Nghiên cứu một số giải pháp định tuyến trong tôpô mạng liên kết hiệu năng cao và công cụ đánh giá

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Kiều Thành Chung NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP ĐỊNH TUYẾN TRONG TÔ-PÔ MẠNG LIÊN KẾT HIỆU NĂNG CAO VÀ CÔNG CỤ ĐÁNH GIÁ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT PHẦN MỀM HÀ NỘI – 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Kiều Thành Chung NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP ĐỊNH TUYẾN TRONG TÔ-PÔ MẠNG LIÊN KẾT HIỆU NĂNG CAO VÀ CÔNG CỤ ĐÁNH GIÁ Ngành: Kỹ thuật phần mềm Mã số: 9480103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT PHẦN MỀM NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS NGUYỄN KHANH VĂN TS PHẠM ĐĂNG HẢI HÀ NỘI – 2021 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan tất nội dung luận án “Nghiên cứu số giải pháp định tuyến tô-pô mạng liên kết hiệu cao cơng cụ đánh giá” cơng trình nghiên cứu riêng hướng dẫn tập thể hướng dẫn Các số liệu, kết trình bày luận án trung thực chưa tác giả khác công bố cơng trình Việc tham khảo nguồn tài liệu thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo theo quy định Hà Nội, ngày … tháng … năm 2021 TẬP THỂ HƯỚNG DẪN PGS.TS NGUYỄN KHANH VĂN TS PHẠM ĐĂNG HẢI NGHIÊN CỨU SINH KIỀU THÀNH CHUNG LỜI CẢM ƠN Trước hết, xin trân trọng cảm ơn Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Phịng Đào tạo, Viện Cơng nghệ thơng tin Truyền thông, thầy cô bạn, thành viên Sedic-Lab, tạo điều kiện thuận lợi đóng góp nhiều ý kiến q báu giúp tơi hồn thành luận án Đặc biệt, xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc đến hai Thầy hướng dẫn khoa học, PGS.TS Nguyễn Khanh Văn TS Phạm Đăng Hải hết lòng hướng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho tơi suốt q trình thực luận án Đồng thời, xin cảm ơn PGS.TS Michihiro Koibuchi, TS Ikki Fujiwara, TS Trương Thảo Nguyên, National Institute of Informatics – Nhật Bản tạo điều kiện giúp đỡ q trình học tập, nghiên cứu Tơi xin cảm ơn gia đình người thân ln bên tơi, ủng hộ động viên tơi suốt q trình nghiên cứu Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày … tháng … năm 2021 Nghiên cứu sinh Kiều Thành Chung MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT .5 DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU .9 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 14 1.1 Cơ sở lý thuyết 14 1.1.1 Tô-pô mạng (Network topology) 14 1.1.2 Giới thiệu giải thuật định tuyến 17 1.1.3 Hiệu tô-pô mạng liên kết 22 1.1.4 Mô đánh giá hiệu tô-pô mạng 26 1.2 Giới thiệu toán nghiên cứu liên quan 27 1.2.1 Bài toán nghiên cứu 27 1.2.2 Tình hình nghiên cứu 33 1.2.3 Các nghiên cứu liên quan 35 1.3 Tóm tắt chương 41 CHƯƠNG 2: ĐỊNH TUYẾN RÚT GỌN CHO MƠ HÌNH MẠNG NGẪU NHIÊN 42 2.1 Tơ-pơ mạng ngẫu nhiên thuật