Nâng cao hiệu năng mạng Adhoc đa chặng

Nguyễn Thị Hải

Trường Đại học Công nghệ

Luận văn Thạc sĩ ngành: Kỹ thuật điện tử; Mã số: 60 52 70

Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Quốc Tuấn

Năm bảo vệ: 2012

Abstract: Tổng quan về mạng adhoc: giới thiệu; các đặc tính của mạng adhoc; các

ứng dụng của mạng adhoc; các thách thức đối với mạng adhoc. Nghiên cứu giao thức

IEEE802.11: các thách thức đối với tầng (kiểm soát truy cập đường truyền) MAC; các

kiểu truy cập (chức năng điều phối phân tán) MAC; truy cập dựa trên tranh chấp sử

dụng DCF; phân mảnh và hợp mảnh; định dạng khung; hỗ trợ mạng adhoc; các giao

thức định tuyến cơ bản trong mạng adhoc; quản lý năng lượng. Đánh giá hiệu năng

một số phương pháp lập lịch trong mạng adhoc đa chặng.

Keywords: Kỹ thuật điện tử; Mạng truyền thông không dây; Mạng AD hoc

Content

Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG ADHOC

1.1 Giới thiệu

Lĩnh vực không dây và di động đã có những bước tăng trưởng vượt bậc trong những

thập kỷ vừa qua. Mọi người có thể dùng điện thoại di động để kiểm tra thư điện tử và truy cập

vào internet. Các điểm truy cập mạng LAN không dây cho phép lướt web ở sân bay, bến tàu,

khách sạn, trường học… Việc truy cập Internet băng rộng với sự hỗ trợ của giải pháp mạng

LAN không dây trong nhà cho phép sự chia sẻ truy cập giữa các máy tính .

Tuy nhiên, tất cả các tiến bộ này vẫn đòi hỏi một hạ tầng mạng cố định với sự quản trị tập

trung, điều này sẽ gây lãng phí do chi phí lắp đặt và duy trì. Hơn nữa,các thiết bị như laptop. máy

tính bỏ túi, máy tính bảng, điện thoại di động thông minh, máy ảnh số, máy nghe nhạc MP3…

được hỗ trợ bởi giao tiếp không dây sóng ngắn cần phải có phương thức trao đổi thông tin tiện lợi

hơn. Điều này đã nảy ra một sáng kiến mới về một phương thức truyền tin di động, trong đó các

thiết bị di động hình thành một mạng không dây tự quản trị và tự tổ chức, gọi là mạng không dây

adhoc.

1.2 Các đặc tính của mạng adhoc

Bảng1 Các đặc tính của mạng Adhoc

2

Tự trị và không cần có hạ tầng

Định tuyến đa chặng

Công nghệ mạng di động

Thiết bị không đồng nhất

Năng lượng hạn chế hoạt động

Hạn chế về An ninh vật lý

Dễ mở rộng

Tự tổ chức, tự cấu hình, tự quản trị

Bảng1: Các đặc tính của mạng adhoc

1.3 Các ứng dụng của mạng adhoc

1.4 Các thách thức đối với mạng adhoc

Các đặc tính cụ thể của MANET đưa ra rất nhiều thách thức tới việc thiết kế giao thức

mạng trên tất cả các tầng. Tầng vật lý phải đối mặt với sự thay đổi nhanh của các đặc tính liên

kết. Tầng MAC cần có sự truy cập kênh công bằng, giảm thiểu xung đột gói tin và giải quyết

các đầu cuối ẩn cũng nhìn thấy. Tại tầng mạng, các nút cần phối hợp để tính toán đường đi.

Tầng vận chuyển phải có khả năng xử lý việc mất gói tin và các đặc tính trễ - vốn rất khác so

với mạng có dây. Các ứng dụng cần phải có khả năng xử lý các mất kết nối và tái kết nối. Hơn

nữa, tất cả các phát triển giao thức mạng cần phải tích hợp trơn tru với các mạng truyền thống

và tính toán các vấn đề an ninh.

1.4.1 Định tuyến

Do các mạng MANET thường có topo mạng đa chặng có thể thường xuyên thay đổi,

các giao thức định tuyến hiệu quả cần phải thiết lập các đường đi giữa các nút, mà không gây

ra các lưu lượng kiểm soát quá mức. Một số giải pháp định tuyến được đề xuất, một số đã

được tiêu chuẩn hóa trong IETF.

1.4.2 Phân phối tài nguyên và dịch vụ

Các nút MANET chỉ biết chút ít hoặc không biết gì về khả năng hoặc dịch vụ của các

nút khác. Do đó, các cơ chế phân phối tài nguyên và dịch vụ, cho phép các thiết bị tự động

định vị các dịch vụ mạng và quảng bá thông tin về khả năng của nó tới phần còn lại của mạng

là rát quan trọng trong các mạng tự cấu hình. Các dịch vụ hoặc các tài nguyên gồm có tài

nguyên lưu trữ, truy cập đến các cơ sở dữ liệu hoặc tệp, máy in, năng lực tính toán, truy cập

internet,...

