Chuyên đề Kiến trúc mạng AdHoc di động (MANET)

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆN KHOA HỌC KỸ THUẬT BƯU ĐIỆN Giới thiệu chuyên đề: KIẾN TRÚC MẠNG ADHOC DI ĐỘNG (MANET) Hà nội – 2007 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Chuyên đề Kiến trúc mạng Adhoc di động MANET Trang 2/19 Nội dung 1 Giới thiệu phạm vi và lý do lựa chọn chuyên đề .........................................................3 2 Thuật ngữ và các chữ viết tắt ......................................................................................4 2.1 Các chữ viết tắt...................................................................................................4 2.2 Thuật ngữ ...........................................................................................................4 3 Ứng dụng của mạng MANET.....................................................................................6 4 Các đặc điểm của mạng MANET ...............................................................................6 5 Động lực của mạng MANET ......................................................................................7 5.1 Các mạng gói vô tuyến .......................................................................................8 5.2 Mạng gói vô tuyến và mạng Internet...................................................................8 5.3 Mạng gói vô tuyến và mạng MANET.................................................................8 6 Các đặc điểm của giao diện MANET..........................................................................9 6.1 Chất lượng giao diện – vô tuyến, di động, tính ngẫu nhiên (wireless, mobile, Adhoc) .........................................................................................................................9 6.2 Những khó khăn đối với mạng MANET...........................................................10 6.2.1 Giao diện bán quảng bá SBI....................................................................10 6.2.2 Mối liên hệ giữa các router MANET cạnh nhau và vùng lân cận mở rộng của các router .........................................................................................................11 6.2.3 Thành phần của mạng MANET...............................................................11 7 Đánh địa chỉ và mô hình tiền tố địa chỉ của mạng MANET ......................................12 7.1 Kiến trúc địa chỉ thông thường .........................................................................12 7.2 Cấu hình giao diện MANET .............................................................................13 7.3 Routers và Hosts trong mạng MANET .............................................................14 8 Định tuyến di động lớp IP.........................................................................................14 8.1 Phối hợp với định tuyến IP chuẩn .....................................................................15 9 Ví trí của mạng MANET trong ngăn xếp mạng ........................................................16 10 Chia sẻ thông tin qua các lớp mạng...........................................................................16 11 Nguyên tắc phân loại các hình thức triển khai mạng .................................................17 11.1 Tính khả dụng của dịch vụ................................................................................17 11.2 Số lượng router MANET trong một mạng MANET..........................................17 12 Các vấn đề về bảo mật ..............................................................................................18 13 Tài liệu tham khảo....................................................................................................19 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Chuyên đề Kiến trúc mạng Adhoc di động MANET Trang 3/19 1 Giới thiệu phạm vi và lý do lựa chọn chuyên đề Với sự phát triển