Nghiên cứu xây dựng thuật toán thiết kế topology mạng áp dụng cho mạng thế hệ sau NGN
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TẬP ĐOÀN BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT NAM HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Phạm Quốc Huy NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG THUẬT TOÁN THIẾT KẾ TOPOLOGY MẠNG ÁP DỤNG CHO MẠNG THẾ HỆ SAU NGN Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã số: 62 52 70 05 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT Hà nội - 2008 Công trình được hoàn thành tại: HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: 1.Tiến sỹ Nguyễn Quý Minh Hiền 2.Tiến sỹ Chu Ngọc Anh Phản biện 1: PGS. TS. Hoàng Thọ Tu. Học viện kỹ thuật Quân sự. Phản biện 2: PGS. TS Vương Đạo Vi. Trường ĐH Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà nội. Phản biện 3: PGS. TS Nguyễn Minh Dân. Bộ Thông tin và Truyền thông. Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp nhà nước họp tại ……………………………………………………. ………………………………………………………………… vào hồi 14 giờ 00 ngày 12 tháng 3 năm 2009 Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Quốc gia Thư viện Học viện công nghệ Bưu chính Viễn thông MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Với nhu cầu phát triển ngày càng mạnh mẽ, đa dạng và phong phú của các dịch vụ thông tin băng rộng thế hệ mới, bài toán thiết kế topology mạng NGN (Next Generation Network) cần được xem xét và mở rộng để đáp ứng với những yêu cầu mới đó là : - Đảm bảo chất lượng dịch vụ cho các loại hình dịch vụ triển khai trên mạng. - Đảm bảo khả năng dự phòng của mạng trong quá trình cung cấp dịch vụ. 2. Đối tượng, mục đích và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án này là topology của mạng backbone cho các mạng đa dịch vụ có hạ tầng IP như mạng NGN do tính chất quan trọng của mạng backbone đối với chất lượng dịch vụ trên toàn bộ mạng. Mục đích nghiên cứu: đề xuất được thuật toán thiết kế, trên cơ sở đó xây dựng được công cụ phục vụ tính toán thiết kế topology mạng backbone NGN với chi phí tối thiểu và thỏa mãn các ràng buộc về trễ và khả năng hồi phục mạng. Phạm vi của luận án: nghiên cứu thiết kế topology mạng backbone hình lưới của tầng chuyển tải của mạng NGN. 3. Phương pháp nghiên cứu Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết kết hợp với tính toán số , luận án này lựa chọn phương pháp thiết kế sử dụng thuật toán di truyền dựa trên các nghiên cứu, phân tích đánh giá một số phương pháp, thuật toán thiết kế trước đây. Tiếp theo đó, phương pháp thiết kế sử dụng thuật toán di truyền sẽ là khuôn khổ chung, thống nhất cho việc giải 1 quyết bài toán thiết kế đặt ra với các ràng buộc khác nhau trong luận án này. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Về ý nghĩa khoa học - Đề xuất phương pháp mã hóa mới và các toán tử phù hợp với phương pháp mã hóa này để sử dụng trong thuật toán di truyền. - Đề xuất mới thuật toán thiết kế topology mạng cho cả hai trường hợp trễ trung bình và trễ đầu cuối-đầu cuối giải quyết vấn đề chất lượng dịch vụ phụ thuộc vào trễ trên mạng NGN. - Đề xuất mới thuật toán thiết kế topology mạng có khả năng hồi phục, đảm bảo tính liên tục khi cung cấp dịch vụ trong môi trường mạng NGN. - Đề xuất mới thuật toán thiết kế topololgy mạng đồng thời thỏa mãn các ràng buộc về khả năng hồi phục mạng và các ràng buộc về độ trễ, đáp ứng yêu cầu thực tiễn mạng NGN hiện nay. Các đề xuất về phương thức và các thuật toán sẽ bổ sung và làm giàu thêm các thuật toán có thể áp dụng cho việc giải các bài toán tương tự. Về ý nghĩa thực tiễn - Các kết quả có thể áp dụng cho việc thiết kế topology mạng backbone NGN và tính toán các mạng tập hợp lưu lượng NGN. - Các kết quả nghiên cứu cũng có thể áp dụng phương pháp thiết kế các mạng truy nhập với công nghệ thuộc thế hệ 3G hoặc 4G. - Một số kết quả phân tích đã được sử dụng trong quá trình tính toán lưu lượng, thiết kế cấu hình mạng MAN-E cho các bưu điện tỉnh của Tập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt nam . 