GIẢI QUYẾT BÀI TOÁN ĐỊNH TUYẾN ĐẢM BẢO BĂNG THÔNG, ĐỘ TRỄ (tt)

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIÊN THÔNG TÓM TẮT LUẬN ÁN GIẢI QUYẾT BÀI TOÁN ĐỊNH TUYẾN ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ NCS: CAO THÁI PHƯƠNG THANH THẦY HƯỚNG DẪN: PGS.TS TRẦN CÔNG HÙNG PGS.TS HÀ HẢI NAM HÀ NỘI, 2017 Công trình hoàn thành tại: Học viện Công nghệ Bưu Viễn thông Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Trần Công Hùng PGS TS Hà Hải Nam Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng cấp Học viện Học viện Công nghệ Bưu Viễn thông, 122 Hoàng Quốc Việt, Hà Nội Vào lúc: Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Học viện Công nghệ Bưu Viễn thông MỞ ĐẦU Ngày nay, mạng máy tính sử dụng rộng rãi đóng vai trò tảng lĩnh vực thông tin truyền thông toàn cầu Nhiều dịch vụ ứng dụng mạng đời kĩ thuật thoại Internet Protocol (IP), truyền hình theo yêu cầu, trò chơi trực tuyến đòi hỏi chất lượng dịch vụ mạng ngày cao Một số yêu cầu chất lượng dịch vụ quan trọng gồm băng thông, độ trễ Bên cạnh đó, công ty cung cấp dịch vụ mạng không cần đáp ứng chất lượng dịch vụ mà phải tìm cách quản lý khai thác cách tốt tài nguyên mạng nhằm nâng cao hiệu kinh doanh Một giải pháp hiệu để quản lý điều khiển tài nguyên mạng từ đảm bảo chất lượng dịch vụ kĩ thuật lưu lượng - kĩ thuật thiết lập, kiểm soát quản lý dòng liệu truyền tải mạng Trong kĩ thuật lưu lượng, vấn đề định tuyến đóng vai trò quan trọng định tuyến định đường luồng liệu hệ thống mạng Từ nhu cầu sử dụng mạng với chất lượng dịch vụ đảm bảo phát triển kĩ thuật, công nghệ, vấn đề khoa học mạng máy tính bao gồm toán định tuyến đảm bảo chất lượng dịch vụ nhận quan tâm nghiên cứu ứng dụng giới khoa học công nghiệp Mục tiêu phạm vi nghiên cứu Mục tiêu luận án giải toán định tuyến đảm bảo chất lượng dịch vụ Giải pháp cần xác định đường sơ đồ mạng thỏa điều kiện chất lượng dịch vụ cụ thể, ví dụ điều kiện băng thông đường lớn giá trị cho trước / độ trễ đường nhỏ giá trị cho trước Các điều kiện có giá trị khác cho yêu cầu định tuyến độ đo quan trọng nhằm đánh giá hiệu giải pháp định tuyến số yêu cầu định tuyến hệ thống mạng đáp ứng Ngoài ra, hiệu định tuyến đánh giá dựa thời gian tìm đường khả cân tải thuật toán định tuyến Định tuyến đảm bảo chất lượng dịch vụ vấn đề rộng, có nhiều phân loại, nhiều hướng nghiên cứu Trong giới hạn thời gian đào tạo, nghiên cứu sinh tập trung giải toán định tuyến unicast đảm bảo băng thông định tuyến unicast đảm bảo băng thông độ trễ Định tuyến unicast lựa chọn nghiên cứu loại định tuyến bản, sử dụng nhiều Ngoài ra, băng thông độ trễ hai điều kiện chất lượng dịch vụ phổ biến nhất, đặc trưng cho hai loại ràng buộc xét theo liên kết xét theo tổng giá trị thuộc tính tất liên kết đường Ý nghĩa Đóng góp Định tuyến đảm bảo chất lượng dịch vụ, cụ thể đảm bảo hai điều kiện quan trọng băng thông, độ trễ, vấn đề quan trọng nghiên cứu từ lâu chất lượng dịch vụ có ảnh hưởng định hoạt động mạng máy tính Cho đến nay, vấn đề giữ nguyên ý nghĩa tiếp tục nhận quan tâm nghiên cứu, dịch vụ mạng yêu cầu chất lượng dịch vụ ngày cao; đồng thời, công nghệ, kiến trúc mạng hệ đề xuất đòi hỏi tiếp tục cải tiến giải pháp có đề xuất giải pháp đảm bảo chất lượng dịch vụ Các đóng góp luận án gồm: Đề xuất thuật toán định tuyến đảm bảo băng thông BGHT Đề xuất thuật toán định tuyến đảm bảo băng thông TEARD Đề xuất thuật toán định tuyến