Ứng dụng giải thuật di truyền để tối ưu định tuyến trong mạng IP

i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc. Học viên thực hiện Luận văn ii LỜI CÁM ƠN Em xin cám ơn quý Thầy Cô phòng Quản lý khoa học và Đào tạo sau đại học, Trường Đại học Công nghệ TP. HCM đã hướng dẫn và cung cấp đầy đủ các thông tin giúp em hoàn thành Luận văn thạc sĩ này. Em xin cám ơn Thầy Lê Mạnh Hải, Giảng viên Khoa Công nghệ thông tin, Trường Đại học Công nghệ TP. HCM đã đồng ý và hết lòng hướng dẫn em thực hiện Luận văn thạc sĩ này. Em xin cám ơn quý Thầy đã nhiệt tình giảng dạy và đưa ra các kiến thức rất bổ ích giúp em hình thành Luận văn. Cám ơn các Anh Chị học viên lớp 12SCT21 đã cùng em gần 2 năm học tập và nghiên cứu cùng nhau. Nguyễn Ngọc Đại iii TÓM TẮT Hiệu suất và độ tin cậy của Internet phụ thuộc vào hoạt động của các giao thức định tuyến. Trong các giao thức định tuyến đang được sử dụng thì Open Shortest Path First (OSPF) với thuật toán Dijkstra là được sử dụng phổ biến nhất. Thuật toán Dijkstra được sử dụng để tìm kiếm đường đi ngắn nhất từ một node đến tất cả các node còn lại trong đồ thị. Thuật toán dừng khi node đích là đạt được. Do đó, nếu có nhiều đường đi cùng ngắn nhất để truyền các gói tin từ node nguồn đến node đích thì thuật toán Dijkstra chỉ xuất ra được một đường đi. Điều này không phản ánh được nhu cầu là cần thực hiện cân bằng tải trong định tuyến. Bên cạnh đó, mạng Internet ngày càng phát triển với một số lượng lớn node. Khi có sự thay đổi trong cấu trúc liên kết mạng, thuật toán Dijkstra sẽ mất nhiều tính toán lặp lại. Luận văn chọn tiếp cận theo giải thuật di truyền để giải quyết vấn đề nêu trên. Giải thuật di truyền có thể khám phá không gian tìm kiếm theo nhiều hướng. Giải thuật di truyền thích hợp cho việc giải quyết vấn đề có không gian giải pháp là lớn. Để thực hiện được mục tiêu tìm kiếm thì giải thuật di truyền phải dựa trên các khái niệm về quần thể, cá thể và các hoạt động di truyền như chọn lọc, lai ghép, đột biến, thay thế. iv ABSTRACT Performance and reliability of the Internet depends on the operation of the routing protocol. In the routing protocol being used, the Open Shortest Path First (OSPF) with Dijkstra's algorithm is used most commonly. Dijkstra's algorithm is used to find the shortest path from one node to all other nodes in the graph. The algorithm stops when the destination node is reached. Therefore, if there are multiple shortest paths to transmit the packets from the source node to the destination node, then Dijkstra algorithm is only one way out. This does not reflect the demand is to perform load balancing in routing. Besides, the Internet is growing with a large number of nodes. When there is a change in the network topology, Dijkstra's algorithm takes many repeated calculations. This thesis focuses describes a genetic algorithm to solve the routing problems. Genetic algorithm can explore the search space in many directions. Genetic algorithms are suitable for solving the problem that the solution space is huge. To accomplish the goal of searching for the genetic algorithm is based on the concept of population, individuals and genetic operations such as selection, crossover, mutation, replacement. v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CÁM ƠN ii TÓM TẮT iii ABSTRACT iv MỤC LỤC v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH viii DANH MỤC CÁC BẢNG ix CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU 1 1.1 Đặt vấn đề 1 1.2 Lý do chọn đề tài 1 1.3 Phương pháp luận 5 1.4 Cấu trúc Luận văn 6 CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU 7 2.1 Các nghiên cứu liên quan đến công việc của luận văn 7 2.2 Nhiệm vụ của Luận văn 9 2.3 Tổng quan về định tuyến 10 2.3.1 Định tuyến và hoạt động định tuyến 10 2.3.2 Tối ưu hóa định tuyến 13 2.3.3 Mô hình hóa bài toán ước lượng nhu cầu truyền thông 15 2.3.4 Phương pháp ước lượng nhu cầu truyền thông 16 vi 2.4 Tổng quan về giải thuật di truyền 21 2.4.1 Các khái niệm quan trọng trong giải thuật di truyền 22 2.4.2 Cấu trúc của giải thuật di truyền 23 CHƯƠNG 3. ỨNG DỤNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN ĐỂ TÌM CÁC ĐƯỜNG ĐI TỐT NHẤT TRONG MẠNG IP 25 3.1 Phương pháp thực hiện 25 3.2 Sơ đồ giải thuật của phương pháp thực hiện 26 3.3 Các bước hoạt động cụ thể của phương pháp thực hiện 27 3.4 Kết quả của phương pháp thực hiện 38 CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN VĂN 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO 46 PHỤ LỤC 48 vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AS Autonomous System IP Internet Protocol ISP Internet Service Provider NAT Network Address Translation OSPF Open Shortest Path First QoS Quality of Service RIP Routing Information Protocol SNMP Simple Network Management Protocol TCP Transmission Control Protocol UDP User Datagram Protocol viii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Ví dụ một đồ thị G 3 Hình 1.2 Mạng trục Internet 4 Hình 1.3 Cấu trúc cơ bản của một mạng trục cấp 2 5 Hình 2.1 Độ hội tụ trong mô hình mạng 11 Hình 2.2 Các thành phần chính trong quá trình tối ưu 14 Hình 2.3 Ví dụ mô hình cho bài toán ước lượng nhu cầu truyền thông [10] 15 Hình 2.4 Đường trục chính và đường liên kết biên trong cùng một AS 18 Hình 3.1 Python 2.7.8 Shell 25 Hình 3.2 Sơ đồ giải thuật của phương pháp thực hiện 26 Hình 3.3 Đồ thị G = G(10,16,Cv) 27 Hình 3.4 Chọn lọc giải đấu 31 Hình 3.5 Kết quả của phương pháp thực hiện 38 Hình 3.6 Kết quả của thuật toán Dijkstra 38 Hình 3.7 Mô hình 50 node 39 Hình 3.8 Kết quả của thuật toán Dijkstra cho mô hình 50 node 40 Hình 3.9 Kết quả của phương pháp thực hiện cho mô hình 50 node 40 ix DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Ví dụ về một ma trận lưu lượng 16 Bảng 3.1 Các cá thể trong quần thể ban đầu 28 Bảng 3.2 Giá trị fitness của các cá thể trong quần thể ban đầu 29 Bảng 3.3 Kết quả tìm đường đi sau 50 lần cập nhật trong mô hình 50 node 41 1 CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề Do nhu cầu sử dụng Internet rất lớn từ doanh nghiệp và cá nhân, các nhà cung cấp dịch vụ Internet – ISP) luôn cố gắng đáp ứng nhu cầu lưu lượng truyền và nhận trên mạng ngày càng tăng. Các gói tin được gửi đi qua mạng theo nhiều đường đi khác nhau từ node mạng nguồn đến node mạng đích bằng các giao thức định tuyến. Các node mạng trong định tuyến được hiểu là các thiết bị định tuyến (router). Mục đích của giao thức định tuyến là tìm ra đường đi tốt nhất cho các gói tin [1]. Đường đi tốt nhất là đường đi có tổng chi phí nhỏ nhất. Yếu tố chi phí có thể được suy ra từ băng thông, khoảng cách giữa các node, độ trễ khi truyền các gói tin, độ tải, độ tin cậy hoặc giá trị lớn nhất của một gói tin (byte) mà một node có thể xử lý được. Hiệu suất và độ tin cậy của Internet phụ thuộc lớn vào các hoạt động của giao thức định tuyến [2]. Vấn đề tìm kiếm đường đi tối ưu nhất giữa hai node là một vấn đề lớn trong phân tích mạng. Khi mạng càng phát triển, luôn đòi hỏi các nghiên cứu để tối ưu hoạt động định tuyến hiện có. Trong những năm gần đây đã có nhiều nghiên cứu thể hiện xu hướng cho bài toán này. Trong các nghiên cứu [2], [3], [4], [5], các tác giả đã đưa ra một hướng tiếp cận dựa trên giải thuật di truyền. Giải thuật di truyền được xem là hướng tiếp cận hiệu quả khi cần tìm kiếm các giải pháp tối ưu trong một không gian lớn. Do đó, Luận văn tập trung vào ứng dụng của giải thuật di truyền trong định tuyến mạng IP. 1.2 Lý do chọn đề tài Luận văn chọn thực hiện đề tài “Ứng dụng giải thuật di truyền để tối ưu định tuyến trong mạng IP” do nguyên nhân sau: [...]... lại khẳng định việc sử dụng giải thuật di truyền để tìm ra được tập đường đi có giá trị cost hợp lý Nghĩa là giải thuật di truyền hội tụ về các giải pháp tối ưu cục bộ Tác giả cũng không đưa ra so sánh nào với thuật toán Dijkstra để chứng minh cho phần đặt vấn đề của mình [5] là một nghiên cứu gần đây thể hiện được rõ ý tưởng của giải thuật di truyền để ứng dụng giải thuật này trong định tuyến Tác... rõ lý thuyết về giải thuật di truyền trong phương pháp đề xuất của mình 2.2 Nhiệm vụ của Luận văn Nhiệm vụ chính của Luận văn là ứng dụng giải thuật di truyền để tối ưu định tuyến trong mạng IP Luận văn tập trung giải quyết các vấn đề