tốn định tuyến rút gọn 42 2.1.1 Tô-pô mạng ngẫu nhiên 42 2.1.2 Cơ chế định tuyến phân tán tra bảng 43 2.1.3 Thuật toán định tuyến rút gọn TZ [35] 44 2.2 Định tuyến khai thác cầu nối vùng 45 2.2.1 Ý tưởng xây dựng thuật toán định tuyến CORRA 46 2.2.2 Xây dựng bảng định tuyến 48 2.2.3 Kỹ thuật địa hóa 50 2.2.4 Đánh giá lý thuyết 53 2.2.5 Đánh giá thực nghiệm 54 2.3 Định tuyến khai thác nút đại diện chế tuyển chọn nút đại diện 59 2.3.1 Xây dựng phương thức lựa chọn nút đại diện dựa vị trí 60 2.3.2 Đánh giá thực nghiệm 63 2.4 Xây dựng chế tuyển chọn nút đại diện 67 2.4.1 Tuyển chọn nút đại diện 67 2.4.2 Cơ chế tuyển chọn nút đại diện 68 2.4.3 Thực nghiệm đánh giá chế tuyển chọn nút đại diện .74 2.5 Tóm tắt Chương 78 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CÔNG CỤ HỖ TRỢ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG TÔ-PÔ MẠNG LIÊN KẾT 79 3.1 Kiến trúc tổng quan công cụ mô SSiNET 79 3.1.1 Ý tưởng SSiNET 79 3.1.2 Kiến trúc mô-đun chức giao diện 81 3.1.3 Thiết kế chi tiết kỹ thuật 84 3.1.4 Thiết kế chi tiết gói cơng cụ phần mềm 87 3.1.5 Xây dựng chế kỹ thuật 91 3.2 Đánh giá thực nghiệm 93 3.2.1 Đánh giá kích thước bảng định tuyến 94 3.2.2 Đánh giá độ trễ truyền tin 94 3.2.3 Đánh giá thời gian thực thi 95 3.2.4 So sánh kết đánh giá SSiNET Omnet++ 96 3.2.5 Đánh giá thông lượng thông lượng cực đại 96 3.2.6 Đánh giá theo phương pháp xấp xỉ 98 3.3 Ứng dụng công cụ SSiNET việc xây dựng mơ hình tơ-pơ lai cho DC cỡ vừa, tiết kiệm chi phí đáp ứng khơng gian mở 99 3.3.1 Kiến trúc Bus-RSN 100 3.3.2 Giải pháp định tuyến 103 3.3.3 Đánh giá thực nghiệm 105 3.4 Tóm tắt chương 111 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 113 4.1 Kết luận 113 4.2 Hướng phát triển nghiên cứu .114 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 115 TÀI LIỆU THAM KHẢO 116 PHỤ LỤC 123 Định tuyến phân cấp mạng ngẫu nhiên chuẩn tắc 123 1.1 HR-SW: Định tuyến phân cấp mơ hình đồ thị giới nhỏ 123 1.2 Kỹ thuật địa định tuyến phân cấp 124 1.3 Thực thi định tuyến HR-SW 125 1.4 Đánh giá hiệu tô-pô mạng 126 1.5 Kết luận 128 Các thuật toán định tuyến khai thác cầu nối .128 DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT STT Kí hiệu Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt Average Routing Path Length Trung bình chiều dài đường định tuyến Định tuyến rút gọn dựa liên kết ngẫu nhiên cầu nối vùng nút mạng xa Trung tâm liệu Mô kiện rời rạc Định tuyến ưu tiên theo chiều Định tuyến rút gọn dựa nút đại diện cho vùng nút mạng Tính tốn hiệu cao Cơng nghệ Thông tin Truyền thông Chiều dài đường định tuyến lớn (đường kính mạng) Cấu hình cấu trúc mạng ARPL CORRA Compact Routing for RAndom inter-connection topologies DC DES DOR GLCR HPC ICT MRPL 10 NSC 11 12 13 14 RSN RTS SPR TOP500 15 HR-SW Data Center Discrete Event Simulation Dimension-Order