Đang tải... (xem toàn văn)
Đề tài : GIẢI BÀI TOÁN TỐI ƯU MẠNG HỖ TRỢ KĨ THUẬT ĐỊNH TUYẾN ĐƯỜNG ĐI NGẮN NHẤT Nội dung của luận văn được chia thành 3 chương với các nội dung như sau : Giới thiệu tổng quan về mạng viễn thông và vấn đề tối ưu hóa mạng Trình bày về những vấn đề kĩ thuật cơ bản trong tối ưu hóa mạng viễn thông. Đi sâu vào giải quyết một số vấn đề cụ thể của bài toán tối ưu mạng xét từ góc độ kĩ thuật định tuyến đường đi ngắn nhất
1 LỜI NÓI ĐẦU Một mạng truyền thông cần truyền lưu lượng trên các tuyến truyền dẫn với băng thông khác nhau. Lưu lượng này có thể được định tuyến qua các đường khác nhau để đến đích. Bài toán đặt ra là làm thế nào để thiết kế mạng một cách hiệu quả dựa trên việc xem xét các tính chất của mạng, hay nói cách khác là làm thế nào để thiết kế mạng một cách tối ưu. Rất nhiều vấn đề trong thiết kế mạng có thể được giải quyết bằng cách xây dựng các mô hình toán học và dựa trên các giải thuật tối ưu. Trong luận văn này sẽ trình bày về một số phương pháp và giải thuật có thể ứng dụng để thiết kế mạng, sau đó đi sâu vào giải bài toán tối ưu mạng để hỗ trợ cho kĩ thuật định tuyến đường đi ngắn nhất (shortest-path routing). Nội dung của luận văn được chia thành 3 chương với các nội dung như sau. Chương 1 giới thiệu tổng quan về mạng viễn thông và vấn đề tối ưu hóa mạng, đặt ra bài toán cũng như là giới thiệu những khái niệm mang tính tiền đề và cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo. Chương 2 trình bày về những vấn đề kĩ thuật cơ bản trong tối ưu hóa mạng viễn thông. Với mỗi vấn đề sẽ đưa ra ra mô tả các yêu cầu tối ưu, các bước xây dựng bài toán và thảo luận về phương pháp giải bài toán. Chương 3 đi sâu vào giải quyết một số vấn đề cụ thể của bài toán tối ưu mạng xét từ góc độ kĩ thuật định tuyến đường đi ngắn nhất, xây dựng các phát biểu bài toán phù hợp và nghiên cứu các phương pháp cũng như giải thuật để giải quyết từng vấn đề. Do những lí do hạn chế, bản luận văn không tránh khỏi còn nhiều thiếu sót. Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cô và các đồng nghiệp để bản luận văn được hoàn thiện hơn. Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo, TS. Nguyễn Tiến Ban đã tận tình hướng dẫn em hoàn thành bản luận văn này. 2 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 1 MỤC LỤC 2 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 3 DANH MỤC HÌNH VẼ 5 TỔNG QUAN VỀ MẠNG VIỄN THÔNG VÀ YÊU CẦU TỐI ƯU MẠNG 6 CÁC VẤN ĐỀ KĨ THUẬT TRONG TỐI ƯU HÓA MẠNG 22 GIẢI BÀI TOÁN TỐI ƯU MẠNG HỖ TRỢ KĨ THUẬT ĐỊNH TUYẾN ĐƯỜNG ĐI NGẮN NHẤT 42 KẾT LUẬN 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 3 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh đầy đủ Tiếng Việt CPLA Candidate Path List Augmentation Danh sách đường đi thích hợp DAR Dynamic Alternate Routing Định tuyến thay thế động DCR Dynamically Controlled Routing Định tuyến điều khiển động DCS Digital Cross-connect Systems Hệ thống kết nối chéo số DNHR Dynamic Non-hierarchical Routing Định tuyến không phân cấp động DP Dynamic Programming Quy hoạch động DS-n Digital Signal-n Tín hiệu số - n DVU Demand Volume Unit Đơn vị khối lượng nhu cầu DXC Digital Cross-Connect Systems Các hệ thống kết nối chéo số EA