LUẬN VĂN: ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ DI ĐỘNG CỦA NÚT MẠNG ĐẾN HIỆU QUẢ CỦA CÁC THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG MANET

Chia sẻ: Sunflower Sunflower_1 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:91

Thêm vào BST

Báo xấu

233
lượt xem 100
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn được tổ chức thành sáu chương, cụ thể như sau:• Chương 1: GIỚI THIỆU• Chương 2: MẠNG WLAN VÀ MẠNG MANET• Chương 3: CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG MANET• Chương 4: NGHIÊN CỨU VIỆC SỬ DỤNG CÔNG CỤ MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ• Chương 5: ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN THEO MỨC ĐỘ LINH ĐỘNG CỦA CÁC NÚT MẠNG• Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: LUẬN VĂN: ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ DI ĐỘNG CỦA NÚT MẠNG ĐẾN HIỆU QUẢ CỦA CÁC THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG MANET

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHAN HỮU DŨNG ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ DI ĐỘNG CỦA NÚT MẠNG ĐẾN HIỆU QUẢ CỦA CÁC THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG MANET LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội - 2011
2 Lời cảm ơn Đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo trong Trường Đại học Công nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội, Viện Khoa học kỹ thuật Bưu điện và Viện Công nghệ Thông tin - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tận tình chỉ bảo tôi trong suốt khóa học; cảm ơn tập thể lớp K15T1, tập thể lớp K15 chuyên ngành Mạng và Truyền thông máy tính. Cảm ơn các thành viên trong nhóm nghiên cứu với những ý kiến góp ý quý báu trong quá trình tôi thực hiện đề tài, và đặc biệt tôi chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn - PGS.TS Nguyễn Đình Việt, người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo tôi trong học tập và nghiên cứu. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân và bạn bè của tôi, những người đã luôn ở bên động viên và khích lệ tôi trong suốt khóa học. Do thời gian và điều kiện có hạn nên luận văn không tránh khỏi có những thiếu sót, tôi rất mong nhận được sự góp ý từ bạn bè, thầy cô và những người quan tâm đến đề tài này. Let’s start at the very beginning, a very nice place to start, when you sing, you begin with A, B, C, when you simulate, you begin with the topology ns - The Manual
3 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan kết quả đạt được trong luận văn là sản phẩm của riêng cá nhân tôi, không sao chép lại của người khác. Trong toàn bộ nội dung của luận văn, những điều được trình bày hoặc là của cá nhân hoặc là được tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định cho lời cam đoan của mình. Hà Nội, ngày 01 tháng 05 năm 2011 Phan Hữu Dũng
4 Mục lục Lời cảm ơn .................................................................................................................. 1 Lời cam đoan ............................................................................................................... 3 Danh mục hình vẽ ........................................................................................................ 7 Danh mục bảng ............................................................................................................ 9 Bảng ký hiệu các chữ viết tắt ..................................................................................... 10 Chương 1: GIỚI THIỆU ............................................................................................ 12 1.1. Đặt vấn đề ....................................................................................................... 12 1.2. Mục tiêu nghiên cứu........................................................................................ 12 1.3. Tổ chức của luận văn ...................................................................................... 13 Chương 2: MẠNG WLAN VÀ MẠNG MANET ...................................................... 14 2.1. Mạng không dây ............................................................................................. 14 2.1.1. Mạng cục bộ WLAN ................................................................................ 14 2.1.1.1. Lịch sử ra đời mạng WLAN .............................................................. 15 2.1.1.2. Phân loại mạng WLAN ..................................................................... 15 2.1.1.3. Các chuẩn đối với mạng WLAN ........................................................ 17 2.1.2. Một số mạng không dây phổ biến khác ..................................................... 18 2.1.2.1. Mạng cá nhân WPAN theo chuẩn 802.15.1, 802.15.3 và 802.15.4 ..... 18 2.1.2.2. Mạng đô thị WMAN theo chuẩn 802.16 ............................................ 18 2.1.2.3. Mạng diện rộng WWAN theo chuẩn 802.20 ...................................... 19 2.2. Mạng di động không dây đặc biệt MANET ..................................................... 19 2.2.1. Giới thiệu mạng MANET ......................................................................... 19 2.2.2. Các đặc điểm của mạng MANET ............................................................. 22 2.2.3. Phân loại .................................................................................................. 22 2.2.3.1. Phân loại mạng MANET theo cách thức định tuyến .......................... 22 2.2.3.2. Phân loại mạng MANET theo chức năng của Nút.............................. 23 Chương 3: CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG MANET ................ 26 3.1. Các giao thức định tuyến phổ biến trong mạng có dây truyền thống ................ 26 3.1.1. Distance Vector ........................................................................................ 26 3.1.2. Link State ................................................................................................. 26 3.1.3. Source Routing ......................................................................................... 27 3.1.4. Kỹ thuật Flooding .................................................................................... 27 3.2. Các yêu cầu đối với thuật toán định tuyến trong mạng MANET ...................... 27 3.2.1. Mục tiêu thiết kế các giao thức định tuyến cho mạng MANET ................. 27