Routing Geographic Landmark-based Compact Routing High-performance Computing Informatiom Communication Technology Maximum Routing Path Length Network Structure Configuration Random Shortcut Network Routing Table Size Shortest Path Routing https://www.top500.org/ and Hierarchical Rouing on SmallWorld Mạng ngẫu nhiên Kích thước bảng định tuyến Định tuyến đường ngắn Tổ chức đánh giá xếp hạng hệ thống mạng máy tính Định tuyến phân cấp đồ thị giới nhỏ DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1: Tổ chức ghi bảng định tuyến thuật toán CORRA 51 Bảng 2.2: Tổng hợp số khái niệm sử dụng giải pháp GLCR 61 Bảng 3.1: Đường kính mạng theo tỉ lệ xấp xỉ 98 Bảng 3.2: Độ trễ trung bình tồn mạng theo tỉ lệ xấp xỉ 98 Bảng 3.3: Thời gian thực thi tính tốn theo phương pháp xấp xỉ 99 Bảng 3.4: Định nghĩa số kí hiệu sử dụng BUS-RSN .104 Bảng 3.5: Các ký hiệu hình minh họa thực nghiệm 105 Bảng 3.6: Tổng cáp trường hợp khoảng cách vùng khác 111 DANH MỤC CÁC THUẬT TOÁN Algo.01-TZ: Lựa chọn nút đại diện Thorup Zwick 45 Algo.02-RTC: Xây dựng bảng định tuyến – Routing Table Construction (RTC) .49 Algo.03-GLCR: Lựa chọn nút đại diện 60 Algo.04-GLCR: Điều chỉnh lựa chọn nút đại diện – AdjustLandmarkSet 62 63 Algo.06-IJDST: Loại bỏ nút đại diện yếu 68 Algo.07-IJDST: Lựa chọn nút đại diện 69 Algo.08-IJDST: Lựa chọn nút đại diện 73 Algo.09-Bus-RSN: Xây dựng tô-pô Bus-RSN 101 Algo.10-Bus-RSN: Thuật toán định tuyến HRA (alpha-1 HRA) 104 128 Algo.12-GLCR: Tính 129 Algo.05-GLCR: Lựa chọn nút đại diện – ( , ) − − − Algo.11-GLCR: Tính tốn ( ) giải pháp GLCR ( ) cho nút đại diện ∈ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Mạng liên kết (Interconnection Network) 14 Hình 1.2: Các ứng dụng mạng [9] 15 Hình 1.3: Các dạng tơ-pơ mạng 15 Hình 1.4: Mạng trực tiếp gián tiếp 17 Hình 1.5: Ví dụ định tuyến mạng kết 2D-Torus [8] 18 Hình 1.6: Định tuyến thích ứng tơ-pơ RING 8-nút 20 Hình 1.7: Ví dụ tắc nghẽn Wormhole switching 22 Hình 1.8: Độ trễ gói tin kênh truyền 23 Hình 1.9: Tương quan băng thơng thơng lượng 24 Hình 1.10: Tương quan độ trễ lưu lượng liệu yêu cầu .24 Hình 1.11: Tương quan thông lượng lưu lượng liệu yêu cầu 26 Hình 1.12: Mơ hình mơ 27 Hình 1.13: Tổ chức bảng định tuyến nút mạng 31 Hình 2.1: Tô-pô sở dạng lưới 43 43 Hình 2.3: Cách tiếp cận định tuyến dựa nút đại diện Thorup Zwick 44 Hình 2.4: Xây dựng tơ-pơ ngẫu nhiên cho thuật toán CORRA 46 Hình 2.5: Hàng xóm gửi 47 Hình 2.6: Nút mà nằm khoảng 47 Hình 2.7: Ví dụ việc xây dựng ghi bảng định tuyến 50 Hình 2.8: Ví dụ thực thi định tuyến thông qua nhãn tọa độ nút mạng .52 Hình 9: Thực thi định tuyến thông qua định danh nút mạng 52 Hình 2.10: Mơ hình mở rộng, sử dụng -grid liên kết 54 Hình 2.11: Tác động giá trị 54 Hình 2.12: Trung bình kích thước bảng định tuyến 55 Hình 2.13: Đánh giá đường kính mạng 56 