Đang tải... (xem toàn văn)
đồ án :Nghiên cứu giải thuật di truyền để cải thiện giao thức OSPF trong mạng MPLS
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH ĐIỆN TỬ − VIỄN THÔNG Đề tài: Nghiên cứu giải thuật di truyền để cải thiện giao thức OSPF trong mạng MPLS Sinh viên thực hiện: NGUYỄN HOÀNG ÁNH Lớp D2004 – VT2 Khóa 2004 - 2008 Giảng viên hướng dẫn: Th.S HOÀNG TRỌNG MINH HÀ NỘI, 11 - 2008 HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA VIỄN THÔNG 1 Độc lập – Tự do – Hạnh phúc o0o o0o ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Họ và tên: Nguyễn Hoàng Ánh Lớp: Đ2004-VT2 Khoá: 2004 – 2008 Ngành: Điện tử – Viễn thông TÊN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: Nghiên cứu giải thuật di truyền để cải thiện giao thức OSPF trong mạng MPLS. NỘI DUNG ĐỒ ÁN: Chương 1: Giới thiệu về giải thuật di truyền. Chương 2: Cấu trúc mạng MPLS, yêu cầu QoS cho MPLS và một số thuật toán định tuyến trong mạng MPLS. Chương 3: Ứng dụng giải thuật di truyền để cải thiện giao thức OSPF trong MPLS Ngày giao đồ án: ……/……/ 2008 Ngày nộp đồ án: ……/……/ 2008 Hà Nội, ngày tháng năm 2008 Giảng viên hướng dẫn Hoàng Trọng Minh Đồ án tốt nghiệp đại học NHẬN XÉT CỦA THẦY GIÁO HƯỚNG DẪN Điểm:…… ………. Xác nhận của thầy giáo hướng dẫn Bằng chữ:…………. Hoàng Trọng Minh Nguyễn Hoàng Ánh – Lớp D2004VT2 i Đồ án tốt nghiệp đại học NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Điểm:…… ………. Xác nhận của giáo viên phản biện Bằng chữ:…………. Nguyễn Hoàng Ánh – Lớp D2004VT2 ii Đồ án tốt nghiệp đại học LỜI NÓI ĐẦU Trong một vài năm trở lại đây, mạng viễn thông ở Việt Nam và trên toàn thế giới đã có những bước phát triển mạnh mẽ, cả về quy mô lẫn trình độ. Mạng viễn thông nói chung và mạng MPLS nói riêng không chỉ phát triển về mặt số lượng, diện tích mà đi kèm với đó phải là luôn đảm bảo được chất lượng dịch vụ (QoS) của mạng. Khi mạng viễn thông phát triển rộng hơn, nó đòi hỏi phải có một thuật toán định tuyến phù hợp hơn với sơ đồ và kích thước của mạng. Mạng viễn thông có thể được xem như là một đồ thị có hướng G = (N, A) với N là số các node mạng và A là các liên kết giữa các node đó. Mỗi liên kết có một giá, hay trọng số riêng. Việc gán trọng số liên kết trong mạng MPLS hiện nay do giao thức LDP thực hiện. Thuật toán định tuyến được dùng để định tuyến trong mạng MPLS hiện nay có rất nhiều như OSPF, RIP … OSPF (Open Shortest Path First) là giao thức định tuyến được dùng nhiều nhất trong các giao thức định tuyến nội miền. OSPF là giao thức động và nó nhanh chóng nhận biết được những thay đổi về cấu trúc mạng trong AS và tính toán những tuyến không lặp mới với thời gian hội tụ ngắn. Nhưng chúng ta thấy rằng việc gán trọng số cho mỗi liên kết của giao thức LDP có thể chưa phải là hiệu quả nhất. Mặt khác, khi đã có trọng số liên kết rồi, trong một số thời điểm khi có nhiều yêu cầu từ nhiều cặp nguồn – đích, thì OSPF với cơ chế tìm đường ngắn nhất sẽ có thể gây nên tắc nghẽn nghiêm trọng trong mạng. Do đó, các nhà quản trị mạng đã nghĩ ra một cách khắc phục nhược điểm này, đó là duy trì một bảng