Nghiên cứu xây dựng thuật toán thiết kế topology mạng áp dụng cho mạng thế hệ sau NGN

Nghiên cứu xây dựng thuật toán thiết kế topology mạng áp dụng cho mạng thế hệ sau NGN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TẬP ĐOÀN BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông

Mã số: 62 52 70 05

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

Hà nội - 2008

Công trình được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học:

1.Tiến sỹ Nguyễn Quý Minh Hiền 2.Tiến sỹ Chu Ngọc Anh

Phản biện 1: PGS TS Hoàng Thọ Tu

Học viện kỹ thuật Quân sự

Phản biện 2: PGS TS Vương Đạo Vi

Trường ĐH Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà nội Phản biện 3: PGS TS Nguyễn Minh Dân

Bộ Thông tin và Truyền thông

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp nhà nước họp tại ………

……… vào hồi 14 giờ 00 ngày 12 tháng 3 năm 2009

Có thể tìm hiểu luận án tại:

Thư viện Quốc gia

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Với nhu cầu phát triển ngày càng mạnh mẽ, đa dạng và phong phú của các dịch vụ thông tin băng rộng thế hệ mới, bài toán thiết kế topology mạng NGN (Next Generation Network) cần được xem xét

và mở rộng để đáp ứng với những yêu cầu mới đó là :

- Đảm bảo chất lượng dịch vụ cho các loại hình dịch vụ triển khai trên mạng

- Đảm bảo khả năng dự phòng của mạng trong quá trình cung cấp dịch vụ

2 Đối tượng, mục đích và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận án này là topology của mạng

backbone cho các mạng đa dịch vụ có hạ tầng IP như mạng NGN do tính chất quan trọng của mạng backbone đối với chất lượng dịch vụ trên toàn bộ mạng

Mục đích nghiên cứu: đề xuất được thuật toán thiết kế, trên cơ sở đó

xây dựng được công cụ phục vụ tính toán thiết kế topology mạng backbone NGN với chi phí tối thiểu và thỏa mãn các ràng buộc về trễ

và khả năng hồi phục mạng

Phạm vi của luận án: nghiên cứu thiết kế topology mạng backbone

hình lưới của tầng chuyển tải của mạng NGN

3 Phương pháp nghiên cứu

Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết kết hợp với tính toán số , luận án này lựa chọn phương pháp thiết kế sử dụng thuật toán di truyền dựa trên các nghiên cứu, phân tích đánh giá một số phương pháp, thuật toán thiết kế trước đây Tiếp theo đó, phương pháp thiết kế sử dụng thuật toán di truyền sẽ là khuôn khổ chung, thống nhất cho việc giải

quyết bài toán thiết kế đặt ra với các ràng buộc khác nhau trong luận

- Đề xuất mới thuật toán thiết kế topology mạng có khả năng hồi phục, đảm bảo tính liên tục khi cung cấp dịch vụ trong môi trường mạng NGN

- Đề xuất mới thuật toán thiết kế topololgy mạng đồng thời thỏa mãn các ràng buộc về khả năng hồi phục mạng và các ràng buộc về độ trễ, đáp ứng yêu cầu thực tiễn mạng NGN hiện nay

Các đề xuất về phương thức và các thuật toán sẽ bổ sung và làm giàu thêm các thuật toán có thể áp dụng cho việc giải các bài toán tương

tự

Về ý nghĩa thực tiễn

- Các kết quả có thể áp dụng cho việc thiết kế topology mạng

backbone NGN và tính toán các mạng tập hợp lưu lượng NGN

- Các kết quả nghiên cứu cũng có thể áp dụng phương pháp thiết kế các mạng truy nhập với công nghệ thuộc thế hệ 3G hoặc 4G

- Một số kết quả phân tích đã được sử dụng trong quá trình tính toán

lưu lượng, thiết kế cấu hình mạng MAN-E cho các bưu điện tỉnh của Tập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt nam