3

Trong cơ chế phân phối dịch vụ và tài nguyên không dựa trên chỉ dẫn, các nút yêu cầu

dịch vụ thụ động khi cần và /hoặc chủ động thông báo các dịch vụ mà nó có tới các nút khác.

Cơ chế dựa trên chỉ dẫn là các trạm chỉ dẫn, nơi các dịch vụ đuyocj đăng ký và các

yêu cầu dịch vụ được xử lý.

1.4.3 Kết nối với Internet

Để cho phép trao đổi giữa các nút trong mạng adhoc, mỗi nút cần một địa chỉ. Trong

các mạng adhoc độc lập, việc sử dụng các địa chỉ IP không phải là bắt buộc, do địa chỉ MAC

có thể được dùng để phân biệt các nút. Tuy nhiên, tất cả các ứng dụng hiện tại dựa trên nền

TCP/IP và UDP/IP. Hơn nữa, các mạng di động trong tương lai sẽ sử dụng các giao thức này

do vậy việc dùng địa chỉ IP là không tránh khỏi. Đáng tiếc là, một tổ chức địa chỉ bên trong

với các tiền tố và dải giống như internet cố định thì khó cho việc duy trì trong các mạng adhoc

di động do sự di chuyển của các nút và nhiều lý do khác. Do đó, cần có các giải pháp cho việc

gán địa chỉ.

1.4.4 An ninh mạng adhoc

Bản chất của MANET mang lại nhiều thách thức về an ninh cho thiết kế mạng. Do

môi trường truyền tin không dây dễ bị xâm hại, bị nghe lén và chức năng mạng được thiết lập

qua sự hợp tác của các nút, các mạng adhoc bộc lộ khả năng dễ bị tấn công. Trong các cuộc

tấn công thụ động, kẻ tấn công chỉ lắng nghe các kệnh để phát hiện thông tin có giá trị. Loại

tấn công này thường không thể phát hiện, do nó không sinh ra lưu lượng nào trên đường

truyền. Mặt khác, trong các tấn công chủ động, kẻ tấn công chủ động tham gia trong việc gây

gián đoạn các hoạt động trong mạng. Loại tấn công này gồm có xóa, sửa, sao chép, chuyển

hướng và giả mạo các gói tin dữ liệu và các gói tin điều khiển giao thức. Việc bảo vệ mạng

adhoc khỏi các tấn công là rất khó khăn. Các cơ chế ngăn ngừa thường là sử dụng mã hóa.

Tuy nhiên, nó vẫn còn nhiều bất cập do không có trung tâm phân phối khóa tập trung.

1.4.5 Hiệu năng mạng adhoc

Một số phương pháp nâng cao cân bằng trong việc chia sẻ băng thông bằng những

thay đổi tại tầng MAC đòi hỏi phải thay đổi hoàn toàn về phần cứng khi triển khai thực tế,

dẫn đến nâng cao giá thành khi triển khai. Hơn nữa việc nâng cao cân bằng trong việc chia sẻ

băng thông chưa đảm bảo việc cân bằng về thông lượng giữa các luồng dữ liệu. Một số

nghiên cứu khác triển khai trên tầng LLC, nhằm nâng cao cân bằng thông lượng giữa các

luồng dữ liệu. Jangeun et al chỉ ra điểm yếu của phương pháp lập lịch theo thuật toán FIFO

và đề xuất một số phương pháp lập lịch và đã nâng cao việc cân bằng thông lượng ở một mức

độ nhất định. Shagdar et al quan tâm đến sự tương tranh giữa luồng dữ liệu trực tiếp với các

luồng dữ liệu chuyển tiếp và đề xuất phương pháp lập lịch dựa theo thuật toán RR. Tác giả

4

cũng thay đổi tầng MAC nhằm tăng hiệu năng sử dụng băng thông của trạm trong mạng. Tuy

nhiên các phương pháp trên lại dựa trên một giả định không thực tế là tầng MAC đảm bảo cân

bằng trong việc chia sẻ băng thông giữa các trạm trong mạng.

Kết luận

Sự tiến bộ nhanh chóng của lĩnh vực tính toán di động đã thúc đẩy một sáng kiến mới

cho phương thức trao đổi thông tin di động, trong đó các thiết bị di động từ một mạng không

dây tự trị, tự tổ chức, tự tạo, còn được gọi là mạng adhoc. Các đặc tính linh động, không cần

hạ tầng, dễ triển khai, tự động cấu hình, chi phí thấp đã làm cho mạng adhoc là một phần thiết

yếu củacác môi trường tính toán hiện nay và trong tương lai. Kết quả là, tích hợp mạng adhoc

với các mạng không dây và các mạng có dây khác sẽ là một phần rất quan trọng cho việc phát

triển tiếp các mạng trong tương lai. Từ quan điểm công nghệ, mạng không dây adhoc cũng

gặp phải nhiều thách thức cần được giải quyết liên quan đến thiết bị, giao thức, ứng dụng và

dịch vụ.

