Phân tích hiệu năng mạng MANET sử dụng các giao thức định tuyến AODV, DSR, OLSR và DSDV

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:9

Thêm vào BST

Báo xấu

25
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết trình bày khảo sát, thử nghiệm một số giao thức định tuyến tiêu biểu đã được đề xuất cho mạng MANET gồm AODV, DSR, OLSR và DSDV. Dựa trên kết quả thực nghiệm giao thức với nhiều kịch bản sử dụng giả định, phân tích và so sánh hiệu năng nhận được của mạng.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Phân tích hiệu năng mạng MANET sử dụng các giao thức định tuyến AODV, DSR, OLSR và DSDV

Kỷ yếu Hội nghị KHCN Quốc gia lần thứ XI về Nghiên cứu cơ bản và ứng dụng Công nghệ thông tin (FAIR); Hà Nội, ngày 09-10/8/2018 DOI: 10.15625/vap.2018.00053 PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG MẠNG MANET SỬ DỤNG CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN AODV, DSR, OLSR VÀ DSDV Vũ Khánh Quý1, Nguyễn Tiến Ban2, Bùi Đức Thọ1, Nguyễn Đình Hân1 1 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên 2 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông quyvk@utehy.edu.vn, bannt@ptit.edu.vn, buiductho@utehy.edu.vn, hannguyen@utehy.edu.vn TÓM TẮT: Hiện nay, mạng di động tùy biến (Mobile Ad-hoc Network - MANET) đã được biết đến rộng rãi trong đời sống xã hội. Những thành tựu, kết quả nghiên cứu về mạng MANET đã được ứng dụng mạnh mẽ trong nhiều lĩnh vực như y tế, quân sự, dự phòng và cứu trợ thiên tai. Tuy nhiên, hiệu năng mạng MANET nói chung vẫn còn khá thấp so với kỳ vọng. Giải pháp chính để nâng cao hiệu năng mạng MANET là cải tiến các giao thức định tuyến. Trong bài báo này, chúng tôi khảo sát, thử nghiệm một số giao thức định tuyến tiêu biểu đã được đề xuất cho mạng MANET gồm AODV, DSR, OLSR và DSDV. Dựa trên kết quả thực nghiệm giao thức với nhiều kịch bản sử dụng giả định, chúng tôi phân tích và so sánh hiệu năng nhận được của mạng. Qua đó, có thể khẳng định: đối với các mạng MANET có lưu lượng thấp, các nút mạng ít di động, các giao thức định tuyến chủ động OLSR và DSDV hoạt động khá tốt. Ngược lại, khi mức độ di động và lưu lượng mạng tăng lên, các giao thức định tuyến phản ứng AODV và DSR cho hiệu năng vượt trội so với các giao thức còn lại. Chúng tôi tin tưởng rằng kết quả nghiên cứu có tính so sánh nêu trên sẽ giúp chúng ta thiết kế các giao thức định tuyến mới, hiệu quả hơn cho mạng MANET. Từ khóa: MANET, Routing Protocol, AODV, DSR, OLSR, DSDV. I. GIỚI THIỆU Theo khảo sát của Cisco VNI Mobile 2017, số lượng thiết bị di động toàn cầu đã tăng trên 18 lần trong vòng 5 năm qua với khoảng trên 8 tỉ thiết bị. Dự kiến đến năm 2021, số lượng thiết bị di động toàn cầu sẽ tăng gấp 1.5 lần so với hiện nay, đạt gần 12 tỉ thiết bị và lưu lượng dữ liệu di động toàn cầu sẽ tăng trên bảy lần, đạt khoảng 49 tỷ exabytes mỗi tháng so với hiện nay. Đặc biệt, các thiết bị di động được trang bị module M-to-M (có khả năng thiết lập các kết nối máy-máy mà không dựa vào các trạm cơ sở), là nguyên lý hình thành nên các mạng di động tùy biến (MANET - Mobile Ad-hoc Network) [1]. Các mạng MANET ra đời từ những năm 1970 là một tập hợp các thiết bị vô tuyến di động, có khả năng tự thiết lập các thông số cấu hình để có thể kết nối với nhau mà không dựa vào bất kỳ hệ thống trạm cơ sở nào [2]. Mặc dù bị giới hạn trong khả năng và năng lực, các mạng MANET đã chứng minh được ưu điểm vượt trội trong việc truyền thông tin liên lạc với cơ sở hạ tầng linh hoạt và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như chăm sóc sức khỏe [3-4], giao thông [5-6], quân sự [7], cứu hộ và khắc phục thảm họa [8-9], cũng như hứa hẹn một đóng góp quan trọng vào sự phát triển tương lai của Internet [10]. Một tập các ứng dụng và dịch vụ MANET rất phong phú, đa dạng trong các đô thị thông minh được giới thiệu trong Hình 1. Hình 1. Một minh họa ứng dụng MANET trong các đô thị thông minh Ngoài các ưu điểm, cần chú ý, mạng MANET còn gặp các thách thức do những hạn chế về băng thông, độ trễ cũng như năng lượng pin của các nút di động [11]. Do kiến trúc mạng có tính động mạnh và phân tán, hiệu năng của các mạng MANET nói chung khá thấp [12]. Để cải thiện hiệu năng mạng MANET, định tuyến là vấn đề chính. Trong những năm qua, đã có nhiều nghiên cứu về vấn đề này [13-27]. Tuy nhiên, các đề xuất thường chỉ áp dụng cho một hệ thống hoặc kiến trúc cụ thể. Do đó, đánh giá, cải thiện hiệu năng mạng MANET luôn là hướng nghiên cứu thời sự.