5 Bố cục của luận án

Bài toán thiết kế topology mạng được xem xét và giải quyết với mức

độ phức tạp tăng dần để thuận tiện cho việc so sánh các đề xuất giải bài toán được đưa ra ở đây với các kết quả nghiên cứu đã có và phù hợp với sự phát triển mạng và công nghệ Bài toán sẽ được đặt ra bắt đầu với ràng buộc là dung lượng tuyến kết nối là hữu hạn; tiếp theo những ràng buộc về trễ, khả năng hồi phục lần lượt được bổ sung Như vậy, luận án bao gồm phần mở đầu, năm chương nội dung và phần kết luận, cụ thể như sau:

Chương 1: Trình bày bài toán thiết kế topology mạng backbone với

ràng buộc về dung lượng tuyến kết nối hữu hạn Trên cơ sở đánh giá, phân tích một số phương pháp, thuật toán thiết kế trước đây, phương pháp thiết kế topology mạng bachbone sử dụng thuật toán di truyền được lựa chọn và sẽ là khuôn khổ chung, thống nhất cho việc giải quyết bài toán thiết kế đặt ra với các ràng buộc khác nhau

Chương 2: Trình bày các vấn đề kỹ thuật liên quan đến thuật toán di

truyền Trên cơ sở đó, chương này đề xuất một phương pháp mã hóa cùng các toán tử nhằm giải quyết bài toán đặt ra ở chương 1 Các kết quả tính toán nhằm làm rõ tính hiệu quả của phương pháp đề xuất

Chương 3 Trình bày về một số vấn đề về trễ đấu cuối - đầu cuối và

trễ trung bình trên toàn mạng và bài toán thiết kế có ràng buộc về trễ Trên cơ sở các đề xuất ở chương 1, chương này đề xuất các thuật toán nhằm giải quyết bài toán thiết kế topology với các điều kiện ràng buộc về độ trễ sau khi đã xem xét các thuật toán liên quan đến bài toán thiết kế với các ràng buộc trễ Các kết quả tính toán được giới thiệu ở cuối chương này

Chương 4 Trình bày bài toán thiết kế topology mạng có khả năng

hồi phục và phân tích, đánh giá một số phương pháp và thuật toán

trước đây Đề xuất thuật toán thiết kế topology mạng có khả năng hồi phục Các kết quả tính toán được giới thiệu ở cuối chương này

Chương 5 Trên cơ sở các kết quả đạt được tại các chương hai, ba và

bốn, chương này phát biểu và đề xuất thuật toán thiết kế topology mạng với sự kết hợp các ràng buộc về trễ và hồi phục mạng Một số kết quả tính toán được đưa ra ở cuối chương

Cuối cùng là các kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo

CHƯƠNG 1 BÀI TOÁN THIẾT KẾ TOPOLOGY MẠNG BACKBONE

1.1 Bài toán thiết kế topology mạng

Một số ký hiệu

Một mạng được biểu diễn bởi một graph G (V,E) trong đó |V| là số nút n và |E| là số tuyến kết nối e

tương ứng là băng thông phân bổ và luồng dữ liệu trung bình trên

tuyến kết nối (ij); d ij (c ij ) là chi phí thuê băng thông c ij của tuyến kết

nối (ij); λij là chi phí cho một đơn vị dung lượng luồng của tuyến

kết nối (ij)

R biểu diễn ma trận các nhu cầu r pq , ∀ rpq ∈ R được chuyển tải trên

tải trên một tập các đường dịch vụ r giữa cặp nút nguồn – đích p-q;

a , có giá trị 1 nếu đường dịch vụ r sử dụng tuyến kết nối (ij)

chuyển tải một phần lưu lượng fr pq ; ngược lại có giá trị 0

P là tập các đường dịch vụ r chuyển tải các phần lưu lượng

của nhu cầu r

pq

r

Phát biểu bài toán

Bài toán thiết kế topology mạng ban đầu với ràng buộc về dung lượng hữu hạn được phát biểu như sau:

Khi đưa ra một graph vô hướng với các giá trị |V| , |E| và một ma

thiểu hóa hàm mục tiêu định nghĩa dưới đây

) , ( ) , (

n i j ij

pq r ij

đường dịch vụ r khác nhau Biểu thức (1.3) đảm bảo băng thông phân bổ trên mỗi tuyến kết nối (ij) để thiết lập các đường dịch vụ r là

bằng tổng các luồng lưu lượng chuyển trên đó Biểu thức (1.4) thể hiện ràng buộc về dung lượng tuyến kết nối hữu hạn

1.2 So sánh và lựa chọn phương pháp

Một số phương pháp tiếp cận cho việc giải quyết vấn đề trên đã được khảo sát và có thể chia ra thành hai nhóm chính, bao gồm: phương pháp quy hoạch toán học và phương pháp theo thực nghiệm

Từ những nhận xét và phân tích về mỗi phương pháp tiếp cận,

phương pháp giải quyết bài toán được xác định sử dụng phương

pháp tiếp cận theo thực nghiệm với thuật toán di truyền để giải quyết vấn đề

Cùng với việc xác định phương pháp tiếp cận, vấn đề đặt ra tiếp theo

là làm thế nào để áp dụng hiệu quả thuật toán di truyền cho bài toán đặt ra Do vậy, chương sau sẽ khảo sát một số vấn đề liên quan đến thuật toán di truyền

CHƯƠNG 2 THUẬT TOÁN DI TRUYỀN VÀ ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP MÃ HÓA CÙNG CÁC TOÁN TỬ KHI THIẾT KẾ TOPOLOGY MẠNG BACKBONE

2.1 Thuật toán di truyền

Để có thể áp dụng hiệu quả thuật toán di truyền cho vấn đề đang xét, các vấn đề lý thuyết và kỹ thuật liên quan đến thuật toán di truyền được xem xét như: lý thuyết sơ đồ, mã hóa, kế hoạch tái tạo, hàm phù hợp, các toán tử lai tạo và đột biến, hội tụ của thuật toán…

2.2 So sánh một số phương pháp mã hóa đã được sử dụng

Các phương pháp mã hóa áp dụng cho một số bài toán thiết kế topology mạng với dạng hình lưới và hình cây đã được nghiên cứu xem xét Quá trình nghiên cứu cho thấy với mỗi loại bài toán thường

có một phương pháp mã hóa hiệu quả và không có phương pháp mã hóa nào là ưu việt cho mọi bài toán Mặt khác, các toán tử cũng đa dạng tùy theo mỗi phương pháp mã hóa

2.3 Đề xuất phương pháp mã hóa và các toán tử

Phương pháp mã hóa được đề xuất ở đây là trên cơ sở mở rộng phương pháp mã hóa trong [5] Phương pháp được đề xuất cho phép

tính đến từng nhu cầu lưu lượng của từng cặp nút mạng, khi đó các vấn đề về chất lượng dịch vụ theo khía cạnh trễ hoặc khả năng hồi phục có thể tính đến cho từng nhu cầu Trên cơ sở mã hóa này, nhiễm sắc thể được tạo ra sẽ là một chuỗi tuần tự các nhu cầu lưu lượng với trật tự ngẫu nhiên

Các toán tử đề xuất sử dụng theo phương pháp mã hóa này là: Toán

tử lai tạo; Toán tử đột biến; Toán tử quay vòng

2.4 Một số kết quả tính toán số

Các phương pháp mã hóa và các toán tử trong [5] – thuật toán B-GA, trong [31] – thuật toán E-GA và thuật toán được đề xuất ở đây Ad-

GA được thực hiện để khảo sát sự phụ thuộc của chất lượng giải

pháp tìm được vào phương pháp mã hóa cùng các toán tử của thuật toán di truyền Việc so sánh dựa trên hai khía cạnh: một là chi phí của giải pháp thu được và hai là khả năng tìm kiếm giải pháp khi thay đổi một số ràng buộc

Về khía cạnh chi phí, chi phí trung bình của các giải pháp thu được

trong thuật toán E-GA so với các thuật toán B-GA và Ad-GA có thể

lớn hơn đến 6% như trên hình 2.5

Hình 2.5 Chi phí trung bình ứng với các thuật toán khác nhau

cho mạng lưới đầy đủ 20 nút sau 50 thế hệ

Trong một số trường hợp khảo sát, chi phí của giải pháp tìm được theo thuật toán Ad-GA nhỏ hơn của thuật toán B-GA khoảng từ 0.17% đến 0.8% tùy theo từng trường hợp

