Tài liệu Luận văn: Tìm hiểu thuật toán Widest Shortest Path pptx

24 TỔNG QUAN Ngày nay việc gia tăng các giá trị gia tăng hứa hẹn một tương lai phát triển mạnh mẽ cho hệ thống mạng với các dịch vụ thời gian thực , băng thông rộng hay các dịch vụ li

Luận vănTìm hiểu thuật toán Widest Shortest Path

Mục Lục

Tổng quan ……… 1

I Khái niệm định tuyến ……… 3

II Giải thuật định tuyến……… 4

2.1 Yêu cầu của giải thuật định tuyến……… ……… 4

2.2 Giải thuật tìm đường đi ngắn nhất và rộng nhất (WSP)………5

III Giới thiệu về QoS (quality of service) ……… ……….…5

3.1.Định nghĩa về QoS ……… ……… 5

3.2 Mô hình trạng thái QoS ……… 6

3.3 Mục tiêu định tuyến Qos ……… … 7

3.4 Các tham số QoS ……… …… 7

3.5 Các giao thức và tiêu chuẩn liên quan đến QoS … ……… 9

IV Các vấn đề về số đo 11

4.1 Số đo 11

4.2 phân phối số đo 12

4.3 Thứ tự số đo 12

V Kĩ thuật lưu lượng 13

5.1 Định tuyến QoS: tiếp cận khu vực và tổng thể 14

5.2 Định tuyến khoanh vùng 15

5.3 Dịch vụ kết nối và không kết nối 16

5.4 Mô hình lưu lượng ảo 16

VI Giao thức đường đi ngắn nhất (OSPF-open Shortest First) 18

VII Tìm hiểu về thuật toán Dijkstra và thuật toán A* … 21

1 Thuật toán Dijkstra……… 21

2 Thuật toán A* ……… ……… 23

VIII Ứng Dụng và kết luận ……… 24

TỔNG QUAN

Ngày nay việc gia tăng các giá trị gia tăng hứa hẹn một tương lai phát triển mạnh mẽ cho hệ thống mạng với các dịch vụ thời gian thực , băng thông rộng hay các dịch vụ liên quan đến tính kinh tế, bảo mật, chất lượng dịch vụ cao như mạng riêng ảo (VPN)

Bên cạnh sự ra đời của các mạng công nghệ cao thì vấn đề là phải làm sao đảm bảo được tốc độ tính toán nhanh nhất và đạt hiệu năng tổng thể cho luồng lưu lượng khác nhau Hơn nữa cải thiện hiệu năng định tuyến là một bài toán được quan tâm hàng đầu trong mạng,

Trong đề tài này chúng ta tập chung tìm hiểu về thuật toán WSP ( Widest shortest path alogorithm ) Thuật toán này chọn đường đi ngắn nhất dựa trên số bước nhảy, và tìm đường rộng nhất dựa trên độ rộng băng thông Để hiểu thuật toán này trước hết chúng ta phải tìm hiểu về QoS (quality of service ) và đi đến định tuyến đảm bảo QoS (chất lượng dịch vụ ) qua thuật toán này như thế nào

I khái niệm định tuyến

Mục tiêu cơ bản của các phương pháp định tuyến nhằm sử dụng tối đa tàinguyên mạng, và tối thiểu hoá giá thành mạng Để đạt được điều này kỹ thuật địnhtuyến phải tối ưu được các số mạng và người sử dụng như : Xác suất tắc ngẽn,băng thông, độ trễ, độ tin cậy, giá thành,v v Vì vậy, một kỹ thuật định tuyến phảithực hiện tốt 2 chức năng chính sau đây:

1.Quyết định chọn đường theo những tiêu chuẩn tối ưu nào đó.

2.Cập nhật thông tin định tuyến, tức là thông tin dùng cho chức năng

Trong các mạng máy tính có rất nhiều các kỹ thuật định tuyến khác nhau đã đượcđưa ra Sự phân biệt giữa các kỹ thuật định tuyến chủ yếu căn cứ vào các yếu tốliên quan đến 2 chức năng chính đã chỉ ra trên đây Các yếu tố đó thường là:

(a) Sự phân tán của các chức năng chọn đường trên các nút của mạng (b) Sự thích nghi với trạng thái hiện hành của mạng.

(c) Các tiêu chuẩn tối ưu để định tuyến.

