CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG VANET

1. Yêu cầu: Trong mạng VANET, mọi nút mạng đều có khả năng di chuyển nên sẽ không

có một nút mạng nào cố định để điều khiển chức năng mạng trung tâm. Do đó, vấn đề được quan tâm đặc biệt là làm thế nào để các nút mạng “bắt tay nhau” và duy trì được quá trình truyền thông mà không lãng phí tài nguyên mạng. - Các giao thức được đưa ra nhằm giải quyết những hạn chế của mạng VANET như băng thông thấp, tỉ lệ lỗi cao, năng lượng và khả năng tính toán của thiết bị thấp

Một số yêu cầu đối với các giao thức định tuyến trong mạng VANET:- Hoạt động phân tán: Giao thức cần hoạt động phân tán, không phụ thuộc vào

nút mạng điều khiển tập trung.- Đường định tuyến hở: Để nâng cao chất lượng hoạt động, giao thức định

tuyến cần đảm bảo đường định tuyến cung cấp là đường mở, điều này sẽ làm giảm lãng phí băng thông và năng lượng tiêu thụ CPU.

- Hoạt động dựa trên yêu cầu: Mục đích chính để tối thiểu hóa phần thông tin điều khiển trong mạng, giao thức định tuyến chỉ tìm đường khi cần thiết và không quảng bá liên tục.

- Hỗ trợ các liên kết một chiều: Kết hợp với các liên kết hai chiều làm tăng chất lượng của giao thức định tuyến.

- Bảo mật: Sử dụng các phương pháp bảo mật cho mạng không dây để đảm bảo an toàn cho thông tin trong quá trình truyền dẫn.

-Bảo toàn năng lượng: Các thiết bị trong mạng VANET thường sử dụng pin rất giới hạn về mặt năng lượng, nên cần có chế độ chờ (standby) để tiết kiệm năng lượng.

- Nhiều đường định tuyến: Nhằm giảm sự tác động do thay đổi về topo mạng và khi nhiều đường định tuyến bị nghẽn. Một đường định tuyến có sẵn sẽ giúp cho việc kết nối trở lại mà không cần định tuyến tìm đường khác.

- Hỗ trợ QoS: Có nhiều loại QoS cần được sự hỗ trợ của các giao thức định tuyến, nó phụ thuộc vào mục đích của mạng, chẳng hạn sự hỗ trợ thời gian thực…2. Phân loại giao thức định tuyến trong mạng Adhoc

Giao thức định tuyến trong mạng di động Adhoc có thể được chia thành các loại sau:

Định tuyến dựa trên topo mạng (topology – based): Các gói dữ liệu được định tuyến bằng cách sử dụng thông tin topo mạng. Dựa trên thông tin về topo mạng, người ta chia thành các loại:

o Proactive: Duy trì các tuyến trước khi luồng dữ liệu nào được gửi, như

giao thức DSDV, OSPF, OLSR.

1

o Reactive: Thực hiện việc tìm đường chỉ khi một kết nối được thiết lập,

như giao thức DSR, AODV.

o Hybrid: Phối hợp định tuyến Proactive khu vực và định tuyến Reactive

toàn bộ để tăng phạm vi, như được đề xuất trong giao thức ZRP, TORA.

Định tuyến dựa trên vị trí (position – based): Các gói dữ liệu được định tuyến theo vị trí của các bên giao tiếp. Thông tin vị trí này được tạo bởi dịch vụ định vị (location service).

Giao thức định tuyến Proactive: Hoạt động dựa trên bảng định tuyến, các nút mạng sẽ duy trì một bảng định tuyến để nhận biết thông tin của các nút còn lại, do đó các nút sẽ biết được kiến trúc tổng thể của mạng. Các giao thức định tuyến proactive sử dụng phương pháp tràn lụt (flooding) để quảng bá thông tin tới các thiết bị. . Tuy nhiên, việc lưu lượng thông tin tiêu đề tăng lên chính là nhược điểm của phương pháp này.

