MẠNG AD HOC KHÔNG DÂY DI ĐỘNG
Giới thiệu chung
1.1.1 Lịch sử phát triển và phân loại mạng không dây
Nửa sau thế kỷ XX chứng kiến sự chuyển biến lớn trong lĩnh vực liên lạc điện tử, với sự xuất hiện của mạng dữ liệu gói, mạng cục bộ tốc độ cao và đặc biệt là mạng truyền thông không dây di động, như mạng điện thoại di động và hệ thống liên lạc vệ tinh Trong thập kỷ qua, công nghệ mạng không dây đã trở thành phần thiết yếu của cuộc sống hiện đại, và lĩnh vực này tiếp tục phát triển nhanh chóng với nhiều ứng dụng mới ra đời.
Hiện nay, hầu hết các kết nối không dây giữa các thiết bị đều phụ thuộc vào hạ tầng mạng cố định của các nhà cung cấp dịch vụ Ví dụ, điện thoại di động kết nối qua trạm phát sóng, và máy tính xách tay truy cập Internet qua access point Tuy nhiên, việc thiết lập mạng không dây qua hạ tầng cố định thường tốn thời gian và chi phí cao, và không phải lúc nào cũng khả thi Các tình huống như thiết lập mạng truyền video trên chiến trường, cứu hộ thiên tai, hoặc khi chi phí xây dựng mạng cố định vượt quá khả năng tài chính, đều yêu cầu giải pháp kết nối linh hoạt hơn Do đó, việc phát triển mạng ad hoc di động là cần thiết để cung cấp kết nối và dịch vụ trong những tình huống khẩn cấp này.
Mạng di động ad hoc (MANET) là một mạng tạm thời được thiết lập khi các thiết bị di động cần kết nối mà không có hạ tầng mạng cố định Loại mạng này thường tồn tại trong thời gian ngắn và phục vụ cho các nhiệm vụ cụ thể Để hoạt động hiệu quả, mạng di động ad hoc phải có khả năng tự cấu hình, tương thích với tính di động của thiết bị, sự thay đổi liên tục của môi trường và mục đích sử dụng của mạng.
Mạng ad hoc cần có yêu cầu thiết kế mới, bao gồm khả năng tự cấu hình địa chỉ và định tuyến Việc đảm bảo liên lạc và truyền dữ liệu giữa người dùng phải được duy trì liên tục trong suốt thời gian hoạt động của mạng Hơn nữa, các dịch vụ dựa trên vị trí, mà chưa từng xuất hiện trong các mạng hữu tuyến, cũng cần được nghiên cứu để hỗ trợ tính di động của mạng.
Trong những năm gần đây, nhờ vào sự phát triển công nghệ, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm giải quyết các vấn đề liên quan đến việc xây dựng các thiết bị di động có khả năng giao tiếp trong phạm vi tín hiệu và tự động cấu hình Điều này giúp thiết lập một mạng ad hoc di động linh hoạt và hiệu quả Nhờ đó, các nút di động không chỉ có thể kết nối với nhau mà còn nhận dịch vụ Internet thông qua một nút đóng vai trò Internet gateway Khi mạng không dây ngày càng phát triển, tính năng ad hoc trở nên quan trọng hơn bao giờ hết, đòi hỏi các giải pháp công nghệ và nghiên cứu chuyên sâu để hỗ trợ tính năng này.
1.1.1.1 Các đặc trƣng của truyền thông không dây
Hoạt động mạng không dây chủ yếu liên quan đến việc sử dụng tín hiệu hồng ngoại hoặc sóng radio để chia sẻ thông tin và tài nguyên giữa các thiết bị Với cấu trúc vật lý khác nhau của các thiết bị mạng không dây, có thể xác định một số đặc điểm chính của truyền thông không dây.
Tín hiệu hồng ngoại có khả năng bị nhiễu cao, dẫn đến tính tin cậy thấp, do dễ bị ảnh hưởng bởi nguồn nhiệt và ánh sáng mặt trời Ngược lại, tín hiệu radio thường bị tác động bởi các thiết bị điện gần kề, làm giảm độ chính xác của chúng.
