát. Khi nguồn và đích đã gửi hoặc nhận được tất cả các gói tin, chúng có thể vào chế độ ngủ cho đến khi bắt đầu của khoảng thời gian truyền tin tiếp theo.

2. Ưu tiên xử lý gói tin gửi đến slave. Khi một nút có một số lượng nhất định các gói dữ liệu để gửi, đầu tiên nó sẽ gửi các gói tin cho các nút slave. Sau khi truyền các gói tin đến các nút slave, các gói tin cho master mới được truyền đi. Tóm lại, các nút slave được ưu tiên cao hơn các nút master vì điều này sẽ giúp các nút slave ở chế độ ngủ trong một thời gian dài hơn.

3. Kéo dài thời gian ngủ cho slave. Giao thức EE-MAC được thiết kế để sao cho hầu hết các gói tin được chuyển tiếp bởi master, sau đó mới đến slave. Để tận dụng lợi thế này, mỗi slave sử dụng thông tin lịch sử để quyết định thời gian ngủ của mình. Giả sử rằng thông tin lịch sử có hai khoảng thời gian truyền tin liên tiếp và không có gói tin được chuyển qua slave; các slave này sẽ quyết định ngủ trong khoảng thời gian này.

4. Bổ sung điều khiển lớp MAC. Các nút trong một mạng ad hoc có thể di chuyển một cách ngẫu nhiên do vậy topo được lựa chọn sẽ phụ thuộc vào các tuyến đường gần nhất có thể đến đích. Vì vậy, để thích ứng nhanh với những thay đổi cấu trúc liên kết mạng, các nút thông báo cho các nút láng giềng tình trạng của chúng (ví dụ, chúng đang làm master hay slave) bằng cách sử dụng bit quản lý năng lượng trong tiêu đề MAC. Bởi vì các tiêu đề lớp MAC bao gồm cả thông tin yêu cầu gửi và sẵn sàng để gửi các gói dữ liệu, có thể được nghe thấy tại bất cứ nơi nào trong mạng, thông tin này sẽ giúp các nút lân cận biết tình trạng của nhau.

5.2.2.3. Hiệu suất

Hiệu suất mạng của một mạng ad hoc được đánh giá bằng số liệu sau đây:

1. Tỷ lệ phân phối gói dữ liệu. Tỷ lệ số lượng các gói dữ liệu được tạo ra tại nguồn với số lượng các gói nhận được tại đích được gọi là tỷ lệ phân phối gói

127

Chương 5: Quản Lý Năng Lượng Trong Mạng Ad hoc

dữ liệu. Đại lượng này biểu thị thông lượng của mạng. Nó rất hữu ích cho việc đo lường các sụt giảm trong thông lượng mạng.

2. Trễ đầu cuối End-to-end. Đại lượng này liên quan đến trễ tích lũy trong hệ thống như là tổng của tất cả trễ gây ra bởi bộ đệm, hàng đợi, và viẹc phát lại các gói dữ liệu, cùng với trễ truyền dữ liệu và trễ chuyển giao.

3. Hiệu suất năng lượng. Hiệu suất năng lượng được định nghĩa như sau

( 5.1) Hiệu suất năng lượng = Tổng số bit được truyền Tổng mức năng lượng tiêu tốn

Trong đó tổng số bit được truyền được tính bằng cách chỉ sử dụng các gói dữ liệu tầng ứng dụng, và tổng mức năng lượng tiêu thụ là tổng năng lượng tiêu thụ của mỗi nút trong thời gian mô phỏng. Đơn vị tiêu thụ năng lượng là bit trên jun. Như vậy số bit cho mỗi jun càng lớn hiệu suất năng lượng đạt được càng cao.

5.3. Truyền chế độ quản lý công suất

Định nghĩa kết nối dựa trên công suất là một khái niệm mới trong mạng ad hoc không dây. Mục đích của nó là để cải thiện thông lượng mạng đầu cuối (end-to-end) và điện năng tiêu thụ trung bình. Điều này là do khi công suất cao hơn và phạm vi kết nối tăng lên, mỗi nút sẽ kết nối được với gần như tất cả các nút khác trong một bước mạng (chặng). Tuy nhiên, do công suất cao hơn làm tăng mức nhiễu giao thao, nhiều xung đột mạng sẽ xảy ra hơn, và do đó sẽ có nhiều phiên truyền phát hơn. Bằng cách giảm mức công suất truyền tại mỗi nút sao cho các nút có thể kết nối trực tiếp đến chỉ một nhóm nhỏ của mạng, các khu vực giao thoa được giảm đáng kể.

Nhiều thuật toán định tuyến khác nhau đã được đề xuất cho mạng ad hoc không dây. Các thuật toán này chủ yếu tập trung vào việc thiết lập định tuyến và duy trì các đường này trong điều kiện kết nối thay đổi thường xuyên và không thể đoán trước. Trong hầu hết các công trình nghiên cứu công suất phát của nút là cố định. Thuật toán định tuyến sử dụng công suất phát thay đổi được giới hạn trong các mô hình mạng ad hoc có tính di động tương đối thấp. Nếu các nút có di động cao, các thuật toán quản lý công suất có thể không bắt kịp được với những thay đổi nhanh chóng và bất ngờ do fading và nhiễu giao thoa. Ở phần này sẽ đề xuất một chế độ quản lý công suất có thể được sử dụng kết hợp với các giao thức định tuyến bảng điều khiển truyền thống, với những thay đổi nhỏ nếu cần thiết. Các đại lượng đánh giá hiệu suất là thông lượng mạng đầu cuối và điện năng tiêu thụ trung bình.

5.3.1. Quản lý công suất của mạng Ad Hoc

Mạng ad hoc thực hiện truyền thông không dây, nó có lợi thế là cho phép thực hiện kết nối không bị ràng buộc. Tuy nhiên điều này cũng hàm ý sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng di động như pin. Do công nghệ pin vẫn chưa đạt được những bước tiến lớn, nó tiếp tục là một

128

Chương 5: Quản Lý Năng Lượng Trong Mạng Ad hoc

yếu tố hạn chế, do đó quản lý tiêu thụ năng lượng trong các mạng không dây vẫn còn là một vấn đề quan trọng.

Nhiều kỹ thuật khác nhau, cả về phần cứng và phần mềm, đã được đề xuất để giảm mức tiêu thụ năng lượng. Quản lý năng lượng trong mạng ad hoc là một vấn đề khó khăn vì hai lý do:

1. Trong các mạng ad hoc, một nút có thể đồng thời là nguồn dữ liệu và là một bộ định tuyến chuyển tiếp dữ liệu cho các nút khác và tham gia vào các giao thức định tuyến và kiểm soát ở cấp độ cao. Ngoài ra, vai trò của một nút cụ thể có thể thay đổi theo thời gian.

2. Không có thực thể tập trung như một điểm truy cập để kiểm soát và duy trì chế độ quản lý công suất của mỗi nút trong mạng, đệm dữ liệu, và đánh thức các nút đang ngủ. Do đó, quản lý năng lượng trong mạng ad hoc phải được thực hiện một cách phân phối và hợp tác.

Quản lý năng lượng trong mạng ad hoc trải đều trên tất cả các lớp của phân lớp giao thức truyền thông. Mỗi lớp có quyền truy cập vào các loại thông tin khác nhau về thông tin liên lạc trong mạng và do đó sử dụng các cơ chế khác nhau để quản lý năng lượng. Lớp MAC quản lý năng lượng sử dụng thông tin địa phương, trong khi lớp mạng có thể sử dụng một cách tiếp cận tổng thể hơn dựa trên cấu trúc liên kết hoặc đặc điểm lưu lượng. Trong phần này chúng ta xem xét cách tiếp cận quản lý tiết kiệm năng lượng bằng cách tắt sóng vô tuyến của các nút trong mạng. Cơ chế bảo tồn năng lượng khác như kiểm soát cấu trúc liên kết và các giao thức điều khiển công suất lớp MAC được coi là trực giao và có thể sử dụng để đạt được lợi ích kết hợp.

Tương tự như giao thức định tuyến ad hoc, chế độ quản lý công suất có thể theo phương thức chủ động hoặc bị động. Giới hạn của phương thức chủ động có thể được định nghĩa là luôn luôn bật (tức là tất cả các nút hoạt động tại tất cả các thời điểm) và giới hạn của phương thức bị động có thể được định nghĩa là luôn tắt (ví dụ, tất cả các nút mặc định ở trạng thái tiết kiệm năng lượng) (xem Hình 5.7). Do tính chất linh động của mạng ad hoc, cần phải có một sự cân bằng giữa tính chủ động, thường cung cấp hiệu quả truyền thông tốt hơn, và tính bị động, thường cung cấp khả năng tiết kiệm năng lượng tốt hơn. Các kỹ thuật khác để giảm tiêu thụ năng lượng được thể hiện trong Bảng 5.2.

129

Chương 5: Quản Lý Năng Lượng Trong Mạng Ad hoc

Phản ứng Chủ động

Duy trì năng lượng

Theo nhu cầu

Hình 5.10: Không gian thiết kế của các chế độ quản lý năng lượng

Bảng 5.2: Các kĩ thuật để giảm tiêu hao năng lượng

CDS Luôn bật Luôn tắt

LỚP GIAO THỨC KỸ THUẬT TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG

Lớp liên kết dữ liệu

Tránh truyền lại không cần thiết. Tránh xung đột trong truy cập kênh bất cứ khi nào có thể. Đặt "nhận" trong chế độ chờ bất cứ khi nào có thể. Sử dụng hoặc phân bổ khe tiếp giáp cho truyền và nhận bất cứ khi nào có thể. Tắt sóng vô tuyến (ngủ) khi không thu hoặc phát.

Lớp mạng Xem xét lộ trình chuyển tiếp tải. Xem xét tuổi thọ pin trong việc lựa chọn định tuyến. Giảm tần suất gửi bản tin điều khiển. Tối ưu hóa kích thước của tiêu đề điều khiển. Có kỹ thuật tái cấu trúc định tuyến hiệu quả.

Lớp vận chuyển Tránh truyền lại lặp đi lặp lại. Xử lý các gói tin bị mất một cách cục bộ. Sử dụng chương trình kiểm soát lỗi tiết kiệm năng lượng

Lớp ứng dụng

Áp dụng một khung quản lý chất lượng dịch vụ di động (QoS) thích ứng. Dời các tính toán tốn năng lượng từ một máy điện thoại di động đến trạm gốc. Sử dụng proxy cho các điện thoại di động chế độ khách. Proxy có thể được thiết kế để làm cho các ứng dụng thích ứng với các hạn chế về công suất hoặc băng thông . Proxy có thể đệm một cách thông minh các thông tin thường xuyên được sử dụng, ngăn chặn truyền tải video và cho phép âm thanh, và sử dụng nhiều phương pháp khác nhau để tiết kiệm điện

130

Chương 5: Quản Lý Năng Lượng Trong Mạng Ad hoc

5.3.2. Giao thức định tuyến tính toán cân bằng chi phí năng lượng PCCB

Trong các mạng ad hoc, thiết kế một giao thức định tuyến tiết kiệm năng lượng là rất quan trọng do các nút bị hạn chế công suất. Các giao thức định tuyến PCCB (tính toán cân bằng chi phí năng lượng) được đề xuất. Ý tưởng cơ bản của PCCB là sử dụng các cơ chế "multicast địa phương" và ranh giới năng lượng để lựa chọn các tuyến đường. Mô phỏng cho thấy các giao thức định tuyến PCCB có thể tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng và cải thiện tỷ lệ truyền. Một mạng lưới PCCB có hiệu suất tốt hơn so với một mạng lưới AODV. Giao thức định tuyến PCCB là khả thi cho đặc điểm hạn chế công suất của mạng ad hoc di động.

5.3.2.1. Quá trình định tuyến của Giao thức định tuyến PCCB

Giả định

Các giả định sau đây được thiết lập để đơn giản hóa mô hình: (1) Một nút có thể nhận

được giá trị của năng lượng hiện tại của nó, và (2) các liên kết là hai chiều.

Phát hiện đường

PCCB là giao thức định tuyến nguồn khởi xướng theo yêu cầu. Kết quả là, các nút mà không phải là trên con đường được chọn không duy trì thông tin định tuyến hoặc tham gia trao đổi bảng định tuyến. Giao thức định tuyến PCCB sử dụng các trường sau trong bảng định tuyến:

1. Địa chỉ nút đến 2. Số thứ tự của nút đến (đảm bảo lặp tự do của tất cả các đường về phía nút đó) 3. Báo hiệu hợp thức số thứ tự nút đến 4. Biên công suất (năng lượng tối thiểu của tất cả các nút trong tuyến) 5. Số Chặng (số lượng chặng cần thiết để tới được điểm đến) 6. Chặng tiếp theo 7. Tuổi thọ (Thời gian kết thúc hoặc xóa của tuyến đường)

Việc phát hiện tuyến đường của PCCB như sau:

1. Nếu không có đường dẫn hợp lệ trực tiếp giữa nguồn và đích, nút nguồn khởi tạo một quá trình khám phá tuyến đường để xác định vị trí các nút khác. Nút nguồn quảng bá một yêu cầu định tuyến (RREQ) đến nút láng giềng. RREQ bao gồm các thông tin như địa chỉ IP của nút đích, số thứ tự nút đích, biên công suất, số chặng, tuổi thọ, vv Nếu không biết số thứ tự, cờ báo không biết số thứ tự phải được thiết lập. Biên công suất bằng năng lượng của nguồn; nó sẽ chuyển tiếp các gói tin nếu nó phù hợp với một số điều kiện.

2. Khi một nút nhận được RREQ từ các nút lân cận, đầu tiên nó tăng giá trị đếm chặng trong RREQ một đơn vị, để tính cho chặng mới thông qua các nút trung gian nếu gói tin không nên bị loại bỏ. Số thứ tự khởi tạo chứa trong RREQ phải được so sánh với số thứ tự tương ứng của đích trong bảng định tuyến. Nếu số thứ tự khởi tạo của RREQ không thấp hơn giá trị hiện tại, nút so sánh biên công

131

Chương 5: Quản Lý Năng Lượng Trong Mạng Ad hoc

suất trong RREQ với năng lượng hiện tại của mình để có được tối thiểu, và sau đó nó cập nhật biên công suất của RREQ với tối thiểu, là biên công suất mới nhất của định tuyến này.

3. Khi RREQ đã đến nút đích hoặc một nút trung gian trong lộ trình đến đích, đích hoặc nút trung gian tạo ra một gói trả lời định tuyến (RREP) và unicast lại cho nút lân cận mà từ đó nó nhận được RREQ. Nếu nút tạo là một nút trung gian, nó có một định tuyến hoạt động đến đích, số thứ tự đích hiện tại trong bảng định tuyến của nút cho điểm đến không nhỏ hơn so với số thứ tự đích của RREQ, và cờ "duy nhất đích" không được thiết lập. Nếu nút tạo chính là điểm đến, nó phải cập nhật số thứ tự riêng của mình đến mức tối đa của số thứ tự hiện tại của nó và số thứ tự đích trong gói tin RREQ ngay trước khi nó khởi tạo một RREP để đáp ứng cho RREQ. Nút đích đặt số thứ tự của nó (có lẽ mới được tăng lên) vào trường số thứ tự điểm đến của RREP và nhập vào giá trị không trong trường chặng count của RREP. Khi tạo ra một thông điệp RREP, một nút quét địa chỉ IP của điểm đến, số thứ tự khởi tạo, và biên công suất từ bản tin RREQ vào các trường tương ứng trong bản tin RREP.

4. Khi một nút nhận được RREP từ các nút lân cận, đầu tiên nó tăng giá trị chặng count trong RREP lên một đơn vị. Khi RREP được chuyển ngược lại theo đường ngược lại, trường chặng count được tăng thêm một ở mỗi chặng. Do đó, khi RREP đến nguồn gốc, số lượng chặng đại diện cho khoảng cách của nút đích từ nút nguồn, tính bằng bước nhảy. Số thứ tự khởi tạo chứa trong RREP phải được so sánh với số thứ tự dích tương ứng trong bảng định tuyến. Nếu số thứ tự khởi tạo của RREP không thấp hơn giá trị hiện tại, nút so sánh biên công suất chứa trong RREP với năng lượng hiện tại của mình để có được tối thiểu, và sau đó nó cập nhật biên công suất của RREP với tối thiểu, là biên công suất mới nhất của định tuyến này.

Lưu ý 1: Nếu số thứ tự trong bảng định tuyến được đánh dấu là không hợp lệ hoặc số thứ tự đích trong RREP lớn hơn bản sao của nút của số thứ tự đích, các nút trung gian tạo ra một mục mới với số thứ tự đích đến của RREP và đánh dấu số thứ tự đích là hợp lệ. Biên công suất trong bảng định tuyến được thiết lập bằng ranh biên công suất chứa trong RREP.

Lưu ý 2: Nếu số thứ tự khởi chứa trong RREP bằng với số thứ tự đích hiện có trong bảng định tuyến của nút, biên công suất của RREP phải được so sánh với biên công suất tương ứng trong bảng định tuyến. Nếu biên công suất chứa trong RREP lớn hơn bản sao của nút, biên công suất được thiết lập với giá trị của biên công suất trong RREP. Bước kế tiếp trong tuyến được gán cho nút mà từ đó các RREP được nhận, được chỉ định bởi các trường địa chỉ IP của nguồn trong tiêu đề IP. Các nút hiện tại theo đó có thể sử dụng định tuyến này để chuyển tiếp các gói dữ liệu đến đích.

Bảo trì định tuyến

132

Chương 5: Quản Lý Năng Lượng Trong Mạng Ad hoc

Theo giao thức định tuyến adhoc vector khoảng cách theo yêu cầu (AODV), một nút sử dụng bản tin HELLO, là một bản tin quảng bá địa phương định kỳ bởi một nút để thông báo cho mỗi nút di động trong lân cận của mình để duy trì kết nối địa phương. Nếu một nút không nhận được thông báo Hello trong một khoảng thời gian xác định thời gian, được gọi là khoảng thời gian mất Hello (Hello-loss) (được tính bằng mili giây), nút sẽ giả định rằng liên kết đến nút lân cận này hiện đang bị mất. Khi kịch bản này xảy ra, các nút sẽ gửi một thông báo lỗi định tuyến (RERR) cho tất cả các nút trước rằng liên kết đã thất bại. Sau đó, khởi tạo một quá trình tìm đường để tìm một đường mới đến đích hoặc bắt đầu việc sửa chữa cục bộ.

5.3.3. Phân tích giao thức định tuyến PCCB

Do các nút không nằm trên tuyến đường được lựa chọn sẽ không lưu trữ thông tin định tuyến hoặc tham gia trao đổi bảng định tuyến, giao thức định tuyến PCCB là giao thức định tuyến thuần tuý theo yêu cầu (on-demand). PCCB cho phép các nút di động được định tuyến một cách nhanh chóng cho các điểm đến mới và phản ứng với các các liên kết bị đứt và những thay đổi trong cấu trúc liên kết mạng một cách kịp thời. Khi một liên kết bị đứt, PCCB thông báo cho tập các nút bị ảnh hưởng để chúng có thể làm mất hiệu lực các tuyến đường sử dụng liên kết bị đứt. PCCB sử dụng biên công suất như một tiêu chí lựa chọn. Nếu có hai đường đến một địa điểm, tuỳ theo nút yêu cầu mà tuyến được lựa chọn sao cho nó có biên công suất lớn hơn. Ưu tiên hàng đầu để lựa chọn các định tuyến đường PCCB là chọn con đường ngắn nhất. Sau đó, mới xem xét đến số liệu về biên công suất.

Khi năng lượng là gần như cạn kiệt, hệ điều hành (OS) và hệ thống vào - ra cơ bản (BIOS) sẽ có những hành động để chuẩn bị cho việc ngắt điện, công việc cần nhiều năng lượng hơn. Ưu điểm chính của các định tuyến theo biên công suất tối đa là nó có thể làm giảm hoạt động thông tin bổ sung và bảo tồn năng lượng.

5.3.4. Giao thức MAC

Giao thức kiểm soát truy cập đường truyền (MAC) quyết định khi nào các nút cạnh tranh có thể truy cập vào môi trường được chia sẻ (ví dụ, các kênh phát thanh) và cố gắng để đảm bảo rằng không có hai nút được can thiệp vào quá trình truyền của nhau. Trong trường hợp có xung đột, giao thức MAC có thể đối phó với nó thông qua một số thuật toán giải quyết tranh chấp. Các lớp giao thức MAC được thể hiện trong hình 5.8.

133

Hình 5.11: Ngăn xếp các giao thức mạng (Lớp MAC)

Chương 5: Quản Lý Năng Lượng Trong Mạng Ad hoc

Hình 5.12: Thiết bị đầu cuối ẩn (trái) và thiết bị đầu cuối lộ (phải)

Hai loại xung đột chính phải đối mặt là vấn đề thiết bị đầu cuối lộ và các vấn đề thiết bị đầu cuối ẩn. Những vấn đề này được mô tả trong hình 5.12. Trong vấn đề thiết bị đầu cuối ẩn (trái), truyền thông được thiết lập, mặc dù nó có thể cản trở việc tiếp nhận gói của các trạm lân cận. Trong vấn đề thiết bị đầu cuối lộ (bên phải), truyền thông không được thiết lập do một liên kết liên tục giữa một cặp trạm hàng xóm, mặc dù liên lạc của chúng sẽ không bị giảm sút. Các giao thức MAC IEEE 802.11 giải quyết điều này và các vấn đề khác và đáp ứng các yêu cầu một cách phù hợp như đã đề cập trước đây. Giao thức MAC cơ bản là tương tự như giao thức MAC 802.3.

5.3.5. Tiết kiệm năng lượng

Trong IEEE 802.11 cơ chế tiết kiệm năng lượng được đặc tả cho các mạng ad hoc, mỗi trạm được đồng bộ bởi việc truyền khung beacon tại khởi đầu của một chu kì được gọi là khoảng thời gian báo hiệu (beacon interval). Các trạm trao đổi thành công các gói điều khiển trong thời gian cửa sổ ATIM bắt đầu truyền dữ liệu ngay lập tức sau khi cửa sổ ATIM hết hạn. Khi tải của mạng tăng lên, các trạm tiêu tốn năng lượng bởi xung đột và các hoạt động

134

Chương 5: Quản Lý Năng Lượng Trong Mạng Ad hoc

truyền lại, đây là những nguồn tiêu thụ năng lượng quan trọng và gây suy thoái sử dụng kênh. Một cấu trúc khoảng thời gian báo hiệu mới loại bỏ cửa sổ ATIM và chia phần còn lại của khoảng thời gian báo hiệu vào bằng các khe thời gian. Các chức năng phối hợp phân phối (DCF) với không gian liên khung khác nhau và dựa trên khe thời gian ưu tiên được sử dụng để cung cấp chất lượng dịch vụ, tăng thời gian trong trạng thái ngủ gật, và giảm số lượng xung đột.

5.3.6. Chức năng đồng bộ hóa thời gian

Chức năng đồng bộ hóa thời gian (TSF) được quy định trong tiêu chuẩn IEEE 802.11 cho mạng cục bộ không dây (WLAN) để thực hiện đồng bộ hóa thời gian giữa các người dùng. Một TSF giúp các bộ định thời trong tất cả các trạm trong có cùng một tập hợp dịch vụ cơ bản (BSS) được đồng bộ. Tất cả các trạm sẽ duy trì một bộ đếm thời gian TSF địa phương. Mỗi máy chủ di động duy trì một bộ đếm thời gian TSF với độ lớn 264 và đếm tăng dần theo micro giây. TSF được dựa trên một đồng hồ 1 MHz và các "tick" trong micro giây. Trên mức độ thương mại, các nhà cung cấp công nghiệp giả định đồng bộ hóa của TSF trong 802.11 được thực hiện trong vòng 25 ms.

Đồng bộ hóa thời gian được thực hiện bởi các trạm trao đổi thông tin thời gian một cách định kỳ qua khung báo hiệu (beacon). Mỗi trạm trong một bộ dịch vụ cơ bản độc lập (IBSS) cần có một định thời nhận nếu nó muộn hơn bộ đếm thời gian TSF của trạm. Tất cả các trạm trong IBSS áp dụng một giá trị phổ biến - một chu kỳ báo hiệu - xác định độ dài của khoảng thời gian hay chu kì báo hiệu. Giá trị này, được thành lập bởi trạm khởi tạo IBSS, xác định một chuỗi các định thời truyền báo hiệu mục tiêu (TBTTs). Thời điểm không (zero) được định nghĩa là một TBTT.

5.3.7. Chức năng tiết kiệm năng lượng

Tiêu chuẩn IEEE 802.11 xác định hai phương pháp truy cập đường truyền: DCF (chức năng phân phối phối hợp), cho một giao thức phân phối đầy đủ, và PCF (chức năng phối hợp điểm) hoặc một giao thức tập trung. DCF là phương pháp truy cập cơ bản của IEEE 802.11 MAC và cần được thực hiện ở tất cả các trạm. Mặt khác, PCF là một phương pháp truy cập tùy chọn, mà chỉ có thể sử dụng trong một mạng lưới cơ sở hạ tầng. IEEE 802.11 định nghĩa hai cơ chế tiết kiệm năng lượng tùy thuộc vào cấu hình của mạng : mạng lưới cơ sở hạ tầng (BSS) và mạng ad hoc (IBSS). Các tiếp sau mô tả ngắn gọn giao thức DCF và cơ chế tiết kiệm năng lượng trong IBSS.

Trong chức năng phối hợp phân phối của IEEE 802.11, một trạm với các gói cấp phát để truyền phải theo dõi tình trạng kênh trước khi truyền dữ liệu. Nếu một kênh rỗi trong một khoảng thời gian, được gọi là không gian liên khung phân phối (DIFS), trạm thống nhất chọn thời gian back-off trong khoảng [0, cw], trong đó CW là kích thước của cửa sổ tranh chấp. Giá trị CW được thiết lập bằng CWmin tại lần phát đầu tiên. Thời gian back-off, giảm khi các kênh được cảm nhận là đang rỗi, giữ giá trị khi kênh là bận, và giảm một lần nữa khi các kênh

135

Chương 5: Quản Lý Năng Lượng Trong Mạng Ad hoc

được cảm nhận là đang rỗi cho DIFS. Khi thời gian back-off trở thành số không, các trạm truyền gói tin RTS. Khi tiếp nhận các gói tin RTS, trạm đích trả lời bằng gói tin CTS đến trạm truyền. Trạm truyền bắt đầu gửi dữ liệu sau khi nhận được gói tin CTS.

Khi trạm đích nhận được thành công một gói dữ liệu, nó sẽ gửi một gói tin ACK (xác nhận) đến các trạm truyền thông báo việc tiếp nhận thành công. Bất kỳ trạm nào trong mạng mà nghe được các gói tin RTS và CTS có thể cập nhật một vector phân bổ mạng (NAV) bởi thông tin chỉ ra chiều dài của gói tin được truyền đi trong cả hai gói tin. Lưu ý rằng trước khi truyền gói CTS, gói dữ liệu, và gói ACK, trạm chờ đợi trong một không gian liên khung ngắn (khoảng thời gian SIFS) thay vì DIFS. Mặt khác, nếu thời gian back-off trong hai hoặc nhiều trạm đạt đến số không cùng một lúc, xung đột xảy ra khi họ gửi gói tin RTS. Trong trường hợp này, các trạm đích sẽ không nhận được gói tin RTS và sẽ không trả lời bằng gói tin CTS. Các trạm phát có thể phát hiện xung đột bởi sự vắng mặt của gói tin CTS. Mỗi khi một vụ xung đột được phát hiện, cửa sổ tranh chấp được tăng gấp đôi để giảm xác suất xung đột, lên đến giá trị tối đa CWmax.

Cơ chế tiết kiệm năng lượng cho một IBSS chia thời gian theo một khoảng thời gian cố định đặt tên là khoảng thời gian báo hiệu (beacon interval). Vào lúc bắt đầu của khoảng thời gian báo hiệu, tất cả các trạm chủ không dây phải thức trong một khoảng thời gian cố định, được gọi là cửa sổ ATIM (bản tin chỉ thị lưu lượng ad hoc). Như đã mô tả trong tiêu chuẩn IEEE 802.11, mỗi trạm trong mạng được giả định là kết nối đầy đủ và đồng bộ. Do đặc tính của mạng, không có một trạm nào với nguồn điện vô hạn đóng vai trò cung cấp đồng bộ hóa thời gian. Mỗi máy không dây cố gắng để phát sóng các khung báo hiệu bằng cách sử dụng cơ chế CSMA / CA vào lúc bắt đầu của khoảng thời gian báo hiệu để đạt được đồng bộ. Sau khi nhận được khung báo hiệu, các máy chủ không dây điều chỉnh giờ địa phương của mình cho các dấu thời gian của khung báo hiệu để đồng bộ hóa với nhau.