Vũ Khánh Quý, Nguyễn Tiến Ban, Bùi Đức Thọ, Nguyễn Đình Hân 405 Trong công trình này, trước hết, chúng tôi thực hiện một khảo sát ngắn để làm nổi bật xu hướng nghiên cứu của lĩnh vực cải thiện hiệu năng mạng MANET trong những năm gần đây. Sau đó, trong Phần 3, chúng tôi thực hiện phân tích các giao thức định tuyến tiêu biểu được đề xuất cho mạng MANET. Trong Phần 4, chúng tôi so sánh hiệu năng của các giao thức định tuyến này với các kịch bản khác nhau về mức di động và lưu lượng mạng và Phần 5 là kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo. II. XU HƯỚNG NGHIÊN CỨU GẦN ĐÂY Để làm sáng tỏ xu hướng nghiên cứu cải thiện hiệu năng mạng MANET trong những năm qua, chúng tôi thực hiện một khảo sát ngắn các giao thức định tuyến được đề xuất nhằm cải thiện hiệu năng cho mạng MANET trong khoảng 7 năm trở lại đây (giai đoạn 2011 - 2017) được công bố trên cơ sở dữ liệu của IEEE Xplore Digital Library. Kết quả khảo sát được trình bày trong Bảng 1. Kết quả khảo sát cho thấy, rất nhiều các giao thức định tuyến đã được đề xuất trong vòng 8 năm qua dựa trên sự cải tiến từ các giao thức truyền thống. Khoảng trên 80% số nghiên cứu so sánh hiệu năng của giao thức đề xuất với các giao thức truyền thống như AODV hay DSR. Khoảng 90% số nghiên cứu thực hiện mô phỏng và đánh giá hiệu năng trên các phần mềm mô phỏng như NS2, Matlab. Các tiêu chí hiệu năng thường được sử dụng để so sánh là thời gian trễ (khoảng 86%), tỉ lệ phân phối gói tin (khoảng 93%) và tải định tuyến (khoảng trên 75%). Số lượng các nghiên cứu trong những năm gần đây đều tăng cao. Đặc biệt, trên 53% tổng số công trình được đề xuất trong hai năm gần đây (giai đoạn 2016 - 2017). Bảng 1. Các giao thức định tuyến cải thiện hiệu năng mạng MANET trên IEEE Xplore Digital Library giai đoạn 2010 - 2017 Phần mềm TT Giao thức đề xuất Năm Các giao thức so sánh Delay PDR Overhead Khác mô phỏng 1 LBRP [13] 2011 GloMoSim AODV, DSR, ZRP Yes Yes Yes No 2 CA-AOMDV [14] 2011 Matlab AOMDV Yes Yes Yes Yes 3 EDRP [15] 2011 NS2 AODV, PGP Yes Yes Yes No 4 D-ODMRP [16] 2012 NS2 ODMRP NO Yes Yes No 5 3DLIS [17] 2013 NS-2 MDART Yes Yes Yes Yes 6 OANTGPS [18] 2013 NS2 AODV, AOMDV, DSR Yes Yes No No 7 PSR [19] 2014 NS-2 OLSR, DSDV, DSR Yes Yes Yes No 8 IAR [20] 2016 NS-3 CLWPR, PIAR, SPIAR Yes Yes Yes Yes 9 DCFP [21] 2016 Tự thiết kế NCPR, AODV Yes Yes Yes No 10 TLRC [22] 2016 NS2 GyTAR, STAR Yes Yes No No 11 iCAR-II [23] 2016 MATLAB GPSR, GSR, GyTAR Yes Yes Yes Yes 12 3MRP [24] 2017 NS2 GPSR, VIRTUS Yes Yes No Yes 13 MoZo [25] 2017 NS2 CBDRP, Brave Yes Yes Yes Yes CBVANET, AODV- 14 CBLTR [26] 2017 MATLAB Yes No Yes Yes CV Các giao thức truyền 15 RARP [27] 2017 Tự thiết kế No Yes No Yes thống Các kết quả khảo sát trên cho thấy, xu hướng nghiên cứu trong lĩnh vực cải thiện hiệu năng mạng MANET hiện đang rất được các nhà nghiên cứu quan tâm. Tuy nhiên, nghiên cứu luôn có xu hướng kế thừa. Do đó, để có thể đề xuất các giải pháp hiệu năng cao cho mạng MANET, chúng ta cần xem xét hiệu năng của các giao thức tiêu biểu đã được đề xuất cho mạng MANET trong các kịch bản khác nhau về di động và lưu lượng. III. PHÂN TÍCH MỘT SỐ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TIÊU BIỂU 3.1. Các giao thức định tuyến phản ứng Trong mạng MANET, hai giao thức định tuyến phản ứng tiêu biểu đã được IETF (The Internet Engineering Task Force) chuẩn hóa là AODV (Ad hoc On-Demand Distance Vector) [28] và DSR (Dynamic Source Routing) [29]. Đây là các giao thức định tuyến theo yêu cầu, hoạt động dựa trên nguyên tắc: bất kì khi nào cần truyền dữ liệu, nút nguồn sẽ khám phá và tìm ra một tuyến đường đến nút đích. Quá trình khám phá tuyến đường được bắt đầu bằng việc nút nguồn gửi các gói tin quảng bá tìm đường RREQ (Route Request). Sau đó, các gói tin này sẽ được chuyển tiếp qua các nút trung gian để cuối cùng tới nút đích (Hình 2, đường màu đỏ). Nút đích hoặc nút trung gian (nút biết về tuyến đường đến đích) sẽ phản hồi bằng cách gửi gói tin định danh RREP (Route Reply) về nút nguồn. Khi nút nguồn nhận được gói tin RREP, tuyến đường được thiết lập và có thể bắt đầu truyền dữ liệu (Hình 2, đường màu xanh). Bên cạnh chức năng khám phá tuyến đường, AODV và DSR còn có thủ tục bảo trì tuyến đường sử dụng các gói tin báo lỗi RERR (Route Error).
