Nghiên cứu phương pháp và xây dựng phần mềm quy hoạch mạng truyền dẫn thế hệ mới

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TẬP ĐOÀN BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT NAM HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG NGUYỄN QUỐC THÀNH NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP VÀ XÂY DỰNG PHẦN MỀM QUY HOẠCH MẠNG TRUYỀN DẪN THẾ HỆ MỚI CHUYEN NGÀNH: TRUYỀN DỮ LIỆU VÀ MẠNG MÁY TÍNH MÃ SỐ: 60.48.15 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN QUANG HOAN TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2010 Quy hoạch mạng truyền dẫn thế hệ sau [Type text] 1. Mạng truyền dẫn thế hệ mới 1.1. Xu thế phát triển từ mạng hiện có lên NGN Khái niệm mạng thế hệ mới (hay còn gọi là mạng thế hệ tiếp theo - NGN) ra đời cùng với việc tái kiến trúc mạng, tận dụng tất cả các ưu thế về công nghệ tiên tiến nhằm đưa ra nhiều dịch vụ mới, mang lại nguồn thu mới, góp phần giảm chi phí khai thác và đầu tư ban đầu cho các nhà khai thác. Ở đây, chủ yếu chúng ta xem xét quá trình tiến hóa về cấu trúc từ mạng hiện có lên cấu trúc mạng NGN. Mạng NGN sẽ tiến hóa lên từ mạng truyền dẫn hiện tại (phát triển thêm chuyển mạch gói) và từ mạng Internet công cộng (hỗ trợ thêm chất lượng dịch vụ QoS). 1.2. Mạng truyền dẫn quang DWDM Để giải quyến vấn đề về mở rộng dung lượng đối với mạng truyền dẫn thì giải pháp tối ưu đó là công nghệ ghép kênh phân chia theo bước sóng dày (Dense Wavelength Division Multiplexing – DWDM), phương pháp này mở rộng năng lực của các sợi quang bằng cách gán cho mỗi tín hiệu quang đến một tần số xác định (bước sóng) trong dải tần số đã được thiết kế sẵn, sau đó ghép các tín hiệu đã được gán theo từng bước sóng này vào trong sợi quang để truyền đi. 2. Phương pháp quy hoạch mạng truyền dẫn DWDM Cũng giống như các bài toán quy hoạch mạng khác, bài toán quy hoạch mạng truyền dẫn quang cũng được chia thành các bước: quy hoạch chiến lược và quy hoạch cơ sở. Quy hoạch mạng truyền dẫn thế hệ sau [Type text] 2.1. Quy trình quy hoạch tổng quát cho mạng tuyền dẫn .  Quy hoạch chiến lược: kết quả của pha này sẽ đưa ra một số giải pháp về công nghệ và kiến trúc mạng thích hợp. Thực hiện công việc này bằng phương pháp chuyên gia, tức là thông qua việc nghiên cứu xu hướng công nghệ, so sánh phân tích các công nghệ và kiến trúc mạng khác nhau.  Quy hoạch cơ sở: pha này xác định cấu trúc và định cỡ mạng mục tiêu tương ứng với mỗi giải pháp về công nghệ đã đưa ra trong pha đầu. Cấu trúc và kích cỡ mạng đưa ra phải đảm bảo đáp ứng đủ nhu cầu dịch vụ đã được dự báo theo từng thời kì và cấu trúc mạng phải tối ưu để giá thành đầu tư thêm cho cơ sở hạ tầng mạng là nhỏ nhất. Với mỗi giải pháp về công nghệ và kiến trúc mạng được đề xuất, pha này được chia làm 3 bài toán nhỏ: Xác định vị trí đặt nút mạng, xác định cấu trúc mạng và định cỡ mạng. QUY HOẠCH CHIẾN LƯỢC  Xu hướng công nghệ  So sánh phân tích công nghệ  Ý kiến chuyên gia - Nhu cầu dịch vụ - Nhu cầu lưu lượng XÂY DỰNG CẤU TRÚC MẠNG MỤC TIÊU Xác định cấu trúc mạng Định cỡ mạng Tập các nút mạng XÂY DỰNG LỘ TRÌNH TRIỂN KHAI MẠNG KHÁI TOÁN KINH PHÍ Tập các khách hàng tiềm năng Xác định vi trí đặt nút mạng - Công nghệ - Kiến trúc mạng Ràng buộc công nghệ Mô hình giá Cơ sở hạ tầng mạng hiện