BÁO cáo bài tập lớn tổ CHỨC và QUY HOẠCH MẠNG thuật toán MENTOR

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG  BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN TỔ CHỨC VÀ QUY HOẠCH MẠNG VIỄN THÔNG GVHD: T.S Trần Thị Ngọc Lan Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đăng Thế Anh 20172405 Đỗ Đình Tuấn 20172896 Trịnh Ngọc Đông 20172474 Trương Văn Minh 20172695 Lê Công Phương Nam 20172706 Hà Nội, 12/2021 LỜI NĨI ĐẦU Mơn học Quy hoạch quản lý mạng viễn thông môn quan trọng, bổ sung kiến thức cần thiết cho sinh viên theo ngành Điện tử - Viễn thơng Trong q trình thực đề tài này, chúng em cố gắng để hoàn thành tốt có lẽ vốn kiến thức cịn hạn hẹp yếu tố khách quan khác mà không tránh khỏi thiếu sót Chúng em mong đóng góp ý kiến, phê bình hướng dẫn thêm thầy cô bạn đọc đề tài chúng em hoàn thiện Qua đây, chúng em xin chân thành cảm ơn TS Trần Thị Ngọc Lan trực tiếp định hướng, tạo điều kiện cần thiết tận tình hướng dẫn để chúng em hồn thành đề tài Chúng em xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC MỤC LỤC DANH SÁCH HÌNH ẢNH ĐỀ BÀI PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC I.NỘI DUNG 1.Tổng quan Thuật toán MENTOR .8 Giải thuật Prim-Dijkstra Phân tích đề tài II CƠ SỞ LÍ THUYẾT .10 Thuật toán MENTOR .10 2.Giải thuật Prim – Dijkstra 11 3.Thêm liên kết 11 III.TRIỂN KHAI THỰC HIỆN 13 KẾT LUẬN 18 TÀI LIỆU THAM KHẢO 19 DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 1: Chọn nút home 12 Hình : Giao diện chương trình nhập tham số đầu vào 13 Hình : Sơ đồ kết nốt nút Backbone nút truy nhập 14 Hình 3 : Cây Prim_Dijkstra kết nối nút truy cập với 15 Hình : Mạng backnone sau giảm giá trị umin 16 DANG SÁCH BẢNG Bảng Độ sử dụng liên kết giá mạng backbone Umin = 0.95 17 Bảng Độ sử dụng liên kết giá mạng backbone Umin = 0.9 18 Bảng 3 Độ sử dụng liên kết giá mạng backbone Umin = 0.85 (ban đầu) 18 Bảng Độ sử dụng liên kết giá mạng backbone Umin = 0.8 .19 Bảng Độ sử dụng liên kết giá mạng backbone Umin = 0.7 .19 Bảng Độ sử dụng liên kết giá mạng backbone Umin = 0.5 .20 Bảng Độ sử dụng liên kết giá mạng backbone Umin = 0.3 .21 ĐỀ BÀI Đề 8: Cho mạng gồm 100 nút Các nút đặt cách ngẫu nhiên mặt phẳng kích thước 1000x1000 Giá liên kết tính bẳng round (0.4x khoảng cách đề các) Sử dụng giải thuật MENTOR để tìm nút backbone nút truy nhập tương ứng với nút Backbone Biết W=2, R=0,3 dung lượng liên kết C=12 Lưu lượng nút i i+4 lưu lượng i i+87 3, lưu lượng i i+98 4, lưu lượng nút 28 5, lưu lượng 12 76 17 lưu lượng 27 48 Hãy tính lưu lượng thực tế nút Backbone (ghi file) Sử dụng giải thuật Mentor để thiết kế toopology backbone biết umin = 85% α =0.4 Đưa kết file số đường sử dụng liên kết độ sử dụng liên kết Mạng backbone giá mạng backbone thay đổi thay đổi giá trị umin PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC Nguyễn Đăng Thế Anh -Xây dựng Prim-Dijkstra, -Lập trình giải thuật Lê Cơng Phương Nam -Xây dựng Prim-Dijkstra -Lập trình giải thuật Trương Văn Minh -Xây dựng Prim-Dijkstra -Lập trình giải thuật Trịnh Ngọc Đơng -Tìm hiểu giải thuật Mentor,xây dựng Prim-Dijkstra -Viết báo cáo Đỗ Đình Tuấn -Tìm hiểu giải thuật Mentor,xây dựng Prim-Dijkstra -Viết báo cáo I NỘI DUNG 1.Tổng quan Trong