Giao thức mac điều khiển công suất trong mạng ad-hoc

  • 61 trang
  • file .pdf
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
NGUYỄN THI ̣VÀ N
GIAO THƢ́C MAC ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT
TRONG MẠNG AD-HOC
LUẬN VĂN THẠC SĨ MẠNG MÁ Y TÍ NH VÀ TRUYỀN DƢ̃ LIỆU
Hà Nội – Năm 2014
2
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
NGUYỄN THI ̣VÀ N
GIAO THƢ́C MAC ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT
TRONG MẠNG AD-HOC
Ngành: Công nghê ̣ thông tin
Chuyên ngành: Truyề n dƣ̃ liê ̣u và ma ̣ng máy tính
Mã ngành:
LUẬN VĂN THẠC SĨ MẠNG MÁ Y TÍ NH VÀ TRUYỀN DƢ̃ LIỆU
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS.NGUYỄN ĐÌNH VIỆT
Hà Nội 2014
3
Lời cảm ơn
Trƣớc hết, tôi xin đƣợc gửi lời cảm ơn trân trọng và sâu sắc nhất đến thày
giáo, PGS.TS.Nguyễn Đin ̀ h Viêṭ ngƣời đã tận tình giúp đỡ, hƣớng dẫn cho tôi
trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện luận văn này.
Trong quá trình học tập, thực hiện đề tài và những gì đạt đƣợc hôm nay,
tôi không thể quên đƣợc công lao giảng dạy và hƣớng dẫn của các thầy giáo
trong khoa CNTT, Trƣờng Đại học Công Nghệ, ĐHQGHN.
Và xin đƣợc cảm ơn, chia sẻ niềm vui này với gia đình, bạn bè, đồng
nghiệp – những ngƣời luôn ở bên tôi, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để cho
tôi đƣợc học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn.
Dù đã có nhiều cố gắng, song luận văn chắc chắn không thể tránh khỏi
những thiếu sót và hạn chế. Kính mong nhận đƣợc sự chia sẻ và những ý kiến
đóng góp quý báu của quí thầy cô giáo, các bạn đồng nghiệp.
Hà nội, tháng 10 năm 2014
Học viên
Nguyễn Thi Va
̣ ̀n
4
Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan luận văn là kết quả nghiên cứu của riêng tôi, không sao
chép của ai. Nội dung luận văn có tham khảo và sử dụng các tài liệu, thông tin
đƣợc đăng tải trên các tác phẩm, tạp chí và các trang web theo danh mục tài liệu
tham khảo của luận văn. Nếu có sai sót, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm trƣớc
pháp luật.
Tác giả luận văn
Nguyễn Thi Va
̣ ̀n
5
Mục lục
Lời cảm ơn............................................................................................................. 3
Lời cam đoan ......................................................................................................... 4
Mục lục .................................................................................................................. 5
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................................................... 7
DANH MỤC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ ................................................................ 9
LỜI MỞ ĐẦU ..................................................................................................... 10
Chƣơng I. TỔNG QUAN MẠNG AD-HOC ...................................................... 11
1.1 Giới thiệu ................................................................................................... 11
1.2 Đặc điểm mạng Ad-hoc ............................................................................. 12
1.2.1 Ƣu điểm [1] ......................................................................................... 13
1.2.2 Nhƣợc điểm [1] ................................................................................... 13
1.3 Ứng dụng trong mạng ad-hoc .................................................................... 14
1.3.1 Ứng dụng trong quân sự ..................................................................... 14
1.3.2 Ứng dụng trong hoạt động khẩn cấp ................................................... 15
1.3.3 Các ứng dụng trong giáo dục, văn phòng, gia đình ............................ 15
1.3.4 Ứng dụng cho phƣơng tiện đi lại (Vanet) ........................................... 15
1.3.5 Mạng cảm biến không dây .................................................................. 16
1.4 Tình hình nghiên cứu về mạng ad-hoc và mục tiêu của luận văn ............. 18
1.4.1 Tóm tắt các vấn đề phải nghiên cứu giải quyết đối với mạng ad-hoc 18
1.4.2 Mục tiêu nghiên cứu của luận văn ...................................................... 18
Chƣơng 2. GIAO THƢ́C MAC ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG MẠNG
AD-HOC ............................................................................................................. 19
2.1 802.11 DCF ................................................................................................ 20
2.1.1 Cơ chế hoa ̣t đô ̣ng của IEEE 802.11 DCF............................................ 22
2.1.2 Hạn chế của 802.11 ............................................................................. 25
2.2 Giao thức điều khiển công suất cơ sở (basic power control) [3] ............... 26
2.2.1 Ý tƣởng giao thức điều khiển công suất cơ sở .................................... 27
2.2.2 Cơ chế hoa ̣t đô ̣ng của giao thức điều khiển công suất cơ sở .............. 28
2.2.3 Hạn chế của giao thức điều khiển công suất cơ sở ............................. 28
