Đề tài Mobile Adhoc Network(MANET)

Phần I: MỞ ĐẦU I.1-Giới thiệu đề tài Trong những năm qua, với sự phát triển không ngừng của mạng máy tính, nhiều ứng dụng mạng ra đời phục vụ trong lĩnh vực đời sống (bản tin điện tử, các hệ thống quản l ý nghiệp vụ, …) cũng như hoạt động thương mại (thương mại điện tử - E-ommere), giáo dục (đào tạo từ xa - e-learning), y tế (hệ thống chuẩn đoán bệnh từ xa)… mang lại hiệu quả kinh tế cao cũng như nhiều tiện ích cho người dùng. Bên cạnh đó, các thiết bị không dây ngày càng chiếm một vị trí quan trọng trong cuộc sống: người dùng sử dụng điện thoại di động để kiểm tra mail, duyệt web ở nơi công cộng (sân bay, quán cafe, nhà ga,…), tìm đường đi khi đang lưu thông trên đường, trao đổi dữ liệu bằng các thiết bị không dây trong các hội nghị hoặc bất kỳ nơi nào,…. Do đó, mạng không dây di động, đặc biệt mạng không dây di động ad-hoc, ngày càng phát triển mạnh mẽ và trở thành một trong các vấn đề nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực mạng máy tính. Kết nối mạng adhoc di động được thực hiện để cung cấp hoạt động mạnh mẽ và hiệu quả trong thông tin di động vô tuyến bằng cách kết hợp các chức năng định tuyến vào các nốt di động. Các mạng như vậy thường có tính động, thay đổi với tốc độ cao, cấu hình mạng ngẫu nhiên nhiều chặng bao gồm nhiều liên kết vô tuyến có băng tần giới hạn. Xét về phương diện internet, việc hỗ trợ định tuyến cho các host di động được thực hiện bằng ông nghệ IP di động (mobile IP). Đây là công nghệ hỗ trợ chuyển mạng trong đó các host có thể được kết nối tới mạng Internet bởi nhiều phương tiện ngoài vùng địa chỉ cố định của nó. Host có thể được kết nối vật lý trực tiếp tới mạng cố định trên một phân mạng ngoài hoặc được kết nối qua một liên kết vô tuyến, đường dây dial-up.Mục tiêu của kết nối mạng ad hoc di động là để mở rộng tính di động cho vùng mạng di động, vô tuyến tự trị, trong đó một nhóm các nốt có thể là các router và host được kết hợp với nhau để hình thành hạ tầng định tuyến mạng theo một thể thức đặc biệt của mạng adhoc. Mạng Adhoc di động (MANET) bao gồm các miền router kết nối lỏng với nhau. Một mạng MANET được đặc trưng bởi một hoặc nhiều giao diện mạng MANET, các giao diện được phân biệt bởi “khả năng tiếp cận không đối xứng” thay đổi theo thời gian của nó đối với các router lân cận. Các router này nhận dạng và duy trì một cấu trúc định tuyến giữa chúng. Các router có thể giao tiếp thông qua các kênh vô tuyến động với khả năng tiếp cận không đối xứng, có thể di động và có thể tham gia hoặc rời khỏi mạng bất kì thời điểm nào. Để giao tiếp với nhau, các nốt mạng adhoc cần cấu hình giao diện mạng của nó với địa chỉ địa phương có giá trị trong khu vực của mạng adhoc đó. Các nốt mạng adhoc có thể phải cấu hình các địa chỉ toàn cầu có thể được định tuyến, để giao tiếp với các thiết bị khác trên mạng Internet. Trong đề tài này chúng ta sẽ nắm bắt rõ hơn về MANET thông qua các vấn đề cụ thể sẽ được chỉ ra trong đề tài Chúng em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn, giúp đỡ nhiệt tình của Tiến sĩ Lê Anh Ngọc đã giúp chúng em hoàn thành đề tài Do kiến thức còn hạn chế nên trong quá trình làm đề tài không tránh khỏi thiếu sót,chúng em hi vọng qua đề tài này sẽ có một kiến thức chắc chắn hơn về