406 PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG MẠNG MANET SỬ DỤNG CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN AODV, DSR, OLSR VÀ DSDV Mặc dù đều được thiết kế phù hợp với các đặc điểm của mạng MANET, giữa AODV và DSR có sự khác biệt. AODV không xây dựng trước một tuyến đường để truyền dữ liệu từ nguồn đến đích. Tuyến đường truyền sẽ được quyết định bởi mỗi nút mạng khi có dữ liệu đến, dựa vào các thông tin hiện trạng hệ thống mà nút mạng thu được. Đồng thời, AODV còn sử dụng một chuỗi số tuần tự đích/nguồn để xác định ra tuyến đường mới cũng như tránh định tuyến lặp vòng. Trong khi đó, DSR xây dựng tuyến đường tại nút nguồn. Nút nguồn sẽ xác định đầy đủ số chặng (hop) từ nút nguồn tới nút đích để truyền tin. Do vậy, cấu trúc các gói tin RREQ và RREP của DSR phải được mở rộng thêm để chứa thông tin địa chỉ của các nút trung gian. Ngoài ra, khác với AODV không có cơ chế lưu trữ thông tin định tuyến, DSR duy trì một bộ nhớ tạm để lưu các tuyến đường và sử dụng chúng cho tới khi không còn hợp lệ. S 2 5 3 4 6 X D Gửi quảng bá gói tin RREQ Gửi định danh gói tin RREP Gói tin báo lỗi RREP Hình 2. Ba trạng thái xác định tuyến đường trong giao Hình 3. Tiến trình xác định nút MPR trong OLSR thức định tuyến phản ứng Cả AODV và DSR đều sử dụng ít tài nguyên, tiết kiệm năng lượng và hỗ trợ tốt các đặc tính của kiến trúc/tổ chức mạng tùy biến như: tự tổ chức, tự cấu hình và di động. Tuy nhiên, với đặc tính giới hạn về năng lực và khả năng, các giao thức định tuyến linh hoạt và hiệu quả hơn nhằm thích hợp cho môi trường mạng MANET cần tiếp tục được nghiên cứu và đánh giá. 3.2. Các giao thức định tuyến chủ động Giao thức định tuyến chủ động sử dụng một bảng định tuyến để xác định đường đi đến tất cả các nút trong mạng. Các nút thường xuyên được cập nhật các thông tin định tuyến về kiến trúc mạng và trạng thái đường liên kết để làm mới bảng định tuyến. Điều này cho phép bảng định tuyến kiểm soát được toàn bộ tình trạng các liên kết trong mạng tốt hơn. Tuy nhiên, trong một mạng có tính động cao, các thông tin cập nhật bảng định tuyến liên tục được trao đổi trong mạng với một tần suất lớn, điều này có thể làm ảnh hưởng lớn đến băng thông của mạng. 3.2.1. Định tuyến tối ưu trạng thái đường liên kết OLSR OLSR (Optimized Link State Routing Protocol) [30] là một cải tiến từ giao thức trạng thái đường liên kết theo phương thức đa chặng, sử dụng ba cơ chế cho việc định tuyến: (1) Gửi gói tin Hello cho các nút lân cận theo chu kỳ, (2) kiểm soát các gói tin được gửi quảng bá trên mạng nhờ cơ chế chuyển tiếp đa điểm MPR (Multi-Point Relay) và (3) xác định đường truyền bởi thuật toán tìm đường đi ngắn nhất. OLSR được đề xuất nhằm làm giảm tình trạng quá tải các gói tin quảng bá bằng cách bầu ra một số ít các nút đóng vai trò là nút chuyển tiếp trung tâm (MPR). Chỉ các nút này mới có khả năng chuyển tiếp gói tin quảng bá, điều này làm giảm số gói tin quảng bá cũng như kích cỡ của gói tin điều khiển. Để thực hiện bầu một nút MPR, các nút gửi gói tin Hello trong phạm vi hai chặng để xác định nút lân cận, sau đó, các nút này thực hiện bầu nút đóng vai trò MPR trong vùng (xem Hình 3). Giao thức OLSR có hiệu năng tốt hơn trong môi trường mạng dày đặc và lưu lượng dữ liệu lớn, tuy nhiên, hạn chế của OLSR là chiếm dụng nhiều tài nguyên mạng. 3.2.2. Định tuyến theo khoảng cách DSDV DSDV (Destination Sequenced Distance Vector) [31] là một giao thức định tuyến chủ động, sử dụng chi phí số chặng để ra quyết định định tuyến, được đề xuất nhằm giải quyết vấn đề lặp vòng bằng cách thêm một trường số tuần tự vào trong bảng định tuyến. Không giống như giao thức định tuyến trạng thái đường liên kết, DSDV không có một bản bồ đường đi đến toàn bộ các nút trong mạng. Mỗi nút duy trì một bảng định tuyến đến các nút đích mà nó biết và thông tin này được trao đổi, cập nhật theo chu kỳ. Khi lựa chọn tuyến đường, DSDV ưu tiên sử dụng tuyến đường có
