THUẬT TOÁN GEN TRONG bài TOÁN ĐỊNH TUYẾN và PHÂN bước SÓNG MẠNG cáp QUANG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Vũ Cơng Đức THUẬT TỐN GEN TRONG BÀI TỐN ĐỊNH TUYẾN VÀ PHÂN BƯỚC SĨNG MẠNG CÁP QUANG KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Cơng nghệ thông tin HÀ NỘI - 2010 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ Vũ Cơng Đức THUẬT TOÁN GEN TRONG BÀI TOÁN ĐỊNH TUYẾN VÀ PHÂN BƯỚC SĨNG MẠNG CÁP QUANG KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Cơng nghệ thơng tin Cán hướng dẫn: TS Nguyễn Minh Hằng HÀ NỘI - 2010 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Lời cảm ơn! Trước tiên xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Tiến sĩ Nguyễn Minh Hằng, người tận tình bảo hướng dẫn tơi suốt q trình thực khóa luận Tơi xin chân thành cảm ơn thầy cô trường đại học Công Nghệ nói chung thầy mơn mạng máy tính truyền thơng nói riêng tạo điều kiện thuận lợi để tơi học tập, nghiên cứu, tích lũy kiến thức làm hành trang bước vào sống Cuối muốn gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, người ln bên cạnh động viên tơi q trình thực khóa luận Vũ Công Đức LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tóm tắt Trong thời đại cơng nghệ thơng tin CNTT ngày b ng n c a d ch v thông tin đ c biệt phát triển nhanh chóng c a Internet làm gia t ng không ng ng nhu cầu dung lượng mạng Trong t nh cảnh hệ thống mạng quang đời giải pháp tối ưu để giải vấn đề N i bật đời c a mạng gh p kênh phân bước sóng DM Wavelength Division Multipexing) Một vấn đề quan trọng c a mạng quang WDM vấn đề đ nh tuyến phân bước sóng RWA ( Routing and Wavelength Asignment ) tức đ nh tuyến đường cho đường quang (lightpath) phân bước sóng cho đường quang Một phương pháp đưa nghiên cứu khóa luận sử d ng thuật toán gen (Genetic Algorithm) hay cịn gọi thuật tốn di truyền để giải toán RWA cho mạng WDM LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Mục lục Tóm tắt Lời mở đầu Bảng kí hiệu – chữ viết tắt Chương 1: Hệ thống mạng quang 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Lịch sử phát triển 1.3 Đặc điể c hệ hống ạng quang 1.3.1 Ưu điểm .9 1.3.2 Nhược điểm 1.4 Sợi quang 10 Chương : ạng u ng D 12 2.1 Giới thiệu chung 12 2.2 Nguyên lý hoạ động 13 2.2.1 Tổng quan 13 2.2.2 Sơ đồ hoạ động 14 2.2.3 Ưu điểm, vấn đề tồn hướng giải quyế ương l i c a hệ thống WDM 15 2.3 Định tuyến gán bước sóng 16 2.3.1 Giới thiệu chung 16 2.3.2 Tổng quan định tuyến gán bước sóng (RWA) 16 Chương : Thuậ án g n 19 3.1 Giới thiệu 19 3.2 Thuật toán gen trê n máy tính 19 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 3.3 Các uá rình c a thuật toán gen 22 3.3.1 Quá trình lai ghép (phép lai) 22 3.3.2 Quá rình đột biến (phép đột biến) 24 3.3.3 Quá trình sinh sản chọn lọc (phép tái sinh phép chọn) 24 Chương : Thuậ án g n r ng án định u ến ph n bước ng ạng quang 25 4.1 Giới thiệu chung 25 4.2 Sơ lược lý thuyế đồ thị thuậ án BFS ch án ì đường ngắn 25 4.2.1 Lý thuyế đồ thị 25 4.2.2 Thuật toán BFS 26 4.3 Các nghiên cứu ch án định tuyến ph n bước sóng mạng WDM 29 4.4 Thuật toán BFD-RWA 30 4.4.1 Mơ tả thuật tốn 30 4.4.2 Chứng minh thuật toán 36 4.5 Thuậ án g n r ng án định tuyến ph n bước sóng (GA – RWA) 37 4.5.1 Đặt vấn đề 37 4.5.2 Thuật toán gen toán RWA 38 4.5.3 Chứng minh thuật toán 41 Chương : Thực ô ph ng 42 5.1 Công cụ thực 42 5.3 Kết 45 Chương 6: Kết luận 54 Tài liệu tham khảo 55 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Lời mở đầu Ngày nay, nhu