Xem mẫu
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
BÀI GIẢNG
MẠNG AD HOC KHÔNG DÂY
IT
TEL 1430
PT
KHOA VIỄN THÔNG 1
TS. NGUYỄN VIỆT HÙNG (CHỦ BIÊN)
ThS. NGUYỄN THỊ THU HẰNG
ThS. LÊ TÙNG HOA
TS. NGUYỄN VIỆT HƯNG
TS. NGUYỄN QUÝ SỸ
TS. VŨ TRƯỜNG THÀNH
Hà Nội - 2014
Lời Mở Đầu
LỜI MỞ ĐẦU
Các thiết bị cầm tay không dây đã và đang trở nên phổ biến và đóng một vài trò lớn
trong các hoạt động của xã hội loài người, cũng như đóng góp to lớn vào việc thay đổi cách
mà loài người sống và làm việc. Các mạng thông tin vô tuyến truyền thống thường đòi hỏi
phải được phục vụ bởi một cơ sở hạ tầng mạng nào đó, ví dụ trong công nghệ 2G-GSM, 3GWCDMA, 4G-LTE ứng dụng cho mạng diện rộng WAN, trong công nghệ WiMAX ứng dụng
cho mạng đô thị MAN, trong công nghệ WiFi ứng dụng trong mạng cục bộ LAN. Mặc dù xét
kỹ thì đã có những cấu hình kỹ thuật cho phép các thiết bị trong các công nghệ nói trên kết
nối với nhau theo mô hình sơ khai của mạng Ad hoc. Khái niệm vê mô hình mạng Ad hoc lý
tưởng theo nghĩa chặt là mạng không cần tới sự hỗ trợ của bất cứ hạ tầng cố định nào.
PT
IT
Ngày nay cùng với việc thông minh hóa các thiết bị đầu cuối nói chung và các thiết bị
di động cầm tay nói riêng, các thiết bị trong mạng cũng có khả năng thích ứng tự cấu hình.
Những điều này đã tạo nên sự trưởng thành của mạng Ad hoc, nơi mà người sử dụng có thể
mong đợi các thiết bị cầm tay của họ có khả năng tự kết nối để tạo ra một mạng diện rộng,
đảm bảo nhu cầu thông tin liên lạc của những người tham gia. Do vậy cuốn bài giảng “Mạng
Ad hoc Không Dây” này ra đời với hi vọng cung cấp cho sinh viên những kiến thức liên quan
đến một xu hướng lớn và tất yếu này của mạng thông tin vô tuyến. Cuốn bài giảng này được
chia làm 8 chương trình bày về những khái niệm và đặc điểm cơ bản của mạng Ad hoc cũng
như những khía cạnh quan trọng trong việc thiết kế và sử dụng mạng Ad hoc. Các chương
trong cuốn bài giảng bao gồm:
Chương 1: Tổng Quang Mạng Ad hoc Không Dây
Chương 2: Lớp Điều Khiển Truy Nhập Môi Trường
Chương 3: Định Tuyến trong Mạng Ad hoc
Chương 4: Lớp Truyền Tải trong các Mang Ad hoc
Chương 5: Quản Lý Năng Lượng trong Mạng Ad hoc
Chương 6: Các Vấn Đề QoS trong Mạng Ad hoc
Chương 7: An Ninh trong mạng Ad hoc
Chương 8: Ứng Dụng và Hướng Phát Triển của Mạng Ad hoc
Đây là phiên bản đẩu tiên của cuốn bài giảng và tất nhiên không tránh được những sai sót. Rất
mong nhận được ý kiến đóng góp của các đồng nghiệp và các bạn sinh viên.
NHÓM BIÊN SOẠN
i
Mục Lục
MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................................. i
MỤC LỤC .................................................................................................................................. ii
TỪ VIẾT TẮT ........................................................................................................................... ix
CHƯƠNG 1:
1.1.
TỔNG QUAN MẠNG AD HOC KHÔNG DÂY ............................................ 1
Định nghĩa và khái niệm về mạng Ad hoc................................................................... 1
1.1.1.
Mạng Ad hoc là gì ................................................................................................ 1
1.1.2.
Sự khác nhau giữa mạng di động và mạng Ad hoc .............................................. 2
1.2.