Vũ Khánh Quý, Nguyễn Tiến Ban, Bùi Đức Thọ, Nguyễn Đình Hân 407 số tuần tự cao nhất, trong trường hợp có nhiều tuyến đường có cùng số tuần tự, giao thức sẽ ưu tiên chọn tuyến đường có chi phí thấp hơn. Do nguyên tắc trao đổi và cập nhật thông tin định tuyến theo chu kỳ, trong môi trường mạng MANET, DSDV thường gây lãng phí tài nguyên hệ thống trong trường hợp kiến trúc mạng ít có sự thay đổi cũng như tình trạng quá tải khi các tuyến đường tồn tại trong bảng định tuyến thời gian dài mà không được sử dụng. IV. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG 4.1. Các tiêu chí đánh giá hiệu năng Để thực hiện các mô phỏng xác định hiệu năng của các giao thức định tuyến trong các kịch bản khác nhau về lưu lượng và mức độ di động, chúng tôi định nghĩa các tiêu chí đánh giá hiệu năng như sau: 4.1.1. Tỷ lệ phân phối gói tin PDR (Packet Delivery Ratio) Được định nghĩa là tỉ lệ số gói dữ liệu được phân phối thành công đến nút đích trên tổng số gói dữ liệu gửi đi từ nút nguồn. Chúng tôi sử dụng tham số PDR trung bình, là tỉ lệ phần trăm tổng số gói dữ liệu nút đích nhận được trên tổng số gói dữ liệu do nút nguồn gửi trên toàn mạng trong toàn bộ tiến trình thực hiện một mô phỏng. Tỷ lệ phân phối gói tin đặc trưng cho tỷ lệ mất gói, là giới hạn thông lượng của mạng. Tỷ lệ phân phối cao chứng minh giao thức định tuyến hoạt động hiệu quả. Tỷ lệ phân phối trung bình được xác định theo công thức sau: (1) 4.1.2. Thời gian trễ (Delay) Là khoảng thời gian gói tin di chuyển từ nút nguồn đến nút nhận của lớp ứng dụng, đơn vị tính: giây (s). Chúng tôi sử dụng tham số thời gian trễ trung bình, là tổng thời gian trễ trên tổng số gói tin nhận được bởi nút đích (không tính các gói bị mất). Thời gian trễ trung bình được xác định như sau: ∑ (2) 4.13. Thông lượng Là tích của số gói tin và dung lượng mỗi gói tin trong một đơn vị thời gian. Chúng tôi sử dụng tham số thông lượng trung bình là tích số gói tin truyền-nhận thành công và dung lượng mỗi gói tin trên tổng số thời gian thực hiện mô phỏng, đơn vị tính: bit/giây (bps). Thông lượng trung bình được xác định như sau: (3) 4.1.4. Tải định tuyến trung bình (Normalized Routing Overhead) Được định nghĩa là tỉ lệ tổng số gói tin điều khiển trên tổng số gói dữ liệu nhận thành công trong toàn bộ tiến trình thực hiện một mô phỏng. Tải định tuyến trung bình cho biết cần bao nhiêu gói tin điều khiển (bao gồm gói tin khám phá và duy trì tuyến đường) để truyền thành công các gói tin dữ liệu đến đích. (4) Trong đó: là tổng số gói tin dữ liệu gửi bởi nút nguồn trong toàn bộ tiến trình mô phỏng là tổng số gói tin dữ liệu nhận thành công bởi nút đích trong toàn bộ tiến trình mô phỏng là thời điểm gửi gói tin tại nút nguồn là thời gian toàn bộ tiến trình mô phỏng mạng; là kích thước gói dữ liệu; là tổng số gói tin điều khiển gửi trong toàn bộ tiến trình mô phỏng; 4.2. Mô tả các kịch bản và tham số mô phỏng Để đánh giá hiệu năng của bốn giao thức định tuyến đã được phân tích trong Phần 3 là AODV, DSR, OLSR và DSDV, chúng tôi thiết lập một hệ thống mô phỏng trên phần mềm NS2, phiên bản 2.34 và so sánh hiệu năng của các giao thức với sự thay đổi về tốc độ di chuyển của nút mạng (kịch bản di động) và lưu lượng mạng (kịch bản lưu lượng). Trong các mô phỏng này, chúng tôi đã sử dụng kiểu lưu lượng CBR (Constant Bit Rate) với 200 nút di động được bố trí ngẫu nhiên trong vùng có diện tích 1000m×1000m. Vùng truyền của các nút mạng được thiết lập là 150 m. Tốc độ di chuyển của mỗi nút được thiết lập ngẫu nhiên trong khoảng [ ].