cầu b ng thông rộng ngày t ng đ c biệt bùng n c a loại hình d ch v thông tin Internet orld ide eb Điều đòi hỏi phải xây dựng phát triển mơ hình mạng quang với b ng thơng cao Cơng nghệ ghép kênh phân bước sóng WDM đời giải pháp hoàn hảo, cho phép tận d ng tốt b ng thông rộng lớn c a sợi quang WDM cho phép sử d ng hiệu công suất c a sợi quang, cho phép truyền đồng thời nhiều kênh khác theo sợi quang cách kênh sử d ng bước sóng khác Đ nh tuyến phân bước sóng RWA ( Routing and Wavelength Asignment ) vấn đề quan c a mạng WDM Trong mạng quang lightpath đ nh nghĩa kết nối hai node mạng (có thể qua node trung gian) Trong mạng WDM hai lightpath sử d ng chung bước sóng miễn chúng không sử d ng sợi quang đường Số bước sóng khác sử d ng có liên quan lớn đến chi phí xây dựng quản lí mạng Do vấn đề đ t làm để giảm thiểu số bước sóng khác sử d ng Phương pháp đưa nghiên cứu khóa luận sử d ng thuật tốn gen (Genetic Algorithm) để giảm thiểu số lượng bước sóng khác sử d ng Khóa luận gồm chương với nội dung mô tả sơ đây: Chương : Hệ thống mạng quang Chương giới thiệu t ng quan hệ thống mạng quang bao gồm l ch sử đ c điểm c a mạng quang cấu trúc c a sợi quang Chương 2: Mạng quang WDM Chương giới thiệu mạng WDM nguyên lý hoạt động khái niệm chung đ nh tuyến gán bước sóng mạng WDM Chương : Thuật tốn gen Chương giới giới thiệu t ng quan sử d ng thuật tốn di truyền máy tính phép toán thuật toán di truyền Chương : Thuật toán gen toán định tuyến phân bước sóng mạng quang Chương mơ tả chi tiết việc áp d ng thuật toán gen tốn đ nh tuyến phân bước sóng mạng WDM LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương : Thực mơ Mơ lại thuật tốn số mơ hình mạng ví d Chương 6: Kết luận LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Bảng kí hiệu – chữ viết tắt BFD Best Fit Decreasing BFS Breadth-First Search GA Genetic Algorithm RWA Routing and Wavelength Asignment SDM Space Devision Multiplexing TDM Time Devision Multiplexing WDM Wavelength Division Multipexing LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương 1: Hệ thống mạng quang 1.1 Giới thiệu chung Hệ thống mạng quang hệ thống truyền thông tin qua sợi quang Thông tin biến đ i thành ánh sáng truyền sợi quang Tại thiết b nhận biến đ i thành thông tin ban đầu Lượng thông tin trao đ i hệ thống mạng ngày t ng lên nhanh Số lượng truy cập t ng cao mà Internet ví d điển hình: số lượng người sử d ng Internet ngày t ng nhu cầu b ng thông ngày lớn Chẳng hạn download liệu hàng GB phải chờ đợi hàng ngày có liệu cần thiết ho c với nhu cầu giải tr cao em video HD nghe nhạc lossless trực tuyến khó thực với mạng cáp đồng tr c Hình 1.1 Hệ thống mạng sử d ng sóng điện t Hình 1.2 Hệ thống mạng quang Hệ thống mạng quang đời ch nh để giải vấn đề Với ưu điểm b ng thơng lớn tới Tbps độ suy giảm t n hiệu thấp n ng lượng địi hỏi thấp khơng b nhiễm sóng điện t khả n ng bảo mật cao V mạng quang coi LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com qua t ng nhiễm sắc thể Tại vòng l p, gen cộng với giá tr min-length c a lightpath Sau lightpath xếp theo giá tr giảm dần c a giá tr sau cộng Thứ tự xếp đưa vào thuật toán BFD Kết thu tập lightpath đ nh tuyến bước sóng sử d ng tương ứng Do m c tiêu c a toán R A đ nh tuyến cho lightpath yêu cầu cho số bước sóng sử d ng thấp nên số bước sóng sử d ng đầu c a thuật toán RWA gán cho giá tri độ thích nghi c a nhiễm sắc thể Sau duyệt qua quần thể ban đầu, nhiễm sắc thể có giá tr độ th ch nghi tương ứng