Báo cáo thuật toán mentor II

Báo cáo hệ thống viễn thông thuật toán mentor II viện điện tử truyền thôngĐại Học Bách Khoa Hà Nội

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NÔI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG Đề tài: THUẬT TOÁN MENTOR II Giảng viên hướng dẫn: Trần Ngọc Lan Sinh viên thực hiên: 1. Lê Thái Hưng KSTN-ĐTVT-K52 2. Trần Hữu Cương KSTN-ĐTVT-K52 3. Phạm Văn Chí KSTN-ĐTVT-K52 4. Bùi Thị Thế Hà KSTN-ĐTVT-K52 Hà Nội, tháng 11 năm 2011 2 Mục Lục 1. Giới Thiệu 3 YÊU CẦU CỦA BÀI TẬP 5 2. Lý thuyết 6 2.1 Thuật toán Mentor 6 2.1.1 Xác định node backbone và node trung tâm 6 2.1.2 Chuyển yêu cầu node sang xương sống. 7 2.1.3 Xây dựng cây Prim-Dijkstra với tham số α 8 2.2 Thuật toán Mentor II 8 2.2.1 Đặt vấn đề 8 2.2.2 ISP(Incremental Shortest Path) 9 3. Triển khai thuật toán 13 3.1. Tổng quan về kiến trúc 13 3.2. Xây dựng đồ thi cơ sở 13 3.2.1 Class Node 13 3.2.2 Class Arc 14 3.2.3. Class Graph 14 3.3. Thuật toán 15 3.3.1 classMentor 15 3.3.2 Class Prim – Dijkstra 16 3.3.3 Class Floyd – Warshall 16 3.3.4 Class ISP 16 3.4. Form chính 18 4 Kết luận 21 3 1. Giới Thiệu Như ta đã biết, “viễn thông” được hiểu là cách trao đổi dữ liệu thông qua kỹ thuật điện, điện tử và các công nghệ hiện đại khác. Và “hệ thống viễn thông” là tập hợp các trang thiết bị kỹ thuật để cung cấp dịch vụ viễn thông cho người sử dụng. Ngay từ ngày xa xưa, những người tiền sử đã biết dùng khói để báo hiệu, những người thổ dân ở những hòn đảo xa xôi dùng các cột khói để liên lạc, báo hiệu và truyền tin. Nhưng “viễn thông” được chính thức sử dụng khi con người phát minh ra điện báo và điện thoại. Công nghệ viễn thông từ đó ngày càng phát triển nhanh chóng và vượt bậc, ứng dụng trong mọi lĩnh vực. Trên quy mô xã hội, viễn thông đã làm nên một hệ thần kinh thông minh nhạy bén trên trái đất, làm thay đổi bộ mặt, tính cách của từng quốc gia và tự trong nó hình thành lên một mạng lưới liên kết mỗi người của mỗi quốc gia trên trái đất. Sự hội tụ công nghệ trong lĩnh vực viễn thông cùng sự phát triển tăng trưởng mạnh của kinh tế - xã hội, nhu cầu sử dụng cũng như truyền dữ liệu của con người cũng tăng lên theo hàm số mũ và ngày càng trở nên phức tạp, có khuynh hướng kỹ thuật cao với chất lượng cao. Vì vậy, việc tổ chức một mạng viễn thông đáp ứng được nhu cầu ấy và phát triển tổ chức mạng lưới này thành một thành phần cơ bản quan trọng của xã hội thông tin hóa cao trong tương lai nữa là không hề đơn giản, nó đóng một vai trò rất quan trọng. Để giải quyết bài toán trên, ta nhìn hệ thống viễn thông trên cả phương diện phần cứng và phần mềm:  Về phương diện phần cứng, hệ thống viễn thông gồm các thiết bị như: Thiết bị đầu cuối thông tin, thiết bị chuyển mạch, thiết bị truyền dẫn.  Về phương diện phần mềm, hệ thống viễn thông cho biết các phần cứng liên hệ với nhau thế nào ( Topo mạng, với topo mạng ta sẽ phân biệt được mạng AN(Access Network) và mạng lõi), các giao thức mạng, các giao thức để liên kết, giao thức để trao đổi thông tin (giữa hai giao thức này có thể tách rời, có thể kết hợp với nhau), quản lý và khai thác mạng. Trên phương diện phần mềm, để xây dựng mạng, ta phải xây dựng được cấu hình của các phần tử mạng. MENTOR (Mesh Network Topology Optimization Routing) là một thuật toán rất hữu ích cho việc thiết kế mạng thông tin vì nó không phụ thuộc vào đặc điểm của bất kỳ một công nghệ hay kiến trúc mạng nào. Nó chỉ phụ thuộc vào nguyên tắc thiết kế mạng. MENTOR có thể ứng dụng cho nhiều loại mạng, đặc biệt là mạng ATM (Asynchronous Transfer Mode). Và chương trình MENTOR là một ứng dụng tin học trong việc thiết kế Topology cho mạng bằng chính thuật toán MENTOR. 