đảm bảo băng thông độ trễ HRABDC Cải tiến thuật toán định tuyến đảm bảo băng thông độ trễ eHRABDC Xây dựng công bố dạng mã nguồn mở chương trình mô để thử nghiệm, so sánh thuật toán định tuyến đảm bảo chất lượng dịch vụ Bố cục luận án Luận án trình bày thành bốn chương Trong đó, chương giới thiệu chất lượng dịch vụ yếu tố quan trọng có liên quan Chương giới thiệu toán định tuyến đảm bảo chất lượng dịch vụ công trình định tuyến liên quan; đồng thời mô tả chương trình mô thuật toán định tuyến yếu tố thử nghiệm liên quan Chương báo cáo hai thuật toán định tuyến đảm bảo băng thông nghiên cứu sinh đề xuất Trong chương báo cáo hai thuật toán định tuyến đảm bảo băng thông độ trễ CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH TUYẾN ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ 1.1 Chất lượng dịch vụ Hiện ngày có nhiều dịch vụ mạng thời gian thực triển khai điện thoại Internet, truyền hình theo yêu cầu, trò chơi trực tuyến Các dịch vụ hoạt động hiệu hệ thống đảm bảo yêu cầu chất lượng Ví dụ, dịch vụ truyền hình thường yêu cầu đảm bảo băng thông đủ lớn để truyền tải liệu hình ảnh, trò chơi trực tuyến yêu cầu đảm bảo độ trễ nhỏ ổn định để không làm gián đoạn thao tác người chơi Vì thuật ngữ chất lượng dịch vụ (Quality of Service - QoS) đời để mô tả vấn đề đảm bảo yêu cầu chất lượng hoạt động mạng máy tính Một yếu tố quan trọng hệ thống QoS định tuyến đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS routing) Yếu tố xác định đường luồng liệu cho thỏa ràng buộc QoS đáp ứng tối đa số yêu cầu sử dụng dịch vụ Luận án tập trung giải toán định tuyến đảm bảo chất lượng dịch vụ 1.2 Định tuyến Định tuyến trình thiết lập đường truyền truyền liệu từ nút mạng nguồn qua nút mạng trung gian đến / số nút mạng đích Quá trình thực lớp mạng mô hình Open Systems Interconnection (OSI); thực tập hợp qui ước, qui tắc, chế hoạt động gọi giao thức định tuyến Ba chức giao thức định tuyến gồm: trao đổi thông tin, xác định đường đi, truyền liệu Trong đó, xác định đường - thực thuật toán định tuyến - nhận nhiều quan tâm nghiên cứu việc lựa chọn đường có ảnh hưởng định đến hiệu định tuyến Có nhiều tiêu chí để phân loại thuật toán định tuyến Ví dụ, dựa thời điểm xác định đường có hai loại định tuyến theo yêu cầu chủ động Dựa số lượng nút đích đường chia làm ba loại: unicast, multicast broadcast Ngoài ra, cách thức tìm đường tập trung phân tán hệ thống mạng tiêu chí phân loại quan trọng xem xét thuật toán định tuyến Từ thuật toán định tuyến "best effort" ban đầu xác định đường tốt đường ngắn (qua nút mạng nhất) chưa quan tâm đến chất lượng dịch vụ, có nhiều công trình nghiên cứu, đề xuất, cải tiến liên quan đến vấn đề định tuyến Luận án nghiên cứu hướng quan trọng vấn đề định tuyến định tuyến đảm bảo chất lượng dịch vụ 1.3 Định tuyến đảm bảo chất lượng dịch vụ Các độ đo chất lượng dịch vụ phổ biến bao gồm: • Băng thông: số lượng liệu truyền đơn vị thời gian, đơn vị tính ví dụ kilo bit giây (kb/s) • Độ trễ: khoảng thời gian truyền liệu phụ thuộc vào thời gian truyền qua liên kết vật lý, thời gian xử lý thiết bị mạng, thời gian hàng đợi Các độ đo có đặc tính khác nên cách kiểm tra chất lượng dịch vụ đường truyền khác Cụ thể, băng thông đường truyền giá trị cực tiểu băng thông liên kết (tính phép cực trị); độ trễ đường truyền tổng độ trễ liệu qua liên kết (tính phép cộng) Mục tiêu thuật toán định tuyến đảm bảo chất