5 3.2.2. Áp dụng các thuật toán định tuyến truyền thống trong mạng MANET...... 28 3.3. Phân loại các giao thức định tuyến cho MANET [16] ........................................ 29 3.3.1. Các khái niệm liên quan ........................................................................... 30 3.3.1.1. Định tuyến chủ ứng và định tuyến phản ứng ...................................... 30 3.3.1.2. Cập nhật định kỳ và cập nhật theo sự kiện ......................................... 30 3.3.1.3. Tính toán phi tập trung và tính toán phân tán ..................................... 31 3.3.1.4. Đơn đường và đa đường .................................................................... 31 3.3.2. Phân loại các giao thức định tuyến ........................................................... 31 3.3.2.1. Destination-Sequence Distance Vector (DSDV) ................................ 32 3.3.2.2. Optimized Link State Routing Protocol (OLSR) ................................ 33 3.3.2.3. Ad hoc On-demand Distance Vector Routing (AODV) ..................... 35 3.3.2.4. Dynamic Source Routing (DSR) [12] .................................................. 36 3.3.2.5. So sánh các giao thức định tuyến cho MANET .................................. 38 Chương 4: NGHIÊN CỨU VIỆC SỬ DỤNG CÔNG CỤ MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ ....................................................................................................... 41 4.1. Lựa chọn phương pháp và công cụ đánh giá hiệu năng mạng [1] ...................... 41 4.1.1. Lựa chọn phương pháp ............................................................................. 41 4.1.1.1. Mô hình Giải tích .............................................................................. 42 4.1.1.2. Mô phỏng mạng bằng chương trình máy tính .................................... 42 4.1.1.3. Đo trên mạng thực ............................................................................. 42 4.1.1.4. Lý do sử dụng phương pháp mô phỏng để đánh giá hiệu năng mạng . 43 4.1.2. Công cụ mô phỏng NS-2 [1, 12, 15]............................................................... 43 4.1.2.1. Các chức năng mô phỏng chính của NS ............................................. 45 4.1.2.2 Cấu trúc phần mềm của NS ................................................................ 46 4.1.2.3. Lập trình mô phỏng bằng NS ............................................................. 46 4.1.3 Công cụ hỗ trợ phân tích kết quả mô phỏng............................................... 46 4.1.3.1 Cấu trúc tệp vết chứa kết quả mô phỏng mạng không dây .................. 46 4.1.3.2 Một số công cụ hỗ trợ việc phân tích và hiển thị kết quả mô phỏng .... 47 4.1.4. Công cụ hiển thị trực quan mạng MANET trong quá trình hoạt động iNSPECT ........................................................................................................... 48 4.2. Thiết lập mô phỏng mạng MANET trong NS .................................................. 53 4.2.1. Tạo các nút mạng trong MANET ............................................................. 53 4.2.1.1 Nút di động......................................................................................... 53 4.4.1.2 Mô hình phương tiện chia sẻ trong NS2 .............................................. 54 4.4.1.3 Hoạt động của nút di động .................................................................. 55 4.4.1.4 Cấu hình nút di động trong NS ........................................................... 56
6 4.4.1.5 Tạo sự di chuyển của nút trong NS ..................................................... 57 4.4.2. Tạo các đường truyền không dây (air interface) trong MANET ................ 58 4.4.2.1 Mô hình FreeSpace ............................................................................. 58 4.4.2.2 Mô hình Two Ray Ground .................................................................. 58 4.4.2.3 Mô hình Shadowing ........................................................................... 59 4.4.3. Tạo ngữ cảnh chuyển động ....................................................................... 59 4.4.3.1 Tạo diện tích mô phỏng ...................................................................... 60 4.4.3.2. Tạo các thực thể giao thức và các nguồn sinh lưu lượng .................... 60 4.4.3.3. Tạo các dạng chuyển động theo mẫu ................................................. 61 4.4.4. Sơ đồ khái quát quá trình mô phỏng ......................................................... 64 4.5 Các tham số hoạt động của các giao thức định tuyến trong NS-2 ...................... 65 4.5.1 Giao thức định tuyến DSDV ...................................................................... 65 4.5.2 Giao thức định tuyến OLSR ...................................................................... 66 4.5.3 Giao thức định tuyến AODV ..................................................................... 