Báo cáo bài tập lớn tổ chức và quy hoạch mạng viễn thông

Như ta đã biết, hệ thống viễn thông là tập hợp các trang thiết bị kỹ thuật để cung cấp dịch vụ viễn thông cho người sử dụng. Ta nhìn hệ thống viễn thông trên cả phương diện phần cứng và phần mềm:  Về phương diện phần cứng, hệ thống viễn thông gồm các thiết bị như: - Thiết bị đầu cuối thông tin: đưa thông tin của người sử dụng vào mạng và nhận thông tin của mạng cho người sử dụng. - Thiết bị chuyển mạch: liên hệ giữa các đầu cuối theo yêu cầu. - Thiết bị truyền dẫn: liên kết nhóm a với nhóm b và nhóm b với nhóm b: (a - b) : đường dây thuê bao. (b - b) : đường dây trung kế. (a - b) : mạng truy nhập (Access Network) và mạng lõi (Core Network). - Thiết bị đầu cuối thông tin, thiết bị chuyển mạch, thiết bị truyền dẫn…  Về phương diện phần mềm, hệ thống viễn thông cho biết các phần cứng liên hệ với nhau thế nào (Topo mạng - với topo mạng ta sẽ phân biệt được mạng AN (Access Network) và mạng lõi), các giao thức mạng, các giao thức để liên kết, giao thức để trao đổi thông tin (giữa hai giao thức này có thể tách rời, có thể kết hợp với nhau), quản lý và khai thác mạng. Việc thiết kế cấu trúc liên kết (topology) cho các mạng hữu tuyến cố định là vô cùng quan trọng. Chỉ một sai sót nhỏ trong khâu thiết kế có thể tiêu tốn khoản tiền lớn. Trong khi đó, việc tính toán một cấu trúc liên kết tối ưu lại chẳng dễ dàng gì. Quá trình tối ưu cấu trúc liên kết bao gồm việc gán dung lượng cho các liên kết vật lý giữa các cặp nút với nhau để tối ưu chi phí, cùng lúc đó vẫn phải đáp ứng được lưu lượng đề ra. Đề tài số 5 có đề cập đến việc cấu hình các phần tử mạng và thiết kế Topology mạng theo thuật toán MENTOR, ISP. Trong quá trình thực hiện bài tập lớn, do vốn kiến thức có hạn và tìm hiểu chưa thực sự sâu nên bài toán đưa ra còn nhiều thiếu sót và hạn chế như chỉ có tính chất mô phỏng, các giả thiết điều kiện chưa hoàn toàn giống với yêu cầu thực tế,… tuy vậy cũng giúp người đọc hiểu rõ hơn về Mentor cũng như cách thiết lập Topology mạng bằng thuật toán Mentor.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Nguyễn Quang Thịnh (C) 20153598 Điện tử 08-K60

Hà Nội, ngày 10 tháng 5 năm 2019

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ- VIỄN THÔNG

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Ngày 10 tháng 5 năm 2019

Giảng viên hướng dẫn

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay hệ thống thông tin viễn thông điện tử được xem như các phương tiệnkinh tế nhất có được để trao đổi tin tức và số liệu Bên cạnh đó song song với sự pháttriển, tăng trưởng của kinh tế việc hình thành các phương tiện cần thiết cho viễn thôngđiện tử đang trở nên phức tạp hơn và có khuynh hướng kỹ thuật cao nhằm đáp ứng nhucầu đang tăng về các dịch vụ chất lượng cao và dịch vụ viễn thông tiên tiến Do đóviệc tổ chức một hệ thống mạng viễn thông đáp ứng các yêu cầu ngày một cao là việcrất quan trọng Đồng thời cũng cần tổ chức mạng lưới này phát triển trở thành mộtphần cơ bản quan trọng của xã thông tin hóa cao trong tương lai

Như ta đã biết, hệ thống viễn thông là tập hợp các trang thiết bị kỹ thuật đểcung cấp dịch vụ viễn thông cho người sử dụng Ta nhìn hệ thống viễn thông trên cảphương diện phần cứng và phần mềm:

 Về phương diện phần cứng, hệ thống viễn thông gồm các thiết bị như:

- Thiết bị đầu cuối thông tin: đưa thông tin của người sử dụng vào mạng vànhận thông tin của mạng cho người sử dụng

- Thiết bị chuyển mạch: liên hệ giữa các đầu cuối theo yêu cầu

- Thiết bị truyền dẫn: liên kết nhóm a với nhóm b và nhóm b với nhóm b:

(a - b) : đường dây thuê bao

(b - b) : đường dây trung kế

(a - b) : mạng truy nhập (Access Network) và mạng lõi (Core Network)

- Thiết bị đầu cuối thông tin, thiết bị chuyển mạch, thiết bị truyền dẫn…

 Về phương diện phần mềm, hệ thống viễn thông cho biết các phần cứng liên hệvới nhau thế nào (Topo mạng - với topo mạng ta sẽ phân biệt được mạng AN(Access Network) và mạng lõi), các giao thức mạng, các giao thức để liên kết,giao thức để trao đổi thông tin (giữa hai giao thức này có thể tách rời, có thể kếthợp với nhau), quản lý và khai thác mạng

Việc thiết kế cấu trúc liên kết (topology) cho các mạng hữu tuyến cố định là vôcùng quan trọng Chỉ một sai sót nhỏ trong khâu thiết kế có thể tiêu tốn khoản tiền lớn.Trong khi đó, việc tính toán một cấu trúc liên kết tối ưu lại chẳng dễ dàng gì Quá trìnhtối ưu cấu trúc liên kết bao gồm việc gán dung lượng cho các liên kết vật lý giữa cáccặp nút với nhau để tối ưu chi phí, cùng lúc đó vẫn phải đáp ứng được lưu lượng đề ra.

Đề tài số 5 có đề cập đến việc cấu hình các phần tử mạng và thiết kế Topologymạng theo thuật toán MENTOR, ISP Trong quá trình thực hiện bài tập lớn, do vốnkiến thức có hạn và tìm hiểu chưa thực sự sâu nên bài toán đưa ra còn nhiều thiếu sót

và hạn chế như chỉ có tính chất mô phỏng, các giả thiết điều kiện chưa hoàn toàn giốngvới yêu cầu thực tế,… tuy vậy cũng giúp người đọc hiểu rõ hơn về Mentor cũng nhưcách thiết lập Topology mạng bằng thuật toán Mentor

Chúng em xin cảm ơn sự tận tình chỉ dạy của Cô Trần Thị Ngọc Lan đã giúpchúng em thực hiện đề tài này Chúng em rất mong nhận được những lời đánh giá, góp

ý và hướng cải thiện từ Cô cũng như các bạn để chúng em có thể khắc phục nhữngthiếu sót và hiểu sâu sắc hơn về thuật toán, cách xây dựng Topology mạng, đồng thời

có sự nhìn nhận rõ hơn trong môn học Tổ chức và quy hoạch mạng viễn thông

Chúng em xin chân thành cảm ơn cô!

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 4

DANH MỤC HÌNH VẼ 6

ĐỂ BÀI SỐ 5 7

I THUẬT TOÁN MENTOR 8

1.1 Tổng quan 8

1.2 Thuật toán MENTOR 9

1.2.1 Xác định nút Backbone và nút trung tâm 9

1.2.2 Xây dựng cây Prim_Dijkstra 11

II THUẬT TOÁN MENTOR II (ISP) 12

2.1 Đặt vấn đề 12

2.2 ISP (Incremental Shortest Path) 13

III TRIỂN KHAI THỰC HIỆN 15

KẾT LUẬN 15

TÀI LIỆU THAM KHẢO 15

DANH MỤC HÌNH V Hình 2 1 Ví dụ mạng Backbone sau MENTOR I 9

Hình 2 2 Ví dụ sắp xếp trình tự các nút theo thứ tự bước nhảy 11

YHình 3 1 Giao diện chương trình khi nhập các tham số đầu vào 12

Hình 3 2 Sơ đồ các nút được tạo ngẫu nhiên trên mặt phẳng tọa độ 12

Hình 3 3 Sơ đồ kết nối các nút Backbone và nút truy nhập 12

W32=W57=W48 = 3, các nút còn lại có trọng số bằng 1.