lượng dịch vụ không tìm đường thỏa ràng buộc chất lượng mà phục vụ cho nhu cầu nhà cung cấp mạng Đối với định tuyến unicast, nhu cầu đáp ứng tối đa số yêu cầu định tuyến nên giải pháp định tuyến unicast so sánh, đánh giá dựa số lượng yêu cầu chấp nhận 1.4 Kết chương Chương trình bày tổng quan yêu cầu chất lượng dịch vụ vấn đề định tuyến lĩnh vực mạng máy tính truyền liệu Luận án giải toán định tuyến unicast đảm bảo băng thông định tuyến đảm bảo băng thông, độ trễ CHƯƠNG BÀI TOÁN ĐỊNH TUYẾN UNICAST ĐẢM BẢO BĂNG THÔNG VÀ ĐẢM BẢO BĂNG THÔNG, ĐỘ TRỄ 2.1 Định nghĩa toán Trong toán định tuyến, sơ đồ mạng biểu diễn thành đồ thị đơn có hướng gồm tập hợp nút mạng liên kết tương ứng Bảng 2.1 thể kí hiệu sử dụng toán Bảng 2.1 Kí hiệu sử dụng toán Kí hiệu G(N, L) c(l) b(l) d(l) w(l) SD psd Psd r(s, d, b) pr(s,d,b) r(s, d, β , δ ) pr(s,d,β ,δ ) Diễn giải Đồ thị biểu diễn sơ đồ mạng N tập hợp gồm n nút mạng L tập hợp gồm m liên kết Dung lượng băng thông liên kết l Băng thông lại liên kết l Độ trễ liên kết l Trọng số liên kết l Tập hợp cặp nút nguồn đích sd Một đường từ nút nguồn s đến nút đích d Tập hợp tất đường từ nút s đến nút d Một yêu cầu định tuyến từ s đến d với lượng băng thông b cần đảm bảo (định tuyến đảm bảo băng thông) Đường psd thỏa yêu cầu r(s, d, b), b(l) ≥ b, ∀l ∈ psd Một yêu cầu định tuyến từ s đến d với lượng băng thông β độ trễ δ cần đảm bảo (định tuyến đảm bảo băng thông độ trễ) Đường psd thỏa yêu cầu r(s, d, β , δ ),   b(l) ≥ β , ∀l ∈ psd  ∑ d(l) ≤ δ l∈psd Mục tiêu thuật toán định tuyến không thiết lập đường đảm bảo chất lượng dịch vụ theo yêu cầu mà chấp nhận tối đa số yêu cầu nhận Việc đảm bảo băng thông làm giảm tài nguyên băng thông dẫn đến giảm khả tiếp tục chấp nhận yêu cầu Hơn nữa, yêu cầu định tuyến phát sinh từ nhu cầu sử dụng mạng thực tế vốn đa dạng không xác định trước Vì vậy, giải pháp tối ưu cho yêu cầu định tuyến Thay vào đó, phương pháp heuristic khác áp dụng cho thuật toán định tuyến unicast đảm bảo băng thông đảm bảo băng thông độ trễ Để thực toán phát biểu, thuật toán định tuyến không cần cập nhật thông tin trạng thái sơ đồ mạng mà cần có chế thiết lập đường dành riêng băng thông cho luồng liệu Trong hoạt động mạng máy tính nay, điều kiện thực kĩ thuật lưu lượng với chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS Traffic Engineering - MPLS TE) Luận án tập trung nghiên cứu thuật toán định tuyến nên không trình bày chi tiết giao thức, kĩ thuật hỗ trợ Thay vào đó, tương tự công trình liên quan công bố, thuật toán định tuyến thực với giả sử có thông tin hệ thống có chế thiết lập, dành riêng băng thông cho đường Thông tin gồm tập hợp cặp nút nguồn đích sơ đồ mạng dung lượng, băng thông lại, độ trễ liên kết Ngoài ra, yêu cầu định tuyến giả sử đến để tiện so sánh, đánh giá; yêu cầu trước Các độ đo so sánh, đánh giá thuật toán định tuyến bao gồm: tỉ lệ chấp nhận yêu cầu, thời gian tính toán trung bình, độ lệch chuẩn tải liên kết (tải liên kết : công thức 3.3) Tỉ lệ chấp nhận = số yêu cầu chấp nhận ∗ 100% tổng số yêu cầu Thời gian tính trung bình = ∑ thời gian tính yêu cầu tổng số yêu cầu (2.1) (2.2.) Tải liên kết = băng thông đảm bảo c(l) − b(l) = dung lượng c(l) (3.3) 2.2 Các thuật toán định tuyến đảm bảo băng thông liên quan Thuật toán định tuyến đảm bảo băng thông phổ biến thuật toán Minimum Hop Algorithm (MHA) Như tên gọi, MHA tìm đường ngắn thỏa ràng buộc băng thông cách