2.3. Đề xuấ t giao thƣ́c MAC có điề u khiể n công suấ t của tác giả Eun-Sun ... 29
và Vaidya [3].................................................................................................... 29
2.3.1 Ý tƣởng: Giống nhƣ giao thƣ́c điề u khiể n công suấ t cơ sở................ 29
2.3.2 Mô tả thủ tục đƣợc sử dụng trong giao thƣ́c MAC có điề u khiể n công
suấ t- PCM (Power Control MAC). .............................................................. 29
2.4 Đề xuấ t giao thƣ́c MAC có điề u khiể n công suấ t của tác giả Dongkyun và
Kim C. K. Toh [10]. ......................................................................................... 30
‎Ý tƣởng F-MAC .......................................................................................... 30
Chƣơng 3. CÔNG CỤ MÔ PHỎNG................................................................... 32
3.1 Bô ̣ mô phỏng NS2...................................................................................... 32
3.1.1 Giới thiê ̣u NS2..................................................................................... 32
3.1.2 Mô hình kiế n trúc NS2 ........................................................................ 33
3.1.3 Đặc điểm chính Ns2 ............................................................................ 33
6
3.1.4 Khả năng mô phỏng mạng của NS2 .................................................... 34
3.1.5 Mô hin ̀ h truyề n sóng vô tuyế n trong mạng di động không dây .......... 34
3.1.5.1 Mô hình FreeSpace ....................................................................... 35
3.1.5.2 Mô hình hai tia mặt đất (Two Ray Ground) ................................. 35
3.1.5.3 Mô hình Shadowing ...................................................................... 36
3.1.6. Mô hình chuyển động của các nút mạng............................................ 38
3.1.6.1. Mô hình Random Waypoint ........................................................ 39
3.1.6.2. Mô hình Random Walk................................................................ 40
3.1.6.3 Mô hin ̀ h random direction ............................................................ 41
3.1.7 Tạo một nút di động (Mobile Node) ................................................... 41
3.1.8. Tạo sự chuyển động cho Node ........................................................... 44
3.1.9. Ghi lại vết các sự kiện mô phỏng (vào file *.tr, *.nam)..................... 46
3.1.10. Tạo ra các kết nối TCP, UDP và nguồn sinh lƣu lƣợng................... 46
Tạo ra các kết nối TCP và nguồn sinh lƣu lƣợng......................................... 46
3.2 Công cu ̣ xƣ̉ lý sau mô phỏng ..................................................................... 47
3.2.1 AWK.................................................................................................... 47
3.2.2 Perl ....................................................................................................... 48
3.2.3 Gnuplot ................................................................................................ 48
Chƣơng 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ NĂNG LƢỢNG GIAO
THỨC MAC ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG MẠNG AD-HOC ........... 50
4.1 Các độ đo hiệu năng đánh giá trong luận văn ............................................... 50
4.2 Thƣ̣c nghiê ̣m mô phỏng ............................................................................. 50
4.2.1 Chƣơng trin ̀ h mô phỏng ...................................................................... 52
4.3 Đánh giá kết quả mô phỏng. ...................................................................... 55
4.4 Mã nguồn thƣ̣c hiê ̣n mô phỏng .................................................................. 55
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG NGHIÊN CƢ́U TIẾP THEO................................... 60
Kết luận ............................................................................................................ 60
Hƣớng phát triể n tiế p theo ............................................................................... 60
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 61
7
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt Tiếng anh Tiếng việt
ACK Acknowledgement Báo nhận
Ad-hoc On-demand Distance Giao thức định tuyến vector
AODV Vector routing khoảng cách theo yêu cầu
AP Access Point Điểm truy cập
CS Carrier Sensing Cảm nhận sóng mang
Carrier Sense Multiple Access/ Đa truy nhập cảm nhận sóng
CSMA/CA Collision Avoidance mang nhằm tránh xung đột
Distributed Coordination
DCF Function Chức năng phối hợp phân tán
DIFS DCF Interframe Space Khoảng cách liên khung DCF
Destination Sequenced Distance Giao thƣ́c định tuyến vector
DSDV Vector khoảng cách tuần tự đích
Giao thức định tuyến nguồn
DSR Dynamic Source Routing động
Direct-Sequence Spread
DSSS Spectrum
Khoảng cách liên khung mở
EIFS Extended Interframe Space rộng
Frequency Hopping Spread
FHSS Spectrum
FTP File Transfer Protocol Giao thức truyền tập tin
Giao thức truyền tải siêu văn
HTTP File Transfer Protocol bản