66 4.5.4 Giao thức định tuyến DSR ......................................................................... 67 Chương 5: ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN THEO MỨC ĐỘ LINH ĐỘNG CỦA CÁC NÚT MẠNG..................................................... 68 5.1. Thực nghiệm mô phỏng .................................................................................. 68 5.1.1 Các thông số mô phỏng ............................................................................. 68 5.1.2 Chương trình mô phỏng ............................................................................ 69 5.2. Các độ đo hiệu năng được dùng trong luận văn ............................................... 70 5.3. Kết quả mô phỏng ........................................................................................... 70 5.3.1 Mô phỏng sử dụng mô hình Random Waypoint......................................... 70 5.3.1.1 Thiết lập thông số mô phỏng .............................................................. 70 5.3.2.2 Kết quả và nhận xét ............................................................................ 72 5.3.3 Mô phỏng sử dụng mô hình Random Walk ............................................... 75 5.3.3.1 Thiết lập thông số mô phỏng .............................................................. 75 5.3.3.2 Kết quả và nhận xét ............................................................................ 77 5.3.4 Đánh giá hiệu quả của các giao thức định tuyến ........................................ 79 Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU ............................................... 81 6.1. Kết quả đạt được của luận văn......................................................................... 81 6.2. Hướng nghiên cứu ........................................................................................... 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................... 83 PHỤ LỤC .................................................................................................................. 84
7 Danh mục hình vẽ Hình 1. Phân loại các mạng không dây dựa trên quy mô. .......................................... 14 Hình 2. Mạng WLAN có cơ sở hạ tầng ..................................................................... 16 Hình 3. Mạng WLAN không có cơ sở hạ tầng [10] ................................................... 17 Hình 4. Mạng MANET và Sensor không dây [14]..................................................... 21 Hình 5. Định tuyến Single-hop .................................................................................. 23 Hình 6. Định tuyến Multi-hop ................................................................................... 23 Hình 7. Mạng MANET phân cấp .............................................................................. 24 Hình 8. Mạng MANET kết hợp ................................................................................. 24 Hình 9. Phân loại các giao thức định tuyến trong mạng MANET [13] ....................... 32 Hình 10. Tập chuyển tiếp đa điểm MPRs .................................................................. 34 Hình 11. Định tuyến Link State và định tuyến cải tiến trong OLSR ............................ 34 Hình 12. AODV tìm kiếm và duy trì tuyến đường ..................................................... 36 Hình 13. Ví dụ về Route discovery: nút A là nút nguồn, nút E là nút đích. ................ 37 Hình 14. Ví dụ về Route maintenance: ...................................................................... 38 Hình 15. Kiến trúc NS-2 ........................................................................................... 44 Hình 16. Ba giai đoạn của một phiên truyền từ nút nguồn 1 đến nút đích 48 ............. 49 Hình 17. Hình tròn bao phủ biểu diễn khu vực tắc nghẽn .......................................... 50 Hình 18. Hình tròn bao phủ biểu diễn khu vực nguy hiểm ......................................... 51 Hình 19. iNSpect hiển thị tọa độ (x, y) của các nút .................................................... 52 Hình 20. Nút di động mô phỏng trong NS2 ............................................................... 53 Hình 21. Mô hình phương tiện chia sẻ trong NS2 ...................................................... 55 Hình 22. Sơ đồ của một mobilenode dưới chuẩn wireless của Monarch CMU mở rộng ra NS [12] .................................................................................................................. 57 Hình 23. Các mô hình truyền thông trong NS2 .......................................................... 60 Hình 24. Di chuyển của một nút theo mô hình Random Waypoint ............................ 62 Hình 25. Di chuyển của một nút theo mô hình Random Walk ................................... 63 Hình 26. Sơ đồ tổng quan quá trình mô phỏng .......................................................... 64 Hình 27. Đánh giá kết quả phân phát gói tin trong mô hình Random Waypoint......... 72 Hình 28. Đánh giá kết quả trễ đầu cuối trong mô hình Random Waypoint ................ 72 Hình 29. Đánh giá kết quả thông lượng trong mô hình Random Waypoint ................ 73 Hình 30. Đánh giá kết quả tải chuẩn hóa trong mô hình Random Waypoint .............. 73 Hình 31. Đánh giá kết quả phân phát gói tin trong mô hình Random Walk ............... 77 Hình 32. Đánh giá kết quả trễ đầu cuối trong mô hình Random Walk ....................... 77 Hình 33. Đánh giá kết quả thông lượng trong mô hình Random Walk....................... 78
8 Hình 34. Đánh giá kết quả tải chuẩn hóa trong mô hình Random Walk ..................... 78
