Đồ án Đánh giá hiệu năng một số giao thức Proactive của công nghệ mạng Ad-Hoc

MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU..................................................................................................................................... 3 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT................................................................................................................... 6 CHƯƠNG I :TỔNG QUAN VỀ MẠNG AD-HOC ............................................................................ 8 1.1. TổNG QUAN Về MạNG AD-HOC ............................................................................................ 8 1.2 ĐặC ĐIểM CủA MạNG AD-HOC .................................................................................................10 1.3 CÁC ứNG DụNG CủA MạNG AD-HOC .........................................................................................13 1.3.1 Ứng dụng trong quân đội.............................................................................................13 1.3.2 Các ứng dụng trong cuộc sống ....................................................................................14 1.4 VấN Đề AN NINH .....................................................................................................................16 CHƯƠNG II : HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC GIAO THỨC PROACTIVE TRONG MẠNG AD-HOC ............................................................................................................................................................17 2.1 TổNG QUAN Về ĐịNH TUYếN ....................................................................................................17 2.2 GIAO THứC ĐịNH TUYếN VECTOR KHOảNG CÁCH THEO YÊU CầU AODV .........................................19 2.2.1 Tìm đường .........................................................................................................................19 2.2.2 Thiết lập đường đảo chiều..................................................................................................20 2.2.3 Thiết lập đường chuyển tiếp ...............................................................................................20 2.2.4 Quản lý bảng định tuyến ....................................................................................................21 2.2.5 Duy trì tuyến......................................................................................................................22 2.2.6 Xử lý lỗi, hết hạn và xóa bỏ tuyến.......................................................................................23 2.2.7 Quản lý kết nối nội vùng ....................................................................................................25 2.2.8 Sửa chữa nội vùng .............................................................................................................26 2.3 CLUSTERHEAD GATEWAY ROUTING SWITCH (CGSR) .............................................................28 2.3.1 Tổng quan về giao thức CGSR .....................................................................................28 2.3.2 Kiến trúc của giao thức CGSR.....................................................................................28 2.4 GIAO THứC OLSR (OPTIMIZED LINK STATE ROUTING) ............................................................30 2.4.1 Khái quát giao thức OLSR...........................................................................................30 2.4.2 Chuyển tiếp đa điểm ....................................................................................................31 2.4.3 Nguyên tắc trao đổi bản tin..........................................................................................33 2.4.4 Khả năng áp dụng .......................................................................................................35 2.5 GIAO THứC ĐịNH TUYếN KHÔNG DÂY ( WRP )..........................................................................35 2.6 Định tuyến nguồn động (DSR).................................................................................................. 