Tốc độ truyền dữ liệu qua mạng không dây thường thấp hơn so với mạng hữu tuyến, điều này dẫn đến chất lượng dịch vụ kém, thời gian lắp đặt hệ thống kéo dài và độ trễ cao.
Các nút có tính di động nên hình trạng mạng (topology) luôn thay đổi
Các thiết bị di động thường có kích thước nhỏ gọn và sử dụng pin để duy trì khả năng di động, điều này dẫn đến việc kích thước ổ đĩa, bộ nhớ và khả năng tính toán bị giảm sút.
Việc cài đặt dịch vụ cho các mạng không dây thường gặp nhiều khó khăn và hạn chế hơn so với các mạng hữu tuyến, điều này phụ thuộc vào thiết bị, khoảng cách và điều kiện của mạng.
Trong môi trường mạng không dây, mọi thiết bị có khả năng nhận tín hiệu radio, điều này khiến việc thực thi các chính sách an ninh trở nên khó khăn Do đó, mạng không dây dễ bị tấn công hơn bởi các hacker.
1.1.1.2 Phân loại các mạng không dây
Hiện nay, có nhiều loại mạng không dây với các tiêu chí phân loại khác nhau, bao gồm cấu trúc và kiến trúc mạng, khả năng phủ sóng, công nghệ truy cập và ứng dụng của mạng.
Phân loại dựa trên cấu tạo và kiến trúc mạng:
Mạng không dây dựa trên cơ sở hạ tầng cố định bao gồm các nút và gateway của mạng cố định, cho phép triển khai dịch vụ qua những thành phần này Một ví dụ điển hình là mạng điện thoại di động, được xây dựng trên các bộ chuyển mạch xương sống của mạng PSTN, các trung tâm chuyển mạch di động (MSC), trạm phát sóng và các thiết bị di động Mỗi nút trong mạng đảm nhận một vai trò cụ thể, và việc thiết lập kết nối giữa các nút phải tuân theo một trình tự nghiêm ngặt.
Mạng ad hoc di động (MANET) là một loại mạng được hình thành ngẫu nhiên từ sự phối hợp của các nút độc lập, trong đó không có sự phân chia rõ ràng về vai trò giữa các nút Mỗi nút có khả năng tự đưa ra quyết định tính toán dựa trên tình trạng hiện tại của mạng, thay vì dựa vào cơ sở hạ tầng mạng đã có Trong MANET, tất cả các nút đều hoạt động như một router và tham gia vào quá trình phát hiện và duy trì định tuyến giữa các nút.
Phân loại dựa trên vùng phủ sóng:
Mạng WAN không dây hoạt động dựa trên cơ sở hạ tầng mạng cố định như MSC và các trạm cố định, cho phép thiết lập kết nối giữa nhiều khu vực địa lý rộng lớn, bao gồm cả các thành phố và quốc gia Các kết nối này được thực hiện thông qua các trạm phát sóng và hệ thống vệ tinh, được đảm bảo bởi các nhà cung cấp dịch vụ không dây Mạng điện thoại di động GSM là một ví dụ tiêu biểu cho loại mạng này.
Một số vấn đề nổi bật của mạng adhoc di động
1.2.1 Điều khiển hình trạng mạng
Trong mạng MANET, các nút là thiết bị di động hoạt động bằng pin và có bộ nhớ hạn chế, giao tiếp với nhau chủ yếu qua tín hiệu radio Mỗi nút chỉ có thể phát sóng trong một phạm vi nhất định, và các tín hiệu phát ra sẽ được các nút lân cận trong phạm vi thu nhận Khi nút u muốn gửi thông điệp đến nút v, nó có thể thực hiện theo hai cách: nếu nút v nằm trong phạm vi phủ sóng của nút u, thông điệp sẽ được truyền trực tiếp; nếu không, nút u có thể sử dụng các nút trung gian để chuyển tiếp gói tin đến nút v.