mạng máy tính nói chung và mạng MANET nói riêng. Nhóm làm đề tài I.2 MỤC LỤC PHẦN I: Mở đầu I.1 Giới thiệu và ý nghĩa đề tài I.2 Mục lục (cấu trúc báo cáo đề tài) I.3 Phân công công việc PHẦN II: Nội dung chi tiết * Một số thuật ngữ dùng trong báo cáo II.1 tìm hiểu chung về MANET…………………………………………... II.1.1 manet là gì………………………………………………………….. II.1.2 Đặc tính của mạng không dây di động ad-hoc…………………….. II.1.3 ứng dụng……………………………………………………………. II.2 Cấu trúc mạng MANET……………………………………………… II.2.1 Các thành phần 1 mạng manet…………………………………….. II.2.2 các chế độ hoạt động của mạng…………………………………… II.2.3 động lực ban đầu của mạng MANET…………………………….. II.3 Các đặc điểm giao diện MANET……………………………………. II.3.1 giao diện MANET là gì……………………………………………. II.3.2 những khó khăn đối với mạng MANET…………………………… II.4 định tuyến trong MANET…………………………………………… II.4.1 khái niệm định tuyến……………………………………………… II.4.2 một số yêu cầu định tuyến………………………………………… II.5 Đánh địa chỉ và mô hình tiền tố địa chỉ của mạng MANET……….. II.5.1 Kiến trúc địa chỉ thông thường…………………………………… II.5.2 Routers và Hosts trong mạng MANET…………………………… II.6 Nguyên tắc phân loại các hình thức triển khai mạng……………….. II.6.1 Tính khả dụng của dịch vụ……………………………………….. II.6.2 Số lượng router MANET trong một mạng MANET……………... II.7 Bảo mật trong mạng MANET……………………………………… II.8 Demo cách thiết lập một mạng Ad-hoc đơn giản nhờ LAPTOP PHẦN III: Kết Luận và Kiến nghị PHẦN IV: Tài Liệu Tham Khảo I.3 Phân công công việc cụ thể Nhóm số 8 bao gồm 3 thành viên: 1.Nguyễn Văn Thiện (Nhóm trưởng) 2.Âu Hồng Lĩnh 3.Chu Văn Thanh Sau khi thảo luận và thống nhất , phân công nhiệm vụ như sau: Nhóm trưởng chịu trách nhiệm chung,thu thập,tìm kiếm tài liệu và hình thành mô hình các vấn đề nghiên cứu cho đề tài.Giao nhiệm vụ cụ thể cho từng thành viên trong nhóm,cung cấp tài liệu cần thiết .Vào thứ 7 hàng tuần,các thành viên trong nhóm gửi báo cáo nghiên cứu các vấn đề được giao cho nhóm trưởng,nhóm trưởng có nhiệm vụ chỉnh sửa và bổ sung để làm báo cáo, cụ thể: PHẦN II: Nội dung chi tiết Một số thuật ngữ dùng trong báo cáo Node (N): bất kì thiết bị (router hay host) hoạt động theo giao thức IP Router (R): là nốt thực hiện chuyển tiếp các gói tin IP không có địa chỉ đích gửi tới Router đó. Host (H): bất kì nốt nào không phải là router, tức là nốt không thực hiện chuyển tiếp các gói tin tới các nốt khác. Liên kết (link): là phương tiện truyền thông trong đó các node có thể giao tiếp tại lớp liên kết, tức là lớp ngay dưới lớp IP. Ví dụ điển hình là các mạng Ethernet, liên kết điểm-điểm PPP, X.25, Frame Relay hay các mạng ATM cũng như các đường xuyên hầm lớp Internet như đường hầm qua IPv4 hay IPv6. Nốt lân cận (neighbor): Trong trường hợp định tuyến, hai router sẽ là hai nốt lân cận nếu một nốt có thể gửi/nhận các gói tin IP giao thức định tuyến tới nốt kia mà không cần chuyển qua nốt trung gian trên cùng lớp đó. Giao diện (interface): là điểm gắn kết của một nốt tới một liên kết truyền thông Giao diện mạng MANET (MANET Interface): được phân biệt bởi khả năng tiếp cận không đối xứng theo đổi theo thời gian của nó (ví dụ: SBI) trong số các router lân cận. Router MANET (MNR): được phân biệt bởi một hay nhiều giao diện MANET. Một router MANET có thể không có hoặc có nhiều giao diện