trong các nghiên cứu [2] và [5] đã được trình bày trong phần 2.1 Công việc chính của Luận văn bao gồm:  Sử dụng một công thức để tính giá trị fitness để phản ánh đúng... fitness, thuật toán sẽ kết thúc 25 CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN ĐỂ TÌM CÁC ĐƯỜNG ĐI TỐT NHẤT TRONG MẠNG IP 3.1 Phương pháp thực hiện Trong phần này, đề tài sử dụng giải thuật di truyền để tìm đường đi ngắn nhất giữa một node nguồn và một node đích cho trước Để phù hợp hơn với bài toán định tuyến, phương pháp thực hiện xét đến tính khả thi của giải pháp trước khi áp dụng các hoạt động di truyền. .. Luận văn sẽ áp dụng giải thuật di truyền cho một mô hình có các trọng số được gán động để phản ánh được tình trạng hiện tại của mạng Khi các giá trị trọng số thay đổi thì giải thuật di truyền luôn có thể tìm ra được đường đi tối ưu để truyền các gói tin 2.3 Tổng quan về định tuyến 2.3.1 Định tuyến và hoạt động định tuyến Hoạt động định tuyến được thực hiện bởi các node tại tầng Network trong mô hình... chúng trong hàng đợi theo QoS Do vậy, mục tiêu chính của đề tài là tìm ra tập đường đi tối ưu được cân bằng tải trong một không gian tìm kiếm lớn Luận văn chọn phương pháp tiếp cận theo giải thuật di truyền để giải quyết vấn đề đã nêu Giải thuật di truyền đã được chứng minh là có thể khám phá không gian giải pháp trong nhiều hướng [7], [8], [9] 1.3 Phương pháp luận Luận văn Ứng dụng giải thuật di truyền. .. đo về tình trạng mạng hiện tại và nhu cầu của lưu lượng mạng như là đầu vào để đưa ra các yêu cầu về tối ưu hóa trong định tuyến Việc giải quyết các vấn đề tối ưu hóa phụ thuộc vào việc sử dụng giao thức định tuyến và cách tiếp cận hiệu quả để khám phá không gian tham số Điều này cho phép việc sử dụng các kỹ thuật để xác định các tham số cài đặt nhằm đáp ứng các mục tiêu hiệu suất của mạng Khi một tập... văn đưa ra các vấn đề cần tập trung nghiên cứu và giải quyết Một phần cơ sở lý thuyết cũng được trình bày để làm rõ hơn cho vấn đề của Luận văn CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN ĐỂ TÌM CÁC ĐƯỜNG ĐI TỐT NHẤT TRONG MẠNG IP Nội dung của Chương là trình bày một phương pháp thực hiện nhằm khẳng định khả năng của giải thuật di truyền trong tối ưu định tuyến CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN... hóa trọng số trong OSPF bằng giải thuật di truyền Tuy nhiên, theo phương pháp trong nghiên cứu [3], tác giả đã không làm rõ vai trò quan trọng của lai ghép và đột biến trong giải thuật di truyền Quá trình thay thế cho thấy một áp lực chọn lọc thấp dẫn đến mất thời gian trong quá trình hình thành một quần thể hội tụ Giải thuật di truyền có thể đưa ra được các giải pháp hội tụ về tối ưu Trong khi tác... sử dụng cùng một công thức tính giá trị fitness cho các cá thể Tác giả của nghiên cứu [10] cũng đã ứng dụng giải thuật di truyền cho việc tối ưu hóa quá trình định tuyến trên mạng IP Trong nội dung của [10], tác giả trình bày bài toán ước lượng nhu cầu truyền thông dựa trên phương pháp quy hoạch tuyến tính và phương pháp suy di n dựa vào mô hình trọng lực Từ đó, tác giả đưa ra được nhu cầu tối ưu hóa... hoạt động định tuyến là phân tích IP Header của các gói tin Các gói tin IP khi đi đến node mạng, node mạng sẽ phân tích IP Header để tìm ra thông số IP đích Thông số này sẽ được tra bảng định tuyến, nếu đích đến của gói tin thuộc về một entry có trong bảng định tuyến thì gói tin sẽ được chuyển đi tiếp, nếu không thì gói tin sẽ bị loại bỏ Bảng định tuyến trên node mạng thể hiện ra rằng node 11 mạng biết . Tổng quan về giải thuật di truyền 21 2.4.1 Các khái niệm quan trọng trong giải thuật di truyền 22 2.4.2 Cấu trúc của giải thuật di truyền 23 CHƯƠNG 3. ỨNG DỤNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN ĐỂ TÌM CÁC. truyền trong định tuyến mạng IP. 1.2 Lý do chọn đề tài Luận văn chọn thực hiện đề tài Ứng dụng giải thuật di truyền để tối ưu định tuyến trong mạng IP do nguyên nhân sau: 2 Trong các. của giải thuật di truyền để ứng dụng giải thuật này trong định tuyến. Tác giả của [5] cũng khẳng định định tuyến trong mạng là một thách thức trong phân tích, bởi vì cấu trúc liên kết của mạng