408 PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG MẠNG MANET SỬ DỤNG CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN AODV, DSR, OLSR VÀ DSDV Trong kịch bản di động, chúng tôi thiết lập số cặp kết nối đầu - cuối là 50 trong tất cả các mô phỏng. Tốc độ di chuyển của nút mạng được thiết lập ngẫu nhiên trong khoảng [ ], trong đó, lần lượt là: 5, 10, 15 và 20 (m/s), tương ứng với tốc độ di chuyển trong khoảng (15 - 70) (km/h) là tốc độ di chuyển thực của các phương tiện giao thông trong khu vực đô thị. Xem xét hiệu năng của các giao thức với các tốc độ di chuyển như trên còn nhằm mục đích tìm kiếm một giao thức truyền thông phù hợp cho các phương tiện khi di chuyển trong các đô thị thông minh. Trong kịch bản thay đổi về lưu lượng mạng, trong các mô phỏng, chúng tôi thiết lập số kết nối đầu - cuối lần lượt là: 20, 40, 60 và 80. Tốc độ di chuyển tối đa của nút mạng trong tất cả các mô phỏng đều được thiết lập với cùng một giá trị (m/s). Các tham số mô phỏng chi tiết được trình bày trong Bảng 2. Bảng 2. Các tham số mô phỏng Tham số Giá trị Vùng mô phỏng 1000m×1000m Số nút di động 200 Thời gian mô phỏng 600 (s) Loại lưu lượng CBR Thông lượng truyền 2 (Mbit/s) Kích thước gói tin 512 (byte) Lớp MAC 802.11 Lớp vận chuyển UDP Mô hình di động Random Way Point Tốc độ của nút di động [5-20] (m/s) Vùng truyền 150 (m) 4.3. Kịch bản di động Kết quả mô phỏng cho thấy, nhìn chung, khi tốc độ di chuyển của nút mạng tăng lên thì tỉ lệ phân phối gói tin (Hình 4) và thông lượng (Hình 5) có xu hướng giảm. Ngược lại, thời gian trễ (Hình 6) và tải định tuyến (Hình 7) có xu hướng tăng lên với tất cả các giao thức. Một điểm chung là tải định tuyến của các giao thức OLSR và DSDV đều cao hơn AODV và DSR rất nhiều trong tất cả các mô phỏng. Điều này là hoàn toàn phù hợp với các tính toán lý thuyết. Do OLSR và DSDV là hai giao thức hoạt động theo phương thức chủ động nên các gói tin định tuyến được gửi quảng bá theo chu kỳ. Ngược lại, các giao thức AODV và DSR là các giao thức hoạt động theo phương thức phản ứng, tiến trình định tuyến chỉ xảy ra khi có yêu cầu truyền dữ liệu, do đó, hạn chế được số gói tin định tuyến không cần thiết. Khi tốc độ di chuyển của các nút di động thấp, (m/s), mức độ chênh lệch giữa các chỉ số hiệu năng của các giao thức là không nhiều. Tỉ lệ phân phối gói tin của tất cả các giao thức đều rất cao và đều đạt từ 98% trở lên trong khi thời gian trễ của OLSR thấp nhất. Tuy nhiên, khi vận tốc di chuyển của nút mạng tăng lên, tỉ lệ phân phối gói tin và thông lượng của các giao thức OLSR và DSDV giảm và thời gian trễ tăng nhanh so với các giao thức AODV và DSR. Đặc biệt các tiêu chí hiệu năng của AODV được cải thiện rõ rệt nhất khi (m). AODV DSR OLSR DSDV AODV DSR OLSR DSDV 100 360 Thông lượng (Kbps) 95 340 90 PDR (%) 320 85 300 80 75 280 70 260 5 10 15 20 5 10 15 20 Vmax (m/s) Vmax (m/s) Hình 4. Tỉ lệ phân phối trung bình - kịch bản di động Hình 5. Thông lượng trung bình - kịch bản di động
Vũ Khánh Quý, Nguyễn Tiến Ban, Bùi Đức Thọ, Nguyễn Đình Hân 409 AODV DSR OLSR DSDV AODV DSR OLSR DSDV 0.65 4 0.6 3.5 0.55 3 Tải định tuyến 0.5 2.5 Delay (s) 0.45 2 0.4 1.5 0.35 0.3 1 0.25 0.5 0.2 0 5 10 15 20 5 10 15 20 Vmax (m/s) Vmax (m/s) Hình 6. Thời gian trễ trung bình - kịch bản di động Hình 7. Tải định tuyến trung bình - kịch bản di động Kết quả mô phỏng cũng cho thấy, trong môi trường mạng MANET, đặc tính di động của nút mạng có ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu năng của hệ thống. Rõ ràng, khi các nút mạng di chuyển với vận tốc cao, các liên kết có xác suất đứt cao hơn, dẫn đến phải thiết lập lại tuyến đường cũng như truyền lại dữ liệu. Kết quả là, tỉ lệ phân phối gói tin (Hình 4) và thông lượng (Hình 5) sẽ giảm nhanh trong khi thời gian trễ (Hình 6) và tải định tuyến (Hình 7) sẽ tăng nhanh. Nhìn chung, trong điều kiện nút mạng có tốc độ di chuyển thấp, các giao thức định tuyến chủ động như OLSR hoạt động khá tốt. Tuy nhiên, khi nút mạng di chuyển ở tốc độ cao, cấu trúc mạng liên tục