Chƣơng 2 GIAO THỨC IEEE802.11

Trong mô hình OSI lớp liên kết dữ liệu (DLL) chịu trách nhiệm ghép luồng dữ liệu,

phát hiện khung truyền, truy cập đường truyền và kiểm soát lỗi… Trong 802.11, lớp liên kết

dữ liệu được chia thành hai lớp con: lớp điều khiển đa truy cập (MAC) và lớp liên kết logic.

Phần cốt lõi của chuẩn 802.11 là lớp MAC. Lớp này nằm trên lớp vật lý và kiểm

soát việc truyền dữ liệu vào không gian. Nó đưa ra các hoạt động liên quan đến khung và

tương tác với mạng xương sống có dây.

Chương này xem xét các vấn đề cơ bản về lớp MAC, đề cập đến các thách thức

cần phải vượt qua và mô tả các quy luật sử dụng để truy cập truyền tin.

2.1 Các thách thức đối với tầng MAC

Sự khác biệt giữa môi trường mạng không dây và có dây về điều khiển truy cập

tạo ra các thách thức đối với các nhà thiết kế giao thức mạng. Phần này mô tả một số khó

khăn mà các nhà thiết kế 802.11 phải đối mặt

2.1.1 Chất lƣợng liên kết RF

Trên một mạng có dây Ethernet, việc truyền một khung và giả thiết rằng đích đã

nhận được khung đó là hoàn toàn hợp lý. Các liện kết sóng radio thì lại hoàn toàn khác, đặc

5

biệt khi các tần số được sử dụng là các dải tần số đã được ITU cấp phát. Những nhà thiết kế

802.11 đã quan tâm đến các nguồn phát RF khác bên cạnh nhiễu pha-đinh đa đường, và tránh

hiện tượng có thể dẫn đến tình huống trong đó các khung không thể được truyền do một nút di

chuyển vào trong một điểm chết.

2.1.2 Vấn đề trạm ẩn

Trong các mạng Ethernet, các trạm phụ thuộc vào việc tiếp nhận các truyền tin để tiến

hành chức năng cảm nhận sóng mang (CSMA/CD). Dây trong đường truyền vât lý chứa các

tín hiệu và phân phối chúng đến các nút mạng. Các mạng không dây có những đường biên mù

mờ, đôi khi tại những điểm ở đó mỗi nút không thể giao tiếp với các nút khác trên mạng.

Hình 2.2 Nút ẩn

2.2 Các kiểu truy cập MAC

Việc truy cập đường truyền được kiểm soát với các chức năng kết hợp. Giống như

Ethernet, CSMA/CA được cung cấp bởi chức năng điều phối phân tán (DCF). Nếu dịch vụ

không tranh chấp được yêu cầu, nó có thể được cung cấp bởi chức năng điều phối điểm

(PCF), nó được xây dựng ở trên đỉnh của DCF. Các dịch vụ không tranh chấp chỉ được cung

cấp trong các mạng có hạ tầng. CÁc chức năng kết hợp được mô tả dưới đây và trong hình 2.4

Hình 2.4 Các tính năng điều phối MAC

Các giao thức MAC có thể được phân chia làm hai loại: phân tán và tập trung, tùy theo

kiểu kiến trúc mạng mà chúng được thiết kế. Các giao thức có thể phân loại hơn nữa, dựa trên

kiểu hoạt động, thành các giao thức ngẫu nhiên, giao thức truy cập dựa trên cấp quyền và các

giao thức lai.

Do trong luận văn này nghiên cứu về mạng adhoc nên chỉ tập trung vào các giao thức

truy cập phân tán

PCF

DCF

Phân phối

thông thường

Phân phối

không tranh

chấ p

6

Hình 2.5 Các giao thức mạng không dây lớp MAC

2.2.1 Các chức năng cảm nhận sóng mang và vec tơ phân phối mạng

Cảm nhận sóng mang được sử dụng để xác định xem đường truyền có sẵn sàng không.

Hai dạng chức năng cảm nhận sóng mang trong 802.11 quản lý quá trình này: chức năng cảm

nhận sóng mang vật lý và cảm nhận sóng mang ảo. Nếu chức năng cảm nhận nào chỉ ra rằng

đường truyền bận, MAC thông báo điều này cho tầng cao hơn.

Hình 2.6 Sử dụng NAV để cảm nhận sóng mang ảo

2.2.2 Khoảng cách liên khung

Chúng ta đã biết cơ chế tránh xung đột trong 802.11 MAC các trạm trì hoãn việc

truyền cho đến khi đường truyền rỗi. Việc thay đổi khoảng cách liên khung tạo ra các mức ưu

tiên khác nhau cho các lưu lượng khác nhau. Nguyên nhân vấn đề này như sau: lưu lượng có

mức ưu tiên cao không phải chờ đợi lâu hơn sau khi đường truyền trở nên rỗi. Do đó, nếu có

một lưu lượng có mức ưu tiên cao chờ đợi, nó sẽ giành lấy mạng trước khi các khung có mức

ưu tiên thấp có cơ hội. Để hỗ trợ khả năng tương thích giữa các tốc độ khác nhau, khoảng

cách liên khung được cố định về lượng thời gian, độc lập với tốc độ truyền.

a. Khoảng cách liên khung ngắn (SIFS)

7

SIFS được sử dụng cho các truyền mức ưu tiên cao, chẳng hạn như các khung

RTS/CTS và các xác nhận tích cực. CÁc truyền ưu tiên cao có thể bắt đầu một khi SIFS hết.

