Nghiên cứu bài toán cấp phát tài nguyên trong môi trường ảo hóa mạng

Trong ảo hóa mạng, các tài nguyên vật lý: node vật lý và liên kết vật lý đƣợc chia sẻ cho các mạng ảo đƣợc yêu cầu.. Các tài nguyên vật lý: phần cứng và băng thông liên kết là hữu hạn do

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

- -

NGUYỄN THÀNH ĐÔ

NGHIÊN CỨU BÀI TOÁN CẤP PHÁT TÀI

NGUYÊN TRONG MÔI TRƯỜNG ẢO HÓA MẠNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Hà Nội - Năm 2015

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

- -

NGUYỄN THÀNH ĐÔ

NGHIÊN CỨU BÀI TOÁN CẤP PHÁT TÀI

NGUYÊN TRONG MÔI TRƯỜNG ẢO HÓA MẠNG

Chuyên ngành: Công Nghệ Thông Tin

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Công Nghệ Thông Tin

NGƯỜI HƯỚNG DẪN:

PGS.TS Huỳnh Thị Thanh Bình

Hà Nội - Năm 2015

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên tác giả luận văn : Nguyễn Thành Đô

Đề tài luận văn: Nghiên cứu bài toán cấp phát tài nguyên trong môi

Bỏ các cụm từ “luận văn đề xuất”

Ngày tháng năm 2015

PGS.TS Huỳnh Thị Thanh Bình Nguyễn Thành Đô

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TS Nguyễn Thị Thu Hương

MỤC LỤC

MỤC LỤC 4

LỜI CẢM ƠN 6

LỜI CAM ĐOAN 7

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 8

DANH MỤC CÁC CÔNG THỨC 10

DANH MỤC BẢNG BIỂU 11

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 12

MỞ ĐẦU 13

1 Lý do chọn đề tài 13

2 Mục đích nghiên cứu 13

3 Đối tượng nghiên cứu 14

4 Phạm vi nghiên cứu 14

5 Phương pháp nghiên cứu 14

6 Nội dung của luận văn 14

Chương1: GIỚI THIỆU CHUNG 16

1.1 Giới thiệu 16

1.2 Các nghiên cứu liên quan 17

1.2 Phát biểu bài toán 18

1.2.1 Đầu vào 18

1.2.2 Đầu ra 19

1.2.3 Các ràng buộc 19

1.3 Ý nghĩa của đề tài 19

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 21

2.1.Các thuật ngữ liên quan 21

2.1.1 Ảo hóa mạng 21

2.1.2 InP (nhà cung cấp hạ tầng) 21

2.1.3 SP (nhà cung cấp dịch vụ) 22

2.1.4 Người dùng cuối (end user) 22

2.1.5 Mô hình mạng vật lý 22

2.1.6 Mô hình mạng ảo 23

2.1.7 Node ảo 23

2.1.8 Liên kết ảo 23

2.1.9 Nhúng mạng ảo (Virtual Network Embedding) 24

2.1.10 Sự ràng buộc giữa các node và liên kết 24

2.1.11 Khái niệm stress của link và substrate node 24

2.1.12 Cơ chế ánh xạ mạng ảo vào mạng vật lý 25

2.2 Các vấn đề chung của ảo hóa mạng 26

2.3 Nhận xét 32

Chương3: 33

CÁC THUẬT TOÁN ÁNH XẠ MẠNG ẢO 33

3.1 Thuật toán ánh xạ mạng ảo SID (Subgraph Isomorphism Detection )33 3.2 Thuật toán ánh xạ GNM 37

3.3 Thuật toán EGNM 38

3.4 Thuật toán PCANM 40

3.4.1 Tính toán trước 41

Với phương pháp này, thuật toán có thể làm giảm thời gian tìm kiếm kết quả Nhưng phương pháp này chỉ hiệu quả với các mạng ảo có cấu trúc giống nhau Với các mạng ảo có cấu trúc khác nhau, ta cần xem xét mạng ảo ở các mức node 41

3.4.2 Tích hợp kiểm tra 41

3.4.3 Ánh xạ hàng xóm 41

3.4.4 Giải thuật chi tiết: 41

Chương4: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ KẾT LUẬN 47

4.1 Dữ liệu đầu vào 47

4.2 Môi trường cài đặt 47

4.3 Kết quả 47

4.4 Hướng phát triển 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 52

LỜI CẢM ƠN

Để đạt được kết quả nghiên cứu của luận văn, đầu tiên tôi xin trân trọng cảm ơn thầy hướng dẫn PGS.TS Huỳnh Thị Thanh Bình – Bộ môn Khoa học máy tính - Viện Công nghệ Thông tin - Truyền thông, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn

Đồng thời xin gửi lời cảm ơn tới Quý thầy cô giáo Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho chúng tôi những kiến thức

vô cùng quý giá trong suốt hai năm học qua

Tôi xin chân thành cảm ơn tới Ban giám hiệu Trường Đại học Kỹ thuật – Hậu cần CAND, nơi tôi công tác, đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành khoá học này và toàn thể các đồng chí trong đơn vị phòng Quản lý học viên, gia đình, bạn bè, đồng nghiệp, đã động viên giúp đỡ và chia sẻ những khó khăn trong thời gian tôi tham gia khóa học

Dù đã có rất nhiều cố gắng, song luận văn không tránh khỏi những hạn chế, thiếu sót Kính mong nhận được sự chia sẻ và những đóng góp quý báu của các thầy cô giáo, bạn bè và đồng nghiệp

Tôi xin trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, ngày… Tháng … năm 2015

Tác giả luận văn

Nguyễn Thành Đô

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan:

1 Những nội dung trong luận văn này là công trình nghiên cứu của tôi dưới

sự hướng dẫn trực tiếp của PGS.TS Huỳnh Thị Thanh Bình

2 Mọi tham khảo dùng trong luận văn đều được trích dẫn rõ ràng tên tác giả, tên công trình, thời gian, địa điểm công bố

3 Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được

ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

4 Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian trá, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Hà nội, ngày … tháng … năm 2015

Tác giả luận văn

Nguyễn Thành Đô

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

VM-based Virtual Machine

-Based Phương pháp dựa trên máy ảo

Embedding Bài toán ánh xạ mạng ảo vào mạng vật lý

Mapping Bài toán ánh xạ mạng ảo

ISP Internet Service

Provider Nhà cung cấp dịch vụ Internet

End user Người yêu cầu tạo mạng ảo

SN Substrate Node Đại diện cho một máy tính vật lý

SL Substrate Link Đại diện cho một liên kết giữa hai máy

vật lý

VN Virtual Node Đại diện cho một node trong mạng ảo

VL Virtual Link Đại diện cho một liên kết giữa hai node

PCANM

Checking Adjacency Node Mapping

Thuật toán cấp phát tài nguyên trong môi trường mạng PCANM

Network interface Card mạng

Link constraint của mạng ảo

mạng ảo

trong mạng ảo

DANH MỤC CÁC CÔNG THỨC

Công thức 2.1: Tính substrate node 25

Công thức 2.2: Tính substrate link 25

Công thức 2.3: Tối đa hàm lợi nhuận 31

Công thức 2.4: Tối thiểu hàm chi phí 31

Công thức 2.5: Hàm mục tiêu 32

Công thức 3.1: Tính tài nguyên cn 37

Công thức 3.2: Tính tài nguyên băng thông cv 39

Công thức 3.3: Hàm đánh giá tài nguyên tương quan CPU và băng thông 39

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1: Giải thuật SID 34

Bảng 3.2: Hàm genneigh trong giải thuật SID 35

Bảng 3.3: Quy luật của hàm vaild 35

Bảng 3.4: Tóm tắt thuật toán của giai đoạn ánh xạ node 38

Bảng 3.5: Tóm tắt thuật toán của giai đoạn ánh xạ liên kết 38

Bảng 4.1: Biểu đồ so sánh gái trị trung bình các tiêu chí giữa EGNM và PCANM 50

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 2.1: Mô hình mạng vật lý 22