bỏ (tạm thời) liên kết có băng thông lại nhỏ băng thông yêu cầu, sau áp dụng thuật toán tìm đường ngắn (ví dụ Dijkstra với trọng số liên kết 1) sơ đồ mạng lại Bên cạnh việc xem xét độ dài đường đi, thuật toán Bandwidth Constrained Routing Algorithm (BCRA) sử dụng thông tin liên quan đến liên kết gồm giá trị dung lượng, băng thông lại để tính trọng số liên kết Kết thử nghiệm cho thấy việc sử dụng thêm thông số liên kết BCRA đơn giản giúp cải thiện tỉ lệ chấp nhận yêu cầu định tuyến so với MHA Thuật toán định tuyến đảm bảo băng thông Minimum Interference Routing Algorithm (MIRA) đề xuất từ nhận xét việc lựa chọn đường gây ảnh hưởng đến khả đáp ứng yêu cầu tương lai Ý tưởng MIRA xác định đường cặp nguồn đích cho hạn chế ảnh hưởng đến cặp nguồn đích khác Ý tưởng thực cách tính trọng số liên kết Liên kết có ảnh hưởng nhiều giá trị trọng số lớn Ngược lại, liên kết ảnh hưởng giá trị trọng số nhỏ Sau tính trọng số, liên kết không thỏa điều kiện băng thông bị loại bỏ (tạm thời), thuật toán Dijkstra áp dụng để tìm đường từ nút nguồn đến nút đích Đường có trọng số nhỏ tìm đường có ảnh hưởng Thuật toán MIRA sử dụng khái niệm luồng cực đại (maxflow) để đánh giá ảnh hưởng tính giá trị trọng số liên kết 12 xử lý ri tri , công thức 3.1 tính trọng số liên kết l để tìm đường cho ri với b(l) băng thông lại l thời điểm tri , relBw(l) băng thông giải phóng liên kết l thời điểm tri+1 yêu cầu ri+1 đến Nói cách khác, mẫu số (b(l) + relBw(l)) băng thông lại liên kết l thời điểm xử lý yêu cầu tri+1 Để tính relBw(l), hệ thống mạng cần có thông tin thời gian giữ băng thông yêu cầu định tuyến chấp nhận Thông tin máy chủ định tuyến ước tính từ yêu cầu kết thúc Hoặc thời gian giữ băng thông gửi kèm với yêu cầu định tuyến Điều thực bên sử dụng dịch vụ định tuyến biết thời gian cần truyền liệu (thời gian giữ băng thông) thời gian gửi đến hệ thống mạng gói tin yêu cầu thiết lập giao thức định tuyến Ngoài ra, thời điểm đến yêu cầu tri+1 xác định cách xác điều kiện toán trước yêu cầu định tuyến Vì vậy, thuật toán đề xuất dự đoán thời điểm đến dựa yêu cầu nhận cách phát sinh ngẫu nhiên theo phân phối tam giác 3.2 TEARD: Thuật toán định tuyến đảm bảo băng thông sử dụng liệu định tuyến Thuật toán định tuyến BGHT đề xuất với giả sử yêu cầu định tuyến có thêm thời gian giữ băng thông, với mong muốn giải toán với định nghĩa ban đầu (không bổ sung giả sử), nghiên cứu sinh giới thiệu thuật toán khác sử dụng liệu từ trình định tuyến bao gồm trạng thái sơ đồ mạng, thông tin từ yêu cầu định tuyến đường sử dụng khứ: Traffic Engineering routing algorithm using Routing Data (TEARD) Trọng số liên kết thuật toán TEARD bao gồm ba thành phần 13 Thành phần thứ xét độ tới hạn liên kết theo cặp nút nguồn đích crit1 (l) = ∑ (prob(ie) ∗ critie (l)) (3.3) ie∈IE Trong prob(ie) xác suất cặp ie yêu cầu Trong cài đặt tại, prob(ie) tính đơn giản tỉ lệ cặp ie tổng số yêu cầu nhận Ngoài critie (l) độ tới hạn liên kết l cặp nguồn đích ie tính pha offline Thành phần trọng số thứ hai xem xét giá trị băng thông, đặc biệt băng thông lại liên kết crit2 (l) = used(l) c(l) − b(l) = r(l) b(l) (3.5) Trong đó, c(l) b(l) dung lượng băng thông lại liên kết l Thành phần trọng số liên kết thứ ba tính theo tần suất sử dụng liên kết đường thiết lập crit3 (l) = |EstPl | |EstP| (3.6) |EstPl | tổng số đường thiết lập có chứa liên kết l |EstP| tổng số đường thiết lập Công thức 3.7 