Về khả năng tìm kiếm giải pháp khi thay đổi một số điều kiện như số lượng và dung lượng tuyến kết nối giảm, các kết quả tính toán cho thấy cho thấy, thuật toán B-GA nhiều lần không thể cải thiện tiếp được chất lượng giải pháp sau một số thế hệ nhất định

2.5 Một số nhận xét

Kết quả tính toán cho thấy, phương pháp mã hóa và các toán tử đề xuất ở đây giúp cho thuật toán di truyền hiệu quả hơn trong quá trình tìm kiếm giải pháp so với một số phương pháp mã hóa trước đây Phương pháp mã hóa cùng các toán tử này sẽ được áp dụng để giải quyết tiếp các vấn đề thiết kế trong những phần kế tiếp

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG THUẬT TOÁN THIẾT KẾ TOPOLOGY MẠNG VỚI MỤC TIÊU TỐI THIỂU HÓA CHI PHÍ, THỎA MÃN RÀNG BUỘC VỀ TRỄ

Trong chương ba này, bài toán thiết kế được mở rộng từ bài toán thiết kế ở chương một, với sự tham gia của trễ trên mạng Vấn đề trễ được đưa vào như là một ràng buộc được bổ sung trong bài toán thiết

kế ở chương một

3.1 Vấn đề trễ trong bài toán thiết kế topology mạng

Trong các bài toán thiết kế topology mạng, có hai loại trễ cần được tính đến, đó là trễ trung bình trên toàn mạng và trễ đầu cuối – đầu cuối Khi thiết kế topology mang cho các loại dịch vụ dữ liệu, ràng buộc về trễ trung bình được tính đến Khi thiết kế topology mạng cho

các loại dịch vụ thời gian thực như thoại, video, trễ đầu cuối – đầu cuối sẽ được tính đến

3.2 Bài toán thiết kế topology mạng với ràng buộc trễ

Một số ký hiệu

Các ký hiệu như ở bài toán thiết kế ở chương 1 được sử dụng lại, ngoài ra bổ sung thêm một số ký hiệu, bao gồm:

γ là lưu lượng tổng cộng đi vào mạng;

L là chiều dài trung bình của gói tin tính theo bits;

T− là trễ đầu cuối – đầu cuối

Phát biểu bài toán

Khi đưa ra một graph vô hướng với các giá trị |V| , |E| và một ma

thiểu hóa hàm mục tiêu định nghĩa dưới đây

) , ( ) , (

f c

T

1

max ,

γ

n ij

f

1

V q p j

∀, , , (3.10a) hoặc

pq e e r

ij pq

f a

Biểu thức (3.9) dùng để xác định tổng lưu lượng đi vào mạng Với trường hợp thiết kế topology mạng cho các dịch vụ dữ liệu sẽ sử dụng các biểu thức từ (3.5) đến (3.9) và biểu thức (3.10a) – ràng buộc về trễ trung bình Còn với trường hợp thiết kế topology mạng cho các dịch vụ thời gian thực sẽ sử dụng các biểu thức từ (3.5) đến (3.9) và biểu thức (3.10b) – ràng buộc về trễ đầu cuối – đầu cuối

3.3 Đề xuất thuật toán thiết kế topology mạng với ràng buộc trễ

Hai thuật toán được đề xuất tương ứng với ràng buộc về trễ trung bình trên mạng và ràng buộc về đầu cuối – đầu cuối

3.3.1 Đề xuất thuật toán thiết kế thỏa mãn ràng buộc trễ trung bình

Trên cơ sở xem xét và phân tích các phương pháp và thuật toán đã

đề xuất trước đây, một thuật toán thiết kế topology cho bài toán thiết

kế với ràng buộc về trễ trung bình được đề xuất với hai bước:

Bước một, từ phương pháp mã hóa và các toán tử đã đề xuất tạo nên các nhiễm sắc thể để tạo ra các topology khác nhau