9 Danh mục bảng Bảng 1. Tổng quan về họ các chuẩn IEEE 802.11 [2] ................................................ 17 Bảng 2. Tổng quan về họ các chuẩn ETSI HIPERLAN [2] ........................................ 17 Bảng 3. Tổng quan về họ các chuẩn IEEE 802.15 ..................................................... 18 Bảng 4: So sánh độ phức tạp của các giao thức định tuyến ........................................ 39 Bảng 5: So sánh các đặc điểm của các giao thức định tuyến ...................................... 39 Bảng 6: So sánh các đặc điểm của các giao thức định tuyến ...................................... 40 Bảng 7. Các tham số của mô hình Random Waypoint .............................................. 62 Bảng 8. Các tham số của mô hình Random Walk ...................................................... 63 Bảng 9. Các tham số hoạt động của DSDV trong NS2............................................... 65 Bảng 10. Các tham số hoạt động của OLSR trong NS2 ............................................. 66 Bảng 11. Các tham số hoạt động của AODV trong NS2 ............................................ 66 Bảng 12. Các tham số hoạt động của DSR trong NS2 ................................................ 67 Bảng 13. Cấu hình các mạng mô phỏng trong mô hình Random Waypoint ............... 71 Bảng 14. Cấu hình các mạng mô phỏng theo mô hình Random Walk ........................ 76
10 Bảng ký hiệu các chữ viết tắt AODV Ad hoc On-demand Distance Vector CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance DARPA Defense Advanced Research Projects Agency DSDV Destination-Sequenced Distance Vector DSR Dynamic Source Routing DV Distance Vector ETSI European Telecommunications Standards Institute FCC US Federal Communications Commission FIFO First In First Out GPRS General Packet Radio Service GSM Global System for Mobile communication HiperLAN High Performance European Radio LAN IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineering IETF Internet Engineering Task Force iNSpect interactive NS-2 protocol and environment conﬁrmation tool ISM Industrial, Scientiﬁc and Medical bands LAN Local Area Network LS Link State MAC Media Access Control MANET Mobile Wireless Adhoc Network NEST Network Simulation Testbed NS2 Network Simulator 2 OLSF Open Shortest Path First OLSR Optimized Link State Routing Protocol
11 PDA Personal Digital Assistant PRnet Packet Radio Network QoS Quality of Service REAL Realistic and Large RIP Routing Information Protocol RREP Route Reply RREQ Route Request RTS Request To Send SURAN Survivable Radio Network TDMA/TDD Time Division Multiple Access/ Time Division Duplex TORA Temporally-Ordered Routing Algorithm UMTS Universal Mobile Telecommunications Systems VINT Virtual InterNetwork Testbed WIFI Wireless Fidelity WiMAX World Interoperability for MicroAccess WLAN Wireless Local Area Network WMAN Wireless Metropolitan Area Networks WPAN Wireless Personal Area Networks WRP Wireless Routing Protocol WWAN Wireless Wide Area Networks ZRP Zone Routing Protocol
12 Chương 1: GIỚI THIỆU 1.1. Đặt vấn đề Mạng di động không dây đặc biệt MANET (Mobile Wireless Adhoc Network) cho phép các máy tính di động thực hiện kết nối và truyền thông với nhau không cần dựa trên cơ sở hạ tầng mạng có dây. Trong MANET mọi nút mạng đều có thể thực hiện chức năng của một router, chúng cộng tác với nhau, thực hiện chuyển tiếp các gói tin hộ các nút mạng khác nếu các nút mạng này không thể truyền trực tiếp với nút nhận. Định tuyến là bài toán quan trọng nhất đối với việc nghiên cứu MANET. Cho đến nay, đã có nhiều thuật toán định tuyến được đề xuất, mỗi thuật toán đều có các ưu và nhược điểm riêng. Điều đặc biệt là mức độ của các ưu nhược điểm phụ thuộc rất nhiều vào mức độ di động của các nút mạng. Một số thuật toán là ưu việt hơn các thuật toán khác trong điều kiện các nút mạng di động ở mức độ thấp nhưng lại kém hơn hẳn khi mức độ di động của các nút mạng tăng cao. Đề tài luận văn này nhằm mục đích đánh giá và so sánh ảnh hưởng của sự di động của nút mạng đến hiệu quả của một số thuật toán định tuyến trong mạng MANET. Về mặt thực tiễn, mạng MANET rất hữu ích cho các nhu cầu thiết lập mạng khẩn cấp tại những nơi xảy ra thảm họa như: hỏa hoạn, lụt lội, động đất ... hay những nơi yêu cầu tính nhanh chóng, tạm thời như trong các trận chiến, do thám …Việc đánh giá và so sánh ảnh hưởng của sự di động đến hiệu quả của các thuật toán định tuyến giúp cho việc lựa chọn thuật toán định tuyến thích hợp cho các điều kiện cụ thể khi sử dụng MANET. 1.2. Mục tiêu nghiên cứu Các mạng AD HOC ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực cuộc sống như khoa học, giáo dục, y tế, quân sự … do nó có ưu điểm nổi bật là loại bỏ sự phụ thuộc vào các cơ sở hạ tầng mạng cố định. Vấn đề đặt ra là đánh giá hiệu quả hoạt động của các giao thức định tuyến trong mạng MANET trên nhiều khía cạnh và phương diện khác nhau. Một trong những yếu tố ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả của các giao thức định tuyến đó là sự linh động của các nút mạng. Mục đích của luận văn là nghiên cứu các giao thức định tuyến kết hợp với việc đưa ra các kết quả mô phỏng để đánh giá hiệu quả làm việc của chúng. Căn cứ vào mục đích chính của luận văn, tôi xin đưa ra các mục tiêu cụ thể như sau:  Giới thiệu tổng quan về mạng LAN không dây (Wireless LAN) và Mạng di động không dây đặc biệt – MANET (Mobile Wireless Adhoc Network).  Nghiên cứu một số giao thức định tuyến không dây sử dụng trong mạng MANET: DSDV, OLSR, AODV, DSR.  Xác định các tham số hiệu suất chính của các giao thức định tuyến.  Tìm hiểu khả năng mô phỏng các giao thức định tuyến cũng như các mô hình chuyển động khác nhau của bộ mô phỏng mạng NS-2.