Mạng MANET đặc trưng bởi tính di động cao của các nút, khiến cho khả năng kết nối giữa chúng không cố định và luôn thay đổi Một nút có thể nằm trong phạm vi tín hiệu của nút khác ở thời điểm này, nhưng lại có thể di chuyển ra ngoài phạm vi đó ở thời điểm khác Các nút có khả năng điều chỉnh phạm vi phủ sóng và lựa chọn các nút lân cận để chuyển tiếp gói tin, dẫn đến việc liên lạc không thể theo một tuyến cố định Do đó, cần có các chiến lược điều khiển hình trạng mạng hiệu quả nhằm duy trì khả năng kết nối, tối ưu hóa thời gian tồn tại và thông lượng mạng, từ đó hỗ trợ thiết kế một giản đồ định tuyến tiết kiệm năng lượng và bộ nhớ.
1.2.1.2 Mô hình tiếp cận dùng trong điều khiển hình trạng mạng Để có thể hiểu rõ hơn về điều khiển hình trạng mạng, chúng ta có thể giả sử một cách đơn giản rằng các nút trong mạng sẽ đứng yên trong một khoảng thời gian nào đó Chúng ta lại giả sử rằng bán kính phủ sóng của các nút là như nhau và một liên kết được thiết lập giữa hai nút nếu như nút này nằm trong vùng phủ sóng của nút kia Khi đó, một mạng ad hoc có thể được xem là một đồ thị đĩa đơn vị (unit disk graph) Như vậy, câu hỏi được đặt ra ở đây là liệu có thể thiết kế một mạng có dạng một đồ thị con liên thông của một đồ thị đĩa đơn vị sao cho có thể đảm bảo thực hiện được các mục đích cơ bản của điều khiển hình trạng mạng [28]
Trong thiết kế mạng, không phải tất cả các đồ thị con liên thông của đồ thị đĩa đơn vị đều có vai trò giống nhau Một yêu cầu quan trọng là xây dựng đồ thị con sao cho đường đi ngắn nhất giữa hai nút bất kỳ không lớn hơn trong mạng ban đầu Ngoài ra, khả năng chịu lỗi cũng là một yếu tố thiết yếu trong mạng không dây ad hoc, đòi hỏi kiến trúc mạng phải là đồ thị k-liên thông với k>1, đảm bảo có ít nhất k đường dẫn khác nhau giữa mỗi cặp nút Mặc dù việc điều chỉnh phạm vi phủ sóng lớn có thể đáp ứng yêu cầu này, nhưng lại không đảm bảo tiết kiệm năng lượng cho thiết bị không dây Do đó, cần tìm ra bán kính phủ sóng nhỏ nhất để đảm bảo đồ thị đĩa đơn vị cảm sinh là k-liên thông.
Trong việc điều khiển hình trạng mạng ad hoc, thuật toán định tuyến đóng vai trò quan trọng, được chia thành hai loại: giao thức dựa trên bảng và giao thức dựa trên yêu cầu Việc phát hiện tuyến tiêu tốn nhiều tài nguyên, làm chậm thời gian phản hồi của mạng, trong khi duy trì định tuyến có thể gây tốn kém cho bộ nhớ và năng lượng của thiết bị không dây Gần đây, giao thức định tuyến cục bộ hoá đã được chú ý vì không yêu cầu các nút duy trì bảng định tuyến riêng, phù hợp với các nút di động có bộ nhớ hạn chế Giao thức này giúp giảm thời gian overhead, ngay cả khi hình trạng mạng thay đổi Tuy nhiên, thiết kế giản đồ định tuyến cục bộ hoá và đảm bảo gói tin đến đích vẫn là thách thức lớn Các nhà nghiên cứu đang tiếp tục phát triển các mô hình và giải pháp mới để giải quyết vấn đề này.
Trong mạng không dây, các nút như laptop, PDA và điện thoại di động đều là thiết bị di động hoạt động dựa trên pin nhiên liệu, khiến thời gian sống của pin trở thành yếu tố quan trọng trong truyền thông và tính toán di động Đặc biệt, trong mạng ad hoc di động, việc tối ưu hóa thời gian sử dụng pin với số lần nạp điện tối thiểu là một mối quan tâm hàng đầu, thường là không được nạp lại.