36 2.7 GIAO THứC ĐịNH TUYếN TUầN Tự TạM THờI TORA ....................................................................38 2.7.1 Chức năng giao thức ...................................................................................................40 2.7.2 Tạo đường trong TORA ...............................................................................................41 CHƯƠNG III: GIỚI THIỆU PHẦN MỀM NS2 VÀ ỨNG DỤNG XÂY DỰNG CÁC KỊCH BẢN MÔ PHỎNG GIAO THỨC MẠNG ..................................................................................................43 3.1 TổNG QUAN ...........................................................................................................................43 3.2 ĐạI CƯƠNG Về NS ..................................................................................................................44 3.2.1 Các chức năng của NS.................................................................................................44 3.2.2 Các thành phần của NS ...............................................................................................45 2 3.2.3 Kiến trúc của NS .........................................................................................................45 3.3 Sử DụNG PHầN MềM NS-2 Để MÔ PHỏNG MạNG ..........................................................................50 3.3.1 Cơ bản về Tcl ..............................................................................................................50 3.3.2 Cơ bản về OTcl ...........................................................................................................52 3.3.3 Các bước cơ bản của một kịch bản mô phỏng NS-2......................................................53 3.3.4 Thực hiện mô phỏng mạng không dây trong NS............................................................56 CHƯƠNG IV: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN PROACTIVE TRONG AD-HOC......................................................................................................62 4.1 MộT Số Độ ĐO ĐÁNH GIÁ HIệU NĂNG. .......................................................................................62 4.1.1 Các độ đo định tính .....................................................................................................62 4.1.2 Các độ đo định lượng ..................................................................................................64 4.2 ĐÁNH GIÁ HIệU NĂNG DựA TRÊN CÁC THÔNG Số .......................................................................66 4.3 ĐÁNH GIÁ HIệU NĂNG DựA TRÊN KếT QUả MÔ PHỏNG .....................................................................70 4.3.1 Mô hình hóa các kịch bản mô phỏng........................................................................................... 70 4.3.2 Khảo sát và phân tích kết quả ......................................................................................71 4.3.2.1 Tỷ lệ chuyển tiếp gói tin...................................................................................................... 71 4.3.2.2 Khả năng truyền gói tin ....................................................................................................... 73 4.3.2.3 Độ tối ưu về đường đi ......................................................................................................... 