136

Hình 5.13: Ví dụ về truyền phát tới một trạm tiết kiệm điện trong một mạng IBSS

Chương 5: Quản Lý Năng Lượng Trong Mạng Ad hoc

Trong khoảng thời gian cửa sổ ATIM, các máy chủ không dây đệm dữ liệu cho một trạm ở chế độ tiết kiệm điện thông báo một khung ATIM. Khi nhận được khung ATIM, các máy chủ tiết kiệm điện phải gửi lại ATIM-ACK. Sau khi chuyển thành công khung ATIM, cả hai máy chủ không dây sẽ ở trong trạng thái thức trong toàn bộ khoảng thời gian báo hiệu. Sau khi kết thúc cửa sổ ATIM, đệm dữ liệu sẽ được truyền đến một điểm đến bằng các chức năng giao thức phối hợp phân phối thông thường. Tại thời điểm này, một trạm không dây mà không có gói đệm có thể chuyển sang chế độ ngủ gật nếu nó không nhận được một khung ATIM trong cửa sổ ATIM. Hình 5.10 minh họa các ví dụ về truyền dữ liệu trong một mạng ad hoc để một trạm điện tiết kiệm.

5.3.8. Tiềm năng Tiết kiệm năng lượng

Hiệu quả của các cơ chế tiết kiệm năng lượng phụ thuộc nhiều vào các giá trị được lựa chọn cho báo hiệu (beacon) và khoảng thời gian ATIM, cũng như tải cung cấp. Nếu cửa sổ ATIM là quá ngắn, lưu lượng truy cập được công bố trong cửa sổ không đủ, thậm chí có thể không đủ để sử dụng toàn bộ khoảng thời gian báo hiệu. Nếu cửa sổ ATIM là quá dài, không chỉ các trạm bị yêu cầu phải dành nhiều thời gian thức, mà lưu lượng được công bố cũng nhiều hơn lượng có thể được gửi trong khoảng thời gian còn lại của khoảng thời gian báo hiệu. Nếu khoảng thời gian báo hiệu là quá ngắn, tổng lưu lượng của chu kỳ ngủ-thức, beaconing, và thông báo lưu lượng sẽ cao. Nếu khoảng thời gian báo hiệu là quá dài, nhiều trạm có thể cố gắng thông báo lưu lượng tại mỗi cửa sổ ATIM, do đó mà nhiều điểm đến sẽ cần phải giữ trạng thái thức sau cửa sổ ATIM.

137

Chương 5: Quản Lý Năng Lượng Trong Mạng Ad hoc

Lượng năng lượng được tiết kiệm là tiêu chí quan trọng, tuy nhiên các yếu tố như tăng độ trễ, giảm băng thông, và phân bố tiêu thụ điện năng không đều cũng phải được tính đến. Điều quan trọng cần lưu ý là tỷ lệ phần trăm thời gian dành cho trạng thái ngủ chỉ là một dấu hiệu của việc tiết kiệm năng lượng trong thực tế, chỉ số này sẽ giảm do quá trình chuyển đổi thức - ngủ, báo hiệu, và lưu lượng ATIM, tất cả đều tăng lên khi khoảng thời gian báo hiệu giảm.

5.4. Điều khiển công suất truyền tải

Kiểm soát công suất phát là vấn đề quan trọng trong mạng ad hoc không dây bởi ít nhất hai lý do: (1) Nó ảnh hưởng đến tuổi thọ pin, và (2) nó có thể ảnh hưởng đến lưu lượng tải của mạng.

Hình 5.14: Sự cần thiết phải kiểm soát công suất phát

Đối với lí do đầu tiên, cần lưu ý rằng N1 trong Hình 5.11 không cần phát sóng tại 30 mW để gửi một gói tin đến N2 lân cận, do N2 nằm trong phạm vi phủ sóng ngay cả khi chỉ sử dụng công suất 1 mW. Vì vậy, nó có thể tiết kiệm năng lượng của pin. Đối với điểm thứ hai, vẫn ở trong hình này, N3 cũng muốn phát một gói tại cùng một thời điểm đến N4 với 1 mW. Nếu N1 phát với 1 mW đến N2, thì cả hai gói đều nhận được thành công cùng một lúc, vì N2 không nằm trong phạm vi của N3 (chỉ nhận được tín hiệu từ N1), và N4 nằm trong phạm vi của N1. Tuy nhiên, N1 phát với công suất 30 mW, do đó gây nhiễu cho N4 khi nhận tín hiệu từ N3, vì vậy chỉ có một gói tin, từ N1 đến N2, được truyền thành công. Vì vậy, điều khiển công suất có thể tăng cường lưu lượng của mạng.

138

Chương 5: Quản Lý Năng Lượng Trong Mạng Ad hoc

Giải pháp ưa thích là mức công suất của các nút trong mạng được điều khiển thích ứng, điều này có thể thực hiện được theo một cách phân phối không đồng bộ bởi các nút tham gia vào mạng. Vấn đề nảy sinh tiếp theo là việc điều khiển công suất cho mạng ad hoc có thể được đặt tại đâu trong hệ thống phân cấp lớp. Khó khăn là do nó liên đới đế một vài lớp mạng. Rõ ràng, điều khiển công suất tác động đến lớp vật lý do sự cần thiết phải duy trì chất lượng liên kết. Tuy nhiên, điều khiển công suất cũng ảnh hưởng đến các lớp mạng và lớp vận chuyển.

5.4.1. Đáp ứng công suất truyền theo trạng thái của kênh

Tùy thuộc vào tình trạng kênh, công suất truyền cũng có thể được điều chỉnh trong quy mô thời gian ngắn. Vì vậy, nếu chất lượng kênh được ước tính là tốt hơn, công suất truyền được điều chỉnh thấp hơn, kết quả là ít nhiễu hơn và điện năng tiêu thụ bởi các bộ khuếch đại cũng giảm. Mặt khác, nếu chất lượng kênh được ước tính là kém hơn, công suất truyền được điều chỉnh tăng lên hoặc các phiên truyền có thể được dừng lại tạm thời cho đến khi kênh truyền trở lại trạng thái tốt.

5.4.2. Kỹ thuật MAC

Các kỹ thuật tiết kiệm năng lượng hiện có ở lớp MAC chủ yếu bao gồm các giao thức lập lịch ngủ. Nguyên tắc cơ bản đằng sau tất cả các giao thức lập lịch ngủ là rất nhiều năng lượng bị lãng phí do việc phải lắng nghe các kênh vô tuyến khi không có gì cần nhận. Lập lịch ngủ được sử dụng để lập chu kỳ tắt bật sóng vô tuyến của một trạm. Chúng được sử dụng để đánh thức một trạm bất cứ khi nào nó được kì vọng sẽ truyền tải hoặc nhận các gói tin, còn nếu không thì nó lại được đặt vào trạng thái ngủ. Các kỹ thuật tiết kiệm năng lượng khác ở lớp này bao gồm các giao thức nhận thức pin MAC (BAMAC), trong đó việc quyết định trạm cần gửi tiếp theo dựa trên dung lượng pin của tất cả các nút xung quanh trong mạng. Thông tin về pin được kèm trên mỗi gói tin được truyền đi, và các nút riêng rẽ căn cứ vào thông tin này khi đưa ra quyết định gửi.

Các giao thức lập lịch ngủ có thể được chia thành hai loại: đồng bộ và không đồng bộ. Chính sách lập lịch ngủ đồng bộ dựa vào đồng bộ hóa đồng hồ giữa tất cả các nút trong mạng, như trong hình 5.12. Nút gửi và nút nhận nhận thức được khi nào các nút khác đang thức và chỉ gửi cho nhau trong những khoảng thời gian này. Còn các lúc khác thì chúng ngủ.

139

Hình 5.15: Lập lịch ngủ đồng bộ

Chương 5: Quản Lý Năng Lượng Trong Mạng Ad hoc

Ngược lại, lập lịch ngủ không đồng bộ, không dựa vào đồng bộ hóa đồng hồ giữa các nút. Các nút có thể gửi và nhận các gói tin bất cứ khi nào chúng muốn, theo giao thức MAC sử dụng. Hình 5.13 cho thấy hai nút chạy lập lịch ngủ không đồng bộ có thể giao tiếp như thế nào.

140

Hình 5.16: Lập lịch ngủ không đồng bộ

Chương 5: Quản Lý Năng Lượng Trong Mạng Ad hoc

Nút thức dậy và ngủ theo định kỳ theo cùng một cách như lập lịch ngủ đồng bộ. Tuy nhiên, do không có đồng bộ hóa thời gian, có phải là một biện pháp để đảm bảo rằng các nút nhận đang thức để nghe được tín hiệu truyền đến từ các nút khác. Thông thường, các byte mào đầu được gửi bởi một gói tin để đồng bộ hóa điểm khởi đầu của dòng dữ liệu đến giữa nút truyền và nút nhận. Với lập lịch không đồng bộ, một số lượng đáng kể byte mào đầu được thêm vào trong mỗi gói tin để đảm bảo rằng một nút nhận có cơ hội để đồng bộ hóa với nó tại một thời điểm nào đó. Trong trường hợp xấu nhất, một gói tin sẽ bắt đầu truyền tải ngay khi nút nhận của nó đi vào trạng thái ngủ, và byte mào đầu sẽ phải được gửi trong một thời gian tương đương với khoảng thời gian giấc ngủ của nút nhận (và thêm một chút để cho phép đồng bộ hóa khi nó thức dậy) . Khi nút nhận thức dậy, nó đồng bộ hóa với các byte mào đầu và duy trì thức cho đến khi nó nhận được các gói tin.

5.4.3. Điều khiển liên kết logic

Hai kỹ thuật phổ biến nhất được sử dụng để bảo tồn năng lượng tại lớp liên kết liên quan đến việc giảm tông lưu lượng truyền tải trong chương trình yêu cầu tự động lặp lại (ARQ) và chuyển tiếp sửa lỗi (FEC). Cả hai chương trình được sử dụng để giảm số lượng các lỗi gói tin tại một nút nhận. Bằng cách kích hoạt ARQ, một bộ định tuyến có thể tự động gửi yêu cầu truyền lại một gói tin trực tiếp đến nguồn của nó mà không cần nhận được phát hiện lỗi gói tin từ nút thu. Các kết quả đã chỉ ra rằng đôi khi hiệu quả năng lượng đạt được cao hơn nếu truyền dữ liệu với công suất truyền tải thấp và phải gửi nhiều ARQs hơn là truyền với công suất cao và đạt được thông lượng tốt hơn. Tích hợp việc sử dụng mã FEC để giảm số lượng truyền lại cần thiết với công suất truyền thấp hơn có thể mang lại hiệu quả tiết kiệm

141

Chương 5: Quản Lý Năng Lượng Trong Mạng Ad hoc

năng lượng cao hơn. Các kỹ thuật quản lý điện năng hiện có khai thác những quan sát này có thể kể đến là:

 Chế độ lai: Với ARQ, hệ thống hoạt động tốt trong các kênh tốt, nhưng với các kênh kém thì không, trong khi FEC thực hiện nhất quán đối với các điều kiện kênh khách nhau do không cần thông tin phản hồi, tuy nhiên nó phải đánh đổi khả năng bảo vệ nhiều hơn với việc tăng chi phí tính toán. Vì vậy, hiệu quả kết hợp sẽ tạo ra năng lượng tiêu thụ tối thiểu cho mỗi bit trên tỷ lệ mã.

 Kích thước khung thích ứng: Kích thước khung khác nhau có thể có tác động đáng kể đến hoạt động của giao thức ARQ. Trong một kênh nhiều nhiễu, một gói nhỏ hơn sẽ được ưa thích hơn mặc dù nó gây ra tăng tổng lưu lượng, do tỷ lệ mất gói tin của các gói lớn hơn sẽ chiếm ưu thế. Tương tự, một mệnh đề có thể được đưa ra cho việc định kích thước gói công suất thấp. Nếu chúng ta chấp nhận một tốc độ bít cho người dùng thấp, cố định, chúng ta có thể đánh đổi giữa thông lượng các gói dữ liệu với việc giảm năng lượng truyền.

Các kỹ thuật quản lý công suất khác hiện có tại lớp liên kết được dựa trên một số loại giao thức lập lịch gói. Bằng cách lên lịch nhiều phiên truyền gói xảy ra theo kiểu back to back, có thể giảm tổng lưu lượng liên quan đến việc gửi mỗi gói riêng rẽ. Byte mào đầu chỉ cần được gửi cho các gói dữ liệu đầu tiên để công bố sự hiện diện của nó trên các kênh, và tất cả các gói tin tiếp theo về cơ bản kèm thông báo này. Thuật toán lập lịch gói cũng có thể làm giảm số lượng truyền lại cần thiết nếu một gói tin chỉ được kì vọng sẽ được gửi trong một khoảng thời gian khi đích của nó đã được biết là có thể nhận được gói tin. Bằng cách giảm số lượng truyền lại cần thiết, tiêu thụ điện năng tổng thể cũng được giảm.

Định tuyến: Trong các hệ thống di động truyền thống, vấn đề định tuyến thay đổi thành vấn đề chuyển giao: Điểm truy cập nào cần được lựa chọn để phục vụ cho thiết bị di động? Vì một quyết định chuyển giao thường được dựa trên chất lượng kênh giữa các thiết bị di động và các điểm truy cập, hiệu quả năng lượng mặc nhiên là được xem xét ít nhất trong quá trình này. Từ quan điểm hệ thống, điều này có thể được hiểu rằng một quyết định chuyển giao mà tiết kiệm năng lượng cho một thiết bị di động có thể là không tối ưu khi xem xét tất cả điện thoại di động với nhau; sự không tối ưu này có thể, ví dụ, là do nhiễu giao thoa khác nhau trong các ô lân cận. Vấn đề định tuyến trở nên khó khăn hơn nhiều nếu xét đến truyền thông đa bước. Trong một hệ thống đa bước như vậy, chuỗi các nút nên được đi qua để tới một điểm đến cho trước không còn rõ ràng.

Một số giao thức định tuyến được phát triển để đáp ứng nhu cầu cụ thể của mạng đa bước - ví dụ, giao thức chủ động như vector khoảng cách trình tự điểm đến (DSDV), theo định kỳ gửi thông tin cập nhật định tuyến để ghi nhận tất cả các tuyến đường đến một đích đến trong mạng; giao thức phản ứng như định tuyến nguồn động (DSR) và tối ưu hóa định tuyến dựa trên công suất (PARO), giao thức này bắt đầu tìm kiếm đích đến chỉ khi có gói tin để truyền tải; và các chương trình lai giống như AODV, FSR, và các thuật toán định tuyến ra

142

Chương 5: Quản Lý Năng Lượng Trong Mạng Ad hoc

lệnh tạm thời (TORA). Tuy nhiên, hiệu quả năng lượng không phải là mục tiêu chính của các giao thức này.

Gần đây, hiệu quả năng lượng đã trở nên được quan tâm, đặc biệt nó được thúc đẩy bởi khả năng phát triển của mạng cảm biến không dây. Một khái niệm thường được sử dụng là phân công trách nhiệm định tuyến và chuyển tiếp đến một nút đại diện cho một nhóm các nút (một "cụm"); định tuyến và chuyển tiếp sau đó chỉ diễn ra giữa các "trưởng cụm." Sự lựa chọn nút đứng đầu nhóm có thể dựa vào sự sẵn có của các nguồn tài nguyên (dung lượng pin) và được luân chuyển trong một số nút theo nhiều cách. Ví dụ về các giao thức nhóm như vậy là giao thức định tuyến vùng (ZRP) và hệ thống phân cấp thích nghi năng lượng thấp (LEACH). Ngoài ra, một số giao thức định tuyến tính đên vị trí vật lý của các nút (ví dụ, độ tin tưởng địa lý thích ứng, hay GAF). Thách thức đối với tất cả các giao thức định tuyến đa bước (multichặng) là đánh giá sự cân bằng giữa tiết kiệm năng lượng bằng cách định tuyến thông minh và tổng lưu lượng cần thiết để có được thông tin định tuyến, đặc biệt là khi đối mặt với những bất ổn gây ra bởi tính di động, các kênh biến đổi thời gian,...

5.5. Giao thức AODV

5.5.1. Giới thiệu chung về giao thức AODV

Giao thức định tuyến adhoc vector khoảng cách theo yêu cầu (AODV) cung cấp một phương pháp định tuyến trong mạng ad hoc di động. Điều này có nghĩa là các tuyến đường chỉ được thành lập khi cần thiết để giảm tổng lưu lượng. AODV hỗ trợ unicast, broadcast, và multicast mà không cần bất kỳ giao thức nào khác. Việc mất liên kết có thể được sửa chữa cục bộ rất hiệu quả.

5.5.2. Tìm đường

Khi một nguồn có dữ liệu để truyền tải đến một điểm đến chưa xác định, nó phát một yêu cầu định tuyến (RREQ) cho điểm đến đó. Tại mỗi nút trung gian, khi một RREQ được nhận, một đường đến nguồn được tạo ra. Nếu một nút nhận, mà không nhận được RREQ này từ trước, không phải là đích đến, và không có một định tuyến hiện tại đến đích, nó sẽ phát quảng bá lại các RREQ. Nếu nút nhận là điểm đến hoặc có một định tuyến hiện tại đến đích, nó sẽ tạo ra một định tuyến trả lời (RREP). Các RREP là unicast theo cách chặng-by-chặng đến nguồn. Khi truyền RREP, mỗi nút trung gian tạo ra một tuyến đường đến đích. Khi nguồn nhận được RREP, nó ghi lại các định tuyến đến đích và có thể bắt đầu gửi dữ liệu. Nếu nguồn nhận được nhiều RREPs, các định tuyến với số chặng ngắn nhất sẽ được chọn.

Khi dữ liệu được truyền từ nguồn đến đích, mỗi nút dọc theo tuyến đường cập nhật định thời liên kết với các tuyến đường đến nguồn và đích, duy trì các tuyến đường trong bảng định tuyến. Nếu một tuyến đường không được sử dụng trong một khoảng thời gian, các nút loại bỏ tuyến đường này khỏi bảng định tuyến của nó.

143

Chương 5: Quản Lý Năng Lượng Trong Mạng Ad hoc

5.5.3. Bảo trì định tuyến

Bảo trì định tuyến được thực hiện như sau: Nếu dữ liệu đang lưu thông và phát hiện thấy một liên kết bị đứt, một lỗi định tuyến (RERR) được gửi đến nguồn của dữ liệu theo kiểu chặng-by-chặng. Khi RERR truyền tới nguồn, mỗi nút trung gian huỷ các tuyến đường đến các điểm đích không thể truy cập. Khi nguồn của dữ liệu nhận được RERR, nó huỷ định tuyến và khởi tạo lại việc tìm đường nếu cần thiết.

5.6 Định tuyến tính đến năng lượng cục bộ dựa trên AODV

5.5.4. Giới thiệu

Mục đích của Lear-AODV là để cân bằng mức tiêu thụ năng lượng trên toàn mạng. Điều này được thực hiện bằng cách cho phép các nút chọn xem chúng sẽ là một phần của một tuyến đường hay không. Việc lựa chọn được dựa trên năng lượng pin còn lại mà một nút có. Nói cách khác, một nút có thể chọn để giảm tần suất tham gia vào chuyển tiếp dữ liệu và do đó tiết kiệm điện. Giao thức phải kết hợp một cơ chế để tránh tình trạng thiếu các nút chuyển tiếp do hành vi ích kỷ. Để thực hiện tất cả những điều này, các thủ tục tìm đường và bảo trì tuyến của AODV được sửa đổi.

5.5.5. Tìm đường

Trong quá trình tìm đường, khi một nút trung gian nhận được một gói yêu cầu định tuyến, đầu tiên nó kiểm tra năng lượng pin còn lại. Nếu ít hơn một ngưỡng định trước, gói yêu cầu định tuyến bị bỏ và các nút thông báo điều này bằng cách phát một gói ADJUST_Thr. Điều này có nghĩa là các nút sẽ không chuyển tiếp các gói dữ liệu trên danh nghĩa của nút nguồn gửi yêu cầu định tuyến. Nếu không, nếu nút trung gian có đủ năng lượng pin, nó truyền lại các gói tin. Cuối cùng, việc này đảm bảo rằng các nút đích sẽ nhận được một yêu cầu định tuyến dọc theo một con đường của các nút có đủ năng lượng pin.

5.5.6. Bảo trì định tuyến

Thủ tục bảo trì định tuyến trong AODV được kích hoạt bởi sự thiếu thông tin về bước dọc theo tuyến đường từ nguồn đến đích. Một nút trung gian khi xác nhận mất bước báo trở lại nguồn và, kết quả là quá trình tìm đường mới được bắt đầu. Trong trường hợp của Lear- AODV, một thủ tục bảo trì định tuyến có thể được khởi tạo bởi một nút với năng lượng pin gần cạn. Các nút của mạng liên tục kiểm tra năng lượng pin còn lại của mình. Nếu trở nên thấp hơn giá trị ngưỡng khi đang là thành phần của một phiên truyền truyền dữ liệu, nút phát ra một gói bảo trì định tuyến tới nút nguồn chỉ ra rằng nó sẽ không còn là một phần của tuyến đường tương ứng.

Lear-AODV cung cấp một cơ chế điều chỉnh thời gian thực của các giá trị ngưỡng năng lượng của pin. Điều này là để tránh những tình huống mà trong đó gói tin yêu cầu định tuyến không đến được nút đích do năng lượng pin của các nút trung gian thấp. Trong trường

144

Chương 5: Quản Lý Năng Lượng Trong Mạng Ad hoc

hợp này, sau khi một yêu cầu định không thành công, nút nguồn phát yêu cầu tuyến đường tiếp theo của nó với một chỉ dẫn rằng các nút trung gian phải giảm giá trị ngưỡng pin.

5.6. Định tuyến tính đến công suất dựa trên AODV (PAR-AODV)

5.6.1. Giới thiệu

PAR-AODV gán chi phí cho mỗi bước nằm trên một tuyến đường nguồn-đích, dựa trên năng lượng pin còn lại của mỗi nút. Sử dụng những chi phí này, tất cả các tuyến đường có thể sử dụng được đánh giá. Giao thức sẽ sử dụng các tuyến đường mà tối thiểu hoá hàm sau:

( 5.2)

trong đó

(5.3)

và

: là công suất phát của nút i

: là dung lượng pin lúc sạc đầy của nút i

: là dung lượng pin còn lại của nút i tại thời điểm t

: là một trọng số dương

5.6.2. Tìm đường

Trong quá trình tìm đường, trước khi truyền một gói tin yêu cầu định tuyến, mỗi nút trung gian tính toán chi phí liên kết của nó bằng cách sử dụng phương trình (5.2) và thêm nó vào tiêu đề của gói tin. Vì vậy, khi nút đích nhận được gói tin yêu cầu, nó gửi một trả lời định tuyến về nguồn có chứa các chi phí tổng thể của tuyến đường. Các nút nguồn chọn các tuyến đường mang lại chi phí thấp nhất.

Gói tin bổ sung tính toán chi phí có thể được gửi bởi các nút trung gian trong trường hợp chúng nhận được gói tin yêu cầu định tuyến với một chi phí thấp hơn so với liên kết hiện

145

Chương 5: Quản Lý Năng Lượng Trong Mạng Ad hoc

đang sử dụng. Các gói tính chí phí được gửi đến nút đích, sau đó thông báo cho nút nguồn của tuyến đường chi phí mới, hiệu quả hơn, sử dụng một trả lời định tuyến.

5.6.3. Bảo trì định tuyến

Bảo trì định tuyến trong PAR-AODV cũng giống với trong LEAR-AODV. Khi một

nút bất kì có mức pin nhỏ hơn ngưỡng, yêu cầu định tuyến qua nó bị bỏ (drop).

5.7. Định tuyến dự báo thời gian tồn tại dựa trên AODV (LPR-AODV)

5.7.1. Giới thiệu

Giao thức định tuyến tính đến công suất được đề xuất cuối cùng là LPR-AODV. Nó định tuyến lưu lượng qua các đường dẫn với thời gian tồn tại được dự báo trước. Như trong trường hợp của PAR-AODV, giao thức chỉ định chi phí cho mỗi liên kết. Chi phí sử dụng LPR-AODV có liên quan đến tuổi thọ pin của một nút. Các tuyến đường được chọn phải tối đa hóa hàm sau:

(5.4)

Trong đó Tπ(t) là thời gian tồn tại của đường π và Ti(t) là thời gian tồn tại được dự báo cho nút i trong con đường π. Dự báo tuổi thọ pin của một nút được dựa trên các hoạt động trong quá khứ. Một biểu thị tốt về lưu lượng qua nút nhận được bằng cách giữ một bản ghi của các hoạt động định tuyến dữ liệu trong thời gian lân cận. Mỗi lần nút gửi một gói dữ liệu, nó ghi lại lượng pin còn lại Ei(t) tại thời điểm t. Các nút cũng ghi lại năng lượng còn lại của nó Ei(t) tại thời điểm i khi có đúng N gói được gửi/chuyển tiếp.

5.7.2. Tìm đường

Cũng giống như LEAR-AODV, mỗi nút trung gian tính toán chi phí của nó theo dạng

dự báo thời gian tồn tại Ti sử dụng công thức sau:

(5.5)

trong đó:

( 5.6)

Trong công thức này, Ei(t) được định nghĩa là năng lượng còn lại của nút i tại thời điểm t.

Các ước lượng chi phí nút được chèn vào bởi các nút trung gian trong tiêu đề của gói tin yêu cầu định tuyến. Khi nhận được yêu cầu định tuyến, nút đích đưa ra bản tin trả lời định

146

Chương 5: Quản Lý Năng Lượng Trong Mạng Ad hoc

tuyến có chứa chi phí tổng thể của tuyến đường. Nếu một nút trung gian nhận được một gói yêu cầu định tuyến với chi phí thấp hơn, nút đích được thông báo bởi một gói được tính toán thời gian tồn tại. Sau đó, nút đích thông báo cho nút nguồn về tuyến đường mới với gói tin trả lời định tuyến.

5.7.3. Bảo trì định tuyến

Như trong các thuật toán trước, bảo trì định tuyến là cần thiết khi một nút trở nên nằm ngoài phạm vi kết nối trực tiếp của nút gửi hoặc khi có sự thay đổi trong thời gian tồn tại được dự báo của nó. Trong trường hợp đầu tiên (nút di động), cơ chế thực hiện giống như trong AODV. Trong trường hợp thứ hai, các nút gửi một RERR trở lại nguồn ngay cả khi tuổi thọ dự báo xuống dưới một mức ngưỡng δ(Ti t) = δ). Thông báo lỗi định tuyến này buộc nguồn phải khởi tạo lại quá trình tìm đường. Quyết định này chỉ phụ thuộc vào dung lượng pin còn lại của nút hiện tại và tốc độ xả của nó. Do đó, nó là một quyết định cục bộ. Tuy nhiên, vấn đề tương tự như trong LEAR-AODV có thể xảy ra. Nếu điều kiện Ti(t) = δ thoả mãn cho tất cả các nút, nguồn sẽ không nhận được một tin nhắn trả lời nào cả mặc dù tồn tại một đường giữa nguồn và đích. Để tránh điều này, chúng ta sử dụng các cơ chế tương tự được sử dụng trong LEAR-AODV được mô tả ở trên.

Ba thuật toán được mô phỏng và so sánh với các giao thức AODV chưa sửa đổi theo

hai kịch bản khác nhau: cố định và di động.

Sự cải thiện thời gian tồn tại mạng được nghiên cứu theo các khía cạnh

 Thời gian duy trì trước khi K nút ngừng hoạt động

 Thời gian duy trì trước khi nút đầu tiên ngừng hoạt động

 Thời gian duy trì trước khi tất cả các nút ngừng hoạt động

Trong trường hợp tĩnh, hiệu suất tốt nhất quan sát được trong trường hợp của LPR- AODV, khi mà các nút đầu tiên phải tắt do cạn kiệt năng lượng trong định tuyến AODV xuất hiện 3244 giây trước khi một nút trục trặc theo cơ chế LPR-AODV. Giao thức này hiệu quả hơn so với các giao thức khác bởi ngoài dung lượng pin còn lại, nó còn tính đến tốc độ xả pin.

Trong trường hợp di động, giao thức LPR-AODV một lần nữa cung cấp hiệu suất tốt nhất khi xét đến độ tăng thời gian tồn tại của mạng. Cả ba thuật toán thể hiện tốt hơn AODV chưa sửa đổi trong tất cả các trường di động với tuổi thọ mạng được mở rộng trung bình 1033 giây với tốc độ của nút là 4 m/s. Như trong trường hợp của EADSR, với tính di động gia tăng, hiệu suất tiêu thụ năng lượng của các phiên bản sửa đổi của AODV hội tụ với các giao thức ban đầu.

5.8. Tổng kết chương 5

Chương này đã tập trung vào việc quản lý năng lượng trong mạng ad hoc. Các nút cảm biến không dây di động trong khu vực cần phải tiết kiệm năng lượng và sử dụng nó một cách

147

Chương 5: Quản Lý Năng Lượng Trong Mạng Ad hoc

tối ưu để hoàn thành vai trò được giao trong mạng ad hoc trong một thời gian dài. Nội dung của chương cũng phân tích các công nghệ pin sử dụng trong các thiết bị di động và ảnh hưởng của các đặc tính tới dung lượng cũng như tuổi thọ của pin. Dựa trên những phân tích này, các cơ chế, giao thức quản lý công suất truy cập với yêu cầu tiết kiệm năng lượng đã được đề xuất để đảm bảo duy trì kết nối giữa các nút mạng lâu nhất có thể trong điều kiện năng lượng hạn chế.