Institute of Electrical and
IEEE Electronics Engineers Viện các kỹ sƣ điện điện tử
Điều khiển truy nhập môi
MAC Medium Access Control trƣờng
NAVs Network Allocation Vector Vector định vị mạng
NS Network Simulation Mô phỏng ma ̣ng
PCM Power Control MAC Điều khiển công suất
PDA Personal Digital Assistant
PHY Physical Vật lý
RTS/CTS Request to Send/ Clear to Send Yêu cầu gửi/Sẵn sàng để nhận
SIFS Short Interframe Space Khoảng cách liên khung ngắn
Temporally Ordered Routing Giao thức định tuyến theo thứ
TORA Algorithm tự tạm thời
UWB ultra wideband
8
Tƣ̀ viế t tắ t Tiế ng anh Tiế ng viêṭ
Mạng di dộng tùy biến
VANET Vehicular ad hoc network trong xe hơi
WLAN Wireless LAN Mạng LAN không dây
WSN Wireless Sensor Networks Mạng cảm biến không dây
9
DANH MỤC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ
Hình ‎1.1 Mô hình mạng không dây ad-hoc…………………………………………..11
Hình ‎1.2 Minh họa cho mạng truy cập dựa trên điểm truy cập AP…………………..12
Hình 1.3 Minh ho ̣a binh lính, xe tăng và các phƣơng tiện khác mang thiết bị di động15
Hình 1.4 Minh họa mạng ad-hoc ứng dụng cho phƣơng tiện giao thông (VANET)17
Hình 1.5 Minh họa ứng dụng trong mạng cảm biến không dây……………………...18
Hình 2.1 Minh họa phạm vi truyền, phạm vi cảm nhận, vùng cảm nhận sóng mang...20
Hình 2.2 Mô tả hoạt động 802.11 DCF……………………………………………….22
Hình 2.3 Khung RTS……….…………………………………………………………24
Hình 2.4 Khung CTS………………………………………………………………….25
Hình 2.5 Khung Data…………………………………………………………………25
Hình 2.6 Minh họa vấn đề ẩn ở bên nhận…………………………………………….26
Hình 2.7 Minh họa công suất truyền khác nhau giữa các nút mạng………………….28
Hình 2.8 Minh họa nút ẩn ở bên nhận trong giao thƣ́c điề u khiể n công suấ t cơ sở… .28
Hình 2.9 Cơ chế hoạt động của PCM………………………………………………....30
Hình 2.10 Giao thức đề xuất F-PCM………………………………………………….32
Hình 3.1 Mô hình tổng quan bộ mô phỏng ns2……………………………………….33
Hình 3.2 Kiến trúc NS2……………………………………………………………….34
Hình 3.3 Di chuyển một nút theo mô hình Random Waypoint………………………39
Hình 3.4 Di chuyển của 8 nút theo mô hình Random Walk…………………………..40
Hình 3.5 Một mobilenode dƣới chuẩn wireless của Monarch CMU mở rộng ra NS…42
Hình 3.6 Một SRNode dƣới chuẩn wireless của Monarch CMU mở rộng ra NS...…..43
Hình 4.1 Thông lƣơ ̣ng trung biǹ h toàn mạng ……………………………………….52
Hình 4.2 Năng lƣơ ̣ng tiêu thu ̣ trung bình trên các nút nhâ ̣n……………… ..……….53
Hình 4.3 Năng lƣơ ̣ng tiêu thu ̣ trung biǹ h trên các nút gƣ̉i……………… ..……….53
Hình 4.4 Tỷ lệ chuyển phát gói thành công…………………………………..……….53
10
LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay các thiết bị di động cũng nhƣ các tiến bộ trong truyền thông
không dây cho các ứng dụng trong các lĩnh vực thƣơng mại, quân sự và cá nhân
ngày càng gia tăng . Mạng ad-hoc di động (Manet) là một trong những lĩnh vực
hứa hẹn nhất cho nghiên cứu và phát triển của mạng không dây. Mạng ad-hoc
cho phép các thiết bị di động nhƣ máy tính xách tay, điện thoại thông minh, cảm
biến, giao tiếp với nhau qua kết nối không dây, các nút di động tự cấu hình và
không cầ n bất kỳ cơ sở hạ tầng cố định nhƣ tra ̣m cơ sở hoă ̣c điể m truy câ ̣p . Với
đă ̣c điể m này ma ̣ng ad -hoc dễ dàng triể n khai nhanh chóng và có chi phí thấ p .
Tuy nhiên lại có những vấn đề khác đặt ra nhƣ tốc độ truyền thông không cao,
mô hình mạng không ổn định do các nút mạng hay di chuyển, năng lƣợng cung
cấp cho các nút mạng thƣờng chủ yếu là pin vì vâ ̣y ha ̣n chế về năng lƣơ ̣ng . Viê ̣c
thiế u năng lƣơ ̣ng không chỉ ảnh hƣởng đế n chiń h các nút đó mà còn ảnh hƣởng
đến khả năng mà nút đó thay mă ̣t cho các nút khác để chuyển tiếp các gói tin, do
đó ảnh hƣởng đến tuổ i tho ̣ chung của ma ̣ng. Để khắ c phu ̣c đƣơ ̣c ha ̣n chế về thiế u
năng lƣơ ̣ng tôi chọn đề tài “Giao thƣ́c Mac điề u khiể n công suấ t trong mạng
ad-hoc”. Mục đích của luận văn là nghiên cứu các giải pháp giao thức điều
khiển công suất trong mạng ad-hoc nhằm tiết kiệm nguồn tiêu thụ của thiết bị và
giảm can nhiễu trong hệ thống.
Căn cứ vào mục đích chính của luận văn, tôi xin đƣa ra các mục tiêu cụ thể sau:
 Tìm hiểu tổng quan về mạng ad-hoc
 Tìm hiểu giao thức Mac điều khiển công suất trong mạng ad-hoc
 Tìm hiểu công cụ mô phỏng
 Thiết lập kịch bản mô phỏng và đánh giá kết quả mô phỏng
Để thực hiện các mục tiêu trên, bố cục luận văn đƣợc tổ chức thành 4 chƣơng:
Chƣơng 1. Tổng quan về mạng ad-hoc: Giới thiệu một cách tổng quan về
mạng ad-hoc, đặc điểm mạng ad-hoc, các ứng dụng của mạng ad-hoc .
Chƣơng 2. Giao thức Mac điều khiển công suất trong mạng ad-hoc:
Tìm hiểu ý tƣởng, cơ chế hoạt động giao thức điều khiển công suất.
Chƣơng 3. Công cụ mô phỏng mạng ad-hoc: Giới thiệu các công cụ mô
phỏng mạng ad-hoc và các công cụ hỗ trợ phân tích và hiển thị kết quả mô
phỏng.
Chƣơng 4. Mô phỏng và đánh giá hiêụ quả năng lƣơ ̣ng giao thƣ́c MAC
điều khiể n công suấ t trong ma ̣ng ad-hoc: so sánh năng lƣơ ̣ng tiêu thu ̣ trên các
nút mạng, PDR, thông lƣơ ̣ng giƣ̃a giao thƣ́c điề u khiể n công suấ t với 802.11.
Phần cuối cùng của luận văn là kết luận những công việc mà luận văn đã
đạt đƣợc và những hƣớng nghiên cứu tiếp theo trong tƣơng lai.