Một số công nghệ không dây cho Ad hoc.................................................................... 2
Công nghệ Bluetooth ............................................................................................ 3
1.2.2.
Công nghệ IrDA ................................................................................................... 4
1.2.3.
Công nghệ SWAP HomeRF ................................................................................. 5
1.2.4.
Họ công nghệ IEEE 802.11-WiFi ........................................................................ 7
1.2.5.
Họ công nghệ IEEE 802.16-WiMAX .................................................................. 9
1.3.
PT
1.2.6.
IT
1.2.1.
Công nghệ 4G-LTE .............................................................................................. 9
Các đặc tính kỹ thuật của mạng Ad hoc .................................................................... 19
1.3.1.
1.3.2.
1.3.3.
Các giao thức MAC ............................................................................................ 19
Định tuyến .......................................................................................................... 21
Điều khiển truyền tải .......................................................................................... 25
1.3.4.
Chất lượng dịch vụ ............................................................................................. 26
1.3.5.
Quản lý năng lượng ............................................................................................ 27
1.3.6.
Các vấn đề về thiết kế liên lớp ........................................................................... 29
1.3.7.
Các thử thách an ninh trong mạng Ad hoc không dây ....................................... 30
1.4.
Tổng kết chương 1 ..................................................................................................... 31
1.5.
Câu hỏi ôn tập chương 1 ............................................................................................ 31
1.6.
Tài liệu tham khảo chương 1 ..................................................................................... 31
CHƯƠNG 2:
LỚP ĐIỂU KHIỂN TRUY NHẬP MÔI TRƯỜNG ...................................... 33
ii
Mục Lục
2.1.
Giới thiệu chung ........................................................................................................ 33
2.2.
Những vấn đề quan trọng và cần thiết cho các giao thức lớp MAC .......................... 34
2.3.
Phân loại giao thức MAC .......................................................................................... 36
2.3.1.
Các giao thức MAC dựa trên sự hài lòng ........................................................... 38
2.3.2.
Các giao thức MAC hài lòng với các cơ chế đặt chỗ ......................................... 38
2.3.3.
Các giao thức MAC sử dụng anten tính hướng .................................................. 44
2.3.4.
Các giao thức MAC đa kênh .............................................................................. 45
2.3.5.
Các giao thức MAC tính đến năng lượng ........................................................... 49
2.4.
Tổng kết chương 2 ..................................................................................................... 53
2.5.
Câu hỏi ôn tập chương 2 ............................................................................................ 54
2.6.
Tài liệu tham khảo chương 2 ..................................................................................... 54
ĐỊNH TUYẾN TRONG CÁC MẠNG AD HOC .......................................... 55
IT
CHƯƠNG 3:
3.1.
Mở đầu ....................................................................................................................... 55
3.2.
Những vấn đề thiết kế các giao thức định tuyến cho mạng Adhoc ........................... 57
Kiến trúc định tuyến ........................................................................................... 57
3.2.2.
Hỗ trợ các liên kết đơn hướng ............................................................................ 57
3.2.3.
3.2.4.
3.2.5.
3.3.
PT
3.2.1.
Sử dụng siêu trạm ............................................................................................... 58
Định tuyến đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) .................................................. 58
Hỗ trợ đa điểm .................................................................................................... 59
Định tuyến chủ động (Proactive) ............................................................................... 60
3.3.1.
Giao thức định tuyến DSDV .............................................................................. 61
3.3.2.
Giao thức định tuyến OLSR ............................................................................... 63
3.3.3.
Giao thức định tuyến FSR .................................................................................. 65
3.4.
Định tuyến theo yêu cầu ............................................................................................ 68
3.4.1.
Giao thức định tuyến AODV .............................................................................. 68
3.4.2.
Giao thức định tuyến DSR.................................................................................. 72
3.4.3.
Giao thức định tuyến TORA .............................................................................. 74
3.4.4.
Một số giao thức định tuyến theo yêu cầu khác ................................................. 76
3.5.
Các giao thức định tuyến khác ................................................................................... 79
iii
Mục Lục
3.5.1.
Giao thức định tuyến lai giữa giao thức định tuyển chủ động và theo yêu cầu.. 79
3.5.2.
Giao thức định tuyến theo vị trí .......................................................................... 80
3.5.3.
Giao thức định tuyến phân cấp ........................................................................... 80
3.6.