5.9. Câu hỏi ôn tập chương 5

5.1 Tại sao quản lý năng lượng là một vấn đề quan trọng trong mạng ad hoc?

5.2 Giải thích các chương trình quản lý năng lượng được phân loại trong mạng ad hoc

như thế nào.

5.3 Giải thích các chương trình quản lý pin khác nhau cho mạng ad hoc.

5.4 Giải thích ngắn gọn tổng quan về công nghệ pin sử dụng cho mạng ad hoc.

5.5 Mô tả các nguyên tắc của xả pin.

5.6 Mô tả ảnh hưởng của đặc điểm xả đến dung lượng của pin.

5.7 Mô tả cách thực hiện một hệ thống pin thông minh với một ví dụ.

5.8 Trình bày tổng quan hệ thống thiết kế theo định hướng pin.

5.9 Mô tả các tính năng và tiêu chuẩn thiết kế của giao thức EE-MAC.

5.10 Mô tả phân tích các giao thức định tuyến PCCB.

5.11 Mô tả ngắn gọn về các chức năng đồng bộ hóa thời gian.

5.12 Giải thích các chức năng tiết kiệm năng lượng được sử dụng trong cơ chế tiết kiệm

năng lượng.

5.13 Mô tả điều khiển liên kết logic cho công suất truyền.

5.14 Trình bày tổng quan về các giao thức AODV.

5.15 Mô tả định tuyến tính đến năng lượng cục bộc dựa trên AODV.

5.16 Mô tả định tuyến tính đến công suất dựa trên AODV.

5.17 Mô tả định tuyến dự báo thời gian tồn tại dựa trên AODV.

[6] Lahiri, K., A. Raghunathan, S. Dey, and D. Panigrahi. 2002. Batterydriven system design: A new frontier in low power design. ASP-DAC ’02: Proceedings of the 2002 Asia and South Pacific Design Automation Conference, p. 261.

5.10. Tài liệu tham khảo chương 5

148

[7] Prabhu, B. J., A. Chockalingam, and V. Sharma. 2002. Performance analysis of battery power management schemes in wireless mobile devices. IEEE Wireless Communications and Networking Conference2:825–831.

[8] Nie, J., and Z. Zhou. 2004. An energy based power-aware routing protocol in ad hoc networks. IEEE International Symposium on Communications and Information Technology1:280–285.

[9] Senouci, S. M., and G. Pujolle. 2004. Energy efficient routing in wireless ad hoc

Chương 5: Quản Lý Năng Lượng Trong Mạng Ad hoc

[10]

networks. IEEE International Conference on Communications 7:4057–4061.

[11]

Langendoen, K., and G. Halkes. Energy-efficient medium access control, Delft University of Technology, Faculty of Electrical Engineering, Mathematics and Computer Science, Delft, the Netherlands, The Embedded Systems Handbook.

[12]

Jayashree, S., and C. Siva Ram Murthy. 2007. A taxonomy of energy management protocols for ad hoc wireless networks. IEEE Communications Magazine45:104–110.

Benchmarq Microelectronics Inc., Duracell Inc., Energizer Power Systems, Intel Corporation, Linear Technology Corporation, Maxim Integrated Products, Mitsubishi Electric Corporation, National Semiconductor Corporation, Toshiba Battery Co., Varta Batterie, AG. Smart battery system manager specification. 1988.

[13]

Senouci, S. M., and G. Pujolle. 2004. Energy efficient routing in wireless ad

[14]

hoc networks. IEEE International Conference on Communications 7:4057–4061.

Chen, M., and Gabriel A. Rincon-Mora. 2006. Accurate electrical battery model capable of predicting runtime and I–V performance. IEEE Transactions on Energy Conversion21 (2): 504–511.

149

Chương 6: Các Vấn Đề QoS trong Mạng Ad hoc

CHƯƠNG 6: CÁC VẤN ĐỀ QOS TRONG MẠNG AD HOC

Lê Tùng Hoa, Nguyễn Việt Hùng

6.1. Mở đầu

Để hỗ trợ các ứng dụng đa phương tiện, một mạng ad hoc có cung cấp chất lượng dịch vụ (QoS) là điều mong muốn. Tuy nhiên, việc cung cấp QoS trong một mạng ad hoc di động là một nhiệm vụ đầy thử thách. Chất lượng dịch vụ có nghĩa là mạng sẽ cung cấp một số loại bảo lãnh hoặc bảo đảm về mức độ, cấp dịch vụ cung cấp cho một ứng dụng. Định nghĩa cho QoS và các tham số QoS có thể được coi là khác nhau cho các ứng dụng khác nhau, mà hoàn toàn phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của một ứng dụng. Ví dụ, một ứng dụng mà nhạy cảm về trễ có thể yêu cầu QoS trong thời hạn bảo hành chậm trễ. Một số ứng dụng có thể yêu cầu các gói nên truyền tại một số băng thông tối thiểu. Trong trường hợp đó, băng thông sẽ là một tham số QoS. Các ứng dụng khác có thể yêu cầu một sự đảm bảo rằng các gói tin được cung cấp từ một nguồn cung cấp cho một điểm đến đáng tin cậy; sau đó, độ tin cậy sẽ là một tham số cho QoS.

6.2. Thách thức khi triển khai QoS cho mạng ad hoc không dây

Các đặc tính của một mạng ad hoc đặt ra một số thách thức trong việc cung cấp QoS.

Một số các thách thức như sau:

 Tự động thay đổi cấu trúc mạng: Vì các nút trong một mạng ad hoc quảng bá vô tuyến không có bất kỳ hạn chế nào về việc di động của các nút mạng. Vì thế phiên QoS có thể bị ảnh hưởng xấu do đường truyền bị phá vỡ, do đó cần phải có nhiều phiên như vậy được tái lập trên con đường mới. Sự chậm trễ phát sinh trong tái thiết lập một phiên QoS có thể gây ra việc một số gói tin không đạt được trễ/giới hạn mong muốn của chúng, đó là điều không thể chấp nhận được cho các ứng dụng có yêu cầu nghiêm ngặt QoS.

 Thông tin trạng thái không chính xác: Trong hầu hết các trường hợp, các nút trong một mạng không dây ad hoc duy trì cả thông tin trạng thái liên kết cụ thể và thông tin trạng thái truyền cụ thể. Các thông tin trạng thái liên kết cụ thể bao gồm băng thông, độ trễ, chậm trễ jitter, tỷ lệ tổn thất, tỷ lệ lỗi, ổn định, chi phí, và các giá trị khoảng cách cho mỗi liên kết. Các thông tin lưu lượng cụ thể bao gồm xác định phiên, địa chỉ nguồn, địa chỉ đích, và các yêu cầu QoS của đường truyền (như yêu cầu băng thông tối đa, yêu cầu băng thông tối thiểu, sự chậm trễ tối đa, và jitter chậm trễ tối đa). Các thông tin trạng thái vốn không chính xác do sự thay đổi năng động trong cấu trúc liên kết mạng lưới và đặc tính kênh. Do đó, quyết định định tuyến có thể không chính xác, dẫn đến một số các gói dữ liệu thời gian thực lỡ thời hạn của chúng.

150

Chương 6: Các Vấn Đề QoS trong Mạng Ad hoc

 Thiếu sự phối hợp trung tâm: Không giống như các mạng LAN không dây và các mạng tế bào, các mạng di động ad hoc (MANETs) không có bộ điều khiển trung tâm để điều phối hoạt động của các nút. Điều này làm phức tạp thêm việc cung cấp QoS trong MANETs.

 Dễ bị lỗi kênh vô tuyến chia sẻ: Các kênh vô tuyến bản chất là một môi trường quảng bá. Trong quá trình truyền thông qua các phương tiện không dây, sóng radio bị một số khiếm khuyết, chẳng hạn như sự suy giảm, truyền đa đường, và can nhiễu (từ các thiết bị không dây khác đang hoạt động trong vùng phụ cận).

 Vấn đề thiết bị đầu cuối ẩn: Vấn đề thiết bị đầu có là vốn có trong MANETs. Vấn đề này xảy ra khi các gói dữ liệu có nguồn gốc từ hai hoặc nhiều nút gửi mà không nằm trong phạm vi truyền dẫn trực tiếp của nhau, gặp nhau tại cùng một nút nhận. Điều này đòi hỏi phải truyền lại các gói dữ liệu, mà có thể không thể chấp nhận được đối với các đường truyền có yêu cầu nghiêm ngặt QoS. Cơ chế trao đổi gói điều khiển RTS/CTS được thông qua trong các tiêu chuẩn IEEE 802.11 làm giảm các vấn đề thiết bị đầu cuối ẩn chỉ đến một mức độ nhất định.

 Hạn chế nguồn tại nguyên hiện có: Vì MANETs có tài nguyên hạn chế như băng thông, thời lượng pin (battery life), không gian lưu trữ, và khả năng xử lý, chúng phải được sử dụng một cách rất hiệu quả. Trong số này, băng thông và thời lượng pin được coi là nguồn lực rất quan trọng, sự sẵn có của chúng ảnh hưởng đáng kể hiệu suất của cơ chế trích lập dự phòng QoS. Do đó, cơ chế quản lý tài nguyên hiệu quả là cần thiết để sử dụng tối ưu các nguồn tài nguyên khan hiếm.

 Môi trường kém bảo mật: Bảo mật trong một kênh vô tuyến được xem là rất là kém, do tính chất phát sóng của môi trường không dây. Do đó, bảo mật là một vấn đề quan trọng trong MANETs, đặc biệt là cho các ứng dụng quân sự và chiến thuật. MANETs dễ bị tấn công như nghe trộm, giả mạo, từ chối dịch vụ, biến dạng tin nhắn, và mạo danh. Nếu không có cơ chế bảo mật phức tạp, nó là rất khó khăn để đảm bảo cung cấp thông tin liên lạc an toàn

Các lựa chọn thiết kế để cung cấp hỗ trợ QoS được mô tả dưới đây.

6.3.1 Dự phòng tài nguyên trạng thái mềm và trạng thái cứng

Trong bất kỳ khuôn khổ QoS, dự phòng tài nguyên QoS là một thành phần rất quan trọng. (Một khung QoS có thể được coi như là một hệ thống hoàn chỉnh cung cấp dịch vụ yêu cầu / hứa cho mỗi người dùng hoặc ứng dụng). Nó có trách nhiệm đặt các nguồn lực tại tất cả các nút trung gian dọc theo đường đi từ nguồn đến đích theo yêu cầu của phiên QoS. Cơ chế dự phòng tài nguyên QoS có thể được chia thành hai loại: trạng thái mềm và trạng thái cứng

151

Chương 6: Các Vấn Đề QoS trong Mạng Ad hoc

Trong các chương trình dự phòng tài nguyên trạng thái cứng, tài nguyên được dành riêng tại tất cả các nút trung gian dọc theo đường đi từ nguồn đến đích trong suốt thời gian của phiên QoS. Nếu một con đường như vậy bị phá vỡ do tác động mạng lưới, các nguồn lực dự trữ phải được giải phóng một cách rõ ràng bằng một cơ chế phân bổ lại. Cơ chế này không chỉ giới thiệu thêm chi phí kiểm soát, nhưng cũng có thể thất bại để giải phóng các nguồn lực hoàn toàn trong trường hợp một nút trước đó thuộc phiên giao dịch trở nên không thể truy cập. Do những vấn đề cơ chế dự phòng tài nguyên soft-state mà việc duy trì lưu trữ chỉ trong khoảng thời gian nhỏ, được sử dụng. Việc lưu trữ này sẽ được làm mới nếu gói tin thuộc cùng một tuyến được nhận, trước khi hết thời gian

Các khoảng thời gian lưu trữ soft-state có thể cân bằng thời gian đến của gói tin hoặc là đa thời gian đến của gói tin. Nếu không có bất cứ gói dữ liệu nào được nhận trong khoảng thời gian quy định, các nguồn tài nguyên được giải phóng bằng cách phân loại mà không phát sinh thêm bất kỳ tổn hao nào. Vì vậy, không có việc chấm dứt rõ ràng nào được yêu cầu cho một đường truyền. Cơ chế hard-state dự trữ tài nguyên; do vậy, tại thời điểm dữ liệu tải mạng cao, tỷ lệ cuộc gọi bị chặn là cao, trong khi cơ chế soft-state cung cấp khả năng chấp nhận cuộc gọi cao

6.3.2 Phương pháp tiếp cận stateful và stateless

Trong cách tiếp cận stateful, mỗi nút duy trì thông tin trạng thái tổng quát hoặc chỉ có thông tin trạng cục bộ; trong trường hợp các phương pháp tiếp cận stateless, không có thông tin như vậy được duy trì tại các nút. Thông tin trạng thái bao gồm cả các thông tin về topo và các thông tin lưu lượng cụ thể. Các nút nguồn có thể sử dụng một thuật toán định tuyến tập trung để định tuyến các gói đến đích nếu chúng có các thông tin trạng thái tổng quát. Hiệu suất của các giao thức định tuyến phụ thuộc vào độ chính xác của thông tin trạng thái tổng quát duy trì tại các nút. Chi phí kiểm soát đáng kể phát sinh trong việc thu thập và duy trì thông tin trạng thái tổng quát

Mặt khác, nếu các nút di động chỉ duy trì thông tin trạng thái cục bộ các thuật toán định tuyến phân phối có thể được sử dụng. Mặc dù chi phí phát sinh trong việc duy trì thông tin trạng thái cục bộ là thấp, nhưng cũng cần phải quan tâm đến vấn đề các tuyến đường bị lặp vòng. Trong trường hợp stateless thì không cần phải duy tri thông tin về lưu lượng cũng như về trạng thái liện kết tại các nút mạng. Mặc dù cách tiếp cận stateless giải quyết được bài toán hiệu năng và giảm nhẹ cho việc lưu trữ và tính toán trên các nút tuy nhiên việc cung cấp QoS lại trở nên vô cùng khó khăn

6.3.3 Cách tiếp cận QoS cứng và QoS mềm

Phương pháp tiếp cận QoS có thể được chia thành hai loại: QoS cứng và QoS mềm. Nếu các yêu cầu QoS của một kết nối được đảm bảo để được đáp ứng cho toàn bộ thời gian của phiên thì phương pháp tiếp cận QoS là QoS cứng. Nếu các yêu cầu QoS không đảm bảo cho toàn bộ phiên thì cách tiếp cận QoS là QoS mềm.

152

Chương 6: Các Vấn Đề QoS trong Mạng Ad hoc

Trong việc kiểm soát thay đổi mạng MANETs, rất khó khăn để cung cấp việc đảm bảo QoS cứng tới ứng dụng người dùng. Vì vậy, việc đảm bảo QoS chỉ có thể được đưa ra trong vòng giới hạn thống kê. Hầu như tất cả các phương pháp tiếp cận QoS có sẵn trong các tài liệu thường là QoS mềm

6.3. Phân loại giải pháp QoS

Dựa trên sự tương tác giữa các giao thức định tuyến và giao thức MAC (điều khiển truy cập phương tiện truyền thông), phương pháp tiếp cận QoS có thể được phân thành hai loại: phương pháp tiếp cận QoS độc lập và phụ thuộc. Trong cách tiếp cận QoS độc lập, lớp mạng không phụ thuộc vào các lớp MAC. Cách tiếp cận QoS phụ thuộc yêu cầu các lớp MAC hỗ trợ các giao thức định tuyến. Cuối cùng, dựa trên thông tin định tuyến, cơ chế cập nhật được sử dụng.

6.3.1. Giải pháp lớp MAC

Các giao thức MAC xác định nút nên chuyển tiếp theo trên kênh quảng bá khi một số nút đang cạnh tranh để truyền trên kênh đó. Một số giao thức MAC cung cấp QoS hỗ trợ cho các ứng dụng trong MANETs được mô tả dưới đây.

6.3.1.1. Cụm TDMA

Gerla và Tsai đề xuất cụm TDMA [1] để hỗ trợ lưu lượng thời gian thực mạng không dây ad hoc (AWNs). Trong băng thông hạn chế MANETs, các nguồn tài nguyên bị hạn chế cần phải được quản lý một cách hiệu quả. Để đạt được mục tiêu này, một chương trình phân nhóm động được sử dụng trong cụm TDMA (đa truy nhập phân chia theo thời gian). Các nút có sẵn trong mạng được chia thành các nhóm khác nhau. Mỗi nhóm có một trưởng nhóm (do các thành viên của nhóm đó được bầu), trưởng nhóm không chỉ hoạt động như một nút phát sóng khu vực mà còn như một người điều phối khu vực để tăng cường thông lượng kênh. Mỗi nút trong cụm cách nút đứng đầu cụm một bước nhảy( one chặng away). Hình thành các cụm và các lựa chọn của người đứng đầu cụm được thực hiện một cách phân tán. Các thuật toán Clustering chia các nút vào các cụm như vậy mà chúng sẽ được kết nối với nhau (bao gồm tất cả các nút). Ba thuật toán được sử dụng là thuật toán ID thấp nhất, thuật toán mức độ cao nhất, và thuật toán thay đổi cụm ít nhất (LCC).

Trong thuật toán ID thấp nhất, một nút sẽ trở thành một trưởng cụm nếu nó có ID thấp nhất trong số tất cả các nút láng giềng. Trong thuật toán mức độ cao nhất, một nút với một mức độ lớn hơn tất cả các nút láng giềng trở thành người đứng đầu cụm. Trong thuật toán LCC, sự thay đổi đầu cụm chỉ xảy ra nếu một sự thay đổi trong mạng có thể khiến hai trưởng cụm chở thành một cụm hoặc một trong các nút di chuyển ra khỏi phạm vi của tất cả các trưởng cụm. Trong mỗi cụm, người đứng đầu nhóm tương ứng duy trì một ma trận lũy thừa 2. Nó chứa các danh sách lũy thừa của tất cả các nút thuộc một nhóm cụ thể. Nó rất hữu ích cho việc kiểm soát truyền tải và phân chia mã trong một cụm.

153

Chương 6: Các Vấn Đề QoS trong Mạng Ad hoc

Cơ chế TDMA được sử dụng trong một cụm để kiểm soát truy cập vào kênh. Hơn nữa, nó có thể cho nhiều phiên để chia sẻ một khe TDMA thông qua CDMA (Code Division Multiple Access). Trên các cụm, không chỉ tái sử dụng không gian của khe thời gian mà còn mã trải phổ khác nhau có thể được sử dụng để giảm bớt ảnh hưởng của sự can thiệp đa cụm. Một khung phân chia thời gian đồng bộ được xác định để hỗ trợ truy cập TDMA trong một cụm và trao đổi thông tin điều khiển.

Mỗi khung đồng bộ phân chia thời gian được chia thành khe. Các khe và khung được đồng bộ hóa trên toàn mạng. Một khung được chia thành một đoạn điều khiển và một đoạn dữ liệu

Đoạn dữ liệu hỗ trợ cả thời gian thực và lưu lượng tối đa. Dựa trên các yêu cầu băng thông của phiên thời gian thực, một mạch ảo (VC) được thiết lập bằng cách phân bổ đủ số lượng khe trong đoạn dữ liệu. Các khe dữ liệu còn lại (tức là, khe còn chống) có thể được sử dụng bởi lưu lượng tối đa sử dụng sơ đồ khe - cơ chế ALOHA. Đối với mỗi nút, một khe được xác định trước được giao trong giai đoạn kiểm soát để phát thông tin điều khiển của nó. Các thông tin điều khiển được truyền qua một mã chung trên toàn mạng.

Vào cuối giai đoạn điều khiển, mỗi nút sẽ học, từ những thông tin phát từ người đứng đầu cụm, tình trạng lưu trữ khe của giai đoạn dữ liệu và danh sách của tất cả các nước láng giềng. Thông tin này giúp một nút sắp xếp chỗ còn trống, xác định các khe bị hỏng, và loại bỏ các gói dữ liệu thời gian thực đã hết hạn. Phương pháp dự phòng nhanh chóng được sử dụng trong đó dự phòng được thực hiện khi các gói dữ liệu đầu tiên được truyền đi, và các khe tương tự trong khung tiếp theo có thể được sử dụng cho cùng một kết nối. Nếu các khe cắm dành riêng vẫn còn nhàn rỗi trong một khoảng thời gian chờ nhất định thì chúng sẽ được giải phóng

6.3.2. Giải pháp lớp mạng

Việc dự phòng băng thông và lưu lượng thời gian thực hỗ trợ khả năng truy cập của giao thức MAC có thể đảm bảo việc lưu trữ duy nhất tại mức độ liên kết; do đó, sự hỗ trợ lớp mạng để đảm bảo giao tiếp end-to-end, lưu trữ, và cấu hình lại là rất cần thiết.

Để hỗ trợ định tuyến QoS, các thông tin về topo có thể được duy trì tại các nút của AWNs. Các thông tin về topo cần phải được làm mới thường xuyên bằng cách gửi các gói tin cập nhật trạng thái kết nối, các gói tin này gây tốn tài nguyên mạng như băng thông và năng lượng pin. Mặt khác, các cấu trúc liên kết mạng lưới tự động khác nhau có thể gây ra các thông tin cấu trúc liên kết không chính xác. Trade-off ảnh hưởng đến hiệu suất của các giao thức định tuyến QoS. Như đường bị hỏng xảy ra thường xuyên trong AWNs so với mạng có dây (một liên kết hiếm khi bị hỏng), con đường đáp ứng yêu cầu QoS cần phải được tính toán lại mỗi khi con đường hiện tại bị hỏng. Các giao thức định tuyến QoS cần đáp ứng nhanh chóng trong trường hợp phá vỡ đường dẫn và tính toán lại các con đường bị hỏng hoặc bỏ qua các liên kết bị hỏng mà không làm giảm mức độ QoS.

154

Chương 6: Các Vấn Đề QoS trong Mạng Ad hoc

6.4. QoS- Giao thức định tuyến vecto khoảng cách Ad Hoc On-demand

Perkins, Royer, và Das [2] đã mở rộng thêm các cơ sở giao thức định tuyến vector khoảng cách ad học on-demand (AODV) để hỗ trợ cung cấp QoS trong AWNs. Để cung cấp QoS, định dạng gói tin đã được sửa đổi để xác định các yêu cầu dịch vụ phải được đáp ứng bằng các nút chuyển tiếp một yêu cầu tuyến đường (RREQ) hoặc một con đường trả lời (RREP).

6.4.1. Mở rộng QoS cho giao thức AODV

Mỗi bảng định tuyến tương ứng với một nút đích khác nhau. Các trường sau đây được gắn vào mỗi mục định tuyến bảng: chậm trễ tối đa, băng thông tối thiểu có sẵn, danh sách các yêu cầu đảm bảo nguồn chậm trễ, và danh sách các nguồn đảm bảo yêu cầu băng thông.

6.4.1.1. Trường mở rộng trễ tối đa

Các trường mở rộng trễ tối đa đối với bản tin RREQ và RREP là khác nhau. Trong RREQ, nó cho biết thời gian tối đa (tính bằng giây) cho phép truyền từ nút hiện tại đến nút đích. Trong RREP, nó cho thấy ước tính hiện tại của sự chậm trễ tích lũy từ nút trung gian chuyển tiếp RREP đến đích.

Sử dụng trường này, nút nguồn sẽ tìm một con đường (nếu có) đến nút đích sao cho thỏa mãn được yêu cầu về trễ tối đa.Trước khi chuyển tiếp các RREQ, một nút trung gian so sánh thời gian qua nút(nút traversal time) của nó (ví dụ, thời gian cần cho một nút để xử lý một gói tin) với giá trị trễ được chỉ ra trong trường trễ tối đa mở rộng. Nếu sự chậm trễ là ít hơn thời gian qua nút, nút loại bỏ gói RREQ. Nếu không, nút sẽ lấy giá trị trễ trong trường mở rộng trừ đi thời gian qua nút và xử lý theo quy định RREQ trong giao thức AODV.

Nút đích trả về một RREP với trường trễ tối đa được đặt là 0. Mỗi nút trung gian chuyển tiếp RREP sẽ cộng thời gian qua nút của nó vào trường trễ và chuyển tiếp các RREP về phía nguồn. Trước khi chuyển tiếp các gói tin RREP, nút trung gian ghi lại giá trị trễ này trong bảng định tuyến cho các nút đích tương ứng.

6.4.1.2. Trường mở rộng băng thông tối thiểu

Tương tự như vậy, một trường mở rộng băng thông tối thiểu cũng được đưa ra để tìm một con đường (nếu có) đến nút đích thỏa mãn được băng thông tối thiểu. Một bản tin QOSLOST được tạo ra khi một nút trung gian cảm nhận được thời gian qua nút tăng hoặc khẳ năng liên kết giảm. Thông điệp QOSLOST được chuyển tiếp đến tất cả các nguồn có khả năng bị thay đổi tham số QoS.

6.4.2. Ưu và nhược điểm

Ưu điểm của giao thức QoS AODV là sự đơn giản của mở rộng của giao thức AODV có tiềm năng có thể cho phép cung ứng QoS. Nhưng, nếu như không có tài nguyên được dành riêng dọc theo đường đi từ nguồn đến đích, giao thức này không thích hợp cho các ứng

155

Chương 6: Các Vấn Đề QoS trong Mạng Ad hoc

dụng đòi hỏi phải đảm bảo QoS cứng. Hơn nữa, thơi gian qua nút chỉ là thời gian xử lý gói tin; phần chính của sự chậm trễ tại một nút lại xuất phát từ hàng đợi gói tin và sự bất đồng ở lớp MAC. Do đó, một gói có thể bị trễ nhiều hơn khi lưu lượng truy cập mạng cao.

6.5. Mô hình QoS cho mạng không dây Ad Hoc

Một khung cho QoS là một hệ thống hoàn chỉnh. Hệ thống này cố gắng cung cấp các dịch vụ theo yêu cầu hoặc các dịch vụ đã cam kết cho mỗi người dùng hoặc ứng dụng. Tất cả các thành phần trong hệ thống này hợp tác với nhau trong việc cung cấp các dịch vụ cần thiết. Các thành phần quan trọng của bất kỳ khung QoS nào đó là mô hình QoS cái mà định nghĩa ra cách để yêu cầu của người dùng được đáp ứng. Vấn đề thiết kế quan trọng ở đây là phục vụ các người sử dụng dựa trên từng phiên hay là dựa trên từng lớp. Mỗi lớp đại diện cho một tập hợp của người dùng dựa trên các tiêu chí nhất định.

Các thành phần quan trọng khác của cơ cấu này là định tuyến QoS, được sử dụng để tìm tất cả hoặc một số con đường khả thi trong mạng để có thể đáp ứng yêu cầu của người sử dụng; QoS báo hiệu cho tài nguyên dự phòng; QoS kiểm soát truy cập trung bình; điều khiển chấp nhận cuộc gọi; và các chương trình lập kế hoạch gói. Các mô-đun QoS phải phản ứng kịp thời với những thay đổi trong trạng thái mạng (thay đổi topology) và trạng thái đường truyền (thay đổi trong giao diện cuối tới cuối của dịch vụ cung cấp).

Các chức năng của mỗi thành phần và vai trò của nó trong việc cung cấp QoS trong

MANETs được mô tả dưới đây:

 Giao thức định tuyến. Các giao thức định tuyến được sử dụng để tìm một đường đi từ nguồn đến đích và để chuyển tiếp các gói dữ liệu đến nút chuyển tiếp trung gian tiếp theo. Các giao thức định tuyến cần phải làm việc hiệu quả với các thành phần khác của khung QoS để đảm bảo QoS từ đầu cuối đến đầu cuối. Những cơ chế này nên tiêu thụ ít tài nguyên trong hoạt động và phản ứng nhanh chóng với những thay đổi trong trạng thái mạng và trạng thái đường truyền

 Báo hiệu dành trước tài nguyên QoS. Khi một tuyến đường QoS được tìm thấy, các giao thức báo hiệu dành trước tài nguyên sẽ dành trước nguồn lực cần thiết dọc theo tuyến đường đó. Ví dụ, cho các ứng dụng yêu cầu một số đảm bảo băng thông tối thiểu, một tín hiệu giao thức giao tiếp với các hệ thống phụ MAC để tìm và dành băng thông cần thiết. Sau khi hoàn thành / chấm dứt của một phiên làm việc, các nguồn lực đặt trước được giải phóng

 Điều khiển nhận. Mặc dù một con đường khả thi QoS có thể có sẵn tuy nhiên hệ thống cần phải quyết định liệu có phục vụ cho kết nối hay không. Nếu cuộc gọi được phục vụ thì các nguồn lực được bảo vệ bởi các giao thức báo hiệu; nếu không, các ứng dụng được thông báo về việc từ chối. Khi có cuộc gọi mới được chấp nhận, nó không nên gây hại đến việc đảm bảo QoS cho các cuộc gọi

156

Chương 6: Các Vấn Đề QoS trong Mạng Ad hoc

đã được thừa nhận. Một khung QoS được đánh giá dựa trên số lượng các phiên QoS nó phục vụ và nó được đại diện bởi các số liệu ACAR. Kiểm soát nhập học đảm bảo rằng không có suy thoái có thể nhận biết trong QoS được cung cấp cho phiên QoS đã thừa nhận

 Lập lịch gói tin. Khi nhiều kết nối QoS đang hoạt động cùng một lúc thông qua một liên kết, quyết định đường truyền QoS tức là để được phục vụ tiếp theo, được thực hiện bởi các chương trình kế hoạch. Ví dụ, khi nhiều phiên trễ hạn chế đang đi qua một nút, cách này quyết định khi để sắp xếp việc truyền tải gói tin khi gói tin thuộc nhiều hơn một phiên đang chờ trong hàng đợi truyền của nút. Việc thực hiện một chương trình lập kế hoạch được thể hiện bằng tỷ lệ phần trăm của gói tin đáp ứng thời hạn của họ.