định tuyến với nhiều tuyến có thể luân phiên nhau. Giải thuật di truyền (Genetic Algorithm) được giáo sư J. H. Holland và các đồng nghiệp của ông ở trường đại học Michigan giới thiệu năm 1975. Ông cũng là tác giả của nhiều công trình nghiên cứu đến GA cổ điển. Sau J. H. Holland, còn có rất nhiều tác giả nghiên cứu về lý thuyết cũng như những ứng dụng của GA trong các lĩnh vực khác nhau như sinh học, tin học, kỹ thuật lai ghép, xử lý ảnh, v v Trong đồ án tốt nghiệp này, tôi xin trình bày những vấn đề cơ bản nhất của giải thuật di truyền và giới thiệu một vài ứng dụng của giải thuật này để cải thiện giao thức OSPF trong mạng MPLS. Đồ án tốt nghiệp của tôi được chia làm ba chương với những nội dung chính sau: Chương 1: Tổng quan về giải thuật di truyền. Chương này sẽ trình bày những vấn đề cơ bản nhất của giải thuật di truyền cổ điển. Đó là các khái niệm về di truyền, gen, alen, nhiễm sắc thể. Chương này cũng trình bày về những phương pháp mã hóa Nguyễn Hoàng Ánh – Lớp D2004VT2 iii Đồ án tốt nghiệp đại học các lời giải một bài toán sang dạng mà giải thuật di truyền có thể xử lý được. Tiếp đó, tôi trình bày về lý thuyết lược đồ trong giải thuật di truyền, một khái niệm khá quan trọng để tiếp cận và hiểu giải thuật này. Chương một cũng trình bày các quá trình cần có trong giải thuật di truyền như chọn lọc, lai ghép, đột biến … và giới thiệu giải thuật di truyền hoàn chỉnh. Ở phần cuối chương, tôi giới thiệu một vài bài toán tối ưu hàm được giải bằng giải thuật di truyền và bằng công cụ trong phần mềm Matlab. Chương 2: Định tuyến QoS trong mạng MPLS. Trong chương này tôi trình bày ba vấn đề chính như sau: Mạng MPLS: mục này khái quát lại kiến trúc của một mạng MPLS, tầm quan trọng của nó và những ứng dụng cơ bản của mạng MPLS. Chất lượng dịch vụ (QoS): mục này trình bày về khái niệm QoS và kiến trúc QoS trong mạng MPLS. Các thuật toán và giao thức định tuyến trong mạng MPLS: mục này trình bày về các thuật toán định tuyến được sử dụng nhiều trong mạng MPLS, kèm theo đó là một số vấn đề của việc định tuyến QoS trong MPLS. Chương 3: Tối ưu OSPF bằng giải thuật di truyền. Trong chương này, tôi đã trình bày một số ứng dụng của giải thuật di truyền vào giao thức OSPF. Đó là: Thiết lập trọng số cho các liên kết giữa các node trong mạng MPLS sử dụng giao thức định tuyến OSPF: Đây là một phương pháp thiết lập trọng số mới vì như chúng ta đã biết, việc thiết lập này hiện nay ở mạng MPLS Việt Nam do giao thức LDP thực hiện. Định tuyến tìm đường ngắn nhất trong OSPF: Thay vì sử dụng thuật toán Dijkstra để tìm đường ngắn nhất, ở đây tôi đã trình bày phương pháp áp dụng giải thuật di truyền để tìm một tuyến ngắn nhất trong một đồ thị có hướng và có trọng số. Thiết lập tuyến luân phiên trong OSPF: trong bảng định tuyến của một node, thay vì chỉ có một tuyến đến một đích thì giải thuật di truyền sẽ đưa ra phương pháp tạo nhiều tuyến luân phiên khác, giúp tăng hiệu quả của OSPF và nâng cao hiệu suất sử dụng mạng. Do còn hạn chế trong kiến thức chuyên ngành và cách thức trình bày, đồ án tốt nghiệp không thể