Giao thức định tuyến reactive: Là giao thức định tuyến dựa theo yêu cầu, tức là đường đi được xác định khi các nút có nhu cầu truyền gói tin. Phương pháp này hạn chế thông tin tiêu đề chọn đường, nhưng nhược điểm cơ bản là gây trễ lớn cho các khung truyền dẫn đầu tiên cũng như thời gian chọn đường dẫn chậm.

2

Giao thức định tuyến Hybrid: Là giao thức lai giữa hai loại giao thức trên, những giao thức thuộc loại Hybrid có thể khắc phục những nhược điểm của hai loại giao thức trên.

Giao thức định tuyến dựa trên vị trí: Trong một mạng VANET gồm phần lớn các nút mạng di chuyển với tốc độ nhanh, tốc độ thay đổi topo mạng thường cao, dẫn tới chi phí truyền thông lớn để đảm bảo thông tin định tuyến ở các nút mạng luôn được cập nhật. Các nút mạng có thể tự xác định vị trí của nó cũng như vị trí của các nút khác trong mạng khi chúng sử dụng giao thức định tuyến dựa trên vị trí. Công việc này được thực hiện dựa trên công nghệ định vị (positioning servive). Một vài dịch vụ dựa trên công nghệ định vị vệ tinh như GPS (Mỹ), GLONASS (Nga) hay Galileo (Châu Âu) hoặc những dịch vụ định vị không yêu cầu cơ sở hạ tầng, ví dụ như thuật toán định vị SPA (Self – Positioning Algorithm).

Ý tưởng cơ bản của định tuyến dựa trên vị trí là truyền gói dữ liệu tới vị trí đã được biết trước của nút mục tiêu. Nếu thông tin vị trí đủ chính xác, nút mục tiêu sẽ nằm trong vị trí của khoảng vô tuyến tại vị trí biết trước đó và nhận được gói dữ liệu, các quyết định định tuyến vị trí dựa trên vị trí của mục tiêu từ chính vị trí của nút chuyển tiếp và định tuyến các nút hàng xóm của nó. Một vài ví dụ dựa trên vị trí là giao thức định tuyến GPSR (Greedy Perimeter Stateless Routing) và giao thức định tuyến GPCR (Greedy Perimeter Coordinate Routing).

3. Giao thức định tuyến DSDV: (Destination-Sequenced Distance-Vector Routing) là giao thức chủ yếu dựa trên thuật toán Distance vector được xây dựng bởi C.Perkins và P.Bhagwat năm 1994 với tiêu chí giữ nguyên sự đơn giản của giải thuật Bellman-Ford với một chút cải tiến, đó là DSDV sử dụng kỹ thuật đánh số thứ tự Sequence Number. Kỹ thuật này dùng để nhận ra con đường đi không còn giá trị trong quá trình cập nhật bảng định tuyến, do đó có thể tránh được vòng lặp trong quá trình định tuyến. Mỗi nút sẽ tăng Sequence Number khi gửi thông tin về bảng định tuyến của nó cho các nút khác trong mạng.

Cơ chế trong DSDV: Quản lý bảng định tuyến

o Mỗi nút luôn duy trì một bảng định tuyến đến tất cả các nút khác trong

mạng.

o Thông tin của một entry trong bảng định tuyến bao gồm:

- Địa chỉ của nút đích

3

- Số hop đến đích (hop – count)

- Next hop

- Số Sequence Number của nút đích

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

Cách thức cập nhật bảng định tuyến

o Bảng định tuyến cập nhật theo hai cách:

- Cập nhật toàn bộ bảng định tuyến cho các nút hàng xóm và có thể truyền trong nhiều gói, gọi là full – dump.

- Cập nhật các phần thay đổi trong bảng định tuyến của nó cho các nút láng giềng và các thông tin thay đổi đó chỉ được gửi đi trong một gói. Cập nhật này gọi là Incremental – update.

o Đối với mạng Adhoc tương đối ổn định, thì kiểu cập nhật incremental-

update sẽ thường được sử dụng để hạn chế lưu lượng truyền trên mạng. Trong khi đó, full – dump sẽ được sử dụng trong mạng ít có sự ổn định.