13  Đánh giá bằng mô phỏng một số giao thức định tuyến phổ biến trong các ngữ cảnh chuyển động của các nút mạng khác nhau. 1.3. Tổ chức của luận văn Luận văn được tổ chức thành sáu chương, cụ thể như sau:  Chương 1: GIỚI THIỆU  Chương 2: MẠNG WLAN VÀ MẠNG MANET  Chương 3: CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG MANET  Chương 4: NGHIÊN CỨU VIỆC SỬ DỤNG CÔNG CỤ MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ  Chương 5: ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN THEO MỨC ĐỘ LINH ĐỘNG CỦA CÁC NÚT MẠNG  Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU Trong đó, chương một trình bày cơ sở khoa học và tính thực tiễn cũng như mục tiêu nghiên cứu của luận văn. Chương hai đưa ra kiến thức cơ sở về mạng WLAN và mạng MANET. Các kỹ thuật định tuyến truyền thống được sử dụng trong mạng cố định và các giao thức định tuyến dùng trong mạng MANET được trình bày chương ba. Chương bốn đưa ra cái nhìn tổng quan về bộ mô phỏng NS-2 và giới thiệu công cụ mô phỏng mới iNSpect từ đó ứng dụng vào việc mô phỏng các giao thức định tuyến. Chương năm sử dụng những kết quả mô phỏng thu được trong chương bốn để tính toán các độ đo hiệu năng sau đó kết hợp với cơ sở lý thuyết về các giao thức định tuyến trình bày trong chương ba để rút ra những đánh giá về ảnh hưởng của sự di dộng của nút mạng đến hiệu quả của các giao thức định tuyến trong mạng MANET. Cuối cùng, trong chương sáu là những nhận xét về kết quả đạt được và hướng nghiên cứu tiếp theo của luận văn.
14 Chương 2: MẠNG WLAN VÀ MẠNG MANET Mục tiêu của chương này là giới thiệu với người đọc những kiến thức cơ sở về mạng WLAN và mạng MANET bao gồm lịch sử ra đời, các đặc điểm, những ưu nhược điểm cũng như các ứng dụng trong khoa học, công nhệ và cuộc sống từ đó có cái nhìn tổng quan về hai mạng này và dễ dàng phân biệt được chúng. 2.1. Mạng không dây Các mạng không dây (Wireless networks) thường được phân thành mạng cá nhân WPAN - chuẩn IEEE 802.15, mạng cục bộ WLAN - chuẩn IEEE 802.11, mạng đô thị WMAN - chuẩn IEEE 802.16 và mạng diện rộng WWAN - chuẩn IEEE 802.20. Sự phân chia này dựa trên quy mô và phạm vi truyền dẫn của các bộ phát (transmitter) vô tuyến và mỗi lớp mạng có thể gồm một vài tiêu chuẩn và công nghệ riêng. Hình 1 bên dưới minh họa sự phân lớp các mạng không dây dựa trên quy mô: Hình 1. Phân loại các mạng không dây dựa trên quy mô. 2.1.1. Mạng cục bộ WLAN Wireless Local Area Network (WLAN) là một mạng cục bộ kết nối hai hay nhiều máy tính với nhau mà không cần các kết nối vật lý giữa chúng. Môi trường truyền được sử dụng trong WLAN là môi trường không khí với một dải tần số được quy định cho các loại hình truyền thông. Có hai công nghệ chính được sử dụng để truyền thông trong WLAN là truyền thông bằng tia hồng ngoại (bước sóng 900 nm) hoặc truyền thông bằng sóng vô tuyến, thông thường thì sóng vô tuyến được dùng phổ biến hơn vì nó truyền xa hơn, lâu hơn, rộng hơn và có băng thông cao hơn. WLAN cũng có hai dạng kiến trúc là WLAN có cơ sở hạ tầng (sử dụng các Access Point) hoặc trạm cơ sở (Base Station) để kết nối phần mạng không dây với phần mạng có dây truyền thống và mạng không có cơ sở hạ tầng (mạng Ad hoc).