tiên tiến về hiệu năng trong công nghệ truyền thông vô tuyến và máy tính, việc truyền thông vô tuyến di động được mong đợi là sẽ được sử dụng và ứng dụng rộng rãi, trong đó liên quan nhiều đến việc sử dụng bộ giao thức IP. Kết nối mạng adhoc di động được thực hiện để cung cấp hoạt động mạnh mẽ và hiệu quả trong thông tin di động vô tuyến bằng cách kết hợp các chức năng định tuyến vào các nốt di động. Các mạng như vậy thường có tính động, thay đổi với tốc độ cao, cấu hình mạng ngẫu nhiên nhiều chặng (multihop) bao gồm nhiều liên kết vô tuyến có băng tần giới hạn. Trong cộng đồng Internet, việc hỗ trợ định tuyến cho các host di động được thực hiện bằng công nghệ IP di động (mobile IP). Đây là công nghệ hỗ trợ chuyển mạng trong đó các host có thể được kết nối tới mạng Internet bởi nhiều phương tiện ngoài vùng địa chỉ cố định của nó. Host có thể được kết nối vật lý trực tiếp tới mạng cố định trên một phân mạng ngoài hoặc được kết nối qua một liên kết vô tuyến, đường dây dial-up... Để hỗ trợ tính di động này yêu cầu việc quản lý địa chỉ, các đặc tính tăng cường về hỗ trợ hoạt động giữa các giao thức, nhưng các chức năng mạng lõi như định tuyến từng chặng (hop-by-hop) vẫn dựa trên các giao thức định tuyến hiện có trong mạng cố định. Ngược lại, mục tiêu của kết nối mạng ad hoc di động là để mở rộng tính di động cho vùng mạng di động, vô tuyến tự trị, trong đó một nhóm các nốt có thể là các router và host được kết hợp với nhau để hình thành hạ tầng định tuyến mạng theo một thể thức đặc biệt của mạng adhoc. Mạng Adhoc di động (MANET) bao gồm các miền router kết nối lỏng với nhau. Một mạng MANET được đặc trưng bởi một hoặc nhiều giao diện mạng MANET, các giao diện được phân biệt bởi “khả năng tiếp cận không đối xứng” thay đổi theo thời gian của nó đối với các router lân cận. Các router này nhận dạng và duy trì một cấu trúc định tuyến giữa chúng. Các router có thể giao tiếp thông qua các kênh vô tuyến động với khả năng tiếp cận không đối xứng, có thể di động và có thể tham gia hoặc rời khỏi mạng bất kì thời điểm nào. Để giao tiếp với nhau, các nốt mạng adhoc cần cấu hình giao diện mạng của nó với địa chỉ địa phương có giá trị trong khu vực của mạng adhoc đó. Các nốt mạng adhoc có thể phải cấu hình các địa chỉ toàn cầu có thể được định tuyến, để giao tiếp với các thiết bị khác trên mạng Internet. Nhìn từ góc độ lớp IP, mạng MANET có vai trò như một mạng multi-hop lớp 3 được tạo thành bởi các liên kết. Do vậy mỗi nốt mạng adhoc trong mạng MANET sẽ hoạt động như một router lớp 3 để cung cấp kết nối với các nốt khác trong mạng. Mỗi nốt adhoc duy trì các tuyến tới các nốt khác trong mạng MANET và các tuyến mạng tới các nốt đích ở ngoài mạng MANET đó. Nếu đã được kết nối với mạng Internet, các mạng MANET sẽ trở thành mạng rìa (edge network), nghĩa là biên giới của chúng được xác định bởi các router rìa (edge-router). Do bản chất của các liên kết tạo nên mạng MANET, các nốt adhoc trong mạng không chia sẻ truy nhập cho liên kết Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Chuyên đề Kiến trúc mạng Adhoc di động MANET Trang 4/19 đơn báo hiệu đa điểm (multicast). Như vậy, trong mạng MANET không dự trữ hay dành riêng liên kết đa điểm multicast và liên kết quảng bá broadcast. Chuyên đề này đưa ra kiến trúc mạng MANET dưới quan điểm mạng IP và mạng Internet bao gồm động cơ ban đầu của mạng MANET và các đặc tính cũng như thử thách đối với mạng MANET. Chuyền đề cũng đưa ra định nghĩa mạng MANET, các thực thể khác và các khái niệm về kiến trúc mạng MANET. Đây là một trong những khuyến nghị mới nhất của IETF được đưa ra thang 10/2007. 