2, Sử dụng giải thuật MENTOR II (ISP) để tính topology mạng Backbone biết

u min = 70%, α = 0.7 Lưu lượng giữa các nút i và i+3 là 1, lưu lượng giữa nút i và i+6 là

2 và lưu lượng giữa nút i và i+7 là 3 Đưa kết quả ra file số đường sử dụng trên từngliên kết và độ sử dụng trên liên kết đó

3, Nếu thêm lưu lượng giữa nút 3 và nút 10 là 5, lưu lượng giữa nút 15 và 30 là

3 và lưu lượng giữa nút 40 và 68 là 1 thì mạng Backbone vừa tạo ra ở mục 2 thay đổinhư thế nào?

I THUẬT TOÁN MENTOR

1.1 Tổng quan

Trong mạng viễn thông, chúng ta có các nút mạng liên kết với nhau tạo thành hệthống mạng Trong hệ thống mạng có nhiều mạng truy nhập (Access Network), và cácmạng access liên hệ với nhau thông qua mạng đường trục (Backbone Network) Do đócác nút mạng chia làm 2 loại là nút Access và nút Backbone Trong mạng truy nhập(AN) thì chỉ có một nút Backbone và các nút Access khác, các nút access muốn kết nốivới các nút ở mạng truy nhập khác thì phải thông qua nút Backbone Mạng Backbone

là cầu nối để các mạng truy nhập kết nối với nhau, được thiết lập thông qua các nútBacbone

Để xây dựng mạng, ta phải xây dựng được cấu hình của các phần tử mạng.MENTOR (MEsh Network Topology Optimiation Routing) là một thuật toán rất hữuích cho việc thiết kế mạng thông tin vì nó không phụ thuộc vào đặc điểm của bất kỳmột công nghệ hay kiến trúc mạng nào, nó chỉ phụ thuộc vào nguyên tắc thiết kếmạng MENTOR có thể ứng dụng cho nhiều loại mạng, đạc biệt là mạng ATM(Asynchronous Transfer Mode) Và chương trình MENTOR được ứng dụng thiết kếTopology mạng bằng chính thuật toán MENTOR

Ta có các thông số và giả thiết sau:

 Tổng số nút mạng trong toàn bộ hệ thống mạng ký hiệu là N và được đánh số

từ 0 đến N-1

 Để biểu diễn sự liên hệ giữa các nút mạng với nhau, ta có các ma trận:

- Ma trận chi phí Cost[NxN]: là ma trận 2 chiều đối xứng, chứa chi phíkết nối giữa các nút Hàng i và cột j chứa giá trị là chi phí đi từ nút iđến nút j

- Ma trận lưu lượng - Traffic [NxN]: ma trận hai chiều đối xứng, chứalưu lượng giữa các nút với nhau

- Ma trận yêu cầu Req[NxN]: là ma trận 2 chiều đối xứng, chứa mức độyêu cầu liên lạc giữa các nút với nhau Hàng i cột j chứa giá trị là yêucầu từ nút i đến nút j

- Ma trận dung lượng tối đa Cmax[NxN]: cũng là ma trận đối xứng haichiều, chứa giá trị (hiệu dụng) tối đa dung lượng của kênh liên kết giữacác nút

 Từ các ma trận trên ta có thể xây dựng ma trận trọng số W giữa các nút

1.2 Thuật toán MENTOR

1.2.1 Xác định nút Backbone và nút trung tâm

Giả sử ban đầu chỉ có một loại liên kết có dung lượng C:

 Chia các nút thành nút xương sống và nút đầu cuối:

Để chia các nút thành nút xương sống (Backbone_Node) và nút đầu cuối, ta ápdụng phương pháp hợp lại theo ngưỡng (Threshold Clustering):

- Trọng số của một nút Weight (i): là tổng tất cả các lưu lượng vào và ra của nút

- Trọng số chuẩn hóa của nút i là: Normalized Weight (i) = Weight (i)

C

- W - Threshold Weight là tham số cho trước => nút thỏa mãn điều kiện cóNormalized Weight (i) > W được chọn làm nút Backbone

- Tất cả các nút không thỏa mãn với tiêu chuẩn trọng số và gần nút xương sống

sẽ được chọn làm nút đầu cuối (“gần” được định nghĩa là khi giá liên kết từ nútđầu cuối e đến nút xương sống là nhỏ hơn một phần của giá liên kết lớn nhất),được đưa ra như sau:

MAXCOST = max i, jcost (Ni, Nj) (khoảng cách theo hệ tọa độ Decac)

Theo yêu cầu đề bài ta có:

max i, j cost(Node i , Node j)=max i, j(0.5×√(x j−x i)2+(y j−y i)2)

Radius=MaxCost × RPARM (PRAM = R)Với bán kính R từ 0 đến 1 => Cost (e,Node i) < Radius Khi lấy một nútBackbone i bất kỳ làm tâm, quay một vòng tròn bán kính Radius thì tất cả các nút nằm

trong vòng tròn mà không phải nút Backbone sẽ là nút truy nhập của nút Backbonenày.

 Đối với các nút còn lại:

Sau phương pháp hợp lại theo ngưỡng kể trên vẫn còn một số nút chưa đượcphân loại là nút backbone hay nút truy nhập, khi đó ta phải phân loại tiếp:

- Ấn định thưởng “Merit” cho mỗi nút:

Ấn định tọa độ cho mỗi nút (xi, yi)

Tính trung tâm của trọng lực (Center of Gravity - CG) theo công thức:

với Weight (i) là trọng số của nút i, giá trị nút trung tâm có thể không trùng với bất kỳ nút nào thực tế

Tính khoảng cách CG:

Distance i=√(x i−x Center of Gravity)2+(y i−y Center of Gravity)2

=> Max Distance=max(Distance i)Max Weight=max(Weight i) (∀ i)

Tính hàm thưởng (merit): merit đưa ra giá trị cân bằng giữa vị trí gần trung tâm

Weight (i) maxWeight

- Phân loại các nút còn lại:

Nút có giá trị thưởng lớn nhất sẽ được chọn làm nút backbone

Phân loại các nút mới thành nút truy nhập (acess)

Quá trình tiếp tục cho đến khi tất cả các nút được phân loại

 Lựa chọn nút xương sống trung tâm:

Sau khi đã phân loại tất cả các nút, ta chọn một nút làm nút xương sống trungtâm Nút xương sống trung tâm là nút có giá trị moment nhỏ nhất, với moment đượctính như sau:

Moment (N) = ∑cost(N , N¿

)Weight(N¿

)

1.2.2 Xây dựng cây Prim_Dijkstra

Sau khi xác định được nút backbone và nút trung tâm, ta sử dụng cây Dijkstra với tham số α để xây dựng cây kết nối giữa các nút backbone với nhau

Prim-Cây MST-Minimum Spanning Tree: cây bắc cầu tối thiểu, đại diện là thuật toánPrim, với tiêu chí Total Length = min, Total Path = max

Cây SPT – Shorted Path Tree: cây theo đường ngắn nhất, đại diện là thuật toánDijkstra với tiêu chí Total Length = max, Total Path = min

Cây Prim-Dijkstra với tham số:

Nhãn Prim = min neighbor cost (node , neighbor)

Nhãn Dijkstra = min neighbor[cost ( s , neighbor)+cost (neighbor ,node )]

