HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG

KHOA VIỄN THƠNG I
----------

BÀI TẬP
CÁC MẠNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN
Đề bài:
“Mạng ad hoc không dây”

Giảng viên

: Nguyễn Viết Đảm

Sinh viên

: Nguyễn Khắc Anh

Mã sinh viên

: B18DCVT017

Ngày nộp

: 22/05/2022

Hà Nội – 2022


MỤC LỤC
1. Định nghĩa mạng ad hoc không dây ................................................................ 2

2. Trình bày các nguyên lý và các thách thức thiết kế mạng ad hoc không dây.
3
2.1.

Nguyên lý .................................................................................................. 3

2.2.

Các thách thức ......................................................................................... 5

1


1.

Định nghĩa mạng ad hoc không dây
Mạng ad-hoc không dây (Wireless ad-hoc network) là một tập hợp gồm nhiều hơn

một thiết bị/nút mạng với khả năng nối mạng và giao tiếp không dây với nhau mà không
cần sự hỗ trợ của một sự quản trị trung tâm nào. Mỗi nút trong một mạng tùy biến không
dây hoạt động vừa như một máy chủ (host) vừa như một thiết bị định tuyến.

Mạng loại này được gọi là tùy biến (ad-hoc) vì mỗi nút đều sẵn sàng chuyển tiếp dữ
liệu cho các nút khác, và do đó việc quyết định xem nút nào sẽ thực hiện việc chuyển
tiếp dữ liệu được dựa trên tình trạng kết nối của mạng.
Cấu hình tối thiểu và khả năng triển khai nhanh chóng làm cho mạng tùy biến khơng
dây thích hợp cho các tình huống khẩn cấp như các thảm họa, xung đột quân sự, cấp cứu y
tế, v.v..
Tơ pơ của mạng ad-hoc khơng dây nói chung là động, do tình trạng kết nối giữa
các nút mạng có thể thay đổi theo thời gian tùy theo chuyển động của nút, sự xuất hiện của

nút mới và việc nút cũ rời khỏi mạng. Do đó, các giao thức định tuyến hiệu quả là cần thiết
để cho phép các nút giao tiếp với nhau. Các thiết bị hoặc nút mạng tùy biến phải có khả
năng phát hiện sự có mặt của các thiết bị khác để có thể giao tiếp và chia sẻ thông tin.
Một số đặc điểm mạng ad-hoc không dây:

2


 Mỗi máy chủ vừa đóng vai trị là một hệ thống cuối cùng vừa hoạt động như
một hệ thống trung gian.
 Topo mạng thay đổi theo thời gian.
 Không cần cơ sở hạ tầng từ trước như router trong mạng có dây.
 Mọi nút mạng đều có khả năng di động.
 Các nút di dộng sử dụng nguồn năng lượng pin có hạn. Đặc điểm chung của
các thiết bị sử dụng trong Ad hoc là sử dụng nguồn năng lượng do pin cung
cấp. Đây là nguồn năng lượng có hạn, hơn nữa mọi hoạt động như thu phát vô
tuyến, truyền lại và dẫn đường đều tiêu thụ năng lượng. Điểm này được coi là
một nhược điểm của mạng Ad hoc.
 Mạng Ad hoc có thêm một nhược điểm là vùng phủ sóng bị giới hạn, mọi
người sử dụng phải nằm trong vùng có thể “nghe” được lẫn nhau.
Chất lượng kênh ln thay đổi.
 Tính bảo mật khơng cao do truyền thơng trong khơng gian sử dụng sóng vơ
tuyến (radio) nên khó kiểm sốt và dễ bị tấn cơng hơn so với mạng có dây.
 Khơng có thực thể tập trung hay nói cách khác là mạng phân bố, nó đáp ứng
nhu cầu cầu truyền tin mang tính tạm thời nhằm mục đích truyền tin trong thời
gian ngắn.

2.

Trình bày các nguyên lý và các thách thức thiết kế mạng ad hoc không


dây.
2.1.