Hình 2.2: Mô hình mạng ảo 23

Hình 2.3 Ánh xạ mạng ảo vào mạng vật lý 24

Hình 2.4Tổng quan ảo hóa mạng 27

Hình 2.5Mô tả cấu trúc mạng vật lý S 28

Hình 2.6 Tập các mạng ảo R 29

Hình 2.7 Mô hình mạng ảo với node và link 29

Hình 2.8: Tập đồ thị được ánh xạ 30

Hình 2.9: Đồ thị ánh xạ giữa mạng ảo và mạng vật lý 30

Hình 2.10: Ví dụ ánh xạ giữa 1 mạng ảo vào mạng vật lý 30

Hình 2.11: Đầu ra tập các cạnh ánh xạ 31

Hình 3.1: Mô hình ánh xạ mạng ảo trong SID 33

Hình 3.2: Các bước trong giải thuậtSID 37

Hình 3.3: Đồ thị mạng vật lý S 41

Hình 3.4: Nhóm các node mạng vào danh sách 42

Hình 3.5: Mạng ảo được yêu cầu 42

Hình 3.6: Chọn node ảo có yêu cầu tài nguyên lớn nhất 43

Hình 3.7: Tìm node vật lý thích hợp theo bậc và tài nguyên 43

Hình 3.8: Kiểm tra khả năng ánh xạ của liên kết lần 1 44

Hình 3.9: Kiểm tra khả năng ánh xạ của liên kết lần 2 44

Hình 3.10: Kiểm tra khả năng ánh xạ của liên kết lần 3 45

Hình 3.11: Chọn các cặp nút vật lý lân cận cho các nút ảo xung quanh 45

Hình 3.12Xét các nút ảo lân cận 46

Hình 4.1 tỉ số B/C giữa PCANM và EGNM 50 node 48

Hình 4.2 tỉ số B/C giữa PCANM và EGNM 200 node 48

Hình 4.3Tỉ lệ đáp ứng giữa PCANM và EGNM 50 node 49

Hình 4.4 Tỉ lệ đáp ứng giữa PCANM và EGNM 200 node 49

Hình 4.5Lợi nhuận giữa PCANM và EGNM 50 node 50

Hình 4.5 Lợi nhuận giữa PCANM và EGNM 200 node 50

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Hiện nay, mạng Internet đã và đang phát triển một cách mạnh mẽ và là một trong những công nghệ thành công nhất mọi thời đại Số lƣợng IPV4 đã cạn kiệt không còn đáp ứng đƣợc nhu cầu phát triển của Internet hiện nay.Một giải pháp

để thay thế IPV4 đƣợc đề xuất là IPV6 Tuy nhiên khả năng triển khai IPV6 trên một mạng Internet rộng lớn để thay thế IPV4 là không thể Nhu cầu mở rộng IP

để cấp phát cho các dịch vụ mới không đáp ứng đƣợc Các ứng dụng trên nền Internet ngày càng phát triển nhanh chóng đòi hỏi hệ thống vật lý phải đáp ứng đƣợc các yêu cầu thay đổi Tuy nhiên, kiến trúc của Internet hiện tại không đáp ứng đƣợc điều này.Do vậy kiến trúc của Internet hiện nay không phù hợp để phát triển các giao thức mới cho các ứng dụng mới Để giải quyết vấn đề này, ảo hóa mạng đã đƣợc đề xuất và ra đời để đáp ứng đƣợc nhu cầu hiện tại của Internet Trong ảo hóa mạng, các tài nguyên vật lý: node vật lý và liên kết vật lý đƣợc chia sẻ cho các mạng ảo đƣợc yêu cầu Một vấn đề quan trong trong hoạt động của mạng ảo là sự phân bố các node và các liên kết đến các yêu cầu tạo mạng ảo Trong khi có rất nhiều thuật toán ánh xạ mạng ảo khác nhau, do đó rất khó đánh giá hiệu quả của các thuật toán đó Các tài nguyên vật lý: phần cứng

và băng thông liên kết là hữu hạn do đó tồn tại một vấn đề quan trọng trong ảo hóa mạng là vấn đề phân chia tài nguyên cho các node ảo và các liên kết giữa các node của mạng ảo Vì vậy ta cần một thuật toán cấp phát tài nguyên cho các mạng ảo mà vẫn phải đảm bảo tối đa lợi nhuận và tối thiểu chi phí Hơn nữa ta còn phải tăng tỉ lệ tiếp nhận mạng ảo.Luận văntrình bày một thuật toán tối ƣu hàm mục tiêu, tăng giá trị lợi nhuận dựa trên các thuật toán đã có

2 Mục đích nghiên cứu

Luận văntập trung tìm hiểu và đƣa ra một thuật toán ánh xạ mạng ảo vào mạng vật lý mà từ đó hàm mục tiêu đƣợc cải thiện Để đạt đƣợc các mục tiêu này, luận văn tập trung vào các nhiệm vụ cụ thể sau:

-Tìm hiểu khái niệm, mô hình hoạt động của mạng ảo, cơ chế ánh xạ mạng

ảo vào mạng vật lý

- Tìm hiểu các thuật toán ánh xạ mạng ảo hiện tại Tìm hiểu cơ chế và các

ƣu nhƣợc điểm của các thuật toán đó Từ đó đƣa ra cải tiến nhằm tăng giá trị

mục tiêu, tăng tỉ lệ chấp nhận và tăng giá trị lợi nhuận thu được khi ánh xạ mạng

ảo

- Đưa ra thuật toán ánh xạ mạng ảo vào mạng vật lý nhằm đáp ứng tối đa các nhu cầu và hàm lợi nhuận dựa trên hạ tầng mạng vật lý hiện tại đã có

3 Đối tượng nghiên cứu

Luận văn tập trung vào tìm hiểucácthuật toán ánh xạ mạng ảo vào mạng vật

lý Từ đó đưa ra các nhận xét ưu điểm và nhược điểm, sau đó đưa ra một thuật toán cải tiến Luận văn tập trung vào nghiên cứu mạng vật lý, các mạng ảo được yêu cầu có mô hình tương tự nhau

4 Phạm vi nghiên cứu

Luận văn tìm hiểu và trình bày một thuật toán sử dụng tài nguyên hợp lý nhất cho mạng ảo Thuật toán này phù hợp, cải thiện được hàm mục tiêu so với các thuật toán trước đó và áp dụng được với kiến trúc Internet hiện tại