tổng hợp ba giá trị tới hạn thành trọng số liên kết thuật toán đề xuất TEARD: w(l) = k1 crit1 (l) + k2 crit2 (l) + k3 crit3 (l) k1 , k2 , k3 tham số điều chỉnh < k1 , k2 , k3 k1 + k2 + k3 = (3.7) 14 Ngoài ra, thuật toán TEARD có pha offline sử dụng phương pháp depth-first search để tìm đường cho cặp nguồn đích tính giá trị critie (l) Lưu ý pha offline thực trước có yêu cầu định tuyến thực lại sơ đồ mạng thay đổi Trong đó, pha online trình tìm đường nhận yêu cầu Bảng 3.3 so sánh độ phức tạp hai thuật toán đề xuất với công trình liên quan Trong đó, n số nút mạng, m số liên kết, k số cặp nguồn đích Bảng 3.3 Độ phức tạp thuật toán định tuyến đảm bảo băng thông Thuật toán MHA, BCRA DORA, BGMRA BGHT TEARD MIRA, NewMIRA Độ phức tạp O(m + mn) O(km + mn) O((k − 1)nm2 + nm) 3.3 Kết mô Hình 3.10 thể kết trung bình 100 thử nghiệm sơ đồ ANSNET với kịch định tuyến động Hai thuật toán định tuyến đề xuất BGHT TEARD có tỉ lệ chấp nhận yêu cầu cao với giá trị 58.9% 58.7% (hình 3.10a) Kết BGHT cao 0.9% so với BCRA cao MHA 1.9% Hai thuật toán POOA RRATE có tỉ lệ chấp nhận thấp k đường chọn trước pha offline không đủ đáp ứng yêu cầu cách linh hoạt Thuật toán TEARD có kết tỉ lệ cao BGMRA (58.7% so với 58.5%), chứng tỏ TEARD có phương pháp tính trọng số liên kết hiệu hơn, giúp lựa chọn đường tốt để thực mục tiêu toán định tuyến Hình 3.10b so sánh thời gian tính toán trung bình thuật toán Thuật toán MHA có thời gian tính thấp 0.12 ms 15 (a) Tỉ lệ chấp nhận yêu cầu (b) Thời gian tính toán trung bình 16 (c) Độ lệch chuẩn tải liên kết Hình 3.10 Kết trung bình 100 yêu cầu định tuyến động, điều kiện tải cao, sơ đồ ANSNET BGHT 0.12 ms Thuật toán TEARD có thời gian tính trung bình 0.26 ms, cao kết thuật toán RRATE 1.6 lần thấp MIRA 8.5 lần Hình 3.10c cho thấy thử nghiệm sơ đồ ANSNET, thuật toán BGMRA TEARD có độ lệch chuẩn tải liên kết thấp 33.1% 33.2% Thuật toán BGHT có kết 34.3% thấp RRATE (36.3%), MHA (38.6%), MIRA (39.4%) 3.4 Kết chương Chương trình bày hai thuật toán định tuyến đảm bảo băng thông nghiên cứu sinh đề xuất: BGHT (được nghiên cứu sinh công bố (CT3)) TEARD (được công bố (CT4) (CT5)) Hai thuật toán so sánh, đánh giá với tám công trình liên 17 quan MHA, BCRA, MIRA, NewMIRA, DORA, BGMRA, RRATE, POOA Thử nghiệm tiến hành ba sơ đồ mạng khác nhau, với ba kịch định tuyến số lượng lớn yêu cầu phát sinh ngẫu nhiên Kết mô chứng tỏ hai thuật toán BGHT TEARD có hiệu định tuyến tốt Mã nguồn thuật toán định tuyến yêu cầu thử nghiệm công bố địa https://github.com/caoth/BandwidthAlgorithms CHƯƠNG THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN ĐẢM BẢO BĂNG THÔNG VÀ ĐỘ TRỄ 4.1 HRABDC: Thuật toán heuristic đảm bảo băng thông độ trễ Trong toán định tuyến đảm bảo băng thông độ trễ, yêu cầu r(s, d, β , δ ) yêu cầu thiết lập đường từ s đến d với điều kiện băng thông lại liên kết lớn giá trị β , tổng độ trễ liên kết nhỏ giá trị δ Mục tiêu thuật toán định tuyến lựa chọn đường cho đáp ứng tối đa số yêu cầu nhận Theo hướng tiếp cận heuristic trọng số liên kết, thuật toán đảm bảo băng thông độ trễ có hai phần Phần thứ tính trọng số liên kết để làm sở lựa chọn đường Phần thứ hai tìm đường đảm bảo điều kiện băng thông độ trễ Thuật toán nghiên cứu sinh đề xuất với tên gọi Heuristic Routing Algorithm with Bandwidth Delay Constraints (HRABDC) áp dụng công thức tính trọng số mới, đơn giản hiệu quả; đồng thời, có phương pháp tìm đường rút