Nguyên lý
Nguyên lý thiết kế của Ad-hoc không dây chủ yếu dựa vào việc mạng này khơng có

hạ tầng, khơng có trạm gốc và triển khai nhanh chóng, topo mạng thay đổi liên tục với
nhiều chặng. Mạng ad hoc tự hình thành và thích nghi với thay đổi.
Mạng Ad hoc được kế thừa một số các vấn đề cố hữu truyền thống của các mạng
truyền thông không dây như môi trường truyền dẫn mở, kênh vô tuyến không đáng tin cậy
và không được bảo vệ.
 Các giao thức MAC

3


Các giao thức điều khiển truy nhập môi trường (MAC) đóng một vai trị quan trọng
trong việc xác định mỗi nút có thể chia sẻ nguồn tài nguyên hữu hạn này như thế nào một
cách hiệu quả. Mục đích thiết kế của các giao thức MAC bao gồm:
-

Hoạt động của giao thức nên được phân tán

-

Giao thức nên hỗ trợ QoS cho các lưu lượng thời gian thực

-


Giữ cho trễ truy nhập trung bình với mọi gói tin là thấp

-

Băng thông phải được sử dụng hiệu quả

-

Đảm bảo phân bổ cơng bằng băng thơng cho các nút

-

Giữ chi phí điều khiển ở mức thấp nhất có thể

-

Tối thiểu ảnh hưởng của các vấn đề đầu cuối ẩn và hiện

-

Có khả năng mở rộng với các mạng lớn

-

Nên có cơ chế điều khiển cơng suất

-

Nên có các kỹ thuật điều khiển tốc độ dữ liệu thích ứng


-

Nên sử dụng anten định hướng

-

Nên cung cấp sự đồng bộ giữa các nút

 Định tuyến
Mục đích chính của các giao thức định tuyến unicast là thiết lập và duy trì tuyến chính
xác và hiệu quả giữa hai nút để các bản tin có thể được chuyển phát tin cậy và kịp thời.
Một trong những phương pháp phổ biến nhất để phân biệt các giao thức định tuyến unicast
trong các mạng Ad hoc là dựa trên việc các thông tin định tuyến được thu thập và duy trì
như thế nào bởi các nút di động. Sử dụng phương pháp này, các giao thức thường được
chia thành ba nhóm chính: định tuyến chủ động, định tuyến phản ứng và các giao thức lai.
-

Định tuyến multicast: là một dịch vụ truyền thông hiệu quả cho việc hỗ trợ các
ứng dụng đa điểm

-

Định tuyến nhận thức vị trí: sử dụng vị trí các nút được cung cấp bởi hệ thống
định vị toàn cầu GPS hay các cơ chế khác, khơng u cầu việc thiết lập và duy
trì tuyến và khơng thơng tin định tuyến nào được lưu lại

Tính đa chặng, tính di động và việc kích thước mạng lớn kết hợp với sự không
đồng nhất về mặt thiết bị, băng thông và năng lượng pin khiến cho việc thiết kế một
giao thức định tuyến đầy đủ cho mạng ad hoc là một thử thách không hề nhỏ.


4


Việc thiết kế đảm bảo các yếu tố an ninh:
-

Tính bảo mật (Confidentiality): đảm bảo rằng thông tin không bị tiết lộ cho
các đối tượng không được phép biết về thơng tin

-

Tính tồn vẹn (Integrity): Mục đích nhằm đảm bảo rằng thông tin được
truyền thông không bị làm sai lệch trên đường truyền.

-

Nhận thực (Authentication): Cho phép một nút có thể chắc chắn về danh
tính của nút đối tác mà nó đang trao đổi thơng tin. Nếu khơng có nhận thực,
kẻ tấn cơng có thể giả mạo một nút, do đó có thể truy cập một cách trái
phép các tài ngun

-

Chống từ chối (non-repudiation): Đảm bảo rằng phía gửi thơng tin khơng
thể phủ nhận đã gửi thơng tin đó

-

Chống phát lại (non-replay)


Nguyên tắc thiết kế liên lớp:
Bản chất động của các mạng không dây như Ad hoc khiến cho kiến trúc phân lớp tỏ
ra không linh hoạt trong môi trường này vì mỗi lớp khơng có thơng tin đầy đủ về mạng.
Nó khơng cho phép chia sẻ thơng tin giữa các lớp một cách tự động. Điều này thúc đẩy các
thiết kế liên lớp trong Ad hoc.
Sự hiện diện của các liên kết không dây thúc đẩy các nhà thiết kế vi phạm các nguyên
tắc của kiến trúc phân lớp vì các vấn đề đặc biệt của các mạng khơng dây. Tiếp đó, một
mơi trường khơng dây cần một số yêu cầu cho truyền thông mà cơ sở vật chất của chúng
không được hỗ trợ bởi kiến trúc phân lớp. Cụ thể, việc tiếp nhận gói tin được thực hiện bởi
lớp vật lý tại cùng một thời điểm.
2.2.