6.5.1. Các mô hình QoS

Một mô hình QoS định nghĩa ra đặc tính của sự khác biệt dịch vụ. Trong các khung QoS của mạng không dây, một vài mô hình dịch vụ được đưa ra. 2 trong số các mô hình đó là mô hình các dịch vụ tích hợp (IntServ) [3] và mô hình các dịch vụ phân biệt (DiffServ). Mô hình IntServ cung cấp QoS dựa trên lưu lượng. Lượng các thông tin được duy trì tại một router IntServ-enabled tương ứng với số lượng các luồng lưu lượng. Do dó mô hình IntServ không có khả năng mở rộng cho mạng Internet nhưng nó có thể áp dụng cho các mạng Manet nhỏ. Tuy nhien thông tin của từng luồng dữ liệu rất khó để duy trì tại một nút ở trong mạng không dây ad hoc. Mô hình DiffServ được đưa ra để giải quyết vấn đề về khả năng mở rộng mà mô hình IntServ đang phải đối mặt. Trong mô hình này, các dòng lưu lượng được tập hợp lại thành các số giới hạn của các lớp dịch vụ. Mỗi dòng lưu lượng thuộc về một lớp dịch vụ trong DiffServ.

Cả 2 mô hình dịch vụ này không thể áp dụng trực tiếp trong các mạng MANET vì các đặc tính riêng biệt của nó ví dụ như mô hình mạng thay đôi liên tục, giới hạn về nguồn tài nguyên, và khả năng lỗi trên kênh chia sẻ vô tuyến. Bất kỳ một mô hình dịch vụ nào được đưa ra trước tiên nên được quyết định xem loại dịch vụ nào phù hợp với loại mạng nào. Một mô hình dịch vụ lai ghép (Hybrid service) gọi là FQMM được mô tả ở dưới đây. Mô hình này dựa trên 2 mô hình QoS trên.

6.5.1.1. Mô hình QoS linh hoạt cho mạng ad hoc di động

Các mô hình QoS linh hoạt cho mạng ad hoc di động (FQMM) tận dụng độ chi tiết cho mỗi đường truyền IntServ và tập hợp các dịch vụ vào các lớp trong DiffServ. Một nút nguồn là nguồn gốc của lưu lượng truy cập, chịu trách nhiệm cho việc định hình lưu lượng. Định hình lưu lượng là quá trình của việc trì hoãn các gói thuộc về một đường truyền do đó các gói phù hợp với một số thông tin lưu lượng được định nghĩa là các mô tả sơ lược về lưu lượng. Các mô tả sơ lược lưu lượng có chứa một mô tả của các thuộc tính thời gian của một đường truyền như tỷ lệ trung bình của nó (ví dụ, tốc độ dữ liệu có thể được gửi cho mỗi đơn

157

Chương 6: Các Vấn Đề QoS trong Mạng Ad hoc

vị thời gian trung bình) và tách kích thước (được chỉ định trong mỗi bit tách bao nhiêu lưu lượng truy cập có thể được gửi trong một đơn vị thời gian mà không cần lịch trình).

Hình 6.1: Mô hình FQMM.

Mô hình FQMM cung cấp cho mỗi đường đảm bảo QoS cho các đường truyền ưu tiên cao trong khi đường có ưu tiên thấp hơn được tổng hợp thành một tập các lớp dịch vụ, như minh họa trong hình 6.1. Mô hình QoS hybrid này được giả định rằng tỷ lệ phần trăm của các đường đòi hỏi mỗi đường truyền đảm bảo QoS là ít hơn nhiều so với các đường có ưu tiên thấp, có thể được tổng hợp thành một tập các lớp QoS. Dựa vào lưu lượng tải hiện tại trong mạng, mức độ dịch vụ của một đường truyền có thể thay đổi tự động từ mỗi đường trên mỗi lớp và ngược lại.

Ưu điểm và nhược điểm

Mô hình này giải quyết vấn đề mở rộng bằng cách phân loại lưu lượng ưu tiên thấp vào các lớp dịch vụ và nó cung cấp một đường truyền lý tưởng đảm bảo QoS. Giao thức này giải quyết các vấn đề cơ bản của khung QoS và đề xuất một giải pháp chung cho MANETs tạo cơ sở cho một mô hình QoS tốt hơn. Nhưng các vấn đề như quyết định sau khi phân loại lưu lượng, giao của mỗi đường hoặc dịch vụ tổng hợp cho đường truyền được đưa ra, số lượng lưu lượng thuộc dịch vụ mỗi đường truyền, cơ chế sử dụng bởi các nút trung gian để có

158

Chương 6: Các Vấn Đề QoS trong Mạng Ad hoc

được thông tin liên quan đến đường truyền, và lập kế hoạch hoặc chuyển tiếp lưu lượng bởi các nút trung gian gần như chưa được giải quyết

6.6. Mô hình QoS INSIGNIA

Khung INSIGNIA QoS được phát triển để cung cấp dịch vụ thích ứng trog MANETs. Các dịch vụ này có khả năng hỗ trợ các ứng dụng mà chỉ yêu cầu một sự đảm bảo tối thiểu về số lượng QoS (ví dụ như tối thiểu hóa băng thông), được gọi là QoS cơ sở. Mức độ dịch vụ này có thể được mở rộng sau đó sẽ được nâng cao QoS khi mà các nguồn lực đủ. Ở đây, các phiên người sử dụng sẽ thích ứng với mức độ có sẵn của dịch vụ mà không cần tín hiệu giữa các cặp nguồn-đích.

Khung này có thể được mở rộng quy mô phiên người sử dụng thích nghi dựa trên mạng động (dynamic network) và các chính sách thích ứng với người dùng. Một thành phần quan trọng của khung này là INSIGNIA trong hệ thống báo hiệu trong băng, nó dùng để hỗ trợ bảo lưu nhanh, khôi phục tín hiệu và thích ứng với hệ thống để cung cấp dịch vụ. Tín hiệu hệ thống này rất nhỏ và đáp ứng nhanh chóng với những thay đổi của hệ thống mạng và điều kiện end-to-end của QoS. Khung INSIGNIA được mô tả ở hình 6.2.

159

Hình 6.2: Cấu trúc INSIGNIA.

Chương 6: Các Vấn Đề QoS trong Mạng Ad hoc

Các module định tuyến độc lập với các thành phần khác và bất kỳ giao thức định tuyến hiện tại đang được sử dụng. INSIGNIA được giả định rằng các giao thức định tuyến cung cấp các tuyến đường mới trong trường hợp mô hình bị thay đổi. Module trong in-band signaling được sử dụng để thiết lập, thích ứng, phục hồi và hủy bỏ các dịch vụ thích ứng giữa các cặp nguồn-đích. Nó không phụ thuộc vào bất kỳ lớp giao thức cụ thể nào. Trong hệ thống báo hiệu trong băng, thông tin điều khiển được thực hiện cùng các gói dữ liệu và do đó không có kênh điều khiển rõ ràng được yêu cầu.

Trong khung INSIGNIA, mỗi gói dữ liệu có thể chứa một trường QoS tùy chọn (INSIGNIA tùy chọn) để mang những thông tin điều khiển. Các thông tin tín hiệu được mã hóa vào trường QoS tùy chọn. Trong hệ thống báo hiệu trong băng, có thể hoạt động với tốc độ gần bằng với tốc độ truyền dữ liệu và do đó nó sẽ phù hợp hơn với môi trường mạng di động cao hơn. Các module điều khiển sử dụng các cách tiếp cận soft-state để phân bổ băng thông dựa trên tối đa hoặc tối thiều hóa băng thông được yêu cầu.

Các module truyền gói tin phân loại các gói dữ liệu đi vào và mang chúng đến các module thích hợp. Nếu gói dữ liệu có một lựa chọn của INSIGNIA, nó sẽ gửi đến các module tín hiệu INSIGNIA. Gói tin sẽ được chuyển đến các nút khác được sử lý bằng các module sắp xếp gói tin. Các gói dữ liệu sẽ được truyền qua một nút được sắp xếp bằng bộ sắp xếp dựa trên các chính sách chuyển tiếp. INSIGNIA sử dụng một luật dịch vụ trọng số round-robin. Khung INSIGNIA dễ áp dụng cho mọi giao thức MAC cơ bản và sử dụng một cơ chế quản lý tài nguyên soft-state để tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên. Khi một nút mạng trung gian nhận được một gói dữ liệu bằng cờ RES (reservation) cho một chuỗi QoS và không bảo lưu nào được hoàn thành cho đến nay; các module nạp điều khiển sẽ phân bố lại các nguồn tài nguyên dựa trên tính khả dụng. Nếu việc bảo lưu được thực hiện thì nó sẽ được xác nhận lại. Nếu không có gói dữ liệu nào được nhận trong khoảng thời gian xác định, thì các tài nguyên sẽ được phân bố lại mà không bị ảnh hưởng bởi bất kỳ tổn hao nào trong việc điều khiển. Trong việc thiết lập giá trị khoảng thời gian, thì chúng ta cần quan tâm đến việc khôi phục sai (xảy ra khi khoảng thời gian nhỏ hơn so với khoảng thời gian của các gói dữ liệu đến)

6.6.1. Hoạt động của mô hình INSIGNIA

Khung INSIGNIA cung cấp các ứng dụng thích ứng. Những ứng dụng này có thể cần đến một dịch vụ best-effort hoặc là những yêu cầu về QoS nền tảng hoặc là những yêu cầu QoS nâng cao. Vì thế sự thích ứng của giao thức để tự động phản ứng của các AWN cũng như mức dịch vụ của một ứng dụng có thể bị giảm thấp nếu không có đủ nguồn tài nguyên.

Trường option của INSIGNIA gồm những thông tin sau đây: kiểu dịch vụ, loại tải tin, chỉ thị băng thông và băng thông yêu cầu. Những thông tin này cho thấy phản ứng tự động của dòng lưu lượng và những yêu cầu của ứng dụng. Những điểm trung gian tạo quyết định đối với trạng thái của dòng lưu lượng dựa trên trường option của INSIGNIA. Kiểu dịch vụ có

160

Chương 6: Các Vấn Đề QoS trong Mạng Ad hoc

Bảng 6.1: Chất lượng dịch vụ.

thể là best-effor (BE) hoặc yêu cầu dịch vụ bảo tồn nguồn tài nguyên (RES). Loại tải tin cho biết những yêu cầu QoS của ứng dụng. Nó có thể là QoS cơ bản cho một ứng dụng cái mà yêu cầu băng thông nhỏ nhất hoặc có thể là QoS nâng cao cho một ứng dụng có yêu cầu băng thông tin tối đa nhưng vẫn có thể hoạt động ở dưới mức băng thông nhỏ nhất nào đó. Ví dụ một ứng dụng yêu cầu kiểu dịch vụ nâng cao là ứng dụng về video. Ứng dụng này có thể chấp nhận được việc mất gói tín và độ trễ nhất định.

Kiểu dịch vụ Kiểu tải tin Degrading Upgrading

Chỉ thị băng thông

BE - - - -

RES Base QoS MIN Base QoSBe BEBase QoS

RES MAX EQoS→BE BE→EqoS

Enhanced QoS (EqoS) EQoS→BQoS BQoS→EQoS

Cờ chỉ thị băng thông có các giá trị là MAX và MIN. nó đại diện cho băng thông cung cấp cho dòng lưu lượng. Bảng 6.1 cho thấy cách mà các trường kiểu dịch vụ, loại tải tin và các cờ chỉ thị băng thông phản ánh trạng thái hiện tại của dòng lưu lượng. Ta có thể thấy từ bảng trên các gói tin best-effort (BE) được định tuyến như các gói tin dữ liệu thông thường. Nếu QoS được yêu cầu bởi một ứng dụng nó có thể chọn QoS cơ bản cái mà đảm bảo một băng thông tối thiểu xác định. Đối với ứng dụng này thì cờ chỉ thị băng thông được chọn là MIN. đối với QoS nâng cao thì nguồn phát đặt cờ chỉ thị băng thông là MAX, nhưng nó có thể giảm tại các nút trung gian xuống MIN; cờ kiểu dịch vụ được thay đổi thành từ RES thành BE nếu không đủ băng thông. Dịch vụ sau khi bị giảm có thể quay trở lại RES nếu có đủ băng thông. Đối với QoS nâng cao, dịch vụ có thể giảm xuống BE hoặc RES với QoS cơ bản. QoS nâng cao sau khi bị giảm xuống có thể được nâng cấp trở lại nếu tất cả các nut trung gian có nhu cầu về băng thông.

Các nut đích chủ động giám sát các luồng dữ liệu đang truyền, no kiểm tra trường chỉ thị băng thông của các gói tin đến và các tiêu chuẩn để đánh giá QoS truyền (ví dụ là các tiêu chuẩn về mất gói tin, trễ và lượng dữ liệu đưa vào). Các nut đích sẽ gưi các bản tin báo cáo QoS tới các nút nguồn. Bản tin này gồm có các thông tin về trạng thái của các luồng lưu lượng đang diễn ra.

Duy tri định tuyến. Vì tính di động của các host nên một phiên đang được thực hiện có thể sẽ bị định tuyến lại trong trường hợp tuyến đường bị ngắt. Quá trình phục hồi dòng lưu lượng phải được thiết lập nhanh và hiệu quả nhất có thể. Trong suốt quá trình khôi phục,

161

Chương 6: Các Vấn Đề QoS trong Mạng Ad hoc

INSIGNIA không cản trở các tài nguyên từ các dòng lưu lượng đang tồn tại truyền vào các dòng lưu lượng cần được định tuyên lại. INSIGNIA cung cấp 3 kiểu khôi phục luồng lưu lượng: khôi phục trực tiếp, nó xảy ra khi một dòng lưu lượng cần định tuyến lại ngay lập tức khôi phục lại trạng thái ban đầu của nó. Khôi phục suy biên, nó xảy ra khi một dòng lưu lượng cần định tuyến lại bị suy biến trong khoản T trước khi nó khôi phục lại. Khôi phục thường trực, nó xảy ra khi một dòng lưu lượng cần định tuyến lại không bao giờ khôi phục lại được trạng thái ban đầu của nó.

6.6.2. Ưu và nhược điểm

Khung INSIGNIA cung cập một phương pháp tiếp cận tích hợp để cung cấp QoS bằng cách kết hợp các tín hiệu trong băng, gọi đến nạp điều khiển và sắp xếp dữ liệu cùng nhau. Hệ thống bảo lưu soft-state được sử dụng trong khung này được đảm bảo rằng các nguồn tài nguyên được nhanh chóng phát lại vào thời điểm mà tuyến đường được tái cấu trúc. Tuy nhiên khung này chỉ hỗ trợ duy nhất các ứng dụng thích hợp, ví dụ, các ứng dụng đa phương tiện. Vì khung này có thể phù hợp với tất cả các giao thức MAC, hệ thống bảo lưu và fairness của giao thức MAC sẽ bị ảnh hưởng đáng kể trong việc đảm bảo cung cấp QoS.

Ngoài ra, những khung này được giả định rằng giao thức định tuyến cung cấp một tuyến mới trong trường hợp thay đổi cấu trúc mạng, cơ chế duy trì tuyến đường của giao thức định tuyến sẽ có ảnh hưởng đáng kể đến việc cung cấp lưu lượng truy cập thời gian thực. Nếu không đủ nguồn lực bời việc thay đổi cấu trúc mạng, các ứng dụng QoS nâng cao có thể được hạ thấp thành các QoS cơ sở hoặc các dịch vụ hỗ trợ tốt nhất. Bởi vì khung này sử dụng báo hiệu trong băng, các tài nguyên không được dành riêng trước khi việc truyền dữ liệu được thực hiện. Do vậy INSIGNIA không thích hợp cho các ứng dụng thời gian thực vì các ứng dụng này yêu cầu nghiêm ngặt QoS.

6.7. Mô hình QoS INORA

INORA là một khung QoS cho MANETs được sử làm để sử dụng cho INSIGNIA trong cơ chế băng tần và giao thức định tuyến Tora (Tạm thời tín hiệu ra lệnh cho thuật toán định tuyến). Các cơ chế tài truyền tín hiệu bảo lưu nguồn tài nguyên QoS tương tác với giao thức định tuyến để đảm bảo cung cấp QoS.

Giao thức định tuyến TORA cung cấp nhiều tuyến đường giữa một cặp nguồn-đích. Cơ chế tín hiệu INSIGNIA cung cấp thông tin phản hồi để giao thức định tuyến TORA lưu ý tới các tuyến đường được lựa chọn và yêu cầu đường thay thế nếu các tuyến đường cung cấp không đáp ứng yêu cầu của QoS. Để việc bảo lưu tài nguyên thì cơ chế bảo lưu soft-state được sử dụng. INORA có thể được phân thành hai mô hình: Mô hình thông tin phản hồi kém và mô hình phản hồi tốt dựa trên lớp.

162

Chương 6: Các Vấn Đề QoS trong Mạng Ad hoc

6.7.1. Mô hình phản hồi kém

Trong mô hình này nếu một nút thất bại trong việc thừa nhận một chuỗi QoS hoặc là do thiếu các yêu cầu tối thiểu về băng thông (BWmin) hoặc do bị tắc nghẽn tại các nút, nó sẽ gửi ra một bản tin nạp điều khiển out-of-band thất bại (ACF) đến nút trên của nó. Sau khi nhận được tin ACF các nút trên định tuyến lại chuỗi thông qua các nút dưới được cung cấp bởi các giao thức định tuyến TORA. Nếu không có một hàng xóm nào của nó thừa nhận về cái chuỗi đó nó sẽ gửi một thông tin ACF đến thượng nguồn. Trong khi INORA đang cố gắng tìm một con đường khả thi bằng cách tìm kiếm bản đồ mạch hở (DAG) sau khi việc nạp điều khiển thất bại tại một nút trung gian, các gói tin được truyền đi như là một gói tin best-effort từ nguồn đến đích của nó. Trong hệ thống này các chuỗi khác nhau của một cặp nguồn đích có thể khác nhau tuyến đường

6.7.2. Mô hình phản hồi tốt dựa trên lớp

Trong mô hình này, khoảng cách giữa BWmin và BWmax một chuỗi QoS có thể được chia thành N lớp, với BWmin và BWmax là băng thông tối thiểu và tối đa mà chuỗi QoS yêu cầu. Giả sử một chuỗi QoS được tao bới nút nguồn F đến đích là nút D. Chuỗi được thừa nhận được nút m (m

1. DAG được tạo bởi giao thức TORA (được trình bày trong hình 6.3). S→A→B→D

là tuyến đường được chọn của giao thức định tuyến TORA

Hình 6.3: Mô hình INORA phản hồi tốt. Nút A thừa nhận chuỗi với lớp m nhưng nút B có thể cung cấp cho lớp l (l

2. INSIGNIA cố gắng thiết lập bảo lưu soft-state cho chuỗi QoS chạy dọc theo tuyến đường. Giả sử nút A đã thừa nhận thành công chuỗi với lớp m và nút B thừa nhận chuỗi với băng thông của lớp l (l

3. Nút B gửi ra một tin báo cáo nạp (AR(l)) đến nút trên A, cho thấy khả năng cung

cấp riêng băng thông lớp l cho chuỗi.

4. Nút A chia tách các chuỗi với tỉ lệ l ml và chuyển tiếp chuỗi đến nút B và nút Y.

163

Chương 6: Các Vấn Đề QoS trong Mạng Ad hoc

5. Nếu nút Y có thê cung cấp lớp ml theo yêu cầu của lớp A, sau đó những chuỗi của lớp m được chia thành 2 chuỗi: một chuỗi băng thông của lớp l dọc theo chiều dài tuyến S→A→B→D và các chuỗi khác với băng thông của lớp ml sẽ đi theo tuyến S→A→Y→D.

6. Nếu nút Y chỉ cung cấp cho lớp n (n

8. Nút S cố gắng tìm thấy một người hàng xóm ở phía dưới có thể phù hợp với chuỗi

lớp (m.(l+n))

9. Nếu không có người hàng xóm nào như vậy thì lớp S sẽ từ chối chuỗi

6.7.3. Ưu điểm

INORA tốt hơn INSIGNIA ở chỗ nó có thể tìm kiếm nhiều tuyến đường với việc đảm bảo QoS ít hơn. Nó sử dụng các tín hiệu INSIGNIA trong cơ chế băng tần. Vì không có nguồn lực được dành riêng trước khi bắt đầu truyền tải dữ liệu và các gói tin dữ liệu và dữ liệu được chuyển đi như là gói best-effort trong trường hợp việc nạp điểu khiển thất bại tại các nút trung gian, mô hình này có thể không phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu đảm bảo dịch vụ cao.

6.8. Tổng kết chương 6

Việc quan tâm nhiều hơn đến MANETs trong những năm gần đây dẫn đến nỗ lực nghiên cứu chuyên sâu nhằm mục đích cung cấp hỗ trợ QoS trên hạ tầng mạng với những hành động không thể báo trước. Nói chung QoS của bất kỳ mạng cụ thể nào có thể được định nghĩa là khả năng cung cấp một mức độ dịch vụ đảm bảo cho người sử dụng và các ứng dụng của nó. Các yêu cầu dịch vụ bao gồm số hiệu suất như thông lượng, trễ, sự biến động, băng thông, sự tin cậy… và các ứng dụng khác nhau có thể yêu cầu các dịch vụ khác nhau. Chỉ số hiệu suất có thể được tính theo ba cách khác nhau: (1) concave (ví dụ: băng thông tối thiểu trên một liên kết), (2) additive (ví dụ: tổng trễ trên mộ tuyến đường), (3) multiplicative (ví dụ: tỉ lệ phân phối gói tin trên toàn tuyến)

Trong MANETs, việc cung cấp đảm bảo QoS có nhiều thách thức hơn so với mạng dây, chủ yếu là do nút dịch chuyển, giao tiếp đa chặng, sự bất đồng kênh truy nhập và thiếu phối hợp tập trung. Việc đảm bảo QoS yêu cầu thông qua phần lớn thiết bị đa phương tiện và các ứng dụng cảm nhậ thời gian hoặc lỗi những khó khăn trong việc cung cấp việc đảm bảo như vậy các hạn chế tính hữu dụng của mạng MANETs. Tuy nhiên trong thập kỉ qua rất nhiều cuộc nghiên cứu quan tâm đến sự đảm bảo QoS trong các giao thức MANETs. Các giao thức định tuyến QoS là một phần không thể thiếu trong các giải pháp về QoS từ trước đến nay bởi vì nó có chức năng xác định các nút, ngoài ra nó còn phục vụ các yêu cầu ứng dụng nều có. Do đó nó đóng một vai trò trong việc nạp kiểm soát dữ liệu phiên.

164

Chương 6: Các Vấn Đề QoS trong Mạng Ad hoc

6.9. Câu hỏi ôn tập chương 6

1. Chứng minh tất cả các lớp mạng đều cần chất lượng về dịch vụ. 2. Mô tả những thách thức và đưa ra những vấn đề phức tạp trong việc cung cấp

QoS.

3. Đưa ra các phân loại giải pháp QoS. 4. Giải thích những kiểu mô hình QoS khác nhau với những minh họa thích hợp. 5. Giải thích mô hình FQMM. 6. Nói về cơ cấu tổ chức INSIGNIA của mô hình QoS. 7. Mô tả cơ cấu tổ chức INORA với những ví dụ thích hợp.

6.10. Tài liệu tham khảo chương 6

[1] Subir Kumar Sarkar, T.G. Basavaraju, C. Puttamadappa, “Ad Hoc Mobile Wireless Network Principles, Protocols and Applications”, Second Edition, CRC Press, 2013

[2] IEEE 802.11 TGe.2001. HCF ad hoc group recommendation- Normative text to EDCF

access category.TR-02/241r0

[3] Perkins, C. E. E. M. Royer, and S.r. Das 2000. Quality of service for ad hoc on-demand

distance vector routing. IETF Internet draft

165

Chương 7: An Ninh Trong Mạng Ad hoc

CHƯƠNG 7: AN NINH TRONG MẠNG AD HOC

Vũ Trường Thành, Nguyễn Việt Hùng

7.1. Mở đầu

Việc cung cấp tính năng an ninh, an toàn thông tin là một trong những yêu cầu bắt buộc của các mạng thông tin nói chung, đặc biệt là với các mạng đảm nhiệm các công việc quan trọng hoặc mang thông tin nhạy cảm. Một giải pháp an ninh thông tin đầy đủ cần có ba thành phần: ngăn chặn, phát hiện và phản ứng lại các nguy cơ và sự kiện gây phương hại về an ninh. Thông thường, mục tiêu của các giải pháp an ninh là khiến cho lợi ích thu được của kẻ tấn công nhỏ hơn chi phí phải bỏ ra để tấn công, hoặc ngược lại chi phí cho các giải pháp an ninh phải nhỏ hơn tổn thất nếu có trong trường hợp thông tin bị mất hoặc bị làm sai lệch khi không có các giải pháp bảo đảm an ninh.

Mạng ad hoc có một số đặc trưng riêng khiến cho việc đảm bảo an ninh trở nên khó khăn và phức tạp hơn so với các mạng truyền thống. Đầu tiên mạng ad hoc thực hiện việc truyền thông bằng cách sử dụng kênh truyền vô tuyến trong môi trường mở, và do đó có mức độ an toàn về mặt vật lý là thấp hơn so với môi trường truyền dẫn hữu tuyến. Một đặc điểm khác là các nút mạng thường có tài nguyên hạn chế, bao gồm hạn chế về mặt năng lực xử lý, băng thông truyền dẫn, và nguồn nuôi, do đó khó có thể triển khai các thuật toán và giao thức phức tạp cho mục đích đảm bảo an ninh. Một đặc điểm riêng khác của mạng ad hoc là thường không có cơ sở hạ tầng truyền dẫn chuyên biệt hoặc cố định, mà thông tin được chuyển tiếp dựa hoàn toàn vào các nút khác trong mạng, đồng thời các nút cũng di chuyển tương đối so với nhau khiến cho topo mạng thay đổi theo thời gian, những đặc điểm này khiến cho việc chuyển tiếp/định tuyến gói tin một cách tin cậy là rất khó khăn và hao tốn nhiều tài nguyên để xây dựng thông tin định tuyến.

Do các đặc điểm nêu trên, giải pháp và thiết kế an ninh cho mạng ad hoc thường là sự điều tiết giữa các ràng buộc của hiệu năng dịch vụ và hiệu năng an ninh trong điều kiện tài nguyên hạn chế. Chương 7 sẽ làm rõ các vấn đề liên quan tới các yêu cầu về an ninh và các mô hình tấn công trong mạng ad hoc, các vấn đề trong quản lý và phân phối khóa mật mã hóa của mạng ad hoc và các giải pháp phân phối khóa mật mã hóa và các cách tiếp cận để chống lại các cuộc tấn công vào mạng ad hoc.

7.2. Các yếu tố an ninh chính của mạng Ad hoc

Trong mạng ad hoc nói riêng và trong một hệ thống thông tin nói chung các khía cạnh

(yếu tố) an ninh sau thường được xem xét:

 Tính khả dụng (Availability)

166

Chương 7: An Ninh Trong Mạng Ad hoc

 Tính bảo mật (Confidentiality)

 Tính toàn vẹn (Integrity)

 Nhận thực (Authentication)

 Chống từ chối (non-repudiation)

 Chống phát lại (non-replay)

Ngoại trừ yếu tố độ khả dụng, các yếu tố an ninh còn lại đã được trình bày trong tài liệu giảng dạy môn An ninh mạng thông tin, dưới đây chúng ta sẽ xem xét các yếu tố này dưới góc độ của các đặc điểm riêng của mạng ad hoc.

7.2.1. Tính khả dụng (Availability)

Mục đích là đảm bảo khả năng tồn tại của các dịch vụ mạng cho dù có cuộc tấn công từ chối dịch vụ (DoS). Một cuộc tấn công từ chối dịch vụ có thể xảy ra tại bất kỳ lớp nào của một mạng ad hoc. Tại lớp vật lý và MAC, kẻ tấn công có thể sử dụng biện pháp jamming (phát nhiễu công suất lớn) nhằm ngăn cản thông tin liên lạc trên các kênh vật lý. Tại lớp mạng, kẻ tấn công có thể ngăn cản việc hoạt động bình thường của các giao thức định tuyến và từ đó ngắt kết nối mạng tới một đích nào đó. Tại các lớp cao hơn, kẻ tấn công có thể làm sập các dịch vụ ở lớp trên. Một ví dụ là tấn công làm sập dịch vụ quản lý khóa, một dịch vụ cần thiết cho bất kỳ hệ thống an ninh nào.