Luận văn tập trung nghiên cứu các mạng ảo có cấu trúc tương tự nhau từ đó

so sánh được các ưu điểm, khả năng cải thiện các yêu cầu so với các thuật toán ánh xạ hiện tại

5 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu tài liệu và các công nghệ liên quan

- Tổng hợp các tài liệu lý thuyết về các thuật toán ánh xạ mạng ảo vào mạng vật lý

- Nghiên cứu các thuật toán ánh xạ mạng ảo đã có và phân tích các thuật toán đó Từ đó đưa ra các các cải thiện so với thuật toán đã có

- Cài đặt mô phỏng trên nền tảng Java sử dụng công cụ lập trình Eclipse

6 Nội dung của luận văn

Luận văn được bố cục thành 4 chương:

Chương 1: Giới thiệu chung về đề tài Chương này giới thiệu về một số vấn

đề liên quan đến đề tài; nêu mục đích, ý nghĩa và giới thiệu tổng quan về nội dung của luận văn

Chương 2: Cơ sở lý thuyết: Chương này nhằm giới thiệu những lý thuyết, khái niệm chung nhất liên quan: Mạng ảo, cơ chếchia sẻ tài nguyên của nhiều mạng ảo trên một mạng vật lý

Chương 3: Giải bài toán cấp phát tài nguyên trong môi trường ảo hóa mạng

Chương 4: Thực nghiệm, kết quả đạt được và kết luận: Cài đặt các thuật toán vào môi trường mạng ảo, phân tích kết quả đạt được, đưa ra kết luận và hướng phát triển

và liên kết trước khi đến để tránh tình trạng yêu cầu đến mà không đáp ứng được chi phí nhiều thời gian xử lý các yêu cầu Luận văn này đã tiếp cận bài toán theo một cách mới, đó là kiểm tra tài nguyên trước khi yêu cầu đến So với các giải thuật trước đó, luận văn đã cải tiến bằng cách nhóm các node theo bậc thay vì nhóm tất cả các node vào cùng một bậc và kiểm tra tài nguyên Với cách làm như vậy, các node trong cùng một bậc có khả năng cung cấp tài nguyên trong cùng một bậc là tương đương nhau Như vậy, nếu một node trong bậc không có khả năng cung cấp tài nguyên thì xác suất các node còn lại trong bậc cũng không

có khả năng cung cấp tài nguyên là rất cao Ngoài ra luận văn cũng cải tiến bằng cách tích hợp kiểm tra khả năng ánh xạ liên kết nhằm giảm thời gian quay lui và thu được đường đi có độ dài ngắn nhất

Các thuật toán ánh xạ mạng ảo vào mạng vật lý trước đó đều có tỉ lệ đáp ứng thấp, hàm mục tiêu chưa đạt được giá trị cao Các nghiên cứu thuật toán ánh

xạ mạng ảo hiện tại đều có các nhược điểm nhất định Nghiên cứu thuật toán ánh xạ mạng ảo của Jens Lischka và Holger Karlđược đăng trên tạp chí [7] Trong nghiên cứu của Jens Lischka và Holger Karl đã sử dụng thuật toán quay lui để giải quyết bài toán ánh xạ mạng ảo Nhược điểm của thuật toán ánh xạ mạng ảo này là mất nhiều thời gian để thực hiện thuật toán quay lui Trong khi

đó tỉ lệ đáp ứng, hàm mục tiêu lại không đạt được giá trị lớn Trong nghiên cứu [5] do Minlan Yu và các đồng nghiệp phát triển đã cải tiến từ thuật toán [7],

thuật toán ánh xạ của họ được xử lý qua hai pha Thuật toán này giúp giảm tỉ lệ kẹt cổ chai, giảm thời gian quay lui khi xử lý nhưng ánh xạ nút chưa cao và tỉ lệ tiếp nhận thấp Nghiên cứu của tác giả Ngô Hồng Sơn được cải tiến từ thuật toán ánh xạ GNM của Minlan Yu Thuật toán này giúp giảm chi phí trong các ứng dụng quy mô lớn và tăng tỉ lệ tiếp nhận Thuật toán EGNM của tác giả Ngô Hồng Sơn [4] tuy đã cải tiến cho với thuật toán GNM và tốt hơn thuật toán GNM trên nhiều mặt song hàm mục tiêu lại kém hơn so với thuật toán GNM Xuất phát từ thực tế hiện tại và các nhu cầu cần cải tiến Luận văn này đã giới thiệu một phương pháp mới với những cải tiến đáng kể và đáp ứng được các yêu cầu mới:

- Tăng lợi nhuận

- Giảm chi phí

- Tăng tỉ lệ tiếp nhận

So với các giải thuật hiện tại, các giải thuật hiện tại xử lý yêu cầu khi đến.Thuật toán được trình bày trong luận văn tiếp cận xử lý bài toán ánh xạ trước khi yêu cầu đến.Do đó, so với các giải thuật ánh xạ hiện tại giải thuật được trình bày trong luận văn này đã có được những cải tiến đáng kể về các giá trị cần cải thiện

1.2 Các nghiên cứu liên quan

Từ khi Internet phát triển mạnh mẽ, nguồn tài nguyên dần cạn kiệt Cơ sở

hạ tầng vật lý không đáp ứng được nhu cầu phát triển của các ứng dụng trên Internet Các giao thức, kiến trúc mới không phát triển được trên hạ tầng mạng vật lý với kiến trúc hiện tại Do đó, các nhà nghiên cứu đã nghĩ đến vấn đề cho phép nhiều mạng ảo cùng hoạt động và tồn tại trên mạng vật lý Khi đề xuất ra vấn đề mạng ảo, rất nhiều vấn đề liên quan đến nó đã nảy sinh buộc các nhà nghiên cứu đưa ra các giải pháp để giải quyết nó Trong đó, bài toán “Ánh xạ mạng ảo vào mạng vật lý” đã được rất nhiều nhà nghiên cứu tìm hiểu và đưa ra các thuật toán ánh xạ mạng ảo vào mạng vật lý

Cho đến nay, đã có nhiều các thuật toán cấp phát tài nguyên vật lý cho mạng ảo: SID, GNM, EGNM…Thuật toán SID do đồng tác giả Jens Lischka, Holger Karl [7] cùng đưa ra giải pháp giải quyết bài toán ánh xạ mạng ảo Ý tưởng của thuật toán SID là sử dụng thuật toán quay lui để giải quyết bài toán Nhưng khi sử dụng thuật toán quay lui để giải quyết bài toán thì vấn đề thời gian

thuật toán quay lui nên tốn nhiều chi phí thời gian tính toán tài nguyên, tính toán khả năng ánh xạ Hơn nữa, giải thuật SID sử dụng trọng số gán cho các node và các liên kết Chính vấn đề này làm giảm hiệu quả của thuật toán Một node hoặc một liên kết sử dụng gần hết tài nguyên mà vẫn được gán trọng số cao Để cải thiện các nhược điểm của giải thuật SID, thuật toán GNM đã ra đời Giải thuật GNM do tác giả Milan Yu phát triển [5] Giải thuật GNM sử dụng phương pháp chọn và sắp xếp các mạng ảo được yêu cầu theo tài nguyên được yêu cầu của mỗi mạng ảo Từ đó GNM sử dụng thuật toán ánh xạ node, ánh xạ node ảo vào node vật lý Sau khi ánh xạ node, giải thuật GNM sử dụng thuật toán k-shortest path để tìm đường đi ngắn nhất giữa hai node mà vẫn đảm bảo được yêu cầu về băng thông Thuật toán GNM đáp ứng được tối đa lợi nhuận nhưng không tối thiểu chi phí Từ những vấn đề của thuật toán GNM, Ngô Hồng Sơn và các tác giả đã cải tiến thuật toán GNM và cho ra thuật toán EGNM [4] Trong thuật toán EGNM, tác giả Ngô Hồng Sơn đã đưa được ra hai cải tiến so với thuật toán GNM của tác giả Milan Yu đó là: sắp xếp các đỉnh theo yêu cầu về tài nguyên

và lựa chọn các node của mạng vật lý để ánh xạ cho mạng ảo được lựa chọn theo từng tình huống cụ thể dựa vào một hàm đánh giá tài nguyên của mỗi node Qua khảo sát các giải pháp cấp phát tài nguyên như: GNM, EGNM ta thấy mục tiêu của việc ánh xạ mạng ảo vào mạng vật lý chưa thật sự tối ưu Trong cùng một tình huống cụ thể, thuật toán EGNM đã có sự cải thiện đáng kể so với thuật toán GNM Ở đây, mục tiêu được cải thiện từ 20% đến 24% Do vậy, ta cần một thuật toán tối ưu hàm mục tiêu, tăng giá trị lợi nhuận Luận văn này đã giải quyết được các vấn đề đó bằng cách đưa ra thuật toán cải tiến từ thuật toán EGNM

Luận văn tìm hiểu các thuật toán ánh xạ mạng ảo vào mạng vật lý hiện tại

đã có Đưa ra nhận xét về ưu và nhược điểm của các thuật toán đó, từ đó đưa ra các cải tiến và nghiên cứu thuật toán mới đáp ứng được tăng giá trị của hàm mục tiêu