5. Bố cục của luận án 2 Bài toán thiết kế topology mạng được xem xét và giải quyết với mức độ phức tạp tăng dần để thuận tiện cho việc so sánh các đề xuất giải bài toán được đưa ra ở đây với các kết quả nghiên cứu đã có và phù hợp với sự phát triển mạng và công nghệ. Bài toán sẽ được đặt ra bắt đầu với ràng buộc là dung lượng tuyến kết nối là hữu hạn; tiếp theo những ràng buộc về trễ, khả năng hồi phục lần lượt được bổ sung. Như vậy, luận án bao gồm phần mở đầu, năm chương nội dung và phần kết luận, cụ thể như sau: Chương 1: Trình bày bài toán thiết kế topology mạng backbone với ràng buộc về dung lượng tuyến kết nối hữu hạn. Trên cơ sở đánh giá, phân tích một số phương pháp, thuật toán thiết kế trước đây, phương pháp thiết kế topology mạng bachbone sử dụng thuật toán di truyền được lựa chọn và sẽ là khuôn khổ chung, thống nhất cho việc giải quyết bài toán thiết kế đặt ra với các ràng buộc khác nhau. Chương 2: Trình bày các vấn đề kỹ thuật liên quan đến thuật toán di truyền. Trên cơ sở đó, chương này đề xuất một phương pháp mã hóa cùng các toán tử nhằm giải quyết bài toán đặt ra ở chương 1. Các kết quả tính toán nhằm làm rõ tính hiệu quả của phương pháp đề xuất Chương 3. Trình bày về một số vấn đề về trễ đấu cuối - đầu cuối và trễ trung bình trên toàn mạng và bài toán thiết kế có ràng buộc về trễ. Trên cơ sở các đề xuất ở chương 1, chương này đề xuất các thuật toán nhằm giải quyết bài toán thiết kế topology với các điều kiện ràng buộc về độ trễ sau khi đã xem xét các thuật toán liên quan đến bài toán thiết kế với các ràng buộc trễ. Các kết quả tính toán được giới thiệu ở cuối chương này. Chương 4. Trình bày bài toán thiết kế topology mạng có khả năng hồi phục và phân tích, đánh giá một số phương pháp và thuật toán 3 trước đây. Đề xuất thuật toán thiết kế topology mạng có khả năng hồi phục. Các kết quả tính toán được giới thiệu ở cuối chương này. Chương 5. Trên cơ sở các kết quả đạt được tại các chương hai, ba và bốn, chương này phát biểu và đề xuất thuật toán thiết kế topology mạng với sự kết hợp các ràng buộc về trễ và hồi phục mạng. Một số kết quả tính toán được đưa ra ở cuối chương. Cuối cùng là các kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo. CHƯƠNG 1. BÀI TOÁN THIẾT KẾ TOPOLOGY MẠNG BACKBONE 1.1 Bài toán thiết kế topology mạng Một số ký hiệu Một mạng được biểu diễn bởi một graph G (V,E) trong đó |V| là số nút n và |E| là số tuyến kết nối e. Tập biểu diễn số tuyến kết nối xác lập một topology mạng G*(V,A); là băng thông tối đa của tuyến kết nối (ij); c VA ⊆ max ij c ij và f ij tương ứng là băng thông phân bổ và luồng dữ liệu trung bình trên tuyến kết nối (ij); d ij (c ij ) là chi phí thuê băng thông c ij của tuyến kết nối (ij); ij λ là chi phí cho một đơn vị dung lượng luồng của tuyến kết nối (ij). R biểu diễn ma trận các nhu cầu r pq , R r pq ∈ ∀ được chuyển tải trên G*(V,A); F pq biểu thị luồng tổng cộng của nhu cầu r pq được chuyển tải trên một tập các đường dịch vụ r giữa cặp