7.2.2. Tính bảo mật (Confidentiality)

Mục đích là đảm bảo rằng thông tin không bị tiết lộ cho các đối tượng không được phép biết về thông tin. Việc truyền dẫn các thông tin nhạy cảm trong mạng ad hoc, chẳng hạn như thông tin quân sự chiến lược hay chiến thuật, thường yêu cầu tính bảo mật cao. Việc rò rỉ thông tin đó cho kẻ địch có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng. Thông tin định tuyến của mạng ad hoc cũng phải được giữ bí mật trong một số trường hợp, bởi vì các thông tin liên quan tới vị trí có thể rất hữu ích với kẻ thù trong việc nhận dạng và xác định vị trí mục tiêu của đối phương trên chiến trường.

7.2.3. Tính toàn vẹn (Integrity)

Mục đích nhằm đảm bảo rằng thông tin được truyền thông không bị làm sai lệch trên đường truyền. Trong mạng ad hoc, thông tin có thể bị làm hỏng vì những nguyên nhân khách quan ví dụ như kênh truyền vô tuyến bị lỗi do pha đinh, hoặc vì các cuộc tấn công ác ý trên mạng. Trên thực tế, tính toàn vẹn sẽ cung cấp khả năng phát hiện việc thông tin có bị sửa đổi hay không tại phía thu.

167

Chương 7: An Ninh Trong Mạng Ad hoc

7.2.4. Nhận thực (Authentication)

Cho phép một nút có thể chắc chắn về danh tính của nút đối tác mà nó đang trao đổi thông tin. Nếu không có nhận thực, kẻ tấn công có thể giả mạo một nút, do đó có thể truy cập một cách trái phép các tài nguyên và/hoặc thông tin nhạy cảm và can thiệp vào hoạt động của các nút khác trong mạng ad hoc.

7.2.5. Chống từ chối (non-repudiation)

Đảm bảo rằng phía gửi thông tin không thể phủ nhận đã gửi thông tin đó. Chống từ chối sẽ rất có ích trong việc phát hiện và cô lập các nút đã bị chiếm quyền điều khiển bởi kẻ tấn công trong mạng ad hoc. Khi một nút nhận được một thông báo bị sai lệch từ một nút, chống từ chối cho phép việc sử dụng tin nhắn này để chứng minh với các nút khác là nút gửi thông tin sai đã bị chiếm quyền điều khiển bởi kẻ tấn công.

7.2.6. Chống phát lại (non-replay)

Thông tin truyền trên mạng có thể được kẻ tấn công lưu trữ và phát lại nguyên vẹn tới nút đích vào một thời điểm nào đó trong tương lai. Do thông tin bị phát lại mà không bị sửa đổi nên đối với nút chuyển tiếp cũng như nút đích đây là thông tin hợp lệ. Việc phát lại có thể làm tiêu tốn tài nguyên của mạng cũng như nút đích, hoặc có thể khiến cho nút đích phải thực hiện lại các hành động một cách không cần thiết do được yêu cầu bởi thông tin bị phát lại này. Việc phát lại trong mạng ad hoc sẽ khác so với các mạng truyền thống ở việc nút gây hại có thể sẽ di chuyển tới một ví trí khác với các nút trung gian khác để che dấu nguồn gốc tin bị phát.

7.3. Các thách thức an ninh đặc trưng của mạng Ad hoc

Những đặc trưng riêng biệt của mạng ad hoc tạo ra những thách thức mới trong việc đảm

bảo các yếu tố an ninh.

Việc sử dụng kết nối vô tuyến trong không gian tự do làm cho mạng ad hoc dễ bị tấn công vào đường truyền thông tin, bao gồm từ việc nghe trộm thụ động đến việc mạo danh, phát lại bản tin hoặc sửa đổi bản tin được truyền dẫn từ nút này sang nút kia. Khả năng bị tấn công thụ động (nghe trộm) có thể làm lộ thông tin cho bên thứ ba, vi phạm vào tính bảo mật. Trong khi đó, các hành động tấn công chủ động có thể cho phép kẻ tấn công xóa bỏ bản tin, hoặc phát thêm các bản tin với nội dung sai lệch vào đường truyền, hoặc thay đổi nội dung bản tin, hoặc giả danh một nút, do đó vi phạm tính khả dụng, tính toàn vẹn, nhận thực hoặc chống từ chối.

Vì mạng ad hoc không có một cơ sở hạ tầng cố định và đáng tin cậy, nên nhằm tăng cao khả năng sống sót của mạng, mạng ad hoc cần áp dụng các kiến trúc mạng có tính phân tán, không nên có các nút trung tâm, vì việc có nút trung tâm trong mạng ad hoc sẽ tạo ra một điểm

168

Chương 7: An Ninh Trong Mạng Ad hoc

yếu đáng kể cho mạng, vì nếu nút này bị chiếm quyền một cách trái phép thì toàn bộ mạng sẽ bị đánh sập.

Mặt khác, khi các nút di chuyển trong một môi trường thù địch (ví dụ như trên chiến trường) thì khả năng bảo vệ vật lý là tương đối khó khăn. Trong trường hợp này, nút có thể bị chiếm quyền điều khiển trái phép. Vì vậy, không chỉ có các cuộc tấn công độc hại từ bên ngoài mạng, mà để đảm bảo tính an ninh thì cần phải có giải pháp cho các cuộc tấn công từ nội bộ mạng bởi các nút đã bị chiếm quyền. Thêm vào đó, do thông tin được trao đổi giữa các nút mạng theo mô hình peer-to-peer và có thể được định tuyến trên nhiều chặng nên xác xuất đường truyền bị hỏng là cao. Do đó, việc truyền dẫn thông tin cần có khả năng chống lỗi cao để tăng tính khả dụng của mạng.

Một vấn đề khác của mạng ad hoc là sự thay đổi thường xuyên về topo mạng và số lượng thành viên (tức là các nút thường xuyên tham gia vào và rời khỏi mạng). Quan hệ tín nhiệm giữa các nút cũng thay đổi vì sau một khoảng thời gian một nút có thể bị phát hiện là đã bị chiếm quyền bởi kẻ tấn công. Các nút mạng trong mạng ad hoc cũng có thể đăng ký vào các domain một cách linh hoạt, do đó các mô hình an ninh tĩnh sẽ không phù hợp. Vì vậy, các cơ chế an ninh cho mạng ad hoc nên có khả năng thích ứng theo thời gian thực đối với các thay đổi của mạng.

Trong mạng ad hoc, thông tin của một nút sẽ được truyền tới đích bởi các nút khác mà không có các liên kết an ninh trước đó vì nói chung thông tin được truyền tải thông qua các mạng/nút không quen biết. Thông thường các nút không có thông tin nhận thực/bảo mật của các nút khác, nhất là trong các mạng ad hoc cỡ lớn với nhiều nút.Các nút cũng thường không có biện pháp để có thể đánh giá các peer là đáng tin cậy hay thù địch. Việc thiết lập trước các thông tin này cho các nút thì cũng khó thực hiện đối với các mạng dân sự mở, với các chủng loại thiết bị khác nhau và kết nối chỉ tồn tại trong thời gian ngắn. Nhưng ngay cả với các mạng quân sự, trong đó các nút thường là biết trước nhau, thì một nút được tin tưởng ban đầu có thể bị hack và chiếm quyền điều khiển, do đó việc tin tưởng một cách mặc định có thể sẽ gây hại cho mạng. Việc xuất trình được các thông tin nhận thực cũng không có nghĩa là nút đó là hợp lệ. Và bất kỳ một nút nào trong mạng cũng có thể làm gián đoạn hay lạm dụng hoạt động của các giao thức mạng, qua đó làm giảm chất lượng hoặc ngăn cản việc truyền tin của các nút khác trong mạng.

Ngoài ra, việc phân biệt giữa các lỗi gây ra do hành động tấn công ác ý với các lỗi mạng tự nhiên là rất khó. Ví dụ, rất khó để phân biệt giữa việc một gói tin bị mất do sự di chuyển của một nút hoặc do sự xung đột tại lớp MAC với việc gói tin bị mất do nút chuyển tiếp hủy gói đó. Vấn đề này trở nên khó khăn hơn khi nút gây hại có tình che dấu các hành vi gây hại dưới dạng các lỗi tự nhiên.

169

Chương 7: An Ninh Trong Mạng Ad hoc

Các thiết bị di động vô tuyến thường gặp vấn đề về tài nguyên hạn chế, nhất là về năng lượng (pin) và năng lực xử lý. Vì vấn đề này, các kiến trúc an ninh cho mạng ad hoc cần phải được thiết kế sao cho yêu cầu về tính toán và trao đổi thông tin cho mục đích an ninh là ít nhất.

Mặt khác một mạng ad hoc có thể bao gồm hàng trăm hoặc hàng nghìn nút. Vì vậy các kiến trúc và cơ chế an ninh phải có khả năng mở rộng để đáp ứng cho số lượng lớn các nút thành viên.

Vì những lý do trên, thông thường việc thiết kế một giao thức truyền dẫn dữ liệu an toàn trong mạng ad hoc thường dựa trên các liên kết an ninh end-to-end, vì nó giảm thiểu được các hành động liên quan tới việc duy trì tuyến, loại bỏ được việc phải quan sát liên tục trong thời gian dài các nút nguy hại, cũng như tránh được việc một nút cố tình báo sai về hành vi của nút khác, và giảm thiểu được phí tổn cũng như trễ gây ra do việc bản tin được truyền qua một đường truyền lỗi.

7.4. Các giao thức thỏa thuận và phân phối khóa trong mạng ad hoc

7.4.1. Quản lý khóa trong các mạng vô tuyến

An ninh trong các mạng ad hoc thường được đảm bảo dựa trên các cơ chế quản lý khóa. Có hai loại quản lý khóa, bao gồm quản lý khóa đối xứng và quản lý khóa bất đối xứng (dùng trong quản lý khóa công khai). Hai loại quản lý khóa này hoạt động dựa trên các thuật toán mật mã hóa đối xứng và bất đối xứng. Các thuật toán này là các thuật toán tổng quát, đã được trình bày trong giáo trình “An ninh mạng thông tin”. Còn hai mô hình quản lý khóa sẽ được mô tả dưới góc nhìn của mạng ad hoc như dưới đây.

7.4.1.1. Quản lý khóa đối xứng [1]

Các hệ thống khóa đối xứng, như DES, AES và các hàm băm theo khóa hoạt động dựa trên các thông tin của khóa bí mật được chia sẻ giữa hai đối tác truyền thông. Với khóa đối xứng, người gửi sẽ mật mã hóa bản tin bằng khóa bí mật chung, và người nhận sẽ sử dụng cùng khóa này để giải mã bản tin.

Lợi thế của mật mã hóa khóa đối xứng là khả năng tiết kiệm năng lượng do khối lượng tính toán thấp. Do vậy nhiều loại mật mã hóa khóa đối xứng đã được xây dựng để sử dụng cho các ứng dụng có yêu cầu về tiêu thụ năng lượng thấp, ví dụ như mạng cảm biến vô tuyến, vì các cảm biến thường là các thiết bị rẻ tiền và nguồn nhỏ.

Khó khăn chính của mật mã hóa khóa đối xứng là bên gửi và bên nhận phải thiết lập được một khóa chung trước khi truyền thông. Đối với các mạng ad hoc trong đó mọi thiết bị thuộc về cùng một hệ thống quản lý, ví dụ như mạng cảm biến của cùng một nhà cung cấp dịch vụ, thì các

170

Chương 7: An Ninh Trong Mạng Ad hoc

khóa chia sẻ này sẽ được phân phối trước cho các thiết bị (ví dụ các nút cảm biến) trước khi triển khai.

Kỹ thuật cho phép các bên tham gia truyền thông có thể nhất trí được một khóa chung để mật mã hóa cho phiên truyền thông với điều kiện chưa có một kênh truyền dẫn an toàn giữa chúng được gọi là kỹ thuật thống nhất và phân phối khóa.

Việc thiết kế các mô hình thống nhất khóa với khóa được phân phối trước đang nhận được nhiều quan tâm. Tuy nhiên, với mạng có số lượng nút lớn thì việc này là rất phức tạp, do hai đặc điểm chính sau đây:

 Số lượng kết nối lớn: một tỉ lệ lớn các nút lân cận phải chia sẻ ít nhất một khóa bí

mật chung.

 Yêu cầu về khả năng chống lỗi: khi một vài nút bị khống chế bởi kẻ tấn công, các nút cảm biến khác vẫn có thể duy trì được các phiên truyền thông được đảm bảo về an ninh.

Giải pháp đơn giản nhất của phương pháp phân phối khóa trước là sử dụng một khóa chính, theo đó tất cả các nút của mạng sẽ được cấu hình trước với một khóa gọi là chính, và sử dụng chung khóa chính này cho các hành động liên quan tới an ninh. Giải pháp này là tiết kiệm bộ nhớ nhất vì các nút chỉ phải lưu một khóa chính, tuy nhiên mức độ an toàn kém bởi vì nếu một nút bị xâm phạm an ninh thì toàn bộ mạng cũng bị mất an ninh. Đối với một mạng có số lượng lớn các nút ví dụ như mạng cảm biến không dây WSN thì xác xuất một nút bị xâm phạm an ninh là không hề nhỏ. Ngay cả khi các nút có thể được bảo vệ tốt hơn bằng các phần cứng có khả năng chống can thiệp từ bên ngoài, thì do giá thành các phần cứng này khá cao do đó với một mạng nhiều nút thì chi phí phụ trội là rất lớn, do đó cũng khó khả thi.

Một giải pháp khác là sử dụng các khóa cặp đôi [2]. Với mạng có n nút thì mỗi nút sẽ lưu trữ n-1 khóa, và sẽ sử dụng các khóa khác nhau để truyền thông với các nút khác nhau. Mô hình này có độ an toàn cao nhất, vì việc lộ khóa bí mật với một nút không ảnh hưởng đến các liên kết với các nút khác. Tuy nhiên, vì mỗi nút sẽ phải chứa n-1 khóa, nên nếu số lượng nút là lớn thì bộ nhớ cần để lưu số lượng khóa này là rất lớn. Điều này là bất khả thi nếu nút có cấu hình thấp. Mặt khác, việc phải lưu một khóa cho mỗi nút trong mạng khiến cho việc thêm vào mạng một nút mới là rất khó khăn vì sẽ phải thêm vào một khóa mới cho từng nút hiện có trong mạng để có thể tạo ra liên kết an toàn với nút mới.

Một giải pháp trung gian được các tác giả Eschenauer và Gligor [3] đề xuất là giao thức phân phối khóa ngẫu nhiên dựa trên xác suất cho cơ chế quản lý khóa đối xứng, bao gồm 3 giai đoạn: (giai đoạn 1) tiền phân phối khóa, (giai đoạn 2) phát hiện khóa chia sẻ, và (giai đoạn 3) thiết lập khóa của đường truyền. Trong giai đoạn tiền phân phối khóa, hệ thống sẽ sinh ra một

171

Chương 7: An Ninh Trong Mạng Ad hoc

kho-khóa lớn với K khóa và các nhận dạng (ID) tương ứng với khóa đó. Mỗi nút sẽ lấy k khóa từ kho-khóa và tạo thành một chuỗi khóa cho một nút cảm biến.

Trong giai đoạn phát hiện khóa chia sẻ, mỗi nút sẽ sử dụng các bản tin khám phá (discovery message) để tìm xem nút lân cận nào chia sẻ một khóa chung với nó. Cụ thể, nút nguồn s sẽ mật mã hóa bản tin M sử dụng một khóa e. Sau đó nó gửi bản tin đã được mã hóa tới tất cả các nút lân cận. Một nút lân cận t sẽ giải mã được bản tin M nếu và chỉ nếu nó có khóa e. Trong trường hợp đó, nút t sẽ đáp lại s bằng cách gửi lại s bản tin hồi đáp sử dụng e làm khóa để mật mã hóa bản tin, và qua đó, một kết nối an toàn sẽ được thiết lập giữa chúng.

Trong giai đoạn thiết lập khóa đường truyền, một khoá đường truyền được thiết lập giữa từng cặp nút cạnh nhau, tuy những nút này không chia sẻ một khóa chung nhưng có thể kết nối bởi hai hay nhiều kết nối an toàn tại thời điểm kết thúc của giai đoạn phát hiện khóa chia sẻ. Trong cơ chế phân phối khóa ngẫu nhiên ở trên, xác xuất bất kỳ cặp nút nào sở hữu ít nhất một khóa chung là:

(7.1)

Giải pháp này là sự thỏa hiệp giữa mức độ an toàn và lượng bộ nhớ cần dùng. Dựa vào mô hình này, một số tác giả khác đã đưa ra một số giải pháp khác để cải thiện cơ chế phân phối khóa này.

Du và đồng nghiệp [4] đề xuất một phương pháp phân phối khóa khác để giảm bớt số lượng khóa vô dụngtrong khi vẫn duy trì được số lượng liên kết bằng cách sử dụng các thông tin về mô hình triển khai. Đề xuất này dựa trên giả thiết là các nút được phân chia thành các nhóm. Với phân bố Gausian, các nút bên trong một nhóm và giữa hai nhóm cạnh nhau thì có xác xuất trở thành hàng xóm cao hơn. Ngược lại, các nút giữa hai ở nhóm xa nhau sẽ khó trở thành hàng xóm hơn. Theo đó, các nút có xác xuất trở thành hàng xóm cao hơn thì sẽ có xác xuất chia sẻ cùng một khóa chung cao hơn và ngược lại. Trong mô hình này, một kho-khóa với cỡ |S| bị chia thành tn kho khóa với cỡ |Sc|. Các kho-khóa cạnh nhau ở phương ngang và phương dọc sẽ chia sẻ a|Sc| khóa và các kho-khóa ở phương trực giao chia sẻ b|Sc| khóa.

Chan và đồng nghiệp [5] đề xuất ba mô hình để thống nhất khóa: (1) trong mô hình q- khóa tổ hợp (q-composite key), hai nút có chia sẻ ít nhất q khóa chung (q>1) sẽ thiết lập một kênh an ninh giữa chúng. Mô hình này có thể chống lại khá tốt các cuộc tấn công ở một mức nhất

172

Chương 7: An Ninh Trong Mạng Ad hoc

định. (2) Mô hình đa đường tăng cường sử dụng một vài đoạn không liên kết với nhau để gửi khóa đến phía nút đích để tính toán ra khóa chia xẻ. Mô hình này có thể tăng cường an ninh của một khóa chung (kênh an ninh) nhưng việc thu thập các đường này là rất khó khăn. (3) Trong mô hình khóa cặp đôi ngẫu nhiên, số ID của mỗi khóa được so sánh với số ID của m nút khác được lựa chọn ngẫu nhiên và một khóa cặp đôi được tạo ra cho mỗi cặp nút. Khóa được lưu trữ ở trong chuỗi khóa của cả hai nút, cùng với ID của nút đối tác cùng sở hữu khóa này. Mô hình này cho phép cả việc nhận thực.

Ngoài các mô hình phân phối khóa ngẫu nhiên nêu trên cũng có rất nhiều đề xuất khác liên quan tới việc phân phối khóa đối xứng. Những mô hình này thường là sự đánh đổi giữa các yêu cầu thiết kế trái ngược nhau về lượng bộ nhớ sử dụng, khả năng kết nối, khả năng mở rộng, và chống lỗi. Các vấn đề về mặt hiệu suất hoạt động của các thuật toán khóa đối xứng được tóm tắt như sau:

 1. Tốc độ: các thuật toán sử dụng khóa đối xứng thường có lượng tính toán thấp hơn nhiều so với các thuật toán mã hóa đối xứng. Do đó, các thuật toán khóa đối xứng được sử dụng phổ biến trong các mạng cảm biến vô tuyến với tài nguyên hữu hạn.

 2. Khả năng mở rộng: Trong các thuật toán khóa đối xứng, để đảm bảo việc truyền thông an toàn giữa tất cả các nút của một mạng có cỡ n sẽ cần n*(1-n)/2 khóa. Tuy nhiên, các thiết kế hiện tại của mô hình quản lý khóa không yêu cầu từng đôi nút chia sẻ một khóa bí mật duy nhất do đó số lượng khóa có thể giảm đi.

 3. Quản lý: Các thuật toán khóa đối xứng thường yêu cầu hai bên phải có chung một khóa bí mật trước khi truyền thông. Để tránh khả năng kẻ phá hoại phát hiện ra khóa mật mã, các khóa cần được thay đổi thường xuyên. Tuy nhiên, việc giữ an toàn cho các khóa chia sẻ trong quá trình phân phối khóa là rất khó.

7.4.1.2. Quản lý khóa bất đối xứng [6]

Không giống như các thuật toán khóa đối xứng, các thuật toán bất đối xứng (hay còn gọi là khóa công khai), ví dụ như RSA hoặc ECC sử dụng đồng thời hai khóa, gọi là khóa riêng và khóa công khai để mật mã hóa, giải mật mã hóa, nhận thực, và xác thực thông tin. Ví dụ, một người dùng biết khóa công khai của thuật toán bất đối xứng có thể dùng nút mật mã hóa các bản tin và gửi cho bên nhận, nhưng tất cả các nút, trừ nút có khóa riêng tương ứng, đều không thể giải mã được bản tin. So với các thuật toán khóa đối xứng, mật mã hóa khóa công khai tăng độ bảo mật và sự thuật tiện trong sử dụng, vì các khóa riêng không bao giờ cần phải được truyền đi hoặc chia sẻ cho bất kỳ ai. Một lợi thế khác của mật mã hóa khóa công khai là có thể sử dụng cho chữ ký số, và do đó có thể sử dụng cho yếu tố chống từ chối.

173

Chương 7: An Ninh Trong Mạng Ad hoc

Bởi vì thuật toán bất đối xứng và đối xứng đều có ưu điểm và nhược điểm riêng, việc kết hợp để tận dụng ưu điểm của hai loại thuật toán này là rất có ích. Theo đó, mật mã hóa khóa bất đối xứng sẽ được sử dụng để trao đổi khóa đối xứng, và sau đó khóa đối xứng sẽ được sử dụng để đảm bảo an ninh cho các phiên truyền thông của mạng ad hoc vô tuyến.

Hệ thống khóa công khai ban đầu được phát triển nhằm phục vụ mạng Internet. Khi sử dụng mật mã hóa khóa công khai, một cặp nút bất kỳ có thể thiết lập một kênh an toàn giữa chúng mà không cần phải có các khóa được phân phối trước dó. Tuy nhiên, trong trường hợp nút không được phân phối khóa công cộng của đối tác trước đó, thì cần một hoặc một vài CA (Certificate authority) đáng tin cậy để phân phối khóa công cộng của đối tác này cho đối tác kia. Tuy CA có thể dễ dàng được triển khai trong mạng Internet, nhưng đối với mạng ad hoc vô tuyến thì quá trình xử lý nhận thực bởi CA tiêu tốn rất nhiều phụ phí trong quá trình trao đổi thông tin trên đường truyền vô tuyến. Để sửa đổi hệ thống khóa công khai cho phù hợp với mạng ad hoc, các tác giả Zhou và Haas [7] đã đề xuất một mô hình quản lý khóa công khai phân tán cho các mạng ad hoc, trong đó sử dụng nhiều CA phân tán. Để ký một chứng chỉ (certificate), mỗi CA tạo ra một chữ ký thành phần cho chứng chỉ đó và gửi chữ ký thành phần tới một điều phối viên để tính toán ra chữ ký từ các chữ kýthành phần. Kong và các tác giả khác [32] đề xuất một mô hình hoàn toàn phân tán, trong đó mọi nút mang một phần của khóa riêng của dịch vụ CA. Mô hình này tăng cường tính khả dụng của dịch vụ nhận thực, nhưng nó cũng làm tăng phụ phí của quá trình nhận thực. Capkun, Buttyan, and Hubaux [8] đưa ra một quản lý hệ thống khóa công khai tự tổ chức, trong đó người dùng cung cấp chứng chỉ dựa trên những nút khác mà nó quen biết. Mỗi người dùng duy trì một cơ sở dữ liệu về các chứng chỉ nội bộ. Khi hai người dùng muốn xác nhận khóa công khai của bên kia, họ kết hợp cơ sở dữ liệu chứng chỉ nội bộ của họ và cố gắng tìm kiếm (trong cơ sở dữ liệu đã được kết hợp) các chuỗi chứng nhận phù hợp để có thể thực hiện việc chứng nhận. Trong các mô hình dựa trên chứng chỉ này, các phụ phí truyền thông để trao đổi các chứng chỉ trong mạng là tương đối lớn đối với các mạng ad hoc với băng thông hạn chế.

7.5. Các giao thức định tuyến an toàn

7.5.1. Các mô hình tấn công lớp mạng [9]

Nhiều giao thức định tuyến trong mạng sensor khá đơn giản, do đó đôi khi chúng dễ bị tấn công theo các cách đã được mô tả nghiên cứu về định tuyến trong mạng ad hoc, và hầu hết các cuộc tấn công ở lớp mạng lên mạng ad hoc rơi vào một trong các loại sau:

 Thông tin định tuyến giả mạo, bị chỉnh sửa, hoặc lặp lại;

 Chuyển tiếp có chọn lọc;

 Các cuộc tấn công sinkhole;

174

Chương 7: An Ninh Trong Mạng Ad hoc

 Các cuộc tấn công Sybil;

 Tấn công wormhole;

 Tấn công hố đen;

 Các cuộc tấn công tràn lụt bản tin HELLO;

 Giả mạo thông báo xác nhận.

Các loại tấn công này hoặc là nhằm thay đổi trực tiếp dữ liệu người dùng hoặc tác động

lên topology định tuyến cho các gói tin. Các loại tấn công sẽ lần lượt được mô tả dưới đây.

7.5.1.1. Thông tin định tuyến giả mạo, bị chỉnh sửa, hoặc phát lại

Hầu hết các cuộc tấn công trực tiếp lên giao thức định tuyến đều nhắm tới thông tin định tuyến được trao đổi giữa các nút. Bằng cách giả mạo, chỉnh sửa hay phát lại thông tin định tuyến, đối phương có thể tạo ra các vòng lặp định tuyến, hút hoặc đẩy lưu lượng mạng đi, kéo dài hay rút ngắn các tuyến nguồn, tạo ra các bản tin lỗi sai, phân mảnh mạng, làm tăng trễ đầu cuối v.v...

7.5.1.2. Chuyển tiếp có chọn lọc

Các mạng đa chặng thường dựa trên giả thiết là các nút tham gia sẽ chuyển tiếp bản tin nhận được một cách trung thực. Trong cuộc tấn công chuyển tiếp có chọn lọc, các nút gây hại có thể từ chối chuyển tiếp các bản tin nhất định và loại bỏ chúng, do đó khiến chúng không được truyền đi tiếp. Biểu hiện đơn giản của loại tấn công này là nút gây hại hoạt động như một lỗ đen và từ chối chuyển tiếp các gói mà nó bắt được. Tuy nhiên, các cuộc tấn công kiểu này phải chấp nhận rủi ro là các nút hàng xóm sẽ nhận ra nút tấn cộng gặp lỗi và quyết định tìm kiếm tuyến khác. Một biểu hiện khó thấy hơn của loại tấn công này là khi kẻ gây hại chuyển tiếp các gói tin một cách chọn lọc. Khi kẻ gây hại mong muốn chặn hoặc chỉnh sửa các gói tín được gửi từ một vài nút đã được chọn cũng có thể chuyển tiếp chính xác các lưu lượng dữ liệu khác để hạn chế bị nghi ngờ.

Các cuộc tấn công chuyển tiếp có chọn lọc thường gây nhiều ảnh hưởng nhất khi mà kẻ tấn công được đưa vào đường truyền của luồng dữ liệu. Tuy nhiên, nếu kẻ gây hại có thể nghe trộm luồng dữ liệu đi qua các nút hàng xóm cũng có thể tạo ra một cuộc tấn công tương tự như chuyển tiếp có chọn lọc bằng cách phá sóng hay gây xung đột cho các gói được chuyển tiếp mà nó quan tâm. Cơ chế của hành động này thường khó thực hiện, và gần như bất khả thi. Do đó, thường kẻ tấn công chuyển tiếp chọn lọc sẽ bám theo đường truyền ít được bảo vệ nhất và cố gắng đặt mình trên đường truyền trên thực tế của luồng dữ liệu. Trong hai mục tiếp theo sẽ mô tả cơ chế tấn công sinkhole và Sybil, hai cơ chế mà kẻ tấn công sử dụng để được đặt vào đường truyền của luồng dữ liệu đích.

175

Chương 7: An Ninh Trong Mạng Ad hoc

7.5.1.3. Các cuộc tấn công sinkhole

Trong cuộc tấn công sinkhole, mục đích của kẻ gây hại là hút gần như toàn bộ lưu lượng của một vùng đặc biệt trên nút bị chiếm quyền điều khiển, tạo ra một lỗ hổng (sinkhole). Bởi các nút nằm trên hoặc gần đường truyền thực tế của các gói tin có nhiều cơ hội thay đổi dữ liệu của các ứng dụng, nên các cuộc tấn công sinkhole có thể cho phép nhiều cuộc tấn công dạng khác ký sinh theo nó (ví dụ, chuyển tiếp có chọn lọc).