Evolutionary Algorithm Thuật toán tiến hoá ECMP Equal Cost Multi-Path Đẳng giá - đa đường FD Flow Deviation Độ lệch luồng Gbps Gigabits per Second Gigabit trên giây GoS Grade-of-Service Cấp độ dịch vụ GSPAR Generalized Shortest Path Allocation Rule Qui tắc cấp xác định đường đi ngắn nhất tổng quát IP Internet Protocol Giao thức Internet IP Integer Programming Quy hoạch nguyên IS-IS Intermediate System-to- Intermediate System Giao thức định tuyến IS-IS ISP Internet Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ Internet LCU Link Capacity Unit Đơn vị dung lượng liên kết LP Linear Programming Quy hoạch tuyến tính LP Link Protection Bảo vệ liên kết LR Lagrangian Relaxation Lagrangian nới lỏng LR Link Restoration Khôi phục liên kết LSP Label Switched Path Đường chuyển mạch nhãn 4 LSR Label Switch Router Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn Mbps Megabits per Second Megabit trên giây MIP Mixed-Integer Programming Quy hoạch nguyên hỗn hợp MMF Max-Min Fairness Cân bằng Max-Min NDP Network Design Problem Bài toán thiết kế mạng OSPF Open Shortest Path First Giao thức chọn đường đi ngắn nhất PG Path Generation Tạo luồng PP Path Protection Bảo về đường PR Path Restoration Khôi phục đường QoS Qualiy-of-Service Chất lượng dịch vụ RTNR Real-Time Network Routing Định tuyến mạng theo thời gian thực SDH Synchronous Digital Hierarchy Phân cấp số đồng bộ SONET Synchronous Optical Network Mạng quang đồng bộ SPR Shortest-Path Routing Định tuyến đường ngắn nhất TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền dẫn 5 DANH MỤC HÌNH VẼ 6 TỔNG QUAN VỀ MẠNG VIỄN THÔNG VÀ YÊU CẦU TỐI ƯU MẠNG 1.1 Đặt vấn đề Trong điện thoại cũng như Internet, topology hay cấu trúc kết nối các nút mạng có ảnh hưởng lớn đến hoạt động của mạng. Cấu trúc điển hình của mạng điện thoại và Internet thể hiện trên Hình 1.1 và Hình 1.2. Hình 1.1: Cấu trúc mạng điện thoại Trong khuôn khổ luận văn này chỉ đề cập đến phần giữa là mạng lõi hay còn gọi là mạng xương sống, bao gồm các bộ định tuyến hay thiết bị chuyển mạch kết nối với nhau. Lưu lượng đến (ingress traffic) được coi là lưu lượng đi vào mạng lõi, còn lưu lượng đi (egress traffic) là lưu lượng ra khỏi mạng lõi này. 7 Hình 1.2: Cấu trúc mạng Internet Một mạng truyền thông cần truyền lưu lượng trên các tuyến truyền dẫn với dung lượng (băng thông) khác nhau. Lưu lượng này có thể được định tuyến qua các đường khác nhau để đến đích. Chúng ta cần có đủ băng thông trên mạng để truyền lưu lượng, đồng thời giảm tỷ lệ từ chối cuộc gọi hoặc giảm độ trễ trung bình truyền gói dữ liệu trên mạng. Để làm được điều này, ta cần trả lời các câu hỏi sau: 1. Có thể tìm được tuyến tốt hơn không? 2. Có thể bổ sung thêm băng thông ở đâu? 3. Ở đâu và khi nào cần thêm các nút (và liên kết) cho mạng? 4. Tính chất đặc thù của kiến trúc mạng hay giao thức có thể ảnh hưởng đến việc ra quyết định như thế nào? 5. Mức độ trừu tượng hóa nào là thích hợp cho việc mô hình hóa từng mạng cụ thể để có thể nhận được những kết quả mong muốn? Bài toán đặt ra là làm thế nào để thiết kế các mạng lõi (sương sống) một cách hiệu quả dựa trên việc xem xét các tính chất của mạng, hay nói cách khác là làm thế nào để thiết kế mạng một cách tối ưu. Rất nhiều vấn đề có thể được giải quyết bằng cách xây dựng các mô hình toán học và dựa trên các giải thuật tối ưu. Trong luận văn này sẽ trình bày về một số phương pháp và giải thuật có thể ứng dụng để thiết 8 kế mạng, sau đó đi sâu vào giải bài toán tối ưu mạng để hỗ trợ cho kĩ thuật định tuyến đường đi ngắn nhất (shortest-path routing). 