11
Chƣơng I. TỔNG QUAN MẠNG AD-HOC
1.1 Giới thiệu
Mạng ad-hoc là mạng bao gồm hai hay nhiều thiết‎ bị di động (chẳng hạn
máy tính xách tay, PDA), các thiết bị này có thể giao tiếp trực tiếp với nhau trên
một kênh truyề n không dây thông thƣờng. Các thiết bị (nút mạng) đƣợc trang bị
bộ thu phát không dây, chúng hoạt động mà không cần dƣ̣a trên bất kỳ cơ sở hạ
tầng mạng nào, chẳng hạn nhƣ trạm cơ sở hoặc điểm truy cập không dây. Các
nút trong mạng ad-hoc sẽ tự thiết lập, tổ chức, tự thích nghi khi có một nút mới
gia nhập hoă ̣c rời khỏi mạng. Thông tin về nút mới gia nhâ ̣p ma ̣ng sẽ đƣợc cập
nhật vào bảng định tuyến của các nút hàng xóm và gửi đi cho toàn ma ̣ng. Khi có
một nút ra khỏi mạng, thông tin về nút đó sẽ đƣợc các nút trong ma ̣ng xóa khỏi
bảng định tuyến và hiệu chỉnh lại tuyến.
Mạng Ad Hoc có nhiều loại thiết bị khác nhau tham gia mạng nên các nút
mạng không những phải có khả năng phát hiện đƣợc khả năng kết nối của các
thiết bị mà còn phải phát hiện ra đƣợc loại thiết bị và các đặc tính tƣơng ứng của
các loại thiết bị đó, vì các thiết bị khác nhau sẽ có các đặc tính khác nhau ví dụ
nhƣ: khả năng tính toán, lƣu trữ hay truyền dữ liệu trong mạng.
Hình 1.1 Mô hình mạng không dây ad-hoc
Để hiểu hơn về mạng ad-hoc chúng ta so sánh chúng với các mạng không
dây dựa trên cơ sở hạ tầng. Trong mạng không dây dựa trên cơ sở hạ tầng, một
nút chỉ có thể gửi một gói tin đến một nút đích thông qua điểm truy cập – AP
thuô ̣c ma ̣ng ha ̣ tầ ng (mạng có dây) .
12
Nhƣợc điểm của mạng không dây dựa trên cơ sở hạ tầng là các thiết bị
đầu cuối không thể giao tiếp trực tiếp với các thiết bị đầu cuối khác trong cùng
một tế bào và trong các tế bào khác. Điểm truy cập ở đây thực hiện gƣ̉i các
thông điệp điều khiển; thông điệp của nút nguồn gửi đến các điểm truy cập và
sau đó các điểm truy cập phân phối các thông điê ̣p đến các thiết bị đầu cuối
mong muốn. Nếu một thiết bị đầu cuối muốn giao tiếp với một thiết bị đầu cuối
nằm ở tế bào khác, các điểm truy cập sẽ chuyển tiếp thông báo cho điểm truy
cập khác, trong đó có kiểm soát tế bào mong muốn. Các điểm truy cập thƣờng
kết nối có dây với nhau. Vấn đề ở mạng cơ sở hạ tầng là nếu các điểm truy cập
bị lỗi thì tất cả các thiết bị đầu cuối trong tế bào này không thể thực hiện bất kỳ
viê ̣c truyề n thông tin liên lạc nào. Đây là bất lợi lớn nhất của mạng không dây
dƣ̣a trên cơ sở hạ tầng.
Hình 1.2 Minh họa cho mạng truy cập dựa trên điểm truy cập AP
1.2 Đặc điểm mạng Ad-hoc
Tô-pô maṇ g có thể thay đổ i liên tục : Một trong những đặc trƣng quan
trọng của môi trƣờng mạng không dây di động ad-hoc là sự thay đổi trạng thái
thƣờng xuyên và nhanh chóng của các nút mạng cũng nhƣ các liên kết giữa các
nút mạng. Một nút mạng có thể gia nhập hoặc tách khỏi mạng tại bất kỳ thời
điểm nào. Các nút mạng có thể di chuyển tự do dẫn đến các liên kết giữa các nút
mạng thay đổi liên tục. Vì vậy, cấu trúc liên kết mạng (network topology) trong
môi trƣờng mạng không dây di động ad-hoc thay đổi thƣờng xuyên làm ảnh
hƣởng đến các hoạt động trao đổi thông tin giữa các nút mạng. Đây chính là một
trong những thử thách chính khi xây dựng một giao thức định tuyến trong mạng
không dây di động ad-hoc. Giao thức định tuyến phải có khả năng tƣơng thích
cao với đặc trƣng này sao cho có khả năng tự thiết lập và tái thiết lập thông tin
định tuyến một cách nhanh chóng và hiệu quả.
Tính tự thiết lập: Mạng không dây di động ad-hoc không phụ thuộc vào
bất kỳ một cấu trúc mạng nào sẵn có cũng nhƣ sự quản lý tập trung tại bất kỳ
một nút mạng nào. Các nút mạng có vai trò ngang nhau và hoạt động độc lập với
nhau. Các nút mạng phải tự thiết lập các thông tin cần thiết cho chính mình (địa
13
chỉ mạng, thông tin định tuyến) khi gia nhập vào mạng cũng nhƣ tự điều chỉnh
thông tin khi mạng thay đổi. Do đó, giao thức định tuyến trong môi trƣờng mạng
này phải hỗ trợ cơ chế tự thiết lập, cập nhật và quản lý các thông tin cần thiết
cho các nút mạng.
1.2.1 Ƣu điểm [1]
Ƣu điểm chính của mạng ad-hoc là linh hoạt, chi phí thấp, có thể triển
khai nhanh và mạnh mẽ. Mạng ad-hoc có thể dễ dàng thiết lập, thậm chí ở
những nơi nhƣ sa mạc và có thể chịu đựng đƣơ ̣c với hoàn cảnh có thảm họa
thiên nhiên và chiến tranh. Những đặc điểm này làm cho mạng Ad-hoc rất thích
hợp cho các hoạt động quân sự, các hoạt động khẩn cấp, khắc phục thảm họa lớn.