4 Trong đề tài này yêu cầu chúng em viết một chương trình MENTOR như thế. Chương trình chúng em viết trong thời gian ngắn và kiến thức có hạn nên có rất nhiều những hạn chế nhất định như chỉ có tính chất mô phỏng, các giả thiết, điều kiện chưa hoàn toàn giống với yêu cầu thực tế. Tuy nhiên, chúng em hy vọng chương trình này cũng giúp mọi người nắm được quá trình xây dựng Topology cho mạng. Trong quá trình thực hiện bài tập lớn, chúng em xin cảm ơn sự tận tình giúp đỡ của cô Trần Ngọc Lan đã giúp chúng em hoàn thành bài tập này. Chúng em rất mong nhận được những lời khuyên từ thầy để chúng em có thể khắc phục được những cái chưa làm được trong đề tài để chúng em có thể hiểu sâu sắc hơn về thuật toán cũng như chương trình MENTOR trong xây dựng Topology cho mạng viễn thông, đồng thời hiểu rõ hơn về môn học Tổ chức và quy hoạch mạng viễn thông. Chúng em xin chân thành cảm ơn cô! 5 YÊU CẦU CỦA BÀI TẬP Viết một phần mềm tạo topology mạng viễn thông theo thuật toán MENTOR 2. nn : Số lượng nút trong mạng: Cost: Chi phí kết nối giữa các nút là một ma trận [nxn] Req: Ma trận [nxn] yêu cầu Pc, W, R/D: Các tham số xác định nút BackBone α: Tham số xác định cây γ : Hệ số sử dụng băng thông Cmax [nxn]: Giá trị tối đa dung lượng của liên kết giữa các nút( hiệu dụng) - Tìm cây kết nối các nút, α cho biết cây là dạng MST hay PST, MENTOR. - Tổng chiều dài cây, chiều dài đường đi - Direct link: Tìm kết nối Direct link - Đường đi trên cây Tất cả thể hiện trên màn hình đồ họa. 6 2. Lý thuyết 2.1 Thuật toán Mentor 2.1.1 Xác định node backbone và node trung tâm Xác định MAXCOST Xác định node backbone thoả mãn điều kiện nw(i) > w Xác định node truy cập của node backbone đã xác định Tìm node trung tâm của node chưa phân loại, tính merrit từ đó tìm node backbone trong tập chưa xác định đó, cập nhật lại danh sách backbone và node truy cập Tính moment rồi xác định node root Bắt đầu Mentor Kết thúc Hình 2.2.1 Lưu đồ thuật toán xác định node backbone Bước 1: xác định node backbone thỏa mãn tiêu chuẩn trọng số: + Trọng số của một node là tổng của tất cả các lưu lượng vào và ra node + Trọng số chuẩn hóa dựa vào node i là NW(i) = W(i) / C +W là tham số + Node có NW(i) > W được chọn làm node xương sống Bước 2: xác định MAXCOST + MAXCOST = max i,j cost(N i ,N j ) = max i,j                 Bước 3: Xác đinh node truy cập của node backbone đã xác định + Tất cả các node không thảo mãn tiêu chuẩn trọng số và “gần” node xương sống sẽ được chọn làm node truy cập 7 + “ gần ” được định nghĩa là khi giá liên kết từ node truy cập “e” đến node xương sống là nhỏ hơn một phần của giá liên kết lớn nhất. cost(e,N i ) < MAXCOST * RPARM, hay                 < MAXCOST * RPARM. Bước 4: xác đinh node backbone và truy cập cho những node còn lại thuộc tập M + Tìm trung tâm của trọng lực (xctr, yctr). - xctr =          - yctr =        + Khoảng cách tới CG - dc n =             - maxdc = max(dc n ) - maxW = max (W n ) + Tính merit - merrit n =         + Phân loại các node còn lại - “merrit” đưa ra giá trị cân bằng giữa vị trí gần trung tâm và trọng số của nó. - Trọng số những node chưa được phân loại, chọn node có thưởng cao nhất và chuyển node này thành node xương sống. - Phân loại các node mới thành các node truy cập. - Cứ tiếp tục cho đến khi tất cả các node được phân loại. Bước 5: Tìm node trung tâm + lựa chọn node xương sống trung tâm với giá trị moment nhỏ nhất đến trung tâm - Moment(n) =            2.1.2 Chuyển yêu cầu node sang xương sống. 8 + xét e i là node truy cập của node b i , b i là node trước trong cây. Ví dụ xét e 1 ,e 2 ,b 1 và b 2 nếu b 1 = b 2 thì không chuyển yêu cầu của e 1 và e 2 sang b 1 và b 2 , và