thời Quy hoạch mạng truyền dẫn thế hệ sau [Type text] 2.2. Xây dựng quy trình quy hoạch cơ sở cho mạng DWDM 2.3. Xây dựng cấu trúc liên kết a, Cấu trúc liên kết dạng vòng Việc xây dựng cấu trúc liên kết dạng vòng cho một mạng con thực chất là việc xác định một đường đi ngắn nhất đi qua tất cả các nút (mỗi nút chỉ đi qua một lần) rồi qua trở lại nút ban đâu ngắn nhất. Đây chính là chủ đề đã được quan tâm nghiên cứu Quy hoạch mạng truyền dẫn thế hệ sau [Type text] phương pháp giải quyết cho bài toán người du lịch (TSP). Phần này tôi sẽ đề xuất phương pháp sử dụng giải thuật di truyền (GA) để giải quyết bài toán này. Sử dụng giải thuật di truyền để xây dựng cấu trúc vòng tối ưu Phương pháp sử dụng GA ở đây có kết hợp với phương pháp 2-opt trong quá trình đột biến. Việc kết hợp giữa hai phương pháp này nhằm đem lại kết quả cao trong tối ưu.  Khởi tạo dân số: Sinh M chuỗi gien ngẫu nhiên.  Lựa chọn tự nhiên: Tiến hành loại bỏ p e % dân số, tức là loại trừ đi M*p e /100 số chuỗi gien trong dân số hiện tại.  Sinh sản: Lựa chọn M*p e /100 cặp cha mẹ ngẫu nhiên để sinh ra M*p e /100 phần tử thế hệ con, mỗi cặp cha mẹ sẽ sinh ra một phần tử con. Như vậy, dân số sẽ sẽ được khôi phục lại như lúc ban đầu chưa tiến hành loại bỏ.  Đột biến: Lựa chọn ngẫu nhiên theo tỷ lệ p i % độc lập các gien để thực hiện đột biến theo phương pháp 2-opt. b, Cấu trúc liên kết dạng lưới Xây dựng cấu trúc liên kết dạng lưới Mục đích: + Xây dựng cấu trúc liên cho mạng con Đầu vào: + Tập các nút: V S = {v i } , i = 1, , N S (N S số nút trong mạng con) + Ma trận lưu lượng: D S = [N S xN S ] = {d ij }, với d ij là lưu lượng i → j; i, j = 1, , N S Đầu ra: + Ma trận kết nối biểu diễn liên kết trong mạng E S = [N S xN S ] = {e ij }, với e ij = 1 nếu có kết nối từ i → j và e ij = 0 nếu không có kết nối từ i → j. Ràng buộc: + Điều kiện địa lý thực tế, có một số cặp nút không thể có kết nối trực tiếp + Cấu trúc liên kết của mạng hiện tại Thuật toán: Như trình bày trên đây [6], [7]. Quy hoạch mạng truyền dẫn thế hệ sau [Type text] 2.4. Phương pháp định cỡ mạng và phân chia tài nguyên a, Định cỡ cho mạng dạng vòng Cấu trúc vòng được xem xét ở đây gồm có n nút (và n cạnh). Các nút được đánh số theo chiều kim đồng hồ và cung giữa nút i và i+1 được gọi là a i . Cung giữa nút n và nút 1 gọi là a n . Mỗi yêu cầu là đối xứng và theo hai hướng. Thuật toán được đề xuất cho định tuyến các yêu cầu truyền dẫn trên mạng có cấu trúc vòng ở đây là thuật toán của Lee và Cheng [5]. Thuật toán của Lee và Cheng Mục đích: + Định tuyến cho các yêu cầu truyền dẫn của các cặp nút trên cấu trúc liên kết dạng vòng Đầu vào: + d = (d 1 , d 2 , …, d m ) là vector yêu cầu, trong đó d j là dung lượng của yêu cầu thứ j. + Cấu trúc liên kết vòng đã được xác định (ma trận kết nối Con = {c ij }). Đầu ra: + P j  = {a s , a s+1 , …, a t-2 , a t-1 } là tập hợp các cung theo chiều kim đồng hồ mà yêu cầu truyền dẫn thứ j (từ nút s đến nút t, t  n) sẽ đi qua; + P j  = {a s-1 , a s-2 , …, a 1 , a n , a n-1 , …, a t+1 , a t } là tập hợp các cung ngược chiều kim đồng hồ mà yêu cầu truyền dẫn thứ j (từ nút s đến nút t, t  n) sẽ đi qua; + Ma trận P = [n  2m] được xác định như sau: Khoảng cách, ma trận lưu lượng Khởi tạo mạng lưới đầy đủ và tính trọng liên kết