1.2 Phát biểu bài toán

1.2.1 Đầu vào

Đầu vào là tập các yêu cầu kết nối mạng ảo R, mạng vật lý S Đối với mạng ảo và mạng vật lý đều được đặc trưng bởi các node và các liên kết Các node có tài nguyên CPU có thể cung cấp cho các node ảo Các liên kết vật lý

đƣợc cung cấp tài nguyên băng thông cho các liên kết ảo Ngoài ra các mạng ảo đƣợc yêu cầu đều có thời gian đến và thời gian tồn tại nhất định

1.2.2 Đầu ra

Khi một mạng ảo đƣợc ánh xạ vào mạng vật lý, ta sẽ có tập hợp các node, các liên kết đƣợc ánh xạ Nhƣ vậy, với mỗi mạng ảo đƣợc ánh xạ, ta có đồ thị ánh xạ giữa mạng ảo vào mạng vật lý Một node ảo đƣợc ánh xạ vào một node vật lý, một liên kết ảo có thể đƣợc ánh xạ vào nhiều liên kết vật lý

1.2.3 Các ràng buộc

Đối với các mạng ảo đƣợc yêu cầu, điều kiện để ánh xạ mạng ảo vào mạng vật lý là phải đáp ứng đƣợc hai yếu tố: tài nguyên CPU, băng thông liên kết Mặt khác, yêu cầu về tài nguyên CPU của các node ảo phải nhỏ hơn CPU còn dƣ của các node vật lý đƣợc ánh xạ Các liên kết ảo đƣợc ánh xạ vào các liên kết vật lý phải có băng thông nhỏ hơn băng thông còn dƣ của các liên kết vật lý

- Tăng giá trị lợi nhuận

- Tăng giá trị mục tiêu

- Tăng tỉ lệ đáp ứng

1.3 Ý nghĩa của đề tài

Hiện nay, khi tài nguyên về IP của mạng Internet ngày càng bị cạn kiệt Hạ tầng mạng vật lý phát triển một cách chậm chạp trong khi các ứng dụng trên Internet đang phát triển một cách nhanh chóng nhƣ vũ bão Thực tế đã chỉ ra rằng kiến trúc Internet hiện nay không còn thích hợp Trong khi các ứng dụng mới cần triển khai dựa trên một giao thức mới thì mô hình TCP/IP không còn đáp ứng đƣợc nữa Ảo hóa mạng ra đời là vấn đề tất yếu Nhƣng cũng nhƣ mạng vật lý, ảo hóa mạng cũng gặp phải các vấn đề liên quan đến cấp phát tài nguyên, lợi nhuận, chi phí, tỉ lệ đáp ứng, giá trị mục tiêu…Với các giải thuật ánh xạ hiện

đến hiệu năng của việc ánh xạ mạng ảo chưa được cao, chi phí cho ánh xạ mạng

ảo lại tăng cao, lợi nhuận thu được không đáp ứng được kỳ vọng

Luận văn đã giới thiệu giải thuật mới giúp tăng giá trị lợi nhuận, tăng giá trị mục tiêu và tăng tỉ lệ tiếp nhận của ánh xạ mạng ảo so với các giải thuật ánh xạ mạng ảo hiện tại Do vậy, hiệu suất của việc ánh xạ mạng ảo được nâng cao hơn

so với trước

hạ tầng và cung cấp dịch vụ Từ quan điểm trên ta thấy chi phí quản lý cơ sở hạ tầng phải chia sẻ cho nhiều nhà cung cấp hạ tầng Như vậy nếu sử dụng mạng vật lý chi phí duy trì sẽ lớn hơn rất nhiều so với chi phí duy trì mạng ảo

Ảo hóa mạng là công nghệ cho phép phần cứng mạng được chia sẻ giữa nhiều phần mềm khác nhau, cho phép chạy nhiều dịch vụ mạng trên cùng một

hạ tầng mạng vật lý: nhiều IP trên một Network interface, nhiều liên kết ảo trên một liên kết vật lý duy nhất Mỗi mạng ảo là tập hợp các node ảo và các liên kết

ảo, nó kết nối các mạng vật lý hoặc một phần các mạng vật lý với nhau Mạng

ảo có tínhuyển chuyển cao Nó có thể được cấu hình và hoạt động trênnhiều giao thức, kiến trúc và ứng dụng khác nhau Do tính ưu việt của mạng ảo mà nó đã được áp dụng nhiều trong các công ty, tập đoàn và các nhà mạng

2.1.2 InP (nhà cung cấp hạ tầng)

Các nhà cung cấp hạ tầng triển khai và quản lý các tài nguyên vật lý trong

ảo hóa mạng Họ sở hữu cơ sở hạ tầng, tài nguyên vật lý để các nhà cung cấp dịch vụ thuê và kiếm tiền dựa trên hạ tầng vật lý của các InP Thông thường những người dùng đầu cuối sẽ không làm việc trực tiếp với các InP mà họ sẽ làm việc với các SP Thông qua SP, người dùng đầu cuối sẽ thuê lại hạ tầng vật

lý của các InP Các InP hợp tác với nhau để tạo ra hạ tầng mạng Internet ngày nay

Như vậy, để triển khai một giao thức mới trên nền Internet hiện nay cần

nhiều các InP và cần được sự đồng ý của tất cả các InP thì giao thức mới được coi là có thể sử dụng được trên nền Internet.Khi một giao thức mới muốn được