Tiêu chuẩn tối ưu để định tuyến được xác định bởi người quản lý hoặc ngườithiết kế mạng, nó có thể là:

- Độ trễ trung bình của thời gian truyền gói tin

- Số lượng nút trung gian giữa nguồn và đích của gói tin

- Độ an toàn của việc truyền tin

- Nguồn tài nguyên mạng sử dụng cho truyền tin

- v.v

- Tổ hợp của các tiêu chuẩn trên

Việc chọn tiêu chuẩn tối ưu như vậy phụ thuộc vào nhiều bối cảnh mạng (topo,thông lượng, mục đích sử dụng.v.v ) Các tiêu chuẩn có thể thay đổi vì bối cảnh

mạng cũng có thể thay đổi theo thời gian hoặc các triển khai ứng dụng trên mạng,chính vì thế mà vấn đề tối ưu hoá định tuyến luôn được đặt ra trong thời gian triểnkhai mạng, nhất là sự đối lập về quan điểm người sử dụng dịch vụ và nhà khai thácdịch vụ mạng

II Giải thuật định tuyến

Giải thuật định tuyến (routing algorithm) là giải thuật tìm đường đi cho các gói

từ một máy nguồn đến một máy đích, trong hầu hết các mạng thì các gói sẽ cầnđến nhiều bước nhảy (nghĩa là phải chuyển qua nhiều bộ định tuyến) để hoàn tấtcuộc hành trình Giải thuật định tuyến có nhiệm vụ quyết định đường dây ra nào

mà một gói đến có thể được truyền trên nó Có hai quá trình xảy ra trong một bộđịnh tuyến, đó là một quá trình quản lí mỗi một gói khi gói này đến, tìm kiếmđường ra cho gói này ở trong các bảng định tuyến, quá trình này gọi là quá trìnhtruyền tiếp Quá trình còn lại có nhiệm vụ cập nhật và điền vào các bảng địnhtuyến, đó là nơi mà giải thuật định tuyến bắt đầu có hiệu lực

2.1 Yêu cầu của giải thuật định tuyến

Các thuộc tính cần phải có trong giải thuật định tuyến là:

Chính xác (exactitude)

Đơn giản (simple)

Có khả năng thay đổi cấu hình và đường vận chuyển để không phải khởiđộng lại mạng khi có một nút hỏng hoặc phải ngừng hoạt động của các máy

định tuyến gần nhất hoặc từ tất cả các bộ định tuyến ), khi nào các giải thuật nàythay đổi các tuyến (chẳng hạn như mỗi một ΔT giây, khi tải thay đổi hay cấu trúcT giây, khi tải thay đổi hay cấu trúcliên kết mạng thay đổi ), và số đo nào được sử dụng cho sự tối ưu (chẳng hạn nhưkhoảng cách, số bước nhảy hay thời gian chuyển tiếp được ước lượng) và ở đoạntiếp giải thuật định tuyến đường đi ngắn nhất và rộng nhất (WSP).

2.2 Giải thuật tìm đường đi ngắn nhất và rộng nhất ( WSP )

Thuật toán tìm đường đi ngắn nhất và rộng nhất (WSP)[1] là thuật toán đượcnâng cấp từ thuật toán bước nhảy tối thiểu,WSP cố gắng cân bằng tải trọng của lưulượng mạng Trên thực tế thì WSP chọn một đường dẫn khả thi nhất cùng với sốbước nhảy bé nhất và nếu có nhiều hơn một đường dẫn khả thi cùng với số bướcnhảy như vậy thì một đường dẫn sẽ được chọn ra cùng với độ dư băng thông lớnnhất, như vậy sẽ làm giảm liên kết tải trọng nặng Mục tiêu của thuật toán WSP là

để chọn một con đường ngắn nhất mà là một con đường có tính khả thi theo sựrằng buộc về băng thông của lưu lượng Số đo chính trong thuật toán WSP là sốbước nhảy và số đo thứ 2 là băng thông sẵn có (còn dư), trong giai đoạn một tồntại tất cả các con đường ngắn nhất giữa mỗi nguồn và tất cả các đích trong mạng làmột sự tính toán Trong giai đoạn 2 băng thông được sử dụng WSP có thể tínhtoán bằng phiên bản sửa đổi của Bellman-Ford hoặc thuật toán Dijkstra Sự mởrộng để thuật toán Dijkstra thay thế cho sự tính toán của WSP Mục đích chính củaWSP là để giảm tải chi phí cho mạng Từ đó sự duy trì tài nguyên mạng là đặcbiệt quan trọng khi mạng bị tắc nghẽn, kiểu thuật toán này mang lại hiệu quả caokhi mạng có tải trọng cao WSP thực thi tốt bởi vì tài nguyên được bảo vệ đồngthời bằng cách chọn con đường ngắn và cân băng tải trọng bằng cách chọn conđường rộng giữa các con đường có độ dài như nhau