Quản lý sự thay đổi của Topology

o Khi một nút di chuyển từ nơi này đến nơi khác thì các liên kết của nó với

các nút hàng xóm có thể không có hiệu lực. Khi các nút phát hiện rằng liên kết đến next – hop của nó không còn tồn tại, thì đường đi thông qua next – hop đó lập tức sẽ có hop – count là ∞ và số sequence number được tăng lên một. Sau đó nút sẽ phát quảng bá thông tin đó cho tất cả các nút trong mạng và các nút sẽ cập nhật lại bảng định tuyến của mình.

4. Giao thức định tuyến DSRDSR (Dynamic Source Routing) là giao thức định tuyến đơn giản và hiệu quả

được thiết kế riêng cho mạng MANET. DSR cho phép mạng tự động tổ chức và cấu hình mà không cần đến sự quản trị hoặc cơ sở hạ tầng sẵn có của mạng.

4

DSR bao gồm hai cơ chế cơ bản: Route Discovery và Route Maintenance, giúp các nút có thể tìm và duy trì các nút của các đường đi đến các nút trong mạng.

Một đặc tính nổi bật khác của DSR là nó sử dụng kỹ thuật định tuyến Source Routing, khi bên gửi sẽ biết toàn bộ thông tin đường đi đến đích, điều này giúp cho việc định tuyến trên mạng không bị hiện tượng vòng lặp (loop) làm tăng hiệu năng của mạng. Để định tuyến được thì tiêu đề của gói lưu giữ thêm thông tin về Source Route. Thông tin về bảng định tuyến được lưu trong route cache. Khi một nút trong mạng Adhoc muốn gửi dữ liệu đến một nút đích nó sẽ tìm kiếm thông tin trong route cache, nếu chưa có thông tin về đường đi thì nút nguồn sẽ khởi động tiến trình router discovery để tìm kiếm con đường đi đến đích.

Cơ chế route discovery

Route Discovery cho phép các host trong mạng Adhoc tìm kiếm đường đi đến đích một cách tự động thông qua các nút trung gian. Tiến trình route discovery sẽ quảng bá gói route request (RREQ) lên mạng.

Ngoài các trường bình thường, thông tin trong packet RREQ còn chứa một số request_ID là một số được tạo ra bởi nút nguồn là số không trùng nhau. Khi một nút nhận gói RREQ thì nó sẽ tiến hành kiểm tra thông tin trong RREQ như sau:

o Nó kiểm tra xem đây có phải là lần đầu tiên nó nhận gói RREQ có địa

chỉ đích và số request_ID hay không? Nếu không phải thì nó sẽ loại bỏ gói tin này và không xử lý. Ngược lại thì qua bước 2.

o Nó kiểm tra trong trường source route của gói RREQ đã có địa chỉ của

nó hay chưa? Nếu nó tồn tại thì nó cũng sẽ loại bỏ gói tin đó và không xử lý gì thêm. Ngược lại thì qua bước 3.

o Nó kiểm tra trong route cache của nó có đường đi đến nút đích mà còn

hiệu lực hay không? Nếu có đường đi đến đích thì nó sẽ phản hội lại cho nút nguồn bằng gói route reply (RREP) chứa thông tin và đường đi đến đích và kết thúc tiến trình. Ngược lại qua bước.

o Nó kiểm tra địa chỉ đích cần tìm có trùng với địa chỉ của nó hay không?

Nếu trùng thì nó sẽ gửi lại cho nút nguồn gói router reply (RREP) chứa thông tin về đường đi đến đích và kết thúc tiến trình. Ngược lại thì nó sẽ phát broadcast đến các nút láng giềng của nó.

o Quá trình này cứ tiếp tục cho đến khi nút nguồn nhận được thông tin về

đương đi đến đích hoặc thông tin rằng không thể định tuyến đích. Gói route reply (RREP) được gửi đến nút nguồn bằng cơ chế phát unicast với source route là đảo ngược source route trong gói RREQ.