áp dụng rộng rãi trên toàn cầu cần phải được sự chấp thuận từ tất cả các InP mà

nó rất khó triển khai Nhưng ảo hóa mạng cho phép triển khai giao thức mới trên kiến trúc Internet hiện tại mà không cần sự chấp thuận của tất cả các InP

2.1.3 SP (nhà cung cấp dịch vụ)

Các nhà cung cấp dịch vụ (SP) thuê hạ tầng vật lý từ một hoặc nhiều nhà cung cấp hạ tầng để tạo ra các mạng ảo, triển khai các giao thức mới và quản lý phân bố tài nguyên cho các người dùng đầu cuối Các nhà cung cấp dịch vụcũng

có thể tạo ra các mạng ảo con một cách đệ quy và cho thuê các mạng con đó cho các SP khác để tạo thành một hệ thống mạng phân cấp

2.1.4 Người dùng cuối (end user)

Người dùng cuối trong mô hình ảo hóa mạng có thể lựa chọn các dịch vụ được cung cấp bởi một hoặc nhiều SP Nó có thể kết nối nhiều SP cho các dịch

vụ khác nhau Những người dùng cuối có thể kết nối nhiều SP cho các dịch vụ khác nhau của họ

2.1.5 Mô hình mạng vật lý

Hình 2.1: Mô hình mạng vật lý

Một mô hình mạng vật lý được định nghĩa như một đồ thị S = (N, L).Trong

đó N = {ni (cn )} được định nghĩa là tập hợp các node mạng, ni là các node mạng và ni(cn) biểu diễn khả năng cung cấp tài nguyên của nút ni Khả năng cung cấp ở đây được hiểu là CPU của node ni L = {lij (bsl)} được định nghĩa là tập các liên kết, lij là một liên kết giữa nút ni và nj, bsl tính bằng băng thông còn

dư của liên kết, biểu diễn khả năng cung cấp tài nguyên của liên kết lij Ngoài ra, mỗi node và mỗi liên kết có thể được gán các trọng số khác nhau

2.1.6 Mô hình mạng ảo

Hình 2.2: Mô hình mạng ảo

Mô hình mạng ảo tương tự như mô hình mạng vật lý, nó cũng được biểu diễn bằng một đồ thị Sv = (Nv, Lv) Mô hình mạng ảo hóa được hiểu như mô hình mạng logic Trong đó Nvlà tập hợp các node ảo Lv là tập hợp các liên kết

ảo

2.1.7 Node ảo

Một node ảo có thể là một virtual host hoặc một virtual router Nếu một virtual host được hiểu như nguồn của một gói tin thì virtual router chuyển tiếp gói tin thông qua các giao thức định tuyến cho các mạng ảo đã được định nghĩa.Một node ảo cũng có RAM, CPU… giống như một node vật lý

2.1.8 Liên kết ảo

Liên kết ảo có thể hiểu là chiều dài của liên kết trong mạng ảo dựa trên một hoặc nhiều các liên kết vật lý Thường một liên kết ảo có thể được ánh xạ đến nhiều đường vật lý để thỏa mãn các yêu cầu khi tạo mạng ảo Ví dụ khi yêu cầu tạo một mạng ảo có băng thông lớn thì 1 liên kết ảo không thể được map tới một

liên kết vật lý mà phải được map tới nhiều liên kết vật lý gộp lại.Một liên kết ảo cũng có băng thông như liên kết vật lý

2.1.9 Nhúng mạng ảo (Virtual Network Embedding)

Hình 2.3 Ánh xạ mạng ảo vào mạng vật lý Hiệu quả của việc sử dụng các tài nguyên vật lý của mạng phụ thuộc vào công nghệ nhúng mạng ảo hay còn gọi là kỹ thuật mapping giữa mạng ảo và mạng vật lý Hiệu quả ở đây được hiểu là hiệu quả về chi phí, lợi nhuận, tỉ lệ đáp ứng Các kỹ thuật mapping mạng ảo vào mạng vật lý thực tế gặp rất nhiều vấn

đề khó khăn

2.1.10 Sự ràng buộc giữa các node và liên kết

Do tài nguyên vật lý bị giới hạn nên mỗi yêu cầu tạo mạng ảo thường bị giới hạn về tài nguyên như CPU của node, băng thông cho liên kết giữa các node Ví dụ khi có yêu cầu tạo mạng ảo để chạy dịch vụ, yêu cầu mỗi node có CPU là 1Ghz và băng thông cho mỗi liên kết là 10 Mb Ngoài ra cũng có những hạn chế về mặt địa lý và độ trễ giữa các node