Khi các truyền ưu tiên cao bắt đầu, đường truyền trở nên bận, do đó các khung được truyền

sau khi SIFS trôi qua có ưu tiên cao hơn các khung các khung được truyền lại chỉ sau các

khoảng thời gian dài hơn.

b. Khoảng cách liên khung PCF (PIFS)

Khoảng cách liên khung này được PCF sử dụng trong hoạt động không tranh chấp.

Các trạm với dữ liệu truyền trong thời gian không có tranh chấp có thể truyền sau khi PIFS

trôi qua.

c. Khoảng cách liên khung DCF (DIFS)

DIFS là thời gian rỗi nhỏ nhất đối với các dịch vụ dựa trên tranh chấp. Các trạm có thể

có truy cập ngay lập tức tới đường truyền nếu nó đã rỗi trong khoảng thời gian lớn hơn DIFS.

d. Khoảng cách liên khung mở rộng (EIFS)

Khoảng cách liên khung này không cố định. Nó chỉ được sử dụng khi có một lỗi trong

việc truyền khung.

2.3 Truy cập dựa trên tranh chấp sử dụng DCF

DCF cho phép các trạm độc lập tương tác mà không cần điều khiển tập trung và do đó

có thể được dùng trong các mạng adhoc hay các mạng có hạ tầng.

Trước khi cố gắng truyền, mỗi trạm kiểm tra xem đường truyền có rỗi không. Nếu

đường truyền không rỗi, các trạm hoãn việc truyền và dùng thuật toán backoff hàm mũ để

tránh xung đột.

Thuật toán Backoff theo luật mũ

Exponential Backoff có nghĩa là mỗi lần trạm chọn một khe thời gian và xảy ra xung

đột, cửa sổ Backoff sẽ tăng số ngẫu nhiên theo luật mũ giữa 0 và a cho trước, và đợi số khe

thời gian này trước khi truy nhập đường truyền, bằng cách luôn kiểm tra xem có trạm nào

khác đã truy nhập đường truyền chưa.

2.4 Phân mảnh và hợp mảnh

Các trạm trong mạng LAN không dây có thể cố gắng để truyền các phân mảnh do đó

can nhiễu chỉ tác động lên các phân mảnh nhỏ mà không phải là các khung lớn. Bằng việc

trực tiếp giảm lượng dữ liệu có thể bị hư hại bởi can nhiễu, việc phân mảnh có thể đạt được

thông lượng lớn hơn.

2.5 Định dạng khung

Có ba dạng khung như sau:

- Khung dữ liệu: Được sử dụng để truyền dữ liệu

8

- Khung điều khiển: Được sử dụng để điều khiển truy nhập đường truyền (RTS,

CTS, ACK)

- Khung quản lý: Các khung được truyền cùng giống như khung dữ liệu để trao đổi

thông tin quản lý, nhưng không được chuyển lên tầng cao hơn.

Tất cả các khung của giao thức 802.11 gồm các thành phần như sau:

2.6 Ad hoc Networking support

Phần này mô tả cách hai hoặc nhiều trạm 802.11 thiết lập mạng adhoc . Trong chuẩn

IEEE802.11, một mạng adhoc được gọi là Tâp dịch vụ cơ sở độc lập (Independent Basic

Service Set - IBSS). Một IBSS cho phép hai hoặc nhiều trạm 802.11 giao tiếp với nhau mà

không cần sự can thiệp của một AP tập trung hoặc một mạng hạ tầng (infra-structured

network). Do đó IBSS có thể xem như là hỗ trợ của chuẩn 802.11 cho trao đội thông tin mạng

adhoc mobile. Do tính linh hoạt của giao thức CSMA/CA, để nhận và truyền dữ liệu chính

xác thì tất cả các trọng trong IBSS được đồng bộ với 1 bộ đếm chung. Chuẩn này đưa ra một

hàm đồng bộ thời gian (TSF- Timing Synchronization Function ) để thực hiện việc đồng bộ

thời gian giiữa các trạm.

2.6.1 Duy trì đồng bộ (synchronization maintenance)

Mỗi trạm có 1 bộ đếm TSF (đồng hồ) với bộ đếm modul 264

tăng dần theo micro giây.

Các trạm nhận các gói tin tín hiệu beacon với tốc độ được định nghĩa bằng tham số khoảng

beacon (BeaconPeriod). Tham số này được xác định bởi trạm khởi tạo IBSS và sau đó được

sự dụng trong tất cả các trạm tham gia IBSS.

