Nghiên cứu phương pháp định tuyến động trong mạng ATM

K lớp đối tượng khác nhau tới một cách ngẫu nhiên và chia sẻ các tài nguyên C 34 Hình 10 Mạng ATM 2 nút với đường thông hai chiều có dung lượng C theo mỗi chiều Hình 20 Topo mạng ATM 5 n

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: trừ các phần trích dẫn đã được kể ra trong các tài liệu tham khảo, nội dung của bản luận văn này là kết quả nghiên cứu của bản thân tôi, và chưa từng được công bố trong các khoá luận tương tự tại Đại học Quốc gia Hà nội cũng như tại các Trường, Viện nghiên cứu khác

Tô Mạnh Cường

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU……… 8

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG ATM 1.1 Giới thiệu và khái niệm……….…… 10

1.2 Một vài mô hình định tuyến … ……… 12

1.2.1 Định tuyến chia tải ….……… 12

1.2.2.Định tuyến tuần tự ……… 13

1.2.3 Định tuyến ngẫu nhiên …… ……… 18

1.2.4 Định tuyến thích nghi ……… 20

1.2.5 Định tuyến truyền tải động ……….……… 27

1.2.6 Định tuyến chi phí thấp ……….……… 28

1.3 Đánh giá và lựa chọn phương pháp định tuyến…… ….…… … …… 29

1.4 Kết luận chương………… ……… 31

CHƯƠNG 2: CÁC MÔ HÌNH VÀ THUẬT TOÁN ÁP DỤNG ĐỂ GIẢI BÀI TOÁN ĐỊNH TUYẾN ĐỘNG TRONG MẠNG ATM 2.1 Giới thiệu và khái niệm……… 32

2.2 Lý thuyết lô ngẫu nhiên….……… 33

2.2.1 Mô hình …….……… 34

2.2.2 Tính cân bằng của lô ngẫu nhiên ……… 35

2.2.3 Sử dụng lô ngẫu nhiên để đánh giá đặc tính chất lượng ……… 35

2.2.4 Tính chất lô ngẫu nhiên trong việc thiết lập VC trong các bộ ghép ATM……… 36

2.3 Mô hình chất lượng……… 38

2.3.1 Mô hình Erlăng ……… 38

2.3.2 Mô hình theo định tuyến cố định ……… 38

2.3.3 Mô hình theo định tuyến động ……….……… 40

2.3.4 Mô hình dạng tích ……… 41

2.3.5 Mô hình đám đông hữu hạn ……… 44

2.3.6 Mô hình mạng với băng thông liên tục ……… 46

2.4 Mô hình chất lượng mạng ATM……… 47

2.4.1 Các kênh ảo cân bằng ……… 47

2.4.2 Mô hình mạng ATM ……… 48

2.4.3 Ghép thống kê.……… 49

2.5 Phân tách tuyến trong mạng ATM……… 50

2.5.1 Dịch vụ tĩnh / phân tách tuyến tĩnh ……… 50

2.5.2 Dịch vụ động / phân tách định tuyến động……… 51

2.6 Ghép các tuyến chéo trong mạng ATM……… 52

2.6.1 Phân tách dịch vụ tĩnh / ghép các tuyến chéo ……… … 54

2.6.2 Phân tách dịch vụ tĩnh / ghép các tuyến chéo – kiểu hạn chế … …… 55

2.6.3 Phân tách dịch vụ động / ghép các tuyến chéo ……… 56

2.7 Phép tính xấp xỉ giảm tải đối với các mạng đơn dịch vụ……… … 57

2.8 Phép tính xấp xỉ giảm tải đối với các mạng đa dịch vụ…… ……… … 58

2.9 Các thuật toán cho các mạng truy cập tổng quát……….………… 59

2.10 Các thuật toán cho các mạng truy cập phân cấp……… 69

2.11 Kết luận chương……….… 71

CHƯƠNG 3: ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP XẤP XỈ GIẢM TẢI ĐỂ GIẢI BÀI TOÁN ĐỊNH TUYẾN ĐỘNG TRONG MẠNG ATM THEO TIÊU CHÍ TỔN THẤT TẾ BÀO BÉ NHẤT 3.1 Giới thiệu……… 72

3.2 Các công trình liên quan đến định tuyến động trong mạng ATM…… 73

3.3 Mô hình định tuyến ATM theo tuyến ảo ……… 74

3.4 Phân tách dịch vụ……… 76

3.5 Phân tách tuyến động……… 77

3.5.1 Xét việc đưa thêm VC vào các tuyến ………… ……… 77

3.5.2 Phân tách tuyến động trên nền dịch vụ tĩnh ……… 78

3.6 Định tuyến tải tối thiểu trong mạng ATM……… 79

3.6.1 Điều kiện định tuyến ……… 79

3.6.2 Thuật toán định tuyến tải tối thiểu không hạn chế ……… 83

3.6.3 Phương pháp định tuyến tải tối thiểu hạn chế ……… 85

3.6.4 Thuật toán định tuyến tải tối thiểu hạn chế một phần ……… 88

3.7 Định tuyến động trên cơ sở dịch vụ động……… … 90

3.7.1 Định tuyến phân tách dịch vụ động – ghép các tuyến chéo ………… 92

3.7.2 Định tuyến động bằng phương pháp xấp xỉ giảm tải ……… 93

3.8 Kết luận chương…… ……… 98

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

AAL ATM Adaptation Layer Lớp tương thích ATM

AD Adaptive Routing Định tuyến thích nghi

ADM Add-Drop Multiplexer Bộ ghép/tách luồng thông tin

AIN Advanced Intelligent Network Mạng thông minh tiên tiến

AR Alternate Routing Định tuyến luân phiên

ATM Asynchronous Transfer Mode Phương thức truyền không đồng bộ B-ISDN Broadband Integrated Digital

Network

Mạng số tổ hợp đa dịch vụ băng rộng

CAC Connection Admission Control Điều khiển chấp nhận kết nối

CCF Call Control Function Chức năng điều khiển cuộc gọi CCS Common Chanel Signalling Báo hiệu kênh chung

CF Call Forwarding Chuyển tiếp cuộc gọi

CLR Cell Lost Ratio Tỉ lệ tổn thất tế bào

DAR Dynamic Alternative Routing Định tuyến luân phiên động

DCF Data Communication Function Chức năng thông tin số liệu

DCN Data Communication Network Mạng thông tin số liệu

DCR Dynamic Controled Routing Định tuyến điều khiển động

DNHR Dynamic Non-Hierarchy Routing Định tuyến động không phân cấp DTR Dynamic Transport Routing Định tuyến truyền tải động

DXC Digital Cross Connection Kết nối chéo số

EF Elementary Function Chức năng cơ sở

FE Functional Entity Thực thể chức năng

FHR Fixed Hierarchy Routing Định tuyến phân cấp cố định

FIFO First - in First - Out Vào trước – ra trước

GRR Global Random Routing Định tuyến ngẫu nhiên tổng quát

IF Information Flows Lưu lượng thông tin

IN Intelligent Network Mạng thông minh

LLR Least Loaded Routing Định tuyến tải tối thiểu

LSR Load Sharing Routing Định tuyến chia tải

MIMO Multiple-Input Multiple Output Hệ thống nhiều đầu vào-nhiều đầu ra NAP Network Access Point Điểm truy nhập mạng

NE Network Element Phần tử mạng

NEF Network Element Function Chức năng phần tử mạng

NMC Network Management Centre Trung tâm quản lý mạng

OSI Open System Interconnection Kết nối giữa các hệ thống mở

PBX Private Branch Exchange Tổng đài nhánh riêng, tổng đài cơ quan PCR Peak Cell Rate Tốc độ tế bào đỉnh

PDU Protocol Data Unit Khối giao thức số liệu

PE Physical Entity Thực thể vật lý

POI Point of Initiation Điểm khởi đầu

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

RR Random Routing Định tuyến ngẫu nhiên

RTNR Real Time Network Routing Định tuyến mạng theo thời gian thực SCF Service Control Function Chức năng điều khiển dịch vụ

SCP Service Control Point Điểm điều khiển dịch vụ

SISO Single – Input Single – Output Hệ thống 1 đầu vào – một đầu ra

SMF Service Management Function Chức năng quản lý dịch vụ

SMS Service Managenment System Hệ thống quản lý dịch vụ

SN Service Node Nút dịch vụ

SSP Service Switching Point Điểm chuyển mạch dịch vụ

STP Signalling Transfer Point Điểm chuyển tiếp báo hiệu

TSMR Trunk Status Map Routing Định tuyến theo sơ đồ trạng thái trung kế VBR Variable Bit Rate Tốc độ bit có thể thay đổi