2.1.11 Khái niệm stress của link và substrate node

Để xác định số lượng tài nguyên sử dụng trong substrate network, ta sử dụng khái niệm stress Substrate network stress được ký hiệu Sn(nS) được định nghĩa là tổng lượng CPU được phân bố cho các substrate node nS NS

Công thức tính substrate node được xác định:

(2.1) Trong đó x y nghĩa là node ảo x được map vào substrate node y

Tương tự, substrate link được ký hiệu SE(eS)được xác định là tổng lượng băng thông nhận được của các liên kết ảo mà nó được map vào substrate link

2.1.12 Cơ chế ánh xạ mạng ảo vào mạng vật lý

Trong ảo hóa mạng, ánh xạ mạng ảo vào mạng vật lý để phù hợp với hạ tầng vật lý đã cólà bài toán khó Vấn đề này liên quan đến nhà cung cấp dịch vụ (SP), cung cấp các dịch vụ mạng ảo hóa và các nhà cung cấp hạ tầng mạng (InP)

là những người sở hữu tài nguyên vật lý Có 3 thành phần tương tác với nhau khi nhúng một mạng ảo vào một hạ tầng mạng vật lý: tìm kiếm tài nguyên, ánh xạ mạng ảo và phân bố tài nguyên

Tìm kiếm tài nguyên là quá trình kiểm tra trạng thái của các tài nguyên xem còn dư hay không, đã sử dụng hết chưa… bằng cách sử dụng bộ cảm biến hoặc các quá trình tính toán khác nhau Các tiến trình giám sát những thông số: CPU sử dụng bao nhiêu, bộ nhớ sử dụng bao nhiêu, băng thông mạng đang sử dụng, hiệu suất của mạng là như thế nào…

Ánh xạ mạng ảo là bước tiếp theo trong quá trình yêu cầu tạo mạng ảo Với các tài nguyên có thể sử dụng, chọn một số tài nguyên trong đó để tạo mạng ảo

Do sự kết hợp giữa các node và link là rất phức tạp mà đây được coi là vấn đề

phức tạp nhất trong ánh xạ mạng ảo vào mạng vật lý Những hạn chế có thể là tốc độ xử lý, dung lượng lưu trữ, topology của mạng…

Phân bố tài nguyên liên quan đến việc phân bố tài nguyên vật lý cho từng mạng ảo sao cho nó phù hợp với từng yêu cầu tạo mạng ảo và phù hợp với các ràng buộc về hệ thống, link, node: giới hạn về phần cứng vật lý của hạ tầng hiện tại

2.2 Các vấn đề chung của ảo hóa mạng

Trong bài toán ánh xạ mạng ảo vào mạng vật lý được gọi là vấn đề VNE Trong vấn đề VNE, đầu vào chính là tập các yêu cầu tạo mạng ảo, với tập các đỉnh và các cạnh của mạng ảo, băng thông, CPU , cần được cấp phát trong một khoảng thời gian để duy trì mạng ảo cho một mục đích nhất định: phát triển giao thức mới

Khi các yêu cầu được chấp nhận, các thuật toán ánh xạ mạng ảo được chạy

và thực hiện ánh xạ các mạng ảo vào mạng vật lý đáp ứng được các yêu cầu của mạng ảo về CPU, băng thông, thời gian tồn tại mạng ảo…

Sau khi chạy thuật toán ánh xạ mạng ảo vào mạng vật lý, ta có được một mạng ảo hoạt động trên mạng vật lý mà các mạng ảo hoạt động độc lập với nhau, không phụ thuộc vào nhau Do đó mỗi mạng ảo có thể chạy một giao thức khác nhau và riêng biệt mà không phải phụ thuộc vào mạng vật lý và các mạng

ảo khác chạy giao thức gì

So với kiến trúc Internet hiện tại, vấn đề phát triển một giao thức mới là rất khó vì nó phụ thuộc vào các kiến trúc hiện tại Để có thể phát triển một giao thức mới cần được sự chấp nhận từ tất cả các ISP Vấn đề này không khả thi khi

mà có quá nhiều ISP và để thay đổi hay phát triển một cái mới trên kiến trúc hiện tại là điều không thể

Vấn đề của mạng ảo cũng xoay quanh bài toán kinh tế Do tài nguyên vật lý

là hữu hạn nên không thể cấp phát các mạng ảo một cách tùy tiện Bài toán cấp phát mạng ảo cần phải được tối ưu Tối ưu ở đây liên quan đến 3 mục tiêu:

- Tối đa lợi nhuận

- Tối thiểu chi phí

- Tăng giá trị mục tiêu