1.2 Mạng truyền thông và các miền quản trị Trên Hình 1.1 đã chỉ ra mô hình kiến trúc tổng quan của mạng điện thoại. Điểm quan trọng cần chú ý ở đây là một cuộc gọi có thể được hỗ trợ bởi nhiều nhà cung cấp mạng (hay còn gọi là nhà khai thác mạng) trên những phân đoạn khác nhau của cuộc gọi. Việc xử lý kết nối cuộc gọi trong mạng điện thoại sử dụng phương thức chuyển mạch kênh, trong đó một kênh riêng biệt được thiết lập cho mỗi cuộc gọi. Đối với mạng Internet toàn cầu (Hình 1.2), khi có yêu cầu trao đổi thông tin (ví dụ dịch vụ web) từ người sử dụng này đến người sử dụng khác, thì thông tin sẽ được truyền đi bởi nhiều nhà cung cấp mạng khác nhau (thông thường thì là các nhà cung cấp dịch vụ Internet – ISP). Về mặt kỹ thuật thì mạng của mỗi nhà cung cấp dịch vụ là một hệ thống tự trị riêng (Autonomous System – AS). Tương tự như trường hợp chuyển tiếp cuộc gọi điện thoại, các nhà cung cấp ở các phân đoạn mạng khác nhau cũng thực hiện việc truyền lưu lượng dữ liệu để hoàn thành việc chuyển yêu cầu web qua mạng. Các gói dữ liệu được tạo ra để đáp ứng yêu cầu này sẽ đi theo một hành trình ngược lại để đến nơi đã gửi đi yêu cầu. Trong cả hai hướng, hình thức chuyển mạch gói được sử dụng để định tuyến các gói dữ liệu qua mạng. Có thể thấy rằng, đối với cả hai trường hợp điện thoại và Internet, một yêu cầu (cuộc gọi hay giao dịch web) đi qua một loạt các mạng được duy trì bởi những nhà cung cấp khác nhau. Điều này có thể được minh họa trên Hình 1.3, trong đó mỗi mạng được mô tả như một đám mây. Hình 1.3: Kết nối mạng của các nhà cung cấp 9 Các nhà cung cấp cần phải có sự thỏa thuận với nhau để thực hiện việc truyền tải lưu lượng theo yêu cầu. Sự thỏa thuận giữa các nhà cung cấp láng giềng thường được xem như là thỏa thuận ngang hàng. Mỗi mạng có một số thiết bị định tuyến hay chuyển mạch của riêng mình, và các thiết bị tại biên mạng hay cổng giao tiếp (gateway) sẽ thực hiện nhiệm vụ truyền dữ liệu từ mạng này sang mạng khác. Như vậy, mỗi mạng sẽ tự phải biết làm thế nào để truyền dữ liệu bên trong mạng cũng như cần sử dụng bao nhiêu thiết bị định tuyến hay chuyển mạch để hoàn thành công việc này. Từ thực tế này thấy rằng vấn đề thiết kế mạng có thể được hạn chế bởi phạm vi bên trong mỗi mạng, hay miền quản trị (administrative domain) của nó như chỉ ra trên Hình 1.4. Hình 1.4: Miền quản trị mạng (đối tượng của bài toán thiết kế mạng) Mỗi miền quản trị sẽ tự tối ưu hoá các tuyến truyền dẫn của mình mà không quan tâm đến việc các miền khác kết nối với nó làm như thế nào để truyền dữ liệu. Trong mỗi mạng ta có một tập hợp các nút được kết nối với nhau bởi các liên kết (link). Trong trường hợp mạng điện thoại, các nút là tổng đài chuyển mạch thoại, còn liên kết thường được biết đến như là các đường trung kế hay nhóm trung kế. Trong trường hợp Internet, nút mạng là các bộ định tuyến, còn thuật ngữ liên kết