Tài liệu Luận văn cntt đánh giá về an toàn giao thức định tuyến trong mạng manet

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGÔ THẾ HẢI ANH ĐÁNH GIÁ VỀ AN TOÀN GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG MANET LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Hà Nội - 2016 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGÔ THẾ HẢI ANH ĐÁNH GIÁ VỀ AN TOÀN GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG MANET Ngành: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Chuyên ngành: Truyền dữ liệu & Mạng máy tính Mã số: LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. NGUYỄN ĐÌNH VIỆT Hà Nội - 2016 1 LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS. Nguyễn Đình Việt, người thầy đã tận tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm luận văn và truyền cho tôi những kinh nghiệm quý báu trong thời gian thực hiện đề tài. Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc tới thầy, cô trong trường Đại Học Công Nghệ, Đại Học Quốc Gia Hà Nội. Thầy, cô đã truyền lại cho chúng tôi những kiến thức vô cùng hữu ích trong thực tiễn, cũng như dạy chúng tôi phương pháp nghiên cứu khoa học, phát huy khả năng tư duy sáng tạo trong mọi lĩnh vực. Cuối cùng, tôi xin được cảm ơn gia đình, bạn bè, những người thân yêu nhất của tôi. Mọi người luôn ở bên cạnh tôi, động viên, khuyến khích tôi học tập, nghiên cứu. Do thời gian nghiên cứu và kinh nghiệm nghiên cứu chưa nhiều nên luận văn còn nhiều thiếu sót, rất mong nhận được những ý kiến góp ý của các Thầy/Cô và các bạn học viên. 2 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết quả đạt được trong luận văn là sản phẩm của riêng cá nhân tôi, không sao chép lại của người khác. Luận văn là kết quả của quá trình học tập, nghiên cứu trong suốt khóa học. Trong các nội dung của luận văn, những vấn đề được trình bày hoặc là kết quả của cá nhân hoặc là kết quả tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu khác. Những kết quả nghiên cứu nào của cá nhân đều được chỉ rõ ràng trong luận văn. Các thông tin tổng hợp hay các kết quả lấy từ nhiều nguồn tài liệu khác đều được trích dẫn đầy đủ và hợp lý. Tất cả tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp. Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định cho lời cam đoan của mình. Hà Nội, tháng 11 năm 2016 Người cam đoan NGÔ THẾ HẢI ANH 3 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... 1 LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. 2 MỤC LỤC ........................................................................................................ 3 DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................. 6 DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ.................................................................... 7 DANH MỤC CÁC BẢNG................................................................................ 9 MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 10 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG MANET ....................................... 11 1.1. Tổng quan về mạng MANET .............................................................. 11 1.2. Đặc điểm của mạng MANET .............................................................. 12 1.3. Phân loại MANET ............................................................................... 13 1.3.1. Phân loại theo giao thức ................................................................. 13 1.3.2. Phân loại theo chức năng ............................................................... 14 1.4. Vấn đề định tuyến trong mạng MANET ............................................ 15 1.4.1. Các thuật toán định tuyến truyền thống .......................................... 16 1.4.2. Bài toán định tuyến mạng MANET.................................................. 17 1.5. Các kỹ thuật định tuyến mạng MANET ............................................ 18 1.5.1. Định tuyến Link State và Distance Vector ....................................... 18 1.5.2. Định tuyến chủ ứng và định tuyến phản ứng ................................... 18 1.5.3. Cập nhật định kỳ và cập nhật theo sự kiện ...................................... 