2.6.2 Thu nhận đồng bộ ( Synchronization acquirement.)

Chức năng này là cần thiết khi trạm muốn kết nối với một IBSS đã có. Việc tìm ra các

IBSS đang tồn tại là kết quả của thủ tục quét tín hiệu không giây trong quá trình trạm được

bật sang các tần số radio khác nhau, tìm kiếm các gói tin điều khiển xác định. Chỉ khi thủ tục

quét không tìm thấy bất kỳ một IBSS nào, trạm mới bắt đầu với việc tạo ra 1 IBSS mới. Thủ

tục quét này có thể là chủ động hoặc bị động.

2.7 Các giao thức định tuyến cơ bản trong mạng adhoc

Các giao thức định tuyến trong mạng adhoc có thể phân thành ba nhóm

9

Hình 2.13 Phân loại các giao thức định tuyến trong mạng adhoc

2.7.1 Định tuyến nguồn động (DSR)

Giao thức định tuyến nguồn động là một trong nhưng giao thức định tuyến dựa

theo yêu cầu, và có nền tảng là định tuyến nguồn. Trong định tuyến nguồn, phần tiêu đề

của gói tin của nút gửi có danh sách đầy đủ các đường đi mà gói tin phải đi qua đến nút

đích. Do đó, các nút trên đường đi chỉ chuyển tiếp gói tin đến chặng tiếp theo được quy

định trong phần mào đầu mà không phải kiểm tra bảng định tuyến như trong các giao thức

định tuyến dựa trên bảng có sẵn. Bên cạnh đó, các nút không phải định kỳ quảng bá các

bảng định tuyến tới các nút lân cận. Điều này tiết kiệm rất nhiều băng thông mạng. Hai

giai đoạn của giao thức này được mô tả như sau:

2.7.2 Giao thức định tuyến vecto khoảng cách dựa trên nhu cầu trong mạng adhoc

(AODV)

Để tìm đường đi, giao thức định tuyến AODV sử dụng một phương pháp phản ứng để

xác định đường đi gần đây nhất. Đó là, nó sử dụng quá trình tìm đường tương tự như DSR để

tìm đường và để tính toán đường đi mới bằng cách sử dụng số thứ tự đích. Hai giai đoạn của

giao thức định tuyến AODV được mô tả dưới đây.

2.8 Quản lý năng lƣợng

Trong môi trường di động, các thiết bị di động có nguồn năng lượng giới hạn vì năng

lượng này được cung cấp bởi các bộ pin. Do đó các chức năng quan lý năng lượng rất quan

trọng trong cả 2 chế độ infrastructure-bases và adhoc. Rõ ràng trong chế độ ad hoc, trong một

IBSS, chiến lược tiết kiệm năng lượng (PS- Power Saving) cần phải thực hiện để duy trì khả

năng tự tổ chức của IBSS.

Kết luận

Chương 2 đã tìm hiểu về một số giao thức cơ bản trên mạng adhoc tại lớp Mac để phân tích

vấn đề hiệu năng của mạng adhoc đa chặng trong chương 3.

10

Chƣơng 3 ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP LẬP LỊCH TRONG

MẠNG ADHOC ĐA CHẶNG

Trong mạng ad hoc, các trạm hợp tác với nhau để chuyển tiếp các gói tin từ các phần

tử khác trong mạng. Mỗi trạm không chỉ truyền các luồng dữ liệu trực tiếp phát sinh từ chính

trạm đó mà còn phải chuyển tiếp các luồng dữ liệu chuyển tiếp được phát sinh từ các trạm

láng giềng. Điều này dẫn đến sự Tranh chấp giữa các luồng dữ liệu lớp điều khiển liên kết

logic (LLC) và sự Tranh chấp giữa các trạm về băng thông trong lớp điều khiển truy nhập

(MAC). Do sự cạnh tranh không công bằng giữa luồng dữ liệu trực tiếp với luồng dữ liệu

chuyển tiếp và giữa các trạm ở gần và các trạm ở xa có thể gây ảnh hưởng đến chất lượng

dịch vụ mạng. Thêm vào đó sự di chuyển của các trạm trong mạng ad hoc sẽ dẫn đến thay đổi

cấu hình mạng và các điều kiện truyền thông. Chương này giới thiệu sơ lược một số giải pháp

đã được nghiên cứu nhằm cải tiến hiệu năng mạng và sự công bằng giữa các luồng dữ liệu.

Đồng thời, chỉ ra các điểm mạnh, yếu của của các giải pháp này. Các giải pháp được kiểm

chứng thông qua phần mềm mô phỏng NS2.

3.1 Đặt vấn đề

Trong phần này chúng ta sẽ xem xét ảnh hưởng của việc Tranh chấp tại lớp MAC và

việc Tranh chấp tại lớp LLC đối với vấn đề cân bằng thông lượng giữa các luồng dữ liệu

trong mạng ad hoc đa chặng. Mô hình mạng được dùng để phân tích là mô hình ad hoc đa

chặng cơ bản bao gồm ba trạm như trong hình 3.2. Giả sử trong cùng điều kiện trạm S1 và S2

gửi tin với tốc độ như nhau, chúng ta sẽ so sánh thông lượng nhận thành công tại trạm R giữa

hai luồng dữ liệu gửi từ trạm S1 với S2.

