BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG CAO THÁI PHƯƠNG THANH GIẢI QUYẾT BÀI TOÁN ĐỊNH TUYẾN ĐẢM BẢO BĂNG THÔNG, ĐỘ TRỄ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2017 BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG CAO THÁI PHƯƠNG THANH GIẢI QUYẾT BÀI TOÁN ĐỊNH TUYẾN ĐẢM BẢO BĂNG THÔNG, ĐỘ TRỄ Chuyên ngành: Hệ thống thông tin Mã số: 62.48.01.04 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS TRẦN CÔNG HÙNG PGS TS HÀ HẢI NAM HÀ NỘI – 2017 i LỜI CAM ĐOAN Nghiên cứu sinh cam đoan nội dung luận án kết nghiên cứu thân hướng dẫn PGS TS Trần Công Hùng PGS.TS Hà Hải Nam Các kết số liệu trình bày luận án trung thực, phần công bố công trình nghiên cứu sinh chưa công bố công trình khoa học tác giả khác Tất tham khảo từ nghiên cứu liên quan nêu rõ danh mục tài liệu tham khảo phần sau luận án Người cam đoan Cao Thái Phương Thanh ii LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận án này, đầu tiên, nghiên cứu sinh chân thành cảm ơn hướng dẫn khoa học tận tình giúp đỡ Thầy giáo, PGS TS Trần Công Hùng PGS TS Hà Hải Nam Nghiên cứu sinh trân trọng cảm ơn Ban Giám đốc Học viện Công nghệ Bưu Viễn thông, Hội đồng Tiến sĩ, Khoa Quốc tế Đào tạo Sau Đại học tạo điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu sinh thực hoàn thành chương trình nghiên cứu Xin cảm ơn Thầy, Cô đọc đóng góp ý kiến cho luận án Nghiên cứu sinh chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Sài Gòn Ban Tổ chức Thành ủy Thành phố Hồ Chí Minh tạo điều kiện công tác thuận lợi hỗ trợ kinh phí để nghiên cứu sinh tham gia hoàn thành khóa đào tạo Cuối cùng, nghiên cứu sinh bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc muôn vàn tình yêu đến ba, mẹ, vợ, con, người thân, người bạn bên cạnh, động viên ủng hộ nghiên cứu sinh suốt thời gian qua Nghiên cứu sinh Cao Thái Phương Thanh iii MỤC LỤC Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Danh mục chữ viết tắt, kí hiệu vi Danh mục bảng ix Danh mục hình xi MỞ ĐẦU NỘI DUNG Chương TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH TUYẾN ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ 1.1 CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ 1.1.1 Giới thiệu 1.1.2 Các khái niệm 1.2 ĐỊNH TUYẾN 1.2.1 Khái niệm 1.2.2 Phân loại 1.2.3 Một số hướng nghiên cứu phổ biến 8 10 1.3 ĐỊNH TUYẾN ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ 11 1.4 KẾT CHƯƠNG 12 6 Chương BÀI TOÁN ĐỊNH TUYẾN UNICAST ĐẢM BẢO BĂNG THÔNG VÀ ĐẢM BẢO BĂNG THÔNG, ĐỘ TRỄ 13 2.1 ĐỊNH NGHĨA BÀI TOÁN 2.1.1 Phát biểu toán kí hiệu sử dụng 2.1.2 Điều kiện thực toán định tuyến giả sử 2.1.3 Các độ đo đánh giá hiệu thuật toán định tuyến 13 13 15 18 2.2 CÁC THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN ĐẢM BẢO BĂNG THÔNG LIÊN QUAN 19 iv 2.2.1 20 21 25 CÁC THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN ĐẢM BẢO BĂNG THÔNG VÀ ĐỘ TRỄ LIÊN QUAN 2.3.1 Thuật toán LDA 2.3.2 Thuật toán MDWCRA 2.3.3 Thuật toán MDMF 27 28 28 30 2.2.2 2.2.3 2.3 2.4 2.5 Nhóm thuật toán lựa