18 1.5.4. Cấu trúc phẳng và cấu trúc phân cấp ............................................. 19 1.5.5. Tính toán phi tập trung và tính toán phân tán ................................. 19 1.5.6. Định tuyến nguồn và định tuyến theo chặng ................................... 19 1.5.7. Đơn đường và đa đường ................................................................. 19 1.6. Các giao thức định tuyến trong mạng MANET ................................. 20 1.6.1. Destination-Sequence Distance Vector (DSDV) .............................. 20 1.6.2. Ad hoc On-demand Distance Vector Routing (AODV) .................... 21 1.6.3. Dynamic Source Routing (DSR) ...................................................... 23 4 CHƯƠNG 2: VẤN ĐỀ AN NINH TRONG MẠNG MANET VÀ MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP TẤN CÔNG TRONG MẠNG MANET .......................... 26 2.1. Những vấn đề về an ninh trong mạng MANET ................................. 26 2.1.1. Thách thức về an ninh trong mạng MANET .................................... 26 2.1.2. Các yêu cầu về an ninh ................................................................... 26 2.2. Các phương thức tấn công trong giao thức định tuyến mạng MANET ..................................................................................................................... 27 2.2.1. Tấn công bằng cách sửa đổi thông tin định tuyến ........................... 27 2.2.2. Tấn công bằng cách mạo danh ....................................................... 28 2.2.3. Tấn công bằng cách tạo ra thông tin bịa đặt ................................... 29 2.3.4. Một vài kiểu tấn công đặc biệt ........................................................ 30 CHƯƠNG 3: TẤN CÔNG KIỂU LỖ ĐEN VÀO GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN AODV ............................................................................................... 31 3.1. Lỗ hổng của giao thức AODV ............................................................. 31 3.2. Phân loại tấn công kiểu lỗ đen ............................................................ 32 3.3. Một số giải pháp phòng chống tấn công lỗ đen trong giao thức AODV ..................................................................................................................... 33 3.3.1. ARAN (Authenticated Routing for Ad hoc Networks) ...................... 33 3.3.2. SAODV (Secure Ad hoc On-demand Distance Vector) .................... 34 3.3.3. RAODV (Reverse Ad hoc On-demand Distance Vector) ................. 37 3.3.4. IDSAODV (Intrusion Detection System Ad hoc On-demand Distance Vector) ..................................................................................................... 39 CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ AN TOÀN GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG MANET THÔNG QUA SỬ DỤNG CÔNG CỤ MÔ PHỎNG ........................................................................................................... 41 4.1. Phân tích lựa chọn phương pháp đánh giá ........................................ 41 4.2. Bộ mô phỏng NS-2 và cài đặt mô phỏng [11] ..................................... 42 4.2.1. Giới thiệu NS-2 ............................................................................... 42 4.2.2. Các thành phần của bộ chương trình mô phỏng NS-2 ..................... 43 4.2.3. Các chức năng mô phỏng chính của NS-2....................................... 43 4.2.4. Thiết lập mô phỏng mạng MANET trong NS-2................................ 44 4.3. Cài đặt bổ sung các giao thức ............................................................. 47 5 4.3.1. Cài đặt giao thức blackholeAODV mô phỏng tấn công lỗ đen ........ 47 4.3.2. Cài đặt giao thức IDSAODV làm giảm ảnh hưởng tấn công lỗ đen 49 4.3.3. Cài đặt giao thức RAODV làm giảm ảnh hưởng tấn công lỗ đen .... 51 4.4. Mô phỏng, đánh giá ảnh hưởng và giải pháp làm giảm hiệu ứng của tấn công lỗ đen ............................................................................................ 56 4.5. Tiến hành mô phỏng, phân tích tệp vết để tính các tham số hiệu năng ..................................................................................................................... 