Các cuộc tấn công sinkhole thường hoạt động bằng cách làm cho một nút bị chiếm quyền có vẻ có nhiều lợi điểm hơn với các nút xung quanh khi tính toán đường truyền (tức là khi thực hiện việc định tuyến). Ví dụ, kẻ tấn công có thể giả mạo hoặc phát lại một bản tin quảng bá về đường truyền với chất lượng vô cùng tốt tới trạm gốc. Một số giao thức có thể xác minh chất lượng của tuyến đó bằng cách sử dụng các thông báo xác nhận (ACK) giữa hai đầu cuối bao gồm các thông tin về độ tin cậy hoặc độ trễ. Trong trường hợp này, kẻ tấn công với một laptop có bộ phát công suất cao có thể thực sự cung cấp được đường truyền chất lượng cao bằng cách phát sóng với công suất đủ để tới trạm gốc trên một chặng, hoặc sử dụng tấn công wormhole (sẽ được thảo luận trong mục 7.5.1.5). Do nút bị chiếm quyền có thể cung cấp tuyến chất lượng cao (có thể thực hoặc ảo), có khả năng cao là các nút hàng xóm của kẻ tấn công sẽ chuyển tiếp các gói tin cho trạm gốc qua kẻ tấn công, và cũng quảng bá tuyến có chất lượng cao này tới các hàng xóm của nó. Hệ quả là, kẻ tấn công tạo ra một “vùng ảnh hưởng” lớn, thu hút được tất cả lưu lượng có đích là trạm gốc từ các nút cách nút tấn công một vài (hay nhiều) chặng.

Một động cơ để lựa chọn tấn công sinkhole là nó khiến cho chuyển tiếp có chọn lọc trở nên quá sơ khai, vìbằng cách đảm bảo rằng toàn bộ lưu lượng của vùng bị tấn công chạy qua nút bị chiếm quyền, kẻ tấn công có thể chặn hoặc chỉnh sửa các gói tin được gửi từ bất cứ nút nào trong mạng.

Cần lưu ý rằng các mạng ad hoc ở dạng mạng sensor rất dễ bị tấn công kiểu sinkhole bởi mô hình truyền thông đặc trưng của chúng. Do tất cả các gói tin cùng chia sẻ một đích cuối (trong các mạng chỉ có một trạm gốc), nút tấn công chỉ cần cung cấp một tuyến chất lượng cao (có thể thật hoặc giả) đến trạm gốc là có thể tác động đến nhiều nút còn lại.

7.5.1.4. Tấn công Sybil

Trong một cuộc tấn công Sybil, một nút đơn đưa ra nhiều nhận dạng (ID) tới các nút khác trong mạng. Tấn công Sybil có thể giảm đáng kể hiệu quả của các mô hình chịu được lỗi, như là bộ lưu trữ phân tán [10], định tuyến phát tán [11], đa đường [12], và duy trì topology [13, 14]. Các bản sao, các phân vùng lưu trữ, hoặc những tuyến tin dùng các nút tách rời, trên thực tế có thể đang bị tấn công bởi cùng một kẻ gây hại duy nhất nhưng tự nó lại đưa ra nhiều nhận dạng khác nhau cho các nạn nhân khác nhau.

176

Chương 7: An Ninh Trong Mạng Ad hoc

Hình 7.1: Tấn công Sybi

Các cuộc tấn công Sybil cũng gây ra những tác hại lớn tới các giao thức định tuyến địa lý. Việc đinh tuyến dựa theo vị trí thường đòi hỏi các nút trao đổi thông tin tọa độ với các hàng xóm để định tuyến địa lý các gói có địa chỉ một cách hiệu quả. Chúng ta có thể kỳ vọng một nút sẽ chỉ chấp nhận một tập tọa độ đơn nhất từ một hàng xóm của nó, nhưng nếu sử dụng tấn công Sybil, kẻ gây hại có thể “tồn tại ở nhiều hơn một vị trí tại cùng một thời điểm ”.

Trong ví dụ ở hình 7.1, một nút giả mạo AD lộ ra với nhiều danh tính. AD sẽ là nút E đối với nút K, là nút K đối với nút E và là nút H đối với nút C vì vậy khi K muốn giao tiếp với E nó sẽ gửi tin nhắn tới nút AD

7.5.1.5. Tấn công Wormhole

Trong cuộc tấn công wormhole, kẻ gây hại truyền gói tin nhận được tại một đầu của mạng trên một đường hầm (tunnel) có độ trễ thấp và phát lại chúng trên phần khác của mạng (cụ thể, các gói tin được truyền qua wormhole giữa hai nút phải có trễ thấp hơn so với việc truyền gói tin này khi sử dụng các tuyến đa chặng khác giữa hai nút đó). Ví dụ đơn giản nhất của loại tấn công này là một nút đơn nằm giữa hai nút khác và chuyển tiếp bản tin giữa chúng. Tuy nhiên, các cuộc tấn công wormhole thường bao gồm hai nút độc hại ở xa nhau cùng thông đồng để báo cáo sai khoảng cách giữa chúng bằng cách chuyển tiếp các gói tin trên một kênh ngoại biên (out of bound channel) chỉ khả dụng cho kẻ tấn công.

177

Chương 7: An Ninh Trong Mạng Ad hoc

Hình 7.2: Tấn công wormhole

Kẻ tấn công ở gần trạm gốc có thể phá vỡ hoàn toàn việc định tuyến bằng các tạo ra một wormhole có vị trí tốt. Kẻ gây hại có thể làm cho các nút cách trạm gốc nhiều chặng tin rằng chúng chỉ cách trạm gốc một hoặc hai chặng khi qua wormhole. Điều này có thể tạo ra một sinkhole: do kẻ gây hại tại đầu xa của wormhole có thể cố tình cung cấp thông tin giả về một tuyến chất lượng cao tới trạm gốc, toàn bộ lưu lượng tiềm năng ở vùng xung quanh sẽ bị hút qua nó nếu các tuyến còn lại có chất lượng kém hơn đáng kể. Điều này có khả năng cao rơi vào trường hợp mà của wormhole tương đối xa trạm gốc. Hình 7.2 đưa ra một ví dụ về wormhole được sử dụng để tạo một sinkhole.

Nói chung, các wormhole có thể bị sử dụng để khai thác các tình huống tương tranh định tuyến (routing race conditions.) Tình huống tương tranh định tuyến thường phát sinh khi một nút thực hiện hành động dựa trên phiên bản đầu tiên của bản tin mà nó nhận và sau đó lờ đi các phiên bản khác của cùng bản tin đó. Trong tình huống này, kẻ gây hại có thể tác động lên topo mạng được tạo ra nếu nó có thể khiến cho các nút nhận được thông tin định tuyến nào đó sớm hơn so với trường hợp khi đi qua định tuyến multichặng. Các wormhole là một cách thức để thực hiện điều này, và rất hiệu quả, thậm chí nếu thông tin định tuyến được nhận thực hoặc mật mã hóa. Các wormhole cũng có thể được dùng để thuyết phục hai nút ở nhau xa rằng chúng là hàng xóm bằng cách chuyển tiếp các gói tin giữa chúng.

178

Chương 7: An Ninh Trong Mạng Ad hoc

Các cuộc tấn công wormhole có thể dùng kết hợp với chuyển tiếp có chọn lọc hay nghe

trộm. Việc phát hiện trở nên khó khăn khi sử dụng kết hợp với tấn công Sybil.

7.5.1.6. Tấn công Hố đen

Đây là cuộc tấn công định tuyến đơn giản nhất trong mạng cảm biến không dây. Trong cuộc tấn công hố đen (black hole) này kẻ tấn công “ nuốt “ tất cả những thông tin mà nó nhận được.

Tùy vào địa điểm mà cuộc tấn công sẽ gây ra ảnh hưởng khác nhau trên mạng. Nếu kẻ tấn công nằm gần trạm gốc thì thông thường tất cả lưu lượng từ các nút ở xa đều sẽ được định tuyến qua kẻ tấn công, điều này dẫn đến việc phá vỡ thông tin liên lạc giữa trạm gốc và các nút ở xa. Còn nếu kẻ tấn công nằm ở ngoài rìa của mạng thì sẽ giảm được số nút giao tiếp với nó, vì vậy sẽ hạn chế được những thiệt hại do cuộc tấn công gây ra.

Cuộc tấn công này có thể được ngăn chặn nếu tìm được cơ chế thể ngăn chặn được nút

Hình 7.3: Tấn công lỗ đen.

độc hại tham gia vào mạng. Giai đoạn thiết lập mạng cần được thực hiện một cách an toàn.

Hình 7.3 mô tả một cuộc tấn công lỗ đen. Trong đó BH là nút lỗ đen độc hại. Trong trường hợp này nút tấn công này nằm gần trạm gốc vì vậy nó thu hút được hầu hết các lưu lượng

179

Chương 7: An Ninh Trong Mạng Ad hoc

tới trạm gốc từ tất cả các nút trong mạng. Khi nhận được dữ liệu từ các nút này thay vì việc chuyển tiếp đến trạm gốc thì nó sẽ loại bỏ hết các dữ liệu đó.

7.5.1.7. Tấn công tràn lụt bản tin HELLO

Nhiều giao thức định tuyến trong mạng ad hoc đòi hỏi các nút phát quảng bá các gói HELLO để thông báo về bản thân tới các nút lân cận, và một nút nhận được gói tin đấy có thể cho rằng nó nằm trong khoảng cách thu phát vô tuyến của người gửi. Giả thiết này có thể là sai: kẻ tấn công với laptop phát quảng bá thông tin định tuyến và thông tin khác với công suất vừa đủ có thể thuyết phục các nút khác trong mạng là nút độc hại chính là nút lân cận.

Ví dụ, một kẻ tấn công quảng bá một tuyến chất lượng rất cao tới trạm gốc tới tất cả các nút khác trong mạng có thể khiến nhiều nút cố gắng sử dụng tuyến này, nhưng thông tin được chuyển tiếp qua nút độc hại này sẽ bị nó loại bỏ. Mạng sẽ bị rơi vào trạng thái rối loạn. Một nút nhận ra đường truyền qua nút độc hại bị hỏng cũng không có nhiều lựa chọn: tất cả hàng xóm của nó có thể cũng có thể đang cố chuyển tiếp các gói tin (có thể bao gồm cả các gói tin từ nút đó) tới nút độc hại. Các giao thức phụ thuộc vào trao đổi thông tin nội bộ giữa các nút lân cận để duy trì topology hay điều khiển luồng cũng là đối tượng của dạng tấn công này.

Kẻ tấn công không cần thiết phải tạo ra lưu lượng thật khi sử dụng tấn công tràn HELLO. Nó có thể đơn thuần phát quảng bá lại các gói tin mào đầu với công suất đủ để tất cả các nút trong mạng nhận được. Tràn lụt HELLO có thể cũng coi là các wormhole một chiều sử dụng phát quảng bá.

Chú ý là “Tràn lụt” thường được sử dụng để biểu thị sự truyền lan cấp số nhân của một bản tin tới tất cả các nút trong mạng trong topo mạng đa chặng. Ngược lại, tấn công tràn lụt HELLO chỉ sử dụng phát quảng bá một chặng đơn để truyền một bản tin tới nhiều máy thu.

7.5.1.8. Giả mạo thông báo xác nhận

Nhiều thuật toán định tuyến mạng sensor dựa trên các thông báo xác nhận (ACK) lớp liên kết (các báo nhận này có thể gửi bằng một gói riêng biệt hoặc được truyền kèm theo với các thông tin khác.) Do đặc tính cố hữu của môi trường vô tuyến quảng bá, kẻ tấn công có thể giả mạo các báo nhận lớp liên kết cho các gói tin “mào đầu” gửi tới các nút lân cận. Mục đích là thuyết phục người gửi rằng một đường truyền kém là tốt, hoặc là trạng thái của một nút đã chết hay không khả dụng là đang hoạt động. Ví dụ, giao thức định tuyến có thể chọn ra chặng kế tiếp trên đường truyền bằng cách sử dụng độ tin cậy của liên kết. Tạo ra thông tin giả mạo cho các liên kết kém hoặc chết là một cách tác động tinh vi đối với mô hình này. Do các gói tin được gửi trên liên kết chất lượng kém hoặc chết sẽ bị thất lạc, kẻ gây hại có thể tạo ra một cách hiệu quả một cuộc tấn công chuyển tiếp có chọn lọc sử dụng giả mạo thông báo nhận bằng cách khuyến khích các nút đích gửi các gói tin trên những liên kết này.

180

Chương 7: An Ninh Trong Mạng Ad hoc

7.5.2. Các giao thức định tuyến an toàn

Có rất nhiều thuật toán và giao thức được đề xuất để thực hiện các loại phương thức định tuyến an toàn khác nhau trong mạng vô tuyến. Dưới đây là tóm tắt các đề xuất cho mạng sensor vô tuyến [15], tuy nhiên do các giải pháp này không đặt ra hạn chế cụ thể nào về thiết bị hoặc truyền dẫn mà chỉ có một tiền đề là tài nguyên của thiết bị đầu cuối là rất hạn chế, nên có thể áp dụng chung cho mạng ad hoc nói chung.

Tài liệu [16] nghiên cứu về các cuộc tấn công DoS với các lớp khác nhau trong chồng giao thức của nút cảm biến. JAM [17 trình bày một giao thức bản đồ cho phép phát hiện vùng bị làm nghẽn trong mạng sensor và cho phép tránh các vùng bị lỗi để tiếp tục định tuyến trong mạng, do đó xử lý được các cuộc tấn công DoS gây ra bởi việc gây nghẽn sóng (jamming).

Trong tài liệu [18] các tác giả đề xuất việc sử dụng wormhole, thường được coi là có gây hại cho mạng WSN, làmcơ chế phòng chống phản ứng (reactive defense) một cách hiệu quả để chống lại các cuộc tấn công DoS kiểu gây nghẽn.

Ye [19] đưa ra cơ chế lọc thống kê trên đường đi của gói (statistical en-route filtering - SEF) để phát hiện ra việc các thông tin giả được đưa vào mạng sensor, và tập chung chủ yếu vào cách thức lọc bỏ các gói tin giả sử dụng bí mật tập thể và từ đó ngăn chặn khả năng bất kỳ nút đơn lẻ bị chiếm quyền nào có thể làm sập cả mạng. SNEP và µTESLA [20] là hai khối cơ bản trong việc xây dựng khả năng bảo mật, chống phát lại và nhận thực quảng bá. TinySec [21] cung cấp một cơ chế an ninh lớp liên kết cho mạng sensor, sử dụng một giao thức mã hóa khóa đối xứng hiệu quả. Newsome [22] đề xuất một số cơ chế phòng ngự chống lại tấn công Sybil trong mạng sensor. Kulkarni [23] phân tích các vấn đề trong việc gán các bí mật ban đầu cho các người dùng trong mạng ad hoc để đảm bảo việc nhận thực và bảo mật trong quá trình truyền thông và chỉ ra một số phương pháp để chia sẻ khóa bí mật. [24] trình bày giao thức chia sẻ khóa bí mật theo xác xuất để chống lại các cuộc tấn công tràn ngập bản tin Hello. Mô hình này sử dụng các kỹ thuật xác nhận hai chiều và cũng đưa ra kỹ thuật định tuyến nhiều đường và nhiều trạm gốc trong trường hợp xác nhận hai chiều không đủ để chống lại cuộc tấn công. REWARD [25] là một thuật toán định tuyến nhằm chống lại tấn công dạng blackhole trong mạng. Tài liệu [26] đề xuất các mô hình an ninh khác nhau cho dữ liệu với các mức độ nhạy cảm khác nhau và một mô hình dựa trên vị trí cho các mạng sensor để bảo vệ phần còn lại của mạng ngay cả khi một phần mạng đã bị chiếm quyền. Các tác giả của tài liệu [27] sử dụng các thuật toán mật mã hóa khóa đối xứng với khóa bí mật sẽ được cung cấp cho nút với độ trễ nhất định để thiết lập các kênh truyền thông an ninh giữa trạm gốc và các seonsor ở trong vùng phủ sóng của trạm gốc. [28], [29], [30] và [31] cung cấp các mô hình phân phối khóa trước nhằm mục đích tăng khả năng chống lỗi và tấn công của mạng. Bảng 7.1 tóm tắt các mô hình an ninh ở trên cùng với các đặc trưng chính của chúng.

181

Bảng 7.1: Tóm tắt các mô hình an ninh cho mạng sensor vô tuyến

Chương 7: An Ninh Trong Mạng Ad hoc

Kiến trúc mạng Các tính năng chính Mô hình an ninh Loại tấn công chống được

JAM [17] Tấn công DoS (Jamming) Các mạng truyền thống Tránh việc bị nghẽn sóng (jamming) bằng việc kết hợp các nút lân cận

Các mạng sensor

lai ghép (chủ yếu Dựa trên Tấn công DoS Sử dụng wormhole để khắc phục việc là mạng vô tuyến, wormhole (Jamming) bị nghẽn sóng một phần là mạng [18]

hữu tuyến )

Mạng có số lượng Lọc thống

lớn các nút, mật kê trên Giả mạo thông tin Phát hiện và loại bỏ các báo cáo giả độ nút vô tuyến đường đi trong quá trình chuyển tiếp gói tin. cao của gói [19]

Kiểm tra tài

nguyên vô

Sử dụng tài nguyên vô tuyến, phân tuyến, Phân

Các mạng truyền phối trước các khóa ngẫu nhiên, các phối trước Tấn công Sybil thống thủ tục đăng ký, xác nhận vị trí và các khóa

Mã để phát hiện các thực thể Sybil ngẫu

nhiên,v.v…

[22]

Xác nhận

Mạng sensor vô Sử dụng chia sẻ khóa bí mật theo xác hai chiều, Tấn công tràn ngập tuyến truyền xuất, sử dụng xác nhận song hướng Định tuyến bản tin Hello thống và định tuyến đa đường đa trạm gốc đa đường

đa trạm gốc

182

Chương 7: An Ninh Trong Mạng Ad hoc

[24]

An ninh Mạng sensor vô Quản lý tài nguyên hiệu quả, bảo vệ Giả mạo dữ liệu và trong tuyến truyền mạng ngay cả khi một phần mạng bị thông tin truyền thống chiếm quyền thông [26]

Dựa trên mật mã hóa đối xứng, Yêu

Tấn công wormhole Mạng sensor vô cầu đồng bộ thời gian một cách chính

tuyến truyền xác giữa các bên tham gia trao đổi TIK [27] Giả mạo dữ liệu và

thống thông tin, thi hành các hạn chế tạm thông tin

thời

Khóa ngẫu Giả mạo dữ liệu và Cung cấp khả năng chống lỗi cho nhiên phân thông tin, tấn công Mạng sensor vô mạng, bảo vệ mạng ngay cả khi một phối trước vào thông tin đang tuyến truyền phần mạng bị chiếm quyền điều

được chuyển tiếp thống khiển, cung cấp các phương pháp [28], [30],

trong mạng nhận thực cho các nút cảm biến [31]

Thích hợp cho các mạng sensor vô Mạng sensor vô

tuyến cỡ lớn và cần phải thêm hoặc tuyến phân tán, Cơ chế bớt các sensor (tức là số lượng sensor Giả mạo dữ liệu và các mạng các phân phối thay đổi) trong quá trình hoạt động thông tin mạng sensor vô khóa [29] tuyến cỡ lớn và Chống lại được việc bị kẻ tấn công

hay thay đổi chiếm mất sensor nút

Sử dụng định tuyến theo địa lý, tận Tấn công blackhole Mạng sensor vô REWARD dụng cách phát quảng bá inter-radio tuyến truyền [25] để giám sát truyền dẫn của nút lân thống cận và phát hiện ra các tấn công

183

Chương 7: An Ninh Trong Mạng Ad hoc

black hole

Giả mạo dữ liệu và Mạng sensor vô Tập trung vào việc cung cấp nhận TinySec thông tin, tấn công tuyến truyền thực, kiểm tra toàn vẹn và bảo mật [21] phát lại bản tin thống bản tin, hoạt động trong lớp 2

Giả mạo dữ liệu và Mạng sensor vô An ninh ng ninh s, nhận thực dữ liệu, SNEP &

thông tin, tấn công tuyến truyền bảo vệ khỏi phát lại, phí tổn truyền µTESLA

phát lại bản tin thống thông thấp [20]

184

Chương 7: An Ninh Trong Mạng Ad hoc

7.5.3. Định tuyến thống kê ngẫu nhiên

Trong phần này sẽ trình bày về đề xuất định tuyến thống kê ngẫu nhiên, kết hợp giữa định tuyến và lập biểu. Trong định tuyến đường ngắn nhất (shortest-path), đoạn đường ngắn nhất từ nút nguồn tới nút đích luôn được chọn với xác xuất cao để định tuyến gói tin. Do đó, đường đi sẽ được xác định dễ dàng nếu mọi phần tử đều có thông tin về giao thức định tuyến và giá của kết nối hoặc nút, do đó mạng rất dễ bị tất công. Định tuyến thống kê ngẫu nhiên được thiết kế để giảm bớt xác xuất đoán đúng được một tuyến nhất định. Giả sử là các tuyến được chọn để định tuyến một bản tin không tạo thành một vòng lặp. Trong định tuyến thống kê ngẫu nhiên, với mỗi liên kết e gắn với một nút u, sẽ có một xác xuất pe là liên kết e = (u,v)

sẽ được chọn để định tuyến bản tin tới u. Rõ ràng là , trong đó (u, v) để chỉ đường kết nối từ nút u tới nút v. Theo cách này, xác xuất kẻ tấn công có thể chọn đúng đường định tuyến sẽ được giảm thiểu rất nhiều. Vấn đề tiếp theo là chọn giá trị xác xuất pe thích hợp để cam kết được một mức độ an ninh nào đó bất chấp mọi chiến lược tấn công có thể sử dụng các tài nguyên hạn chế dùng cho việc tấn công.

Các mạng vô tuyến tạo ra một số thách thức mới và đồng thời là một số cơ hội mới cho việc thiết kế một chính sách định tuyến hình yên ngựa. Thách thức xuất hiện từ việc việc can nhiễu vô tuyến thường làm cho bài toán định tuyến tối ưu trở thành bài toán NP-cứng (NP-hard) trong khi bài toán tương tự trong mạng hữu tuyến là dạng thời gian đa thức có thể giải được. Một ví dụ điển hình của bài toán này là tìm thông lượng lớn nhất sử dụng một tuyến đa đường giữa một cặp nút, có thể tham khảo thêm Alicherry [33] và W. Wang [34]. Tài liệu [35] xem xét các mạng vô tuyến đa chặng, đa kênh và giả thiết rằng người xây dựng chính sách định tuyến có thể tối ưu đồng thời định tuyến đa đường, đường liên kết, và lập biểu kênh. Trong nghiên cứu này, mỗi nút chỉ có một giao diện vô tuyến vì thông thường đa số các nút vô tuyến chỉ có một card giao tiếp mạng. Với lập biểu đường truyền, các tác giả sử dụng TDMA đồng bộ hóa vì phương thức này cho băng thông cao hơn so với phương thức CSMA dựa trên xung đột (xem thêm tài liệu [33];[36];[34]). Cần chú ý là lập biểu cho các đường truyền dựa trên TDMA gây ra một số hao phí và khó khăn ví dụ như việc đồng bộ thời gian giữa các nút. Y.Wu [35] sử dụng lập biểu TDMA cho đường truyền- kênh để tìm hiểu mô hình lập biểu tốt nhất mà hệ thống có thể đạt được trong trường hợp bị tất công một các khủng khiếp nhất. Để đơn giản hóa vấn đề, nghiên cứu này đặt giả thiết là kẻ tấn công có thể biết được chiến lược sử dụng bởi người lập chiến lược định tuyến và ngược lại.

Giả sử là cả kẻ tấn công và người lên chiến lược định tuyến có thể tính toán một cách hiệu quả lợi ích của riêng mình dựa trên chiến lược của cả hai bên (đã biết trước). Với kẻ tấn công, mục tiêu của nó là giảm số lượng gói đến nút đích bằng cách làm hỏng gói, loại bỏ (drop) gói, thêm gói rác vào mạng, nghe lén gói và tương tự, trong khi người lên chính sách định tuyến cố gắng thiết lập một chính sách định tuyến để giảm hoặc ngăn chặn các tấn công ác ý đó, và qua đó làm tăng thông lượng hữu ích của mạng. Giả gửi là có hai loại tấn công trong mạng: tấn công có loại bỏ gói và tấn công không loại bỏ gói. Trong tấn công không loại

185

Chương 7: An Ninh Trong Mạng Ad hoc

bỏ gói, kẻ tấn công cố gắng nghe lén một số nút hoặc một số đường truyền, tức là khiến cho thông tin gói bị rò rỉ, hoặc là kẻ tấn công có thể sửa đổi một số gói tin và tạo ra các gói vô giá trị cho nút đích. Từ đó, chính sách định tuyến được thiết kế để giảm bớt số lượng gói rác tạo ra bởi kẻ tấn công. Trong tấn công có loại bỏ gói, kẻ tấn công sẽ thêm vào một số gói ác ý, làm nghẽn mạng, hoặc loại bỏ gói trong mạng để giảm thiểu số lượng gói chứa thông tin đúng tới đích, do đó yêu cầu với chính sách định tuyến là phải giảm thiểu ảnh hưởng của cuộc tấn công ác ý trong mạng. Tức là, chính sách định tuyến phải tối đa hóa được số lượng các gói tin gốc chuyển đến được nút đích. Cho trước một chiến lược tấn công α (số lượng link sẽ bị tấn công) và luồng gói tin được định tuyến ℓ (lưu lượng gán cho từng link) bởi chính sách định tuyến, thông lượng thực τ (α, ℓ) được định nghĩa là số lượng các gói tin gốc được gửi đến nút đích.

Giả sử để tấn công link e với nỗ lực αe, kẻ tấn công sẽ phải tốn chi phí là αeCeHe đơn vị chi phí, với Ce là dung lượng của link, và He là chi phí tấn công một đơn vị dữ liệu trên link e. Giả sử là kẻ tấn công có ngân sách là B. Chính sách định tuyến phải xác định lương lượng tải ℓe cho từng link e trên mạng, với ℓe < Ce. Đồng thời, từng luồng thông tin phải có thể lập biểu được theo TDMA, tức là bộ lập biểu Xe,t,f sẽ thiết lập tại thời điểm của khe thời gian t thì

kênh f của link e sẽ được sử dụng), và luồng dữ đạt được là phải có tải ít nhất bằng ℓe, với Ce,f là dung lượng của link e sử dụng kênh f và T là thời gian được lập biểu.

Chính sách định tuyến hình yên ngựa sẽ tìm ra một tuyến đa-đường và biểu đường truyền tương ứng, và tuyến này sẽ có tổng thông lượng thực trong cả hai mô hình tấn công: có- và không có- loại bỏ gói tin nằm trong một hằng số so với giá trị tối ưu trong trường hợp phía lập chính sách định tuyến có năng lực tính toán là vô tận [35].

7.6. Tổng kết chương 7

Vấn đề an ninh bảo mật thông tin là đặc tính quan trọng của tất cả các loại mạng. Do đặc trưng của truyền dẫn vô tuyến trong môi trường hở, vấn đề an ninh bảo mật càng trở nên cấp thiết, đồng thời việc bảo mật cũng khó khăn hơn. Ngoài vấn đề về truyền dẫn vô tuyến, việc đảm bảo an ninh của mạng ad hoc còn gặp khó khăn khác về việc topo mạng có thể thay đổi một cách tùy ý, do đó các nút trung gian làm nhiệm vụ định tuyến lưu lượng cũng thay đổi và không dự đoán trước được, đồng thời các CA cũng thường là không tồn tại, làm cho việc quản lý và trao đổi khóa trở nên khó khăn hơn. Đồng thời, việc khó nhận thực được các nút chuyển tiếp trung gian cũng làm cho mạng adhoc cũng có thể bị tấn công dưới rất nhiều hình thức khác nhau, đặc biệt là có nhiều phương thức tấn công vào lớp 3 chỉ tồn tại trong mạng ad hoc.

Phần đầu của chương 7 mô tả các yêu cầu về an ninh cho mạng ad hoc. Tuy các yếu tố này là tổng quát cho các mạng truyền thông nói chung, nhưng trong phần này các yêu cầu

186

Chương 7: An Ninh Trong Mạng Ad hoc

được phân tích dựa trên đặc điểm riêng của mạng ad hoc, trong đó các khác biệt chủ yếu là từ tính di động và tài nguyên hạn chế của các nút mạng.

Tiếp theo, các thách thức an ninh đặc trưng của mạng ad hoc được trình bày và phân tích một cách chi tiết. Các tấn công trong mạng ad hoc xảy ra do việc nhận thực các nút là rất khó khăn, do trong mạng ad hoc thường không có một thực thể CA nào tồn tại để nhận thực một cách tập trung các nút, vì vậy các nút thường phải được phân phối trước các khóa bí mật của các nút mà nó sẽ liên lạc tới hoặc một phần của khóa bí mật chung. Việc phân phối khóa trước thường là phức tạp và đôi khi là bất khả thi, nhất là trong mạng có số lượng nút lớn. Vì việc nhận thực là khó, đồng thời các nút mạng lại di chuyển khiến cho topo mạng thay đổi, do đó rất khó định tuyến được một đường đi an toàn trong thời gian dài cho dữ liệu.