VC Virtual Chanel Kênh ảo

VCC Virtual Chanel Connection Cuộc nối kênh ảo

VP Virtual Path Đường ảo

VPC Virtual Path Connection Cuộc nối đường ảo

VPN Virtual Private Network Mạng riêng ảo

WSF Work Station Function Chức năng trạm công tác

Hình 6 Lô ngẫu nhiên K lớp đối tượng khác nhau tới một cách ngẫu

nhiên và chia sẻ các tài nguyên C

34

Hình 10 Mạng ATM 2 nút với đường thông hai chiều

có dung lượng C theo mỗi chiều

Hình 20 Topo mạng ATM 5 nút đầu tiên của Việt Nam theo quy

hoạch 5 vùng lưu lượng của Tổng Công ty BCVTVN

96

Hình 21 Lưu đồ thuật toán định tuyến động bằng phương pháp xấp

xỉ giảm tải cho mạng ATM -5 nút của Việt Nam

98

MỞ ĐẦU

Trong vài thập kỷ gần đây, mạng thông tin toàn cầu đã gia tăng với một tốc

độ đáng kinh ngạc Những tiến bộ nhanh chóng về khả năng xử lý ảnh và số liệu,

sự phát triển của các ứng dụng phần mềm trong lĩnh vực tin học và viễn thông cũng như nhu cầu các loại hình dịch vụ ngày càng phong phú đa dạng … đã thúc đẩy các nhà quản lý – khai thác viễn thông và các nhà nghiên cứu phải tìm kiếm các công nghệ truyền tin không chỉ có băng thông lớn, khả năng cung cấp dịch

vụ nhanh chóng mà còn phải linh hoạt, mềm dẻo ITU-T đã lựa chọn công nghệ ATM cho mạng đa dịch vụ băng rộng Mạng ATM có nhiều thành phần lưu lượng với băng thông và các yêu cầu chất lượng dịch vụ khác nhau, đồng thời do việc ghép thống kê và tài nguyên không đồng nhất nên vấn đề định tuyến trong mạng ATM là vô cùng phức tạp nhưng lại rất hệ trọng; vì nó không chỉ liên quan đến giải pháp thiết kế mạng mà còn quyết định chất lượng dịch vụ Việc định tuyến trong mạng ATM phải đảm bảo yêu cầu chất lượng dịch vụ (QoS), tức là đảm bảo mức cho phép về tổn thất tế bào, trễ tế bào và trượt tế bào

Xuất phát từ những cơ sở lý thuyết về mạng ATM, những khuyến nghị của ITU-T và thực tiễn của Việt Nam; bằng việc kế thừa các công trình nghiên cứu

về các giải pháp định tuyến cuộc gọi trong mạng đa dịch vụ, chúng ta sẽ chọn lựa các công cụ phù hợp để mô hình hoá mạng ATM và xây dựng các lưu đồ thuật toán cho việc giải quyết bài toán định tuyến động trong mạng ATM Từ đó

áp dụng để giải bài toán định tuyến động trong mạng ATM Việt Nam bao gồm 5

vùng lưu lượng theo định hướng của Tổng Công ty BC-VT Việt Nam Đó cũng chính là nội dung chủ yếu của luận văn được trình bày trong ba chương

Chương 1: Trình bày các phương pháp định tuyến trong mạng viễn thông hiện nay, chọn lựa công nghệ nền tảng cũng như giải pháp tổ chức thiết kế mạng Đây chính là bài toán cần đặt ra đối với mạng ATM Việt Nam

Chương 2: Nghiên cứu các mô hình và thuật toán để làm công cụ cho việc giải quyết bài toán định tuyến động trong mạng ATM Mô hình hoá mạng ATM

bằng hệ tổn hao và tiếp cận bằng lý thuyết lô ngẫu nhiên để phân tích và giải bài

toán định tuyến động theo phương pháp xấp xỉ giảm tải

Chương 3: Sử dụng các mô hình và thuật toán đã đề cập trong chương 2 để giải bài toán đặt ra trong chương 1 Từ đó áp dụng để giải bài toán định tuyến động trong mạng ATM Việt Nam với 5 vùng lưu lượng theo định hướng của Tổng Công ty BC-VT Việt Nam

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG ATM

1.1 Giới thiệu và khái niệm

Chất lượng của mạng ATM phụ thuộc vào các yếu tố như cấu hình, phương pháp tổ chức và quản lý mạng, trong đó một nhân tố rất quan trọng là phương pháp định tuyến Định tuyến là nhiệm vụ trung tâm trong việc thiết kế cấu trúc

và hoạt động của mạng ATM Mục đích của định tuyến là thiết lập kết nối đường thông giữa hai điểm bất kỳ nào trong mạng nhằm để cho lưu lượng người

sử dụng trực tiếp đi từ nguồn đến đúng đích của nó phù hợp với các yêu cầu dịch

vụ của mạng

Các yêu cầu dịch vụ đối với một mạng ATM thường được biểu diễn như một tập các mục tiêu Các mục tiêu có thể bao gồm việc tối đa hoá đặc tính chất lượng mạng (ví dụ: độ trễ và độ thông) và tối ưu hoá về chi phí (ví dụ: thiết bị và phương tiện truyền) Về cơ bản, các vấn đề về kỹ thuật mạng chịu sự ràng buộc trên các mục tiêu mạng Các ràng buộc xuất hiện từ các giới hạn về công nghệ,

số lượng người sử dụng và lưu lượng mạng cũng như các dịch vụ yêu cầu từ khách hàng Nó là bản chất định tuyến đa mục tiêu, đa ràng buộc mà thực hiện

nó như là bài toán phức tạp trong các mạng viễn thông

Mặc dù có nhiều giải pháp định tuyến được áp dụng trong mạng ATM nhưng tất cả đều có chung một nguyên lý cơ bản sau:

Thông tin trạng thái lưu lượng mạng có thể tập trung hoặc phân tán, với một mạng hoạt động thông tin trạng thái có thể bao gồm các dịch vụ sẵn dùng, các tài nguyên sẵn dùng và các điều kiện bất thường trong mạng Thông tin trạng thái có thể đạt được nhờ các giá trị đo, dự đoán từ mạng và từ các nguồn bên ngoài

Công việc cần thực hiện là chọn lựa các tuyến khả thi hoặc tối ưu trên cơ

sở thông tin trạng thái mạng ATM Các tuyến khả thi là các tuyến thoả mãn tất

cả các ràng buộc người sử dụng và mạng Các tuyến tối ưu là các tuyến khả thi tốt nhất về phương tiện và các mục tiêu mạng

Lưu lượng chuyển tiếp theo các tuyến đã chọn: trên một tuyến đã chọn lưu lượng để được chuyển tiếp theo một hoặc hai kiểu: chuyển tiếp định hướng kết nối và chuyển tiếp không định hướng kết nối Chuyển tiếp định hướng kết nối yêu cầu chuyển tiếp trực tiếp để thiết lập độ ưu tiên bằng cách sử dụng tuyến để mang lưu lượng người sử dụng Việc tiếp cận này thường được so sánh với việc đặt một cuộc gọi giữa các bên tham gia đàm thoại để việc truyền thông tin xảy

ra Các yêu cầu chuyển tiếp không kết nối mà người sử dụng lưu lượng mang đủ thông tin để cung cấp việc chuyển tiếp cho các chuyển mạch dọc theo tuyến mạng Định tuyến động là phương pháp định tuyến khả thi trong mạng ATM Hiện nay, phần lớn các công ty viễn thông lớn trên thế giới đã sử dụng các phương pháp định tuyến động khác nhau trong mạng của mình

Do tính chất quan trọng của việc định tuyến trong mạng viễn thông mà các tổ chức viễn thông hàng đầu như AT & T, NTT, BT cũng như một số nhà khoa học hàng đầu trên thế giới như F.P Kelly, A Girard, A Ash, đã triển khai nghiên cứu về các phương pháp định tuyến áp dụng thực tế vào mạng lưới và từng bước tối ưu hoá vấn đề định tuyến để mang lại hiệu quả cao về kỹ thuật và kinh tế Sau đây, chúng ta sẽ trình bày các giải pháp định tuyến được sử dụng trong mạng viễn thông hiện nay

1.2 Một số mô hình định tuyến

1.2.1 Định tuyến chia tải (LSR):

Định tuyến này hoạt động theo một nguyên tắc như sau: giả sử ta có một tập đường thông R, với các đường thông r1, r2, r3, lưu lượng tới t được phân chia thành các lưu lượng nhỏ ti để dựa vào các đường thông ri tương ứng bằng các hệ số phân chia cố định

Nếu đường Ki bị chiếm hết thì các cuộc gọi trong ti sẽ bi rớt Đối với phương pháp này, các phần lưu lượng đã được chia nhỏ sẽ có tính chất tương tự như lưu lượng gốc t

Hình 1: Định tuyến chia tải

* Đánh giá định tuyến:

Ưu điểm: Cho phép các xác suất phân bổ cuộc gọi vào các hướng cố định

và việc tối ưu hoá có thể được thực hiện bằng phương pháp phi tuyến tính chuẩn

Nhược điểm: Các hệ số chia tải cố định nên không có khả năng chọn đường thông khác ngoài đường đã được phân chia từ đầu, nếu đường này bị chiếm hết thì cuộc gọi sẽ bị rơi mặc dù có thể có đường thông còn rỗi để nối nó