Trong mô hình này giả sử trạm S1 và S2 cùng gửi các gói tin với tốc độ G tới R. Gọi

dung lượng băng thông là B và dung lượng băng thông chia sẻ cho trạm S1, S2 tương ứng là

B1, B2. Trong trạng thái bão hòa khi tốc độ gửi gói tin của S1 và S2 vượt qua dung lượng của

băng thông, tổng thông lượng của các luồng dữ liệu được gửi từ S1 và S2 sẽ tương ứng là B1,

B2. Ta có

B = B1 + B2

11

Hình 3.1 Mô hình mạng adhoc đa chặng cơ bản

3.2 Tranh chấp tại tầng MAC

Tranh chấp tại tầng MAC là sự cạnh tranh giữa các trạm trong việc sử dụng kênh

truyền thông không dây dùng chung. Trong mô hình mạng ad hoc đa chặng cơ bản trong hình

3.2, trạm S1 có xu hướng dành được băng thông lớn hơn trạm S2 do trạm S1 có thể giải mã

được tất cả các gói tin trong mạng trong khi S2 không thể giải mã được các gói tin từ trạm R.

3.3 Tranh chấp tại tầng LLC

Tranh chấp tại tầng LLC là sự cạnh tranh giữa các luồng dữ liệu trong không gian bộ

đệm. Chúng ta sẽ phân tích sự Tranh chấp tại tầng LLC đối với hai phương pháp lập lịch theo

thuật toán FIFO (First In First Out ) và RR (Round Robin). Trong mô hình mạng adhoc đa

chặng cơ bản như hình 3.2, chúng ta cho tốc độ gửi tin G của trạm S1, S2 thay đổi từ 0 tới

vượt quá băng thông B. Gọi thông lượng đầu cuối đạt được của trạm S1, S2 tương ứng là

Th(flow 1), Th(flow 2).

3.2.1 Phƣơng pháp lập lịch theo thuật toán FIFO

Xét với tốc độ gửi tin G nhỏ, khi đó tổng yêu cầu gửi của các trạm là nhỏ hơn so với

khả năng của băng thông, khi đó mỗi luồng dữ liệu có đạt được thông lượng yêu cầu:

Th(flow 1) = Th(flow 2) = G; if G < B/3 (3.2)

12

Xét với tốc độ gửi tin G trung bình, khi đó khả năng của băng thông không đủ đáp ứng

yêu cầu của tất cả các trạm. Do phần băng thông dành cho trạm S1 là B1 lớn hơn phần băng

thông dành cho trạm S2 là B2, nên luồng dữ liệu trực tiếp từ trạm S1 vẫn có thể nhận được

thông lượng yêu cầu, trong khi luồng dữ liệu từ trạm S2 chỉ có thể nhận được phần băng

thông còn lại:

Th(flow 1) = G

Th(flow 2) = (B - G)/2

(Nếu B/3 <= G < B1 - B2 ) (3.3)

Xét với tốc độ gửi tin G lớn, khi đó phần băng thông dành cho trạm S1 là B1 không đủ

đáp ứng yêu cầu của luồng dữ liệu trực tiếp từ trạm S1 và luồng dữ liệu chuyển tiếp từ trạm

S2.

Giả sử kích thước bộ đệm là vô hạn, khi đó tỉ lệ sử dụng bộ đệm giữa luồng dữ liệu

trực tiếp và chuyển tiếp sẽ là:

(3.4)

Trong đó Q là kích thước bộ đệm đối với các luồng dữ liệu.

Thông lượng đầu cuối đạt được của các luồng dữ liệu là:

(3.5)

13

Hình 3.3 Thông lượng đầu cuối của luồng dữ liệu từ trạm S1 và S2

3.2.2 Phƣơng pháp lập lịch theo thuật toán Round Robin

Trong phương pháp lập lịch theo thuật toán RR, với tốc độ gửi tin G nhỏ hoặc trung

bình, thông lượng đầu cuối của các luồng dữ liệu có kết quả giống với phương pháp lập lịch

theo thuật toán FIFO. Khi tốc độ gửi tin G lớn, mặc dù tại trạm S1 sử dụng các hàng đợi riêng

biệt cho luồng dữ liệu trực tiếp và luồng dữ liệu chuyển tiếp, nhưng tốc độ gói tin tới hàng đợi

của luồng dữ liệu chuyển tiếp bị hạn chế bởi B2. Do vậy luồng dữ liệu trực tiếp sẽ sử dụng hết

phần băng thông còn lại. Thông lượng đầu cuối của các luồng dữ liệu sẽ là:

(3.6)

Hình 3.4 cũng cho thấy kết quả phân tích phù hợp với kết quả mô phỏng. Như

vậy việc áp dụng phương pháp lập lịch theo thuật toán RR giúp tăng thông lượng của

luồng dữ liệu chuyển tiếp so với phương pháp lập lịch theo thuật toán FIFO. Nhưng chỉ

áp dụng phương pháp lập lịch theo thuật toán RR không đảm bảo việc cân bằng thông

lượng giữa luồng dữ liệu trực tiếp và luồng dữ liệu chuyển tiếp.

14

Hình 3.4 Thông lượng đầu cuối trong phương pháp lập lịch

theo thuật toán RR.