Trong thập kỷ qua, công nghệ sản xuất pin không theo kịp với những tiến bộ trong công nghệ truyền thông và tính toán di động Khi công suất pin không thể tăng đáng kể, nỗ lực tiết kiệm năng lượng chủ yếu tập trung vào thiết kế phần mềm và phần cứng Các thiết bị di động bao gồm nhiều thành phần tiêu thụ năng lượng như CPU, màn hình, bộ nhớ, ổ cứng và đặc biệt là card mạng không dây (WNIC), có thể tiêu thụ từ 10%-50% năng lượng của pin Điều này giải thích tại sao máy notebook hết pin nhanh chóng khi sử dụng WNIC Các nhà sản xuất phần cứng liên tục cải tiến công nghệ để giảm năng lượng tiêu thụ, trong khi cần xây dựng tiêu chuẩn và kiến trúc truyền thông để tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng trong mạng ad hoc.
1.2.2.2 Một số hướng xây dựng các kỹ thuật duy trì năng lượng
Trong mạng không dây, các thiết bị cần cân bằng giữa lượng dữ liệu gửi đi và năng lượng tiêu thụ Kỹ thuật ở tầng ứng dụng có thể giảm dữ liệu thừa, từ đó tiết kiệm năng lượng Tuy nhiên, do thông tin liên tục được trao đổi, cần áp dụng thêm các kỹ thuật khác để giảm thiểu năng lượng tiêu thụ toàn mạng Đầu tiên, cần chú ý đến việc tiêu thụ năng lượng ở các tầng giao thức mạng Tại tầng mạng, các giao thức định tuyến thông minh giúp giảm chi phí phụ trội và tìm ra tuyến đường tiết kiệm năng lượng nhất Ở tầng MAC, các kỹ thuật tiết kiệm năng lượng có thể được áp dụng trong quá trình truyền và nhận dữ liệu, bao gồm việc ngừng truyền thông khi thiết bị ở trạng thái nhàn rỗi.
Các hoạt động truyền thông trong mạng ad hoc tiêu thụ năng lượng chủ yếu của thiết bị Đầu tiên, kiểu truyền thông điểm-điểm giữa hai nút tiêu thụ năng lượng khi thiết bị không dây được kích hoạt hoặc ở trạng thái nhàn rỗi, cùng với việc truyền gói tin giữa nút gửi và nút nhận Thứ hai, kiểu truyền thông đầu cuối-đến-đầu cuối yêu cầu năng lượng cho việc duy trì tuyến đường và chuyển tiếp dữ liệu, bao gồm cả chi phí trong các giao thức định tuyến như thiết lập, duy trì và phục hồi tuyến đường Thêm vào đó, thiết bị cũng tiêu thụ năng lượng khi ở trạng thái nhàn rỗi hoặc lắng nghe các kênh truyền.
Bảo tồn dữ liệu có thể được thực hiện thông qua việc tiết kiệm năng lượng trong quá trình truyền thông và trong giai đoạn nhàn rỗi Nếu không xử lý đúng cách, năng lượng tiêu thụ trên toàn mạng sẽ tăng và truyền thông bị giảm Trong quá trình truyền dữ liệu, năng lượng tiêu thụ phụ thuộc vào mức năng lượng của nút, lượng dữ liệu và tốc độ truyền Những yếu tố này có thể được điều chỉnh qua phần mềm và kênh truyền Công nghệ hiện nay cho phép điều khiển năng lượng thích ứng với từng nút trong mạng ad hoc, ảnh hưởng đến phạm vi phủ sóng và hình trạng của mạng Ngoài ra, năng lượng cũng tiêu thụ khi các nút chuyển tiếp dữ liệu, và chi phí này có thể giảm bằng cách sử dụng các giao thức định tuyến có tính đến năng lượng Một số mô hình đã được đề xuất để tối ưu hóa quá trình này.