chọn đường dựa thông số liên kết Nhóm thuật toán lựa chọn đường hạn chế ảnh hưởng Nhóm thuật toán áp dụng máy học KHẢO SÁT THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN BẰNG MÔ PHỎNG 2.4.1 Mô thuật toán định tuyến đảm bảo băng thông ns2 2.4.2 Chương trình mô thuật toán định tuyến NET Framework 2.4.3 Sơ đồ mạng yêu cầu định tuyến thử nghiệm 2.4.4 So sánh, đánh giá thuật toán định tuyến mô 31 31 KẾT CHƯƠNG 39 Chương THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN ĐẢM BẢO BĂNG THÔNG 3.1 3.2 3.3 33 35 38 40 BGHT: THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN ĐẢM BẢO BĂNG THÔNG SỬ DỤNG THỜI GIAN GIỮ BĂNG THÔNG 3.1.1 Thuật toán đề xuất BGHT 3.1.2 Ví dụ minh họa 40 40 44 3.1.3 Phân tích hoạt động 45 TEARD: THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN ĐẢM BẢO BĂNG THÔNG SỬ DỤNG DỮ LIỆU ĐỊNH TUYẾN 3.2.1 Thuật toán đề xuất TEARD 3.2.2 Ví dụ minh họa 3.2.3 Phân tích hoạt động 46 46 48 51 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 3.3.1 Kết thay đổi tham số yêu cầu thử nghiệm Đặc điểm kết thử nghiệm Thay đổi băng thông yêu cầu Thay đổi số cặp nguồn đích 52 54 54 57 61 v 3.3.2 64 65 68 71 74 KẾT CHƯƠNG 76 Chương THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN ĐẢM BẢO BĂNG THÔNG VÀ ĐỘ TRỄ 78 3.3.3 3.4 4.1 Kết số lượng lớn yêu cầu định tuyến Kịch định tuyến tĩnh Kịch định tuyến động, điều kiện tải bình thường Kịch định tuyến động, điều kiện tải cao Kết thay đổi tham số thuật toán đề xuất HRABDC: THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN HEURISTIC ĐẢM BẢO BĂNG THÔNG VÀ ĐỘ TRỄ 4.1.1 Thuật toán đề xuất HRABDC 4.1.2 Ví dụ minh họa 4.1.3 Phân tích hoạt động 78 78 80 84 TĂNG CƯỜNG KHẢ NĂNG TÌM ĐƯỜNG ĐI CÓ TRỌNG SỐ NHỎ CHO DIJKSTRA HEURISTIC 4.2.1 Cải tiến thuật toán tìm đường Dijkstra heuristic 4.2.2 Thuật toán định tuyến eHRABDC 86 86 88 4.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 4.3.1 Thử nghiệm thuật toán định tuyến Kết mô sơ đồ MIRA Kết mô sơ đồ CESNET Kết mô sơ đồ ANSNET 4.3.2 Thử nghiệm phương pháp tính trọng số tìm đường 89 90 90 93 96 99 4.4 KẾT CHƯƠNG 103 4.2 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 105 Danh mục công trình công bố nghiên cứu sinh 107 Tài liệu tham khảo 109 PHỤ LỤC 116 vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT BCRA BGHT BGMRA CSPF DiffServ DORA eHRABDC HRABDC IGRP IntServ IP LDA M-MDWCRA MDMF MDWCRA MHA Bandwidth Constrained Routing Algorithm Bandwidth Guaranteed routing algorithm using Holding Time Bandwidth Guaranteed MPLS Routing Algorithm Constrained Shortest Path First Differentiated Services Tên thuật toán định tuyến Tên thuật toán định tuyến Tên thuật toán định tuyến Tên thuật toán định tuyến Tên mô hình đảm bảo chất lượng dịch vụ Dynamic Online Routing Algorithm Tên thuật toán định tuyến enhanced Heuristic Routing Algo- Tên thuật toán định tuyến rithm with Bandwidth Delay Constraints Heuristic Routing Algorithm with Tên thuật toán định tuyến Bandwidth Delay Constraints Interior Gateway