Trong phần sau chúng ta sẽ đi sâu vào tìm hiểu về QoS (quality of service) để biếtđược giải thuật WSP hỗ trợ cho định tuyến QoS như thế nào

III Giới thiệu về QoS (quality of service)

3.1 Định nghĩa về QoS (chất lượng dịch vụ)

Chất lượng dịch vụ QoS [2] là khả năng của mạng để cung cấp dịch vụ tốt cholưu lượng mạng xác định qua nhiều công nghệ lớp dưới như Frame-Relay, ATM,

IP và các mạng định tuyến… nói cách khác nó là đặc tính của mạng cho phépphân biệt giữa các lớp lưu lượng khác nhau và sử lý chúng một cách khác nhau

Một vài ứng dụng tổng quát và độ chính xác của các yếu cầu được liệt kê trongbảng sau

Bảng 3.1 Các yêu cầu về chất lượng dich vụ

3.2 Mô hình trạng thái QoS

Một mô hình trạng thái mạng QoS thường được biểu diễn dưới dạng một đồ thịG(V,E) Trong đó V thể hiện cho các nút và E là các liên kết Lưu lượng vào mạngqua nút vi và ra qua nút vj Mỗi liên kết (i,j) có 2 đặc tính : Ci,j là dung lượng liênkết và fi,j là lưu lượng thực tế Gọi Ri,j = (Ci,j – fi,j) là băng thông dư Một kết nối cóyêu cầu băng thông là dk thì một liên kết được gọi là khả dụng khi Ri,j ≥ dk Mộtkết nối mới có thể được chấp thuận nếu ít nhất tồn tại một đường dẫn khả dụnggiữa vi và vj

Hội nghị truyền hình

Âm nhạc theo yêu cầu

CaoThấpThấp

CaoCao

CaoCao

Thấp

Thấp

ThấpThấpThấp

ThấpThấp

Hình 3.2 Mô hình trạng thái mạng QoS

Một đường đi (path) trên đồ thị là một dãy tuần tự các đỉnh v1,v2 vn, sao cho(vi,vi+1) là một cung của đồ thị (i=1…n-1) Đường đi này là đường đi từ đỉnh v1 đếnđỉnh vn đi qua các đỉnh v1,v2 vn-1, đỉnh v1 được gọi là đỉnh đầu của đường đi, đỉnh

vn được gọi là đỉnh cối của đường đi, độ dài của đường đi là n-1(bằng số cạnh trênđường đi ) Một liên kết a thuộc E từ nốt vi đến vi+1 hay gọi là liên kết (vi,vi+1) Mỗimột liên kết a thuộc E có tải trọng wi(a) w(vi ,vi+1) là tải trọng tương ứng với liênkết ( vi,vi+1 ) trên đường dẫn P = ( v1,v2 vn-1 ) và W(P) là tải trọng trên toàn bộđường truyền

3.3 Mục tiêu định tuyến QoS

Vai trò của định tuyến là tính toán đường dẫn thích hợp cho các kiểu lưu lượngkhác nhau, khi sự tận dụng của tài nguyên mạng lớn, việc đáp ứng mục tiêu phụthuộc vào sự phát triển của thuật toán để tìm đường dẫn dựa vào sự tính toán trạngthái của mạng và lưu lượng yêu cầu, cụ thể là, cần tính đến độ trễ, độ trượt, tỉ lệmất mát và băng thông còn dư

Mục tiêu của định tuyến QoS là để chọn đường dẫn phù hợp theo yêu cầu thônglượng căn cứ trên thông tin về tất cả các trạng thái của mạng Sự tận dụng tàinguyên mạng cũng là mục tiêu quan trọng của định tuyến QoS Kế hoạch địnhtuyến QoS cần phải đưa ra giải pháp cho kĩ thuật phân phối số đo và thuật toánchọn đường dẫn

Một số đề xuất phối hợp định tuyến QoS thường phụ thuộc vào sự trao đổigiữa các thông tin trạng thái QoS các bộ định tuyến, và xử lý phần đầu tại trungtâm các bộ định tuyến Để đơn giản hóa việc trao đổi thông tin trong mạng, chúng

ta tập trung phối hợp định tuyến khoanh vùng tại biên (edge) các bộ định tuyến vànhư vậy để giải quyết đường đi chỉ cần sử dụng thông tin cục bộ (local)

Định tuyến căn cứ trên dung lượng ảo (vcr virtual capacity based routing) là sự

phối hợp trên lí thuyết căn cứ trên khái niệm dung lượng ảo của một bộ địnhtuyến Chúng ta tập trung phối hợp định tuyến QoS khoanh vùng tại biên (edge)các bộ định tuyến để giải quyết đường đi chỉ sử dụng thông tin cục bộ ”local” vànhư vậy thì giảm tải phần đầu tại trung các tâm bộ định tuyến