1.2.2 Nhƣợc điểm [1]
Tỷ lệ lỗi bít cao : không giố ng nhƣ truyề n thông có dây , truyề n thông
không dây gă ̣p nhƣ̃ng trở nga ̣i nhƣ đƣờng truyề n bị che chắn, xảy ra hiện tƣợng
phản xạ, tán xạ, suy giảm cƣờng đô ̣ tính hiê ̣u ,.. của sóng vô tuyế n; Do đó có thể
các gói tin truyền đi bị lỗi. Cũng vì các trở ngại nêu trên mà tốc độ truyền dữ
liê ̣u trong ma ̣ng truyề n thông không dây thấ p hơn so với truyề n thông có dây.
Bảo mật: Do tin ́ h chấ t phân phố i đô ̣ng không d ựa trên cơ sở hạ tầng và
thiế u điể m giám sát tâ ̣p trung , các mạng ad -hoc dễ bi ̣tổ n thƣơng vớ i các loa ̣i
hình tấn công [12]. Không giố ng với các kênh có dây , kênh không dây có thể
truy câ ̣p đƣơ ̣c cho cả ngƣời dùng hơ ̣p pháp và k ẻ t ấn công nguy hiểm . Do đó
mạng ad-hoc dễ bi ̣ các cuộc tấn công kh ác nhau từ tấ n công thu ̣ đô ̣ng nhƣ nghe
trộm cho đến tấn công chủ động nhƣ gây nhiễu [12]. Tấn công thụ động có
nghĩa là những kẻ tấn công không gửi bất kỳ tin nhắn nào. Những kẻ tấn công
chỉ lắng nghe các kênh, do đó gần nhƣ không thể phát hiện các cuộc tấn công
này. Ngƣợc lại, các cuộc tấn công làm thay đổi hoạt động nhƣ xóa các gói dữ
liệu, tiêm nhiễm các gói tin không hợp lệ đến đích. Hoạt động tấn công có thể
đƣợc phát hiện. Có rất nhiều vấn đề an ninh trong mạng ad-hoc. Sau đây là một
số vấn đề bảo mật của IEEE 802.11.
 Nghe trộm nghe không hợp pháp trong quá trình truyền dẫn giữa hai nút.
 Phân tích lƣu lƣợng: kẻ tấn công giám sát việc truyền tải cho các mô hình
truyền thông.
 Giả mạo: kẻ tấn công giả vờ đƣơ ̣c ủy quyền sử dụng một hệ thống để đạt
đƣợc quyền truy cập vào nó hoặc để đạt đƣợc đặc quyền lớn hơn họ đang
có thẩm quyền.
 Sƣ̉a đổ i tin nhắ n: kẻ tấn công thay đổi thông điê ̣p ban đầu bằng cách xóa,
bổ sung, sửa đổi tin nhắn ban đầu.
14
 Sửa đổi tin nhắn: kẻ tấn công thay đổi thông điê ̣p ban đầu bằng cách
xóa, bổ sung, sửa đổi tin nhắn ban đầu.
 Tấ n công tƣ̀ chố i dich
̣ vu ̣ : kẻ tấn công ngăn chặn hoặc cấm sử dụng
thông thƣờng hay quản lý các cơ sở truyền thông.
Hạn chế năng lƣợng: mạng ad -hoc cho phép các nút di động giao tiếp
trong trƣờng hợp không có cơ sở hạ tầng cố định. Vì vậy, chúng hoạt động với
nguồn điện của pin; Do đó sẽ ha ̣n chế về năng lƣơ ̣ng.
1.3 Ứng dụng trong mạng ad-hoc
Mạng ad-hoc thƣờng đƣợc sử dụng trong một số tình huống nơi mà sử
dụng mạng cơ sở hạ tầng không thể triển khai hoặc triển khai đƣợc nhƣng không
hiệu quả về chi phí. Các ứng dụng phổ biế n của ma ̣ng ad -hoc đƣơ ̣c trình bày
dƣới đây.
1.3.1 Ứng dụng trong quân sự
Ứng dụng quân sự đã thúc đẩy nghiên cứu ban đầu về các mạng ad-hoc,
với khả năng có thể nhanh chóng thiết lập một mạng giữa các đơn vị quân sự
trong lãnh thổ thù địch mà không cần bất kỳ sƣ̣ hỗ trợ nào của cơ sở hạ tầng
mạng truyền thông có sẵn . Ví dụ, mỗi ngƣời lính có thể mang theo một thiết bị
di động và trở thành một nút di động trong một mạng ad-hoc liên kết tất cả binh
lính, xe tăng và các loại xe khác đƣơ ̣c minh ho ̣a trên H ình 1.3. Tiến bộ mới
trong viê ̣c chế ta ̣o robot cũng thúc đẩy ý tƣởng về chiến trƣờng tự động, trong
đó xe chiến đấu không ngƣời lái tham gia vào trận chiến. Hỗ trợ các ứng dụng
quân sự đòi hỏi cơ chế tự tổ chức cung cấp thông tin liên lạc mạnh mẽ và đáng
tin cậy trong các tình huống chiến đấu năng động.