Routing Protocol Tên giao thức định tuyến Integrated Services Tên mô hình đảm bảo chất lượng dịch vụ Internet Protocol Tên giao thức mạng máy tính Least Delay Algorithm Tên thuật toán định tuyến Modified Maximum Delay Weighted Tên thuật toán định tuyến Capacity Routing Algorithm Minimum Delay and Maximum Flow Tên thuật toán định tuyến Maximum Delay Weighted Capacity Tên thuật toán định tuyến Routing Algorithm Minimum Hop Algorithm Tên thuật toán định tuyến MIRA Minimum Interference Routing Algo- Tên thuật toán định tuyến rithm MPLS Multi Protocol Label Switching Tên kĩ thuật mạng máy tính vii MPLS TE OC OSI POOA QoS RIP RRATE RSVP TEARD Multi Protocol Label Switching Traffic Engineering Optical Carrier Open Systems Interconnection Paths Optimal Ordering Algorithm Quality Of Service Tên kĩ thuật mạng máy tính Mức truyền dẫn cáp quang Tên mô hình mạng máy tính Tên thuật toán định tuyến Khái niệm chất lượng dịch vụ mạng máy tính Routing Information Protocol Tên giao thức định tuyến Random Race based Algorithm for Tên thuật toán định tuyến Traffic Engineering Resource Reservation Protocol Tên giao thức mạng máy tính Traffic Engineering routing algorithm Tên giao thức định tuyến using Routing Data viii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU SLYC TC TT ĐT b(l) c(l) d(l) w(l) G(N, L) N L SD r(s, d, b) r(s, d, β , δ ) psd pr(s,d,b) pr(s,d,β ,δ ) P(sd) Số lượng yêu cầu Tỉ lệ chấp nhận yêu cầu định tuyến Thời gian tính toán định tuyến trung bình Độ lệch chuẩn tải liên kết Băng thông lại liên kết l Dung lượng băng thông liên kết l Độ trễ liên kết l Trọng số liên kết l Đồ thị biểu diễn sơ đồ mạng Tập hợp k nút mạng Tập hợp m liên kết Tập hợp cặp nút nguồn đích sd Yêu cầu định tuyến từ s đến d với lượng băng thông b cần đảm bảo Yêu cầu định tuyến từ s đến d với lượng băng thông β độ trễ δ cần đảm bảo Một đường từ s đến d Đường psd thỏa yêu cầu r(s, d, b) Đường psd thỏa yêu cầu r(s, d, β , δ ) Tập hợp tất đường từ s đến d 123 PHỤ LỤC B VÍ DỤ MINH HỌA TỪNG BƯỚC CÁC PHƯƠNG PHÁP TÌM ĐƯỜNG TRONG BÀI TOÁN ĐỊNH TUYẾN ĐẢM BẢO BĂNG THÔNG VÀ ĐỘ TRỄ B.1 Dijkstra mở rộng Dijkstra heuristic Ví dụ bước thực hai phương pháp tìm đường Dijkstra mở rộng Dijkstra heuristic hệ thống mạng (a) Sơ đồ mạng (b) Bỏ liên kết không đảm bảo băng thông tính trọng số Hình B.1: Sơ đồ mạng sử dụng làm ví dụ 124 (a) Giá trị khởi tạo Dijkstra mở rộng Thông tin liên kết (trọng số, độ trễ) (b) Xét mục có w nhỏ en00 , cập nhật hai mục en11 en21 (Mục en21 lưu vết đường từ đến 2, có độ trễ trọng số 2) 125 (c) Xét mục có w nhỏ en01 , cập nhật hai mục en12 en22 (d) Tương tự xét en02 , cập nhật en13 en23 126 (e) Xét en03 , không cập nhật mục không thỏa điều kiện độ trễ (f) Xét en11 (w nhỏ kế tiếp), cập nhật en33 127 (g) Xét en12 , không cập nhật mục nút liền kề không thỏa điều kiện độ trễ Xét en13 có kết tương tự (h) Xét w nhỏ en21 , cập nhật mục en32 en43 128 (i) Tiếp tục xét en22 , cập nhật en33 trọng số nhỏ giá trị lưu Không cập nhật mục nút không thỏa điều