5

Trong quá trình Route discovery, thì các nút sẽ học các con đường đi đến các nút khác và lưu trong route cache của mình:

o Khi nút nguồn tìm kiếm được đường đi đến nút đích thì nó cũng sẽ biết

được đường đi đến các nút trung gian.

o Trong quá trình phát broadcast gói RREP, các nút trung gian cũng sẽ biết

được con đường đi đến nút nguồn.

o Trong quá trình forward gói RREP thì các nút trung gian biết được đường đi

đến các nút đích.

Quá trình tìm kiếm đường của DSR

Gửi trả lại tuyến đường về cho nút nguồn Cơ chế route maintemance

6

Trong giao thức định tuyến DSR, các nút di chuyển gói tin trên mạng đều phải có nhiệm vụ xác nhận rằng gói tin đó đã chuyển đến next hop hay chưa? Trong một trường hợp nào đó thì nút đó phát hiện rằng gói tin không thể chuyển đến next hop. Nó sẽ gửi gói Route Error (RERR) cho nút nguồn để thông báo tình trạng hiện thời của liên kết và địa chỉ của next hop mà không thể di chuyển đến. Khi nút nguồn nhận được gói RRER, nó sẽ xóa con đường đi mà sử dụng liên kết bị hỏng trong route cache và tìm được đường đi khác mà nó biết trong route cache hoặc sẽ khởi động lại tiến trình router discovery mới nếu đường đi này đang có nhu cầu sử dụng.

5. Giao thức định tuyến AODV

AODV (Adhoc On-demand Distance Vector) là sự kết hợp giữa hai giao thức định tuyến DSDV và DSR. Trong giao thức định tuyến AODV, các nút chỉ tìm kiếm và duy trì thông tin định tuyến trong khi các nút có nhu cầu trao đổi thông dữ liệu. AODV vẫn sử dụng cơ chế tìm đường như trong DSR là sử dụng tiến trình route discovery. Tuy nhiên, AODV còn sử dụng nhiều cơ chế khác để duy trì thông tin bảng định tuyến. Nó sử dụng bảng định tuyến truyền thống để lưu trữ thông tin định tuyến với mỗi entry cho một địa chỉ đích.

Không sử dụng source route và chỉ cần biết về các nút láng giềng của nó, AODV dựa trên các entry của bảng định tuyến để phát gói RREP (route reply) về cho nút nguồn và nút nguồn không dùng thông tin đó để gửi dữ liệu đến đích. Để đảm bảo rằng thông tin trong bảng định tuyến là mới nhất thì AODV sử dụng khái niệm destination sequence number của giao thức định tuyến DSDV để loại bỏ đường đi không còn giá trị trong bảng định tuyến. Mỗi nút sẽ có một tăng số sequence number cho riêng nó. Các cơ chế chính của AODV là:

Cơ chế Router Discovery

Mỗi nút có hai bộ phận đếm (counter): Bộ đếm số sequence number và bộ đếm broadcast ID. Số sequence number được tăng lên khi:

o Trước khi một nút khởi động tiến trình route discovery, điều này chống

sự xung đột với các gói RREP trước đó.

o Trước khi một nút đích gửi gói RREP trả lời gói RREQ (route request),

nó sẽ nhập lại giá trị sequence number trong gói RREQ.

o Khi có một sự thay đổi trong mạng cục bộ của nó (mạng cục bộ là nút

láng giềng).

o Số broadcast ID được tăng lên khi nút khởi động một tiến trình route

discovery mới.

7

Tiến trình Route Discovery được khởi động khi nào muốn trao đổi dữ liệu với nút khác mà trong bảng định tuyến của nó không có thông tin định tuyến đến nút đích đó. Khi đó tiến trình sẽ phát broadcast một gói RREQ cho các nút láng giềng của nó. Thông tin trong RREQ ngoài địa chỉ đích, địa chỉ nguồn, số hop count,… còn có các trường: số sequence number của nút nguồn, số broadcast ID, số sequence number của nút đích. Cặp thông tin<địa chỉ nguồn, số broadcast ID> là số định danh duy nhất cho một gói RREQ. Khi nút hàng xóm nhận được gói RREQ thì nó sẽ kiểm tra tuần tự theo các bước:

o Xem gói RREQ đã được xử lý trước đó hay chưa? Nếu đã được xử lý thì nó

sẽ loại bỏ gói tin đó và không xử lý thêm. Ngược lại thì chuyển qua bước 2.