Các thách thức
Mặc dù mạng ad hoc di động cung cấp lợi thế đáng kể so với mạng hữu tuyến, có một

số thách thức cần được xác định đúng để có được đầy đủ các lợi ích. Các nút trong một
mạng ad hoc di động bị ràng buộc như sau:
+ Năng lượng pin và tuổi thọ pin bị hạn chế
+ Băng thông truyền thông và dung lượng bị hạn chế
+ An ninh thông tin
+ Kích thước của thiết bị di động

5


+ Tiêu đề truyền thông tin
+ Cấu trúc liên kết thay đổi nhiều
Thiết bị thông tin di động bị hạn chế về lượng điện năng có sẵn. Do di động thường
xuyên, họ không thể được kết nối với một nguồn điện cố định. Các thiết bị này được cấp
điện bằng pin nhỏ, các pin này chỉ có thể cung cấp một số lượng hạn chế năng lượng. Kết

quả là, các thiết bị di động cần phải giảm thiểu việc sử dụng năng lượng để tăng tuổi thọ
của chúng
Do dung lượng bị giới hạn của môi trường truyền thông, mạng vô tuyến gặp phải các
vấn đề về băng thông. Điều này hạn chế số lượng thông tin được truyền đo trong một
khoảng thời gian thời gian cụ thể. kỹ thuật truyền dẫn hiệu quả và sáng tạo cần phải được
phát minh ra để sử dụng băng thông hiệu quả và làm tăng dung lượng.
Do kém an tồn của mơi trường truyền thông không dây, các mạng ad hoc không dây
dễ bị đe dọa an ninh hơn so với các mạng hữu tuyến . Để đạt được mức độ an ninh thông
tin mong muốn yêu cầu xử lý tiêu đề bổ sung, đó sẽ là một vấn đề lớn cho các nút di động
do năng lực xử lý hạn chế của chúng. Nó cũng địi hỏi thêm băng thơng để truyền dẫn được
bảo đảm
Do năng lực hạn chế của môi trường không dây, việc giảm thiểu tiêu đề thông tin cho
việc chuyển giao thông tin trong các mạng ad hoc không dây đã trở thành một trong những
thách thức lớn nhất và vượt trội nhất
Một trong những thách thức lớn nhất cho việc thiết kế giao thức định tuyến cho các
mạng ad hoc di động là xử lý các cấu trúc liên kết thường xuyên thay đổi của các mạng
này. Đối với một nút nguồn để gửi thông tin đến một nút đích, nguồn phải có khả năng tìm
vị trí của nút đích cũng như các nút trung gian khác.
 Những thách thức và vấn đề thiết kế TCP trong các mạng Ad hoc
Hoạt động của TCP bị suy giảm trong các mạng ad hoc. Đó là vì TCP phải đối mặt
với những thách thức mới do mạng ad hoc như: mất kênh, các trạm ẩn và hiện, sự bất đối
xứng đường dẫn, các phần riêng của mạng, các lỗi tuyến và các ràng buộc năng lượng.
-

Mất kênh: gồm các nguyên nhân chính:
+ Suy hao tín hiệu: Đó là duy giảm cường độ năng lượng điện từ ở phía thu
(chẳng hạn do khoảng cách), dẫn tới tín hiệu trên tạp âm (SNR) thấp.

6



+ Dịch Doppler: Đó là do các vận tốc liên quan của máy phát và máy thu.
Dịch Doppler gây ra dịch tần số tín hiệu, do đó làm phức tạp phần thu của
tín hiệu.
+ Pha đinh đa đường: Các sóng điện từ phản xạ trên bề mặt các vật thể hoặc
nhiễu xạ xung quanh các vật thể có thể gây ra truyền tín hiệu trên nhiều
đường dẫn từ máy phát tới máy thu.

- Các trạm ẩn và hiện: vấn đề trạm ẩn có thể vẫn cịn trong các mạng ad hoc
ngay cả khi sử dụng bắt tay RTS-CTS. Đó là do thực tế năng lượng cần
cho gián đoạn nhận gói thấp hơn nhiều so với truyền một gói thành cơng.
Vấn đề trạm hiện gây ra từ một tình huống mà một truyền dẫn phải bị trì
hỗn bởi vì truyền dẫn giữa hai trạm khác trong phạm vi truyền của bên
phát.
-