15 2.1.1.1. Lịch sử ra đời mạng WLAN Năm 1971, tại Đại học Hawaii các công nghệ mạng và truyền thông vô tuyến đã được kết hợp lần đầu tiên trong dự án Alohanet. Dự án này sử dụng các thiết bị máy tính tại bảy điểm khác nhau nằm rải rác trên bốn hòn đảo thực hiện việc giao tiếp với máy tính trung tâm trên đảo Oahu bằng cách sử dụng không khí làm môi trường truyền. Nó thiết lập một topo Star và các trạm từ xa chỉ có thể giao tiếp thông qua máy tính trung tâm đặt tại đảo Oahu. Tuy nhiên, đến giữa thập niên 1980 thì mạng WLAN mới phát triển mạnh khi Uỷ ban Truyền thông Liên bang Mỹ FCC (US Federal Communications Commission) quyết định cho phép sử dụng phổ biến các dải tần số công nghiệp, khoa học và y tế ISM (Industrial, Scientiﬁc and Medical bands). Quyết định này cho phép các công ty và người dùng sản xuất và sử dụng các sản phẩm không dây của họ mà không cần FCC cấp giấy phép hoạt động. Từ đó, dẫn đến sự tăng trưởng vượt bậc trong lĩnh vực mạng WLAN. Tuy nhiên, do sự xuất hiện của nhiều sản phẩm độc quyền nhưng lại không có một tiêu chuẩn chung thống nhất, dẫn đến các sản phẩm không cùng một công ty sản xuất có thể sẽ không tương thích với nhau. Vì vậy, yêu cầu đặt ra là phải chuẩn hóa trong lĩnh vực mạng WLAN. Hiện nay, trên thế giới chủ yếu sử dụng hai chuẩn phổ biến cho mạng WLAN là: Chuẩn IEEE 802.11x do các Nhóm công tác của Viện công nghệ Điện và Điện Tử IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) phát triển và chuẩn HiperLAN/x (High Performance European Radio LAN) được phát triển bởi nhóm RES10 thuộc Viện Tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu ETSI (European Telecommunications Standards Institute). Chuẩn IEEE 802.11x sử dụng giao thức CSMA/CA, còn chuẩn HiperLAN/x là giao thức TDMA/TDD. Chuẩn IEEE 802.11x được sử dụng phổ biến hơn so với chuẩn HiperLAN/x nhưng chuẩn HiperLAN/x có những ưu điểm nổi trội khi đối phó với vấn đề lưu lượng thời gian thực. 2.1.1.2. Phân loại mạng WLAN Mạng WLAN có cơ sở hạ tầng Mạng WLAN có cơ sở hạ tầng là mạng mà các nút mạng truyền thông với nhau sử dụng một thiết bị trung tâm gọi là điểm truy cập chung AP (Access Point), hay còn được gọi là trạm cơ sở BS (Base Station). Các trạm cơ sở không chỉ cung cấp khả năng kết nối mạng mà nó còn thực hiện chức năng điều khiển truy cập đường truyền nhằm chuyển tiếp thông tin từ nguồn đến đích. Ngoài ra, các điểm truy cập mạng còn thường được kết nối với mạng có dây và được kết nối với Internet nên nó đóng vai trò như là cầu nối giữa các mạng không dây và mạng có dây với nhau tạo thành một mạng diện rộng. Tốc độ truyền dữ liệu của mạng không chỉ phụ thuộc vào đặc điểm của các nút mạng mà còn phụ thuộc vào bán kính phủ sóng của các điểm truy cập mạng. Các nút mạng càng gần điểm truy cập mạng AP thì sóng thu được càng mạnh và tốc độ truyền dữ liệu càng cao. Do đó, việc lựa chọn tốc độ truyền và phạm vi hoạt động của điểm
16 truy cập mạng khiến chúng ta cần phải cân nhắc, khi đó nó sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới hiệu năng hoạt động của mạng và của điểm truy cập mạng. Khái niệm Indoor và Outdoor: Indoor là khái niệm sử dụng sóng vô tuyến trong phạm vi không gian nhỏ, như trong một tòa nhà, một văn phòng. Outdoor là khái niệm sử dụng sóng vô tuyến trong phạm vi không gian lớn hơn, với WLAN thì bán kính đến các thiết bị mà nó quản lý có thể lên đến 5km. Hình 2. Mạng WLAN có cơ sở hạ tầng Mạng WLAN không có cơ sở hạ tầng (mạng Ad Hoc) Một mạng Ad Hoc là một tập hợp các nút không dây di động (có chứ năng như routers) cấu thành nên một mạng tạm thời mà không cần sử dụng cơ sở hạ tầng có sẵn hoặc việc quản trị tập trung. Các routers được tự do di chuyển ngẫu nhiên và tự thiết lập tùy ý, vì vậy topo mạng không dây có thể thay đổi nhanh chóng và không thể biết trước [10]. Mạng Ad Hoc là mạng mà các nút trong mạng có thể tự thiết lập, tự tổ chức và tự thích nghi khi có một nút mới gia nhập mạng, các nút trong mạng cần có cơ chế phát hiện nút mới gia nhập mạng, thông tin về nút mới sẽ được cập nhật vào bảng định tuyến của các nút hàng xóm và gửi đi. Khi có một nút ra khỏi mạng, thông tin về nút đó sẽ được xóa khỏi bảng định tuyến và hiệu chỉnh lại tuyến, ...Mạng Ad Hoc có nhiều loại thiết bị khác nhau tham gia mạng lên các nút mạng không những phát hiện được khả năng kết nối của các thiết bị, mà còn phải phát hiện ra được loại thiết bị và các đặc tính tương ứng của các loại thiết bị đó (vì các thiết bị khác nhau sẽ có các đặc tính khác nhau ví dụ như: khả năng tính toán, lưu trữ hay truyền dữ liệu trong mạng,...)