Do đó, tính hiệu quả của phương pháp định tuyến này không cao

Để khắc phục nhược điểm trên người ta đưa ra các quy tắc chọn đường thông khác linh hoạt hơn cụ thể là đường thông sẽ chọn từ tập các đường thông

có thể dùng kết hợp các đường thông được sắp xếp theo thứ tự nhất định cho trước, phương pháp này được gọi là định tuyến tuần tự

1.2.2 Định tuyện tuần tự (SR):

Định tuyến tuần tự được sử dụng rất sớm, có thể nói đây là phương pháp định tuyến cơ bản nhất Đối với phương pháp định tuyến này, thứ tự các đường thông dùng để kết nối được sắp xếp trước và cuộc gọi sẽ được kết nối trên đường thông còn kênh trung kế rỗi đầu tiên trong thứ tự này Quy tắc thực hiện như sau: đầu tiên sẽ kiểm tra tuyến trực tiếp, sau đó sẽ lần lượt kiểm tra các tuyến luân phiên qua hai chặng theo thứ tự định trước Cụ thể hơn, thứ tự tập con của tuyến gồm hai chặng được kết hợp với mỗi cặp chuyển mạch; nếu một cuộc gọi lớn mà tuyến trực tiếp đầy thì cuộc gọi được thiết lập trên tuyến luân phiên cho phép thứ nhất theo thứ tự trong danh mục định sẵn; nếu tát cả các tuyến được chọn lựa đều không cho phép thì cuộc gọi bị huỷ Xuất phát từ cơ chế chọn đường thông này mà phương pháp này được gọi là định tuyến tuần tự Định tuyến tuần tự tương đối đa dạng vì có thể nhiều cách để quy định thứ tự chọn đường thông Một số phương pháp tiêu biểu của định tuyến tuần tự : định tuyến tuần tự phân cấp cố định, định tuyến tuần tự động và định tuyến tuần tự động không phân cấp

a Định tuyến tuần tự phân cấp cố định (FHR)

Đây là phương pháp định tuyến cổ điển nhất, đơn giản nhất và được sử dụng nhiều trong các mạng viễn thông Phương pháp này được áp dụng từ khi mạng viễn thông còn sử dụng các tổng đài cơ điện với khả năng xử lý và định tuyến còn rất hạn chế Cho tới nay, mặc dù đã dùng tổng đài điện tử được khiển bằng chương trình lưu sẵn nhưng nó vẫn còn được sử dụng tương đối rộng rãi trong các mạng viễn thông

Hình 2: Định tuyến tuần tự cấp cố định

Trong phương pháp định tuyến này, ứng với mỗi cặp tổng đài - đi đến, người ta chỉ định sẵn một tập hợp các đường thông sẽ được chọn để kết nối các cuộc gọi Tập hợp các đường thông này thông thường sẽ không bao gồm đầy đủ tất cả các đường thông có thể dùng để kết nối giữa hai tổng đài đi - đến mà ít hơn nhiều Bên cạnh đó, tập hợp các đường thông này được kiểm tra theo độ thứ

tự cố định đã xác định trước và cuộc gọi sẽ được kết nối trên đường thông rỗi đầu tiên Nếu đường thông đang xét bị bận thì cuộc gọi đó có thể bị huỷ hoặc ta

có thể thử đường thông kế tiếp trong thứ tự, lúc này ta nói rằng cuộc gọi đã bị

"tràn" sang đường thông kế tiếp Để kết nối các cuộc gọi từ a đến e có thể dùng đường thông trực tiếp (a,e) và các đường thông kế tiếp khác (a, d, e); (a, b, e); (a,

b, d, c) và cuối cùng là (a, b, c, d, e) Giả sử các đoạn tuyến (a, e) và (a, d) bị bận và các đoạn tuyến (a, b), (b, e) và (d,e) còn rỗi, ta có thể kết nối cuộc gọi từ

a qua b để tới e Nhưng nếu đoạn tuyến (b, e) cũng bị bận thì cuộc gọi có thể bị huỷ, hoặc ta có thể xét tiếp các đường (a, b, d, e) và (a, b, c, d, e)

Định tuyến này được gọi là định tuyến phân cấp khi các tổng đài được phân thành các cấp khác nhau Tổng đài cấp thấp nhất được gọi là tổng đài đầu cuối và là nơi kết nối trực tiếp với các thuê bao Cấp kế trên là các tổng đài đường dài cấp nội vùng, cấp vùng, cấp quốc gia, trong đó mỗi tổng đài chỉ có một tổng đài cấp cao hơn để kết nối với các tổng dài khác trên mạng bằng những đường hiệu dụng cao Như vậy, đối với bất cứ một cặp tổng đài nào cũng chỉ có một đường thông cuối cùng được tạo nên bởi các trung kế cuối cùng

Định tuyến tuần tự phân cấp được áp dụng cho mạng có cấu trúc phân cấp với các quy tắc sau

1 Khi một cuộc gọi cần được kết nối, chỉ có tổng đài đến là đóng vai trò quan trọng, còn tổng đài đi không có vai trò quyết định

2 Khi một cuộc gọi đi tới một tổng đài, cuộc gọi sẽ được định tuyến trên đường thông còn rỗi đầu tiên trong thứ tự các đường thông cho trước

3 Thứ tự để chọn các đường thông được xác định bởi tổng đài đang giữ cuộc gọi, với mục đích tìm được nhóm trung kế gần nhất để kết nối tới tổng đài đến

4 Sự lựa chọn cuối cùng bao giờ cũng là nhóm trung kế đi lên tổng đài bậc cao hơn, nếu cuộc gọi bị chặn tại nhóm trung kế này thì sẽ bị huỷ bỏ, do vậy nhóm trung kế này được gọi là nhóm trung kế cuối cùng

* Đánh giá định tuyến

Ưu điểm:

- Loại trừ được khả năng xảy ra định tuyến quay vòng, tức là cuộc gọi khi

đi qua một tổng đài lại bị chuyển quay lại chính tổng đài nơi xuất phát

- Có thể được áp dụng trong điều kiện các phần cứng rất đơn giản, với lưu lượng thông tin và khả năng điều khiển hạn chế

Nhược điểm:

- Mạng có thể bị nghẽn trong giờ cao điểm do một số lưu lượng sẽ tập trung tại cấp trên cùng của mạng hoặc mạng sẽ rất rỗi trong thời gian còn lại, gây lãng phí

- Độ tin cậy của mạng không cao vì khi một nút bị sự cố sẽ ảnh hưởng đến

cả phần mạng liên quan

- Chất lượng tín hiệu giảm sút vì phải đi qua nhiều phần tử mạng

Để khắc phục những hạn chế trên, các nhà khai thác cho phép thay đổi dung lượng trung kế trên các đường hiệu dụng cao và các đường thông cuối cùng trong các giờ khác nhau để đáp ứng sự thay đổi của lưu lượng trong các giờ

đó Dung lượng này có thể được tăng thêm hoặc bớt đi tương ứng với dự báo

thay đổi lưu lượng trên cơ sở quá trình thống kê Xuất phát từ tính chất trên, phương pháp này được gọi là định tuyến động phân cấp Ta thấy rằng phương pháp này chỉ có hiệu quả trong trường hợp sự thay đổi lưu lượng tải trên các hướng khác nhau không xảy ra cùng một thời điểm và đây không có việc lựa chọn đường thông một cách tối ưu trên toàn mạng

b Định tuyến tuần tự động không phân cấp (DNHR)

Phương pháp định tuyến này được sử dụng trong mạng AT & T- hãng viễn thông đường dài lớn nhất của Mỹ, trong suốt những năm cuối của thập kỷ

80 Trong quá trình thực hiện DNHR, các tập hợp con kết hợp với các cặp chuyển mạch, thứ tự các tuyến bên trong các tập con, dung lượng các đường thông ảo và các tham số dành riêng trung kế thay đổi theo chu kỳ 10 lần trong ngày Các tham số định tuyến này được xác định cho mỗi chu kỳ thời gian bằng các kỹ thuật tinh vi, tập trung hoá việc tính toán dựa trên lưu lượng dự báo

Định tuyến trong trường hợp này vẫn thuộc loại định tuyến tuần tự, tuy nhiên tất cả các đường thông đều được giới hạn nhiều nhất bởi hai đoạn tuyến Quy tắc này được đặt ra để tránh trường hợp lưu lượng bị tập trung vào các đường thông quá dài dễ dẫn đến quá tải Bên cạnh đó, định tuyến DNHR lại là định tuyến động, bởi vì bảng định tuyến không là cố định mà thường xuyên thay đổi Trong quá trình thiết kế mạng lưới, nhu cầu lưu lượng được tập hợp thành một số ma trận lưu lượng, tương ứng với những thời điểm khác nhau trong một ngày Thông thường người ta chia một ngày ra làm 10 khoảng thời gian Từ đây, người ta tính toán các bảng định tuyến, nói cách khác là những thứ tự chọn đường thông cho từng khoảng thời gian và cho từng hướng lưu lượng một Các bảng định tuyến này được coi là "gần như tối ưu" (vì vẫn chưa được tính toán trên thời gian thực của hệ thống) Sáu khi được thiết kế, các bảng định tuyến này được lưu trữ tại tổng đài