nút nguồn – đích p-q; là một phần của F pq r f pq chuyển tải trên đường dịch vụ thứ r. pq rij a , có giá trị 1 nếu đường dịch vụ r sử dụng tuyến kết nối (ij) chuyển tải một phần lưu lượng ; ngược lại có giá trị 0. pq r f 4 P là tập các đường dịch vụ r chuyển tải các phần lưu lượng của nhu cầu r pq r f pq . Phát biểu bài toán Bài toán thiết kế topology mạng ban đầu với ràng buộc về dung lượng hữu hạn được phát biểu như sau: Khi đưa ra một graph vô hướng với các giá trị |V| , |E| và một ma trận nhu cầu R. Hãy xác định sao cho tối thiểu hóa hàm mục tiêu định nghĩa dưới đây. ),(),( * EVGAVG ⊆ ∑∑ − => = 1 1 n i n ij ijij cD λ (1.1) Với giả thiết: ∑ = r pq r pq fF PrVqp ∈ ∈ ∀ ,, (1.2) ∑∑∑ => = 1 , p pqr pq r pq rijij fac −1n n PrVji ∈ ∈ ∀ ,, (1.3) max ijij cc ≤ Vqpji ∈ ∀ ,,, (1.4) Biểu thức (1.2) nhằm đảm bảo mọi nhu cầu lưu lượng đều được chuyển tải đầy đủ trên mạng và mỗi nhu cầu có thể đi trên một số đường dịch vụ r khác nhau. Biểu thức (1.3) đảm bảo băng thông phân bổ trên mỗi tuyến kết nối (ij) để thiết lập các đường dịch vụ r là bằng tổng các luồng lưu lượng chuyển trên đó. Biểu thức (1.4) thể hiện ràng buộc về dung lượng tuyến kết nối hữu hạn. 1.2 So sánh và lựa chọn phương pháp Một số phương pháp tiếp cận cho việc giải quyết vấn đề trên đã được khảo sát và có thể chia ra thành hai nhóm chính, bao gồm: phương pháp quy hoạch toán học và phương pháp theo thực nghiệm. 5 Từ những nhận xét và phân tích về mỗi phương pháp tiếp cận, phương pháp giải quyết bài toán được xác định sử dụng phương pháp tiếp cận theo thực nghiệm với thuật toán di truyền để giải quyết vấn đề. Cùng với việc xác định phương pháp tiếp cận, vấn đề đặt ra tiếp theo là làm thế nào để áp dụng hiệu quả thuật toán di truyền cho bài toán đặt ra. Do vậy, chương sau sẽ khảo sát một số vấn đề liên quan đến thuật toán di truyền. CHƯƠNG 2. THUẬT TOÁN DI TRUYỀN VÀ ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP MÃ HÓA CÙNG CÁC TOÁN TỬ KHI THIẾT KẾ TOPOLOGY MẠNG BACKBONE 2.1 Thuật toán di truyền Để có thể áp dụng hiệu quả thuật toán di truyền cho vấn đề đang xét, các vấn đề lý thuyết và kỹ thuật liên quan đến thuật toán di truyền được xem xét như: lý thuyết sơ đồ, mã hóa, kế hoạch tái tạo, hàm phù hợp, các toán tử lai tạo và đột biến, hội tụ của thuật toán… 2.2 So sánh một số phương pháp mã hóa đã được sử dụng Các phương pháp mã hóa áp dụng cho một số bài toán thiết kế topology mạng với dạng hình lưới và hình cây đã được nghiên cứu xem xét. Quá trình nghiên cứu cho thấy với mỗi loại bài toán thường có một phương pháp mã hóa hiệu quả và không có phương pháp mã hóa nào là ưu việt cho mọi bài toán. Mặt khác, các toán tử cũng đa dạng tùy theo mỗi phương pháp mã hóa 2.3 Đề xuất phương pháp mã hóa và các toán tử Phương pháp mã hóa được đề xuất ở đây là trên cơ sở mở rộng phương pháp mã hóa trong [5]. Phương pháp được đề xuất cho phép 6 tính đến từng nhu cầu lưu lượng của từng cặp nút mạng, khi đó các vấn đề về chất lượng dịch vụ theo khía cạnh trễ hoặc khả năng hồi phục có thể tính đến cho từng nhu cầu. Trên cơ sở mã hóa này, nhiễm sắc thể được tạo ra sẽ là một chuỗi tuần tự các nhu cầu lưu lượng với trật tự ngẫu nhiên. Các toán tử đề xuất sử dụng theo phương pháp mã hóa này là: Toán tử lai tạo; Toán tử đột biến; Toán tử quay vòng. 2.4 Một số kết quả tính toán số Các phương pháp mã hóa và các toán tử trong [5] – thuật toán B-GA, trong [31] – thuật toán E-GA và thuật toán được đề xuất ở đây Ad- GA được thực hiện để khảo sát sự phụ thuộc của chất lượng giải pháp tìm được vào phương pháp mã hóa cùng các toán tử của thuật toán di truyền. Việc so sánh dựa trên hai khía cạnh: một là chi phí của giải pháp thu được và hai là khả năng tìm kiếm giải pháp khi thay đổi một số ràng buộc. Về khía cạnh chi phí, chi phí trung bình của các giải pháp thu được trong thuật toán E-GA so với các thuật toán B-GA và Ad-GA có thể lớn hơn đến 6% như trên hình 2.5. 