Khi tốc độ dữ liệu tăng, thông lượng của luồng 1 là B1 – B2 , trong khi thông lượng

của luồng 2 là B2 nhỏ hơn nhiều so với thông lượng của luồng 1. Hình 3.5 chỉ ra rằng phân

tích này là hoàn toàn chính xác đối với các kết quả mô phỏng cùng với kết quả giải tích khi sử

dụng hai phương pháp lập lịch FIFO và Round Robin.

3.3 Phƣơng pháp lập lịch kiểm soát vào/ra

Phương pháp lập lịch kiểm soát vào ra sẽ sử dụng các hàng đợi riêng cho từng

luồng dữ liệu như thuật toán RR, thêm vào đó là phương pháp lập lịch có kiểm soát

vào ra trên các hàng đợi. Luồng dữ liệu được quy định bởi địa chỉ IP nguồn và IP đích,

các gói tin sẽ căn cứ vào địa chỉ của mình để xác định thuộc luồng dữ liệu tương ứng.

Hình sau mô tả phương pháp lập lịch có kiểm soát vào/ra.

15

Hình 3.5 Lập lịch có kiểm soát vào/ra

Trong phương pháp này, các hàng đợi RR được sử dụng cùng với hai thuật toán:

Thuật toán 1 kiểm soát số lượng các gói tin đi vào hàng đợi, thuật toán 3 kiểm soát số lượng

các gói tin đi ra khỏi hàng đợi.

Thuật toán 1 (Kiểm soát các gói tin đi vào hàng đợi)

Trong mạng adhoc đa chặng, khi tốc độ gửi gói tin là lớn, hàng đợi của luồng dữ liệu

trực tiếp có xu hướng chiếm toàn bộ không gian bộ đệm. Thuật toán 1 quyết định nhận hoặc

bỏ gói tin để không đưa vào quá nhiều gói tin trong một hàng đợi. Một gói tin đến từ luồng i

được đưa vào hàng đợi của nó với xác suất như sau:

Trong đó:

n là số lượng luồng dữ liệu bao gồm cả luồng dữ liệu trực tiếp và chuyển tiếp;

qleni là chiều dài hàng đợi của luồng dữ liệu thứ i;

ave là chiều dài trung bình của tất cả các hàng đợi.

16

Thuật toán 2: Kiểm soát số lƣợng các gói tin đi ra khỏi hàng đợi

Sự mất cân bằng giữa băng thông gửi và băng thông nhận là lý do chính cho

việc mất cân bằng giữa các luồng trong phương pháp lập lịch RR. Thuật toán 2 có

nhiệm vụ hạn chế việc gửi các gói tin của các luồng dữ liệu lớn, nhờ đó sẽ tăng phần

băng thông dùng để nhận dữ liệu. Sẽ có nhiều hơn các gói tin chuyển tiếp có thể tới trạm

và thông lượng của luồng dữ liệu chuyển tiếp sẽ được tăng thêm. Xác suất để gói tin ra

khỏi hàng đợi của luồng dữ liệu thứ i sẽ được tính theo công thức:

trong đó γ là hệ số ra khỏi hàng đợi.

Thuật toán 2 làm tỉ lệ xuất các gói tin giữa các luồng dữ liệu lớn và nhỏ trở nên cân

bằng hay thông lượng giữa các luồng dữ liệu cũng trở nên cân bằng. Hơn nữa do việc hoãn

xuất gói tin ra khỏi hàng đợi sẽ làm giảm tải trong việc sử dụng băng thông, gián tiếp dẫn đến

giảm việc tranh chấp về băng thông tại tầng MAC. Như vậy Thuật toán 2 hạn chế được việc

tranh chấp về băng thông tại tầng MAC, đồng thời đảm bảo sự cân bằng về thông lượng tại

tầng LLC.

3.4 Đánh giá hiệu năng

Chúng ta sẽ đánh giá phương pháp lập lịch có kiểm soát vào/ra bằng việc so sánh với

phương pháp lập lịch theo thuật toán FIFO và RR. Phần mềm Network Simulator (NS-2)

được sử dụng để xây dựng chương trình mô phỏng đánh giá hiệu năng của phương án đề xuất.

Các tham số chính của chương trình mô phỏng được chỉ ra trong bảng sau.Trong phần mô

phỏng, có bốn chỉ số hiệu năng quan trọng được đánh giá.

giá hiệu năng

- Chỉ số cân bằng

Chỉ số này được lấy từ công thức của R.Jai như sau

Ở đây n là số lượng các luồng, xi là thông lượng của luồng i. Giá trị của chỉ số cân

bằng có phạm vi từ 1/n đến 1. Trong trường hợp lý tưởng, thông lượng của tất cả các

luồng là cân bằng, chỉ số này có giá trị là 1. Trong trường hợp xấu nhất, mạng hoàn toàn

mất cân bằng, một luồng chiếm toàn bộ băng thông, chỉ số cân bằng là 1/n. Trong luận

17

văn này, chỉ số cân bằng được đánh giá dựa trên thông lượng mức ứng dụng tại trạm đích.