2 Thuật ngữ và các chữ viết tắt 2.1 Các chữ viết tắt AS Autonomous System Hệ thống tự trị BR Border Router Router biên MAC Medium Access Control Lớp điều khiển truy nhập MANET Mobile Adhoc Network Mạng adhoc di động MNR MANET Router Router MANET P2P Peer to peer Ngang cấp PR Packet Radio Mạng gói vô tuyến SBI Semi-Broadcast Interface Giao diện bán quảng bá 2.2 Thuật ngữ Các thuật ngữ sau đây được sử dụng trong tài liệu: Node (N): bất kì thiết bị (router hay host) hoạt động theo giao thức IP Router (R): là nốt thực hiện chuyển tiếp các gói tin IP không có địa chỉ đích gửi tới Router đó. Host (H): bất kì nốt nào không phải là router, tức là nốt không thực hiện chuyển tiếp các gói tin tới các nốt khác. Liên kết (link): là phương tiện truyền thông trong đó các node có thể giao tiếp tại lớp liên kết, tức là lớp ngay dưới lớp IP. Ví dụ điển hình là các mạng Ethernet, liên kết điểm-điểm PPP, X.25, Frame Relay hay các mạng ATM cũng như các đường xuyên hầm lớp Internet như đường hầm qua IPv4 hay IPv6. Khả năng tiếp cận không đối xứng: mô tả hai đặc điểm của các tính năng giao tiếp của các loại giao diện nhất định. Thứ nhất, truyền thông ngoại động nghĩa là các gói tin từ X có thể tới Y, và các gói tin từ Y có thể đến Z nhưng các gói từ X không thể tới Z. Thứ hai, truyền thông bất song hướng (non-bidirectional) nghĩa là các gói tin từ X có thể tới Y nhưng các gói từ Y không thể tới X. Nhiều giao diện vô tuyến/không dây có thể thể hiện hai đặc điểm này. Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Chuyên đề Kiến trúc mạng Adhoc di động MANET Trang 5/19 Nốt lân cận (neighbor): Trong trường hợp định tuyến, hai router sẽ là hai nốt lân cận nếu một nốt có thể gửi/nhận các gói tin IP giao thức định tuyến tới nốt kia mà không cần chuyển qua nốt trung gian trên cùng lớp đó. Giao diện (interface): là điểm gắn kết của một nốt tới một liên kết truyền thông Giao diện bán quảng bá SBI (Semi-Broadcast Interface): giao diện có khả năng quảng bá có thể có “khả năng tiếp cận không đối xứng”. Các giao diện vô tuyến đa truy nhập thường là giao diện SBI. Lưu ý rằng giao diện SBI có thể có khả năng tiếp cận không đối xứng nhưng nó cũng có thể không có đặc tính này. Vùng định tuyến (Routing Domain): vùng định tuyến là một mạng được liên kết với nhau bởi chính sách định tuyến chặt chẽ và cơ cấu tổ chức thống nhất. Router biên BR (Border Router): router biên tham gia vào nhiều vùng định tuyến và thường thực hiện nhiều giao thức định tuyến. Router biên xác định biên giới giữa nhiều vùng định tuyến của nó. Router biên chịu trách nhiệm thể hiện một nhóm các nốt có thể được tiếp cận qua chính các nốt đó tới mỗi vùng định tuyến. Router biên xác định thông tin định tuyến để truyền giữa các vùng định tuyến khác nhau. Giao diện mạng MANET (MANET Interface): được phân biệt bởi khả năng tiếp cận không đối xứng theo đổi theo thời gian của nó (ví dụ: SBI) trong số các router lân cận. Router MANET (MNR): được phân biệt bởi một hay nhiều giao diện MANET. Một router MANET có thể không có hoặc có nhiều giao diện non-MANET. Router MANET chị trách nhiệm che dấu các đặc điểm của mạng MANET khỏi các nốt không có khả năng nhận ra mạng MANET. Router MANET với giao diện MANET đơn được minh họa trong hình 1. Hình 1 Router MANET với một giao diện MANET Vùng lân cận MANET: là một nhóm các router lân cận có thể giao tiếp qua các giao diện MANET mà không cần chuyển qua bất kì router trung gian nào. Mạng MANET: là vùng định tuyến bao gồm các router MANET. Ví dụ về mạng MANET được minh họa trong hình 3. Tùy thuộc vào chiến lược quản lý và triển khai, việc tập hợp và phân mảnh các mạng MANET có thể là một đặc tính được hỗ trợ. Nói cách khác, nếu xuất hiện một đường truyền thông giữa hai router MANET hoặc hai mạng MANET riêng biệt thì hai mạng MANET này sẽ hợp lại thành một MANET lớn hơn. Tương tự như vậy, nếu đường truyền thông giữa hai router MANET biến mất và không có đường truyền nào Router MANET Giao diện MANET Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Chuyên đề Kiến trúc mạng Adhoc di động MANET Trang 6/19 thay thế giữa hai routers này thì mạng MANET sẽ bị phân tách thành hai mạng MANET riêng biệt. Khi kết nối với các mạng