=> Nhãn Prim-Dijkstra:

Label = min neighbor[α∗cost ( s , neighbor )+cost (neighbor , node)]

Với α ∈[0,1] (α = 0 => Prim, α = 1 => Dijkstra)

VD đỉnh hàng xóm là u và đỉnh đang xét là v, ta có nhãn như sau:

L(v) = min [α*cost(s,u) + cost(u,v)]cost(s,u) + cost(u,v)]

1.2.3 Thêm liên kết

Ở bước này chúng ta sẽ đưa ra các khái niệm mới như dãy (Sequence) và nútHome (Homing) để thêm liên kết nhằm tối ưu thiết kế Bằng cách sử dụng cây Prim –Dijkstra ở trên, chúng ta có thể xác định dãy các nút thỏa mãn những tiêu chí sau:

- Các nút được sắp xếp theo thứ tự từ ngoài vào trong

- Không xếp cặp nút (N1, N2) cho đến khi tất cả các cặp nút (N1*cost(s,u) + cost(u,v)], N2*cost(s,u) + cost(u,v)]) đãđược xếp; trong đó N1, N2 nằm trên liên kết giữa N1*cost(s,u) + cost(u,v)] và N2*cost(s,u) + cost(u,v)]

- Những liên kết dài nhất sẽ được xếp đầu tiên

Với mỗi cặp nút N1, N2 không liền kề nhau, ta chọn nút Home là nút trunggian

Hình 1 1 Chọn nút Home

Trong trường hợp có nhiều nút có thể chọn làm nút Home, ví dụ như giữa N1

và N2 có hai nút trung gian N3 và N4 thì ta sẽ chọn nút Home là N3 nếu:

Cost ( N 1 , N 3)+Cost ( N 3 , N 2)<Cost ( N 1 , N 4 )+Cost ( N 4 , N 2)

Và ngược lại chúng ta sẽ chọn nút Home là N4 Xét từng cặp nút (N1,N2) mộtlần duy nhất, ta triển khai giải thuật sau:

- Từ tham số dung lượng liên kết C mà đề bài đã cho, tính:

(N1,N2) thuộc cây Prim – Dijkstra ban đầu, khi đó ta chỉ việc thêm liên kếttrực tiếp.

II THUẬT TOÁN MENTOR II (ISP)

2.1 Đặt vấn đề

Sau khi thiết kế xong mạng, chúng ta xem xét xem lưu lượng sẽ đi qua đâu.Đưa ra một vấn đề mà trung tâm chính là chất lượng hoạt động của thuật toán địnhtuyến Nếu chỉ sử dụng thuật toán Prim – Dijkstra, số lượng liên kết là ít nhất mà vẫnđảm bảo có một và chỉ một đường đi duy nhất giữa 2 node bất kì Tuy nhiên với thiết

kế như thế, sẽ tồn tại những liên kết mà lưu lượng đi qua nó rất lớn, điều đó đồngnghĩa với việc không đảm bảo tính ổn định cho mạng

Hình 2 1 Ví dụ mạng Backbone sau MENTOR INhư Hình 2.1, ta có thể thấy liên kết giữa node 8 và 9 có lưu lượng đi qua lớn

do yêu cầu từ các các node backbone 9, 2, 14 đến node backbone 8, 4 Trong khi đó,liên kết giữa 2 node 2 và 14 lại ít do chỉ có các yêu cầu đi từ node 14 đến các node cònlại Để khắc phục điều này, chúng ta có thể thêm các liên kết trực tiếp giữa các node

Ví dụ, node 14 và node 4 Như vậy, một số yêu cầu từ một số node (VD: node 2, 14)

sẽ đi qua liên kết mới này

Tuy nhiên, nếu thêm các liên kết trực tiếp này thì khả năng một số liên kết đã có

từ trước sẽ giảm lưu lượng (VD: trong trường hợp này là liên kết 9 – 8, 9 – 2) đôi lúc

lưu lượng này trở về 0 Hay nói cách khác, thuật toán định tuyển sẽ tìm thấy đường đingắn nhất nhưng đường đi đó có thể không tìm thấy đường khả thi cho thiết kê mạngcủa chúng ta.