đôi khi có thể được sử dụng để chỉ các giao diện hay các đường trung kế. Mạng toàn cầu được xem như bao gồm một loạt các mạng thành phần, được quản trị bởi 10 các nhà cung cấp khác nhau, trong đó mỗi nhà cung cấp sẽ đưa ra thiết kế phù hợp cho mạng của họ. Bên cạnh mạng điện thoại và Internet, trên thực tế còn có những cơ sở hạ tầng và mạng truyền thông khác nữa. Để phân biệt ta thường coi mạng điện thoại và Internet như là các mạng dịch vụ ứng dụng hay mạng lưu lượng. Một số mạng truyền thông riêng (khác với mạng công cộng như điện thoại hay Internet) được thiết lập cho các công ty lớn để truyền các luồng dữ liệu, thoại hay video của riêng họ. Mặc dù các công ty có thể duy trì các thiết bị chuyển mạch/định tuyến của riêng mình, trên thực tế họ thường thuê các phương tiện truyền dẫn vật lý của các nhà cung cấp khác. Nói cách khác, những công ty này là khách hàng của nhà cung cấp phương tiện mạng vật lí. Nhà cung cấp mạng vật lý để vận chuyển lưu lượng ứng dụng cho các mạng khách hàng khác nhau thường là các nhà khai thác viễn thông lớn. Để tăng tính hiệu quả về kinh tế, nhà khai thác viễn thông lớn có thể kết hợp nhiều luồng lưu lượng từ những đường riêng khác nhau vào trong một mạng. Thông thường, các mạng phương tiện vật lý này được biết đến như là mạng truyền tải (transport) hay truyền dẫn (transmission), có thể sử dụng nhiều công nghệ khác nhau như mạng quang đồng bộ (SONET), phân cấp số đồng bộ (SDH), công nghệ ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM), … Các mạng truyền tải cũng có thiết bị chuyển mạch, thường được biết đến như là các bộ nối chéo, được sử dụng để thiết lập các đường kênh riêng cố định hoặc bán cố định. [...]... xác định véctơ định luồng tối ưu và giải bài toán định cỡ DP Tuy nhiên, nó không phải là cách tiếp cận tổng quát để giải các bài toán luồng trên mạng đa nhu cầu nói chung Từ phát biểu của qui tắc có thể thấy rằng nghiệm tối ưu của DP không phải là duy nhất Đây là một đi m quan trọng cần lưu ý khi giải các bài toán tối ưu mạng liên quan đến vấn đề định cỡ 35 1.9 Nguyên lí định tuyến đường đi ngắn nhất. .. nhất (shortest-path routing) 36 Các mạng máy tính thường được biết đến như là mạng định tuyến đường đi ngắn nhất, ví dụ như mạng IP sử dụng giao thức định tuyến OSPF Cần tránh nhầm lẫn giữa việc định tuyến đường đi ngắn nhất với vấn đề định luồng theo đường ngắn nhất (shortest-path allocation) được thảo luận ở phần trên Cơ sở chính của việc định tuyến đường đi ngắn nhất là với mỗi nhu cầu d , toàn bộ... kĩ thuật định tuyến đến bài toán tối ưu mạng 21 Quan đi m thiết kế mạng với kiến trúc đa lớp được giới thiệu như là một cách tiếp cận hiệu quả, cho phép xem xét bài toán tối ưu mạng dưới nhiều góc nhìn khác nhau Nó cho thấy mối quan hệ giữa dung lượng và nhu cầu: dung lượng từ một lớp trên sẽ trở thành nhu cầu đối với lớp dưới 22 CÁC VẤN ĐỀ KĨ THUẬT TRONG TỐI ƯU HÓA MẠNG 1.7 Bài toán luồng trên mạng. .. ước đường ngắn nhất là đường có giá nhỏ nhất, qui tắc sau đây có thể được ứng dụng để tìm nghiệm tối ưu cho bài toán định cỡ Quy tắc đường ngắn nhất cho DP: Đối với mỗi nhu cầu, phân toàn bộ khối lượng nhu cầu vào đường ngắn nhất xác định trên cơ sở đơn giá các liên kết và danh sách đường ứng cử Nếu có nhiều hơn một đường ngắn nhất thì khối lượng nhu cầu có thể được phân chia giữa các đường ngắn nhất. .. 