ngắn thời gian tính toán so với 18 thuật toán có w(l) = băng thông đảm bảo c(l) − b(l) = băng thông lại b(l) (4.1) Sau có trọng số liên kết, HRABDC áp dụng phương pháp tìm đường mới, phát triển từ Dijkstra mở rộng Thay nhiều thời gian tìm đường có trọng số nhỏ nhất, nghiên cứu sinh đề xuất phương pháp Dijkstra heuristic tìm đường thỏa điều kiện độ trễ có trọng số nhỏ tốt Với công thức tính trọng số đơn giản phương pháp tìm đường heuristic, thuật toán đề xuất HRABDC có độ phức tạp thấp so với công trình liên quan Bảng 4.2 Độ phức tạp thuật toán định tuyến đảm bảo băng thông độ trễ Thuật toán Độ phức tạp LDA O(m + n ) MDWCRA O(kn log n + δ n2 ) M-MDWCRA O(kn2 log n + δ n2 ) MDMF O(kn2 log n + knm2 + mn2 ) HRABDC O(m + 2n2 ) k, m, n, δ số cặp nguồn đích, số liên kết, số nút mạng, độ trễ yêu cầu Thông thường, số nút mạng, n < 50 4.2 Tăng cường khả tìm đường có trọng số nhỏ cho Dijkstra heuristic Phương pháp Dijkstra heuristic sử dụng mục enn nút mạng n để lưu vết thông tin trình tìm đường Tuy nhiên, mục thông tin cập nhật cách tham lam theo giá trị trọng số tích lũy lưu vết đường có trọng số nhỏ nút xét Vì vậy, Dijkstra heuristic không đảm bảo tìm đường 19 Thuật toán 4.1 Thuật toán Dijkstra heuristic tìm đường thỏa điều kiện độ trễ có trọng số nhỏ for nút n ∈ N dn = // độ trễ wn = ∞ // trọng số mn = NULL // nút trước end for ws = ds = // nút nguồn s end function function RELAX(Q, enn , l, o, δ , ldo_d ) new_w = wn + w(l) function HEURISTIC_DIJKSTRA(G, r) if new_w < wo then INIT(G) new_d = dn + d(l) Q = {enn |n ∈ N} // enn 25: if eno ∈ Q (new_d + mục nút n ldo_d ) ≤ δ then while Q = 0/ 26: wo = new_w tìm enn ∈ Q : wn = {w} 27: = new_d en∈Q 28: mo = n Q = Q − enn end if for liên kết lno từ nút n đến 29: 30: end if nút liền kề o RELAX(Q, enn , lno , o, δ , ldo_d31: ) end function 32: function G ET PATH (G) end for 33: if md = NULL then end while 34: trả đường dựa nút GETPATH(G) trước md end function 35: end if 36: trả NULL function INIT(G) 37: end function Input: Mạng G(N, L) Yêu cầu định tuyến r(s, d, β , δ ) Tập giá trị độ trễ thấp từ nút mạng đến nút đích ldn_d |n ∈ N Output: Đường thỏa điều kiện độ trễ NULL // đường 1: 2: 3: 4: 5: 6: 7: 8: 9: 10: 11: 12: 13: 14: 15: 16: 17: 18: 19: 20: 21: 22: 23: 24: trọng số nhỏ Với mong muốn tìm đường có trọng số nhỏ tốt, nghiên cứu sinh bổ sung vòng lặp cho phương pháp Dijkstra heuristic Mỗi lần lặp, thuật toán tìm đường thỏa điều kiện độ trễ từ nút nguồn đến nút đích Liên kết có trọng số lớn đường vừa tìm bị loại bỏ (tạm thời) khỏi sơ đồ mạng trước lặp lại kĩ thuật Dijkstra heuristic Quá trình lặp dừng lại không đường từ nguồn đến đích Đường có trọng số nhỏ tập hợp đường tìm sử dụng để đáp ứng yêu cầu 20 định tuyến Giải pháp gọi Dijkstra heuristic cải tiến sử dụng cải tiến cho thuật toán định tuyến đảm bảo băng thông độ trễ eHRABDC Thuật toán 4.2 Thuật toán Dijkstra heuristic cải tiến Input: Mạng G(N, L) Yêu cầu định tuyến r(s, d, β , δ ) Tập giá trị độ trễ thấp từ nút mạng đến nút đích ldn_d |n ∈ N Output: Đường thỏa điều kiện độ trễ NULL // đường 1: 2: 3: function ENHANCED_HEU_DIJ(G, r) Π = 0/ p = HEURISTIC_DIJKSTRA(G, r) 4: 5: 6: while p = NULL Thêm p vào Π Tạm thời bỏ liên kết max_l khỏi G : w(max_l) = max{w(l)} l∈p 7: 8: 9: 10: p = HEURISTIC_DIJKSTRA(G, r) end while if Π = 0/ then trả pi : w(pi ) = min{w(p)} p∈Π 11: 12: 13: end if trả NULL end function 4.3 