mạng viễn thơng, có nút mạng liên kết với tạo thành hệ thống mạng Trong hệ thống mạng có nhiều mạng truy nhập (Access Network), mạng access liên hệ với thông qua mạng đường trục (Backbone Network) Do nút mạng chia làm loại nút Access nút Backbone Trong mạng truy nhập (AN) có nút Backbone nút Access khác, nút access muốn kết nối với nút mạng truy nhập khác phải thơng qua nút Backbone Mạng Backbone cầu nối để mạng truy nhập kết nối với nhau, thiết lập thông qua nút Bacbone Để xây dựng mạng, ta phải xây dựng cấu hình phần tử mạng MENTOR (Mesh Network Topology Optimiation Routing) thuật tốn hữu ích cho việc thiết kế mạng thơng tin khơng phụ thuộc vào đặc điểm công nghệ hay kiến trúc mạng nào, phụ thuộc vào nguyên tắc thiết kế mạng MENTOR ứng dụng cho nhiều loại mạng, đạc biệt mạng ATM (Asynchronous Transfer Mode) Và chương trình MENTOR ứng dụng thiết kế Topology mạng thuật tốn MENTOR Ta có thơng số giả thiết sau:  Tổng số nút mạng toàn hệ thống mạng ký hiệu N đánh số từ đến N-1  Để biểu diễn liên hệ nút mạng với nhau, ta có ma trận:  Ma trận chi phí Cost[NxN]: ma trận chiều đối xứng, chứa chi phí kết nối nút Hàng i cột j chứa giá trị chi phí từ nút i đến nút j  Ma trận lưu lượng - Traffic [NxN]: ma trận hai chiều đối xứng, chứa lưu lượng nút với  Ma trận yêu cầu Req[NxN]: ma trận chiều đối xứng, chứa mức độ yêu cầu liên lạc nút với Hàng i cột j chứa giá trị yêu cầu từ nút i đến nút j  Ma trận dung lượng tối đa Cmax[NxN]: ma trận đối xứng hai chiều, chứa giá trị (hiệu dụng) tối đa dung lượng kênh liên kết nút  Từ ma trận ta xây dựng ma trận trọng số W nút Thuật toán MENTOR Thuật toán định tuyến MENTOR thuật toán để sử dụng việc định tuyến mạng xương sống Nó phát triển Aaron Kershenbaum, Parviz Kermani George A Grove xuất IEEE vào tháng năm 1991 với báo tiêu đề “MENTOR an algorithm for mesh network topological optimization and routing” IEEE Transactions on Communications Journal Thuật toán đời tạo chế xây dựng mạng xương sống với độ phức tạp tính tốn giảm xuống, giảm thời gian tính tốn thiết kế mạng đáng kể (theo nhóm tác giả gấp hàng trăm lần phương pháp thời giờ) Nguyên năm 1991 máy vi tính thời chưa cho hiệu tính tốn mơ cao Đồng thời, thuật tốn xây dựng thành cơng mạng có chi phí thấp, hiệu cao liên kết dung lượng lớn Giải thuật Prim-Dijkstra Cây Prim-Dijsktra, đồ thị vơ hướng liên thơng, khơng chứa chu trình có hai đỉnh Cho đồ thị G=(V,E) có n đỉnh Sáu mệnh đề sau tương đương: G cây; G khơng có chu trình có n-1 cạnh; G liên thơng có n-1 cạnh; G khơng có chu trình bổ sung vào cạnh nối hai đỉnh không kề xuất chu trình nhất; G liên thông bỏ cạnh G tính liên thơng; Mỗi cặp đỉnh G nối với đường  Thuật tốn Prim: cịn gọi phương pháp lân cận gần Đầu vào: đồ thi liên thơng có trọng số G = (N,E) Đầu ra: Cây bao trùm nhỏ U = Tập nút MST V = Tập tất nút chưa thuộc MST liền kề nút thuộc U Đặt nút vào U cập nhật V Tìm cạnh có trọng số nhỏ nối nút thuộc V tới nút thuộc U Thêm cạnh vào cập nhật U V Lặp lại & tất nút thuộc cây, | U | = | N|  Thuật tốn Dijsktra: Thuật tốn tìm đường ngắn Đánh dấu nút chưa xét, ấn định nhãn vô 2.Thiết lập nhãn gốc thiết lập predecessor(gốc)= nút gốc Lặp lại Phân tích đề tài Dựa yêu cầu đề tài, nhóm định