3.4 các tham số QoS

Các tham số rằng buộc về QoS của kết nối thường được đánh giá qua mức độđảm bảo băng thông tối thiểu, độ trễ/trượt và tỉ lệ mất thông tin Mục tiêu cơ bảncủa kỹ thuật định tuyến QoS là tìm ra một đường có khả năng đảm bảo các điềukiện rằng buộc của đấu nối và thậm chí chỉ để loại bỏ một số đấu nối khác.

Hình 3.4 Độ trễ và mất mát gói tin trong mạng

+ Việc quản lý băng thông hiệu quả để chuyển các gói qua một mạng gói dựa

trên các thông số sau

- Latency –Trễ khi chuyển một gói tin qua mạng

- Jitter – Trượt

- Loss – Phần trăm mất gói

- roughput –Thông lượng của mạng

- vailability - network uptime-tính sẵn sàng của mạng

+ Các tham số sau đây là cơ sở để định lượng bất kỳ một dịch vụ nào:

- one-way delay -độ trễ một chiều

- one-way packet delay variation-mức độ thay đổi độ trễ gói tin theo mộtchiều

- capacity- dung lượng

- packet loss- độ mất mát gói tin.

Ngoài danh sách này,có một vài yêu cầu cơ bản cho hoạt động mạng mà ảnhhưởng lớn đến toàn bộ chất lượng của bất kỳ dịch vụ nào

- Tỉ số lỗi bít

- Sự ổn định của lớp vật lý và liên kết số liệu

- Sự ổn định định tuyến

- Hiệu năng phần cứng toàn mạng

- Kiểm tra và thời gian cần để giải quyết sự cố

Bảng 2.2: Phạm vi các tham số

3.5 Các giao thức và tiêu chuẩn liên quan đến QoS

Trong phần này sẽ đề cập và xem xét hai mô hình hỗ trợ QoS trong mạng IP

là : Integrated Services (các dịch vụ tích hợp) và Differentiated Services (các dịch

Jitter sensitive, tương tác cao(VoIP,VTC)

thời gian thực, Jitter sensitive, tương tác

Truyền vận dữ liệu,tương tác cao(signaling)Truyền vận dữ liệu,tương tác

chỉ tổn thất nhỏ(các vận chuyển ngắn, kích thước dữ liệu) ứng dụng truyền thống của các mạng default

IP

độ ưu tiên, nhóm lưu lượng

rằng buộc định tuyến và khoảng cáchrằng buộc định tuyến

ở mức độ nhỏ hơn và khoảng cách

rằng buộc định tuyến và khoảng cáchrằng buộc định tuyến

ở mức độ nhỏ hơn và khoảng cách

bất cứ bộ định tuyến/đường dẫn

bất cứ bộ định tuyến/đường dẫn

vụ sai biệt ) Cả hai mô hình đều hỗ trợ cho việc điều khiển mạng và mang lại khảnăng phát triển mạng tốt hơn

Kĩ thuật Intserv được hiểu một cách tổng quan như sau

- Mỗi node mạng (router) được phân chia thành 2 phần: Xử lý cơ bản vàchuyển tiếp lưu lượng

- Xử lý cơ bản đảm nhận các chức năng như: định tuyến, thiết lập và duy trìtài nguyên mạng và điều khiển quản lý

- Xử lý trong chuyển tiếp lưu lượng: dựa trên thông tin trong cơ sở dữ liệu

để phân loại lưu lượng và đưa lưu lượng vào hàng đợi

Kĩ thuật Intserv (dịch vụ tích hợp), sử dụng giao thức RSVP- (giao thức dự trữtrước tài nguyên-Source Reservation Protocol) để dành trước tài nguyên trước khitruyền dữ liệu