Định tuyến với năng lượng tối thiểu và định tuyến có tính đến công suất là hai phương pháp quan trọng trong nghiên cứu mạng Hiện tại, một số giao thức bậc cao đang được phát triển với mục tiêu kết hợp hai mô hình này nhằm tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng.
Trong quá trình truyền thông, việc duy trì năng lượng là cần thiết cho tất cả các lớp của chồng giao thức Mỗi lớp truy cập thông tin khác nhau, do đó cần cơ chế tiết kiệm năng lượng riêng Khi thiết bị ở trạng thái nhàn rỗi, các cơ chế tầng MAC thường được áp dụng để chuyển sang chế độ tiết kiệm điện năng Tuy nhiên, việc chuyển đổi từ chế độ này sang chế độ bình thường có thể gây chi phí phụ trội và ảnh hưởng đến truyền thông Do đó, không nên sử dụng chế độ tiết kiệm năng lượng thường xuyên Giải pháp là áp dụng các giao thức quản lý năng lượng tích hợp thông tin toàn cục dựa trên hình trạng mạng để tối ưu hóa việc chuyển đổi giữa hai chế độ hoạt động và tiết kiệm điện năng.
Hiện nay, sự phát triển của các thiết bị di động và mạng ad hoc đang gia tăng nhanh chóng Tuy nhiên, nếu năng lượng pin không được sử dụng hiệu quả, các thiết bị sẽ sớm ngừng hoạt động, làm giảm khả năng khai thác ứng dụng và dịch vụ mạng Do đó, tiết kiệm năng lượng trở thành một vấn đề quan trọng trong nghiên cứu mạng ad hoc, đặc biệt khi tất cả các thiết bị trong mạng này đều phụ thuộc vào pin làm nguồn cung cấp năng lượng.
1.2.3.1 Giới thiệu Định tuyến là một vấn đề hết sức quan trọng trong các hoạt động mạng cơ bản của bất kỳ loại mạng nào, điều này lại càng đúng với mạng ad hoc vì những đặc trưng riêng biệt rất thú vị của nó Có thể liệt kê ra đây một số đặc điểm và cũng là mục tiêu cần đạt được khi xây dựng các giao thức định tuyến phù hợp với mạng ad hoc [28,29]:
Trong mạng ad hoc, các nút có khả năng di chuyển tự do, dẫn đến sự thay đổi liên tục về hình trạng mạng và tuyến đường Do đó, một giao thức định tuyến hiệu quả cần phải tương thích với những biến đổi này, đảm bảo rằng kết nối giữa nút nguồn và nút đích luôn được duy trì, ngay cả khi các nút trung gian hoặc nút đích di chuyển Hơn nữa, do các liên kết trong mạng thường xuyên bị đứt, việc xử lý các liên kết cần phải diễn ra nhanh chóng với chi phí phụ trội tối thiểu.
Kết luận chương
Trong những năm tới, tính toán di động sẽ phát triển mạnh mẽ, với mạng không dây thế hệ thứ tư đóng vai trò quan trọng Mạng ad hoc, với tính linh động, dễ duy trì và ít phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng, sẽ trở thành công nghệ chủ đạo cho truyền thông cá nhân Nghiên cứu và sự quan tâm từ ngành công nghiệp đối với công nghệ Bluetooth và WLAN cho thấy tiềm năng của mạng ad hoc Việc phát triển và tích hợp MANET với các mạng không dây khác cũng như giải quyết các vấn đề hiện tại sẽ là xu hướng công nghệ và hướng nghiên cứu chính trong tương lai.
MANET là một lĩnh vực nghiên cứu đầy tiềm năng với nhu cầu phát triển lớn và ứng dụng rộng rãi Sự phát triển công nghệ tại Việt Nam sẽ không nằm ngoài xu hướng công nghệ toàn cầu, do đó, cần thiết phải tiến hành các nghiên cứu liên quan Trong bài viết này, tác giả sẽ tập trung vào một khía cạnh của vấn đề định tuyến, cụ thể là cải thiện hiệu quả của kỹ thuật flooding trong MANET.