- Độ dài hàng đợi trung bình: Trung bình của tất cả các hàng đợi RR tại trạm này

trong thời gian mô phỏng

- Thời gian trễ trung bình: Thời gian trễ trung bình đầu cuối trong quá trình mô

phỏng tất cả các gói tin đến đích thành công.

- Tổng thông lượng: Trung bình của tổng thông lượng tại mức ứng dụng của tất cả

các luồng trong thời gian mô phỏng.

Hình 3.6 Chỉ số cân bằng trong 3 phương pháp lập lịch

18

Hình 3.7 Tổng kích thước hàng đợi tại trạm S1 trong mô hình mạng adhoc đa chặng cơ bản

Hình 3.8 Thời gian trễ của luồng dữ liệu trực tiếp tại S1 trong mô hình mạng adhoc đa chặng

cơ bản

19

Hình 3.9 Tổng thông lượng trong mô hình mạng adhoc đa chặng cơ bản.

3.7 Kết luận

Phương pháp lập lịch theo thuật toán FIFO, do chỉ có một hàng đợi dùng chung nên đã

không thể giải quyết được vấn đề tranh chấp tại tầng LLC. Phương pháp lập lịch theo thuật

toán RR đã sử dụng các hàng đợi riêng cho từng luồng dữ liệu, tuy nhiên do việc tranh chấp

tại tầng MAC nên phương pháp này cũng không giải quyết được vấn đề mất cân bằng về

thông lượng giữa các luồng dữ liệu. Phương pháp lập lịch CIOS được đề xuất tuy hoạt động

tại tầng LLC, nhưng với việc kiểm soát vào ra của các luồng dữ liệu tại hàng đợi gián tiếp có

tác động tích cực đến sự tranh chấp tại tầng MAC. Do việc kiểm soát gói tin đi vào hàng đợi

làm cho chiều dài các hàng đợi trở nên cân bằng, đồng thời với việc kiểm soát gói tin đi ra

khỏi hàng đợi dẫn đến hạn chế được vấn đề tranh chấp tại tầng MAC. Kết quả là phương pháp

lập lịch có kiểm soát vào/ra đã có chỉ số cân bằng rất tốt so với hai phương pháp truyền thống.

Ngoài vấn đề nâng cao hiệu năng về chỉ số cân bằng, phương pháp lập lịch có kiểm soát

vào/ra còn đạt được hiệu năng về tài nguyên bộ đệm và thời gian trễ khi truyền thông.

Hiệu năng về cân bằng thông lượng giữa các luồng dữ liệu và hiệu năng về tổng thông lượng

của các luồng dữ liệu luôn là hai tham số đối nghịch. Tuy nhiên kết quả mô phỏng cho thấy,

trong phương pháp đề xuất, “sự trả giá” về tổng thông lượng là không đáng kể so với sự thay

đổi rất tích cực về cân bằng thông lượng.

KẾT LUẬN

20

Luận văn đã đạt được những kết quả như sau:

1. Luận văn trình bày một cách tổng quan về mạng không dây adhoc cũng như các

ứng dụng và các thách thức đối với mạng này.

2. Luận văn trình bày chuẩn IEEE802.11MAC, tập trung vào cơ chế truy cập tại lớp

MAC.

3. Luận văn trình bày các phương pháp lập lịch FIFO, Round Robin và phương pháp

lập lịch có kiểm soát đối với các gói tin đi vào và đi ra khỏi hàng đợi tại một trạm trong mạng

adhoc đa chặng.

4. Luận văn đã mô phỏng kết quả: các phương pháp lập lịch đã mô tả ở phần trên và

rút ra đánh giá về các chỉ số hiệu năng của mạng. Kết quả mô phỏng phù hợp với cơ sở lý

thuyết đã trình bày.

References

[1] Phil Karn. Mâc: A new channel access method for packet radio In ARRL/CRRL Amateur

Radio 9th computer Networking Conference, pages 134-140, 1990.

[2] Vaduvur Bharghavan, Alan Demers, Scott Shenker, and Lixia Zhang. MACAW: a media

access protocol for wireless lan’s. In Procedings of the conference on Communications

architectures, protocols and applications, pages 212-225. ACM, 1994.

[3] IEEE Standards Department. IEEE802.11 wireless lan medium access control (MAC) and

physical layer (PHY) specifications. ANSI/IEEE Standard 802.11, 1999

[4] Zhifei, Sukumar Nandi, and Anil K.Gupta. Ecs: An enhanced carrier sensing mech-anism

for wireless ad-hoc networks. Computer Communication, 28(17): 1970-1984,2005.

[5] J.Jangeun and ML.Sichitiu. Fairness and qos in multihop wireless networks. IEEE

Vehicular Technology Conference, 5:2936-2940, 2003.

[6] O.Shagdar, K.Nakagawa, and B.Zhang. Achieving per-flow fairness in wireless ad hoc

networks. Elec.Com. in Japan, Part 1, 89 (8): 37-49, 2006.

[7] The Network Simulator: ns-2. http://www.isi.edu/nsnam/ns/.