ngược lại. Hình 2.1.2 ví dụ về chuyển yêu cầu 2.1.3 Xây dựng cây Prim-Dijkstra với tham số α + các node đầu vào là node backbone đã xác định ở trên và root là node trung tâm. + Thuật toán: - Nhãn Prim = min neighbors dist(node, neighbor) - Nhãn Dijkstra = min neighbors [dist(root, neighbor) + dist(neighbor, node)] - Nhãn Prim-Dijkstra = min neighbors [α* dist(root, neighbor) + dist(neighbor, node)] 2.2 Thuật toán Mentor II 2.2.1 Đặt vấn đề Sau khi chúng ta thiết kế xong mạng, chúng ta xem xét xem lưu lượng sẽ đi qua đâu. Đưa ra một vấn đề mà trung tâm chính là chất lượng hoạt động của thuật toán định tuyến. Nếu chỉ sử dụng thuật toán Prim – Dijkstra, số lượng liên kết là ít nhất mà vẫn đảm bảo có một và chỉ một đường đi duy nhất giữa 2 node bất kì. Tuy nhiên với thiết kế như thế, sẽ tồn tại những liên kết mà lưu lượng đi qua nó rất lớn, điều đó đồng nghĩa với việc không đảm bảo tính ổn định cho mạng 9 Hình 2.2.1ví dụ mạng backbone sau mentor 1 Như hình vẽ trên, ta có thể thấy liên kết giữa node 8 và 9 có lưu lượng đi qua lớn do yêu cầu từ các các node backbone 9, 2, 14 đến node backbone 8, 4. Trong khi đó, liên kết giữa 2 node 2 và 14 lại ít do chỉ có các yêu cầu đi từ node 14 đến các node còn lại. Để khắc phục điều này, chúng ta có thể thêm các liên kết trực tiếp giữa các node. Ví dụ, node 14 và node 4. Như vậy, một số yêu cầu từ một số node (VD: node 2, 14) sẽ đi qua liên kết mới này. Tuy nhiên, nếu thêm các liên kết trực tiếp này thì khả năng một số liên kết đã có từ trước sẽ giảm lưu lượng (VD: trong trường hợp này là liên kết 9 – 8, 9 – 2) đôi lúc lưu lượng này trở về 0. Hay nói cách khác, thuật toán định tuyển sẽ tìm thấy đường đi ngắn nhất nhưng đường đi đó có thể không tìm thấy đường khả thi cho thiết kê mạng của chúng ta. Như vậy, cần cải thiệt giải thuật mentor thêm các liên kết trực tiếp nhưng vẫn phải xem xét luôn đến giới hạn của thuật toán đinh tuyển. Kết quả là thuật toán Mentor II ra đời. 2.2.2 ISP(Incremental Shortest Path) 10 Đây là bước cải tiến để đáp ứng phần nào yêu cầu đã trình bày ở trên. Mục đích của thuật toán ISP là xác định tất cả những cặp có thể sử dụng liên kết trực tiếp thay cho đường hiện thời. Bắt đầu Xác định sp_dist[][], sp_pred[][]. i=0;S(i) J=0;D(j) i< numBackbone j< numBackbone Xác định S_list && D_list Cập nhật sp_dist[][] && sp_pred[][] Tính maxL[n][m] Sắp xết theo thứ tự giản dần các cặp có maxL[n][m] > D J++ i++ Kết thúc + Đầu vào là các thông số kết thúc thuật toán Mentor no yes no yes ISP Hình 2.2.2 lưu đồ thuật toán ISP 2.2.2.1 Ma trận khoảng cách – thuật toán Floyd Warshall Để thực hiện điều này ta cần có 2 ma trận [...]... Lựa chọn các thông số đầu vào: o Hệ số dùng trong thuật toán Mentor o R: Bán kính của mạng truy nhập o D: Hệ số sử dụng dùng trong thuật toán Mentor Ngoài ra, giá trị W: ngưỡng để lựa chọn node Backbone xác định theo dữ liệu của bài tập 2 Thực hiện Sau khi thiết lập các thông số, tại Box Control, ta lần lượt thực hiện các chức năng cần thiết:     Mentor: Xác định các node Backbone và node truy nhập... thiết lập Chương trình còn cho phép tìm đường giữa 2 nút bất kỳ được nối với nhau như hình 1 là nút 67 và 16 4 Kết luận Qua bài tập lớn này, chúng em đã phần nào hiểu rõ hơn về thuật toán MENTOR và cách hình thành cây theo thuật toán MENTOR cũng như xây dựng cây PST và MST Đặc biệt, chúng em có cơ hội làm việc trên ngôn ngữ lập trình C#, một ngôn ngữ khá mạnh trong lập trình hướng đối tượng với đồ họa tốt... Box Control, ta lần lượt thực hiện các chức năng cần thiết:     Mentor: Xác định các node Backbone và node truy nhập PrimDijkstra: Thiết lập mạng giữa các node Backbone Next: Thêm đường (theo