biến đổi, lúc này, các giao thức định tuyến chủ động thể hiện rõ hạn chế với thời gian trễ rất lớn trong khi tỉ lệ phân phối gói tin và thông lượng suy giảm đáng kể so với các giao thức định tuyến phản ứng. Hơn thế, chi phí tải định tuyến của các giao thức phản ứng cũng thấp hơn rất nhiều so với các giao thức chủ động. Điều này phản ánh tính hiệu quả năng lượng của các giao thức định tuyến phản ứng. 4.4. Kịch bản lưu lượng Kết quả mô phỏng cho thấy, tương tự như kịch bản di động, khi lưu lượng mạng tăng lên (số cặp kết nối đầu - cuối tăng) thì tỉ lệ phân phối gói tin (Hình 8) và Thông lượng (Hình 9) có xu hướng giảm. Ngược lại, thời gian trễ (Hình 10) và Tải định tuyến (Hình 11) có xu hướng tăng lên với tất cả các giao thức. AODV DSR OLSR DSDV AODV DSR OLSR DSDV 100 360 95 340 Thông lượng (Kbps) 90 PDR (%) 320 85 300 80 75 280 70 260 20 40 60 80 20 40 60 80 Số cặp kết nối đầu - cuối Số cặp kết nối đầu - cuối Hình 8. Tỉ lệ phân phối trung bình - kịch bản lưu lượng Hình 9. Thông lượng trung bình - kịch bản lưu lượng Khi lưu lượng mạng thấp (số cặp kết nối đầu - cuối bằng 20), mức độ chênh lệch giữa các giao thức là không nhiều. Tỉ lệ phân phối gói tin của tất cả các giao thức đều rất cao và đều đạt trên 97%, trong khi thời gian trễ của OLSR thấp nhất. Tuy nhiên, khi lưu lượng mạng tăng lên, tỉ lệ phân phối gói tin và thông lượng của các giao thức OLSR và DSDV giảm và thời gian trễ tăng nhanh so với các giao thức AODV và DSR. Đặc biệt các tiêu chí hiệu năng của AODV được cải thiện rõ rệt nhất khi số cặp kết nối đầu - cuối bằng 80. Rõ ràng, khi lưu lượng mạng tăng lên, khả năng đụng độ và tắc nghẽn xảy ra thường xuyên hơn. Đây là nguyên nhân chính dẫn đến truyền lại, từ đó làm tăng thời gian trễ, tải định tuyến cũng như giảm thông lượng và tỉ lệ phân phối gói tin trên toàn hệ thống.
410 PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG MẠNG MANET SỬ DỤNG CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN AODV, DSR, OLSR VÀ DSDV AODV DSR OLSR DSDV AODV DSR OLSR DSDV 4 0.6 3.5 3 Tải định tuyến 0.5 Delay (s) 2.5 2 0.4 1.5 0.3 1 0.5 0.2 0 20 40 60 80 20 40 60 80 Số cặp kết nối đầu - cuối Số cặp kết nối đầu - cuối Hình 10. Thời gian trễ trung bình - kịch bản lưu lượng Hình 11. Tải định tuyến trung bình - kịch bản lưu lượng Nhìn chung, trong điều kiện mạng có lưu lượng thấp, các giao thức định tuyến chủ động như OLSR hoạt động khá tốt. Tuy nhiên, khi lưu lượng mạng cao, các giao thức định tuyến phản ứng như AODV có các chỉ số hiệu năng vượt trội so với các giao thức còn lại. Hơn thế, chi phí tải định tuyến của các giao thức phản ứng cũng thấp hơn rất nhiều so với các giao thức chủ động. Điều này phản ánh khả năng tiết kiệm năng lượng của giao thức định tuyến phản ứng so với giao thức định tuyến chủ động. V. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Trong công trình này, chúng tôi đã thực hiện một khảo sát về xu hướng nghiên cứu trong lĩnh vực hiệu năng cao cho mạng MANET trong thời gian gần đây nhằm làm rõ các phương thức và cách tiếp cận. Sau đó, chúng tôi lựa chọn và phân tích 4 giao thức điển hình được đề xuất cho MANET là AODV, DSR: sử dụng phương thức định tuyến phản ứng và OLSR, DSDV: sử dụng phương thức định tuyến chủ động. Để làm rõ hiệu năng của mỗi giao thức trong các cấu trúc mạng khác nhau, chúng tôi thực hiện đánh giá hiệu năng các giao thức với các kịch bản khác nhau về mức độ di động và lưu lượng mạng. Kết quả mô phỏng cho thấy, trong các mạng MANET có mức độ di động và lưu lượng mạng thấp, các giao thức định tuyến chủ động như OLSR hoặc DSDV hoạt động tốt. Tuy nhiên, khi hệ thống có lưu lượng mạng lớn hoặc các nút mạng có mức độ di động cao (vận tốc di chuyển của nút mạng m/s), các giao thức định tuyến phản ứng đạt được các tiêu chí hiệu năng tốt hơn so với các giao thức định tuyến chủ động, đặc biệt là giao thức AODV. Điều đó khẳng định, định tuyến chủ động là phù hợp cho mạng có cấu trúc ổn định và định tuyến phản ứng phù hợp cho các mạng có tính di động cao. Tuy nhiên, với đặc