73 KẾT LUẬN ........................................................................................................................................75 TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................................................77 3 LỜI NÓI ĐẦU Các hệ thống mạng tế bào không dây đã được đưa vào sử dụng từ những thập kỷ 80. Các hệ thống không dây hoạt động với sự trợ giúp của một cấu trúc hỗ trợ tập trung như một AP( Access Point). Các AP này giúp người dùng duy trì sự kết nối với hệ thống không dây khi họ di chuyển từ địa điểm này tới địa điểm khác. Sự có mặt của cấu trúc hỗ trợ cố định giới hạn khả năng thích nghi của các hệ thống không dây. Nói cách khác hệ thống không thể làm việc hiệu quả ở những nơi không có cơ sở hạ tầng cố định. Các hệ thống không dây trong tương lai sẽ yêu cầu sự triển khai dễ dàng và nhanh chóng của các mạng không dây. Sự triển khai mạng nhanh chóng này không thể thực hiện được với kiến trúc hiện tại của các hệ thống không dây. Sự cải tiến gần đây như Bluetooth đã đưa ra một loại mới của các hệ thống không dây gọi là các mạng Ad-Hoc (Mobile Ad-hoc Network). Ad-Hoc có một số đặc trưng, những lợi thế riêng của nó so với các mạng vô tuyến truyền thống. Trong mô hình mạng này, tất cả các thành phần tham gia đều có khả năng di động, chúng truyền thông tin với nhau theo các đường truyền đa bước. Để thực hiện được yêu cầu truyền thông này, tất cả các nút thạm gia trong mạng đều đóng vai trò như một router thực thụ. Các “router” này có khả năng đảm bảo tất cả các chức năng như định tuyến, quảng bá đường đi, sửa lỗi liên kết…. Để có được ưu thế về tính linh động, loại mạng này đã phải đánh đổi với nhiều khó khăn khác nhau cần giải quyết. Khi các thành phần mạng di động, việc cấp phát nguồn cho chúng trở nên khó khăn hơn. Nếu công suất của một nút trong mạng giảm xuống mức nhất định thì nút đó không thể thực hiện các chức năng đầy đủ của một router thực sự. Vì vậy, việc thiết kế các giao thức cho nó phải đát ứng được yêu cầu về công suất tiêu tốn khi hoạt động để đáp ứng được chất lượng dịch vụ của người dùng. Trong tương lai, việc triển khai Ad-Hoc có thành công hay không phụ thuộc vào các ứng dụng internet hiện tại và tương lai mà nó có thể hỗ trợ cũng như các giao thức có khả năng cải thiện hiệu năng của nó. Một số yếu tố có thể 4 ảnh hưởng đến hiệu năng của bất cứ hoạt động của giao thức nào trong Ad-Hoc. Ví dụ như sự di chuyển của các nút gây ra hiện tượng đứt liên kết, tác động tiêu cực đến khả năng định tuyến và QoS của mạng. Kích thước mạng, chi phí điều khiển và cường độ lưu lượng sẽ được xem xét trong khả năng ổn định của mạng. Các yếu tố này kèm theo các thuộc tính không đồng nhất có thể gây ra các thay đổi khả năng cải thiện hiệu năng mạng. Có thể chỉ ra năm yếu tố tác động đến hiệu năng của Ad-Hoc đó là tốc độ, thời gian tạm dừng của nút, kích thước mạng, số lượng nguồn lưu lượng và giao thức định tuyến. Các thông số khác nhau có thể được sử dụng để đánh giá hiệu năng của mạng. Với những kiến thức thu thập được em đã chọn đề tài “ Đánh giá hiệu năng một số giao thức Proactive của công nghệ mạng Ad-Hoc” làm đồ án tốt nghiệp của mình. Nội dung của đồ án được bố cục như sau: Chương 1: Tổng quan về mạng Ad-Hoc Chương này trình bày một cách tổng quan nhất về mạng Ad-Hoc như: Khái niệm về mạng Ad-Hoc, lịch sử hình thành và phát triển, công nghệ sử dụng trong mạng Ad-Hoc, đặc điểm của mạng Ad-Hoc, các ứng dụng trong mạng Ad- Hoc và vấn đề an ninh trong mạng Ad-Hoc. Chương 2 : Hoạt động của các giao thức Proactive trong mạng Ad-Hoc Chương này đề cập một cách tổng quát nhất đến vấn đề định tuyến trong mạng Ad-Hoc, sự phân loại các giao thức định tuyến trong mạng Ad-Hoc và giới thiệu một số giao thức định tuyến Proactive trong mạng Ad-Hoc. Chương 3: Giới thiệu phần mềm NS2 và ứng dụng xây dựng các kịch bản mô phỏng giao thức mạng. Chương này đi sâu nghiên cứu hoạt động của phần mềm NS và từng bước ứng dụng NS để mô phỏng hoạt động của mạng Ad-Hoc. Chương 4: Đánh giá hiệu năng các giao thức định tuyến Proactive trong mạng Ad-Hoc. Chương này khảo sát ảnh hưởng của các giao thức định tuyến đối với hiệu năng mạng thông qua các mô hình hóa, mô phỏng và đưa ra các kết quả mô phỏng. Trên cơ sở đó phân tích và đánh giá các điều kiện tối ưu đối với cấu hình mạng và giao thức định tuyến. 