tránh khỏi những sai sót không mong muốn. Tác giả đồ án rất mong nhận được những phê bình nhận xét, cũng như những ý kiến đóng góp từ phía thầy cô và bạn đọc. Hà Nội, tháng 11 năm 2008 Sinh viên: Nguyễn Hoàng Ánh Nguyễn Hoàng Ánh – Lớp D2004VT2 iv Đồ án tốt nghiệp đại học LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian làm đồ án tốt nghiệp, tôi luôn nhận được những chỉ bảo tận tình từ các thầy cô trong khoa viễn thông 1, và đặc biệt từ thầy giáo Hoàng Trọng Minh – người trực tiếp hướng dẫn tôi thực hiện đồ án tốt nghiệp này. Bên cạnh đó, tôi cũng luôn nhận được những quan tâm, động viên từ gia đình và bạn bè của tôi. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến thầy giáo Hoàng Trọng Minh – người đã hướng dẫn tôi rất tận tình từ lúc nhận đồ án đến bây giờ. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy giáo cô giáo trong khoa viễn thông 1, và đặc biệt là bộ môn Chuyển mạch. Tôi xin gửi lời biết ơn đến ba mẹ và gia đình của tôi. Họ luôn là những người giúp tôi tự tin và vượt qua được những khó khăn trong suốt hơn 4 năm trên ghế giảng đường. Nguyễn Hoàng Ánh Nguyễn Hoàng Ánh – Lớp D2004VT2 v Đồ án tốt nghiệp đại học NỘI DUNG ĐỒ ÁN NHẬN XÉT CỦA THẦY GIÁO HƯỚNG DẪN i NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ii LỜI NÓI ĐẦU iii LỜI CẢM ƠN v NỘI DUNG ĐỒ ÁN vi THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ix DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU x CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIẢI THUẬT DI TRUYỀN 1 1.1 Giới thiệu chung 1 1.2 Một số định nghĩa và thuật ngữ 2 1.2.1 Cá thể 2 1.2.2 Gen 3 1.2.3 Độ thích nghi 3 1.2.4 Quần thể 3 1.3 Cấu trúc của giải thuật di truyền 5 1.3.1 Mã hóa trong giải thuật di truyền 5 1.3.2 Cấu trúc lời giải và cấu trúc thuật toán 7 1.3.3 Phép chọn lọc 9 1.3.4 Phép lai ghép 11 1.3.5 Phép đột biến 12 1.3.6 Giải thuật di truyền so với các giải thuật truyền thống 13 1.4 Khái niệm lược đồ 15 1.5 Các đặc trưng của lược đồ 19 1.5.1 Bậc của lược đồ 19 1.5.2 Độ dài xác định của lược đồ 19 1.6 Mối quan hệ giữa lược đồ và quá trình tiến hóa trong GA 20 1.6.1 Phép chọn lọc 20 1.6.2 Phép lai ghép 21 Nguyễn Hoàng Ánh – Lớp D2004VT2 vi Đồ án tốt nghiệp đại học 1.6.3 Phép đột biến 22 1.7 Một số bài toán được giải giải thuật di truyền 24 1.7.1 Một ví dụ đơn giản 24 1.7.2 Hàm dao động trong mặt phẳng 25 1.7.3 Hàm không gian hai biến 27 1.8 Những ưu điểm và hạn chế của giải thuật di truyền 30 1.8.1 Những ưu điểm của giải thuật di truyền 30 1.8.2 Những hạn chế của giải thuật di truyền 31 1.9 Kết luận chương 32 CHƯƠNG 2: ĐỊNH TUYẾN QOS TRONG MẠNG MPLS 33 2.1 Tổng quan kiến trúc mạng MPLS 33 2.1.1 Giới thiệu chung 33 2.1.2 Tầm quan trọng của MPLS 36 2.1.3 Cách thức hoạt động của MPLS 37 2.1.4 Ứng dụng của MPLS 39 2.2 Chất lượng dịch vụ (QoS) 40 2.2.1 Khái niệm về QoS 40 2.2.2 Động lực phát triển của QoS 42 2.2.3 Kiến trúc QoS dựa trên MPLS 43 2.3 Một số vấn đề về định tuyến QoS trong mạng MPLS 47 2.3.1 Giới thiệu 47 2.3.2 Chú thích và số đo 47 2.3.3 Các lớp thuật toán định tuyến 48 2.3.4 Các vấn đề định