(TIỂU LUẬN) báo cáo bài tập lớn tổ CHỨC và QUY HOẠCH MẠNG thuật toán MENTOR

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 Đỗ Đình Tuấn Trịnh Ngọc Đông Trương Văn Minh Lê Công Phương Nam 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 thông Trong trình thực đề tài này, chúng em cố gắng để hồn thành tốt có lẽ vốn kiến thức 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 1: Chọn nút home Hình Hình Hình Hình : Giao diện chương trình nhập cá : Sơ đồ kết nốt nút Backbone : Cây Prim_Dijkstra kết nối nút t : Mạng backnone sau giảm giá tr 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 Nguyễn Đăng Thế Anh Lê Công Phương Nam Trương Văn Minh Trịnh Ngọc Đơng Đỗ Đình Tuấn I NỘI DUNG 1.Tổng quan Trong mạng viễn thông, 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 toán hữu ích cho việc thiết kế mạng thơng tin khơng phụ thuộc vào đặc điểm cơng 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 vô hướng liên thông, không 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 khơng 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 thơng tin nút mạng, cập nhật thông tin khởi tạo Dựa vào liệu trên, chạy thuật toán MENTOR AI CƠ SỞ LÍ THUYẾT Thuật tốn MENTOR Thuật toán MENTOR nhằm xác định nút Backbone nút truy nhập nút Backbone Thực thuật tốn 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 W (i) Trọng số chuẩn hóa nút i NW (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 (Ni ,N j) Bước 3: Xác định nút truy nhập nút Backbone tìm Bán kính mạng truy nhập: Cost ( Ni ) 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 3)+Cost ( N ,N 2)U N1,N n ×C , cịn khơng di chuyển lưu lượng thơng qua mạng (ví dụ thêm lưu lượng TrafficN , N cho TrafficN , Homing TrafficHoming, N 2, làm tương tự với TrafficN , 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 công cụ quem thuộc có tính ứng dụng cao, mơi 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 tốn 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 12 76 76 76 76 10 Giá mạng backbone Umin = 0.95 Bảng Độ sử dụng liên kết giá mạng backbone Umin = 0.95 Nút backbone 12 76 76 76 76 10 Giá mạng backbone Umin = 0.9 Bảng Độ sử dụng liên kết giá mạng backbone Umin = 0.9 Nút backbone 12 12 76 76 76 76 10 Giá mạng backbone Umin = 0.85 Bảng 3 Độ sử dụng liên kết giá mạng backbone Umin = 0.85 (ban đầu) Nút backbone 12 12 76 76 76 76 10 Giá mạng backbone Umin = 0.8 Bảng Độ sử dụng liên kết giá mạng backbone Umin = 0.8 Nút backbone 12 12 12 10 10 12 76 76 76 76 10 Giá mạng backbone Umin = 0.7 Bảng Độ sử dụng liên kết giá mạng backbone Umin = 0.7 Nút backbone 12 12 12 76 10 10 10 12 76 76 76 76 10 Giá mạng backbone Umin = 0.5 Bảng Độ sử dụng liên kết giá mạng backbone Umin = 0.5 Nút backbone 12 12 12 12 76 10 10 10 12 76 76 76 76 10 Giá mạng backbone Umin = 0.3 Bảng Độ sử dụng liên kết giá mạng backbone Umin = 0.3 Biểu đổ mối quan hệ gi 5800 5600 5400 5200 5000 4800 4600 0.3 KẾT LUẬN Qua thời gian làm việc gần tháng, nhóm hồn 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  ... 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 AI CƠ SỞ LÍ THUYẾT Thuật tốn MENTOR Thuật tốn MENTOR nhằm xác định nút Backbone nút truy nhập nút Backbone Thực thuật. .. (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