Tập con của các tuyến chọn lựa cho mỗi cặp chuyển mạch được duy trì trong phần mềm chuyển mạch Việc sửa đổi nó có thể thực hiện thông qua mạng CCS Khi một tuyến chọn lựa mà đường thông thứ hai của nó bị lấp đầy thì

mạng CCS thực hiện việc quay lại bằng cách gửi một tín hiệu trở lại chuyển mạch gốc của nó để tiến hành thử với một tuyến chọn lựa khác

Khi áp dụng phương pháp định tuyến nói chung và DNHR nói riêng, người ta cần phải có những điều kiện sau:

- Các tổng đài phải có chức năng định tuyến động để lưu trữ, thay đổi bạng định tuyến, và phải có khả năng cung cấp thông tin về trạng thái mạng lưới

về trung tâm quản lý mạng qua hệ thống báo hiệu

- Thiết lập một hoặc vài trung tâm quản lý mạng (NMC) để điều hành chung việc định tuyến, cụ thể là thu nhập thông tin về trạng thái lưu lượng trên mạng, từ đó tính toán để đưa ra các bảng định tuyến

- Cần có một giao thức hay tín hiệu điều khiển cho các tổng đài để truyền thông tin về trạng thái lưu lượng đến NMC và để NMC thống kê xử lý, gửi lại các thông tin cho định tuyến phù hợp

* Đánh giá định tuyến

Ưu điểm:

- Không còn quan hệ phân cấp giữa các tổng đài nữa Tất cả các tổng đài trong mạng DNHR đều ngang cấp với nhau và đều có khả năng thực hiện những chức năng như nhau (nội hạt + chuyển tiếp) và có rất nhiều đường trung kế kết nối lẫn nhau Do vậy, không còn những đường trục xương sống rất lớn và sự khác biệt giữa các đường hiệu dụng cao và các đường thông cuối cùng cũng không còn rõ ràng như trước nữa Nói cách khác, một nhóm trung kế vừa có thể

là đường hiệu dụng cao đối với một hướng lưu lượng này nhưng lại có thể là đường cuối cùng đối với nhóm lưu lượng khác Cấu trúc mạng như vậy đã dẫn đến việc định tuyến phải vừa phức tạp vừa linh hoạt: phức tạp vì không còn những đường thông đơn giản và cố định trước trên cơ sở phân cấp mạng lưới như trước nữa, nhưng sẽ linh hoạt hơn vì sẽ có thể rất nhiều phương án kết nối

có thể được xác lập

- Hiệu quả cuộc gọi thành công đã được tăng lên đáng kể nhờ chức năng cho phép cuộc gọi quay trở lại

- Có thể sử dụng các tham số thống kê về lưu lượng đều đặn (theo ngày, theo mùa) và dự kiến lưu lượng bột phát ngẫu nhiên khi chọn đường để nâng cao hiệu quả và độ an toàn, có nhiều phương án để chọn đường thông

- Xác suất khoá cuộc gọi giảm đáng kể nhờ mạng có nhiều kết nối Khi tuyến trực tiếp đầy, các đường thông dự bị có thể được tổ chức để kết nối các cuộc gọi bị tràn Với rất nhiều kết nối trong mạng, ta có khả năng chia tải rất nhiều Bên cạnh đó, khi lưu lượng trên đường nối trực tiếp không lớn, ta có thể

sử dụng nó như đường thông dự bị cho các kết nối khác Như vậy, cuộc gọi với các cặp địa chỉ đi-đến khác nhau có thể cùng chia sẻ dung lượng đường thông và chuyển mạch lớn hơn để kết nối

Nhược điểm:

- Lưu lượng dự báo không phải tuyệt đối chính xác nên các bảng định tuyến được tính toán nói chung không phải là tối ưu tuyệt đối cho các tình huống lưu lượng trên mạng lưới Các sự cố quá tải có thể xảy ra vào bất cứ thời điểm

và vị trí nào trên mạng

- Do yêu cầu phải thay đổi các bảng định tuyến một cách tương đối thường xuyên (ví dụ: 10 lần trong một ngày) nên phương pháp định tuyến DNHR chỉ có thể áp dụng trên các hệ thống chuyển mạch được điều khiển bằng chương trình lưu sẵn (SPC) Hơn nữa, vịêc cho phép các cuộc gọi quay lại chỉ

có thể được thực hiện bởi các phương pháp báo hiệu ngoài băng là đặc điểm của mạng truyền dẫn số Do đó, DNHR bị giới hạn áp dụng trong phạm vi các mạng

số hoá hoàn toàn

Việc áp dụng DNHR là một bước tiến lớn trong lĩnh vực quản lý và thiết

kế mạng Việc quản lý, điều hành và khai thác mạng trở nên tập trung hoá hơn Các phương pháp thiết kế cũng thay đổi hơn so với phương pháp cổ điển, với một yêu cầu lớn được đặt ra trong mạng định tuyến phân cấp cố định Từ đây

người ta nghiên cứu phát triển những phương pháp định tuyến động hiện đại hơn

1.2.3 Định tuyến ngẫu nhiên (RAR)

Định tuyến ngẫu nhiên là mô hình định tuyến đơn giản Mô hình chọn ngẫu nhiên một trong N-2 tuyến luân phiên (gồm hai đoạn tuyến) khi tuyến trực tiếp đầy; nếu tuyến chọn lựa đã chọn là không cho phép thì cuộc gọi bị khoá Một mô hình thông minh hơn là định tuyến ngẫu nhiên có hướng Nó kết hợp mỗi cặp chuyển mạch một tuyến gồm hai đoạn tuyến Nếu tại một cuộc gọi tới tuyến trực tiếp đầy và các tuyến chọn lựa kết hợp cho phép thì cuộc gọi được thiết lập trong tuyến luân phiên kết hợp; mặt khác, cuộc gọi bị khoá và một tuyến luân phiên kết hợp mới được chọn cho việc sử dụng các cuộc gọi đến sau Tuyến chọn lựa kết hợp mới được chọn một cách ngẫu nhiên từ N-3 tuyến luân phiên còn lại theo một sự phân bố đều Định tuyến ngẫu nhiên có hướng là bản chất của định tuyến luân phiên động (DAR) mô hình này nằm trong kế hoạch của mạng viễn thông Vương Quốc Anh Phương pháp định tuyến luân phiên hoạt động như sau: sử dụng các đường thông có tối đa hai đoạn tuyến và đi qua một tổng dài Tandem Xét việc thiết lập cuộc gọi giữa tổng đài i và tổng đài j thì đầu tiên nó kiểm tra tuyến trực tiếp, nếu tuyến trực tiếp đầy thì cuộc gọi được đưa đến tuyến luân phiên thứ hai là đường thông i-k-j đi qua tổng đài Tandem k, với k là tham số đang được lưu giữ tại tổng đài xuất phát Nếu đường thông i-k-j còn rỗi thì cuộc gọi được kết nối, tham số k không đổi và tiếp tục được lưu trữ, còn nếu đường thông i-k-j cũng bận thì một đường thông i-k'-j đi qua tổng đài Tandem k' khác sẽ được chọn, lần này tham số k' được chọn một cách ngẫu nhiên trong tập các tổng đài Tandem K cho trước

* Đánh giá định tuyến:

Ưu điểm:

- Không cần có những phép đo phức tạp về trạng thái mạng, thông tin phản hồi duy nhất được sử dụng là việc cuộc gọi có bị chặn hay không bị chặn trên đường thông hiện đại (i-k-j)

- Có thể đáp ứng các thay đổi lưu lượng đột ngột với một báo hiệu tối thiểu giữa các chuyển mạch

1.2.4 Định tuyến thích nghi (AR)

Định tuyến thích nghi hay còn gọi là định tuyến theo trạng thái thực của mạng, đây có thể xem là trường hợp đặc biệt của định tuyến động bởi vì việc định tuyến không bị gò bó, cứng nhắc như trong một số phương pháp định tuyến

cố định, ở đây các đường thông được chọn một cách linh hoạt

Định tuyến thích nghi cũng làm việc với một tập cố định các đường thông nhưng với thứ tự không xác định trước Tại mỗi thời điểm, một "giá trị" được gán cho từng đường thông (hoặc nhóm đường thông) trong tập này, và đường thông nào có giá trị lớn nhất (hoặc nhỏ nhất) sẽ được chọn ra để kết nối cuộc gọi Cơ chế chọn đường thông này hết sức đa dạng và phục thuộc vào việc định nghĩa giá trị của đường thông, cách cập nhật các giá trị này, hoặc cách sử dụng các yếu tố xác suất để chọn đường thông và còn nhiều yếu tố khác nữa Do vậy,

có thể có rất nhiều phương pháp định tuyến thích nghi khác nhau, trong đó có phương pháp đã được áp dụng trên mạng như: định tuyến điều khiển động, định tuyến tải tối thiểu, định tuyến theo sơ đồ trạng thái trung kế, Ta xét một vài phương pháp định tuyến thích nghi điển hình như sau:

a Định tuyến tải tối thiểu (LLR)