Kết mô Hai thuật toán định tuyến đề xuất HRABDC eHRABDC so sánh, đánh giá với công trình liên quan LDA, MDWCRA, M-MDWCRA, MDMF Trong thử nghiệm định tuyến động, tỉ lệ chấp nhận yêu cầu thuật toán eHRABDC cao Đồng thời, HRABDC có kết chấp nhận yêu cầu định tuyến động cao M-MDWCRA, MDWCRA, LDA Ví dụ, hình 4.4 thể eHRABDC chấp nhận nhiều MDMF 0.4% yêu cầu thử nghiệm định tuyến động điều kiện tải cao (49.4% so với 49%) HRABDC có kết tỉ lệ thấp MDMF 0.1% cao MMDWCRA 0.3%, cao MDWCRA 0.7% Trong đó, LDA có tỉ lệ chấp nhận thấp 46.3% 21 Hình 4.4 So sánh tỉ lệ chấp nhận yêu cầu thử nghiệm định tuyến động, điều kiện tải cao, sơ đồ MIRA Mặt khác, hai thuật toán đề xuất có ưu vượt trội thời gian tính toán trung bình so với công trình liên quan Ví dụ thử nghiệm sơ đồ CESNET, thuật toán eHRABDC có kết thời gian cao HRABDC 2.5 lần (0.5 ms so với 0.19 ms - hình 4.8) thấp đáng kể so với thuật toán khác Cụ thể, kết thời gian MDMF 2.52 ms, cao eHRABDC lần, thời gian MDWCRA M-MDWCRA cao eHRABDC gần 40 lần Xem xét đến tiêu chí độ lệch chuẩn tải liên kết (hình 4.9), HRABDC có kết độ lệch chuẩn thấp 62.2%, eHRABDC 36.6% Hai thuật toán MDMF M-MDWCRA có độ lệch chuẩn tải liên kết 37.6%, kết LDA cao 40.6% 22 Hình 4.8 So sánh thời gian tính toán trung bình thử nghiệm định tuyến động, điều kiện tải cao, sơ đồ CESNET Hình 4.9 So sánh độ lệch chuẩn tải liên kết thử nghiệm định tuyến tĩnh, sơ đồ CESNET 23 4.4 Kết chương Chương trình bày hai đề xuất nghiên cứu sinh cho toán định tuyến đảm bảo băng thông độ trễ: HRABDC eHEABDC công bố hai công trình (CT6) (CT7) Kết thử nghiệm cho thấy HRABDC eHRABDC tỉ lệ chấp nhận yêu cầu cao, độ lệch chuẩn tải liên kết thấp mà đặc biệt có thời gian tính toán trung bình thấp so với công trình công bố Mã nguồn cài đặt thuật toán công bố địa https://github.com/caoth/BandwidthDelayAlgorithms KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Với mục tiêu giải toán định tuyến đảm bảo chất lượng dịch vụ, nghiên cứu sinh đạt kết quả, đóng góp thể luận án sau: Đề xuất thuật toán định tuyến đảm bảo băng thông BGHT sử dụng thời gian giữ băng thông yêu cầu định tuyến, với điều kiện thời gian biết Kết mô cho thấy BGHT có tỉ lệ chấp nhận yêu cầu cao hơn, thời gian tính toán trung bình thấp công trình liên quan Đề xuất thuật toán định tuyến TEARD sử dụng thông tin từ hệ thống mạng yêu cầu định tuyến nhận Thuật toán có tỉ lệ chấp nhận yêu cầu tốt thời gian tìm đường so sánh với công trình liên quan Đề xuất thuật toán định tuyến đảm bảo băng thông độ trễ HRABDC với phương pháp tính trọng số liên kết đơn giản kĩ thuật tìm đường Dijkstra heuristic nghiên cứu sinh cải tiến từ thuật toán Dijkstra cho toán tìm đường đảm bảo độ trễ HRABDC tỉ lệ chấp nhận yêu cầu tốt mà 24 có thời gian tính trung bình thấp nhiều so với công trình liên quan Đề xuất thuật toán định tuyến đảm bảo băng thông độ trễ eHRABDC bổ sung độ trễ vào công thức trọng số áp dụng Dijkstra tăng cường heuristic nhằm cố gắng tìm đường có trọng số nhỏ Thuật toán tìm đường có trọng số nhỏ HRABDC nhiều thử nghiệm có tỉ lệ chấp nhận yêu cầu cao Về thời gian tìm đường, kết eHRABDC cao HRABDC thấp thuật toán định tuyến liên quan khác Xây dựng chương trình mô để thử nghiệm, so sánh thuật toán định tuyến đảm bảo chất lượng dịch vụ Chương trình cài đặt với kiến trúc mở, dễ dàng cài đặt thêm thuật toán mở rộng yêu cầu chất lượng Toàn mã nguồn chương trình bao