chia cơng việc thành phần sau:  Phần 1: Tìm hiểu kiến thức dẫn nhập môn học lịch sử, ứng dụng sở lý thuyết sử dụng tập lớn  Phần 2: Củng cố sở lý thuyết học lớp để làm tảng cho việc thiết kế, triển khai tập lớn  Phần 3: Thiết kế phần mềm để thực thi yêu cầu tập lớn Kế đó, trực tiếp triển khai thiết kế lên môi trường phát triển phần mềm để thực hóa thiết kế: Tạo thông tin nút mạng, cập nhật thông tin khởi tạo Dựa vào liệu trên, chạy thuật tốn MENTOR II CƠ SỞ LÍ THUYẾT Thuật tốn MENTOR Thuật toán MENTOR nhằm xác định nút Backbone nút truy nhập nút Backbone Thực thuật toán qua bốn bước sau: Bước 1: Xác định nút Backbone dựa ngưỡng lưu lượng Bước 2: Tính giá trị Maxcost Bước 3: Xác định nút truy nhập nút Backbone tìm Bước 4: Xác định nút Backbone nút truy nhập cho nút lại dựa giá trị thưởng Dưới trình bày chi tiết bước thực Bước 1: Xác định nút Backbone dựa ngưỡng lưu lượng  Trọng số nút W(i) tổng lưu lượng vào nút  Liên kết dung lượng C  Trọng số chuẩn hóa nút i NW (i ) = W (i) C  Nếu nút i có NW (i)>W nút i chọn nút Backbone, với W tham số cho trước Bước 2: Tính MaxCost  Maxcost =Maxcost ( N i , N j) Bước 3: Xác định nút truy nhập nút Backbone tìm  Bán kính mạng truy nhập: Cost ( N i ) < R Maxcost  Ta có R ∈[0:1]  Từ nút Backbone i, vẽ đường trịn bán kính R.Maxcost, phủ nút nút thành nút truy nhập nút Backbone i Bước 4: Xác định nút Backbone nút truy nhập cho nút lại dựa giá trị thưởng  Ấn định tọa độ nút  Tìm nút trung tâm trọng lực có tọa độ x tt = ∑ xi w i y = ∑ yi w i ii ∑ wi ∑ wi 2  Tính dc i= √( xi −xtt ) +( y i − y tt )  Lấy maxdc=maxdci maxw=maxw i  Tính giá trị thưởng cho tất nút GTT ( i) = (maxdci−dci ) wi + maxdc maxw  Nút i có giá trị thưởng lớn chọn nút Backbone, tìm nút truy nhập nút  Lặp lại bước tất nút xét 2.Giải thuật Prim – Dijkstra Sau xác định nút backbone nút trung tâm, ta sử dụng Prim-Dijkstra với tham số α để xây dựng kết nối nút backbone với Cây MST-Minimum Spanning Tree: bắc cầu tối thiểu, đại diện thuật tốn Prim, với tiêu chí Total Length = min, Total Path = max Cây SPT – Shorted Path Tree: theo đường ngắn nhất, đại diện thuật tốn Dijkstra với tiêu chí Total Length = max, Total Path = Cây Prim-Dijkstra với tham số: Nhãn Prim = minneighbor cost (node , neighbor) Nhãn Dijkstra = minneighbor [cost ( s , neighbor ) + cost ( neighbor , node ) ] => Nhãn Prim-Dijkstra: Label = minneighbor [ α∗cost ( s , neighbor ) + cost ( neighbor , node ) ] Với α ∈[0,1] (α = => Prim, α = => Dijkstra) VD đỉnh hàng xóm u đỉnh xét v, ta có nhãn sau: L(v) = [α*cost(s,u) + cost(u,v)] 3.Thêm liên kết Ở bước đưa khái niệm dãy (Sequence) nút Home (Homing) để thêm liên kết nhằm tối ưu thiết kế Bằng cách sử dụng Prim – Dijkstra trên, xác định dãy nút thỏa mãn tiêu chí sau:  Các nút xếp theo thứ tự từ vào  Không xếp cặp nút (N1, N2) tất cặp nút (N1*, N2*) xếp; N1, N2 nằm liên kết N1* N2*  Những liên kết dài xếp Với cặp nút N1, N2 không liền kề nhau, ta chọn nút Home nút trung gian Hình 1: Chọn nút home Trong trường hợp có nhiều nút chọn làm nút Home, ví dụ N1 N2 có hai nút trung gian N3 N4 ta chọn nút Home N3 nếu: Cost ( N 1, N ) +Cost ( N , N ) U , cịn khơng di chuyển lưu lượng thơng qua mạng (ví dụ thêm lưu lượng Traffic N , N cho Traffic N , Homing Traffic Homing , N 2, làm tương tự với Traffic N , N 1) Sẽ xảy trường hợp liên kết (N1,N2) thuộc Prim – Dijkstra ban đầu, ta việc thêm liên kết trực tiếp III.TRIỂN KHAI THỰC HIỆN Giải thuật MENTOR nhóm triển khai thực phần mềm MATLAB Đây cơng cụ quem thuộc có tính ứng dụng cao, môi trường giao tiếp thân thiện tạo điều kiện cho nghiên cứu phát triển Chương trình tạo 100 nút mạng vị trí ngẫu nhiên Sau sử dụng giải thuật MENTOR trình bày phần trước để tìm nút Backbone nút truy nhập tương ứng Khi khởi chạy chương trình, thiết lập thơng số đầu vào kích thước ma trận, số lượng nút, ngưỡng, dung lượng, ta giao diện hình Hình : Giao diện chương trình nhập tham số đầu vào Sau nhấn “OK”, chương trình cho mạng lưới nút tạo ngẫu nhiên mặt phẳng tọa độ Tính toán đưa nút Backbone nút truy nhập, thực nối nút với Trong đó, nút Backbone trung tâm biểu diễn dạng hình vng đặc màu tím, nút Backbone khác biểu diễn dạng hình vng đặc màu đỏ Hình : Sơ đồ kết nốt nút Backbone nút truy nhập Tiếp theo chương trình xây dựng Prim – Dijkstra để kết nối nút Backbone với Để chuyển sang bước nhấn nút bàn phím click chuột Hình 3 : Cây Prim_Dijkstra kết nối nút truy cập với Hình : Mạng backbone sau giảm giá trị umin Độ sử dụng liên kết giá mạng backbone tương ứng với giá trị Umin thể bảng sau: Nút backbone Nút backbone Số đường sử dụng liên kết 12 76 11 76 10 76 76 96 76 97 10 11 Giá mạng backbone Umin = 0.95 Độ sử dụng liên kết Giá liên kết 0.992424 0.944444 0.791667 0.708333 0.916667 190.7501 175.1297 267.0625 180.3574 150.4197 143.7208 Giá liên kết * số đường sử dụng liên kết 2098.251 1576.167 1068.25 360.7148 300.8394 287.4417 5691.664 Bảng Độ sử dụng liên kết giá mạng backbone Umin = 0.95 Nút backbone Nút backbone Số đường sử dụng liên kết 12 76 11 76 10 76 76 96 76 97 10 11 Giá mạng backbone Umin = 0.9 Độ sử dụng liên kết Giá liên kết 0.992424 0.944444 0.791667 0.708333 0.916667 190.7501 175.1297 267.0625 180.3574 150.4197 143.7208 Giá liên kết * số đường sử dụng liên kết 2098.251 1576.167 1068.25 360.7148 300.8394 287.4417 5691.664 Bảng Độ sử dụng liên kết giá mạng backbone Umin = 0.9 Nút backbone Nút backbone Số đường sử dụng liên kết 12 10 12 76 76 10 76 76 96 76 97 10 11 Giá mạng backbone Umin = 0.85 Độ sử dụng liên kết Giá liên kết 0.875 0.927083 0.791667 0.708333 0.916667 169.3167 190.7501 175.1297 267.0625 180.3574 150.4197 143.7208 Giá liên kết * số đường sử dụng liên kết 677.267 1526.001 875.6483 1068.25 360.7148 300.8394 287.4417 5096.162 Bảng 3 Độ sử dụng liên kết giá mạng backbone Umin = 0.85 (ban đầu) Nút backbone Nút backbone Số đường sử dụng liên kết 12 10 12 76 76 10 76 76 96 76 97 10 11 Giá mạng backbone Umin = 0.8 Độ sử dụng liên kết Giá liên kết 0.875 0.927083 0.791667 0.708333 0.916667 169.3167 190.7501 175.1297 267.0625 180.3574 150.4197 143.7208 Giá liên kết * số đường sử dụng liên kết 677.267 1526.001 875.6483 1068.25 360.7148 300.8394 287.4417 5096.162 Bảng Độ sử dụng liên kết giá mạng backbone Umin = 0.8 Nút backbone Nút backbone Số đường sử dụng liên kết 12 11 12 10 12 10 96 10 97 12 76 76 10 76 76 96 76 97 10 11 Giá mạng backbone Umin = 0.7 Độ sử dụng liên kết Giá liên kết 0.75 0.916667 0.708333 