thuật toán Mentor 2) Back: Quay trở về trạng thái trước khi Next Hình 3.4.2 (2a) Lựa chọn thông số đầu vào (2b) Thực hiện 19 Hình 3.4.3 Thay đổi các thông số - Để hiện thị các thuộc tính giữa các nút mạng:... tổng cost public void DrawGraph(Graphics Grfx, int draw, int div = 2) {} protected int Compare(Arc x, Arc y){} // so sánh các cạnh public void SortDistArc(List Arcs){} // sắp xếp các cạnh Thuật toán 3.3.1 classMentor + Kế thừa từ class Graph + Thuộc tính o o o o o o o private private private private private private private double[] merit; double[] moment; double[] dc; double W; double C; double R;... Process(Graph _graph, double[,] _sp_dist, int[,] _sp_pred, int[,] _sp_hop){} //Thủ tục xử lý xử lý chính, thao tác trên đồ thị graph //Lưu giá trị trả về _sp_dist, _sp_pred, _sp_hop 3.3.4 Class ISP Triển khai thuật toán ISP: 16 + Thuộc tính: o private int[] convertIndex; //anh xa nguoc tu index cua node => thu tu luu trong List node (chu y la gio no khong theo thu tu) o o o o private private private private List... 1700 Ở đây, nếu chọn giá trị cạnh là bao nhiêu sẽ quyết định có bao nhiêu cặp (ni, nj) có thể sử dụng liên kết này Ví dụ SD = 1750 thì có các cặp P1, P1, P3 sẽ dùng liên kết mới này 12 3 Triển khai thuật toán 3.1 Tổng quan về kiến trúc 3.2 Xây dựng đồ thi cơ sở 3.2.1 Class Node + Thuộc tính: o o o o o o o o o o o o o public public public public const const const const int int int int isRoot = -1; unknown...  Ma trận con trỏ node trên đường đi ngắn nhất giữa 2 node i, j(sp_pred)nxn Hai ma trận này luôn được cập nhật sau mỗi lần thêm liên kết Cách xây dựng ma trận này với đồ thị bất kì rất giống trong thuật toán Floyd – Warshall Hình 2.2.2.1 ví dụ xây dựng sp_dist[][] và sp_pred[][] 2.2.2.2 Thứ tự xem xét các cặp cạnh Chúng ta sắp xết các cặp cạnh theo thứ tự bước nhảy Và coi đó là thứ tự cần xét xem có... const int vc = 2000000000; private double alpha; private int start; private double[] label; private bool[] free; o o public double[] dist; public int[] pred; + Operator: o public PrimDijkstra() {} // Thuật toán chính Class Floyd – Warshall 3.3.3 Tìm đường đi ngắn nhất, giữa 2 node bất kì, lưu vào mảng sp_dist, lưu lại truy vết sp_pred và số node để đi tới node đích sp_hop + Thuộc tính: o private int[]... add canh nhe moi chi chinh nut truy cap thoi o o public void Process(Graph _graph, double _W = 4.0, double _C = 2.0, double _R = 0.3) {} // hàm này có là xác định node backbone và node trung tâm public Mentor( ){} // hàm tạo 3.3.2 Class Prim – Dijkstra + Thuộc tính: o private int[] convertIndex; //anh xa nguoc tu index cua node => thu tu luu trong List node (chu y la gio no khong theo thu tu) o o o o... null) {} //hàm tạo public bool IsOne(Node other, int r = 50) {} o public void SetPosition(int _x, int _y) o public double GetDistance(Node Other) {} // Lấy tọa độ thực trên Decac(chưa bị thay đổi bởi mentor) public void ConnectNodes(Node Other) // chi dung trong ham CreateNodes nhu vay se dung thu tu luon - chu y la no phai connet voi chinh minh public void DrawNode(Graphics Grfx, int draw, double . 2.1 Thuật toán Mentor 6 2.1.1 Xác định node backbone và node trung tâm 6 2.1.2 Chuyển yêu cầu node sang xương sống. 7 2.1.3 Xây dựng cây Prim-Dijkstra với tham số α 8 2.2 Thuật toán Mentor II. thúc + Đầu vào là các thông số kết thúc thuật toán Mentor no yes no yes ISP Hình 2.2.2 lưu đồ thuật toán ISP 2.2.2.1 Ma trận khoảng cách – thuật toán Floyd Warshall Để thực hiện điều này. các liên kết trực tiếp nhưng vẫn phải xem xét luôn đến giới hạn của thuật toán đinh tuyển. Kết quả là thuật toán Mentor II ra đời. 2.2.2 ISP(Incremental Shortest Path) 10 Đây là