17 Hình 3. Mạng WLAN không có cơ sở hạ tầng [10] 2.1.1.3. Các chuẩn đối với mạng WLAN Chuẩn IEEE 802.11/x 802.11 802.11a 802.11b 802.11g 5.15-5.25 (lower) Frequency Range 2.4-2.4835 2.4-2.4835 2.4-2.4835 5.25-5.35 (middle) (GHz) 5.725-5.825 (upper) Max.DataRate 2 55 11 54 (Mbps) < 10 m 27-30(lowerband) 75-100 30 Range Bảng 1. Tổng quan về họ các chuẩn IEEE 802.11 [2] Chuẩn HIPERLAN/x HIPERLAN HIPERLAN HIPERLAN HIPERLAN 1 2 3 4 Fixed Wireless Wireless Point Access - to Point Links - WATM WATM WLAN Application WATM Indoor Access Remote interconnection Access Frequency Range 5 5 5 17 (GHz) Max.DataRate 23.5 20 20 155 (Mbps) Bảng 2. Tổng quan về họ các chuẩn ETSI HIPERLAN [2]
18 2.1.2. Một số mạng không dây phổ biến khác 2.1.2.1. Mạng cá nhân WPAN theo chuẩn 802.15.1, 802.15.3 và 802.15.4 Mạng WPAN (Wireless Personal Area Networks) thường liên quan đến khái niệm văn phòng không dây. Phạm vi của mạng PAN là một vài mét, cung cấp khả năng đồng bộ hóa các máy tính, truyền files và truy cập được vào thiết bị ngoại vi cục bộ như máy in hay các thiết bị cầm tay khác như điện thoại di động và PDAs. Hiện tại, công nghệ nổi tiếng nhất của PAN là Bluetooth. Viện công nghệ Điện và Điện Tử IEEE đưa ra chuẩn 802.15 sử dụng cho mạng WPAN với các tốc độ truyền dữ liệu như sau: 802.15.1 đặc tả công nghệ Bluetooth có tốc độ truyền dữ liệu ở mức trung bình, trong khi 802.15.3 được phát triển cho mạng Ad hoc với lớp MAC phù hợp cho truyền dữ liệu đa phương tiện có tốc độ truyền dữ liệu ở mức cao và 802.15.4 định nghĩa giao thức liên kết nối các thiết bị ngoại vi truyền thông sóng vô tuyến trong hệ thống mạng một người dùng có tốc độ truyền ở mức thấp. 802.15.1 802.15.3 802.15.4 2.4 Ghz 2.4 Ghz 2.45 Ghz 915MHz 868MHz Frequency Range 1 Mpbs 55 Mpbs 250 Kpbs 40 Kbps 20 Kbps Max.Data Rate < 10 m < 10 m 10 - 75 m Range Bảng 3. Tổng quan về họ các chuẩn IEEE 802.15 2.1.2.2. Mạng đô thị WMAN theo chuẩn 802.16 Mạng đô thị không dây WMAN (Wireless Metropolitan Area Networks) được định nghĩa là mạng có qui mô lớn có thể bao phủ một vùng đô thị như một thành phố, một quận, huyện hoặc là một khu vực dân cư rộng lớn nào đó. Mạng này sử dụng các công nghệ dành cho mạng diện rộng (WAN), có tốc độ truyền dẫn cao và khả năng kháng lỗi mạnh. Năm 2001, chuẩn IEEE 802.16 đã được thiết kế để mở ra một tập hợp các giao tiếp dựa trên giao thức tầng MAC và lớp vật lý. Chuẩn 802.16 cũng đề cập đến công nghệ WiMax là công nghệ không dây băng thông rộng đang phát triển rất nhanh với khả năng triển khai trên phạm vi rộng và mang lại khả năng kết nối Internet tốc độ cao tới các gia đình và công sở. Giao thức lớp MAC của chuẩn IEEE 802.16 hỗ trợ truy cập không dây băng rộng điểm - đa điểm với tốc độ truyền dữ liệu cao trên cả hai hướng truyền đa người dùng, trong cùng thời gian có thể cho phép hàng trăm thiết bị trên kênh đó có thể được chia sẻ đa người dùng. IEEE 802.16 là giao diện cho hệ thống truy nhập băng rộng cố định, lớp MAC và lớp vật lý (PHY) hoạt động ở 10 GHz - 66 GHz. Ngoài ra chúng ta có thể kể ra các chuẩn mở rộng của chuẩn IEEE 802.16 như chuẩn IEEE 802.16a ra đời năm 2003, chuẩn 802.16d được đưa ra năm 2004 là sự kết hợp của chuẩn IEEE 802.16 và chuẩn IEEE 802.16a có thay đổi lớp MAC và lớp vật lý PHY.