gồm thuật toán nghiên cứu sinh đề xuất thuật toán liên quan công bố mạng Internet Dựa kết đạt được, nghiên cứu sinh kiến nghị hướng phát triển bao gồm: • Triển khai thuật toán định tuyến đề xuất số thuật toán liên quan hệ thống mạng MPLS TE với máy chủ định tuyến giao thức đảm bảo yêu cầu toán Từ tiến hành thử nghiệm, đánh giá, so sánh hiệu định tuyến thuật toán hệ thống mạng thực tế • Giải toán multicast đảm bảo chất lượng dịch vụ với mục tiêu tìm đường cho yêu cầu định tuyến cho đáp ứng tối đa số yêu cầu nhận • Nghiên cứu chế bảo vệ phục hồi đường truyền hoạt động mạng máy tính áp dụng với thuật toán định tuyến đảm bảo chất lượng dịch vụ khác 25 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA NGHIÊN CỨU SINH (CT1) Cao Thai Phuong Thanh, Tran Cong Hung (2012), "Bandwidth guaranteed routing algorithms for traffic engineering: An application case on MPLS networks", Tạp chí Khoa học Công nghệ - Chuyên san công trình nghiên cứu điện tử, viễn thông, công nghệ thông tin (The Special Issue on Electronics, Communications, and Information of the Journal of Science and Technology) 50(2A), pp 75-86 (CT2) Cao Thai Phuong Thanh, Tran Cong Hung (2013), "A Study of Bandwidth Guaranteed Routing Algorithms for Traffic Engineering", Fourth International Conference on Computational Collective Intelligence Technologies and Applications, ICCCI 2012, Springer, Vietnam, pp 313-322 (CT3) Cao Thai Phuong Thanh, Ha Hai Nam, Tran Cong Hung (2013), "Low complexity bandwidth guaranteed routing algorithms using path holding time", Fifth International Conference of Soft Computing and Pattern Recognition, SoCPaR 2013, IEEE, Vietnam, pp 92 – 97 (CT4) Cao Thai Phuong Thanh, Ha Hai Nam, Tran Cong Hung (2014), "A Novel Traffic Engineering Routing Algorithm with Routing Data", First NAFOSTED Conference on Information and Computer Science, NICS 2014, Vietnam, pp 211 – 220 (CT5) Cao Thai Phuong Thanh, Ha Hai Nam, Tran Cong Hung (2014), "Solving Bandwidth-Guaranteed Routing Problem Using Routing Data", International Journal of Computer Networks & Communications 6(6), pp 97-108 (CT6) Cao Thai Phuong Thanh, Ha Hai Nam, Tran Cong Hung (2014), "A heuristic algorithm for bandwidth delay constrained routing" 26 The 2014 International Conference on Advanced Technologies for Communications, ATC 2014, IEEE, Vietnam, pp 99 - 104 (CT7) Cao Thai Phuong Thanh, Ha Hai Nam, Tran Cong Hung (2014), "Một cách tiếp cận heuristic cho toán định tuyến đảm bảo băng thông độ trễ", Tạp chí Khoa học Công nghệ - Chuyên san công trình nghiên cứu điện tử, viễn thông, công nghệ thông tin (The Special Issue on Electronics, Communications, and Information of the Journal of Science and Technology) 52(6C), pp 84-99 ... đề định tuyến lĩnh vực mạng máy tính truyền liệu Luận án giải toán định tuyến unicast đảm bảo băng thông định tuyến đảm bảo băng thông, độ trễ 6 CHƯƠNG BÀI TOÁN ĐỊNH TUYẾN UNICAST ĐẢM BẢO BĂNG... https://github.com/caoth/BandwidthAlgorithms CHƯƠNG THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN ĐẢM BẢO BĂNG THÔNG VÀ ĐỘ TRỄ 4.1 HRABDC: Thuật toán heuristic đảm bảo băng thông độ trễ Trong toán định tuyến đảm bảo băng thông độ trễ, yêu cầu r(s, d, β... tuyến unicast đảm bảo băng thông định tuyến unicast đảm bảo băng thông độ trễ Định tuyến unicast lựa chọn nghiên cứu loại định tuyến bản, sử dụng nhiều Ngoài ra, băng thông độ trễ hai điều kiện