Bất đối xứng đường dẫn: Bất đối xứng đường dẫn trong mạng ad hoc có

thể xuất hiện trong nhiều dạng như băng thông bất đối xứng, bất đối xứng
tỷ lệ suy hao, và bất đối xứng định tuyến:
+ Băng thông bất đối xứng: mạng truyền hình vệ tinh bị bất đối xứng lớn
về băng thông, kết quả từ nhiều kỹ thuật cân bằng khác nhau cũng như
thực tế đối với các sứ mệnh khoa học không gian, hầu hết các dữ liệu bắt
nguồn từ vệ tinh truyền về trái đất.
+ Bất đối xứng tốc độ tổn thất: Đây là loại bất đối xứng xảy ra khi đường
dẫn ngược lại lại tổn thất đáng kể hơn đường dẫn chuyển tiếp. Trong các
mạng ad hoc, bất đối xứng này là do thực tế là tổn thất gói phụ thuộc vào
các ràng buộc cục bộ có thể thay đổi từ nơi này đến nơi khác
+ Bất đối xứng tuyến: Bất đối xứng này có thể do giao thức định tuyến tạo
ra. Bất đối xứng định tuyến làm tăng chi phí quản lý định uyến và tổn thất

gói trong trường hợp tính di động cao, bởi vì khi các nút di chuyển, sử
dụng định tuyến riêng biệt chuyển tiếp và ngược lại (backward) làm tăng
xác suất lỗi tuyến trên các kết nối TCP.
-

Phân vùng mạng

-

Các sự cố định tuyến: Nguyên nhân chính của sự cố tuyến là sự di động

của nút. Một yếu tố khác có thể dẫn đến các sự cố tuyến là những sự cố
7


liên kết do kết nối trên kênh vơ tuyến, đó là nguyên nhân chính của suy
giảm hiệu suất TCP trong MANETs
 Thách thức khi triển khai QoS cho mạng ad hoc khơng dây
-

Tự động thay đổi cấu trúc mạng: Vì các nút trong một mạng ad hoc quảng
bá vô tuyến khơng có bất kỳ hạn chế nào về việc di động của các nút mạng.
Vì thế phiên QoS có thể bị ảnh hưởng xấu do đường truyền bị phá vỡ, do đó
cần phải có nhiều phiên như vậy được tái lập trên con đường mới.

-

Thơng tin trạng thái khơng chính xác: do sự thay đổi năng động trong cấu
trúc liên kết mạng lưới và đặc tính kênh. Do đó, quyết định định tuyến có thể
khơng chính xác, dẫn đến một số các gói dữ liệu thời gian thực lỡ thời hạn

của chúng

-

Thiếu sự phối hợp trung tâm

-

Dễ bị lỗi kênh vô tuyến chia sẻ

-

Vấn đề thiết bị đầu cuối ẩn

-

Hạn chế nguồn tại ngun hiện có

-

ơi trường kém bảo mật

 Các thách thức an ninh đặc trưng của mạng Ad hoc
Việc sử dụng kết nối vô tuyến trong không gian tự do làm cho mạng ad hoc dễ bị tấn
công vào đường truyền thông tin, bao gồm từ việc nghe trộm thụ động đến việc mạo danh,
phát lại bản tin hoặc sửa đổi bản tin được truyền dẫn từ nút này sang nút kia
Vì mạng ad hoc khơng có một cơ sở hạ tầng cố định và đáng tin cậy, nên nhằm tăng
cao khả năng sống sót của mạng, mạng ad hoc cần áp dụng các kiến trúc mạng có tính phân
tán, khơng nên có các nút trung tâm, vì việc có nút trung tâm trong mạng ad hoc sẽ tạo ra
một điểm yếu đáng kể cho mạng, vì nếu nút này bị chiếm quyền một cách trái phép thì toàn

bộ mạng sẽ bị đánh sập.
Một vấn đề khác của mạng ad hoc là sự thay đổi thường xuyên về topo mạng và số
lượng thành viên (tức là các nút thường xuyên tham gia vào và rời khỏi mạng)
Ngoài ra, việc phân biệt giữa các lỗi gây ra do hành động tấn công ác ý với các lỗi
mạng tự nhiên là rất khó.

8


Các thiết bị di động vô tuyến thường gặp vấn đề về tài nguyên hạn chế, nhất là về
năng lượng (pin) và năng lực xử lý. Vì vấn đề này, các kiến trúc an ninh cho mạng ad hoc
cần phải được thiết kế sao cho u cầu về tính tốn và trao đổi thơng tin cho mục đích an
ninh là ít nhất.
Vì những lý do trên, thơng thường việc thiết kế một giao thức truyền dẫn dữ liệu an
toàn trong mạng ad hoc thường dựa trên các liên kết an ninh end-to-end, vì nó giảm thiểu
được các hành động liên quan tới việc duy trì tuyến, loại bỏ được việc phải quan sát liên
tục trong thời gian dài các nút nguy hại, cũng như tránh được việc một nút cố tình báo sai
về hành vi của nút khác, và giảm thiểu được phí tổn cũng như trễ gây ra do việc bản tin
được truyền qua một đường truyền lỗi.

9