Liên kết là cầu nối? Tìm liên kết chứa được duyệt có trọng liên kết lớn nhất Loại bỏ liên kết này Thỏa mãn điều kiện bảo vệ về liên kết? Đánh dấu liên kết đã được duyệt Kết quả YES NO YES NO Thỏa mãn điều kiện bảo vệ về nút? Thỏa mãn điều kiện kết thúc vòng lặp YES NO Quy hoạch mạng truyền dẫn thế hệ sau [Type text]           jj jj Pa Pa jiP 0 1 )12,(           jj jj Pa Pa jiP 0 1 )2,( + x = (  1 x ,  1 x ,  2 x ,  2 x , …,  m x ,  m x ) là vector giải pháp, trong đó:  j x = dung lượng của yêu cầu thứ j đi theo chiều kim đồng hồ,  j x = dung lượng của yêu cầu thứ j đi ngược chiều kim đồng hồ; + Ma trận R = [n  2m] được xác định như sau: R(i,2j-1) = P(i, 2j-1)   j x R(i,2j) = P(i, 2j)   j x + y = (y 1 , y 2 , …, y n ) là vector biểu diễn dung lượng trên các cung a 1 , a 2 , , a n , với y i =  j jiR ),( ; + z(x) = max i {y i } cung có dung lượng đặt trên nó là lớn nhất; + A = {a i y i  z(x) - 1} tập hợp các cung có dung lượng lớn. Mục tiêu: + Mục tiêu cần đạt được là tối thiểu z(x) với điều kiện:          }{}{ jj Pij ij Pij j yxx i = 1, 2, …, n  j x +  j x = d j i = 1, 2, …, m  j x  0,  j x  0 j. Thuật toán: begin gán x := (d 1 , 0, d 2 , 0, …, d m , 0); thực hiện tính toán y, z(x), A; gán i := 1; while i  n do begin tạo một danh sách của các yêu cầu được bắt đầu tại nút thứ i và xắp xếp theo thứ tự giảm dần của  j P ; gán yêu cầu j := giá trị đầu tiên trong danh sách tại nút thứ i; while AP j   do begin gán                          2 )(min ,min: k Pk jjj yz xxx j x ; Quy hoạch mạng truyền dẫn thế hệ sau [Type text] gán                          2 )(min ,min: k Pk jjj yz xxx j x ; cập nhật giá trị y, z(x), A; gán yêu cầu thứ j := yêu cầu tiếp theo trong danh sách; end; gán i := i + 1; end; end; b, Định cỡ cho mạng có nhiều vòng Một mạng gồm có nhiều vòng có thể xem như một mạng có nhiều mạng con, trong đó mỗi mạng con là một vòng. Khi đấy việc định cỡ cho mạng bản chất là định tuyến cho các yêu cầu lưu lượng giữa các cặp nút trong cùng một vòng và những yêu cầu lưu lượng giữa các cặp nút không nằm trong cùng một vòng. Trong đó, lưu lượng giữa hai nút mạng nằm trên hai vòng khác nhau sẽ được định tuyến theo nguyên tắc sau:  Bước 1: Yêu cầu được định tuyến từ nút nguồn đến nút Hub của mạng con  Bước 2: Định tuyến yêu cầu từ nút Hub đến nút đích. Dựa trên nguyên tắc đã được này, thì việc định cỡ cho một mạng gồm có nhiều vòng được giải quyết bằng 2 bước sau: Bước 1: Cập nhật ma trận lưu lượng Giả sử N i và N j là hai nút mạng thuộc 2 vòng khác nhau, N k là nút Hub của mạng. Yêu cầu lưu lượng giữa các nút lần lượt là: d ij , d ji , d ik , d ki , d jk , d kj . Việc cập nhật được thực hiện như sau: d ik = d ik + d ij ; d kj = d kj + d ij ; d jk = d jk + d ji ; d ki = d ki + d ji ; d ij = dji = 0; Như vậy, bảng ma trận lưu lượng trước và sau khi cập nhật sẽ có dạng như sau: i … k … j i … k … j i 0 d ik d ij i 0 d ik + d ij 0 … … k d ki 0 d kj k d ki + d ji 0 d kj + d ij … … j d ji d jk 0 j 0 d jk + d ji 0 Ma trận ban đầu Ma trận sau khi cập nhật Bước 2: Định cỡ cho từng vòng con trên mạng Sau khi đã cập nhật ma trận lưu lượng, thì không còn lưu lượng yêu cầu giữa các cặp nút nằm trên hai vòng khác nhau. Khi đó, việc định cỡ mạng trở thành định cỡ cho các vòng trong mạng. c, Định cỡ cho