Hình 1.1 Minh họa binh lính, xe tăng và các phương tiện khác mang thiết bị di
động
15
1.3.2 Ứng dụng trong hoạt động khẩn cấp
Một lĩnh vực đầy hứa hẹn cho ứng dụng mạng ad-hoc là các hoạt động
khẩn cấp, trong đó có tìm kiếm cứu nạn và khắc phục thảm họa. Ví dụ nhƣ trong
hoạt động tìm kiếm cứu nạn, xem xét một hãng hàng không có gắn thiết bị
không dây nhỏ trong các áo phao dƣới mỗi ghế. Giả sử rằng chiếc máy bay có
vấn đề về cơ khí và phải hạ cánh khẩn cấp xuố ng nƣớc. Khi thƣ̣c hiê ̣n tìm kiếm,
các đội cứu hộ đến nơi địa điểm máy bay hạ cánh, họ sẽ đƣợc cung cấp các
thông tin chi tiết về vị trí (các tọa độ và có khả năng cả độ sâu) của các nạn nhân
thông qua các bộ thu tín hiệu. Kết quả là, các đội cứu hộ có thể xác định vị trí
các nạn nh ân chính xác , hiệu quả và tiếp cận các nạn nhân mô ̣t cách nhanh
chóng. Các thiết bị di động cũng có thể theo dõi những dấu hiệu quan trọng của
nạn nhân, chẳng hạn nhƣ nhịp tim hoặc nhịp thở, giúp đội cứu hộ có thể ƣu tiên
cấp cứu các nạn nhân vẫn còn sống. Ứng dụng tƣơng tự có thể xảy ra khi có các
thảm họa nhƣ động đất, mất điện, hoặc vụ đánh bom xảy ra. Thảm họa có thể
phá hủy cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc hiện có, ngăn chặn liên lạc quan trọng
giữa các nhân viên cấp cứu. Các đội phản ứng khẩn cấp có thể thiết lập mạng
ad-hoc nhanh chóng để thay thế mạng cơ sở hạ tầng bị phá hủy cho phép các
nhân viên cấ p cƣ́u phối hợp tốt hơn.
1.3.3 Các ứng dụng trong giáo dục, văn phòng, gia đình
Mạng ad-hoc cũng có các ứng dụng trong nhà và văn phòng. Các ứng
dụng đơn giản và trực tiếp nhất của mạng ad-hoc trong nhà và văn phòng là kết
nối máy tính xách tay, PDA và thiết bị WLAN khác trong trƣờng hợp không có
trạm cơ sở không dây. Một ứng dụng trong nhà nhƣ Bluetooth, tất cả các thiết bị
ngoại vi có thể kết nối với một máy tính thông qua kết nối Bluetooth không dây,
loại bỏ sự cần thiết cho các kết nối có dây. Mạng ad-hoc cũng có thể cho phép
xem video và âm thanh giữa các nút không dây khi không có trạm gốc. Ví dụ,
mạng UWB cung cấp băng thông đủ lớn (cỡ Gb /s) để hỗ trợ nhiều dòng đa
phƣơng tiện. Nút mạng UWB đƣợc trang bị chƣ́c năng tự chủ, có thể thiết lập
một mạng ad-hoc để truyề n các dòng video chất lƣợng cao và âm thanh giữa
nhiều máy tính thông qua kết nối không dây UWB . Lĩnh vực g iáo dục và hoạt
động giải trí cũng có thể đƣợc hƣởng lợi từ viê ̣c sƣ̉ du ̣ng các mạng ad-hoc. Ví dụ,
sinh viên tham dự một lớp học có thể sử dụng máy tính xách tay của họ để lấy
tài liệu từ máy tính xách tay của thày giáo.
1.3.4 Ứng dụng cho phƣơng tiện đi lại (Vanet)
VANET là một loại mạng ad-hoc di động để cung cấp thông tin liên lạc
giữa các xe cô ̣ ở gần nhau và giữa xe cô ̣ với thiết bị cố định gần đó. Mục tiêu
16
chính của viê ̣c sƣ̉ du ̣ng VANET là cung cấp sƣ̣ an toàn và sự thoải mái cho hành
khách, cụ thể một thiết bị điện tử đặc biệt sẽ đƣợc đặt bên trong mỗi chiếc xe để
cung cấp kết nối mạng Ad hoc cho hành khách. Mạng lƣới này có xu hƣớng hoạt
động mà không có bất kỳ cơ sở hạ tầng nào. Mỗi chiếc xe đƣợc trang bị thiết bị
VANET sẽ là một nút trong mạng ad-hoc và có thể nhận chuyển tiếp tin nhắn
khác thông qua đƣờng truyề n không dây. Các tin nhắn có thể truyền cảnh báo va
chạm, cảnh báo dấu hiệu đƣờng bộ và sẽ cung cấp cho ngƣời lái xe thông tin
giao thông, qua đó ngƣời lái xe quyết định chọn con đƣờng tốt nhất trên đƣờng
đi. Ngoài ra, thanh toán tự động phí bãi đỗ xe là mô ̣t ví dụ khác nƣ̃a về khả năng
của VANET. Hầu hết các vấn đề đƣơ ̣c quan tâm nghiên cƣ́u trong MANETS
cũng đƣợc quan tâm nghiên cƣ́u trong VANETS, nhƣng các chi tiết là khác nhau.
Thí dụ trong VANET , các nút mạng (xe cô )̣ thay vì di chuyển một cách ngẫu
nhiên, lại có xu hƣớng di chuyển một cách có tổ chức. Cuối cùng hầu hết các xe
đƣợc giới hạn trong phạm vi của chúng về chuyển động để đảm bảo an toàn.