Hình 3.5 RSVP

RSVP cho phép nhiều bộ định tuyến truyền thông tin đến nhiều bộ địnhtuyến cho phép các bộ định tuyến tối ưu hóa trong việc sử dụng băng thông đồngthời với việc loại bỏ nghẽn mạch Để dành trước tài nguyên phía gửi sử dụngRSVP để gửi một bản tin PATH tới phía nhận để xác định các thuộc tính của lưulượng sẽ gửi Mỗi node trung gian sẽ chuyển tiếp bộ bản tin PATH tới các node kếtiếp Khi nhận được bản tin PATH bên nhận sẽ gửi bản tin RESV để yêu cầu tàinguyên cho luồng Các node trung gian trên đường đi có thể chấp nhận hay từ chốicác yêu cầu chứa trong bản tin RESV, nếu yêu cầu bị từ chối, bộ định tuyến sẽ gửibản tin báo lỗi cho phía nhận, quá trình báo hiệu kết thúc Nếu yêu cầu được chấpnhận, tài nguyên được dành riêng cho luồng và các trạng thái liên quan của luồng

sẽ được cài đặt vào bộ định tuyến RSVP khó khăn trong việc thực hiện vì việc

chuyển tiếp các gói dựa trên trạng thái của gói tại mỗi node, các quyết định nàyyêu cầu các gói RSVP phải mang một số thông tin “tóm tắt” để định phiên làmviệc của chúng Các bộ định tuyến trung gian phải có một bảng định tuyến độngchứa phương pháp sử lí các thông tin “tóm tắt” đó và thông tin về việc “dành trướctài nguyên” Khi một bộ định tuyến nhận được một gói thuộc phiên làm việcRSVP nó phải tham chiếu vào bảng để biết cách phải xử lí gói như thế nào

Trong mô hình tích hợp dịch vụ sử dụng giao thức RSVP có thể đảm bảoQoS từ đầu cuối đến đầu cuối trên cơ sở mỗi luồng thông qua báo hiệu QoS trêntừng chặng Các bộ định tuyến dọc theo đường truyền phải duy trì trạng thái chomỗi luồng thông tin Vì vậy tối ưu về sử dụng tài nguyên mạng, nhưng kéo theo đó

là gánh nặng xử lý và tăng kích cỡ mạng

Trong mô hình dịch vụ sai biệt chỉ đảm bảo QoS trên từng chặng thông qua việc

ấn định tài nguyên phần cứng Gánh nặng xử lý của các bộ định tuyến nhẹ hơn vàđơn giản hơn, nhưng không đảm bảo về QoS từ đầu cuối đến đầu cuối

Pat

h

ResvResv

Bộ phận đk

Tác nhân định tuyến

Phân loại Lập lịch trình

Thiết lập dành riêng

Điều khiển cơ sở

dữ liệu

Tác nhân đk

RSVP

đường dẫn Mặc dù vậy, việc tính toán được quyết định trên nguyên tắc của kếtcấu số đo

Giá trị của số đo dọc theo đường dẫn, căn cứ trên giá trị của mỗi bước nhảyđược quyết định trên bản chất của số đo Việc thêm vào thành phần số đo có nghĩa

là giá trị của số đo trên khắp đường dẫn là sự cộng gộp giá trị của mỗi bước nhảy (

độ trễ và số bước nhảy tương đương với các số đo cộng vào) Với các số đo đượcnhân lên thì giá trị của số đo trên con đường là tích số của các giá trị đó trong mỗibước nhảy (độ tin cậy) Giá trị của số đo lõm (concave) trên đường truyền phù hợp

để tuân theo giá trị trong tất cả các bước nhảy của đường truyền ấy (băng thông là

ví dụ phổ biến của số đo lõm )

Các số đo sử dụng phổ biến trên định tuyến QoS và rằng buộc định tuyến căn bảnđược tách ra thành 3 loại

Được gọi là các quy tắc cấu tạo hành phần các số đo

W(P) = min( w( u1, u2 ), w ( u3 , u4 ) ,…, w(ul-1,ul) )

W(P) là tải trọng trên đường truyền, w(ui , uj) là tải trọng của một liên kết trênđường truyền

4.2 Phân phối số đo ( Metrics Distribution)

Trạng thái của mạng có thể miếu tả bằng một tập hơp số đo, bao gồm băngthông sẵn có, độ trễ, độ trượt, và mức độ tắc nghẽn Thông tin về tất cả trạng tháicủa mạng cần được phân phối, và giữ lại cập nhật, ở tất cả hoặc một vài bộ địnhtuyến trong mạng Sự phân phối cần được thực hiện thường xuyên hơn trong bộđịnh tuyến để cập nhật trạng thái động của mạng Nhưng nếu thường xuyên cậpnhật thông tin thì nó sẽ gây ra tiêu thụ băng thông nhiều, có thể xảy ra nguy hiểmcho mạng

4.3 Thứ tự số đo (Metric Ordering )

Thứ tự số đo phụ thuộc sự xác định của số đo mà có độ ưu tiên cao và có sựtính toán tương đối tốt nhất theo số đo này Trong thuật toán WSP thì số đo được

ưu tiên tính toán đầu tiên là số bước nhảy, số đo thứ hai căn cứ trên băng thông