Bước hai, đề xuất một thuật toán phân bổ lại luồng và dung lượng

để giảm trễ trung bình của topology thu được ở bước 1 xuống giá trị cho phép T ave,max

3.2.2 Đề xuất thuật toán thiết kế thỏa mãn ràng buộc trễ đầu cuối - đầu cuối

Thuật toán thiết kế topology cho bài toán thiết kế với ràng buộc về trễ đầu cuối – đầu cuối được đề xuất như sau:

Sử dụng phương pháp mã hóa cùng các toán tử đã được đề xuất như trên để tạo nên topology mạng Băng thông phân bổ cho các tuyến kết nối được tính từ phương pháp nới lỏng Lagrange

Trong đó, băng thông phân bổ được tính theo công thức sau:

ij

r ij pq e e ij ij

T

L f

Hình 3.5 Số lượng và độ trễ trên các tuyến kết nối

Hình 3.5 cho thấy số lượng tuyến kết nối sử dụng trong các giải pháp

tìm được theo thuật toán GA-DR nhỏ hơn khoảng 1/3 so với thuật

toán FD-A Trễ trên các tuyến kết nối khoảng từ 6,2ms đến 6,5 ms

đối với giải pháp tìm được theo thuật toán GA-DR so với khoảng từ 2,2 ms đến 16,5ms của thuật toán FD-A Điều này cho thấy giải pháp

tìm được theo FD-A có khả năng gây nghẽn cục bộ nhiều hơn so

với GA-DR

3.5 Một số nhận xét

Các giải pháp tìm được theo thuật toán đề xuất GA-DR có chi phí

thấp hơn Mặt khác, số lượng tuyến kết nối sử dụng trong thuật toán

đề xuất cũng ít hơn nhiều (khoảng gần 1/3 so với thuật toán trước đây)

Mức độ thăng giáng trễ trên các tuyến kết nối của thuật toán đề xuất cũng ít hơn so với thuật toán trước

Các kết quả tính toán cho thấy, quá trình định tuyến và phần bổ luồng trên mạng hợp lý sẽ cho ra các kết quả, giải pháp tốt Điều này

cũng khẳng định về vai trò quan trọng của phương pháp mã hóa tác động đến chất lượng giải pháp tìm được như thế nào

CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG THUẬT TOÁN THIẾT KẾ TOPOLOGY MẠNG VỚI MỤC TIÊU TỐI THIỂU HÓA CHI PHÍ, THỎA MÃN RÀNG BUỘC VỀ KHẢ NĂNG HỒI PHỤC

Trong chương bốn này, bài toán thiết kế được mở rộng từ bài toán thiết kế ở chương một, với sự tính đến khả năng hồi phục của mạng Vấn đề hồi phục được đưa vào như là một ràng buộc về khả năng hồi phục được bổ sung trong bài toán thiết kế đặt ra ở chương một

4.1 Bài toán thiết kế topology mạng có khả năng hồi phục

Một số ký hiệu

Các ký hiệu như ở bài toán thiết kế ở chương 1 được sử dụng lại, ngoài ra bổ sung thêm một số ký hiệu, bao gồm:

S biểu diễn một tập các trạng thái của mạng Mạng có hai trạng thái:

trạng thái 0 là trạng thái bình thường và trạng thái 1 là trạng thái

hỏng, tập s0 ⊆ Slà các trạng thái bình thường của mạng và tập S-s 0

là tập các trạng thái hỏng của mạng Khi mạng có sự cố, các phần lưu lượng bị ảnh hưởng bởi cố sẽ được hồi phục trên một số

đường dự phòng b nào đó và toàn bộ các phần lưu lượng bị ảnh

hưởng bởi sự cố sẽ được hồi phục trên một tập các đường dự phòng

pq

r

f

pq b

f

bs

ij

c băng thông phân bổ cho đường dự phòng trên tuyến kết nối

(ij) khi đang xét sự cố s ∈ S − s0

PD là tập nhu cầu lưu lượng cần bảo vệ khi có sự cố mạng,

R

PD ⊆