non-MANET. Router MANET chị trách nhiệm che dấu các đặc điểm của mạng MANET khỏi các nốt không có khả năng nhận ra mạng MANET. II.1 Tìm hiểu chung về MANET II.1.1 Manet là gì Ta cần hiểu MANET là từ viết tắt của cụm từ Mobile Adhoc Netwok( mạng di động tùy biến không dây) Mobile: + Hình trạng mạng có thể thay đổi được + Các nút mạng có thể di chuyển linh động Adhoc : + Hình trạng mạng được thiết lập tùy ý + Không hạ tầng mạng,không server,không Accesspoint Network: + Tất cả các nút mạng đều có chức năng và hoạt động như một router Mạng không dây di động ad-hoc (Mobile Ad-hoc NETworks, viết tắt là MANET) là một loại mạng không dây trong đó các nút mạng (node) có thể di chuyển tự do và không lệ thuộc vào bất kỳ nút mạng hay thiết bị mạng nào. Môi trường mạng này có thể thiết lập dễ dàng ở bất kỳ nơi nào và không tốn nhiều chi phí. Trong môi trường mạng không dây ad-hoc, hai nút mạng có thể liên lạc trực tiếp với nhau nếu như chúng nằm trong vùng phủ sóng của nhau (radio communication range). Ngược lại, nếu hai nút mạng xa nhau muốn trao đổi dữ liệu với nhau thì chúng cần sự hỗ trợ của các nút mạng lân cận để chuyển tiếp thông tin Đây là một minh họa MANET đơn giản Hiện có rất nhiều ứng dụng được triển khai trong môi trường mạng ad-hoc như: ứng dụng trong mạng sensor (sensor network) - phân bố các sensor trên 1 cánh đồng, một thành phố,… để thu thập dữ liệu (nhiệt độ, thời tiết, độ ẩm, ..) gởi về trung tâm, home network – người dùng có thể điều khiển các thiết bị trong nhà của mình khi đang di chuyển trên đường, … II.1.2. Đặc tính của mạng không dây di động ad-hoc II.1.2.1 .Một mạng MANET bao gồm các hạ tầng di động (ví dụ một router với nhiều host và thiết bị truyền thông vô tuyến), ở đây được gọi là các nốt (node), đang di chuyển tự do. Các nốt có thể được đặt trên máy bay, tầu thủy, xe kéo, ô tô hoặc được mang theo người hay các thiết bị nhỏ, và có thể bao gồm nhiều host trên một router. Một mạng MANET là một hệ thống các nốt di động tự trị. Hệ thống có thể hoạt động độc lập hoặc có thể có cổng để giao tiếp với mạng cố định. Trong chế độ tiếp với mạng cố định, mạng MANET hoạt động như một mạng “đuôi” liên kết với một mạng internet cố định. Các mạng “đuôi” truyền lưu lượng xuất phát và/hoặc đến các nốt trong mạng, nhưng không cho phép truyền lưu lượng ngoài chuyển tiếp qua mạng. Các nốt mạng MANET bao gồm các bộ phát và bộ thu sử dụng ăng ten mọi hướng để phát quảng bá hoặc ăng ten định hướng để phát điểm-điểm, có thể điều chỉnh được, hoặc kết hợp các loại ăng ten này. Tại một thời điểm nào đó, tùy thuộc vào vị trí của các nốt và vùng phủ sóng bộ thu và bộ phát của chúng, mức công suất phát và mức nhiễu đồng kênh, một kết nối vô tuyến dưới dạng ngẫu nhiên, đồ thị nhiều chặng hay mạng ad hoc tồn tại giữa các nốt. Cấu hình adhoc này có thể thay đổi theo thời gian khi các nốt di chuyển hoặc điều chỉnh các thông số thu phát của chúng. II.1.2.2. Thay đổi đồ hình mạng liên tục Một trong những đặc trưng quan trọng của môi trường mạng không dây di động ad-hoc là sự thay đổi trạng thái thường xuyên và nhanh chóng của các nút mạng cũng như 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, đồ hình mạng (network topology) trong môi trường mạng không dây di động ad-hoc thay đổi liên tục làm ảnh hưởng 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 tương thích cao với đặc trưng này sao cho có khả năng tự thiết lập và tái thiết lập thông tin định tuyến một cách nhanh chóng và hiệu quả. II.1.2.3. 