với số bước sóng sử d ng Khi nhiễm sắc thể xắp xếp giảm dần c a độ thích nghi, tức xắp xếp theo thứ tự t ng dần c a số bước sóng sử d ng tương đương m c tiêu c a số bước sóng tốt) T quần thể phân chia thành phần TOP REST Sau phép toán di truyền: lai đột biến, tái sinh chọn lọc thực tạo hệ Thế hệ lại đưa vào để t m độ thích nghi sinh hệ Thuật toán d ng lại thời gian cho phép trôi qua hay giải pháp tốt m c tiêu tìm thấy 4.5.3 Chứng minh thuật toán Như giới thiệu, thuật toán gen xem tiên đề không chứng minh ph hợp với thực tế khách quan Tính tối ưu c a thuật toán thể chỗ, hệ sau tốt hoàn thiện hệ trước Trong thuật toán GA cho tốn RWA, cá thể có độ thích nghi tốt TOP chép sang hệ sau Do nhiễm sắc thể lai ghép nhiễm sắc thể đột biết tạo hệ sau có độ thích nghi khơng tốt nhiễm sắc thể TOP b loại bỏ Ngược lại nhiễm sắc thể lai ghép nhiễm s c thể đột bến có nhiễm sắc thể tốt hay nhiều nhiễm sắc thể TOP thay nhiễm sắc thể TOP để chép lai ghép hệ sau Và có nhiễm sắc thể tốt nhiễm sắc thể có độ thích nghi tốt TOP ta lời giải tối ưu tức số bước sóng sử d ng t 41 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương : Thực ô ph ng 5.1 Công cụ thực Chương tr nh mơ lại thuật tốn em sử d ng ngơn ngữ C++, lập trình windows, với IDE Code::blocks Ngôn ngữ sử d ng để viết chương tr nh C++ ngôn ngữ hướng đối tượng sử d ng nhiều việc lập trình thuật tốn Phần mềm chọn để sử d ng viết chương tr nh Code:blocks Đây IDE C/C++ miễn phí tính hợp sẵn trình biên d ch minGW, hỗ trợ biên d ch debug trực tiếp chương tr nh Code::blocks cịn tích hợp nhiều t nh n ng auto complete hightlight code … giao diện thân thiện, dễ sử d ng 5.2 Bố cục chương rình Lưu đồ thuật toán: 42 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Bắt đầu BFS Nạp đồ th tập lightpath yêu cầu Tìm min-length c a lightpath Khởi tạo quần thể ban đầu Sắp xếp lightpath Lai ghép – Đột biến – Tái sinh - Chọn lọc d Đ nh tuyến phân bước sóng thuật tốn BFD Sắp xếp quần thể theo độ thích nghi giảm dần Đường đ nh tuyến bước sóng sử d ng Số bước sóng sử dụng nhỏ Kết thúc 43 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương tr nh thiết kế giống lưu đồ trên:  Ban đầu đồ th biểu diễn topology tập lightpath yêu cầu nhập vào làm tham số đầu vào  Sau hàm BFS sử d ng để t m đường ngắn c a lightpath qua t nh giá tr min-length m t khác t BFS ta t nh giá tr d tức giá tr lớn c a độ dài mà đường lightpath cho ph p nhằm tránh cho lightpath có đường dài đ nh tuyến  M t khác ta tạo quần thể ban đầu thông qua số đỉnh c a đồ th lightpath yêu cầu Ở số cá thể quần thể tạo với số đỉnh c a đồ th số gen nhiễm sắc thể với số lightpath yêu cầu Mỗi gen số thực sinh ngẫu nhiên khoảng (0, 1) Giá tr TOP BOT gán 0.2 số thể quần thể Các tham số thay đ i tùy ý  Sau vịng l p tạo để duyệt qua t ng nhiễm sắc thể Với nhiễm sắc thể, gen công với giá tr min-length c a lightpath Sau lightpath xếp theo thứ tự giảm dần c a giá tr sau cộng đưa vào thuật tóan BFD  Các lightpath đ nh tuyến gán bước sóng theo thuật toán BFS Đầu đường cho lightpath bước sóng sử d ng tương đương T ng số bước sóng sử d ng gán cho độ thích nghi c a nhiễm sắc thể d ng đ ghép với giá tr min-length bên  Sau nhiễm sắc thể xếp theo thứ tự giảm dần c a độ thích nghi tức t ng dần c a số bước sóng sử d ng  Tiếp tr nh di truyền diễn qua phép toán di truyền như: ph p lai ph p đột biến, phép tái sinh chọn lọc T h nh thành lên hệ  Tại hệ nhiễm sắc thể lại sử d ng kết hợp với giá tr min-length để