Như vậy, cần cải thiệt giải thuật Mentor thêm các liên kết trực tiếp nhưng vẫnphải xem xét luôn đến giới hạn của thuật toán đinh tuyển

2.2 ISP (Incremental Shortest Path)

Mục đích của thuật toán ISP là xác định tất cả những cặp có thể sử dụng liênkết trực tiếp thay cho đường hiện thời Ban đầu tất cả các đường đều đi qua cây, saukhi thêm liên kết trực tiếp thì mọi thứ trở nên phức tạp hơn

Mentor II sử dụng 2 ma trận kích thước NxN:

- Ma trận sp_dist[NxN]: là ma trận khoảng cách đường ngắn nhất

- Ma trận sp_pred[NxN]: là ma trận con trỏ nút, lưu các vị trí các nút trên đườngngắn nhất giữa hai nút i và j

Hai ma trận đều được cập nhật sau mỗi lần thêm liên kết Mỗi liên kết phảiđược ấn định độ dài lớn hơn giá của nó (do không muốn cho liên kết có độ dài ngắnphi lý)

 Thứ tự xem xét các cặp cạnh:

Chúng ta sắp xếp các cặp cạnh theo thứ tự bước nhảy, và coi đó là thứ tự cầnxét xem có thêm liên kết trực tiếp hay không

Hình 2 2 Ví dụ sắp xếp trình tự các nút theo thứ tự bước nhảy

Với ý nghĩa như trên, cách xây dựng s_list và d_list như sau:

- Thêm node vào s_list nếu: sp_dist[node, s] + L < sp_dist[node, d]

- Thêm node vào d_list nếu: sp_dist[node, d] + L < sp_dist[node, s]

Xem xét tất cả các cặp (ni, nj) trong đó ni ∈ s_list và nj ∈ d_list Khi đó, lưulượng (ni, nj) sẽ chuyển sang liên kết dự định nếu:

sp_dist[ni, s] + L + sp_dist[d, nj] < sp_dist[ni, nj]

Độ dài lớn nhất cho có thể ấn định lưu lượng (ni, nj) để chuyển đi theo đườngnày là:

maxL = sp_dist[ni, nj] - sp_dist[ni, s] + sp_dist[d, nj]

Điều này có nghĩa là nếu độ dài liên kết (ni, nj) ấn định trong khoảng (L, maxL)thì lưu lượng sẽ chuyển đi theo đường đi SD mới này.

Với mỗi cặp (ni, nj) ta sẽ có số maxL Ta sắp xếp các cặp này theo thứ tự từtrên xuống Giả sử ta có: maxL(P1) = 2000; maxL(P2) = 1800; maxL(P3) = 1800;maxL(P4) = 1700

Ở đây, nếu chọn giá trị cạnh là bao nhiêu sẽ quyết định có bao nhiêu cặp (ni, nj)

có thể sử dụng liên kết này Ví dụ chọn SD = 1750 thì có các cặp P1, P1, P3 sẽ dùngliên kết mới này

III TRIỂN KHAI THỰC HIỆN

Giải thuật MENTOR được nhóm 5 triển khai thực hiện trên phần mềmMATLAB Đây là công cụ khá quen thuộc và có tính ứng dụng cao, môi trường giaotiếp thân thiện tạo điều kiện cho nghiên cứu và phát triển

Chương trình sẽ tạo ra 90 nút mạng ở các vị trí ngẫu nhiên Sau đó sử dụng giảithuật MENTOR đã trình bày ở phần trước để tìm ra các nút Backbone và các nút truynhập tương ứng

Khi khởi chạy chương trình, thiết lập các thông số đầu vào như kích thước của

ma trận, số lượng nút, ngưỡng, dung lượng, t được giao diện như ở Hình 3 dưới đây