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 như 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 nhau. Các nút mạng phải tự thiết lập các thông tin cần thiết cho chính mình (địa chỉ mạng, thông tin định tuyến,...) khi gia nhập vào mạng cũng như tự điều chỉnh thông tin khi mạng thay đổi. Do đó, giao thức định tuyến trong môi trường mạng này phải hỗ trợ cơ chế tự thiết lập, cập nhật và quản lý các thông tin cần thiết cho các nút mạng. II.1.2.4. Môi trường mạng không dây Nhìn chung, các nút mạng trong môi trường mạng không dây sử dụng tần số radio hoặc hồng ngoại (infrared) để trao đổi dữ liệu với nhau. Các thiết bị không dây như thế có thể kể đến là: laptop, pocket PC, PDA, điện thoại di động, sensor, các thiết bị vệ tinh, … Mặc dù, các thiết bị khác nhau ở tầng vật lý nhưng khi cùng tham gia trong cùng một môi trường mạng không dây thì dùng chung một băng tần để trao đổi dữ liệu. Trong môi trường không dây này, các thiết bị đều chịu những hạn chế như: • Băng thông thấp • Môi trường tuyền thông có độ tin cậy thấp • Hạn chế về năng lượng, bộ nhớ, khả năng tính toán Điều đặc biệt là mỗi node trong mạng đóng vai trò như một Router-điều này đồng nghĩa với việc chia sẻ mạng ngang hàng của mỗi node và khả năng mở rộng phạm vi hoạt động của mạng II.1.3 Ứng dụng phổ biến của MANET Công nghệ mạng adhoc di động tương tự như mạng vô tuyến gói di động (Mobile Packet Radio Networking), mạng lưới di động (Mobile Mesh Networking) và kết nối mạng vô tuyến, nhiều chặng, di động (Mobile, Multihop, Wireless etworking). Vấn đề nổi trội của kết nối mạng di động với sự nhấn mạnh về hoạt động của giao thức IP di động sẽ được mở rộng dần và yêu cầu công nghệ kết nối di động có khả năng tương thích cao để có thể quản lý hiệu quả các nhóm mạng ad hoc nhiều chặng, trong đó các nhóm mạng có thể hoạt động độc lập hoặc cũng có thể kêt nối với một số điểm Internet cố định. Các ứng dụng của công nghệ MANET có thể bao gồm các ứng dụng công nghiệp và thương mại liên quan đến trao đổi dữ liệu di động có tính chất cộng tác lẫn các máy. Ngoài ra, các mạng di động cấu hình lưới có thể được vận hành một cách hiệu quả dưới dạng mạng thay thế hoặc mạng mở rộng của mạng di động tổ ong. Việc kết nối mạng trong quân đội cũng yêu cầu các dịch vụ dữ liệu IP trong các mạng truyền thông di động vô tuyến, nhiều mạng trong số này bao gồm các phần với cấu hình mạng tự trị với tính động cao. Bên cạnh đó, sự phát triển của các công nghệ tính toán và truyền thông có thể cung cấp các ứng dụng cho các mạng MANET. Khi được kết hợp một cách hợp lý với truyền thông vệ tinh, mạng MANET có thể cung cấp các phương thức cực kỳ linh hoạt trong việc thiết lập truyền thông cho hoạt động cứu hỏa, cứu thương, khắc phục sự cố tai nạn hoặc các trường hợp cần triển khai mạng thật nhanh chóng để phục vụ tức thì. II.2 Cấu trúc mạng MANET II.2.1 Các thành phần 1 mạng manet Do các đặc điểm của mạng MANET (di động, vô tuyến, không dự tính trước) nên việc xác định các thành phần của một mạng MANET là rất khó khăn, nếu không nói là