2480000000 2500000000 2520000000 2540000000 2560000000 2580000000 2600000000 2620000000 2640000000 2660000000 2680000000 0 102030405060 Số thế hệ Chi phí trung bìn h Edge-Set Ad- GA B-GA Hình 2.5 Chi phí trung bình ứng với các thuật toán khác nhau cho mạng lưới đầy đủ 20 nút sau 50 thế hệ. 7 Trong một số trường hợp khảo sát, chi phí của giải pháp tìm được theo thuật toán Ad-GA nhỏ hơn của thuật toán B-GA khoảng từ 0.17% đến 0.8% tùy theo từng trường hợp. Về khả năng tìm kiếm giải pháp khi thay đổi một số điều kiện như số lượng và dung lượng tuyến kết nối giảm, các kết quả tính toán cho thấy cho thấy, thuật toán B-GA nhiều lần không thể cải thiện tiếp được chất lượng giải pháp sau một số thế hệ nhất định. 2.5 Một số nhận xét Kết quả tính toán cho thấy, phương pháp mã hóa và các toán tử đề xuất ở đây giúp cho thuật toán di truyền hiệu quả hơn trong quá trình tìm kiếm giải pháp so với một số phương pháp mã hóa trước đây. Phương pháp mã hóa cùng các toán tử này sẽ được áp dụng để giải quyết tiếp các vấn đề thiết kế trong những phần kế tiếp. CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG THUẬT TOÁN THIẾT KẾ TOPOLOGY MẠNG VỚI MỤC TIÊU TỐI THIỂU HÓA CHI PHÍ, THỎA MÃN RÀNG BUỘC VỀ TRỄ Trong chương ba này, bài toán thiết kế được mở rộng từ bài toán thiết kế ở chương một, với sự tham gia của trễ trên mạng. Vấn đề trễ được đưa vào như là một ràng buộc được bổ sung trong bài toán thiết kế ở chương một. 3.1 Vấn đề trễ trong bài toán thiết kế topology mạng Trong các bài toán thiết kế topology mạng, có hai loại trễ cần được tính đến, đó là trễ trung bình trên toàn mạng và trễ đầu cuối – đầu cuối. Khi thiết kế topology mang cho các loại dịch vụ dữ liệu, ràng buộc về trễ trung bình được tính đến. Khi thiết kế topology mạng cho 8 [...]... áp ứng yêu cầu thực tiễn mạng NGN hiện nay Các kết quả nghiên cứu, đề xuất và tính toán của luận án này phù hợp với mục đích nghiên cứu đề ra ban đầu Những kết quả nghiên cứu có thể áp dụng trong việc xây dựng những công cụ thiết kế topology cho các mạng đa dịch vụ với hạ tầng mạng IP mà điển hình là mạng NGN KIẾN NGHỊ VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Từ những kết quả nghiên cứu mà luận án đã đạt được,... pháp Phương pháp này mở rộng kết quả lấy ngẫu nhiên từng nút [5] bằng lấy ngẫu nhiên từng cặp nút làm cho chi phí của giải pháp tìm được theo thuật toán đề xuất AdGA giảm 0.8% so với phương pháp trước đây Đề xuất cho phép giải quyết các bài toán thiết kế topology với nhiều ràng buộc, phù hợp với thực tiễn mạng NGN và làm phong phú về mặt lý luận tính toán mạng 22 2 Đề xuất mới thuật toán thiết kế topology. .. chi tiết ở các chương 1, 3 và 4 Phần tiếp sau đây sẽ trình bày phương pháp giải quyết bài toán này 5.2 Đề xuất thuật toán thiết kế topology mạng Thuật toán thiết kế topology được đề xuất với các bước sau: Thiết lập topology Bước thiết lập topology nhằm tạo ra topology từ nhiễm sắc thể Topology nhận được tại bước này chỉ thỏa mãn ràng buộc dung lượng tuyến kết nối hữu hạn mà chưa thỏa mãn các điều kiện... giải pháp tìm được như thế nào CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG THUẬT TOÁN THIẾT KẾ TOPOLOGY MẠNG VỚI MỤC TIÊU TỐI THIỂU HÓA CHI PHÍ, THỎA MÃN RÀNG BUỘC VỀ KHẢ NĂNG HỒI PHỤC Trong chương bốn này, bài toán thiết kế được mở rộng từ bài toán thiết kế ở chương một, với sự tính đến khả năng hồi phục của mạng Vấn đề hồi phục được đưa vào như là một ràng buộc về khả năng hồi phục được bổ sung trong bài toán thiết kế đặt... thuật toán được đề xuất tương ứng với ràng buộc về trễ trung bình trên mạng và ràng buộc về đầu cuối – đầu cuối 3.3.1 Đề xuất thuật toán thiết kế thỏa mãn ràng buộc trễ trung bình Trên cơ sở xem xét và phân tích các phương pháp và thuật toán đã đề xuất trước đây, một thuật toán thiết kế topology cho bài toán thiết kế với ràng buộc về trễ trung bình được đề xuất với hai bước: Bước một, từ phương pháp... lượng đi vào mạng Với trường hợp thiết kế topology mạng cho các dịch vụ dữ liệu sẽ sử dụng các biểu thức từ (3.5) đến (3.9) và biểu thức (3.10a) – ràng buộc về trễ trung bình Còn với trường hợp thiết kế topology mạng cho các dịch vụ thời gian thực sẽ sử dụng các biểu thức từ (3.5) đến (3.9) và biểu thức (3.10b) – ràng buộc về trễ đầu cuối – đầu cuối 3.3 Đề xuất thuật toán thiết kế topology mạng với ràng... phương pháp mã hóa và các toán tử đã đề xuất tạo nên các nhiễm sắc thể để tạo ra các topology khác nhau Bước hai, đề xuất một thuật toán phân bổ lại luồng và dung lượng để giảm trễ trung bình của topology thu được ở bước 1 xuống giá trị cho phép Tave,max 3.2.2 Đề xuất thuật toán thiết kế thỏa mãn ràng buộc trễ đầu cuối đầu cuối Thuật toán thiết kế topology cho bài toán thiết kế với ràng buộc về trễ đầu... như sau: 10 Sử dụng phương pháp mã hóa cùng các toán tử đã được đề xuất như trên để tạo nên topology mạng Băng thông phân bổ cho các tuyến kết nối được tính từ phương pháp nới lỏng Lagrange Trong đó, băng thông phân bổ được tính theo công thức sau: cij = f ij + L pq Te −e ,max ∑ * ij∈r λij (3.17) λij 3.4 Một số kết quả tính toán số Các kết quả tính toán số thực hiện với hai thuật toán thiết kế topology. .. kế topology mạng cho cả hai trường hợp trễ trung bình và trễ đầu cuối – đầu cuối Thuật toán này giải quyết vấn đề đặt ra trong mạng NGN - chất lượng dịch vụ phụ thuộc rất nhiều vào trễ Thuật toán đề xuất GA-DR cho trường hợp trễ trung bình cho phép tìm ra các giải pháp với chi phí thấp hơn đến 5% so với giải pháp cũ 3 Đề xuất mới thuật toán thiết kế topology mạng có khả năng hồi phục MPR-R cho phép tìm... tuyến kết nối sử dụng trong thuật toán đề xuất cũng ít hơn nhiều (khoảng gần 1/3 so với thuật toán trước đây) Mức độ thăng giáng trễ trên các tuyến kết nối của thuật toán đề xuất cũng ít hơn so với thuật toán trước Các kết quả tính toán cho thấy, quá trình định tuyến và phần bổ luồng trên mạng hợp lý sẽ cho ra các kết quả, giải pháp tốt Điều này 12 cũng khẳng định về vai trò quan trọng của phương pháp . HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Phạm Quốc Huy NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG THUẬT TOÁN THIẾT KẾ TOPOLOGY MẠNG ÁP DỤNG CHO MẠNG THẾ HỆ SAU NGN Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông. pháp thiết kế sử dụng thuật toán di truyền dựa trên các nghiên cứu, phân tích đánh giá một số phương pháp, thuật toán thiết kế trước đây. Tiếp theo đó, phương pháp thiết kế sử dụng thuật toán. thêm các thuật toán có thể áp dụng cho việc giải các bài toán tương tự. Về ý nghĩa thực tiễn - Các kết quả có thể áp dụng cho việc thiết kế topology mạng backbone NGN và tính toán các mạng tập