59 4.6. Đánh giá ảnh hưởng của tấn công lỗ đen trong các giao thức định tuyến AODV, IDSAODV và RAODV ....................................................... 75 KẾT LUẬN ..................................................................................................... 78 1. Các kết quả của luận văn ....................................................................... 78 2. Hướng phát triển của đề tài ................................................................... 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................. 79 PHỤ LỤC ....................................................................................................... 81 6 DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT MANET AODV DSDV DSR RAODV IDSAODV SAODV ARAN IP RREQ RREP R-RREQ SN HC ID DV LS NS-2 Mobile Adhoc NETwork Adhoc On-demand Distance Vector Destination-Sequenced Distance Vector Dynamic Source Routing Reverse Adhoc On-demand Distance Vector Intrusion Detection System Adhoc On-demand Distance Vector Secure Adhoc On-demand Distance Vector Authenticated Routing for Ad hoc Networks Internet Protocol Route Request Route Reply Reverse Route Request Sequence Number Hop count Identification Distance Vector Link State Network Simulator 2 7 DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Minh họa mạng MANET .................................................................. 11 Hình 1.2. Single-hop ........................................................................................ 13 Hình 1.3. Multi-hop.......................................................................................... 13 Hình 1.4. Mô hình mạng phân cấp.................................................................... 14 Hình 1.5. Mô hình mạng kết hợp ...................................................................... 15 Hình 1.6. Phân loại giao thức định tuyến trong mạng MANET ........................ 20 Hình 1.7. Quá trình tìm đường trong AODV .................................................... 21 Hình 1.8. Route discovery (nút A là nút nguồn, nút E là nút đích) .................... 24 Hình 1.9. Route maintenance (Nút C không thể chuyển tiếp gói tin từ nút A đến nút E do liên kết giữa C và D bị hỏng) ............................................................. 24 Hình 2.1. Các kiểu tấn công giao thức định tuyến trong mạng MANET ........... 27 Hình 2.2. Ví dụ về tấn công bằng cách sửa đổi ................................................. 28 Hình 2.3. Ví dụ về tấn công bằng cách mạo danh ............................................. 29 Hình 2.4. Ví dụ về tấn công bằng cách tạo ra thông tin bịa đặt ......................... 29 Hình 3.1. Thực hiện tấn công lỗ đen bằng việc giả mạo gói tin RREQ ............. 32 Hình 3.2. Thực hiện tấn công lỗ đen bằng việc giả mạo gói tin RREP .............. 33 Hình 3.3. Định dạng của thông điệp định tuyến RREQ (RREP) mở rộng ......... 35 Hình 3.4. Cách tính hàm băm khi bắt đầu phát sinh RREQ hay RREP ............. 36 Hình 3.5. Cách tính hàm băm tại nút trung gian ............................................... 37 Hình 3.6. Định dạng gói tin RREQ ................................................................... 38 Hình 3.7. Định dạng gói tin R-RREQ ............................................................... 38 Hình 3.8. Ví dụ về giao thức RAODV .............................................................. 39 Hình 4.1. Biểu đồ thể hiện tỷ lệ phân phát gói tin thành công với tỷ lệ nút lỗ đen tăng dần và tốc độ 0m/s .................................................................................... 61 Hình 4.2. Biểu đồ thể hiện độ trễ trung bình với tỷ lệ nút lỗ đen tăng dần và tốc độ 0m/s ............................................................................................................ 62 Hình 4.3. Biểu đồ thể hiện tổng phí với tỷ lệ nút lỗ đen tăng dần và tốc độ 0m/s ......................................................................................................................... 63 Hình 4.4. Biểu đồ thể hiện tỷ lệ phân phát gói tin thành công với tỷ lệ nút lỗ đen tăng dần và tốc độ 5m/s .................................................................................... 