Định tuyến tải tối thiểu (LLR) là một mô hình có chỉ tiêu độ thông cao hơn DNHR và DAR, nhưng có yêu cầu chuyển đổi thông tin báo hiệu lớn hơn giữa các chuyển mạch Mô hình LLR hoạt động như sau: khi tuyến trực tiếp đầy, tuyến chọn lựa với dung lượng rỗi lớn nhất (không tính phần dành riêng trung

kế) được chọn từ tập các tuyến cho phép; nếu không có tuyến luân phiên cho phép thì cuộc gọi bị khoá Vì vậy, LLR có khuynh hướng phân bố đều dung lượng rỗi giữa tuyến các tuyến chọn lựa

LLR là dạng cơ bản của định tuyến mạng theo thời gian thực (RTNR) và

đã được AT & T sử dụng trong mạng đường dài trong nước từ đầu những năm

1990 Trong việc thực hiện RTNR, khi tuyến trực tiếp đầy, chuyển mạch gốc chất vấn chuyển mạch đầu cuối thông qua mạng CCS về trạng thái bận rỗi đã nhận được từ chuyển mạch đầu cuối, để xác định tuyến lựa chọn dùng tải tối thiểu RTNR cũng phân loại các trạng thái chiếm giữ của đường thông thành một số nhỏ trạng thái chung và xác định tuyến dùng tải tối thiểu đối với trạng thái tổng

* Đánh giá định tuyến:

Ưu điểm: Có chỉ tiêu về độ thông cao với các phương pháp định tuyến DNHR và DAR nhờ chuyển mạch gốc chất vấn chuyển mạch đầu cuối về trạng thái bận - rỗi của đường thông

Nhược điểm: Lưu lượng trải đều trên các tuyến nên hiệu suất sử dụng đường thông không cao

b Định tuyến điều khiển động (DCR)

DCR do Bell Northern Research nghiên cứu và được Canada áp dụng cho

mạng viễn thông quốc gia Định tuyến điều khiển động sử dụng bộ xử lý trung

tâm để theo dõi trạng thái bận - rỗi của các đường thông, trên cơ sở đó xác định các tuyến chọn lựa thích hợp thông qua dữ liệu trạng thái được cập nhật 15 giây một lần Các cuộc gọi xuất phát từ tổng đài c để đi tới tổng đài d trước hết sẽ ưu tiên đi trên đường thông trực tiếp c-d nối hai tổng đài này, còn gọi là đường hiệu dụng cao Nếu đường thông c-d bị chiếm hết dung lượng thì cuộc gọi sẽ được định tuyến sang đường thông ưu tiên thứ hai c-b-d được cấu tạo từ hai chặng và

đi qua một nút quá giang (tổng đài b)

Hình 3: Định tuyến DCR

Việc chọn đường thông (chính xác hơn là chọn tổng đài quá giang - Tandem) được thực hiện như sau: nó sử dụng các nhóm thông tin rộng nhất để quyết định tuyến, đó là thông tin về sự chiếm dụng đường thông trên tất cả các phép đo thực tế tại các tổng đài Cuộc gọi được định tuyến trên nhóm trung kế

có dung lượng còn rỗi theo dự báo là nhiều nhất Do đó, phương pháp này đòi hỏi phải thay đổi các bảng định tuyến một cách linh hoạt và cần có lượng thông tin lớn để xử lý nên nó chỉ có thể áp dụng được cho các mạng chuyển mạch điều khiển bằng chương trình lưu sẵn và hệ thống báo hiệu tiên tiến (như CCS7)

Tổng đài quá giang được chọn theo công suất tỷ lệ với dung lượng dự báo còn rỗi của đường thông c-b-d Để xem xét thuật toán xác suất này, ta ký hiệu các tham số:

Ns: số lượng mạch của nhóm trung kế s

Rs(t): số lượng trung kế dự báo còn rỗi của nhóm trung kế s tại thời điểm t

ns(t): số trung kế bận của nhóm trung kế s tại thời điểm t

As(t): tỷ lệ ước tính số cuộc gọi tới nhóm trung kế s tại thời điểm t

s(t): thời gian giữ cuộc gọi trung bình trên nhóm trung kế s

ms(t): mức giữ trạng thái tại thời gian t trên nhóm s, đây là mức độ chiếm kênh mà tại đó các cuộc gọi tràn sẽ bị rơi

s(): thời gian giữ cuộc gọi trung bình trên nhóm trung kế s

ms(t): mức giữ trạng thái tại thời gian t trên nhóm s, đây là mức độ chiếm kênh mà tại đó các cuộc gọi tràn sẽ bị rơi

Ms(): số cuộc gọi thực tế tới nhóm s trong khoảng thời gian 

akcd: xác suất chọn tổng đài b cho các cuộc gọi từ c đến d

: khoảng cập nhật, cứ sau  giây, trung tâm điều khiển mạng lấy thông tin từ các trung tâm chuyển mạch về độ chiếm dụng của các trung kế, thông tin này được xử lý và sau đó một bảng định tuyến mới được gởi tới các trung tâm chuyển mạch để sử dụng cho  giây tiếp theo

Dung lượng ước tính còn lại của nhóm trung kế s tại thời gian t+ được tính bằng phép toán đơn giản:

Rs(t+) = Ns-ns(t) - (As(t) - ns(t)/s]-ms(t) Tại thời điểm t, tỷ lệ cuộc gọi tới (ước tính) được cập nhật bằng:

c Định tuyến theo sơ đồ trạng thái trung kế (TSMR)

TSMR đã được AT&T nghiên cứu để khắc phục hạn chế trong một số phương pháp định tuyến chẳng hạn như định tuyến động không phân cấp DNHR, đó là không đáp ứng được những thay đổi nhanh của mạng lưới, như trong khoảng thời gian ngắn tính bằng phút

Thuật toán định tuyến TSMR cũng làm việc với các tập hợp đường thông như của phương pháp định tuyến DNHR, nhưng việc chọn đường thông không còn tuân theo thứ tự sắp xếp cố định từ trước nữa mà phụ thuộc vào tham số của các nhóm trung kế, cụ thể hơn là độ chiếm dụng đường thông trên các nhóm trung kế đó Cách thực hiện của TSMR có thể là: 1) định tuyến cuộc gọi theo đường thông có tải nhỏ nhất tại thời điểm hiện tại; 2) hoặc định tuyến cuộc gọi theo đường nối trực tiếp, nếu đường này bận thì chuyển sang đường thông có tải nhỏ nhất; 3) hoặc định tuyến cuộc gọi theo đường thông đầu tiên trong thứ tự đường thông được tính toán ra bởi phương pháp DNHR, nếu đường này bận thì chuyển sang đường thông có tải nhỏ nhất

Các trường hợp 1 và 2 có hiệu quả không cao lắm vì đường thông có tải nhỏ nhất chưa chắc đã là đường thông tối ưu nhất trên mạng tại thời điểm đó Trên thực tế, phương pháp định tuyến TSMR (cách thứ ba) được áp dụng bằng việc thiết lập một trung tâm theo dõi trạng thái trung kế, bao gồm thông tin về các tuyến trung kế giữa tất cả các tổng đài Cứ khoảng sau thời gain  giây, mỗi tổng đài lại gởi về trung tâm các thông tin cạp nhật về số trung kế còn rỗi Trung tâm này tính toán ra tập hợp các đường thông mới (bảng định tuyến) và gởi lại các tổng đài để sử dụng cho khoảng thời gian  tiếp theo Như vậy, thứ tự các đường thông sẽ được các tổng đài lưu trữ làm hai phần: phần 1 là đường thông đầu tiên được tính toán bởi phương pháp DNHR dựa trên các số liệu thống kê và

dự báo, còn phần 2 là các đường thứ cấp được trung tâm điều khiển tính toán Thực tế cho thấy không nhất thiết phải tính toán lại các đường thông trong phần

2 vì chỉ cần định tuyến cuộc gọi theo đường có tải nhỏ nhất là đủ để đạt hiệu quả chấp nhận được

Để hạn chế việc thay đổi bảng định tuyến sau mỗi khoảng thời gian  giây người ta sử dụng một mức ngưỡng để xác định khi nào cần thay đổi Việc đưa ra mức ngưỡng này xuất phát từ cơ sở thực tế là trong cả hai trường hợp đường thông thứ nhất và thứ hai đều chịu tải tương đối nhỏ thì rõ ràng tất cả các cuộc gọi gọi trong  giây tiếp theo đều có thể được kết nối sử dụng 2 đường này là đủ Trong thực tế, mức ngưỡng này thường được lấy là N/8 trong đó N là số lượng kênh trung kế của đường nối trực tiếp