19 Mạng WiMax là tập hợp các mạng WiFi và được thiết kế riêng cho việc phân bố và di động rộng, phục vụ cho: các xí nghiệp, các khu dân cư nhỏ lẻ, mạng cáp truy nhập WLAN công cộng nối tới mạng đô thị, các trạm gốc BS của mạng thông tin di động và các mạch điều khiển trạm BS. WiMax đem lại tốc độ cao, trên 30 Mbps. Hiện nay, công nghệ WiMAX được chia ra thành 2 công nghệ chính đó là công nghệ WiMAX cố định theo chuẩn IEEE 802.16d - 2004 và công nghệ WiMAX di động theo chuẩn IEEE 802.16e - 2005. Ưu điểm của WiMax là:  Được thiết kế riêng cho hoạt động mạng không dây diện rộng. Những khó khăn của WiMax bao gồm:  Giá thành sản phẩm WiMax đắt hơn rất nhiều so với WiFi. 2.1.2.3. Mạng diện rộng WWAN theo chuẩn 802.20 Các mạng trải dài trên một quốc gia hoặc thậm chí toàn thế giới được gọi là mạng diện rộng WWAN (Wireless Wide Area Networks), Internet là một trong những mạng WAN cố định nổi tiếng nhất và các mạng GSM/GPRS và 3G đại diện cho các mạng WAN không dây. GSM (Global System for Mobile communication) hiện là hệ thống thông tin liên lạc di động lớn nhất thế giới cung cấp các dịch vụ chuyển mạch kênh. GPRS (General Packet Radio Service) được giới thiệu như là một phần mở rộng dịch vụ chuyển mạch gói được chuẩn hóa của kiến trúc GSM cung cấp tốc độ truyền tối đa cao hơn. Với dịch vụ chuyển mạch gói ta có thể sử dụng thiết bị di động kết nối GPRS tương tự như một máy tính kết nối với Internet, mạng GPRS hoạt động chỉ khi dữ liệu đang được truyền đi, do đó làm giảm chi phí sử dụng. Các mạng di động thế hệ thứ ba (3G), phát triển bởi ETSI vào năm 1999, được thiết kế để cung cấp cuối cùng tốc độ truyền ngang bằng với các mạng cố định. Điều này làm 3G trở thành một thay thế thú vị cho các mạng WLAN. Mặc dù mục tiêu ban đầu của mạng không dây toàn cầu cuối cùng là hai công nghệ khác nhau cùng tồn tại. Tại châu Âu WCDMA được chọn là công nghệ chính, trong khi CDMA2000 đang phổ biến ở Mỹ, 85% các mạng 3G trên thế giới được dựa trên công nghệ WCDMA. 2.2. Mạng di động không dây đặc biệt MANET 2.2.1. Giới thiệu mạng MANET MANET là chữ viết tắt của cụm từ Mobile wireless Ad hoc NETwork, là tập hợp các nút di động có trang bị các giao tiếp mạng không dây khi thiết lập truyền thông không cần tới sự hiện diện của các cơ sở hạ tầng mạng và các quản trị trung tâm. Trong MANET mọi nút mạng đều thực hiện chức năng của một router, chúng cộng tác với nhau, thực hiện chuyển tiếp các gói tin hộ các nút mạng khác nếu các nút mạng này không thể truyền trực tiếp với nút nhận. Mobile = di động, không chịu sự quản lý của quản trị mạng. Adhoc = không hạ tầng mạng, topo mạng động. MANET = NETwork
20 Năm 1971, tại Đại học Hawaii các công nghệ mạng và truyền thông vô tuyến đã được kết hợp lần đầu tiên trong dự án Alohanet. Mục tiêu của mạng này là kết nối các cơ sở giáo dục ở Hawaii. Mặc dù các trạm làm việc là cố định nhưng giao thức ALOHA thực hiện việc quản lý truy cập kênh truyền dưới dạng phân tán, do đó cung cấp cơ sở cho sự phát triển về sau của các lược đồ truy cập kênh phân tán cho phép hoạt động của mạng Ad Hoc. Mạng MANET có khởi nguồn từ mạng PRNet (Packet Radio Network) và dự án SURAN (Survivable Radio Network) của tổ chức DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) thuộc chính phủ Mỹ. Năm 1972, mạng PRnet ra đời. Đây là mạng vô tuyến gói tin đa chặng đầu tiên. Trong ngữ cảnh này, đa chặng có nghĩa là các nút hợp tác để chuyển tiếp truyền thông cho các nút ở xa nằm ngoài dải truyền thông của một nút khác. PRnet cung cấp cơ chế để quản lý hoạt động trên cơ sở tập trung cũng như phân tán. PRnet cũng là mạng đầu tiên sử dụng trạm điều khiển tập trung, sử dụng những công nghệ sau này là tiền đề để cấu thành một mạng MANET như sau:  Phát triển kiến trúc phân tán  Là mạng sử dụng sóng vô tuyến quảng bá  Tối thiểu hóa quản lý tập trung  Sử dụng định tuyến nhớ và chuyển tiếp đa chặng (sử dụng Aloha/CSMA, phổ trải rộng trong thập kỷ 80 thế kỷ 20) Vào năm 1983, dự án SURAN được phát triển. Động lực thúc đẩy là:  Xu hướng kích thước thiết bị truyền dẫn ngày càng nhỏ hơn, chí phí giảm, công suất sóng vô tuyến thấp.  Hỗ trợ nhiều giao thức sóng vô tuyến phức tạp.  Phát triển và chứng minh được các thuật toán có tính khả mở rộng (scalable algorithms), mạng có thể có đến 10.000 nút.  Phát triển và chứng minh sức chịu đựng và khả năng tồn tại chống lại các cuộc tấn công tinh vi. (cải tiến trải phổ rộng, topo mạng phân cấp, tạo nhóm động …) Trong quân đội (Army Research Office-ARO):  Đầu tiên, họ sử dụng MANET cho các ứng dụng trên mặt đất.  Được sử dụng chính thay cho các mạng có cơ sở hạ tầng cố định. Trong hải quân (Office of Naval Research-ONR):  Ban đầu được dùng cho các tàu trên biển.  Mạng MANET trên biển không có mật độ dày như mạng trên đất liền.  Đòi hỏi kết hợp với liên kết vệ tinh. Trong lực lượng không quân:  Khảo sát sử dụng những máy bay để cung cấp truyền thông với các trạm mặt đất.