64 8 Hình 4.5. Biểu đồ thể hiện độ trễ trung bình với tỷ lệ nút lỗ đen tăng dần và tốc độ 5m/s ............................................................................................................ 65 Hình 4.6. Biểu đồ thể hiện tổng phí với tỷ lệ nút lỗ đen tăng dần và tốc độ 5m/s ......................................................................................................................... 66 Hình 4.7. Biểu đồ thể hiện tỷ lệ phân phát gói tin thành công với tỷ lệ nút lỗ đen tăng dần và tốc độ 10m/s .................................................................................. 67 Hình 4.8. Biểu đồ thể hiện độ trễ trung bình với tỷ lệ nút lỗ đen tăng dần và tốc độ 10m/s........................................................................................................... 68 Hình 4.9. Biểu đồ thể hiện tổng phí với tỷ lệ nút lỗ đen tăng dần và tốc độ 10m/s ......................................................................................................................... 69 Hình 4.10. Biểu đồ thể hiện tỷ lệ phân phát gói tin thành công với tỷ lệ nút lỗ đen tăng dần và tốc độ 15m/s ........................................................................... 70 Hình 4.11. Biểu đồ thể hiện độ trễ trung bình với tỷ lệ nút lỗ đen tăng dần và tốc độ 15m/s........................................................................................................... 71 Hình 4.12. Biểu đồ thể hiện tổng phí với tỷ lệ nút lỗ đen tăng dần và tốc độ 15m/s ............................................................................................................... 72 Hình 4.13. Biểu đồ thể hiện tỷ lệ phân phát gói tin thành công với tỷ lệ nút lỗ đen tăng dần và tốc độ 20m/s ........................................................................... 73 Hình 4.14. Biểu đồ thể hiện độ trễ trung bình với tỷ lệ nút lỗ đen tăng dần và tốc độ 20m/s........................................................................................................... 74 Hình 4.15. Biểu đồ thể hiện tổng phí với tỷ lệ nút lỗ đen tăng dần và tốc độ 20m/s ............................................................................................................... 75 9 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1. Các trường dễ bị tổn thương trong gói tin AODV ............................ 31 Bảng 3.2. Các giá trị có thể của trường Hash_Function .................................... 36 Bảng 4.1. Tỷ lệ phân phát gói tin thành công với tỷ lệ nút lỗ đen tăng dần và tốc độ 0m/s ............................................................................................................ 61 Bảng 4.2. Độ trễ trung bình với tỷ lệ nút lỗ đen tăng dần và tốc độ 0m/s .......... 62 Bảng 4.3. Tổng phí với tỷ lệ nút lỗ đen tăng dần và tốc độ 0m/s ...................... 63 Bảng 4.4. Tỷ lệ phân phát gói tin thành công với tỷ lệ nút lỗ đen tăng dần và tốc độ 5m/s ............................................................................................................ 64 Bảng 4.5. Độ trễ trung bình với tỷ lệ nút lỗ đen tăng dần và tốc độ 5m/s .......... 65 Bảng 4.6. Tổng phí với tỷ lệ nút lỗ đen tăng dần và tốc độ 5m/s ...................... 66 Bảng 4.7. Tỷ lệ phân phát gói tin thành công với tỷ lệ nút lỗ đen tăng dần và tốc độ 10m/s........................................................................................................... 67 Bảng 4.8. Độ trễ trung bình với tỷ lệ nút lỗ đen tăng dần và tốc độ 10m/s ........ 68 Bảng 4.9. Tổng phí với tỷ lệ nút lỗ đen tăng dần và tốc độ 10m/s .................... 69 Bảng 4.10. Tỷ lệ phân phát gói tin thành công với tỷ lệ nút lỗ đen tăng dần và tốc độ 15m/s ..................................................................................................... 70 Bảng 4.11. Độ trễ trung bình với tỷ lệ nút lỗ đen tăng dần và tốc độ 15m/s ...... 71 Bảng 4.12. Tổng phí với tỷ lệ nút lỗ đen tăng dần và tốc độ 15m/s .................. 72 Bảng 4.13. Tỷ lệ phân phát gói tin thành công với tỷ lệ nút lỗ đen tăng dần và tốc độ 20m/s ..................................................................................................... 