mạng dạng lưới Quy hoạch mạng truyền dẫn thế hệ sau [Type text] Phương pháp định tuyến cho mạng dạng lưới là sự kết hợp của giải thuật di truyền (GA) và định tuyến K shortest loopless paths của Yen để xác định các đường định tuyến tối ưu cho các yêu cầu truyền dẫn của các cặp nút mạng [11]. Việc áp dụng thuật toán của Yen sẽ cho ta kết quả là K đường định tuyến ngắn nhất cho mỗi yêu cầu dựa trên bản đồ kết nối và độ dài của mỗi liên kết trong mạng [12]. Kết quả này sẽ được sử dụng để xây dựng chuỗi gien trong giải thuật di truyền. Giải thuật di truyền áp dụng cho bài toán định tuyến tối ưu trên mạng dạng lưới sẽ được trình bày dưới đây. Giải thuật di truyền sử dụng cho định tuyến tối ưu Khởi tạo dân số và mã hóa Chuỗi gien được sử dụng là một chuỗi số nguyên dạng nhị phân 0 và 1, chuỗi gien dùng để biểu diễn cho một giải pháp định tuyến được lựa chọn cho tất cả các yêu cầu trong mạng. Mỗi chuỗi gien bao gồm nhiều chuỗi gien con. Trong đó, mỗi chuỗi gien con sẽ biểu thị sự lựa chọn một đường định tuyến trong số K đường định tuyến có thể của một yêu cầu (được xác định từ việc áp dụng thuật toán của Yen). Như vậy, nếu có n cặp nút nguồn và đích, mỗi cặp tìm được K đường ngắn nhất thì độ dài của chuỗi gien sẽ là log 2 k.n bít. Ví dụ như hình dưới đây. Dân số được khởi tạo là lựa chọn ngẫu nhiên cho mỗi cặp nguồn và đích một đường truyền được lựa chọn trong K đã được xác định bởi thuật toán của Yen với số dân ban đầu là N phù hợp. Hàm mục tiêu Mục tiêu của việc định cỡ mạng là tối ưu giá thành và tối thiểu số bước sóng cần sử dụng. Chính vì thế hàm mục tiêu được sử dụng trong GA cần biểu diễn được hai thành phần này trong đó để có thể tối ưu trong GA. + Tối thiểu giá thành đầu tư: Min( ∑ C ij k ), với C ij k là giá của yêu cầu từ nút i→j khi đi theo đường k Є K + Tối thiểu tổng số bước sóng cần sử dụng: Min(∑W ij ), với W ij là số bước sóng cần sử dụng trên liên kết (i, j). Tuy nhiên, hai mục tiêu này có thể không đồng thời xảy ra. Vì thế, ta cần có phương pháp để lựa chọn một giải pháp sao cho có thể đạt được một giải pháp đảm bảo có lợi Quy hoạch mạng truyền dẫn thế hệ sau [Type text] nhất cho cả hai hàm mục tiêu. Phương pháp được lựa chọn ở đây là giải pháp tối ưu Pareto. Lai tạo và đột biến Phương pháp lai tạo được sử dụng ở đây là phương pháp lai tạo tại 2-điểm trên chuỗi gien [9]. Quá trình lai tạo 2-điểm được thực hiện như sau:  Chọn ngẫu nhiên hai điểm phân biệt trên chuỗi gien  Lấy phần đầu và cuối của chuỗi gien bố mẹ thứ nhất kết hợp với phần giữa của chuỗi gien bố mẹ thứ hai để hình thành một gien con thứ nhất ở thế hệ tiếp theo  Lấy phần đầu và cuối của chuỗi gien bố mẹ thứ hai kết hợp với phần giữa của chuỗi gien bố mẹ thứ nhất để hình thành một gien con thứ hai ở thế hệ tiếp theo. Quá trình được mô tả trên hình. Sau quá trình lai tạo là quá trình đột biến. Đột biến được thực hiện một cách ngẫu nhiên trên mỗi gien của chuỗi với xác xuất đột biến ở đây là 1/L, với L là chiều dài của chuỗi gien. Đột biến sẽ biến đổi gien từ giá trị 0 thành giá trị 1 và ngược lại. Lựa chọn dân số thế hệ kế tiếp Việc lựa chọn dân số thế hệ kế tiếp trong quá trình tiến hóa của GA là quá trình lựa chọn ngẫu nhiên theo tỷ lệ dựa trên nguyên lý bánh xe Rulet. d, Định cỡ cho mạng kết nối liên khu vực Với cấu trúc mạng phân cấp thì các yêu cầu của hai nút mạng thuộc hai mạng con khác nhau sẽ được định tuyến theo nguyên tắc sau:  Bước 1: Yêu cầu được định tuyến từ nút nguồn đến nút Hub của mạng con  Bước 2: Định tuyến yêu cầu nút mạng Hub này đến nút mạng Hub của mạng con chứa nút đích dựa trên cấu trúc mạng liên kết liên kết nối đã được xác định  Bước 3: Định tuyến yêu cầu từ nút Hub đến nút đích. 3. Phát triển phần mềm [...]