tính giới hạn về năng lực và khả năng của mạng MANET, các giao thức định tuyến linh hoạt và hiệu quả hơn nhằm thích hợp cho môi trường mạng MANET cần tiếp tục được nghiên cứu và đánh giá. Dựa trên kết quả công trình này, trong thời gian tiếp theo, chúng tôi sẽ tập trung nghiên cứu và đề xuất các giao thức định tuyến, cải tiến từ giao thức AODV nhằm đạt hiệu năng cao và tiết kiệm năng lượng cho mạng MANET. VI. LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu này nhận được sự hỗ trợ từ Trung tâm Nghiên cứu và Ứng dụng Khoa học Công nghệ, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên, dưới mã số UTEHY.T029.P1718.02. VII. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. White paper, Cisco Visual Networking Index: Global Mobile Data Traffic Forecast, 2016-2021, Cisco Public, 2017. [2]. Vu Khanh Quy, Nguyen Tien Ban, Nguyen Dinh Han. “A Multi-metric Routing Protocol to Improve the Achievable Performance of Mobile Ad Hoc Networks”. SCI, Vol. 769, pp. 445-453, 2018. [3]. Md Zakirul Alam Bhuiyan, Guojun Wang, Jiannong Cao, Jie Wu. “Deploying Wireless Sensor Networks with Fault-Tolerance for Structural Health Monitoring”. IEEE Trans. on Computers, Vol. 64, Iss. 2, pp. 382-395, 2015. [4]. Aiqing Zhang, Lei Wang et al.. “Light-Weight and Robust Security-Aware D2D-Assist Data Transmission Protocol for Mobile-Health Systems”. IEEE Trans. on Infor. Forensics and Security, Vol. 12, Iss. 3, pp. 662-675, 2017.
Vũ Khánh Quý, Nguyễn Tiến Ban, Bùi Đức Thọ, Nguyễn Đình Hân 411 [5]. Nizar Alsharif, Xuemin Shen. “iCAR-II: Infrastructure Based Connectivity Aware Routing in VehicularNetworks”. IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol. 66, Iss. 5, pp. 4231-4244, 2017. [6]. Dan Lin, Jian Kang, Anna Squicciarini, Yingjie Wu et al.. “MoZo: A Moving Zone Based Routing Protocol Using Pure V2V Communication in VANETs”. IEEE Trans. on Mobile Comp., Vol. 16, Iss. 5, pp. 1357-1370, 2017. [7]. Paul J. Nicholas, Karla L. Hoffman. “Optimal Channel Assignment for Military MANET using Integer Optimization and Constraint Programming”. IEEE Military Comm. Conf. (MILCOM), pp. 1114-1120, 2016. [8]. Patrick Lieser, Flor Alvarez, Paul Gardner-Stephen, Matthias Hollick, Doreen Boehnstedt. “Architecture for Responsive Emergency Communications Networks”. IEEE Global Humanitarian Techn. Conference, pp. 1-9, 2017. [9]. Babatunde Ojetunde, Naoki Shibata, Juntao Gao. “Secure Payment System Utilizing MANET for Disaster Areas”. IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics: Systems, pp. 1-13, 2017. [10]. Ammar Gharaibeh, Mohammad A. Salahuddin et al.. “Smart Cities: A Survey on Data Management, Security and Enabling Technologies”. IEEE Communications Surveys & Tutorials, Vol. 19, Iss. 4, pp. 2456-2501, 2017 [11]. J. Liu, H. Nishiyama, N. Kato et al.. “Toward Modeling Ad Hoc Networks: Current Situation and Future Direction”. IEEE Wireless Communication Magazine, Vol. 20, No. 6, pp. 51-58, 2013. [12]. W. Castellanos, J. C. Guerri, P. Arce. “Performance Evaluation of Scalable Video, Streaming in Mobile Ad hoc Networks”. IEEE Latin America Transactions, Vol. 14, No. 1, pp. 122-129, 2016. [13]. Q. Han, Y. Bai, L. Gong, W. Wu. “Link Availability Prediction-based Reliable Routing for Mobile Ad hoc Networks”. IET Communications, Vol. 5, Iss. 16, pp. 2291-2300, 2011. [14]. Xiaoqin Chen, Haley M. Jones, and Dhammika Jayalath. “Channel-Aware Routing in MANETs with Route Handoff”. IEEE Trans. On Mobile Computing, Vol. 10, No. 1, pp. 108-121, 2011. [15]. Xin Ming Zhang, En Bo Wang, Jing Jing Xia, and Dan Keun Sung. “An Estimated Distance-Based Routing Protocol for Mobile Ad hoc Networks”. IEEE Trans. on Vehicular Technology, Vol. 60, No. 7, pp.3473-3484, 2011. [16]. Y. Yan, K. Tian, K. Huang, B. Zhang, J. Zheng. “D-ODMRP: A Destination-driven On-demand Multicast Routing Protocol for Mobile Ad hoc Networks”. IET Communications, Vol. 6, Iss. 9, pp. 1025-1031, 2012. [17]. S. A. Abid, Mazliza Othman, and Nadir Shah. “Exploiting 