73 Bảng 4.14. Độ trễ trung bình với tỷ lệ nút lỗ đen tăng dần và tốc độ 20m/s ...... 74 Bảng 4.15. Tổng phí với tỷ lệ nút lỗ đen tăng dần và tốc độ 20m/s .................. 75 10 MỞ ĐẦU Với hàng loạt các ưu điểm của công nghệ truyền thông không dây, các mạng di động không dây đã được phát triển rất mạnh trong thời gian gần đây. Mạng di động không dây đặc biệt MANET (Mobile Wireless Adhoc Network) cho phép các máy tính di động thực hiện kết nối và truyền thông với nhau không cần dựa trên cơ sở hạ tầng mạng có dây. Về mặt thực tiễn, mạng MANET rất hữu ích cho các nhu cầu thiết lập mạng khẩn cấp tại những nơi xảy ra thảm họa như: hỏa hoạn, lụt lội, động đất… hay những nơi yêu cầu tính nhanh chóng, tạm thời như trong các trận chiến, do thám… Tuy nhiên, chính vì những đặc điểm hoạt động không phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng, truyền thông trong không khí… đã khiến cho mạng MANET rất dễ bị tấn công. Những thách thức đặt ra cho vấn đề bảo mật mạng MANET thường tập trung vào bảo mật tầng liên kết, bảo mật định tuyến, trao đổi và quản lý khóa. Trong phạm vi nghiên cứu của mình, luận văn sẽ trình bày một số vấn đề về an toàn giao thức định tuyến trong mạng MANET, tấn công lỗ đen trong giao thức định tuyến AODV, một số giải pháp để chống tấn công lỗ đen trong giao thức định tuyến AODV mạng MANET, cụ thể là hai giải pháp IDSAODV và RAODV được trình bày ở chương 4. Bố cục của luận văn chia làm bốn phần: Chương 1: Tổng quan về mạng MANET Chương 2: Những vấn đề về an ninh trong mạng MANET, các phương pháp tấn công trong mạng MANET Chương 3: Tấn công kiểu lỗ đen vào giao thức định tuyến AODV và một số giải pháp phòng chống tấn công lỗ đen Chương 4: Sử dụng công cụ mô phỏng NS-2 để mô phỏng kịch bản tấn công lỗ đen trong giao thức AODV, qua đó đánh giá hiệu năng của mạng dưới sự ảnh hưởng của tấn công lỗ đen, đề xuất giải pháp làm giảm ảnh hưởng của tấn công lỗ đen 11 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG MANET 1.1. Tổng quan về mạng MANET Mạng ad hoc 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 ad hoc cần cấu hình giao diện mạng của nó với địa chỉ địa phương có giá trị trong khu vực của mạng ad hoc đó. Các nốt mạng ad hoc 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. Nhìn từ góc độ lớp IP, mạng MANET có vai trò như một mạng multi-hop lớp 3 được tạo thành bởi các liên kết. Do vậy mỗi nốt mạng ad hoc trong mạng MANET sẽ hoạt động như một router lớp 3 để cung cấp kết nối với các nốt khác trong mạng. Mỗi nốt ad hoc duy trì các tuyến tới các nốt khác trong mạng MANET và các tuyến mạng tới các nốt đích ở ngoài mạng MANET đó. Nếu đã được kết nối với mạng Internet, các mạng MANET sẽ trở thành mạng rìa (edge network), nghĩa là biên giới của chúng được xác định bởi các router rìa (edge-router). Do bản chất của các liên kết tạo nên mạng MANET, các nốt ad hoc trong mạng không chia sẻ truy nhập cho liên kết đơn báo hiệu đa điểm (multicast). Như vậy, trong mạng MANET không dự trữ hay dành riêng liên kết đa điểm multicast và liên kết quảng bá broadcast. Hình 1.1. Minh họa mạng MANET 12 1.2. Đặc điểm của mạng MANET - Thiết bị tự trị đầu cuối (Autonomous terminal): Trong MANET, mỗi thiết bị di động đầu cuối là một node tự trị. Nó có thể mang chức năng của host và router. Bên cạnh khả năng xử lý cơ bản của một host, các node di động này có thể chuyển đổi chức năng như một router. Vì vậy, thiết bị đầu cuối và chuyển mạch là không thể phân biệt được trong mạng MANET. - Hoạt động phân tán (Distributed operation): Vì không có hệ thống mạng nền tảng cho trung tâm kiểm soát hoạt động của mạng nên việc kiểm soát và quản lý hoạt động của mạng được chia cho các thiết bị đầu cuối. Các node trong MANET đòi hỏi phải có sự phối hợp với nhau. Khi cần thiết các node hoạt động như một thiết bị chuyển tiếp để thực hiện chức năng của mình như bảo mật và định tuyến. - Định tuyến đa đường (Multihop routing): Thuật toán định tuyến không dây cơ bản có thể định tuyến một chặng và nhiều chặng dựa vào các thuộc tính liên kết khác nhau và giao thức định tuyến. Định tuyến đơn đường trong MANET đơn giản hơn định tuyến đa đường ở vấn đề cấu trúc và thực hiện với chi phí thấp và ít ứng dụng. Khi truyền các gói dữ liệu