tạo thứ tự xếp đầu vào cho lightpath để bắt đầu vòng l p t m đường bước sóng cho lightpath  Quá trình d ng lại chạy đ số hệ tham số đầu vào  Kết đầu đường c a lightpath bước sóng tương ứng với số bước sóng sử d ng nhỏ tất vòng l p 44 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đầu vào c a chương tr nh file te t lưu thư m c input gồm file lưu đồ th (graph.txt) file lưu tập lightpath yêu cầu (lightpath.txt) có đ nh dạng sau: graph.txt: nV nA a1 b1 a2 b2 …… an bn Trong đó: - nV số cạnh c a đồ th (topology mạng) - nA số đỉnh c a đồ th ((topology mạng) - a1,2, n b1 … n biểu diễn cạnh đồ th t điểm a1, a2 …, an đến điểm b1, b2,…, bn lightpath.txt: x1 y1 x2 y2 …… xn yn Trong đó: - x1,2, ,n y1 … n biểu diễn lightpath yêu cầu t x1, x2 … n đến y1, y2 … yn Đầu c a chương tr nh file t t lưu đường c a lighpath đ nh tuyến bước sóng sử d ng tương ứng 5.3 Kết thực nghiệ  đánh giá Trước tiên chương tr nh thử nghiệm với toán t m đường lightpath: – 1, – 3, – 4, – 4, – đồ th đinh tương ứng với mơ hình mạng node: 45 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hinh 5.1 Mơ hình mạng node Như phần tính lý thuyết t nh kết lightpath đ nh tuyến theo tuyến đường bước sóng sau:  Lightpath – 5: – – – – bước sóng sử d ng w0  Lightpath – 4: – – – bước sóng sử d ng w1  Lightpath – 4: – – bước sóng sử d ng w2  Lightpath – 1: – bước sóng sử d ng w2 Trong chương tr nh đầu vào file graph t t lighpath t t sau: graph.txt: lightpath.txt: 46 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chạy chương tr nh ta thu đầu file GA_RWA t t sau: GA_RWA.txt Kết thu được: số bước sóng sử d ng đường bước sóng sử d ng tương ứng Kết tối ưu so với thuật toán Bannerjee Mukherjee [5] Hyytia Virtamo [6] nghiên cứu sử d ng bước sóng cho lightpath (ở có lightpath tương đương bước sóng)  Mơ hình mạng thử nghiệm đồ th gồm 14 node 21 cạnh sau: 47 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 10 11 12 13 Hình 5.2 Mơ hình mạng 14 node Với tập lightpath yêu cầu lightpath: – 5, – 10, – 3, – 4, – 2, - ta file kết quả: 48 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Kiểm tra đồ th ta thấy tất lightpath đ nh tuyến Số bước sóng sử d ng cho lightpath phương pháp Bannerjee Mukherjee [5] Hyytia Virtamo [6] đưa cần bước sóng) Chạy lại thuật tốn ta kết quả: 49 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Ta thấy ba bước sóng có giá tr min-length là: – , – 10, – 4; ba bước sóng – 2, – 3, – có giá tr min-length Theo hai kết ta thấy ba bước sóng có giá tr min-length dài đ nh tuyến trước, nhiên thứ tự bước sóng đ nh tuyến khác Điều lần chạy gen khác cộng vào giá tr min-length làm cho thứ tự lightpath đ nh tuyến thay đ i  Thí nghiệm minh họa tính tối ưu áp d ng thuật toán gen (GA- RWA) so với thuật toán BFD ban đầu Mơ hình mạng sử d ng sử d ng cấu trúc dạng grid – topology sinh tự động mã C++ sau: node liên kết với bốn node gần nhất, xác xuất có lightpath yêu cầu node p 50 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com  Trong thí nghiệm số node c a mạng 50, xác xuất có lighpath yêu cầu node p 0.2 Hai file graph t t lighpath t t sinh sau graph t t: đỉnh 99 cạnh lightpath.txt: 486 lightpath Khi với thuật toán BFD cho kết quả: Số bước sóng sử d ng 54 bước sóng Thời gian thực 1.554s 51 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chạy với thuật tốn GA-RWA với số vịng l p hệ ta kết quả: Số bước sóng sử d ng 53 bước sóng Thời gian thực 608.713s  Thí nghiệm thực hiên với 70 node, xác