Hình 1.2 Minh họa mạng ad-hoc ứng dụng cho phương tiện giao thông
(VANET)
1.3.5 Mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây (WSNs) có thể đƣợc coi là trƣờng hợp đặc biệt
của mạng ad-hoc. Mạng cảm biến ứng dụng trong một số lĩnh vực nhƣ: an ninh
quốc phòng, y tế, môi trƣờng, thƣơng mại; Cụ thể trong lĩnh vực an ninh quốc
phòng, với những đặc tính triển khai nhanh, tự tổ chức mạng cảm biến trở thành
một thành phần quan trọng trong lĩnh vực quân sự nhƣ hỗ trợ đƣa ra mệnh lệnh,
điều khiển, truyền thông, tính toán, tình báo, theo dõi trận địa; do thám lực
lƣợng và trận địa đối phƣơng, xác định mục tiêu, đánh giá tổn thất sau trận chiến,
do thám và xác định tấn công hóa sinh hoặc hạt nhân.
17
Trong lĩnh vực môi trƣờng, mạng cảm biến đƣợc sử dụng để theo dõi
chuyển động của những động vật hoang dã cần giám sát, nghiên cứu hoặc bảo
vệ, theo dõi những động vật nhỏ nhƣ sâu, bọ; theo dõi những yếu tố môi trƣờng
ảnh hƣởng đến gieo trồng và chăn nuôi; tình trạng tƣới tiêu; theo dõi môi trƣờng
trái đất, sinh học bên trong lòng biển, đất, và khí quyển; phát hiện cháy rừng;
nghiên cứu thời tiết; cảnh báo lũ lụt; nghiên cứu bản đồ sinh học phức tạp của
môi trƣờng và nghiên cứu sự ô nhiễm môi trƣờng.
Trong lĩnh vực y tế, mạng cảm biến cung cấp những công cụ hỗ trợ giao
tiếp cho ngƣời tàn tật theo dõi bệnh nhân; hỗ trợ chẩn đoán.
Trong lĩnh vực ứng dụng gia đình: Mỗi đồ dùng trong nhà nhƣ máy hút
bụi, lò vi sóng, tủ lạnh, và ti vi có thể đƣợc gắn nút cảm biến. Những nút cảm
biến này tƣơng tác với nhau và với bên ngoài có thể nối mạng qua Internet hoặc
vệ tinh, cho phép chủ nhà quản lý từ xa thiết bị đồ dùng dễ dàng hơn.
Trong lĩnh vực thƣơng mại, mạng cảm biến đƣợc ứng dụng trong việc
theo dõi chất lƣợng sản phẩm; điều khiển môi trƣờng trong những tòa nhà; điều
khiển robot trong những nhà máy sản xuất tự động; sản xuất đồ chơi tƣơng tác;
giám sát thảm hoạ.
Hình 1.3 Minh họa ứng dụng trong mạng cảm biến không dây
18
1.4 Tình hình nghiên cứu về mạng ad-hoc và mục tiêu của luận văn
1.4.1 Tóm tắt các vấn đề phải nghiên cứu giải quyết đối với mạng ad-
hoc
Mạng Ad hoc là một tập hợp các nút mạng di động không dây, nằm phân tán
về mặt địa lý tạo thành một mạng tạm thời mà không sử dụng bất cứ cấu trúc hạ
tầng mạng có sẵn hay quản lý tập trung nào. Mỗi nút mạng phải đóng vai trò
nhƣ một bộ định tuyến di động có trang bị một bộ thu phát không dây. Các nút
mạng tự do di chuyển ngẫu nhiên, vì vậy cấu hình mạng thay đổi thƣờng xuyên.
Với đặc điểm đó, một loạt thách thức đối với mạng ad-hoc đƣợc đặt ra cần đƣợc
giải quyết nhƣ:
 Tô pô mạng không có cấu trúc và thay đổi theo thời gian: Các nút mạng
tự do dịch chuyển do đó việc tối ƣu hóa các giao thức mạng đặc biệt khó
khăn
 Năng lƣợng: Các nút mạng trong mạng ad-hoc hoạt động đƣợc nhờ
nguồn năng lƣợng bằng pin. Vì vậy vấn đề tuổi thọ của pin cần đƣợc đặc
biệt quan tâm. Do đó thách thức đặt ra là phải thiết kế mạng sao cho
nguồn năng lƣợng đƣợc sử dụng hiệu quả nhất
 Chất lƣợng liên lạc thấp: truyền thông không dây nói chung kém chất
lƣợng hơn so với truyền thông có dây; Nguyên nhân là do chất lƣợng
thông tin liên lạc trong mạng không dây bị ảnh hƣởng bởi yếu tố về môi
trƣờng (điều kiện thời tiết, gặp vật cản, sự can thiệp của mạng lƣới
không dây khác)
 Băng thông hạn chế.
Từ những thách thức trên nhiều nhà khoa học đã dành thời gian thích đáng
để nghiên cứu và giải quyết những vấn đề nhƣ định tuyến, điều khiển cấu hình
và tiết kiệm năng lƣợng bằng cách đƣa ra những thuật toán và cải tiến giao thức.
1.4.2 Mục tiêu nghiên cứu của luận văn
Tiết kiệm năng lƣợng trong hầu hết các mạng hay thiết bị viễn thông đang
là một vấn đề đƣợc quan tâm hàng đầu đối với các nhà mạng cũng nhƣ ngƣời sử
dụng. Tuy nhiên, với đặc tính riêng của mình, vai trò của tiết kiệm năng lƣợng
tại mỗi nút trong mạng ad-hoc là rất quan quan trọng. Nó không những ảnh
hƣởng trực tiếp đến thời gian sống của các nút mạng mà còn ảnh hƣởng đến khả
năng mà nút đó thay mă ̣t cho các nút khác đ ể chuyển tiếp các gói tin, do đó ảnh
hƣởng đến tuổ i tho ̣ chung của ma ̣ng . Để khắ c phu ̣c đƣơ ̣c ha ̣n chế về thiế u năng
lƣơ ̣ng, trong luâ ̣n văn tôi nghiên cƣ́u về giao thƣ́c điề u khiể n công suấ t giúp tiế t
kiê ̣m năng lƣơ ̣ng cho các thiế t bi ̣và giảm can nhiễu cho ma ̣ng ad-hoc
19
Chƣơng 2. GIAO THƢ́C MAC ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG
MẠNG AD-HOC
Điều khiển công suất là khả năng một trạm không dây di động kiểm soát
năng lƣợng tiêu thụ thông qua việc chuyển đổi giƣ̃a các trạng thái bâ ̣t, tắ t và rỗi
(on, off, idle) hoặc qua điều khiển công suất truyền. Điều khiển công suất giúp
tiết kiệm nguồn tiêu thụ của thiết bị và giảm can nhiễu gây ra cho hệ thống.