5 Để hoàn thành đồ án này em xin chân thành cảm ơn thầy giáo - Ths Đỗ Đình Cường, giảng viên khoa CNTT-ĐHTN đã chỉ bảo tận tình và giúp đỡ em trong suốt quá trình làm đồ án. Trong quá trình làm do điều kiện thời gian và trình độ có hạn, bên cạnh đó đây còn là một công nghệ còn khá mới ở Việt Nam nên ít có điều kiện tiếp xúc với thực tế do đó không thể tránh khỏi những sai sót. Vì vậy em rất mong nhận được những ý kiến chỉ bảo quý báu của các thày cô, các ý kiến đóng góp của bạn bè để em có thể kịp thời bổ sung, sửa chữa những thiếu sót của mình. Em xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, tháng 6 năm 2010 Sinh viên Lê Thị Hương 6 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ACK Acknowledgment Báo nhận AODV Ad-hoc on-demand distance vector routing Định tuyến cự ly véc tơ theo yêu cầu tùy biến CSMA/CA Carrier sense multiple access/ Colision Avoid Đa truy nhập cảm nhận sóng mang/ tránh xung đột CTS Clear To Send Xóa để gửi DCF Distributed Coordination Function Chức năng phối hợp phân tán DSR Dynamic Source Routing Định tuyến nguồn động ETT Expected Transmission Time Thời gian truyền dẫn mong đợi ETX Expected Transmission Count Dự báo số truyền dẫn mong đợi FIFO First In First Out Vào trước ra trước FTP File Transfer Protocol Giao thức truyền dẫn file HTTP Hypertext Transfer Protocol Giao thức truyền dẫn siêu văn bản ML Minimum Loss tổn thất tối thiểu ICMP Internet Control Message Protocol Giao thức điều khiển truyền tin trên mạng LLACKS link-layer acknowledgments Báo nhận lớp liên kết LSA Link-state advertisement Quảng bá trạng thái lien kết MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trường MANET Mobile Ad-hoc Network Mạng tùy biến di động MIC Metric of Interference and Channel-switching Tham số nhiễu và chuyển mạch kênh MID multiple interface declaration Công bố đa giao diện MPR Multi-Point Relay Chuyển tiếp đa điểm NAV Network Allocation Vector Véc tơ định vị mạng OLSR Optimized Link State Routing Protocol Giao thức định tuyến trạng thái lien kết tối ưu. QoS Quality of service Chất lượng dịch vụ RD Route Discovery Khám phá tuyến RERR Route Error Lỗi tuyến RM Route Maintenance Duy trì tuyến 7 RREP Route Reply Hồi đáp tuyến RREP- ACK Route Reply Acknowledgment Báo nhận hồi đáp tuyến RREQ Route Request Yêu cầu tuyến RREQ ID Route Request Identification Nhận dạng yêu cầu tuyến RTS Request To Send Yêu cầu để gửi SYN Synchronization Đồng bộ TC Topology Control Điều khiển cấu hình mạng TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền vận TORA Temporally-Ordered Routing Algorithm Thuật toán định tuyến tuần tự tạm thời TTL Time to live Thời gian sống UDP User Datagram Protocol Giao thức dữ liệu người dùng WCETT Weighted Cumulative ETT Thời gian truyền dẫn mong đợi tích lũy tải WLAN Wireless Local Area Network Mạng cục bộ không dây WMAN Wireless Metropolitan Area Network Mạng không dây đô thị WMN Wireless Mesh Network Mạng mắt lưới không dây WPAN Wireless Personnal Area Network Mạng không dây cá nhân WWAN Wireless Wide Area Network Mạng không dây diện rộng 8 CHƯƠNG I :TỔNG QUAN VỀ MẠNG AD-HOC Chương này đề cập đến các vấn đề : + Tổng quan về mạng Ad-Hoc + Đặc điểm của mạng Ad-Hoc + Các ứng dụng của mạng Ad-Hoc + Vấn đề an ninh mạng Ad-Hoc 1.1. Tổng quan về mạng Ad-Hoc Vào những năm 1970, mạng không dây đã trở nên ngày càng phổ biến trong ngành công nghiệp máy tính. Điều này đặc biệt đúng trong thập kỷ vừa qua đã được thấy mạng không dây đang được thích nghi để cho phép di động. Hiện tại có hai dạng mạng di động không dây. Mạng đầu tiên được biết đến như mạng cơ sở hạ tầng, đó là các mạng cố định và có cổng dây . Cầu cho các mạng này được gọi là trạm cơ sở . Đơn vị di động trong mạng này được kết nối và giao tiếp với trạm cơ sở gần đó là trong giao tiếp bán kính của nó. Khi di động trên phạm vi của một trạm cơ sở và vào trong phạm vi khác, chuyển giao xảy ra từ trạm cơ sở cũ đến trạm cơ sở mới và là điện thoại di động có thể tiếp tục liên lạc liên tục trong suốt