khác như mạng Internet, mạng MANET được bao quanh bởi các router biên BR. Nghĩa là router biên của mạng MANET tạo ra biên giới giữa một mạng MANET và các vùng định tuyến khác. 3 Ứng dụng của mạng MANET Công nghệ mạng adhoc di động tương tự như mạng vô tuyến gói di động (Mobile Packet Radio Networking), mạng lưới di động (Mobile Mesh Networking) và kết nối mạng vô tuyến, nhiều chặng, di động (Mobile, Multihop, Wireless Networking). Vấn đề nổi trội của kết nối mạng di động với sự nhấn mạnh về hoạt động của giao thức IP di động sẽ được mở rộng dần và yêu cầu công nghệ kết nối di động có khả năng tương thích cao để có thể quản lý hiệu quả các nhóm mạng ad hoc nhiều chặng, trong đó các nhóm mạng có thể hoạt động độc lập hoặc cũng có thể kêt nối với một số điểm Internet cố định. Các ứng dụng của công nghệ MANET có thể bao gồm các ứng dụng công nghiệp và thương mại liên quan đến trao đổi dữ liệu di động có tính chất cộng tác lẫn các máy. Ngoài ra, các mạng di động cấu hình lưới có thể được vận hành một cách hiệu quả dưới dạng mạng thay thế hoặc mạng mở rộng của mạng di động tổ ong. Việc kết nối mạng trong quân đội cũng yêu cầu các dịch vụ dữ liệu IP trong các mạng truyền thong di động vô tuyến, nhiều mạng trong số này bao gồm các phần với cấu hình mạng tự trị với tính động cao. Bên cạnh đó, sự phát triển của các công nghệ tính toán và truyền thông có thể cung cấp các ứng dụng cho các mạng MANET. Khi được kết hợp một cách hợp lý với truyền thông vệ tinh, mạng MANET có thể cung cấp các phương thức cực kỳ linh hoạt trong việc thiết lập truyền thông cho hoạt động cứu hỏa, cứu thương, khắc phục sự cố tai nạn hoặc các trường hợp cần triển khai mạng thật nhanh chóng để phục vụ tức thì. 4 Các đặc điểm của mạng MANET Một mạng MANET bao gồm các hạ tầng di động (ví dụ một router với nhiều host và thiết bị truyền thông vô tuyến), ở đây được gọi là các nốt (node), đang di chuyển tự do. Các nốt có thể được đặt trên máy bay, tầu thủy, xe kéo, ô tô hoặc được mang theo người hay các thiết bị nhỏ, và có thể bao gồm nhiều host trên một router. Một mạng MANET là một hệ thống các nốt di động tự trị. Hệ thống có thể hoạt động độc lập hoặc có thể có cổng để giao tiếp với mạng cố định. Trong chế độ hoạt động với cổng giao tiếp với mạng cố định, mạng MANET hoạt động như một mạng “đuôi” liên kết với một mạng internet cố định. Các mạng “đuôi” truyền lưu lượng xuất phát và/hoặc đến các nốt trong mạng, nhưng không cho phép truyền lưu lượng ngoài chuyển tiếp qua mạng. Các nốt mạng MANET bao gồm các bộ phát và bộ thu sử dụng ăng ten mọi hướng (omni) để phát quảng bá hoặc ăng ten định hướng để phát điểm-điểm, có thể điều Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Chuyên đề Kiến trúc mạng Adhoc di động MANET Trang 7/19 chỉnh được, hoặc kết hợp các loại ăng ten này. Tại một thời điểm nào đó, tùy thuộc vào vị trí của các nốt và vùng phủ sóng bộ thu và bộ phát của chúng, mức công suất phát và mức nhiễu đồng kênh, một kết nối vô tuyến dưới dạng ngẫu nhiên, đồ thị nhiều chặng hay mạng ad hoc tồn tại giữa các nốt. Cấu hình adhoc này có thể thay đổi theo thời gian khi các nốt di chuyển hoặc điều chỉnh các thông số thu phát của chúng. Mạng MANET có một số đặc điểm nổi bật sau đây: 1. Cấu hình động: Các nốt di chuyển tự do, do vậy cấu hình mạng gồm nhiều chặng có thể thay đổi ngẫu nhiên và liên tục tại bất kì thời điểm nào, và có thể bao gồm cả liên kết song hướng và một hướng. 