3D Structure for Scalable Routing in MANETs”. IEEE Communications Letters, Vol. 17, No. 11, pp. 2056-2059, 2013. [18]. Deepak C. Karia, Vaibhav V. Godbole. “New Approach for Routing in Mobile Ad-hoc Networks based on Ant Colony Optimisation with Global Positioning System”. IET Networks, Vol. 2, Iss. 3, pp. 171-180, 2013. [19]. Zehua Wang, Yuanzhu Chen, Cheng Li. “PSR: A Lightweight Proactive Source Routing Protocol for Mobile Ad hoc Networks. IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol. 63, Iss. 2, pp. 859-868, 2014. [20]. Peppino Fazio, Floriano De Rango et al.. “A Predictive Cross-Layered Interference Management in a Multichannel MAC with Reactive Routing in VANET”. IEEE Trans. on Mobile Comp., Vol. 15, Iss. 8, pp. 1850- 1862, 2016. [21]. Ali M. E. Ejmaa, Shamala Subramaniam, Zuriati A. Zukarnain, Zurina M. Hanapi. “Neighbor-Based Dynamic Connectivity Factor Routing Protocol for Mobile Ad Hoc Network”. IEEE Access, Vol. 4, pp. 8053-8064, 2016. [22]. Qing Ding, Bo Sun, Xinming Zhang. “A Traffic-Light-Aware Routing Protocol Based on Street Connectivity for Urban Vehicular Ad Hoc Networks”. IEEE Communications Letters, Vol. 20, Iss. 8, pp. 1635-1638, 2016. [23]. Nizar Alsharif, Xuemin Shen. “iCAR-II: Infrastructure-Based Connectivity Aware Routing in Vehicular Networks”. IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol. 66, Iss. 5, pp. 4231-4244, 2017. [24]. Ahmad Mohamad Mezher, Mónica Aguilar Igartua. “Multimedia Multimetric Map-Aware Routing Protocol to Send Video-Reporting Messages Over VANETs in Smart Cities”. IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol. 66, Iss. 12, pp. 10611-10625, 2017. [25]. Dan Lin, Jian Kang, Anna Squicciarini, Yingjie Wu et al.. “MoZo: A Moving Zone Based Routing Protocol Using Pure V2V Communication in VANETs”. IEEE Trans. on Mobile Comp., Vol. 16, Iss. 5, pp. 1357-1370, 2017. [26]. Ahmad Abuashour And Michel Kadoch. “Performance Improvement of Cluster-Based Routing Protocol in VANET”. IEEE Access, Vol. 5, 15354-15371, 2017. [27]. Ganbayar Gankhuyag, Anish Prasad Shrestha, Sang-Jo Yoo. “Robust and Reliable Predictive Routing Strategy for Flying Ad-Hoc Networks”. IEEE Access, Vol. 5, pp. 643 - 654, 2017. [28]. RFC3561. https://www.ietf.org, accessed, September 02, 2018.
412 PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG MẠNG MANET SỬ DỤNG CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN AODV, DSR, OLSR VÀ DSDV [29]. RFC4728. https://www.ietf.org, accessed, September 02, 2018. [30]. RFC3626. https://www.ietf.org, accessed, September 02, 2018. [31]. C. E. Perkins, P.Bhagwat. “Highly Dynamic Destination Sequenced Distance-Vector Routing(DSDV) for Mobile Computers”. SIGCOMM, London, UK, pp. 234-244, 2004. PERFORMANCE ANALYSYS OF MANET EMPLOYING AODV, DSR, OLSR AND DSDV ROUTING PROTOCOLS Vu Khanh Quy, Nguyen Tien Ban, Bui Duc Tho, Nguyen Dinh Han ABSTRACT: Mobile ad-hoc networks (MANETs) are so popular in life nowadays because they have a wide range of applications such as in healthcare, traffic control, military and rescue. However, the real performance of MANETs is still far from our expectation. Hence, there exists a huge of works considering this problem. As the performance of a MANET is dependent on the routing algorithm or protocol employed, most works are routing related. In this paper, we study how the performance of a MANET is governed by a routing protocol. It will be four routing protocols, namely AODV, DSR, OLSR and DSDV, are evolved. We first design and implement different simulations so that all necessary performance metrics can be observed and measured. Then, we give comparative analyses on the obtained numerical results. From insight experiments, we may conclude that, for light traffic and low mobility MANETs, OLSR and DSDV work well. But, for heavy traffic and high mobility MANETs, AODV and DSR are dominant. Thus, we believe that new routing protocols for MANETs must have the ability to work efficiently in both cases.