Khi chọn đường thông có tải nhỏ nhất, cần lưu ý rằng các luồng trung kế dung lượng lớn thường có thể có rất nhiều kênh rỗi trong những khoảng thời gian ngắn, nhưng sau đó lại có thể bị chiếm đầy lại rất nhanh Nếu thời điểm cập nhật thông tin lại rơi đúng vào trong khoảng thời gian này thì bảng định tuyến sẽ không còn chính xác nữa Bởi vậy, thông thường số kênh còn rỗi của các luồng trung kế lớn được tính bớt đi một đại lượng tương đương với N/36, trong đó N là

số kênh của luồng trung kế đó

Hiệu quả của phương pháp định tuyến TSMR đã được kiểm định trên mạng và cho thấy rằng số lượng các cuộc gọi bị "trả lại" là tương đối nhỏ, và độ chiếm dụng các bộ xử lý của tổng đài bị tăng lên không đáng kể Trong khoảng thời gian cập nhật  giây được ước tính trong khoảng giữa của hai trường hợp: 1

nhỏ, chất lượng định tuyến tốt nhưng bộ xử lý trung tâm phải hoạt động nhiều lên và 2 lớn, gây ra nghẽn mạch và các cuộc gọi bị trả lại vì bảng định tuyến không được cập nhật kịp thời Người ta thấy rằng khoảng thời gian cập nhật nằm giữa 2 và 10 giây là tối ưu nhất

Nhược điểm

Thuật toán định tuyến thích nghi tuy đã được áp dụng, nhưng cũng mới chỉ dừng lại ở mức độ tối ưu cho từng hướng trung kế mà chưa xuất phát từ góc

độ tối ưu trên tổng thể toàn mạng Ngoài ra, TSMR cũng chỉ thích hợp với mạng

có công nghệ hiện đại

d Định tuyến tối ƣu trên cơ sở các hàm giá trị

Định tuyến thích nghi có thể được phát biểu một cách tổng quát hơn bằng việc sử dụng các hàm giá trị như dung lượng còn rỗi (DCR) hoặc lưu lượng tải của các đường thông (TSMR) Thực tế trên mạng, mỗi cuộc gọi đều có thể được xếp vào một loại cuộc gọi nào đó, ta ký hiệu là k, việc phân loại k có thể phụ thuộc vào địa chỉ của cặp tổng đài đi-đến hoặc phụ thuộc vào các tham số khác như loại dịch vụ, băng tần, Mỗi cuộc gọi loại k khi được kết nối thành công sẽ tạo ra một doanh thu rk Tuy nhiên khi kết nối cuộc gọi này, rất có thể sẽ xảy ra trường hợp một số cuộc gọi thuộc loại khác bị hủy mất do đường thông

đã bị chiếm và điều này dẫn tới việc lượng doanh thu tương ứng nào đó có thể bị mất

Như vậy, độ tăng ích gk

của mạng khi kết nối thêm một cuộc gọi loại k có thể được xác định bằng hiệu số gk

= rk- s  lqss Khi đó ta có thể quyết định kết nối cuộc gọi này nếu độ tăng ích gk

này là dương, còn nếu độ tăng ích này lại là

âm thì có thể không nên kết nối nữa

Định tuyến theo hàm giá trị có thể được phân biệt thành 2 loại là định

tuyến thích nghi cục bộ và định tuyến thích nghi tập trung Nếu việc quyết định

kết nối cuộc gọi được xử lý và quyết định bởi chính tổng đài nút đi, sau khi trao đổi thông tin với các nút mạng khác và trung tâm quản lý mạng (nếu có), thì

được gọi là định tuyến thích nghi cục bộ TSMR, DAR hoạt động theo mô hình

này Nếu việc quyết định kết nối thông qua hàm mục tiêu tổng lợi ích thu được trên toàn mạng theo các hệ số phân chia lưu lượng sao cho tổng lợi ích mang lại

trên mạng là lớn nhất Định tuyến trong trường hợp này được gọi là định tuyến

tối ưu hay định tuyến thích nghi tập trung

* Đánh giá định tuyến

- Việc điều khiển lưu lượng đã được kết hợp vì lưu lượng tải đã đạt đên một mức độ nhất định thì xác suất cuộc gọi bị chặn sẽ lớn lên cho đến khi tất cả các độ tăng ích của mạng đều là âm mặc dù có thể vẫn còn một vài đường thông còn rỗi Lúc này sẽ không có thêm cuộc gọi nào được kết nối nữa, do vậy tránh được tình trạng quá tải trên mạng

- Lưu lượng trên mạng có thể được điều chỉnh bằng các hàm quản lý mạng dựa trên cách phân loại các cuộc gọi và các trọng số tương ứng gán cho chúng trên các đường thông

Như vậy, chúng ta có thể thấy rằng, việc nghiên cứu các phương pháp định tuyến tối ưu dựa trên các giá trị đường thông đã mở ra một hướng phát triển quan trọng mới của định tuyến, đó là các phương pháp định tuyến thích nghi theo thời gian thực, trong đó các giá trị đường thông được tính toán, cập nhật liên tục sau những khoảng thời gian ngắn và lưu lượng được định tuyến theo từng cuộc gọi một nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng mạng lưới một cách cao nhất

1.2.5 Định tuyến truyền tải động (DTR)

Cùng với sự tiến bộ của công nghệ mới, việc nghiên cứu những phương pháp định tuyến động cho mạng truyền tải động (DTR) có thể được kết hợp với định tuyến lưu lượng để thay đổi độ rộng băng tần (số lượng kênh trung kế) của đường truyền dẫn giữa các tổng đài nhằm đáp ứng nhu cầu thay đổi về lưu lượng trên mạng, đặc biệt là mạng dịch vụ với những cuộc gọi rất khác nhau về băng tần cũng như về độ dài Định tuyến mạng truyền tải động cho ta khả năng tự động dự phòng các tuyến truyền dẫn, chuyển hướng tuyến, khôi phục tuyến một cách nhanh chóng để nâng cao độ sử dụng các tuyến truyền dẫn và chất lượng của mạng trong những điều kiện nguy cấp

Định tuyến mạng truyền tải động hoạt động trên cơ sở mạng truyền tải lôgic Ở đây ta cần phân biệt giữa mạng vật lý và mạng logic Mạng truyền dẫn vật lý được biểu diễn bởi những tuyến truyền dẫn vật lý kết nối giữa các điểm có

vị trí địa lý khác nhau Còn mạng truyền dẫn logic được biểu diễn bằng các đường trung kế logic kết nối giữa các nút chuyển mạch Một đường trung kế có thể có từ một đến hàng nghìn trung kế, tuỳ thuộc vào thiết kế của các nhà quản

lý mạng Trước đây, các kênh và tuyến trung kế trên sơ đồ mạng logic cũng đồng nghĩa với các kênh và tuyến trung kế vật lý Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ, với sự ra đời của các hệ thống truyền dẫn quang dung lượng lớn

và các hệ thống chuyển mạch - đấu chéo băng rộng, người ta có thể thiết kế ra những mạng trung kế logic phức tạp với những tuyến trung kế nối thẳng giữa các tổng đài mà trên mạng vật lý thực tế không thể thiết lập được Một ví dụ đơn giản được biểu diễn trên hình 4

Hình 4 Mạng truyền tải vật lý và logic

Với các hệ thống đấu chéo số (DXC), ta có thể chuyển mạch các luồng truyền dẫn (ví dụ các luồng E1, T1) sang hướng truyền dẫn khác, hoặc tập trung lại thành các luồng truyền dẫn có tốc độ cao (ví dụ E3) Các tuyến truyền dẫn có

Bộ chuyển mạch đấu chéo luồng

Cáp quang

Logic

thể được sắp xếp lại theo yêu cầu trong vòng thời gian chuyển mạch khoảng hàng chục miligiây Do đó, nhờ sử dụng các bộ đấu chéo số, ta có thể hình dung lượng mạch trung kế logic theo yêu cầu phù hợp với các tính toán sẵn, ví dụ như vào giờ cao điểm, các thời điểm khác nhau trong tuần, hoặc khôi phục lại khẩn cấp dung lượng tuyến trong trường hợp có sự truyền hoặc sự cố các nút chuyển mạch Việc cấu hình lại mạng ở đây bao gồm cả việc thay đổi độ rộng băng tần (dung lượng), cũng như việc sắp xếp lại các tuyến trung kế nối giữa các tổng đài Công nghệ đấu chéo số đã cho phép thực hiện tập trung hoá hơn việc quản lý mạng truyền tải, thậm chí khả năng định tuyến mạng truyền tải theo thời gian thực

1.2.6 Định tuyến chi phí thấp nhất (MCR)