Giao thức MAC đƣợc sử dụng rộng rãi nhất trong MANETs là DCF IEEE
802.11, đó là cơ chế CSMA/CA có bổ sung thêm việc sử dụng cặp gói tin biên
nhâ ̣n ACK và că ̣p gó i tin điề u khiể n RTS/CTS. Trong 802.11, các nút di động có
nhu cầ u truyề n cố gắng tránh đu ̣ng đô ̣ với nhau bằ ng viê ̣c cảm nhận sóng mang
trƣớc khi truyền. Nếu thấ y kênh là bận, nút sẽ trì hoãn việc truyền và chuyể n vào
trạng thái trì hoãn (backoff) viê ̣c truyề n . Nếu không, nút sẽ bắt đầu quá trình
trao đổ i các gói tin điề u khiể n RTS/CTS để nắm bắt các kênh và sau đó truyền
các gói dữ liệu.
Xin giải thić h rõ một số thuật ngữ đƣợc sử dụng trong luận văn, đó là: phạm vi
truyền, phạm vi cảm nhận và vùng cảm nhận sóng mang.
Hình 2.1Minh họa phạm vi truyền, phạm vi cảm nhận, vùng cảm nhận sóng
mang [3]
20
Phạm vi truyền: Khi một nút nằ m trong phạm vi truyền dẫn của một nút
gửi, nó có thể nhận đƣơ ̣c tín hiê ̣u và giải mã các gói tin một cách chính xác từ
nút gửi.
Phạm vi cảm nhận sóng mang: Các nút nằ m trong phạm vi cảm nhận
sóng mang có thể cảm nhận có ngƣời đang truyền. Phạm vi cảm nhận sóng
mang lớn hơn so với phạm vi truyền, thƣờng là lớn hơn gấp 2 lần phạm vi
truyền.
Khi nút nguồn và đích truyền các gói tin điều khiển RTS và CTS, các nút
trong phạm vi truyền nhận đƣợc một cách chính xác các gói này và thiết lập
NAVs (NAVs đƣơ ̣c triǹ h bày chi tiế t trong mu ̣c 2.2, dƣới đây ) của mình trong
suốt thời gian truyền toàn bộ gói tin dƣ̃ liê ̣u sau đó . Tuy nhiên, các nút trong
phạm vi cảm nhận sóng mang chỉ cảm nhận đƣợc tín hiệu và không thể giải mã
một cách chính xác. Do đó, các nút thiết lập NAVs của mình cho thời gian EIFS
(khi nó cảm nhận đƣợc sự thay đổi trạng thái từ kênh bận đến nhàn rỗi). Mục
đích của EIFS là để bảo vệ viê ̣c nhận khung ACK tại nút nguồn không bi ̣xung
đô ̣t.
Vùng cảm nhận sóng mang: khi một nút nằ m trong vùng cảm nhận sóng
mang của một nút khác , nó có thể cảm nhận đƣợc tín hiệu mà nút đó truyền
nhƣng không thể giải mã đƣợc một cách chính xác nô ̣i dung gói tin (ở đây vùng
cảm nhận sóng mang không bao gồm phạm vi truyền).
Ví dụ trong Hình 2.1 cho thấ y nút C phát đi một gói tin thì nút B và D có thể
nhận và giải mã nó một cách chính xác bởi vì chúng đang trong phạm vi truyền
dẫn của nút C. Tuy nhiên, nút A và E chỉ cảm nhận đƣợc tín hiệu mà không thể
giải mã một cách chính xác bởi vì chúng đang có trong vùng cảm nhận sóng
mang của nút C.
2.1 802.11 DCF [3,4,5]
DCF Trong 802.11 dựa trên CSMA/CA; Đây là cơ chế cho phép các nút
tƣ̣ tranh chấ p quyề n truy câ ̣p môi trƣờng thông qua giao thƣ́c CSMA /CA, mỗi
nút cảm nhận môi trƣờng rỗi trƣớc khi truyền gói tin . Cơ chế cảm nhận sóng
mang không những đƣợc thực hiện bằng cảm nhận sóng mang vật l‎ý mà còn
bằng cảm nhận sóng mang ảo tại lớp MAC.
Cảm nhận sóng mang vật lý có nhiệm vụ phát hi ện các nút hoạt động
thông qua phân tích các gói tin thu đƣơ ̣c và tình tr ạng hoạt động của kênh dựa
trên cƣờng độ tín hiệu thu đƣơ ̣c. Cơ chế cảm nhâ ̣n sóng mang ảo đƣơ ̣c thƣ̣c hiê ̣n
thông qua viê ̣c nút gƣ̉i sử dụng để thông báo thời gian kênh sẽ bị chiếm do
truyền dẫn của nút đó tới nút nhận, còn các nút khác nằm trong phạm vi truyền
đo ̣c thông báo và biế t đƣơ ̣c thời gian kênh truyền sẽ bận.