từ một nguồn của nó đến điểm trong phạm vi truyền tải trực tiếp không dây, các gói dữ liệu sẽ được chuyển tiếp qua một hoặc nhiều trung gian các nút. - Tô-pô mạng động (Dynamic network topology): Vì các node là di động, nên cấu trúc mạng có thể thay đổi nhanh và không thể biết trước, các kết nối giữa các thiết bị đầu cuối có thể thay đổi theo thời gian. MANET sẽ thích ứng tuyến và điều kiện lan truyền giống như mẫu di động và các node mạng di động. Các node di động trong mạng thiết lập định tuyến động với nhau khi chúng di chuyển, hình thành mạng riêng của chúng trong không gian. Hơn nữa, một người dùng trong MANET có thể không chỉ hoạt động trong mạng lưới di động đặc biệt, mà còn có thể yêu cầu truy cập vào một mạng cố định công cộng như Internet. - Dao động về dung lượng liên kết (Fluctuating link capacity): Bản chất tỷ lệ bit lỗi cao và thường xuyên biến động của kết nối không dây cần được quan tâm trong mạng MANET. Đường đi từ đầu cuối này đến đầu cuối kia có thể được chia sẻ qua một vài chặng. Kênh giao tiếp ở đầu cuối chịu ảnh hưởng của nhiễu, hiệu ứng đa đường, sự giao thoa và băng thông của nó ít hơn so với mạng có dây. Trong một vài tình huống, truy cập của hai người dùng có thể qua nhiều liên kết không dây và các liên kết này có thể không đồng nhất. - Các thiết bị đầu cuối thường có khả năng chịu tải nhẹ (Light-weight terminals): Trong hầu hết các trường hợp các node trong mạng MANET là thiết 13 bị với tốc độ xử lý của CPU thấp, bộ nhớ ít và lưu trữ điện năng ít. Vì vậy cần phải tối ưu hoá các thuật toán và cơ chế. 1.3. Phân loại MANET 1.3.1. Phân loại theo giao thức * Truyền một chặng (Single-hop): - Mạng Manet định tuyến single-hop là loại mô hình mạng ad hoc đơn giản nhất. Trong đó, tất cả các node đều nằm trong cùng một vùng phủ sóng, nghĩa là các node có thể kết nối trực tiếp với nhau mà không cần các node trung gian. - Mô hình này các node có thể di chuyển tự do nhưng chỉ trong một phạm vi nhất định đủ để các node liên kết trực tiếp với các node khác trong mạng. Hình 1.2. Single-hop * Truyền đa chặng (Multi-hop): - Đây là mô hình phổ biến nhất trong mạng MANET, nó khác với mô hình trước là các node có thể kết nối với các node khác trong mạng mà có thể không cần kết nối trực tiếp với nhau. Các node có thể định tuyến với các node khác thông qua các node trung gian trong mạng. - Để mô hình này hoạt động một cách hoàn hảo thì cần phải có giao thức định tuyến phù hợp với mô hình mạng MANET. Hình 1.3. Multi-hop 14 * Mobile multi-hop: Mô hình này cũng tương tự với mô hình thứ hai nhưng sự khác biệt ở đâylà mô hình này tập trung vào các ứng dụng có tính chất thời gian thực như audio, video... 1.3.2. Phân loại theo chức năng * Mạng MANET đẳng cấp (Flat): Trong kiến trúc này tất cả các node có vai trò ngang hàng với nhau (peerto-peer) và các node đóng vai trò như các router định tuyến gói dữ liệu trên mạng. Trong những mạng lớn thì cấu trúc Flat không tối ưu hoá việc sử dụng tài nguyên băng thông của mạng vì những thông tin điều khiển phải truyền trên toàn bộ mạng. Tuy nhiên nó thích hợp trong những tô-pô có các node di chuyển nhiều. * Mạng MANET phân cấp (Hierarchical): Đây là mô hình sử dụng phổ biến nhất. Trong mô hình này thì mạng chia thành các miền (domain), trong mỗi domain bao gồm một hoặc nhiều cụm (cluster), mỗi cluster bao gồm nhiều nút (node). Có hai loại nút là nút chủ hay còn được gọi là nút cụm trưởng (master node) và nút bình thường (nomal node). - Master node: Là node quản trị một router có nhiệm vụ chuyển dữ liệu của các node trong cluster đến các node trong cluster khác và ngược lại. Nói cách khác nó có nhiệm vụ như một gateway. - Normal node: Là các node nằm trong cùng một cluster. Nó có thể kết nối với các node trong cluster hoặc kết nối với các cluster khác thông qua master node. Hình 1.4. Mô hình mạng phân cấp 15 + Với các cơ chế trên mạng sử dụng tài nguyên băng thông hiệu quả hơn vì các thông báo điều khiển chỉ phải truyền trong phạm vi một cluster. Tuy nhiên việc quản lý tính chuyển động của các node trở nên phức tạp hơn. Kiến trúc mạng phân cấp thích hợp cho các mạng có tính chuyển động thấp. * Mạng MANET kết hợp (Aggregate): - Trong kiến trúc mạng này, mạng