... CTLK mạng liên kết nối Quy hoạch mạng truyền dẫn Quy hoạch mạng di động Định cỡ mạng Định cỡ cho các mạng con Định cỡ cho mạng liên kết nối Xác định dung lượng bảo vệ Phân chia tài nguyên I.3 Kiến trúc hệ thống phần mềm Lõi phần mềm Bản đồ (MapInfo/MapBasic) Công cụ quy hoạch mạng truyền dẫn thế hệ sau Báo cáo Các kết quả quy hoạch Dữ liệu đầu vào Cơ sở dữ liệu [Type text] Quy hoạch mạng truyền dẫn thế. . .Quy hoạch mạng truyền dẫn thế hệ sau 3.1 Thiết kế hệ thống phần mềm Chức năng của phần mềm quy hoạch mạng truyền dẫn quang DWDM như cây chức năng trong hình bên dưới: NetPlan 2.0 Dự báo Dịch vụ Dự báo Lưu lượng Xử lý dữ liệu Mô hình mạng Quy hoạch mạng chuyển mạch Cấu trúc liên kết Xử lý dữ liệu đầu vào Phân vùng Cập nhật dữ liệu trong các bước quy hoạch Xác định CTLK của các mạng con Báo... thế hệ sau I.3 Thiết kế hệ thống phần mềm 4 Phát triển mô-đun phần mềm Phần mềm được xây dựng dựa trên phương pháp và thiết kế hệ thống như đã được trình bày trong các phần trên Phần mềm bao gồm những tính năng sau:  Nhập dữ liệu đầu vào bao gồm: bản đồ, vị trí các nút mạng, ma trận lưu lượng dự báo  Thao tác dữ liệu đầu vào, dữ liệu đầu ra và trong các bước quy hoạch nhằm tăng tính tiện dụng của phần. .. của phần mềm trong sử dụng Tạo nên tính mềm dẻo trong xử lý của công cụ phần mềm  Phân vùng mạng thành các mạng con nhằm chia mạng tổng thể thành các vùng mạng con để có thể quản lý và quy hoạch hiệu quả hơn  Xây dựng cấu trúc liên kết mạng cho khu vực Chức năng này bao gồm hai chức năng sau: Xây dựng cấu trúc liên kết của từng mạng con và cấu trúc liên kết của mạng liên kết nối giữa các mạng con... Định tuyến tối ưu cho các yêu cầu truyền dẫn giữa các cặp nút trong mạng bao gồm 2 mức, đó là: định tuyến trong mạng con và định tuyến cho các yêu cầu trên mạng liên kết nối  Phân chia tài nguyên mạng, ở đây cụ thể là phân chia bước sóng cho mạng truyền dẫn quang  Cho phép thao tác để báo cáo kết quả trên nền đồ họa và bảng biểu [Type text] Quy hoạch mạng truyền dẫn thế hệ sau TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]... biểu [Type text] Quy hoạch mạng truyền dẫn thế hệ sau TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Quốc Thành, Đinh Văn Dũng, Nguyễn Chiến Trinh, Phương pháp quy hoạch mạng truyền dẫn quang ghép kênh theo bước sóng WDM, Hội nghị nghiên cứu, phát triển và ứng dụng công nghệ thông tin và truyền thông rda’05, Hà Nội, Việt Nam, 2006 [2] The International Engineering Consortium, Dense Wavelength Divisionb Multiplexing . triển phần mềm Quy hoạch mạng truyền dẫn thế hệ sau [Type text] 3.1. Thiết kế hệ thống phần mềm Chức năng của phần mềm quy hoạch mạng truyền dẫn quang. 2010 Quy hoạch mạng truyền dẫn thế hệ sau [Type text] 1. Mạng truyền dẫn thế hệ mới 1.1. Xu thế phát triển từ mạng hiện có lên NGN Khái niệm mạng thế