không thể trong một số trường hợp nhất định. Tại một thời điểm mạng MANET có thể bao gồm một số nốt nào đó, nhưng tại thời điểm sau đó mạng này có thể chia thành nhiều mạng MANET. Sau đó nó lại có thể nhập lại thành một nhóm mới các node và tạo thành mạng MANET lớn hơn. Các router nhất định trong một mạng MANET có thể kết nối với các vùng định tuyến khác nhau. Các router này được gọi là router biên BR (border router), và chúng thường chạy nhiều giao thức định tuyến. Các router biên có nhiệm vụ lựa chọn thông tin định tuyến để thông báo giữa các vùng định tuyến liên quan đến nhau. Router biên cũng cho thấy các router có thể tiếp cận được thông qua nó. Khi các thành viên trong mạng MANET thay đổi, thì kết nối của các router biên trong mạng MANET cũng thay đổi. Do vậy, rất khó để router biên có thể thể hiện tập hợp cố định các nốt tiếp cận được (reachable node). Nó có thể lựa chọn không thông báo bất kì thông tin định tuyến nào về mạng MANET đó cho các vùng định tuyến khác. II.2.2 Các chế độ hoạt động của mạng MANET có hai chế độ hoạt động chính là chế độ cở sở hạ tầng và chế độ IEEE Ad- hoc. Chế độ cơ sở hạ tầng: Chế độ này thì mạng bao gồm các điểm truy cập AP cố định và các node di động tham gia vào mạng, thực hiện truyền thông qua các điểm truy cập. Trong chế độ này thì các liên kết có thể thực hiện qua nhiều chặng. Chế độ cơ sở hạ tầng Chế độ IEEE Ad- hoc: Chế độ này thì các node di động truyền thông trực tiếp với nhau mà không cần tới một cơ sở hạ tầng nào cả. Trong chế độ này thì các liên kết không thể thực hiện qua nhiều chặng. Chế độ IEEE Ad- hoc II.2.3 Bản chất hoạt động của mạng MANET Các nguyên lý thiết tiếp dựa trên gói đặc biệt thích hợp áp dụng kế lõi giao thức IP như kết nối mạng MANET. Tuy nhiên, cần có thêm một số chức năng bổ không kết nối (connectionless) và chuyển đối với trường hợp mạng động như mạng sung để đáp ứng những thử thách và cơ hội trong mạng MANET. II.2.3.1.Các mạng gói vô tuyến Động lực ban đầu của mạng MANET là kết nối mạng gói vô tuyến PR (Packet Radio). Trong mạng gói vô tuyến, mỗi router được trang bị một giao diện vô tuyến. Mỗi router đều có thể di động và các router có thể hoặc có thể trở thành bị phân tách về mặt không gian, do vậy các router không thể giao tiếp trực tiếp với nhau. Hai router có thể yêu cầu một hoặc nhiều router trung gian để chuyển tiếp (định tuyến) các gói tin thay mặt cho chúng. Trong ví dụ trong hình 2, để mạng PR1 gửi các gói tin đến mạng PR3, mạng PR2 trung gian phải chuyển tiếp cá gói tin này. Như vậy mạng PR2 phải nhận gói tin từ mạng PR1 tại giao diện của nó và quyết định truyền lại các gói tin qua cùng giao diện đó như khi các gói tin này được nhận để các gói tin này có thể đến được mạng PR3. Nhìn từ mạng PR2 thì cả mạng PR1 và PR3 đều là các router lân cận trong đó PR1 và PR3 lại không phải là các router lân cận của nhau. II.3.2.2. Mạng gói vô tuyến và mạng Internet Các mạng gói vô tuyến dẫn đến các thử thách liên quan đến kiến trúc mạng như làm thế nào để kết nối các mạng gói vô tuyến với các mạng khác, đặc biệt là các mạng cố định. Một thử thách khác nữa là làm thế nào để giải quyết sự khác biệt về đặc tính của các giao diện và các nốt khác nhau có mặt trong các mạng khác nhau. Các phương diện trên của mạng gói