Định tuyến chi phí thấp nhất (MCR) là một phương pháp định tuyến theo

"chức năng giá cả” có sự cố so sánh giữa chi phí chấp nhận cuộc gọi so với tổn

hao tiềm tàng trong độ phục hồi mạng trong thời gian giữa các cuộc gọi Chức năng giá cả không những xem xét trạng thái của mạng tại thời điểm cuộc gọi đi, tới mà cả xác suất tắc nghẽn mạng Khi một cuộc gọi đi tới, hệ thống sẽ ra quyết định định tuyến dựa trên chi phí sử dụng các đường khác nhau Cuộc gọi tới sẽ được gán cho một đường truyền có chi phí tối thiểu với điều kiện là phải thoả mãn chi phí tối thiểu này thấp hơn tổn hao tiềm năng trong độ phục hồi mạng mà

nó có thể phải chịu trong thời gian giữ cuộc gọi

Xem mạng như một hệ thống xếp hàng độc lập với trạng thái X1, cỡ K Giả sử rằng có một cuộc gọi loại k đi tới nói l Xác định giá trị hoặc chi phí tương đối của điểm bắt đầu trong trạng thái X1 là M(X1) Chi phí bị tổn thất trong thời gian giữ cuộc gọi tới là: M(X1’) - M(X1) Nếu cuộc gọi đến sử dụng một đường có nhiều hơn một kết nối thì mức giá gia tăng trong phần bị mất là:

M(X1’) - M(X1)

Định tuyến chi phí thấp nhất không cho phép có nhiều hơn 2 chặng trong một đường truyền, ở đây nó cũng khác một số định tuyến khác là không ưu tiên tuyến trực tiếp rõ rệt so với tuyến luân phiên (qua 2 chặng) Nếu đường truyền

được chọn có độ phục hồi mạng lớn hơn hoặc bằng độ lợi đạt được do vận chuyển cuộc gọi thì việc vận chuyển cuộc gọi không có nghĩa lý gì cả và như vậy cuộc gọi bị huỷ bỏ

1.3 Đánh giá và lựa chọn phương pháp định tuyến:

Mỗi mô hình định tuyến đều có những ưu điểm và khuyết điểm nhất định

và tuỳ thuộc vào từng mạng và loại hình dịch vụ Đối với phương pháp định tuyến tĩnh thường sử dụng một trong 2 cách thức định tuyến như sau: 1) Định tuyến cuộc gọi theo đường thông trực tiếp, nếu đường thông này bận thì chuyển sang các tuyến khác theo thứ tự định sẵn; 2) Định tuyến theo đường thông được tính toán sắp xếp trước cho các giờ khác nhau trong ngày và thậm chí cho các thời điểm khác nhau trong năm Trong trường hợp có những sự cố không lường trước được xảy ra, người ta thường phải can thiệp trực tiếp để thay đổi cấu hình mạng lưới cho phù hợp

Với việc tính toán chọn đường thông này, người quản lý trị mạng có khả năng điều khiển và quản lý toàn bộ đường thông được chọn (do vậy đảm bảo được thiết kế mạng và chất lượng của định tuyến có thể dự đoán trước được) vì vậy giảm thiểu khả năng xử lý của tổng đài Nhưng nhược điểm lớn của nó là kém thích nghi đối với các sự cố không lường trước được (lúc này phải can thiệp bằng nhân công), do đó không thể tối ưu hoá các đường thông trong mạng, và yêu cầu các tổng đài phải có bộ nhớ tương đối lớn để lưu trữ được tất cả các bảng định tuyến đã được cấu hình sẵn để đưa ra sử dụng trong thời điểm cần thiết

Định tuyến động sử dụng thông tin về trạng thái mạng để quyết định chọn đường thông kết nối các cuộc gọi đang yêu cầu Có hai loại định tuyến động quan trọng là định tuyến phụ thuộc thời gian và định tuyến động phụ thuộc trạng thái Các mạng viễn thông sử dụng định tuyến động sẽ tăng được độ tin cậy và

độ thông suốt, đơn giản hoá công việc thiết kế và quản lý, và có khả năng đáp ứng được các tính năng mới như đa dịch vụ và kết nối trung kế động

Tuy định tuyến động có phức tạp trong việc thực thi, nhưng nó đã khắc phục được những tồn tại của định tuyến cố định như: cải thiện độ thông và xử lý

sự đột biến lưu lượng Độ thông có thể được cải thiện bằng cách thiết lập các cuộc gọi trên các tuyến luân phiên khi tuyến trực tiếp đầy Sự đột biến lưu lượng đột ngột tại một nút mạng - được cải thiện bằng cách chuyển các luồng thông tin đến các tuyến dự phòng

Hiện nay trên thế giới đang có xu hướng sử dụng phương pháp định tuyến động và định tuyến động hỗn hợp Qua nghiên cứu thực tế người ta thấy rằng việc sử dụng định tuyến động mang lại kết quả tốt hơn về chất lượng so với một

số phương pháp định tuyến khác Tuy nhiên trong đó có những phương pháp đòi hỏi mức độ tính toán phức tạp và chỉ áp dụng được trong các mạng có công nghệ hiện đại chẳng hạn như DCR, DTR, do đó không thoả mãn về khía cạnh kinh

tế đối với một số quốc gia trong đó có Việt Nam Phương pháp LLR tỏ ra có nhiều ưu điểm so với các phương pháp DNHR, DAR,., về chất lượng dịch vụ cũng như chỉ tiêu về độ thông; nó có ưu điểm hơn so với TSMR là xuất phát từ mức độ tối ưu tổng thể trên toàn mạng Để khắc phục nhược điểm lưu lượng trải đều trên các tuyến LLR người ta xây dựng thuật toán LLR hạn chế một phần Đây có thể nói là thuật toán định tuyến tối ưu đối với mạng viễn thông Việt Nam

Mạng IN Việt Nam với công nghệ ATM, có độ linh hoạt cao trong việc chuyển mạch và định tuyến Với các bộ ATM, ta có thể thiết lập tuyến truyền dẫn ảo, có độ rộng băng tần thay đổi theo nhu cầu dịch vụ Các đường ảo, kênh

ảo logic này có thể được thay đổi mà không hề ảnh hưởng đến dịch vụ và các cuộc gọi đang chạy trên nó Với các đặc tính trên của mạng ATM, thì phương pháp định tuyến LLR theo phép xấp xỉ giảm tải sẽ có nhiều ưu thế Đây có thể coi là phương pháp định tuyến cơ bản cho các mạng băng rộng trong tương lai

1.4 Kết luận chương

Sự ra đời của mạng thông minh mà nền tảng là băng rộng đa dịch vụ sử dụng công nghệ ATM không những giải quyết được nhu cầu đa dịch vụ của

khách hàng mà còn tạo động lực cho sự phát triển nhanh chóng của công nghệ thông tin

Vấn đề đặt ra là làm thế nào để giải quyết bài toán định tuyến tối ưu cho một mạng với nhiều phần lưu lượng, nhiều băng thông và yêu cầu QoS khác nhau Chương tiếp theo sẽ đưa ra công cụ để giải quyết vấn đề này

CHƯƠNG 2 CÁC MÔ HÌNH THUẬT TOÁN ÁP DỤNG ĐỂ GIẢI

BÀI TOÁN ĐỊNH TUYẾN ĐỘNG TRONG MẠNG ATM

2.1 Giới thiệu và khái niệm:

Sự gia tăng nhu cầu về dịch vụ đa phương tiện và Video đã thúc đẩy sự phát triển mạng số liên kết đa dịch vụ băng rộng B-ISDN có khả năng hỗ trợ cả dịch vụ băng rộng và băng hẹp trên một nền mạng đơn và cho phép khách hàng truy cập trên một giao diện hơn ITU-T đã chọn phương thức truyền tải không đồng bộ - ATM làm kỹ thuật chuyển mạch và ghép kênh cho B-ISDN ATM rất linh hoạt trong việc cung cấp khả năng chuyển tải dịch vụ liên kết phổ rộng của các loại lưu lượng Công nghệ ATM cũng phù hợp với các mạng kết hợp, mạng đường trục và mạng LAN tốc độ cao Cụ thể, ATM là kỹ thuật chuyển mạch gói hướng kênh ảo tốc độ cao, sử dụng các gói có kích thước ngắn, cố định gọi là tế bào (mỗi tế bào có 53 bytes, trong đó 5 bytes dành cho mào đầu, 48 bytes dữ liệu) Kênh ảo (VC) trong ATM phân phát lưu lượng có đặc tính thống kê đến đích với chất lượng dịch vụ (QoS) đã định, được đặc trưng bởi: tổn hao tế bào, trễ tế bào và trượt tế bào Chất lượng dịch vụ trong ATM có liên quan trực tiếp đến cơ chế thu nạp và định tuyến VC

Để nghiên cứu về cơ chế thu nạp và định tuyến trong ATM, ta mô hình hoá mạng ATM bằng một hệ tổn hao; đặc trưng bởi thời gian chiếm kênh và lớp dịch vụ, xuất hiện tại các thời điểm ngẫu nhiên (hình 5) Một cuộc gọi đến có thể thu nạp vào hệ thống hoặc bị khoá và bị mất; nếu cuộc gọi được thu nạp, nó sẽ tồn tại trong hệ thống suốt thời gian chiếm kênh của nó Việc quyết định thu nạp

dựa trên lớp cuộc gọi và trạng thái hệ thống

Hình 5: Hệ tổn hao tổng quát

Có hai hướng tiếp cận để nghiên cứu về bài toán định tuyến trong ATM

đã được mô hình hoá bằng hệ tổn hao đó là kỹ thuật phân ly và lý thuyết lô ngẫu nhiên