mạng. Ứng dụng điển hình của kiểu mạng này bao gồm các là mạng không dây cục bộ WLAN (Wireless Local Area Network ). Loại thứ hai của mạng di động không dây là mạng di động không có cơ sở hạ tầng, thường được gọi là mạng tùy biến. Mạng không có cơ sở hạ tầng là mạng không định tuyến; tất cả các nút có khả năng chuyển động và có thể được kết nối một cách ngẫu nhiên. Các nút của các mạng này có chức năng như router mà nó phát hiện ra và duy trì các router đến các nút khác trong mạng. Với tiến bộ gần đây về lĩnh vực máy tính và công nghệ truyền thông, ứng dụng của công nghệ di động không dây sẽ ngày càng được sử dụng rộng rãi, nhiều trong số đó sẽ liên quan đến việc sủ dụng bộ giao thức mạng ( IP ). Khả năng của mạng di động tùy biến không dây là để hỗ trợ mạnh mẽ các hoạt động có hiệu quả trong mạng di động không dây bằng cách kết hợp các chức năng 9 định tuyến vào các nút di động. Mạng này được nhận định có nhiều khả năng phát triển, đôi khi có thể thay đổi nhanh chóng, ngẫu nhiên. Trong Internet, hiện nay giao thức định tuyến hỗ trợ cho máy chủ trở thành công nghệ “IP di động ”. Đây là công nghệ hỗ trợ máy chủ lưu động, nơi máy chủ di chuyển có thê kết nối tới Internet thông qua các phương tiện khác ngoài địa chỉ cố đinh tên miền không gian của nó. Máy chủ có thể kết nối trực tiếp với mạng cố định trên một subnet ngoài hoặc có thể kết nối thông qua đường dẫn không dây, dòng địa chỉ v.v…Hỗ trợ dưới hình thức máy chủ di động ( di chuyển ) yêu cầu quản lý địa chỉ. Giao thức cải tiến khả năng tương tác và thích nghi, nhưng các chương trình cốt lõi của mạng như định tuyến hop-by-hop hiện giờ vẫn dựa vào các giao thức định tuyến hoạt động trong mạng cố định. Ngược lại, mục tiêu của Ad-Hoc là mở rộng tính di động vào các lĩnh vực độc lập, di động, lĩnh vực không dây, nơi cài đặt các nút - nơi có thể kêt hợp routers và máy chủ-- tự tạo thành mạng lưới cơ sở hạ tầng trong mạng tùy biến không dây. Trong thế hệ tiếp theo của hệ thống truyền thông không dây ,sự triển khai nhanh chóng độc lập với người dùng di động thực sự cần thiết. Những ví dụ quan trọng bao gồm thiết lập sự tồn tại ,hiệu quả, truyền thông linh động đói với các hoạt động khẩn cấp ,các nỗ lực cứu nguy các thảm họa và các mạng quân đội. Hầu hết các kịch bản mạng không thể dựa trên kết nối đã được sắp xếp và kiểm soát điều này có thể tưởng tượng như các ứng dụng của mạng Ad-Hoc. Các mạng Ad-Hoc (Mobile ad-hoc network) hay các mạng “tồn tại ngắn ” hoạt động mà không cần cơ sở hạ tầng cố định. Chúng cung cấp sự triển khai nhanh chóng và dễ dàng cho mạng trong những tình huống không thể thực hiện theo cách nào khác. Ad-Hoc là một từ latinh có nghĩa là “dành cho” hoặc “chỉ dành cho”. Ad-Hoc là một hệ tự quản bao gồm một tập các người dùng di động truyền thông với nhau qua băng thông được ràng buộc bởi các liên kết không dây. Khi các nút (máy tính hoặc thiết bị tham gia vào mạng) mạng di chuyển, hình trạng mạng (topo) có thể thay đổi một cách nhanh chóng và không thể đoán trước được. Mạng bị phân chuyển trong tất cả phạm vi hoạt động bao gồm việc tìm ra hình 10 trạng mạng và nhận các thông điệp phải được thực hiện bởi chính các nút mạng. Chức năng định tuyến sẽ được kết hợp chặt chẽ với các nút di động Hình 1-1 . Một mạng AD-HOC gồm 7 nút. Hình tròn biểu diễn phạm vi hoạt động của mỗi nút Các nút trong mạng Ad-Hoc tự do di chuyển và tự tổ chức theo một cách tùy tiện.Mỗi người dùng tự do di chuyển trong khi truyền thông với những người khác. Đường truyền giữa mỗi cặp sử dụng có thể có nhiều liên kết và song radio giữa chúng có thể không đồng nhất ,điều này cho phép một sự kết hợp của nhiều liên kết khác nhau. Các mạng Ad-Hoc có thể hoạt động một cách độc lập hoặc có thể được kết nối với một mạng lớn hơn như Internet. 1.2 Đặc điểm của mạng Ad-Hoc Mạng Ad-Hoc gồm những nền tảng di động ( ví dụ một router với nhiều máy chủ và thiết bị liên lạc không dây) -- ở đây gọi là các nút mà chúng có thể tự do di chuyển. C