Hình 2.14: Trung bình chiều dài đường định tuyến ( ) 57 Hình 2.15: Trung bình độ trễ truyền tin 57 Hình 2.16: tơ-pơ mạng có kích thước lớn 58 Hình 2.17: Trung bình độ trễ truyền tin tơ-pơ mạng có kích thước lớn 58 Hình 2.18: Lựa chọn nút đại diện khơng mong đợi thuật tốn TZ [35] .59 Hình 2.19: Minh họa điều chỉnh vị trí nút đại diện 63 Hình 2.20: Tương quan lớn kích thước lớn 64 Hình 2.21: Khảo sát tối đa khích thước tập nút đại diện .65 Hình 2.22: Tương quan kích thước cụm lớn 66 Hình 2.23: Tương quan với lớn 66 Hình 2.24: GLCR với TZ-original tơ-pơ mạng có kích thước lớn .66 Hình 2.25: Phân bố nút đại diện đồ thị dạng lưới 73 Hình 2.26: Tương quan số lượng nút đại diện với kích thước cụm lớn tơ-pơ mạng có 1.024 nút 75 Hình 2.27: Tương quan kích thước mạng 75 Hình 2.28: Tương quan số lượng nút đại diện với kích thước lớn cụm mạng có kích thước lớn 76 Hình 2.29: Tương quan số lượng nút đại diện với 78 Hình 3.1: Mơ tả cấu trúc nút mạng 80 Hình 2.2: Tạo tơ-pơ mạng ngẫu nhiên ′ từ tô-pô sở dạng lưới thơng tin cầu lưu thơng tin từ hàng xóm Hình 3.2: Sơ đồ thiết kế tổng quan 82 Hình 3.3: Lưu đồ tạo tô-pô mạng 84 Hình 3.4: Sơ đồ thiết kế chi tiết 85 Hình 3.5: Lưu đồ định định tuyến 86 Hình 3.6: Thiết kế kỹ thuật chi tiết SSiNET 86 Hình 3.7: Thiết kế lớp Graph, RoutingAlgorithm TopoExperiment .87 Hình 3.8: Thiết kế gói graph routing 88 Hình 3.9: Thiết kế thành phần vật lý mạng 89 Hình 3.10: Thiết kế nhóm thực nghiệm mơ 89 Hình 3.11: Thiết kế gói thực nghiệm mơ zeroload weightedload 90 Hình 3.12: Lớp thực nghiệm đánh giá hiệu tơ-pơ mạng dựa mơ 90 Hình 3.13: Tiến trình hoạt động mơ 91 Hình 3.14: Ví dụ quản lý kiện rời rạc 91 Hình 3.15: Ví dụ đường mạng có chiều dài m hop 93 Hình 3.16: Tính tốn kích thước bảng định tuyến 94 Hình 3.17: Độ trễ truyền tin mạng 95 Hình 3.18: So sánh thời gian thực thi SSiNET NS3 95 Hình 3.19: So sánh đánh giá thông lượng mạng SSiNET Omnet++ 96 Hình 3.20: Đánh giá thơng lượng mạng cơng cụ SSiNET 97 Hình 3.21: Thông lượng cực đại 97 Hình 3.22: (a)–Bus nút; (b)–RSN 4x4 tạo liên kết lưới liên kết ngẫu nhiên 100 Hình 3.23: Mơ hình tơ-pơ Bus-RSN 100 Hình 3.24: Mơ hình chi tiết Bus-RSN 101 Hình 3.25: RSN chia thành khối, chọn nút trục tạo đường trục 102 Hình 3.26: Chi tiết nút thường nút trục 102 Hình 3.27: Đánh giá tham số hiệu tô-pô mạng theo kịch 106 Hình 3.28: Đánh giá tham số hiệu tơ-pơ mạng theo kịch 107 Hình 3.29: Tổng chiều dài cáp tổng chi phí triển khai kết nối theo kịch 109 Hình 3.30: Tổng chiều dài cáp tổng chi phí triển khai kết nối theo kịch 110 Hình 5.1: Ví dụ định tuyến HR-SW 123 Hình 5.2: Địa hóa phân cấp bảng định tuyến 124 Hình 5.3: Tương quan mạng 4.096 nút .126 Hình 5.4: Tương quan đường kính mạng mạng 4.096 nút 126 Hình 5.5: Đường kính mạng tơ-pơ mạng 8.192 nút .127 Hình 5.6: tô-pô mạng 8.192 nút 128