kiện độ trễ (j) Xét en23 , không cập nhật mục không thỏa điều kiện độ trễ 129 (k) Xét w nhỏ en32 , cập nhật en53 (l) Xét en33 , không cập nhật mục không thỏa điều kiện độ trễ 130 (m) Xét en43 , không cập nhật mục không thỏa điều kiện độ trễ (n) Xét en53 , không cập nhật mục liên kết từ nút 131 (o) Xét en10 , không cập nhật mục không thỏa điều kiện trọng số Kết tương tự xét mục có w = ∞ khác (p) Thuật toán kết thúc duyệt hết 24 mục, tìm đường pri = (0, 2, 3, 5) Hình B.2: Kết bước Dijkstra mở rộng cho ví dụ B.1 132 (a) Khởi tạo Dijkstra heuristic Thông tin liên kết (trọng số, độ trễ) (b) Xét mục có w nhỏ en0 (tại nút 0), cập nhật mục en2 Mục en1 không cập nhật không thỏa điều kiện độ trễ (c) Xét mục w nhỏ en2 , cập nhật mục en3 Mục en4 không cập nhật không thỏa điều kiện độ trễ 133 (d) Xét mục en3 , cập nhật mục en5 (e) Xét tiếp mục en5 , en1 , en4 , mục cập nhật không thỏa điều kiện trọng số Thuật toán kết thúc duyệt hết nút, tìm đường pri = (0, 2, 3, 5) Dijkstra heuristic cho ví dụ B.1 Hình B.3: Kết bước B.2 Dijkstra heuristic Dijkstra heuristic cải tiến Hình B.4 ví dụ trường hợp Disjktra heuristic không tìm đường nhỏ nhất; sau hình B.5 thể kết áp dụng Dijkstra heuristic cải tiến để tìm đường có trọng số nhỏ 134 (a) Khởi tạo Dijkstra heuristic, bỏ liên kết không đảm bảo băng thông Thông tin liên kết (trọng số, băng thông) Yêu cầu định tuyến ri (0, 5, 1, 4) (b) Xét mục w nhỏ en0 , cập nhật en1 , en2 (c) Xét mục w nhỏ en1 , cập nhật en3 135 (d) Xét mục w nhỏ en2 , không thỏa điều kiện trọng số (w3 < w2 + w(l23 )) nên không cập nhật en3 , dẫn đến không tìm đường trọng số nhỏ (e) Xét mục w nhỏ en3 , cập nhật en5 en4 không cập nhật không thỏa điều kiện độ trễ 136 (f) Tiếp tục xét en5 (w = 7) en4 (w = ∞), không cập nhật mục Thuật toán kết thúc với đường tìm p1 = (0, 1, 3, 5) (trong đường p2 = (0, 2, 3, 4, 5) có trọng số nhỏ hơn) Hình B.4: Ví dụ Dijkstra heuristic không tìm đường trọng số nhỏ (a) Bỏ liên kết trọng số lớn l35 từ đường p1 = (0, 1, 3, 5) tìm Tiếp tục thực Dijkstra heuristic sơ đồ mạng lại 137 (b) Kết Dijkstra heuristic tìm đường p2 = (0, 2, 3, 4, 5) (c) Bỏ liên kết trọng số lớn l23 từ đường p2 = (0, 2, 3, 4, 5) tìm Tiếp tục thực Dijkstra heuristic không tìm đường thỏa điều kiện độ trễ Quá trình tìm đường kết thúc lựa chọn đường có trọng số nhỏ p2 = (0, 2, 3, 4, 5) Hình B.5: Áp dụng Dijkstra heuristic cải tiến ví dụ hình B.4 ... trung giải toán định tuyến unicast đảm bảo băng thông định tuyến unicast đảm bảo băng thông độ trễ Định tuyến unicast lựa chọn nghiên cứu loại định tuyến bản, sử dụng nhiều Ngoài ra, băng thông độ. .. tiến giải pháp có đề xuất giải pháp đảm bảo chất lượng dịch vụ Luận án nghiên cứu thuật toán định tuyến đảm bảo chất lượng dịch vụ băng thông, thuật toán định tuyến đảm bảo băng thông, độ trễ, ... luận án 13 CHƯƠNG BÀI TOÁN ĐỊNH TUYẾN UNICAST ĐẢM BẢO BĂNG THÔNG VÀ ĐẢM BẢO BĂNG THÔNG, ĐỘ TRỄ 2.1 ĐỊNH NGHĨA BÀI TOÁN 2.1.1 Phát biểu toán kí hiệu sử dụng Trong toán định tuyến, sơ đồ mạng biểu