Kỹ thuật phân ly có mục đích làm giảm tính phức tạp của bài toán khi số lớp kết nối cũng như số lượng kết nối trong một lớp tăng lên đáng kể Ta có thể

sử dụng bài toán phân ly mạng thành đường thông giả sử tính độc lập về mặt thống kê của các phân bố trạng thái đường thông; nó chia các bài toán xét một mạng thành một tập hợp các bài toán chặng gần như độc lập cũng có thể được áp dụng để giải quyết bài toán chất lượng mạng Trong trường hợp này sự tương quan giữa các chặng tạo nên các đường thông quan tâm được đưa vào tính toán Trong cả 2 trường hợp, kết quả đạt được thông qua một thủ tục lặp dựa trên nguyên lý thay thế lặp

Về lý thuyết lô ngẫu nhiên là công cụ rất hữu hiệu để nghiên cứu về các

mô hình tổn hao trong kỹ thuật viễn thông đa dịch vụ, giúp giải bài toán một cách nhanh chóng, đặc biệt là những tiêu chí quan trọng để quyết định chọn tuyến cho các VC Vì vậy, tác giả chọn hướng nghiên cứu bài toán định tuyến trong mạng ATM bằng lý thuyết lô ngẫu nhiên

2.2 Lý thuyết lô ngẫu nhiên

Lô ngẫu nhiên kinh điển bao gồm một lô các tài nguyên có dung lượng C

và K lớp đối tượng Với đối tượng lớp k có kích thước bk Các đối tượng có thể đặt vào lô khi kích thước tổng của chúng không vượt quá dung lượng tô Tức là:

k n C b

1

Thu thập tài nguyên

Trạng thái hệ: n

Đi khỏi Cuộc gọi đến

Tổn hao

"Lợi nhuận" rk sẽ phát sinh và tích luỹ bất cứ khi nào một đối tượng lớp -

k được đặt vào lô Bài toán ở đây là tìm vị trí để sắp xếp các đối tượng vào lô để sao cho tối đa hoá tổng lợi nhuận

2.2.1 Mô hình

Giả sử, đối tượng lớp -k, kích thước bk, đi tới lô theo quá trình Poisson tốc

độ k, và các quá trình tới k là độc lập nhau Nếu được thu nạp vào lô thì nó chiếm giữ bk đơn vị tài nguyên trong thời gian giữ phân bố theo quy luật hàm

mũ với giá trị trung bình 1/k Cuối thời gian chiếm giữ này, các đơn vị tài nguyên bk được giải phóng Gọi nk là đối tượng của lớp k; thì tổng lượng tài nguyên khả dụng cho bởi các đối tượng trong lô là:

b.n:=



k

1 k

k

knb

trong đó b:=(b1, , bk), n:=(n1, ,nk) Điều kiện để lô thu nạp một đối tượng lớp-k là: bkC-b.n; ngược lại, lô bị nghẽn và đối tượng bị mất

Như vậy, lý thuyết lô ngẫu nhiên thoả mãn định nghĩa hệ tổn hao, đó là: một đối tượng đến có thể bị khoá và bị mất hoặc được thu nạp vào lô; nếu được thu nạp thì nó ở lại trong lô trong khoảng thời gian chiếm giữ của nó Sự phát sinh lợi nhuận phụ thuộc vào lớp các đối tượng đến, do đó ta có thể tạo ra cơ chế

để lô từ chối sự truy cập – thậm chí khi còn chỗ trong lô nhằm tối đa hoá lợi nhuận bình quân dài hạn Đó chính là mục tiêu của việc định tuyến trong mạng

2.2.2 Tính cân bằng của lô ngẫu nhiên

Gọi S là không gian trạng thái, được xác định:

S:={n  lk : b.n  C}

Trong đó l là tập các số nguyên không âm Với mỗi số n  S, gọi (n) là xác suất lô ở trạng thái thái n cân bằng (tương đương, tỷ số thời gian dài hạn lô ở

trạng thái n) Gọi p k = k /k là tải cho phép đối với các đối tượng lớp-k Một kết

quả cơ bản đối với lô ngẫu nhiên là:

n

p G

!n

p k

(2.2)

(n): kết quả dạng tích đối với lô ngẫu nhiên

G: hằngsố tiêu chuẩn đối với lô ngẫu nhiên

2.2.3 Sử dụng lô ngẫu nhiên trong đánh giá đặc tính chất lượng:

Để đánh giá đặc tính chất lượng người ta dựa vào xác suất khoá và độ thông

Gọi Bk là xác suất một đối tượng lớp -k tới bị khoá Vì các đối tượng lớn yêu cầu nhiều chỗ hơn các đối tượng nhỏ nên chúng có các xác suất khóa cao hơn; có nghĩa là Bk > B1 nếu bk > b1 Theo mô hình chung, do quá trình đến

Poisson nên xác suất khoá của đối tượng lớp-k là:

Bk = 1 - 





S n

)n(

Phương trình này và (2.1) đưa ra một biểu thức tính xác suất khóa:

K

n j

S n

K

n j

n

n

j K

j

1

1

! /

! /





Mặc dù kết quả này rất quan trọng, nhưng không thực tế để tính tổng bằng chương trình máy tính cho phần tử và số mẫu số, bởi vì không gian trạng thái rời rạc S và Sk rất lớn đối với các giá trị vừa phải của C và K

Một phép đánh giá đặc tính chất lượng quan trọng khác là độ thông Gọi

THk là độ thông của các đối tượng lớp - k, tức là tốc độ các đối tượng lớp-k dài hạn được thu nạp vào lô Vì các đối tượng lớp-k tới lô theo một quá trình

Poisson với tốc độ k, ta có

THk = k(l-Bk)

Vì vậy, nếu biết được Bk ta có thể dễ dàng xác định THk

2.2.4.Tính chất lô ngẫu nhiên đối với việc thiết lập VC trong các bộ ghép ATM

Lô ngẫu nhiên có thể mô hình hoá chính xác VC động của một bộ ghép theo phương thức truyền không đồng bộ (ATM) (xem hình 7) Trong phần này

ta chỉ ra cách mô hình hoá các bộ ghép ATM với sự thu nạp tốc độ đỉnh, việc ghép theo thống kê và việc ghép chùm

Hình 7: Bộ ghép ATM

a Mô hình lô ngẫu nhiên đối với sự thu nạp tốc độ đỉnh:

Sự thu nạp tốc độ đỉnh thu nhận một VC dịch vụ-k mới khi và chỉ khi:

l n C b

1

Trong đó, (n1, , nk) là số VC đã thiết lập Do đó, tại mọi thời điểm ta luôn có:

Bộ đệm hữu hạn

Đường truyền tốc độ cao

kn Cb

Sự thu nạp tốc độ đỉnh yêu cầu tốc độ nhỏ hơn dung lượng truyền của đường thông tốc độ cao Sự thu nạp tốc độ đỉnh ngăn ngừa được mức nghẽn chùm và do đó chỉ yêu cầu một bộ đệm nhỏ tại đầu vào

b Mô hình lô đối với việc ghép theo thống kê và ghép chùm

Phương thức ghép thống kê và ghép chùm cho phép VC hiện hành n = (n1, , nk) thoả mãn:

k

kn Cb

Phương thức ghép thống kê cho phép tốc độ đỉnh tổng vượt quá dung lượng truyền Nó có thể sử dụng hiệu quả đường thông hơn, cho phép đường thông truyền tại tốc độ cực đại của nó, thậm chí khi một vài VC được thiết lập là

ở chế độ nghỉ Tuy nhiên, nó có thể gây ra tổn hao tế bào và trễ tế bào Vì vậy khi sử dụng phương pháp này cần phải xác định yêu cầu chất lượng dịch vụ; ví

dụ, yêu cầu QoS đối với dịch vụ thoả mãn tỷ số các tế bào mất nhỏ 10-6 Gọi mk

là số VC với lớp-k thì 0  mk nk

Phương pháp ghép chùm cũng cho phép tổng các tốc độ đỉnh đối với các

VC đã thiết lập vượt quá dung lượng truyền; nhưng nó không cho phép các VC

đã thiết lập truyền các chùm Nếu một VC dịch vụ - k đã thiết lập muốn truyền một chùm mới thì nó có thể thực hiện khi và chỉ khi:

l n C b

1

Nếu điều kiện trên bị vi phạm thì chùm bị khoá - tức là, nó hoặc bị mất hoặc được lưu vào trong bộ đệm đầu cuối cho việc truyền tại thời điểm sau Sự tổn hao chùm và trễ chùm có thể cho phép của một dịch vụ được xác định bởi các yêu cầu QoS; ví dụ, yêu cầu QoS đối với dịch vụ phải thoả mãn tỷ số các chùm bị khoá nhỏ hơn 10-4