tuyến QoS 50 2.4 Một số giao thức và thuật toán định tuyến QoS trong MPLS 53 2.4.1 Giao thức định tuyến OSPF và thuật toán Link − State 53 2.4.2 Giao thức định tuyến RIP và thuật toán Distance Vector 55 2.4.3 Thuật toán bước nhảy tối thiểu (Min-Hop Algorithm) 57 2.4.4 Thuật toán tìm đường rộng nhất và ngắn nhất 57 2.4.5 Thuật toán định tuyến nhiễu tối thiểu (MIRA) 57 2.5 Kết luận chương 59 CHƯƠNG 3: TỐI ƯU OSPF BẰNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN 60 3.1 Ứng dụng G.A để thiết lập trọng số trong định tuyến OSPF 60 Nguyễn Hoàng Ánh – Lớp D2004VT2 vii Đồ án tốt nghiệp đại học 3.1.1 Giới thiệu 60 3.1.2 Công thức toán học 63 3.1.3 GA cho bài toán OSPFWS 64 3.1.4 Nhận xét giải thuật 67 3.2 Ứng dụng giải thuật di truyền để tìm tuyến ngắn nhất trong OSPF 68 3.2.1 Mô tả thuật toán 68 3.2.2 Phương pháp mã hóa dựa trên node kề trước 69 3.3 Giải thuật di truyền thích ứng thiết lập tuyến luân phiên trong OSPF 71 3.3.1 Giới thiệu 71 3.3.2 Tổng quan về GARA 72 3.3.3 Hoạt động di truyền tạo đường (PGO) 73 3.3.4 Duy trì bảng định tuyến 76 3.3.5 Tính toán độ thích nghi 76 3.3.6 Thực thi lưu lượng 77 3.3.7 Ví dụ minh họa 79 3.4 Kết luận chương 84 KẾT LUẬN ĐỒ ÁN 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO 86 Nguyễn Hoàng Ánh – Lớp D2004VT2 viii [...]... Nhiễm sắc thể 4 00001010 Hình 1.4: Quần thể trong giải thuật di truyền Sau cùng, ta có thể có một cái nhìn so sánh giữa giải thuật di truyền và tiến hóa tự nhiên Bảng dưới đây chỉ ra một số điểm tương ứng giữa tiến hóa tự nhiên với giải thuật di truyền Bảng 1.1: So sánh giữa tiến hóa tự nhiên và giải thuật di truyền Tiến hóa tự nhiên Giải thuật di truyền Kiểu di truyền Chuỗi bit được mã hóa Kiểu hình Điểm... thế bởi một chuỗi bit được chọn ngẫu nhiên khác 1.3.6 Giải thuật di truyền so với các giải thuật truyền thống a Giải thuật di truyền Với những phần thuật toán cho từng quá trình như đã trình bày ở trên, ta có thể viết lại giải thuật di truyền đầy đủ để giải quyết những bài toán tối ưu trong không gian tìm kiếm S = {0, 1}n như sau t := 0; Tính toán quần thể ban đầu B0 = (b1,0, b2,0, …, bm,0); WHILE... END b So sánh giải thuật di truyền với các giải thuật truyền thống So sánh giữa giải thuật di truyền với các phương pháp tối ưu hóa liên tục truyền thống, ta có thể liệt kê ra một số điểm khác biệt lớn sau đây: Nguyễn Hoàng Ánh – Lớp D2004VT2 14 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về giải thuật di truyền 1 GA hoạt động và xử lý với những phần đã được mã hóa từ các thông số của bài toán mà không... chuỗi bit Alen Giá trị tại một vị trí xác định Độ thích nghi Giá trị hàm mục tiêu Nguyễn Hoàng Ánh – Lớp D2004VT2 4 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về giải thuật di truyền 1.3 Cấu trúc của giải thuật di truyền 1.3.1 Mã hóa trong giải thuật di truyền Ta sẽ giới hạn cách nhìn về giải thuật di truyền dưới góc độ là một phương pháp tối ưu hóa Nhìn chung, một vấn đề tối ưu hóa được cho dưới... hóa” lời giải của bài toán Nói cách khác, mã hóa là quá trình biến đổi lời giải của bài toán thành một dạng