vô tuyến đã giúp kích thích sự phát triển của giao thức Internet, một kiến trúc dựa trên kết nối mạng không kết nối (connectionless networking) và chuyển tiếp dựa trên gói (packet-based forwarding), hai đặc điểm cho phép việc kết nối giữa các thiết bị khác loại bởi các công nghệ truyền thông hỗn hợp. II.2.2.3. Mạng gói vô tuyến và mạng MANET Cấu hình router trong hình 1 là cấu hình router MANET đơn giản nhất: một giao diện duy nhất triển khai các đặc điểm của giao diện MANET . Ngoài ra còn rất nhiều thử thách khác đối với cả mạng MANET và mạng gói vô tuyến như: các giao diện không dây dẫn đến việc chia sẻ tài nguyên truyền thông và dẫn đến sự phụ thuộc lẫn nhau giữa các nốt lân cận, và các nốt này thường giao tiếp trực tiếp hoặc gián tiếp. Sự thay đổi linh hoạt của các kênh vô tuyến và sự di chuyển của các nốt sẽ dẫn đến khả năng mất gói và sự thay đổi cấu hình mạng liên tục.Hình 3 cho thấy một giản đồ chung về mạng MANET: mỗi router MANET (MNR) có một hoặc nhiều giao diện MANET, qua đó các giao thức nhận ra giao diện MANET sẽ hoạt động để đảm bảo truyền thông trong mạng MANET và vận hành các giao diện khác không phải giao diện MANET, liên lạc với phía các host hoặc các mạng khác. Qua các giao diện nhận dạng không phải mạng MANET (non-MANET), các giao thức không cần nhận ra các đặc tính của mạng MANET. II.3 Các đặc điểm giao diện MANET II.3.1 Giao diện MANET là gì được phân biệt bởi khả năng tiếp cận không đối xứng theo đổi theo thời gian của nó (ví dụ: SBI) trong số các router lân cận. II.3.2 Những khó khăn đối với mạng MANET Các đặc điểm của mạng MANET dẫn đến nhiều thử thách dưới nhiều hình thức do vậy cần phải có giao thức hoạt động riêng cho mạng MANET Các vấn đề cần lưu ý như : Định tuyến/Quản lí các nodes: Thêm vào mạng Thoát khỏi mạng Tính di động của các nodes Tính bảo mật Công suất tiêu thụ Băng thông Mật độ các nodes Xung đột Mô phỏng, và kinh nghiệm thực tế Sự tương tác giữa các lớp Xét sâu hơn 1 số vấn đề II.3.2.1)Giao diện bán quảng bá SBI Với một giao diện SBI có khả năng tiếp cận không đối xứng thay đổi theo thời gian và các router MANET phân bố rời rạc trong không gian, mỗi router có thể có tầm nhìn khác nhau đối với mạng MANET. Nghĩa là mỗi nốt có thể nhìn thấy nhóm các router MANET lân cận khác nhau. Nhóm các router MANET lân cận do mỗi router MANET nhận thấy trong khu vực xung quanh thuờng yêu cầu các router MANET khác gửi các gói từ cùng giao diện vô tuyến mà các router này nhận các gói tin. Về mặt cấu hình mạng, việc chuyển tiếp các gói tin qua cùng một giao diện sẽ dẫn đến việc một gói tin sẽ được gửi đến nhiều router do đuợc truyền qua phuơng tiện truyền thông vô tuyến tại một vị trí mới. Một ví dụ đuợc chỉ ra trong hình 4, mỗi router có thể giao tiếp với một nhóm router khác nhau. Việc chuyển tiếp các gói tin qua cùng giao diện mà các router nhận các gói tin tới cũng dẫn dến nhân đôi số lượng gói tin IP mà các router nhận đuợc với nhiều hơn một router lân cận trong khi đang chuyển sang tiếp cận nhóm các router lân cận mới. Do vậy, việc phát hiện gói tin đuợc nhân đôi cũng là một phần luôn có trong vấn đề thiết kế giao thức MANET. II.3.2.2) Mối liên hệ giữa các router MANET cạnh nhau và vùng lân cận mở rộng của các router Việc xác định quá trình quyết định