Tổng kết chương 3 ..................................................................................................... 80
3.7.
Câu hỏi ôn tập chương 3 ............................................................................................ 80
3.8.
Tài liệu tham khảo chương 3 ..................................................................................... 81
CHƯƠNG 4:
LỚP TRUYỀN TẢI TRONG MẠNG AD HOC ............................................ 83
4.1.
Giới thiệu ................................................................................................................... 83
4.2.
Những thách thức và vấn đề thiết kế TCP trong các mạng Ad hoc ........................... 83
Các thách thức .................................................................................................... 83
4.2.2.
Các ràng buộc năng lượng .................................................................................. 88
4.2.3.
Các mục tiêu thiết kế .......................................................................................... 88
4.3.
IT
4.2.1.
Hiệu năng TCP trên mạng di động Ad Hoc (MANETs) ........................................... 89
4.3.1.
Hiệu năng TCP ................................................................................................... 89
4.3.2.
Các vấn đề khác .................................................................................................. 90
Giao thức truyền tải Ad Hoc ...................................................................................... 91
4.4.1.
4.4.2.
4.4.3.
4.4.4.
PT
4.4.
Phương pháp tiếp cận chia tách .......................................................................... 91
Phương pháp tiếp cận đầu cuối đến đầu cuối ..................................................... 92
Giao thức truyền tải Ad hoc (ATP) .................................................................. 100
Giao thức ATP .................................................................................................. 102
4.5.
Giao thức truyền tải được ứng dụng điều khiển (ACTP)......................................... 108
4.6.
Tổng kết chương 4 ................................................................................................... 109
4.7.
Câu hỏi ôn tập chương 4 .......................................................................................... 110
4.8.
Tài liệu tham khảo chương 4 ................................................................................... 110
CHƯƠNG 5:
5.1.
QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG AD HOC............................. 111
Giới thiệu chung ...................................................................................................... 111
5.1.1.
Tại sao quản lý năng lượng lại cần thiết đối với mạng Adhoc ......................... 111
5.1.2.
Phân loại các chế độ quản lý năng lượng ......................................................... 112
5.1.3.
Tổng quan về công nghệ pin ............................................................................ 113
iv
nguon tai.lieu . vn
BÀI GIẢNG
MẠNG AD HOC KHÔNG DÂY
IT
TEL 1430
PT
KHOA VIỄN THÔNG 1
TS. NGUYỄN VIỆT HÙNG (CHỦ BIÊN)
ThS. NGUYỄN THỊ THU HẰNG
ThS. LÊ TÙNG HOA
TS. NGUYỄN VIỆT HƯNG
TS. NGUYỄN QUÝ SỸ
TS. VŨ TRƯỜNG THÀNH
Hà Nội - 2014
Lời Mở Đầu
LỜI MỞ ĐẦU
Các thiết bị cầm tay không dây đã và đang trở nên phổ biến và đóng một vài trò lớn
trong các hoạt động của xã hội loài người, cũng như đóng góp to lớn vào việc thay đổi cách
mà loài người sống và làm việc. Các mạng thông tin vô tuyến truyền thống thường đòi hỏi
phải được phục vụ bởi một cơ sở hạ tầng mạng nào đó, ví dụ trong công nghệ 2G-GSM, 3GWCDMA, 4G-LTE ứng dụng cho mạng diện rộng WAN, trong công nghệ WiMAX ứng dụng
cho mạng đô thị MAN, trong công nghệ WiFi ứng dụng trong mạng cục bộ LAN. Mặc dù xét
kỹ thì đã có những cấu hình kỹ thuật cho phép các thiết bị trong các công nghệ nói trên kết
nối với nhau theo mô hình sơ khai của mạng Ad hoc. Khái niệm vê mô hình mạng Ad hoc lý
tưởng theo nghĩa chặt là mạng không cần tới sự hỗ trợ của bất cứ hạ tầng cố định nào.
PT
IT
Ngày nay cùng với việc thông minh hóa các thiết bị đầu cuối nói chung và các thiết bị
di động cầm tay nói riêng, các thiết bị trong mạng cũng có khả năng thích ứng tự cấu hình.