2. Các liên kết với dung lượng thay đổi-băng tần hạn chế: các liên kết vô tuyến có dung lượng thấp hơn nhiều so với các liên kết hữu tuyến tương ứng. Ngoài ra, thông lượng thực của liên kết vô tuyến sau khi tính toán ảnh hưởng của đa truy nhập, pha định, tạp âm và nhiễu... thường nhỏ hơn nhiều so với tốc độ truyền dẫn tối đa. Một ảnh hưởng của dung lượng thấp là tắc nghẽn thường là một hiện thường tiêu biểu chứ không phải ngoại lệ, nghĩa là lưu lượng tổng thường vượt quá dung lượng của mạng. Do mạng di động thường là một mở rộng của mạng cố định, người dùng mạng adhoc di động thường yêu cầu các dịch vụ tương tự. Nhu cầu này sẽ tiếp tục tăng do các ứng dụng kết nối mạng hợp tác và truyền thông đa phương tiện gia tăng. 3. Hoạt động tiết kiệm năng lượng: một số hoặc tất cả các nốt trong mạng MANET có thể dùng pin hoặc các phương tiện khác làm nguồn năng lượng. Đối với các nốt này, tiêu chí thiết kế hệ thống quan trọng nhất đối với việc tối ưu hóa có thể là sự tiết kiệm năng lượng. 4. Bảo mật vật lý hạn chế: Các mạng di động vô tuyến thường thiên về bảo mật lớp vật lý hơn so với các mạng hữu tuyến. Khả năng bị nghe trộm, giả mạo và tấn công từ chối dịch vụ (denial-of-service) cần được xem xét cẩn thận. Các kĩ thuật bảo mật liên kết hiệu có thường được áp dụng cho các mạng vô tuyến để giảm các nguy cơ về bảo mật. Bản chất không tập trung của điều khiển mạng trong mạng MANET cũng tạo ra những ưu điểm đối lại với nhược điểm “single point of failure” của các mạng quản lý tập trung. Ngoài ra, một số mạng (như mạng dùng trong quân đội hay mạng xa lộ) có thể khá lớn (bao gồm hàng chục hay hàng trăm nốt trong một vùng). Nhu cầu về khả năng mở rộng không đặc biệt đối với mạng MANET. Tuy nhiên, cùng với các đặc điểm đã nêu trên, các cơ chế để đạt được khả năng mở rộng cũng cần thiết đối với mạng MANET. 5 Động lực của mạng MANET Các nguyên lý thiết kế lõi giao thức IP như kết nối mạng không kết nối (connectionless) và chuyển tiếp dựa trên gói đặc biệt thích hợp áp dụng đối với Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Chuyên đề Kiến trúc mạng Adhoc di động MANET Trang 8/19 trường hợp mạng động như mạng MANET. Tuy nhiên, cần có thêm một số chức năng bổ sung để đáp ứng những thử thách và cơ hội trong mạng MANET. 5.1 Các mạng gói vô tuyến Động lực ban đầu của mạng MANET là kết nối mạng gói vô tuyến PR (Packet Radio). Trong mạng gói vô tuyến, mỗi router được trang bị một giao diện vô tuyến. Mỗi router đều có thể di động và các router có thể hoặc có thể trở thành bị phân tách về mặt không gian, do vậy các router không thể giao tiếp trực tiếp với nhau. Hai router có thể yêu cầu một hoặc nhiều router trung gian để chuyển tiếp (định tuyến) các gói tin thay mặt cho chúng. Trong ví dụ trong hình 2, để mạng PR1 gửi các gói tin đến mạng PR3, mạng PR2 trung gian phải chuyển tiếp cá gói tin này. Như vậy mạng PR2 phải nhận gói tin từ mạng PR1 tại giao diện của nó và quyết định truyền lại các gói tin qua cùng giao diện đó như khi các gói tin này được nhận để các gói tin này có thể đến được mạng PR3. Nhìn từ mạng PR2 thì cả mạng PR1 và PR3 đều là các router lân cận trong đó PR1 và PR3 lại không phải là các router lân cận của nhau. Hình 2 Mạng gói vô tuyến (PR) cơ bản 5.2 Mạng gói vô tuyến và mạng Internet Các mạng gói vô tuyến dẫn đến các thử thách liên quan đến kiến trúc mạng như làm thế nào để kết nối các mạng gói vô tuyến với các mạng khác, đặc biệt là các mạng cố định. Một thử thách khác nữa là làm thế nào để giải quyết sự khác biệt về đặc tính của các giao diện và các nốt khác nhau có mặt trong các mạng khác nhau. Các phương diện trên của mạng gói vô tuyến đã giúp kích thích sự phát triển của giao thức Internet, một kiến trúc dựa trên kết nối mạng không kết nối (connectionless networking) và chuyển tiếp dựa trên gói (packet-based forwarding), hai đặc điểm cho phép việc kết nối giữa các thiết bị khác loại bởi các công nghệ truyền thông hỗn hợp 5.3 Mạng gói vô tuyến và mạng MANET Cấu hình router trong hình 1 là cấu hình router MANET đơn giản nhất: một giao diện duy nhất triển khai các đặc điểm của giao diện MANET . Ngoài ra còn rất nhiều thử thách khác đối với cả mạng MANET và mạng gói vô tuyến như: các giao diện không dây dẫn đến việc chia sẻ tài nguyên truyền thông và dẫn đến sự phụ thuộc lẫn nhau giữa các nốt lân cận, và các nốt này thường giao tiếp trực tiếp hoặc gián tiếp.