xuất có lightpath node Hai file graph t t lightpath tạo sau: graph t t: đỉnh 139 cạnh lightpath.txt: 662 lightpath Với thuật toán BFD thu kết quả: 52 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Số bước sóng sử d ng 75 bước sóng Thời gian thực 4.175s Chạy thuật tốn GA_RWA với vịng hệ ta thu được: Số bước sóng sử d ng 72 bước sóng Thời gian thực 2123.575s  Những kết thực nghiệm minh chứng rõ thuật tốn gen thích hợp việc áp d ng cho tốn đ nh tuyến phân bước sóng mạng cáp quang để tìm lời giải tối ưu số bước sóng sử d ng Với topology mạng số lightpath yêu cầu lớn, kết tối ưu thể rõ Tuy nhiên thấy nhược điểm c a thuật tốn thời gian thực tương đối lâu 53 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương 6: Kết luận Nhu cầu xây dựng hệ thống mạng quang WDM nhằm giải nhu cầu b ng thông trở lên thiết Trong tốn đ nh tuyến gán bước sóng (RWA) có vai trị đ nh đến chi ph ác uất tắc nghẽn c a hệ thống mạng Khóa luận tiếp cận vấn đề trên, nghiên cứu áp dụng thuật toán gen vào giải tốn RWA Từ thu kết quả:  Phân tích vấn đề c a tốn đ nh tuyến gán bước sóng mạng WDM  Tìm hiểu cách thức sử d ng thuật tốn gen tốn tìm kiếm lời giải tối ưu  Sử d ng thuật thuật toán gen vào toán đ nh tuyến gán bước sóng mạng quang WDM Các phương thức t m đường gán bước sóng cho lightpath u cầu Áp d ng thuật tốn gen để tìm lời giải tối ưu Hướng nghiên cứu tiếp theo: sử d ng phương pháp khác cho ph p toán thuật toán gen nhằm t m phương pháp ph hợp cho toán Do giới hạn thời gian kến thức lên chưa thể tìm hiểu thực phương pháp đ nh tuyến gán bước sóng khác để đánh giá trực quan tính hiệu c a phương pháp đưa 54 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tài liệu tham khảo Tài liệu tiếng việt [1] Tạ Đ nh Thúc Tr tuệ nhân tạo – Lập trình tiến hóa, NXB Giáo D c [2] Lê Sỹ Vinh Cấu trúc liệu giải thuật, Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN [3] Đỗ V n Việt Em Kĩ thuật thông tin quang, Học viện công nghệ bưu ch nh viễn thông Tài liệu tiếng anh [4] Thiago F Noronha, Mauricio G.C Resende, Celso C Ribeiro A genetic algorithm with random keys for routing and wavelength assignment [5] D Bannerjee and B Mukherjee Practical approach for routing and wavelength assignment in large wavelength routed optical networks IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 1995 [6] E Hyytia and J Virtamo Wavelength assignment and routing in WDM networks In Fourteenth Nordic Teletraffic Seminar, pages 31–40, Copenhagen, 1998 [7] P Manohar, D Manjunath, and R.K Shevgaonkar Routing and wavelength assignment in optical networks from edge disjoint path algorithms IEEE Communications Letters, 2002 [8] N Skorin-Kapov Routing and wavelength assignment in optical networks using bin packing based algorithms European Journal of Operational Research, 2007 55 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ... thuật toán gen vào tốn RWA 4.4 Thuật tốn BFD-RWA 4.4.1 Mơ tả thuật toán Thuật toán BFD (Best Fit Decreasing) thuật toán Skorin-Kapov nghiên cứu cho toán đ nh tuyến phân bước sóng (RWA) mạng quang. .. nh tuyến gán bước sóng mạng WDM Chương : Thuật toán gen Chương giới giới thiệu t ng quan sử d ng thuật toán di truyền máy tính phép tốn thuật toán di truyền Chương : Thuật toán gen tốn định tuyến. .. nh tuyến phân bước sóng mạng WDM Bài toán đ nh tuyến phân bước sóng RWA (Routing and Wavelength Assignment) c a mô tả sau: Với mạng quang WDM lightpath có sẵn, cần tìm tuyến đường cho sợi quang