Nhằm hỗ trợ cho việc nhận thực các nút mạng để giảm thiểu các nguy cơ về an ninh, mục 7.4 mô tả một số phương pháp phân phối khóa mã hóa bí mật đối xứng và bất đối xứng trong mạng ad hoc. Các phương pháp phân phối khóa trước thường được sử dụng trong mạng ad hoc.

Các thách thức an ninh cũng sẽ tạo ra một số nguy cơ về tấn công xâm hại an ninh, và được trình bày trong mục 7.5. Các nguy cơ này bao gồm từ làm lộ bí mật đến từ chối dịch vụ, từ mất dữ liệu đến thêm dữ liệu giả vào đường truyền. Mục 7.5 cũng đề cập đến một số kỹ thuật được đưa ra để khắc phục các nguy cơ an ninh nêu trên, nhằm giúp bảo vệ các mạng ad hoc vô tuyến từ các mối đe dọa bên ngoài cũng như các mối đe dọa an ninh nội bộ. Chi tiết về giao thức định tuyến thống kê ngẫu nhiên cũng được thảo luận chi tiết trong mục này.

Thông thường không có một giải pháp tổng quát cho vấn đề đảm bảo an ninh cho mạng ad hoc, mà để thiết kế các giải pháp an ninh hợp lý, thì cần phải hiểu rõ về mô hình mạng và mô hình tấn công mạng. Thêm vào đó, các giải pháp an ninh bao giờ cũng tạo ra các phụ phí cả về lưu lượng và xử lý. Do đó, cần phải đặc biệt chú ý tới khả năng của các thiết bị vô tuyến bị hạn chế về mặt tài nguyên, ví dụ hạn chế về mặt bộ nhớ, khả năng tính toán, khả năng truyền thông và năng lượng, khi tính toán thiết kế một giải pháp an ninh cho mạng ad hoc. Khả năng điều tiết giữa các hạn chế về tài nguyên với yêu cầu về mức độ an ninh và chất lượng hoạt động của hệ thống là một hướng tiếp cận hợp lý cho các mạng vô tuyến dùng cho các nhiệm vụ quan trọng.

7.7. Câu hỏi và bài tập chương 7

7. 1. Mật mã hóa đối xứng có hỗ trợ được tính năng chống từ chối không? Tại sao?

7. 2. Một bản tin được mã hóa bằng mật mã hóa công khai sử dụng khóa bí mật (private

key) với mục đích gửi đi trên mạng cho một người nhận là A. Hỏi:

 Bản tin đó có tính bảo mật không?  Bản tin đó có tính chống từ chối không?

187

Chương 7: An Ninh Trong Mạng Ad hoc

7.3. Một bản tin được mã hóa bằng mật mã hóa công khai sử dụng khóa công khai (public key) với mục đích gửi đi trên mạng cho một người nhận là A. Hỏi:

 Bản tin đó có tính bảo mật không?  Bản tin đó có tính chống từ chối không?

7.4. Xây dựng mô hình đảm bảo tính toàn vẹn cho một bản tin M được gửi trên mạng,

sử dụng mật mã hóa đối xứng.

7.5. Xây dựng mô hình đảm bảo tính toàn vẹn cho một bản tin M được gửi trên mạng,

sử dụng mật mã hóa bất đối xứng.

7.6. Các mô hình quản lý khóa nào không hỗ trợ kết nối đầy đủ giữa các nút?

7.7. Tấn công hố đen ảnh hưởng đến các yếu tố an ninh nào?

7.8. Phân biệt giữa tấn công hố đen và tấn công sinkhole.

7.8. Tài liệu tham khảo chương 7

[1]. Xiang Yangli, Wireless Ad Hoc and Sensor Networks. 2008: Cambridge University Press.

[2] W. Du, et. al, Apairwise key pre-distribution scheme for wireless sensor networks. 2003:

10th ACM Conference on Computer and Communica tions Security (CCS)

[3] L. Eschenauer and V. D. Gligorm A key-management scheme for distributed sensor networks. 2002: 9th ACM Conference on Computer and Communications Security.

[4] W. Du, et. al, A key management scheme for wireless sensor networks using deployment

knowledge. 2004: IEEE INFOCOM.

[5] H. Chan, et. al., , 2003:Random key predistribution schemes for sensor networks. In IEEE

Symposium on Research in Security and Privacy

[6] Sudip Misra, S.C.M.a.I.W., Guide to Wireless Ad Hoc Networks. 2009: Springer.

[7] L. Zhou and Z.J. Haas. Securing Ad Hoc Networks.1999: IEEE Network Magazine.

[8] S. Capkun, L. Buttyan và J. P. Hubaux. Self-organized public-key management for

mobile ad hoc networks. 2003: IEEE Transactions on Mobile Computing.

[9] Chris Karlof và David Wagner, Secure routing in wireless sensor networks: Attacks and countermeasures, 2003: lsevier’s AdHoc Networks Journal, Special Issue on Sensor Network Applications and Protocols.

[10] M. Castro, B. Liskov, Practical byzantine fault tolerance, 1999: Symposium on

Operating Systems Design and Implementation, USENIX Association

[11] A. Banerjea, A taxonomy of dispersity routing schemes for fault tolerant real-time

channels, 1996:Proceedings of ECMAST

188

Chương 7: An Ninh Trong Mạng Ad hoc

[12] K. Ishida, Y. Kakuda, T. Kikuno, A routing protocol for finding two nút-disjoint paths in

computer networks, 1992, International Conference on Network Protocols.

[13] Y. Xu, J. Heidemann, D. Estrin, Geography-informed energy conservation for ad hoc International Conference Seventh Annual ACM/IEEE 2001:

routing, on Mobile Computing and Networking,.

[14] B. Chen, K. Jamieson, H. Balakrishnan, R. Morris, Span: an energy-efficient coordination algorithm for topology maintenance in ad hoc wireless networks, 2002: ACM Wireless Networks Journal

[15] Al-Sakib Khan Pathan , Security

in Wireless Sensor Networks: Issues and Challenges,2006: International Conference on Advanced Communication Technology (ICACT)

[16] Wood, A. D. và Stankovic, J. A., `, 2002: Computer Magazine, Volume 35

[17] Wood, A.D.,et. al., JAM: A Jammed-Area Mapping Service for Sensor Networks, 2003: IEEE Real-Time Systems Symposium [18] Cagalj, M., Capkun, S., and Hubaux, J-P., Wormhole-based Anti-Jamming Techniques in Sensor Networks”, 2006: IEEE Transactions on Mobile Computing

[19] Ye, F. et. al., Statistical en-route filtering of injected false data in sensor networks, 2005:

IEEE Journal on Selected Areas in Communications,

[20] Perrig, A., et. al, SPINS: Security Protocols for Sensor Networks, 2002: Wireless

Networks.

[21] Karlof, C.et. al., TinySec: a link layer security architecture for wireless sensor networks,

2004: International conference on Embedded networked sensor systems.

[22] J., Newsome, attack sybil The al., et. in

sensor networks: analysis & defenses, 2004: international symposium on Information processing in sensor networks, ACM

[23] Kulkarni, S. S.et. al., Secret instantiation in adhoc networks, 2005: Special Issue of Elsevier Journal of Computer Communications on Dependable Wireless Sensor Networks

[24] Hamid, M. A., et. al., Routing Security in Sensor Network: Hello Flood Attack and

Defense,2006: International Conference on Next-Generation Wireless Systems

[25] Karakehayov, Z., Using REWARD to detect team black-hole attacks in wireless sensor

networks", 2005: Workschặng on Real-World Wireless Sensor Networks

[26] Slijepcevic, S.et. al., On communication security in wireless ad hoc sensor networks, 2002: IEEE International Workschặngs on Enabling Technologies: Infrastructure for Collaborative Enterprises.

189

Chương 7: An Ninh Trong Mạng Ad hoc

[27] Hu, Y.-C. et. al.., Packet leashes: a defense against wormhole attacks in wireless

networks, 2003: IEEE INFOCOM 2003

[28] Chan, H, et. al, "Random key predistribution schemes for sensor networks, 2003: IEEE

Symposium on Security and Privacy

[29] Du, W., Deng, J., Han, Y. S., and Varshney, P. K., A pairwise key pre-distribution scheme for wireless sensor networks, 2003: ACM conference on Computer and communications security

[30] Oniz, C. C, , et. al., SeFER: Secure, Flexible and Efficient Routing Protocol for Distributed Sensor Networks, 2005: European Workschặng on Wireless Sensor Networks

[31] Eschenauer, L. và Gligor, V. D., A key-management scheme for distributed sensor

networks, 2002: ACM Conference on Computer and Communications Security

[32] J. Kong, et. al.,. Providing robust and ubiquitous security support for mobile ad hoc

networks. 2001: IEEE International Conference on Network Protocols

[33] Alicherry, M., et. al, Joint channel assignment and routing for throughput optimization

in multi-radio wireless mesh networks. 2005: ACM MobiCom ’05

[34] Wang,W., et. al, Efficient interference aware TDMA link scheduling for static wireless

mesh networks. 2006: ACM MobiCom

[35] Wu, Y., et. al. , Stochastic security in wireless mesh networks via saddle routing policy, 2007: International Conference onWireless Algorithms, System and Applications [36] Kumar, V. S. A, et. al., Algorithmic aspects of capacity in wireless networks, 2005: SIGMETRICS Performance Evaluation Review

190

Chương 8: Ứng Dụng và Hướng Phát Triển của Mạng Ad hoc

CHƯƠNG 8: ỨNG DỤNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA

MẠNG AD HOC

Nguyễn Quý Sỹ, Nguyễn Việt Hùng

8.1. Giới thiệu

Kết nối mạng ad hoc vô tuyến đã đạt được sự phát triển đáng kể trong thập kỷ gần đây. Do việc sử dụng Internet ngày càng tăng trong cuộc sống hàng ngày và do sự thành công của các hệ thống di động thứ hai, truyền thông dữ liệu vô tuyến đã có tiến bộ trong cả hai lĩnh vực công nghệ và sử dụng/sự thâm nhập. Điều này đã thu hút sự quan tâm của các cộng động nghiên cứu hướng tới tính toán và truyền thông (khắp) nơi nơi một cách thực sự. Như là một phần bổ sung cho truyền thông phạm vi rộng truyền thống, nhu cầu trao đổi dữ liệu trong phạm vi hẹp đang ngày càng tăng nhanh cho trao đổi thông tin người-máy cũng như trao đổi thông tin lời nói giữa con người diễn ra ở khoảng cách dưới 10m. Nhu cầu này yêu cầu sự trao đổi khối lượng dữ liệu lớn giữa các bên truyền thông.

Truyền thông vô tuyến có thể được triển khai nhanh và ở mức chi phí giảm đáng kể bằng các công nghệ vô tuyến (như là Bluetooth), các công nghệ vô tuyến này sử dụng các băng tần miễn cấp phép (không phải xin phép sử dụng tần số). Nhiều thiết bị tính toán và truyền thông, như là các bộ hỗ trợ số cá nhân (PDA) và các điện thoại di động, đã đạt được mức độ phổ biến rộng lớn nhờ giá giảm của chúng, tính năng di động và khả năng sử dụng trong phạm vi của một mạng ad hoc. Với sự tiến bộ không ngừng của công nghệ, các thiết bị này sẽ càng trở nên rae hơn và nhiều tính năng hơn.

Các mạng vô tuyến ad hoc là các mạng có các nút thường xuyên di chuyển, các mạng truyền thông đó có thể tự cấu hình và không dựa trên bất kỳ một hạ tầng cố định nào để truyền thông với nhau. Topo mạng (cấu hình mạng) thay đổi thường xuyên do bản chất cơ động cao của các nút. Do khoảng cách truyền dẫn bị giới hạn, các thiết bị di động trong các mạng này hoạt động như là máy chủ cũng như bộ định tuyến (router). Khi đích ở ngoài khoảng truyền dẫn trực tiếp của nguồn, nút nguồn cần sự trợ giúp của các nút trung gian để chuyển dữ liệu tới đích. Các mạng này có cấu hình động, có các kênh vô tuyến có dung lượng thay đổi bị giới hạn băng thông, có các thiết bị bị giới hạn năng lượng và có an ninh vật lý bị giới hạn. Do bản chất ad hoc của các mạng này, các mạng hữu ích cao cho các ứng dụng thương mại và quân sự. Cũng vậy, nhờ có hoạt động không có hạ tầng, các mạng này hữu ích đặc biệt để cung cấp hỗ trợ thông tin ở nơi không có sẵn hạ tầng thông tin hoặc hạ tầng thông tin trước đây đã bị phá hủy và việc thiết lập một hạ tầng mới là không thể. Chúng hữu ích đặc biệt trong các tình huống khẩn cấp, chăm sóc sức khỏe, kết nối mạng trong nhà, và các hoạt động khắc phục thảm họa.

Với nhu cầu ngày càng tăng về tốc độ và truy cập thông tin tin cậy, các mạng truyền thông đang đóng một vai trò chính trong xã hội của chúng ta. Nhờ các tiến bộ công nghệ hiện

191

Chương 8: Ứng Dụng và Hướng Phát Triển của Mạng Ad hoc

nay trong công nghệ thông tin và khả năng sử dụng dễ dàng của các thiết bị truyền thôn di động rẻ tiền, việc sử dụng các mạng truyền thông vô tuyến đã tăng lên nhanh chóng. Điều này đã tạo ra sự phát triển rất lớn các mạng vô tuyến và sự phát triển các ứng dụng mới cho các lạo mạng vô tuyến khác nhau. Sự phát triển mạng vô tuyến ad hoc di động là kết quả của nhu cầu to lớn của việc truy cập thông tin mọi chỗ/mọi nơi (nơi nơi). Các mạng ad hoc vô tuyến là các mạng truyền thông cơ bản. Các mạng này đóng một vai trò trong đời sống đối với các tình huống khẩn cấp như các thảm họa: động đất, lũ lụt, mà ở đó các mạng cố định bị phá hủy và không thể thiết lập một mạng mới ngay được. Vì vậy, các nhóm cứu hộ cần kết hợp các hoạt động mà không có các mạng cố định; các mạng ad hoc di động đúng là phù hợp với các tình trạng như vậy. Tương tự các mạng ad hoc di động chủ yếu dành cho các hoạt động quân sử nở nơi mà truyền thông xảy ra trong một môi trường chiến sự.

Do khoảng cách truyền dẫn bị hạn chế của các nút di động, chúng cần phải hoạt động như là một máy chủ cũng như một bộ định tuyến. Trong các trường hợp khi các nút nằm trong khoảng truyền dẫn trực tiếp của chúng, chúng có thể trao đổi thông tin trực tiếp. Nhưng khi đích nằm ngoài khoảng truyền dẫn trực tiếp của nguồn, nút nguồn phải nhận được sự trợ giúp từ các nút trung gian để chuyển tiếp các gói tới đích. Để cung cấp dung lượng định tuyến đa chặng tới các nút, một số dạng giao thức định tuyến được cần tới, các giao thức này có thể xác định nhiều yếu tố khác nhau (đa dạng) như băng thông thấp, tính di động và tiêu thụ công suất thấp. Do sự chuyển động không đổi của các nút, các nút di động trong một mạng vô tuyến ad hoc có thể chuyển xa khỏi các nút khác đến mức mà chúng không thể duy trì truyền thông với các nút khác. Trong trường hợp như vậy, mạng ad hoc có thể bị phân chia thành hai hoặc nhiều mạng ad hoc độc lập. Mặt khác, đôi khi các thiết thị di động trong 2 hoặc nhiều mạng ad hoc có thể ở vùng lân cận gần của nhau và như vậy các mạng này có thể được kết hợp thành một mạng ad hoc lớn hơn. Nó trở thành một thách thức lớn đối với quản lý môi trường nối mạng rất năng động.

Trong lĩnh vực nối mạng ad hoc di động, các mạng cảm biến đã trở nên phổ biến rộng rãi. Kích thước của các thiết bị di động rất nhỏ trong các mạng cảm biến này. Các thiết bị này có thể nhỏ bằng kích thước của một hạt gạo và tự cung cấp tất cả các khía cạnh-phát, thu, xử lý và năng lượng. Các bộ cảm biến này có thể lập trình được theo nhu cầu của bất kỳ ứng dụng nào.

Chương này đưa ra những cơ hội và thách thức phải đối mặt trong sự phát triển của các mạng vô tuyến ad hoc. Phần tiếp theo đưa ra các ứng dụng và các cơ hội mà các mạng vô tuyến ad hoc cung cấp cùng với các thách thức gặp phải.

8.2. Các ứng dụng điển hình

Các mạng ad hoc thương mại rất cần thiết ở các tình huống mà ở đó không có hạ tầng (cố định hoặc di động) sẵn sàng. Các ví dụ bao gồm các hoạt động cứu hộ ở các vùng xa trong trường hợp thảm họa tự nhiên hoặc khi sự bao phủ nội bộ phải được triển khai nhanh tại vị trí xây dựng ở xa. Kết nối mạng ad hoc cũng có thể phục vụ như việc truy nhập công công vô

192

Chương 8: Ứng Dụng và Hướng Phát Triển của Mạng Ad hoc

tuyến ở các vùng ngoại ô, nhờ việc triển khai nhanh và tính chất tự tổ chức. Ở mức nội bộ, các thành viên tại một hội nghị có thể tạo ra một mạng ad hoc, mạng này kết nối các máy xách tay của họ hoặc máy tính bảng để chia sẻ thông tin. Các mạng ad hoc có thể phù hợp với các ứng dụng trong mạng trong nhà, mà ở đó các thiết bị có thể truyền thông trực tiếp để trao đổi thông tin, như là âm thanh/hình ảnh, cảnh báo, và cập nhật cấu hình. Các mạng này cũng có thể được sử dụng để dự báo ô nhiễm nước hoặc để cung cấp các cảnh báo sớm sóng thần.

Một mạng PAN có thể được xây dựng để đơn giản hóa liên kết giữa các thiết bị di động khác nhau (như là một điện thoại di động và một PDA) và do đó loại bỏ nhu cầu thiếu hấp dẫn đối với cáp. Việc này có thể cũng mở rộng khả năng di động để mở rộng vùng phủ của miền mạng ad hoc.

8.2.1. PAN

Một mạng vùng cá nhân là một mạng máy tính được thiết lập xung quanh một cá nhân riêng lẻ. Các mạng này liên quan đặc biệt tới một máy tính di động, một điện thoại di động, và/hoặc một thiết bị tính toán cầm tay như PDA. Một người có truy nhập tới một Bluetooth PAN có thể sử dụng điện thoại di động GPRS/UMTS như là một cổng tới Internet hoặc tới một mạng IP tổ hợp, nhờ vậy thỏa mãn nhu cầu truy nhập thông tin mọi nơi/mọi lúc trong khi đang di chuyển. Ngoài ra, các PAN Bluetooth có thể được liên kết với các mạng phân tán, nờ đó làm tăng dung lượng. Hình 8.1 chỉ ra một kịch bản mà ở đó bốn mạng PAN Bluetooth được sử dụng. Một PAN có thể bao gồm một số công nghệ truy cập khác nhau phân tán giữa các thiết bị thành viên của nó, các thiết bị này khai thác chức năng ad hoc trong PAN. Ví dụ, một máy tính xách tay có thể có một giao diện LAN vô tuyến (WLAN) (như là IEEE802.11 hoặc HiperLAN/2), giao diện này cung cấp truy cập mạng khi máy tính được sử dụng trong nhà. Như vậy, PAN có lợi từ các công nghệ truy cập khác nhau nằm trong các thiết bị của thành viên.

Với bản chất của PAN, các thiết bị mới và các công nghệ truy nhập mới có thể được kết hợp thành khung cơ sở PAN. Mạng này cũng sẽ loại bỏ nhu cầu tạo ra các thiết bị lai như một kết hợp điện thoại di độn với PDA, bởi vì các mạng PAN sẽ thực thi liên kết vô tuyến thay thế. Bằng cách này các mạng truyền thông khoảng cách ngắn như Bluetooth sẽ đóng một vai trò quan trọng trong giới thiệu tính năng linh hoạt bởi lý thuyết PAN.

193

Hình 8.1: Kịch bản mạng PAN với 4 PAN nối với nhau, hai PAN có một kết nối Internet qua điểm truy cập LAN Bluetooth và điện thoại GPRS/UMTS

Chương 8: Ứng Dụng và Hướng Phát Triển của Mạng Ad hoc

8.3. Các ứng dụng và các cơ hội

Mạng không dây Ad hoc là rất hữu ích cho các tình huống khi có nhu cầu cho việc thiết lập một môi trường mạng với một khoảng thời gian ngắn. Các mạng này cung cấp cơ hội rất tốt và có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là ở những nơi không sử dụng được hạ tầng truyền thông hoặc khó khăn trong thiết lập hạ tầng cố định một cách nhanh chóng. Thông thường, các ứng dụng này bao gồm:

 Các ứng dụng học thuật  Các ứng dụng quốc phòng (quân đội, hải quân, không quân)  Các ứng dụng công nghiệp/ứng dụng môi trường doanh nghiệp  Các ứng dụng chăm sóc sức khoẻ  Các hoạt động tìm kiếm và cứu nạn trong tình huống thảm họa  Các mạng ad hoc xe cơ giới

Có rất nhiều ứng dụng khác mà các mạng không dây ad hoc có thể được sử dụng.

8.3.1. Các ứng dụng trong môi trường học thuật

Do khả năng triển khai dễ dàng và nhanh chóng, các mạng ad hoc di động đã trở nên

rất phổ biến trong cộng đồng khoa học.

Hầu hết các trường đại học đã cài đặt mạng truyền thông không dây trong trường của họ để cả học sinh và giáo viên có thể sử dụng các lợi ích của môi trường mạng ad hoc. Do sự phổ biến rất lớn của các máy tính xách tay, PDA, điện thoại thông minh, v.v. giữa các học

194

Chương 8: Ứng Dụng và Hướng Phát Triển của Mạng Ad hoc

sinh, họ có thể dễ dàng kết nối với một mạng ad hoc hiện có hoặc tạo thành một mạng ad hoc mới một cách nhanh chóng. Một môi trường như vậy làm cho sự tương tác giữa các sinh viên và giảng viên rất thuận tiện. Ví dụ, một giáo viên bước vào một lớp học với máy tính xách tay của mình có thể dễ dàng tạo thành một mạng truyền thông vô tuyến ad hoc với các sinh viên có các thiết bị riêng của họ.

Là một phần của mạng ad hoc cùng, giáo viên có thể dễ dàng chia sẻ các bài giảng và bài tập với các sinh viên và sinh viên có thể nộp bài và gửi các câu hỏi của họ đến giáo viên. Chia sẻ thông tin giữa những người tham gia lớp học có thể được dễ dàng như một bấm vào một phím trên bàn phím. Do tính chất di động vốn có của các nút trong một mạng ad hoc di động, các mạng này cũng có thể được sử dụng rất lớn trong khi trên một chuyến đi thực địa và thăm viếng công nghiệp. Duy trì liên lạc không thể nào dễ hơn được nữa Ngoài ra, trong hội nghị, hội thảo, tham gia có thể tạo thành một mạng ad hoc tạm thời giữa họ, mạng này sẽ cho phép họ chia sẻ các tài liệu, slide... nghiên cứu của họ.

8.3.2. Các ứng dụng quốc phòng

Các hoạt động quốc phòng diễn ra trong địa hình khắc nghiệt, nơi cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc là không có sẵn. Các mạng ad hoc và cảm biến vô tuyến là cần thiết cấp bách trong tình huống như vậy. Các đơn vị khác nhau tham gia vào các hoạt động quốc phòng cũng cần phải duy trì thông tin liên lạc với nhau trong khi họ đang di chuyển. Ví dụ, các máy bay không quân bay trong theo một đội hình có thể thiết lập một mạng ad hoc không dây tạm thời để trao đổi thông tin với nhau và để chia sẻ các hình ảnh và dữ liệu với nhau. Trong các tình huống trên chiến trường, các nhóm quân đội đang di chuyển cũng có thể sử dụng mạng không dây ad hoc để trao đổi thông tin với nhau. Một thuộc tính tốt của một môi trường truyền thông như vậy là mạng ad hoc di chuyển khi các cá nhân di chuyển hoặc những chiếc máy bay bay.

Thu thập thông tin là một ứng dụng rất quan trọng của các mạng không dây ad hoc (đặc biệt là cảm biến) trong hoạt động quân sự. Mạng lưới cảm biến có thể được triển khai để thu thập thông tin tình báo cho các mục đích quốc phòng, và họ chứng minh là rất hiệu quả. Các cảm biến được sử dụng cho các ứng dụng như vậy về cơ bản là dùng một lần và được sử dụng cho một ứng dụng một lần. Họ có thể được triển khai bằng đường hàng không hay bằng các phương tiện thích hợp khác với số lượng lớn trên một khu vực được lựa chọn để thu thập thông tin tình báo. Do kích thước nhỏ, các cảm biến này sẽ giữ treo trong không khí một thời gian. Trong thời gian đó, chúng có thể thu thập thông tin theo logic đã lập trình, xử lý thông tin, chia sẻ giữa các cảm biến lân cận, đạt tới một sự đồng thuận, và truyền thông tin đến một máy chủ trung tâm. Sau đó các thiết bị xử lý trung tâm có thể phân tích các thông tin thu thập được và quyết định về các bước tiếp theo có thể được thực hiện dựa trên phân tích này.

Do những tiến bộ nhanh chóng trong công nghệ bán dẫn, kích thước của các thiết bị điện tử ngày càng nhỏ hơn. Đồng thời, các thiết bị này được trang bị sức mạnh xử lý ngày càng cao hơn trên các con chip nhỏ xíu. Những tiến bộ đã dẫn đến sự phát triển của máy tính có thể mặc được. Ý tưởng về máy tính có thể mặc được không phải là mới, nhưng ý tưởng về

195

Chương 8: Ứng Dụng và Hướng Phát Triển của Mạng Ad hoc

một chiếc váy thông minh (mà bao gồm nhiều máy tính nhỏ [hoặc các cảm biến]) là tương đối gần đây. Trong một chiếc váy thông minh, máy tính nhỏ được kết nối bằng dây nhỏ hoặc bằng các phương tiện không dây. Họ có thể trao đổi thông tin với nhau, quá trình thu thập thông tin, và có hành động thích hợp theo chương trình của chúng. Một chiếc váy thông minh có thể được lập trình để theo dõi một số điều kiện và dấu hiệu sinh tồn của một cá nhân một cách thường xuyên. Điều này có thể trở nên rất hữu ích cho binh sĩ trong các tình huống chiến đấu. Các thông tin theo dõi có thể được xử lý và hành động thích hợp có thể được thực hiện bởi trang phục, nếu cần thiết. Một chiếc váy thông minh thậm chí có thể để chỉ ra vị trí chính xác và kêu gọi giúp đỡ nếu mức độ của tình huống thực sự nghiêm trọng.

8.3.3. Các ứng dụng trong môi trường công nghiệp

Trong môi trường công nghiệp, mạng không dây ad hoc đóng một vai trò quan trọng trong việc thiết lập truyền thông giữa các thiết bị khác nhau cũng như giữa các nhân viên để điều phối thích hợp các hoạt động của dự án. Chúng đặc biệt hữu ích cho các môi trường sản xuất. Nhu cầu kết nối giữa các thiết bị điện tử khác nhau đòi hỏi việc triển khai của các thiết bị nối mạng giữa chúng. Việc kết nối số lượng lớn các thiết bị sử dụng kết nối có dây dẫn đến việc phân nhóm. Ngoài ra, một lượng lớn không gian bị lãng phí. Điều này không chỉ tạo ra mối nguy hiểm mà còn ảnh hưởng xấu đến độ tin cậy.

Những vấn đề này có thể được loại bỏ với việc sử dụng các mạng truyền thông không dây. Các chế độ không cơ sở hạ tầng của mạng ad hoc giúp giảm thiểu chi phí. Ngoài ra, mạng lưới như vậy có thể được thành lập trong một khoảng thời gian rất ngắn. Sự hỗ trợ cho tính di động của các mạng di động đặc biệt cho phép các thiết bị được định vị lại. Ngoài ra, bản chất năng động của các mạng lưới cho phép dễ dàng cấu hình lại các mạng dựa trên các yêu cầu. Các nhân viên mang máy tính cầm tay, điện thoại thông minh, v.v. có thể dễ dàng và nhanh chóng tự tạo thành một mạng ad hoc, mạng này cho phép chúng duy trì thông tin liên lạc phù hợp và làm việc với nhau mà không cần phải tất cả các nhân viên tập hợp trong một phòng họp. Điều này đảm bảo phối hợp tốt giữa các đơn vị làm việc khác nhau.

8.3.4. Các ứng dụng chăm sóc sức khỏe

Trong các tình huống quan trọng và khẩn cấp, trao đổi thông tin giữa bệnh nhân và các thiết bị y tế là rất hữu ích. Một chuyên gia chăm sóc sức khỏe, trong nhiều tình huống, sẽ có thể chẩn đoán đúng và sẽ có thể chuẩn bị một kế hoạch điều trị tốt hơn cho một cá nhân nếu người đó có quyền truy cập vào thông tin video thay vì chỉ thông tin âm thanh hoặc văn bản. Ví dụ, với sự giúp đỡ của thông tin video, bác sĩ có thể đánh giá tốt hơn phản xạ và khả năng phối hợp của một bệnh nhân.