khác để được xử lý trong giải thuật di truyền Việc mã hóa có thể sử dụng bit, số, cây, mảng, hay một danh sách của những đối tượng khác Việc mã hóa phụ thuộc trực tiếp từ việc giải bài toán Dưới đây là các cách mã hóa được dùng trong giải thuật di truyền Nguyễn Hoàng Ánh – Lớp D2004VT2 5 Đồ án tốt... tưởng của giải thuật di truyền là làm theo tự nhiên Giải thuật di truyền và sự tiến hóa tự nhiên có cùng một nguyên lý Trong sự tiến hóa tự nhiên, mỗi loài sinh vật đều phải tìm cách thích nghi tốt nhất với một môi trường sống phức tạp luôn luôn Nguyễn Hoàng Ánh – Lớp D2004VT2 1 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về giải thuật di truyền thay đổi Sự thích nghi đó được đúc kết và ghi lại trong. .. Algorithm Giải thuật di truyền Genetic Adaptive Routing Algorithm Thuật toán định tuyến di truyền thích ứng Internet Engineering Task Force Tổ chức nghiên cứu kỹ thuật Internet Minimum Hop Algorithm Thuật toán số hop tối thiểu Minimum – Interference Routing Thuật toán định tuyến nhiễu tối thiểu Algorithm MPLS Management Entity Thực thể quản lý MPLS Multiple Protocols Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao. .. Nguyễn Hoàng Ánh – Lớp D2004VT2 19 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về giải thuật di truyền Trong trường hợp lược đồ có đúng một vị trí xác định thì độ dài xác định bằng không Độ dài xác định của lược đồ liên quan đến xác suất tồn tại của một lược đồ sau khi trao đổi chéo 1.6 Mối quan hệ giữa lược đồ và quá trình tiến hóa trong GA Như đã trình bày, quá trình tiến hóa của giải thuật di truyền. .. sánh giữa tiến hóa tự nhiên và giải thuật di truyền 4 Bảng 1.2: Tính toán quần thể đầu tiên 24 Bảng 1.3: Tính toán thế hệ thứ hai .25 Bảng 3.1: Một bảng định tuyến minh họa 76 Bảng 3.2: Bảng định tuyến ở node 0 được tạo trong mô phỏng 84 Nguyễn Hoàng Ánh – Lớp D2004VT2 xi Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về giải thuật di truyền CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIẢI... hoán vị thường được sử dụng trong các bài toán mà lời giải là một trật tự hoán vị Nhiễm sắc thể 1 123456789 Nhiễm sắc thể 2 456987123 Hình 1.8: Mã hóa hoán vị Nguyễn Hoàng Ánh – Lớp D2004VT2 6 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về giải thuật di truyền e Mã hóa giá trị Trong mã hóa giá trị, mỗi nhiễm sắc thể là một chuỗi giá trị, và giá trị này có thể là bất kì điều gì liên quan đến bài toán . MPLS Sinh viên thực hiện: NGUYỄN HOÀNG ÁNH Lớp D2004 – VT2 Khóa 2004 - 2008 Giảng viên hướng dẫn: Th.S HOÀNG TRỌNG MINH HÀ NỘI, 11 - 2008 HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ. lập – Tự do – Hạnh phúc o0o o0o ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Họ và tên: Nguyễn Hoàng Ánh Lớp: Đ2004-VT2 Khoá: 2004 – 2008 Ngành: Điện tử – Viễn thông TÊN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: Nghiên cứu giải thuật di. Giao thức định tuyến RIP và thuật toán Distance Vector 55 2.4.3 Thuật toán bước nhảy tối thiểu (Min-Hop Algorithm) 57 2.4.4 Thuật toán tìm đường rộng nhất và ngắn nhất 57 2.4.5 Thuật toán định tuyến