phân thành các vùng (zone) và các nút được chia vào trong các vùng. Mỗi nút bao gồm hai mức tô-pô: tô-pô mức nút mạng (node level) và tô-pô mức vùng (zone level; high level topology). - Ngoài ra, mỗi nút còn đặc trưng bởi hai ID: node ID và zone ID. Trong một zone có thể áp dụng kiến trúc đẳng cấp hoặc kiến trúc phân cấp. Hình 1.5. Mô hình mạng kết hợp 1.4. Vấn đề định tuyến trong mạng MANET Trên thực tế trước khi một gói tin đến được đích, nó có thể phải được truyền qua nhiều chặng, như vậy cần có một giao thức định tuyến để tìm đường đi từ nguồn tới đích qua hệ thống mạng. Giao thức định tuyến có hai chức năng chính, lựa chọn các tuyến đường cho các cặp nguồn-đích và phân phối các gói tin đến đích chính xác. Truyền thông trong mạng MANET dựa trên các đường đi đa chặng và mọi nút mạng đều thực hiện chức năng của một router, chúng cộng tác với nhau, thực hiện chuyển tiếp các gói tin hộ các nút mạng khác nếu các nút mạng này không thể truyền trực tiếp với nút nhận, do vậy định tuyến là bài toán quan trọng nhất đối với việc nghiên cứu MANET. Cho đến nay, đã có nhiều thuật toán định tuyến được đề xuất, mỗi thuật toán đều có các ưu và nhược điểm riêng. Điều đặc biệt là mức độ của các ưu nhược điểm phụ thuộc rất nhiều vào mức độ di động của các nút mạng. Một số thuật toán là ưu việt hơn các thuật toán khác trong điều kiện các nút mạng di động ở mức độ thấp nhưng lại kém hơn hẳn khi mức độ di động của các nút mạng tăng cao. 16 1.4.1. Các thuật toán định tuyến truyền thống Để tìm đường đi cho các gói tin qua hệ thống các router trong mạng, các giao thức định tuyến truyền thống thường sử dụng giải thuật véc tơ khoảng cách (Distance Vector Routing - DV) hoặc trạng thái liên kết (Link State Routing – LS). Thuật toán Distance Vector còn được gọi là thuật toán Bellman-Ford, được dùng trong mạng ARPANET lúc mới ra đời và được sử dụng trong mạng Internet với tên gọi là RIP (Routing Information Protocol). Thuật toán Link State được sử dụng trong giao thức OSPF (Open Shortest Path First) của Internet [12]. Trong giải thuật Distance Vector, mỗi router quảng bá một cách định kỳ tới các hàng xóm thông tin khoảng cách từ nó tới tất cả các router khác. Các router dựa trên thông tin nhận được này tính toán đường đi tốt nhất tới các router khác. Bằng việc so sánh các khoảng cách từ mỗi hàng xóm tới một đích nào đó, router có thể quyết định hàng xóm nào sẽ là chặng tiếp theo trong đường đi tới đích để đường đi là tối ưu nhất. Bảng định tuyến tại các router do đó lưu trữ các thông tin về các đích trong mạng (các router khác trong mạng), chặng tiếp theo và khoảng cách tới đích. Vấn đề với Distance Vector là khả năng hội tụ chậm, và sự hình thành các vòng lặp định tuyến. Trong giải thuật Link State, mỗi router duy trì một thông tin đầy đủ về cấu hình của toàn bộ mạng. Để làm được điều này, mỗi router quảng bá định kỳ các gói tin LSP (Link State Packet) có chứa thông tin về các hàng xóm và giá tới mỗi hàng xóm. Các thông tin này sẽ được truyền tới tất cả các router trong mạng. Từ thông tin về giá của các liên kết trong toàn bộ mạng, các router có thể tính toán đường đi ngắn nhất tới các đích có thể. Việc sử dụng các giao thức định tuyến truyền thống trong mạng MANET với việc xem mỗi nút như các router dẫn tới một loạt các vấn đề: - Tiêu tốn băng thông mạng và năng lượng nguồn nuôi cho các cập nhật định kỳ. - Các nút bị phá vỡ chế độ tiết kiệm năng lượng do liên tục phải nhận và gửi thông tin. - Mạng có thể bị quá tải với các thông tin cập nhật khi số nút trong mạng tăng, do đó làm giảm tính khả mở của mạng. - Các đường đi dư thừa được tích luỹ một cách không cần thiết. - Hệ thống khó có thể phản hồi đủ nhanh với các thay đổi thường xuyên trong cấu hình mạng. 17 1.4.2. Bài toán định tuyến mạng MANET Có thể thấy, các giao thức định tuyến truyền thống đặt quá nhiều tính toán và truyền thông với các nút di động trong mạng MANET. Thêm vào đó, yêu cầu về tính hội tụ của các giao thức sẽ khó có thể thực hiện trong mạng MANET với tính chất động của môi trường. Mặc dù tốc độ hội tụ có thể cải thiện bằng cách gửi các thông điệp cập nhật thường xuyên hơn nhưng điều này sẽ làm tiêu tốn thêm băng thông và năng lượng nguồn nuôi. Hơn