34 1.8.3 Giải bài toán bằng nguyên tắc phân luồng theo đường ngắn nhất Bài toán định cỡ DP phát biểu ở trên là một dạng của bài toán qui hoạch tuyến tính (LP), có thể giải theo những phương pháp của qui hoạch tuyến tính Tuy nhiên ở đây, riêng đối với trường hợp bài toán DP, ta nhấn mạnh một phương pháp cho phép tìm nghiệm tối ưu của bài toán dựa trên nguyên tắc phân luồng theo đường ngắn nhất Khối... bán cố định Việc định tuyến này thường được biến đến như là định tuyến mạch (circuit routing), để tránh nhầm lẫn với định tuyến gói tin hay cuộc gọi Định tuyến mạch cũng được xem như là định tuyến mạng truyền tải Hình thức định tuyến này đặc biệt quan trọng khi chúng ta thảo luận về các mô hình phục vụ cho việc định tuyến và thiết kế mạng truyền tải, và thường coi đó như là bài toán định luồng (flow... ↔ x31 , ˆ x213 ↔ x32 1.7.2 Xây dựng bài toán Bài toán luồng trên mạng có thể được phát biểu như là một bài toán tối ưu đi n hình Yêu cầu đặt ra ở đây là phải tìm các giá trị biến luồng x tối ưu theo một 27 tiêu chí thiết kế mạng nào đó, đồng thời thỏa mãn các đi u kiện ràng buộc đã nêu ở trên Tiêu chí thiết kế mạng có thể là: tối thiểu hóa tổng giá định tuyến, tối thiểu hóa tắc nghẽn trên các liên... họa bài toán luồng với một ví dụ mạng đơn giản gồm 3 nút, mỗi nút được kết nối tới 2 nút khác, cấu hình mạng như trên Hình 2.1 Hình 2.1: Ví dụ mạng 3 nút Các nút có thể là các bộ định tuyến trong mạng Internet, các chuyển mạch trong mạng đi n thoại, hoặc các kết nối chéo trong mạng SONET/SDH Nút (node) là một thuật ngữ chung để chỉ định các loại thiết bị định tuyến hay chuyển mạch khác nhau trong mạng. .. đa lớp cho phép giải quyết khá thuận lợi nhiều vấn đề quan trọng trong bài toán thiết kế và tối ưu hóa mạng 1.6 Kết luận Chương này đã giới thiệu tổng quan về mạng viễn thông và vấn đề tối ưu hóa mạng Trong nội dung chương đã trình bày một cách khái quát những khái niệm liên quan như miền quản trị, lưu lượng và nhu cầu lưu lượng, định tuyến và luồng cũng như là cách tiếp cận thiết kế mạng với kiến trúc... xác định các đường ω ω ngắn nhất là duy nhất và véctơ định luồng x( ) là phù hợp, nghĩa là x( ) phải thoả mãn Nhìn chung đây là một bài toán phức tạp Có 3 lý do chính gây nên sự phức tạp của nó là: - Giải pháp định luồng ứng với nghiệm không chia nhánh có thể không tồn tại trong khi giải pháp định luồng cho trường hợp nghiệm chia nhánh thì lại tồn tại - Ngay cả khi tồn tại nghiệm ứng với đường ngắn nhất . 2 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 3 DANH MỤC HÌNH VẼ 5 TỔNG QUAN VỀ MẠNG VIỄN THÔNG VÀ YÊU CẦU TỐI ƯU MẠNG 6 CÁC VẤN ĐỀ KĨ THUẬT TRONG TỐI ƯU HÓA MẠNG 22 GIẢI BÀI TOÁN TỐI ƯU MẠNG HỖ TRỢ KĨ THUẬT ĐỊNH TUYẾN. có thể ứng dụng để thiết 8 kế mạng, sau đó đi sâu vào giải bài toán tối ưu mạng để hỗ trợ cho kĩ thuật định tuyến đường đi ngắn nhất (shortest-path routing). 1.2 Mạng truyền thông và các miền. cụ thể của bài toán tối ưu mạng xét từ góc độ kĩ thuật định tuyến đường đi ngắn nhất, xây dựng các phát biểu bài toán phù hợp và nghiên cứu các phương pháp cũng như giải thuật để giải quyết từng vấn