Những điều này đã tạo nên sự trưởng thành của mạng Ad hoc, nơi mà người sử dụng có thể
mong đợi các thiết bị cầm tay của họ có khả năng tự kết nối để tạo ra một mạng diện rộng,
đảm bảo nhu cầu thông tin liên lạc của những người tham gia. Do vậy cuốn bài giảng “Mạng
Ad hoc Không Dây” này ra đời với hi vọng cung cấp cho sinh viên những kiến thức liên quan
đến một xu hướng lớn và tất yếu này của mạng thông tin vô tuyến. Cuốn bài giảng này được
chia làm 8 chương trình bày về những khái niệm và đặc điểm cơ bản của mạng Ad hoc cũng
như những khía cạnh quan trọng trong việc thiết kế và sử dụng mạng Ad hoc. Các chương
trong cuốn bài giảng bao gồm:
Chương 1: Tổng Quang Mạng Ad hoc Không Dây
Chương 2: Lớp Điều Khiển Truy Nhập Môi Trường
Chương 3: Định Tuyến trong Mạng Ad hoc
Chương 4: Lớp Truyền Tải trong các Mang Ad hoc
Chương 5: Quản Lý Năng Lượng trong Mạng Ad hoc
Chương 6: Các Vấn Đề QoS trong Mạng Ad hoc
Chương 7: An Ninh trong mạng Ad hoc
Chương 8: Ứng Dụng và Hướng Phát Triển của Mạng Ad hoc
Đây là phiên bản đẩu tiên của cuốn bài giảng và tất nhiên không tránh được những sai sót. Rất
mong nhận được ý kiến đóng góp của các đồng nghiệp và các bạn sinh viên.
NHÓM BIÊN SOẠN
i
Mục Lục
MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................................. i
MỤC LỤC .................................................................................................................................. ii
TỪ VIẾT TẮT ........................................................................................................................... ix
CHƯƠNG 1:
1.1.
TỔNG QUAN MẠNG AD HOC KHÔNG DÂY ............................................ 1
Định nghĩa và khái niệm về mạng Ad hoc................................................................... 1
1.1.1.
Mạng Ad hoc là gì ................................................................................................ 1
1.1.2.
Sự khác nhau giữa mạng di động và mạng Ad hoc .............................................. 2
1.2.
Một số công nghệ không dây cho Ad hoc.................................................................... 2
Công nghệ Bluetooth ............................................................................................ 3
1.2.2.
Công nghệ IrDA ................................................................................................... 4
1.2.3.
Công nghệ SWAP HomeRF ................................................................................. 5
1.2.4.
Họ công nghệ IEEE 802.11-WiFi ........................................................................ 7
1.2.5.
Họ công nghệ IEEE 802.16-WiMAX .................................................................. 9
1.3.
PT
1.2.6.
IT
1.2.1.
Công nghệ 4G-LTE .............................................................................................. 9
Các đặc tính kỹ thuật của mạng Ad hoc .................................................................... 19
1.3.1.
1.3.2.
1.3.3.
Các giao thức MAC ............................................................................................ 19
Định tuyến .......................................................................................................... 21
Điều khiển truyền tải .......................................................................................... 25
1.3.4.
Chất lượng dịch vụ ............................................................................................. 26
1.3.5.
Quản lý năng lượng ............................................................................................ 27
1.3.6.
Các vấn đề về thiết kế liên lớp ........................................................................... 29
1.3.7.
Các thử thách an ninh trong mạng Ad hoc không dây ....................................... 30
1.4.
Tổng kết chương 1 ..................................................................................................... 31
1.5.
Câu hỏi ôn tập chương 1 ............................................................................................ 31
1.6.
Tài liệu tham khảo chương 1 ..................................................................................... 31
CHƯƠNG 2:
LỚP ĐIỂU KHIỂN TRUY NHẬP MÔI TRƯỜNG ...................................... 33
ii
Mục Lục
2.1.
Giới thiệu chung ........................................................................................................ 33
2.2.
Những vấn đề quan trọng và cần thiết cho các giao thức lớp MAC .......................... 34
2.3.
Phân loại giao thức MAC .......................................................................................... 36
2.3.1.
Các giao thức MAC dựa trên sự hài lòng ........................................................... 38
2.3.2.
Các giao thức MAC hài lòng với các cơ chế đặt chỗ ......................................... 38
2.3.3.
Các giao thức MAC sử dụng anten tính hướng .................................................. 44
2.3.4.
Các giao thức MAC đa kênh .............................................................................. 45
2.3.5.