nữa, khi cấu hình mạng ít thay đổi việc gửi thường xuyên các cập nhật sẽ rất lãng phí. Do vậy, các giao thức định tuyến trong mạng MANET cần giảm tổng phí cho việc định tuyến, thích ứng nhanh và tự động với các điều kiện thay đổi của mạng. Giao thức phải đảm bảo thực hiện hiệu quả trong môi trường khi các nút đứng yên và băng thông là không giới hạn và đủ hiệu quả khi băng thông tồn tại giữa các nút thấp và mức độ di chuyển và thay đổi cấu hình cao. Do đó, thiết kế của các giao thức định tuyến trong mạng MANET thường xem xét một số các yếu tố sau đây: - Hoạt động phân tán: Cách tiếp cận tập trung sẽ thất bại do sẽ tốn rất nhiều thời gian để tập hợp một trạng thái hiện tại và phát tán lại nó. Trong thời gian đó, cấu hình có thể đã có các thay đổi khác. - Không có lặp định tuyến: Hiện tượng xảy ra khi một phần nhỏ các gói tin quay vòng trong mạng trong một khoảng thời gian nào đó. Một giải pháp có thể là sử dụng giá trị thời gian quá hạn. - Tính toán đường dựa trên yêu cầu: Thay thế việc duy trì định tuyến tới tất cả các nút tại tất cả các thời điểm bằng việc thích ứng với dạng truyền thông. Mục đích là tận dụng hiệu quả năng lượng và băng thông, mặc dù độ trễ tăng lên do sự phát hiện đường. - Tính toán đường trước: Khi độ trễ có vai trò quan trọng, và băng thông, các tài nguyên năng lượng cho phép, việc tính toán đường trước sẽ giảm độ trễ phân phát. - Bảo mật: Giao thức định tuyến mạng MANET có khả năng bị tấn công dễ dàng ở một số dạng như xâm nhập truyền thông, phát lại, thay đổi các tiêu đề gói tin, điều hướng các thông điệp định tuyến. Do vậy, cần có các phương pháp bảo mật thích hợp để ngăn chặn việc sửa đổi hoạt động của giao thức. - Hoạt động nghỉ: Giao thức định tuyến cần cung cấp khả năng đáp ứng yêu cầu bảo tồn năng lượng của các nút khi có thể. - Hỗ trợ liên kết đơn hướng: hỗ trợ trường hợp khi các liên kết đơn hướng tồn tại trong mạng MANET. 18 1.5. Các kỹ thuật định tuyến mạng MANET Các kỹ thuật định tuyến khác nhau được áp dụng trong các giao thức định tuyến MANET có thể được tổng kết và trình bày như dưới đây. 1.5.1. Định tuyến Link State và Distance Vector Một số các giao thức định tuyến mạng MANET dựa trên các kỹ thuật định tuyến trong mạng có dây Link State và Distance Vector để xây dựng các giải thuật thích ứng với mạng MANET. Vấn đề với định tuyến Link State là tổng phí định tuyến tăng cao khi mạng có nhiều thay đổi. Vấn đề với định tuyến Distance Vector là hội tụ chậm và có khuynh hướng tạo ra các vòng lặp định tuyến. Các giao thức định tuyến MANET tìm cách khắc phục các hạn chế này bằng một số các sửa đổi. Ví dụ về các giao thức là DSDV, OLSR,… 1.5.2. Định tuyến chủ ứng và định tuyến phản ứng - Định tuyến chủ ứng (Proactive): Là phương pháp định tuyến của các giao thức truyền thống. Đường tới tất cả các đích được tính toán trước. Các thông tin định tuyến được cập nhật định kỳ hoặc bất cứ khi nào cấu hình mạng thay đổi. Ưu điểm của phương pháp là độ trễ phát gói tin thấp. Tuy nhiên, một số đường không cần dùng đến và việc truyền các thông điệp định kỳ tiêu tốn băng thông khi mạng thay đổi nhanh. - Định tuyến phản ứng (Reactive): Là phương pháp định tuyến theo yêu cầu. Đường tới đích không được tính toán trước và chỉ được xác định khi cần đến. Quá trình phát hiện liên kết bị hỏng và xây dựng lại đường được gọi là quá trình duy trì đường. Ưu điểm của định tuyến phản ứng là hạn chế được băng thông do chỉ cần đường tới các đích cần thiết và loại bỏ các cập nhật định kỳ. Tuy nhiên, vấn đề với phương pháp là độ trễ lớn trước khi phát do việc phát hiện đường. 1.5.3. Cập nhật định kỳ và cập nhật theo sự kiện - Cập nhật định kỳ thực hiện bằng việc phát các gói tin định tuyến một cách định kỳ. Kỹ thuật này làm đơn giản hóa các giao thức và cho phép các nút học được về cấu hình và trạng thái của toàn bộ mạng. Tuy nhiên, giá trị quãng thời gian cập nhật là một tham số quan trọng. - Cập nhật theo sự kiện diễn ra khi có sự kiện xảy ra trong mạng như liên kết hỏng hoặc liên kết mới xuất hiện. Khi đó, gói tin cập nhật sẽ được quảng bá và trạng thái cập nhật được truyền trong toàn bộ mạng. Nhưng khi mạng thay đổi nhanh, số lượng gói tin cập nhật sẽ lớn và có thể gây ra các dao động về đường.