o Nếu bảng định tuyến của nó chứa đường đi đến đích, thì sẽ kiểm tra giá trị

destination sequence number trong gói RREQ, nếu số destination sequence number trong RREQ lớn hơn số sequence number trong entry thì nó sẽ không sử dụng thông tin entry trong bảng định tuyến để trả lời nút nguồn mà nó sẽ tiếp tục phát broadcast gói RREQ đó đến nút láng giềng của nó. Ngược lại nó sẽ phát unicast gói RREP ngược lại nút láng giềng mà đã nhận gói RREQ. Gói RREP ngoài các thông tin như: địa chỉ nguồn, địa chỉ đích, còn chứa các thông tin: destination sequence number, hop-count, giá trị TTL. Ngược lại thì qua bước 3.

o Nếu trong bảng định tuyến của nó không có đường đi đến đích thì nó sẽ

tăng số hop-count lên 1, đồng thời nó sẽ thiết lập một đường đi ngược (reverse path) từ nó đến nút nguồn bằng cách ghi nhận là địa chỉ của nút láng giềng mà nó nhận gói RREP phản hồi cho nút nguồn, sau đó entry này sẽ được xóa đi. Các thông tin bao gồm:

Địa chỉ đích

Địa chỉ nguồn

Số broadcast ID

Thời gian timeout cho việc chờ đợi thời gian nhận gói RREP

Số sequence number của nút nguồn

Sau đó phát broadcast đến các nút hàng xóm của nó.Và quá trình trên cứ lặp đi lặp lại cho đến khi nó gặp nút đích hoặc nút trung gian

mà có các điều kiện thỏa mãn bước 2. Trong quá trình trả về gói RREP, một nút có

8

thể cùng lúc nhận nhiều gói RREP có số hop-count nhỏ nhất. Sau đó nó sẽ đề cập các thông tin cần thiết vào trong bảng định tuyến của nó và chuyển gói RREP đi.

Quá trình truyền của RREP

Đường đi của gói tin RREP trở về nguồn

Cơ chế Route Maintenance

Khi một nút thấy rằng next hop của nó không thể tìm thấy, thì nó sẽ phát một gói RREP khẩn cấp với số sequence number bằng số sequence number trước đó cộng với 1, và hop count bằng ∞ và gửi đến tất cả các nút hàng xóm đang ở trangh thái active, những nút đó sẽ tiếp tục chuyển gói tin đó đến các nút hàng xóm… và cứ như vậy cho đến khi tất cả các nút trong mạng mà ở trạng thái active nhận được gói tin này, sau khi nhận thông báo đó, các nút sẽ khởi động lại tiến trình route discovery nếu có nhu cầu định tuyến đến đích hay không thì nó sẽ kiểm tra giao thức bên dưới có kết nối đến nút đích nào không? Nếu thấy có nhu cầu định tuyến thì nó sễ gửi một gói RREQ(với số sequence number bằng với số sequence number mà nó biết trước đó cộng với 1) đến các nút hàng xóm để tìm đến địa chỉ đích. Để kiểm tra trạng thái một nút có active hay không, AODV sử dụng một bộ timer. Một entry của bảng định tuyến sẽ bị xem là không active nếu nó không được sử dụng thường xuyên.

9

Quá trình truyền của RREP

6. Giao thức định tuyến OLSROLSR (Optimized Link State Routing Protocol) là giao thức chủ yếu dựa trên thuật

toán trạng thái kết nối (Link State). Các nút gửi định kỳ ra toàn mạng thông điệp “Hello” để trao đổi thông tin về hàng xóm. Thông tin này bao gồm IP của nút, số thứ tự và danh sách các thông tin khoảng cách của các nút hàng xóm. Sau khi cập nhật những thông tin này nút sẽ xây dựng lên bảng định tuyến của nó và có cái nhìn tổng thể về toàn mạng. Dựa vào bảng định tuyến này nó có thể tự tính được đường đi đến các nút khác dựa vào thuật toán tìm đường đi ngắn nhất. Khi một nút nhận được một gói tin trùng lặp với cùng số thứ tự nó sẽ loại bỏ gói tin này. Trong bảng định tuyến nút lưu trữ thông tin định tuyến tới tất cả các nút khác trong mạng. Những thông tin này chỉ được cập nhật khi:

Khi nút nhận thấy sự thay đổi trong quan hệ hàng xóm (ví dụ: mất liên kết đến nút hàng xom,…)

Tuyến đường tới các nút đích khác hết hạn (quá lâu không được cập nhật)

Phát hiện rả đường đi mới ngắn nhất để tới đích

Việc giao thức OLSR hoạt động dựa trên việc một nhóm nút mạng cộng tác với nhau tạo nên một kíp phát chuyển tiếp đa điểm (Mutil – Point Relays – MPR). Mỗi nút N trong mạng sẽ lựa chọn ra một tập các nút hàng xóm của nó và kíp đa điểm MPR(N), các nút thuộc kíp đa điểm này sẽ chuyển tiếp các gói tin điều khiển được gửi từ N. Nút không thuộc kíp đa điểm của N vẫn xử lý gói tin này những sẽ không chuyển tiếp đến các nút khác trong mạng.

Ưu điểm đầu tiên của việc sử dụng kíp đa điểm (MPR) là việc làm giảm thiểu các thông điệp quảng bá phát tràn trong mạng, giúp cho băng thông được cải tiến đáng kể. Lợi điểm thứ hai là việc giảm được kích thước của gói tin “Hello” vì nó chỉ lưu trữ các thông tin liên quan tới các nút trong kíp đa điểm của nó.

OLSR ngăn chặn vòng lặp bằng việc sử dụng MPR để chuyển gói tin

10

PHỤ LỤC

QoS: Quality of Service:  là 1 cách thức điều khiển mức độ ưu tiên traffic (đi lại,vận chuyển) của hệ thống mạng, giúp cho việc truyền dữ liệu với thời gian trễ tối thiểu và cung cấp băng thông cho những ứng dụng truyền thông đa phương tiện thời gian thực.Phương pháp tràn lụt (flooding): Tại mỗi node gói tin sẽ được nhân lên và gửi đi tất cả các hướng có thể gửi đi và tại 1 node không nhận lại gói tin nó đã gửi trước đó. Khi 1 gói đầu tiên được gửi tới đích thỳ đích sẽ gửi lại tín hiệu gói tin đã được nhận tới các hướng để xóa bỏ các gói tin còn lại của gói tin đã nhận.Thuật toán Distance vector: Mỗi nút tính khoảng cách giữa nó và tất cả các nút khác trong hệ thống và lưu trữ thông tin này trong một bảng. Sau đó mỗi nút gửi bảng thông tin của mình cho các nút lân cận. Khi một nút nhận được bảng thông tin từ các nút lân cận, nó tính các tuyến đường ngắn nhất tới tất cả các nút khác và cập nhật bảng thông tin của chính mình.Source Routing: là cơ chế cho phép chỉ ra đường đi của 1 gói một cách cụ thể mà không bị phụ thuộc vào bảng định tuyến của các router.Vòng lặp vô hạn (loop): Do cập nhật bảng định tuyến theo chu kì dẫn đến việc các router không được cập nhật đầy đủ thông tin hiện tại cùng nhau dẫn đến việc bị lặp vô hạn khi 1 network có vấn đề. Phát broadcast: là cách thức truyền tin từ 1 điểm đến tất cả các điểm khác ( có 1 nguồn gửi đến tất cả các nguồn nhận trong cùng 1 kết nối)Phát unicast: là cách thức truyền tin từ 1 điểm đến 1 điểm khác ( chỉ có 1 nguồn gửi và 1 nguồn nhận)Mô hình peer to peer: Mạng ngang hàng: còn gọi là mạng đồng đẳng, là một mạng máy tính trong đó hoạt động của mạng chủ yếu dựa vào khả năng tính toán và băng thông của các máy tham gia chứ không tập trung vào một số nhỏ các máy chủ trung tâm như các mạng thông thường.Thuật toán Spokesman Election Algorithm (SEA):

11