Các giao thức MAC tính đến năng lượng ........................................................... 49
2.4.
Tổng kết chương 2 ..................................................................................................... 53
2.5.
Câu hỏi ôn tập chương 2 ............................................................................................ 54
2.6.
Tài liệu tham khảo chương 2 ..................................................................................... 54
ĐỊNH TUYẾN TRONG CÁC MẠNG AD HOC .......................................... 55
IT
CHƯƠNG 3:
3.1.
Mở đầu ....................................................................................................................... 55
3.2.
Những vấn đề thiết kế các giao thức định tuyến cho mạng Adhoc ........................... 57
Kiến trúc định tuyến ........................................................................................... 57
3.2.2.
Hỗ trợ các liên kết đơn hướng ............................................................................ 57
3.2.3.
3.2.4.
3.2.5.
3.3.
PT
3.2.1.
Sử dụng siêu trạm ............................................................................................... 58
Định tuyến đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) .................................................. 58
Hỗ trợ đa điểm .................................................................................................... 59
Định tuyến chủ động (Proactive) ............................................................................... 60
3.3.1.
Giao thức định tuyến DSDV .............................................................................. 61
3.3.2.
Giao thức định tuyến OLSR ............................................................................... 63
3.3.3.
Giao thức định tuyến FSR .................................................................................. 65
3.4.
Định tuyến theo yêu cầu ............................................................................................ 68
3.4.1.
Giao thức định tuyến AODV .............................................................................. 68
3.4.2.
Giao thức định tuyến DSR.................................................................................. 72
3.4.3.
Giao thức định tuyến TORA .............................................................................. 74
3.4.4.
Một số giao thức định tuyến theo yêu cầu khác ................................................. 76
3.5.
Các giao thức định tuyến khác ................................................................................... 79
iii
Mục Lục
3.5.1.
Giao thức định tuyến lai giữa giao thức định tuyển chủ động và theo yêu cầu.. 79
3.5.2.
Giao thức định tuyến theo vị trí .......................................................................... 80
3.5.3.
Giao thức định tuyến phân cấp ........................................................................... 80
3.6.
Tổng kết chương 3 ..................................................................................................... 80
3.7.
Câu hỏi ôn tập chương 3 ............................................................................................ 80
3.8.
Tài liệu tham khảo chương 3 ..................................................................................... 81
CHƯƠNG 4:
LỚP TRUYỀN TẢI TRONG MẠNG AD HOC ............................................ 83
4.1.
Giới thiệu ................................................................................................................... 83
4.2.
Những thách thức và vấn đề thiết kế TCP trong các mạng Ad hoc ........................... 83
Các thách thức .................................................................................................... 83
4.2.2.
Các ràng buộc năng lượng .................................................................................. 88
4.2.3.
Các mục tiêu thiết kế .......................................................................................... 88
4.3.
IT
4.2.1.
Hiệu năng TCP trên mạng di động Ad Hoc (MANETs) ........................................... 89
4.3.1.
Hiệu năng TCP ................................................................................................... 89
4.3.2.
Các vấn đề khác .................................................................................................. 90
Giao thức truyền tải Ad Hoc ...................................................................................... 91
4.4.1.
4.4.2.
4.4.3.
4.4.4.
PT
4.4.
Phương pháp tiếp cận chia tách .......................................................................... 91
Phương pháp tiếp cận đầu cuối đến đầu cuối ..................................................... 92
Giao thức truyền tải Ad hoc (ATP) .................................................................. 100
Giao thức ATP .................................................................................................. 102
4.5.
Giao thức truyền tải được ứng dụng điều khiển (ACTP)......................................... 108
4.6.
Tổng kết chương 4 ................................................................................................... 109
4.7.
Câu hỏi ôn tập chương 4 .......................................................................................... 110
4.8.
Tài liệu tham khảo chương 4 ................................................................................... 110
CHƯƠNG 5:
5.1.
QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG AD HOC............................. 111
Giới thiệu chung ...................................................................................................... 111
5.1.1.
Tại sao quản lý năng lượng lại cần thiết đối với mạng Adhoc ......................... 111
5.1.2.
Phân loại các chế độ quản lý năng lượng ......................................................... 112
5.1.3.
Tổng quan về công nghệ pin ............................................................................ 113
iv