Theo cách tương tự, bác sĩ có thể đánh giá đúng mức độ nghiêm trọng của chấn thương của một bệnh nhân bởi thông tin hình ảnh hơn là thông tin mô tả bằng âm thanh hoặc phương tiện khác. Siêu âm thời gian thực quét thận, tim hoặc các bộ phận khác của bệnh nhân có thể chứng minh là rất hữu ích trong việc chuẩn bị một kế hoạch điều trị thích hợp cho một

196

Chương 8: Ứng Dụng và Hướng Phát Triển của Mạng Ad hoc

bệnh nhân đang được vận chuyển đến một bệnh viện trước khi bệnh nhân đến đó. Những thông tin này có thể được truyền thông qua mạng lưới thông tin liên lạc không dây từ một xe cứu thương tới các chuyên gia chăm sóc sức khỏe khác, những người hiện đang nằm rải rác tại các địa điểm khác nhau nhưng lại cùng hướng về phía bệnh viện để điều trị bệnh nhân đang được vận chuyển.

Khái niệm chiếc váy thông minh cũng có thể được sử dụng để theo dõi tình trạng sức khỏe của các bệnh nhân. Trang phục như vậy có thể trở nên rất hữu ích cho việc chăm sóc sức khỏe cho người cao tuổi của chúng ta. Đôi khi một mạng không dây ad hoc có thể được thành lập trong ngôi nhà (thông minh) được trang bị cảm biến khác nhau. Điều này có thể rất hữu ích để theo dõi cẩn thận của bệnh nhân trong nhà. Trên cơ sở các thông tin trao đổi thông tin giữa các cảm biến khác nhau theo dõi bệnh nhân, một số quyết định cơ bản có thể được thực hiện mà có thể rất có lợi cho những người cao tuổi. Những hoạt động này bao gồm nhận biết một người bị té ngã, theo dõi các mẫu chuyển động bên trong một ngôi nhà, và nhận dạng tình huống bất thường và thông báo cho cơ quan có liên quan để đảm bảo trợ giúp thích hợp và kịp thời, nếu cần.

8.3.5. Các ứng dụng tìm kiếm và cứu hộ

Mạng ad hoc không dây có thể chứng minh được sử dụng rộng rãi cho các hoạt động tìm kiếm và cứu nạn trong trường hợp thiên tai tự nhiên như động đất, bão, lũ lụt,.v.v. Nói chung, thiên tai làm cho số lượng lớn dân cư không có điện và khả năng trao đổi thông tin do sự phá hủy các cơ sở hạ tầng. mạng ad hoc không dây có thể được triển khai trong tình huống như vậy một cách nhanh chóng mà không có sự giúp đỡ của bất kỳ cơ sở hạ tầng cố định nào và có thể cung cấp thông tin liên lạc giữa các tổ chức cứu trợ khác nhau để phối hợp các hoạt động cứu hộ của họ. Mạng cảm biến có thể được sử dụng rộng rãi trong việc thực hiện tìm kiếm người sống sót và chăm sóc trong một phạm vi hoạt động nhất định. Cứu hộ khẩn cấp cũng sử dụng robot trong việc tìm kiếm người sống sót. Các mạng ad hoc vô tuyến có thể được sử dụng để thiết lập truyền thông giữa các robot để điều phối các hoạt động của họ. Tùy thuộc vào kích thước của khu vực bị ảnh hưởng bởi thiên tai, một số lượng thích hợp các robot có thể được triển khai. Một mạng ad hoc có thể được thiết lập giữa chúng để tìm kiếm khu vực và cho thu thập thông tin trong thời gian ngắn nhất có thể. Những thông tin được thu thập như vậy có thể được phân tích và xử lý, và sự cứu trợ/trợ giúp phù hợp có thể được định hướng dễ dàng ở những nơi cần thiết.

8.3.6. Các mạng ad hoc xe cơ giới

Với sự phát triển rất lớn của các công nghệ không dây, mạng ad hoc đã tìm thấy ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp ô tô. Ngày nay, ô tô được trang bị các loại cảm biến, máy vi tính, và các thiết bị không dây. Điều này cho phép hình thành một dạng mới của mạng ad hoc di động giữa các các phương tiện di chuyển gần nhau hoặc giữa các xe cơ giới và cơ sở hạ tầng bên lề đường. Các mạng này được gọi là mạng ad hoc xe cơ giới. Các mạng lưới này là tự tổ chức và đa chặng và cho phép trao đổi dữ liệu giữa các người sử dụng trong các

197

Chương 8: Ứng Dụng và Hướng Phát Triển của Mạng Ad hoc

phương tiện gần nhau. Với sự giúp đỡ của các mạng này, hệ thống giao thông thông minh (ITSS) có thể được xây dựng để cung cấp nhiều lợi ích cho người sử dụng về an toàn giao thông, phòng chống va chạm, giám sát các tình huống giao thông, tránh tắc nghẽn, thông tin giải trí, vv mạng ad hoc xe cơ giới được đặc trưng bởi sự di động nhanh các phương tiện, dẫn đến thay đổi thường xuyên và động trong các cấu trúc liên kết mạng. Do tình huống thường xuyên thay đổi này, định tuyến được coi là một nhiệm vụ đầy thử thách trong các mạng ad hoc vô tuyến xe cơ giới. Do đó, thiết kế của giao thức định tuyến hiệu quả để phù hợp với nhu cầu của các mạng này đã trở thành một vấn đề quan trọng.

8.4. Những thách thức

Mặc dù mạng ad hoc di động cung cấp lợi thế đáng kể so với mạng hữu tuyến, có một số thách thức cần được xác định đúng để có được đầy đủ các lợi ích. Các nút trong một mạng ad hoc di động bị ràng buộc như sau:

 Năng lượng pin và tuổi thọ pin bị hạn chế  Băng thông truyền thông và dung lượng bị hạn chế  An ninh thông tin  Kích thước của thiết bị di động  Tiêu đề truyền thông tin  Cấu trúc liên kết thay đổi nhiều

Thiết bị thông tin di động bị hạn chế về lượng điện năng có sẵn. Do di động thường xuyên, họ không thể được kết nối với một nguồn điện cố định. Các thiết bị này được cấp điện bằng pin nhỏ, các pin này chỉ có thể cung cấp một số lượng hạn chế năng lượng. Kết quả là, các thiết bị di động cần phải giảm thiểu việc sử dụng năng lượng để tăng tuổi thọ của chúng. Điều này đã thu hút sự chú ý của cộng đồng nghiên cứu và ngành công nghiệp để thiết kế các thiết bị tiêu thụ ít điện năng hơn và có thể điều chỉnh cường độ của các tín hiệu truyền thông dựa trên khoảng cách giữa các điểm truyền thông. Ngoài ra, các kỹ thuật và các thuật toán xử lý tín hiệu hiệu quả đang được phát triển sẽ giảm được sử dụng năng lượng một cách đáng kể.

Do dung lượng bị giới hạn của môi trường truyền thông, mạng vô tuyến gặp phải các vấn đề về băng thông. Điều này hạn chế số lượng thông tin được truyền đo trong một khoảng thời gian thời gian cụ thể. kỹ thuật truyền dẫn hiệu quả và sáng tạo cần phải được phát minh ra để sử dụng băng thông hiệu quả và làm tăng dung lượng. Việc sử dụng các kỹ thuật truyền dẫn hiệu quả chẳng hạn như CDMA, và cấu trúc của các cơ chế truyền thông di động là rất hữu ích trong việc sử dụng hiệu quả năng lực sẵn có. Tuy nhiên, vẫn còn cần nghiên cứu thêm trong lĩnh vực này để cung cấp các cơ chế hiệu quả hơn cho việc sử dụng tốt hơn về băng thông truyền thông có thể sử dụng được trong môi trường truyền thông không dây.

Do kém an toàn của môi trường truyền thông không dây, các mạng ad hoc không dây dễ bị đe dọa an ninh hơn so với các mạng hữu tuyến . Để đạt được mức độ an ninh thông tin mong muốn yêu cầu xử lý tiêu đề bổ sung, đó sẽ là một vấn đề lớn cho các nút di động do

198

Chương 8: Ứng Dụng và Hướng Phát Triển của Mạng Ad hoc

năng lực xử lý hạn chế của chúng. Nó cũng đòi hỏi thêm băng thông để truyền dẫn được bảo đảm. Một số lượng đáng kể của nghiên cứu đã được thực hiện để phát hiện các cơ chế để đảm bảo chuyển giao thông tin an toàn đồng thời không ngăn cấm tiêu đề.

Với những tiến bộ trong công nghệ bán dẫn, con số cao hơn của các thành phần điện tử có thể được đặt trên các con chip nhỏ hơn, điều này đã dẫn đến sự phát triển của thiết bị di động mạnh hơn và ít tiêu thụ điện năng hơn. Do năng lực hạn chế của môi trường không dây, việc giảm thiểu tiêu đề thông tin cho việc chuyển giao thông tin trong các mạng ad hoc không dây đã trở thành một trong những thách thức lớn nhất và vượt trội nhất. Để đảm bảo phân phối thông tin đúng, một đường dẫn cần phải được thiết lập giữa nguồn và đích.

Hơn nữa, một thủ tục để đảm bảo việc chia sẻ các tài nguyên, chẳng hạn như băng thông, đã được thành lập. Một trong những thách thức lớn nhất cho việc thiết kế giao thức định tuyến cho các mạng ad hoc di động là xử lý các cấu trúc liên kết thường xuyên thay đổi của các mạng này. Đối với một nút nguồn để gửi thông tin đến một nút đích, nguồn phải có khả năng tìm vị trí của nút đích cũng như các nút trung gian khác.

Nhưng do tính chất hay thay đổi, các thiết bị di động thay đổi vị trí thường xuyên. Kết quả là, một tuyến được thành lập ở giai đoạn đầu của việc chuyển giao thông tin giữa hai thiết bị di động có thể không giống nhau ở các giai đoạn sau của việc trao đổi thông tin. Để thích ứng với kịch bản rất năng động này, các giao thức định tuyến phải năng động và thích ứng trong tự nhiên và các nút phải duy trì cập nhật thông tin định tuyến mọi lúc.The giao thức định tuyến cho các mạng điện thoại di động đặc biệt là về cơ bản có hai loại: chủ động và phản ứng. Trong trường hợp của một cách tiếp cận chủ động, các nút cần phải duy trì cập nhật thông tin định tuyến cho tất cả các nút mọi lúc. Điều này đòi hỏi các nút trao đổi thông tin định tuyến giữa chúng theo định kỳ. Các ưu điểm của phương pháp này là các thiết bị sẽ luôn luôn có các tuyến đường có sẵn cho các thiết bị khác. Trao đổi thông tin định tuyến kịp thời và định kỳ sẽ đảm bảo sự sẵn có của các tuyến đường được làm mới. Hơn nữa, do sự sẵn có ngay lập tức của các tuyến, không có thời gian sẽ bị lãng phí trong việc thiết lập đường dẫn giữa thiết bị nguồn và đích. Điều này cuối cùng sẽ làm giảm thời gian vận chuyển thông tin từ thiết bị nguồn đến thiết bị đích. Những bất lợi của phương pháp tiếp cận chủ động là chi phí cao do việc trao đổi định kỳ các thông tin định tuyến giữa tất cả các thiết bị, ngay cả khi tất cả các tuyến đường có thể không được yêu cầu.

Trong trường hợp của một cách tiếp cận phản ứng, các tuyến đến đích được xác định trên cơ sở theo yêu cầu. Ưu điểm của phương pháp này là các chi phí phát sinh sẽ được giảm xuống chỉ khi các tuyến đường cần thiết sẽ được phát hiện. Không có nhu cầu trao đổi thông tin định kỳ giữa các thiết bị. Tuy nhiên, phương pháp này phải chịu sự thời gian chờ đợi nhiều hơn bởi vì các tuyến sẽ không có sẵn ngay lập tức. Thiết lập đường dẫn ban đầu mất một lượng thời gian lớn và trong thời gian này, không có gói tin nào có thể được gửi đến đích do không có sẵn các tuyến. Để kết hợp những ưu điểm của các phương pháp này, nhiều cơ chế

199

Chương 8: Ứng Dụng và Hướng Phát Triển của Mạng Ad hoc

định tuyến lai đã được đưa ra. Tuy nhiên, vấn đề của việc tìm kiếm các tuyến đường ngắn nhất với chi phí tối thiểu vẫn còn là một thách thức mở.

8.4.1. An ninh

An ninh là một lĩnh vực lớn được quan tâm đối với các mạng Ad hoc di động do an ninh vật lý bị hạn chế của môi trường vô tuyến Mặc dù một số nghiên cứu đã được thực hiện về an ninh cho MANETs, các nghiên cứu về an ninh Manet vẫn đang trong giai đoạn đầu của nó Hệ thống an ninh hiện có trong Manet được về cơ bản dựa trên tấn công. Các cuộc tấn công thường xuyên trên các mạng ad hoc di động được xác định đầu tiên, và sau đó Hệ thống an ninh được phát triển chỉ để ngăn chặn các cuộc tấn công đã được biết đến. Tuy nhiên, các mạng này hoạt động trong thế giới thực Những tình huống như vậy đang thay đổi và, kết quả là, kẻ tấn công có thể phát triển các loại mới của tấn công an ninh. Do thay đổi mô hình các cuộc tấn công, Hệ thống an ninh hiện có thất bại để duy trì tính nguyên vẹn của hệ thống . Một giải pháp khả thi cho vấn đề này có thể là phát triển một giải pháp an ninh nhiều tầng. Loại giải pháp này cung cấp bảo vệ chống lại một vùng rộng lớn hơn của các hoạt động độc hại. Khi nhúng vào mọi thành phần có thể trong mạng, nó cung cấp bảo vệ chiều sâu dưới dạng nhiều lớp bảo vệ chống lại các mối đe dọa bảo mật đã biết và chưa biết.

Cách tiếp cận này mới để thiết kế các hệ thống an ninh được gọi là thiết kế an ninh

định hướng có khả năng phục hồi Nó bao gồm một số tính năng:

 Kiểu hệ thống an ninh này cố gắng để bao trùm được một vùng các vấn đề rộng lớn hơn. Do có một kiến trúc phòng thủ nhiều lớp, nó có khả năng không chỉ xử lý tấn công nguy hiểm của các mô hình đã được biết đến, mà còn xử lý các lỗi mạng xảy ra do cấu hình nút bị sai, quá tải trong mạng, hoặc thất bại vận hành. Sau khi quan sát cẩn thận, có thể thấy rằng tất cả lỗi như vậy, cho dù phát sinh do tấn công bởi người dùng nguy hiểm hoặc bởi cấu hình sai, cùng chung một số triệu chứng chung từ cả mạng và quan điểm của người dùng cuối Vì vậy, trên cơ sở của dấu hiệu chung này, hệ thống an ninh nên có thể phát hiện các cuộc tấn công như vậy và có biện pháp thích hợp để ngăn chặn những nỗ lực như vậy.

 Xét về phạm vi giải pháp, chúng ta có thể thấy rằng các kỹ thuật mật mã cung cấp một nhóm các bộ công cụ trong trường hợp của một thiết kế theo định hướng định hướng có khả năng phục hồi Chúng ta cần phải sử dụng kỹ thuật không dùng mật mã khác để đảm bảo có khả năng phục hồi Ví dụ, nhiều thông tin " bất biến giao thức " có thể được đưa vào trong các bản tin giao thức Điều này cho phép các nút tham gia trao đổi bản tin để kiểm tra thông tin đó. Các ban tin định tuyến có thể được truyền đi qua nhiều con đường thông qua khai thác các kết nối phong phú của các cấu trúc liên kết mạng, và bản sao dự phòng của các bản tin như vậy có thể được kiểm tra để phát hiện sự không thống nhất về hoạt động của giao thức

200

Chương 8: Ứng Dụng và Hướng Phát Triển của Mạng Ad hoc

 Trong trường hợp của thiết kế định hướng có khả năng phục hồi, trọng tâm đã chuyển từ phòng chống xâm nhập thông thường sang chịu đựng sự xâm nhập. Trong trường hợp của MANETs, các mức độ xâm nhập nhất định hoặc tấn công nguy hiểm sẽ luôn luôn xảy ra trong thế giới thực Do đó, hệ thống phải được thiết kế để mạnh mẽ bảo vệ chống lại các mối đe dọa an ninh như vậy. Hệ thống an ninh nên được thiết kế với nhiều cấp độ an ninh sao cho sự sụp đổ của một hàng rào cá nhân sẽ không gây ra sự sụp đổ của toàn bộ hệ thống Thậm chí nếu một kẻ tấn công có thể vượt qua một mức độ bảo mật cụ thể, thì toàn bộ hệ thống vẫn cần tiếp tục hoạt động, có thể với một sự suy giảm nhẹ.

Đôi khi lỗi bất ngờ có thể xảy ra và giải pháp nên có khả năng xử lý các lỗi như vậy một mức độ nào đó. Chúng ta có thể đảm bảo điều này bằng cách tăng cường các chế độ hoạt động chuẩn của mạng bằng cách thực hiện dự phòng nhiều hơn theo mức giao thức và hệ thống. Tại mỗi bước của hoạt động giao thức, phải có kiểm tra để đảm bảo rằng tất cả mọi thứ đã được thực hiện một cách chính xác cùng đi đúng hướng. Bất cứ khi nào chúng ta nhận thấy bất kỳ sự sai lệch từ các hoạt động hợp lệ, thì cần được xử lý một cách thận trọng và mức báo động cần được nâng lên. Hệ thống cần truy vấn được nguồn gốc để kiểm tra tiếp. Bằng cách này, giao thức có thể phân biệt đúng sai vì nó có kiến thức đầy đủ về những gì là đúng, nhưng không nhất thiết phải biết những gì chính xác là sai. Bằng cách này, thiết kế có thể tăng cường các hoạt động đúng và thậm chí có thể xử lý các mối đe dọa chưa từng được biết và có thể xảy ra thời gian hoạt động. Các nhà nghiên cứu đang làm việc trong các lĩnh vực khác nhau, chẳng hạn như mạng không dây, hệ thống điện thoại di động và mật mã, cần phải hợp tác làm việc để phát triển một phương pháp đánh giá và bộ công cụ hiệu quả để đảm bảo sự an toàn của mạng ad hoc vô tuyến.

8.5. Một số nghiên cứu nổi bật gần đây trong lĩnh vực

Với những tiến bộ gần đây trong ngành công nghiệp điện tử và viễn thông, linh kiện điện tử đã trở nên rẻ hơn, nhanh hơn và đáng tin cậy hơn. Điều này đã tạo ra sự tăng trưởng to lớn trong công nghệ máy tính và truyền thông. Do sự sẵn có lớn và tính di động của các thiết bị di động cao như máy tính xách tay, điện thoại thông minh, PDA, vv, đã có một nhu cầu rất lớn để tiếp cận thông tin trong khi di chuyển. Cả hai vùng phủ sóng và các mạng cảm biến không dây về bản chất là các chủ đề nghiên cứu đa ngành. Do đó, một tổ chức rộng về hoạt động khoa học và công nghệ có liên quan đến nghiên cứu được trình bày trong phần này. Phần này sẽ đề cập ngắn gọn tới các lĩnh vực liên quan trực tiếp nhất : các bộ cảm biến, mạng cảm biến không dây ad hoc, các vấn đề vùng phủ sóng, và các vấn đề về mạng cảm biến có liên quan như phát hiện vị trí và triển khai.

8.5.1. Các bộ cảm biến

Một bộ cảm biến là một thiết bị có thể cảm nhận và đo lường sự thay đổi trong điều kiện vật lý của môi trường, chẳng hạn như sự thay đổi về áp suất không khí, nhiệt độ, ...vv. Mặc dù chúng ta đã được sử dụng các bộ cảm biến trong các ứng dụng khác nhau trong một

201

Chương 8: Ứng Dụng và Hướng Phát Triển của Mạng Ad hoc

thời gian dài, các bộ cảm biến gần đây đã tìm ra phạm vi các ứng dụng rộng hơn với sự xuất hiện của các bộ cảm biến vi cơ điện tử (MEMS) trong đó các bộ cảm biến có kích thước nhỏ, chi phí thấp, và độ tin cậy cao, và do sự kết nối giữa các các bộ cảm biến và mạng máy tính. Ngày nay, chúng ta thấy được sử dụng rộng rãi về các bộ cảm biến ở khắp mọi nơi, từ các ứng dụng trong nhà cho đến các chuyến bay ngoài không gian.

8.5.2. Các mạng cảm biến Ad hoc vô tuyến

Do khả năng sử dụng dễ dàng và giảm chi phí, mạng cảm biến không dây đã tìm ra một loạt các ứng dụng thương mại hóa. Bởi vì tiềm năng to lớn của chúng áp dụng được trong nhiều ứng dụng trong tương lai, chúng đã thu hút được sự chú ý của cộng đồng nghiên cứu. Việc sử dụng các cảm biến trong mạng ad hoc di động trên thực tế đã tạo ra một cuộc cách mạng trong việc mở ra một khả năng rất lớn trong các lĩnh vực đa dạng. Do tính chất cơ sở hạ tầng ít hơn và tự cấu hình của mạng ad hoc không dây, chúng có thể được triển khai rất nhanh chóng mà không cần sự giúp đỡ của bất kỳ cơ sở hạ tầng cố định và họ cho thấy khả năng thích ứng cao trong các tình huống rất năng động. Do tích hợp ứng dụng dễ dàng, chi phí thấp, năng lượng hiệu quả, và cảm biến đáng tin cậy trong các nút của mạng ad hoc không dây được trang bị với tài nguyên tính toán và truyền thông lớn, một phạm vi đa dạng của các nghiên cứu và kỹ thuật triển vọng đã mở ra. Với khu vực đang nổi lên này của các cảm biến trong các mặt khác nhau của cuộc sống đến những thách thức khác nhau liên quan đến các vấn đề kỹ thuật mới, bao gồm sự cần thiết của hệ điều hành mới, các thuật toán DSP, tích hợp với các hệ thống sinh học, và thiết kế kiến trúc dùng nguồn thấp.

8.6. Tổng kết chương 8

Với sự tràn ngập các thiết bị xách tay và di động cao và do chế độ hoạt động ít cơ sở hạ tầng của mạng ad hoc di động, các mạng ngày càng tìm ra nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm khôi phục thảm họa, y tế, quốc phòng, học tập, và môi trường công nghiệp. Tuy nhiên, với nhiều lợi thế các mạng Ad hoc di động đi kèm nhiều thách thức vẫn còn chưa giải quyết được. Những thách thức có liên quan đến môi trường bị hạn chế của các mạng di động ad hoc, trong đó bao gồm phát triển các cơ chế sử dụng hiệu quả băng thông và dung lượng kênh hạn chế, phát triển thiết bị di động có kích thước nhỏ nhưng giàu tính năng, kỹ thuật để giảm thiểu điện năng tiêu thụ và do đó kéo dài tuổi thọ mạng, phát triển thuật toán để tăng cường an ninh thông tin, và phát triển các thủ tục định tuyến hiệu quả cho việc tìm kiếm các tuyến đường tốt hơn với ít chi phí. Một số lượng đáng kể của nghiên cứu đã được tiến hành trong lĩnh vực kết nối mạng ad hoc di động và vẫn có một phạm vi rất lớn của các nghiên cứu nhằm giải quyết được những thách thức của các vấn đề mở

8.7. Câu hỏi ôn tập chương 8

8.1 Hãy liệt kê các ứng dụng quan trọng của mạng vô tuyến

8.2 Hãy mô tả mạng PAN bằng một ví dụ phù hợp

202

Chương 8: Ứng Dụng và Hướng Phát Triển của Mạng Ad hoc

8.3 Hãy giải thích các ứng dụng điểm hình của các mạng ad hoc

8.4 Các thách thức của mạng ad hoc là gì?

8.5 Các cơ hội nổi bật của mạng ad hoc là gì?

8.6 Hãy mô tả các vấn đề an ninh và những thách thức an ninh trong mạng ad hoc di

động?

8.7 Hướng phát triển các ứng dụng trong mạng ad hoc là gì?

8.8. Tài liệu tham khảo chương 8

[1] Subir Kumar Sarkar, T G Basavaraju, C Puttamadappa, "Ad Hoc Mobile Wireless Networks-Principles, Protocols, and Applications", Auerbach Publications, 2008, Chapter 10, p.293-p.305.

203

Danh Mục Hình Vẽ

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Mạng di động ad hoc .................................................................................................. 1

Hình 1.2: Tiến trình phát triển của hệ thống thông tin di động ................................................ 10

Hình 1.3: Sự tiến hóa của 3GPP .............................................................................................. 12

Hình 1.4: Phân loại các khung quản lý năng lượng .................................................................. 28

Hình 1.5: Thiết kế liên lớp với thông tin trao đổi giữa các lớp khác nhau ............................... 30

Hình 2.1: Minh họa các vấn đề ẩn-hiện đầu cuối. .................................................................... 36

Hình 2.2: Phân loại các giao thức MAC. .................................................................................. 37

Hình 2.3: Minh họa sự thật bại của cơ chế RTS-CTS khi xử lý các vấn đề ấn-hiện đầu cuối. 40

Hình 2.4: Cấu trúc khung và khe (slot) của HRMA. ................................................................ 47

Hình 2.5: Cơ chế tiết kiệm năng lượng cho DCF. .................................................................... 51

Hình 2.6: Mô tả hệ thống điều khiển năng lượng: CS = Cảm biến sóng mang và TR = Cự ly truyền tải. .................................................................................................................................. 52

Hình 3.1: Một số giao thức định tuyến trong mạng MANET .................................................. 56

Hình 3.2: Ví dụ về sự cập nhật bảng định tuyến DSDV .......................................................... 63

Hình 3.3: Quá trình phát tràn lụt bản tin quảng bá trong OLSR ............................................. 64

Hình 3.4: Bầu chọn MPR ......................................................................................................... 64

Hình 4.1: Vấn đề thiết bị đầu cuối ẩn ....................................................................................... 85

Hình 4.2: Vấn đề thiết bị đầu cuối hiện .................................................................................... 85

Hình 4.3: Tình huống phân vùng mạng .................................................................................... 87

Hình 4.4: Phân loại các giao thức lớp truyền tải ...................................................................... 91

Hình 4.5: Chia tách TCP .......................................................................................................... 92

Hình 4.6: Máy trạng thái TCP-F ............................................................................................... 93

Hình 4.7: Sơ đồ chuyển dịch trạng thái của ATCP ở phía phát ............................................... 95

Hình 4.8: Một ví dụ mô tả các cơ chế ERDN GEN SEQ và ERDN RCV SEQ ...................... 98

Hình 4.9: Mô tả các hàm giao diện được sử dụng trong ATCP ............................................. 108

Hình 5.1: Phân loại các chế độ quản lý năng lượng ............................................................... 112

Hình 5.2: Hiệu suất của pin Lithium ion theo nhiệt độ .......................................................... 116

Hình 5.3: Tốc độ tự xả của pin Lithium ................................................................................. 117

204

Danh Mục Hình Vẽ

Hình 5.4: Mạch tương đương của pin ..................................................................................... 117

Hình 5.5: Trở kháng nội với nhiệt độ khác nhau. ................................................................... 119

Hình 5.6: Đường biểu thị tốc độ xả của pin Lithium.............................................................. 120

Hình 5.7: Dung lượng pin với những khoảng thời gian xả khác nhau. .................................. 121

Hình 5.8: So sánh đồ thị mô phỏng và thực nghiệm đường điện áp xả cho pin Li-ion .......... 123

Hình 5.9: Hệ thống pin thông minh ........................................................................................ 125

Hình 5.10: Không gian thiết kế của các chế độ quản lý năng lượng ...................................... 130

Hình 5.11: Ngăn xếp các giao thức mạng (Lớp MAC) .......................................................... 134

Hình 5.12: Thiết bị đầu cuối ẩn (trái) và thiết bị đầu cuối lộ (phải) ....................................... 134

Hình 5.13: Ví dụ về truyền phát tới một trạm tiết kiệm điện trong một mạng IBSS ............. 137

Hình 5.14: Sự cần thiết phải kiểm soát công suất phát ........................................................... 138

Hình 5.15: Lập lịch ngủ đồng bộ ............................................................................................ 140

Hình 5.16: Lập lịch ngủ không đồng bộ ................................................................................. 141

Hình 6.1: Mô hình FQMM. .................................................................................................... 158

Hình 6.2: Cấu trúc INSIGNIA. ............................................................................................... 160

Hình 6.3: Mô hình INORA phản hồi tốt. Nút A thừa nhận chuỗi với lớp m nhưng nút B có thể cung cấp cho lớp l (l

Hình 7.1: Tấn công Sybi ......................................................................................................... 177

Hình 7.2: Tấn công wormhole ................................................................................................ 178

Hình 7.3: Tấn công lỗ đen. ..................................................................................................... 179

Hình 8.1: Kịch bản mạng PAN với 4 PAN nối với nhau, hai PAN có một kết nối Internet qua điểm truy cập LAN Bluetooth và điện thoại GPRS/UMTS ................................................... 194

205

Tài Liệu Tham Khảo