0.75 0.75 0.875 0.875 0.625 0.666667 0.541667 150.9532 169.3167 365.2876 279.214 281.4355 190.7501 175.1297 267.0625 180.3574 150.4197 143.7208 Giá liên kết * số đường sử dụng liên kết 150.9532 507.9502 730.5752 279.214 281.4355 1144.501 700.5187 534.1251 360.7148 150.4197 287.4417 5127.849 Bảng Độ sử dụng liên kết giá mạng backbone Umin = 0.7 Nút backbone Nút backbone Số đường sử dụng liên Độ sử dụng Giá liên kết Giá liên kết * số kết 12 11 12 10 12 76 11 10 10 96 10 97 12 76 76 10 76 76 96 76 97 10 11 Giá mạng backbone Umin = 0.5 liên kết 0.75 0.916667 0.708333 0.583333 0.541667 0.75 0.75 0.916667 0.666667 0.625 0.666667 0.5 150.9532 169.3167 365.2876s 282.1563 203.6801 279.214 281.4355 190.7501 175.1297 267.0625 180.3574 150.4197 143.7208 đường sử dụng liên kết 150.9532 507.9502 730.5752 282.1563 407.3603 279.214 281.4355 1144.501 350.2593 267.0625 360.7148 150.4197 143.7208 5056.323 Bảng Độ sử dụng liên kết giá mạng backbone Umin = 0.5 Nút backbone Nút backbone Số đường sử dụng Độ sử dụng liên Giá liên kết Giá liên kết * số 12 12 12 12 76 10 10 10 12 76 76 76 76 10 liên kết kết 11 0.75 10 0.916667 0.708333 96 0.333333 11 0.583333 0.541667 96 0.75 97 0.75 76 0.944444 10 0.916667 0.666667 96 0.916667 97 0.666667 11 0.5 Giá mạng backbone Umin = 0.3 150.9532 169.3167 365.2876 152.9575 282.1563 203.6801 279.214 281.4355 190.7501 175.1297 267.0625 180.3574 150.4197 143.7208 đường sử dụng liên kết 150.9532 507.9502 730.5752 152.9575 282.1563 407.3603 279.214 281.4355 1144.501 350.2593 267.0625 180.3574 150.4197 143.7208 5028.923 Bảng Độ sử dụng liên kết giá mạng backbone Umin = 0.3 Biểu đổ mối quan hệ giá mạng umin 5800 5600 5400 5200 5000 4800 4600 0.3 0.5 0.7 0.8 0.85 0.9 0.95 KẾT LUẬN Qua thời gian làm việc gần tháng, nhóm hoàn thành mục tiêu đề tài tập lớn đưa Còn số vấn đề giao diện thay đổi tùy biến liệu đầu vào phần mềm tiếp tục nâng cấp, tiếp tục kiểm thử sửa lỗi cho thư viện… Nếu có thời gian, nhóm tiếp tục nâng cấp phát triển thêm phần mềm Những kinh nghiệm, kiến thức học thông qua thời gian thực tập lớn giúp ích cho công việc học tập lớp công việc sau tốt nghiệp đại học TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Viện Điện Tử Viễn Thông, Đại Học Bách Khoa Hà Nội, Chương Trình Giáo Dục Đại Học, Hà Nội, 2009 [2] A Kershenbaum, P Kermani, G.A Grover, "MENTOR: an algorithm for mesh network topological optimization and routing," IEEE Transactions on Communications, vol 39, no 4, pp 503-513, 1991 [3] TS Trần Thị Ngọc Lan, Bài Giảng Tổ Chức Quy Hoạch Mạng Viễn Thông, Hà Nội: Đại Học Bách Khoa Hà Nội, 2019  ... Prim-Dijkstra -Viết báo cáo Đỗ Đình Tuấn -Tìm hiểu giải thuật Mentor, xây dựng Prim-Dijkstra -Viết báo cáo I NỘI DUNG 1.Tổng quan Trong mạng viễn thông, có nút mạng liên kết với tạo thành hệ thống mạng Trong... số W nút Thuật toán MENTOR Thuật toán định tuyến MENTOR thuật toán để sử dụng việc định tuyến mạng xương sống Nó phát triển Aaron Kershenbaum, Parviz Kermani George A Grove xuất IEEE vào tháng... nút mạng, cập nhật thông tin khởi tạo Dựa vào liệu trên, chạy thuật toán MENTOR II CƠ SỞ LÍ THUYẾT Thuật tốn MENTOR Thuật tốn MENTOR nhằm xác định nút Backbone nút truy nhập nút Backbone Thực thuật