Thuật toán metaheuristic giải bài toán định tuyến tối ưu trong mạng máy tính

LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, cho em gửi lời cảm ơn đến toàn thể thầy cô giáo trường Đại học Bách Khoa Hà Nội nói chung thầy cô Viện Công nghệ thông tin Truyền thông Bộ môn Khoa học máy tính nói riêng Trong năm học vừa qua, em thầy cô dạy cung cấp kiến thức quý báu chuyên môn đạo đức Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn thầy, PGS.TS Nguyễn Đức Nghĩa, người trực tiếp hướng dẫn, cung cấp tài liệu định hướng, bảo tận tình suốt trình em làm luận văn tốt nghiệp Trong trình thầy giảng dạy hoàn thành luận văn hướng dẫn thầy, em học tinh thần làm việc nghiêm túc, miệt mài, cách nghiên cứu khoa học hiệu quả, tư cách liêm chính, nghiêm minh Đó hành trang, định hướng trình làm việc em sau Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình bạn bè, người chỗ dựa tinh thần, chăm sóc, động viên, khuyến khích, giúp đỡ suốt trình học tập nghiên cứu để hoàn thành luận văn tốt nghiệp Hà Nội, ngày 16, tháng 9, năm 2014 Học viên : Nguyễn Thị Hiền Lớp : Công Nghệ Thông Tin – 2012B Viện : Công nghệ thông tin Truyền thông Trường : Đại học Bách khoa Hà Nội MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .1 MỤC LỤC DANH MỤC THUẬT NGỮ TIẾNG ANH DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 10 BÀI TOÁN ĐỊNH TUYẾN TỐI ƯU TRONG MẠNG MÁY TÍNH 10 1.1 Khái niệm .10 1.1.1 Trường hợp đơn đích .10 1.1.2 Trường hợp đa đích 12 1.2 Các hàm mục tiêu cần tối ưu hóa 13 1.2.1 Đếm số bước nhảy (Hop) .13 1.2.2 Độ trễ 18 1.2.3 Chi phí .23 1.2.4 Tiêu thụ băng thông 25 1.2.5 Tỷ lệ gói tin 30 1.2.6 Xác suất chặn 32 1.2.7 Tận dụng tối đa liên kết 34 1.2.8 Hàm số truyền tin đa đích khác .37 1.3 Ràng buộc .39 1.3.1 Truyền tin đơn đích 39 1.3.2 Truyền tin đa đích 41 1.4 Hàm số ràng buộc 43 1.4.1 Truyền tin đơn đích 43 1.4.2 Truyền tin đa đích 44 CHƯƠNG 47 BÀI TOÁN ĐỊNH TUYẾN TỐI ƯU ĐƠN ĐÍCH VÀ CÁC HƯỚNG TIẾP CẬN PHÁT TRIỂN THUẬT TOÁN GIẢI .47 2.1 Truyền tin đơn đích sử dụng hàm đếm bước nhảy độ trễ 47 2.1.1 Tổng trọng số 47 2.1.2 Ràng buộc -ε 49 2.1.3 Trọng số Metrics 51 2.1.4 Phương pháp Benso 54 2.2 Truyền tin đơn đích sử dụng hàm đếm số bước nhảy, hàm trễ hàm tiêu thụ băng thông .55 2.3 Truyền tin đơn đích sử dụng hàm đếm bước nhảy, hàm trễ, hàm tiêu thụ băng thông hàm tận dụng tối đa liên kết 59 2.4 Bài toán định tuyến tối ưu hóa đa mục tiêu đơn đích 62 2.4.1 Giới thiệu 62 2.4.2 Phát biểu toán 63 2.5 Giải thuật di truyền - GA .65 2.5.1 Lịch sử phát triển giải thuật di truyền 65 2.5.2 Các khái niệm .67 CHƯƠNG 81 GIẢI THUẬT DI TRUYỀN GIẢI BÀI TOÁN ĐỊNH TUYẾN ĐƠN ĐÍCH TỐI ƯU VỚI MỤC TIÊU GỘP .81 3.1 Mô tả toán 81 3.2 Sơ đồ thuật toán giải thuật di truyền .83 3.3 Chi tiết hoá bước giải thuật 84 3.3.1 Mã hóa .84 3.3.2 Hàm đánh giá độ tốt nhiễm sắc thể .85 3.3.3 Khởi tạo quần thể ban đầu 85 3.3.4 Lựa chọn bố mẹ đem lai ghép 86 3.3.5 Lai ghép hai cá thể bố mẹ 87 3.3.6 Toán tử đột biến .88 3.3.7 Thay .88 CHƯƠNG 89 CÀI ĐẶT VÀ THỰC NGHIỆM .89 4.1 Mô tả cài đặt 89 4.1.1 Các biến 89 4.1.2 Thủ tục nhập liệu 89 4.1.3 Khởi tạo quần thể ban đầu 89 4.1.4 Chọn lọc 90 4.1.5 Lai ghép .91 4.1.6 Đột biến .96 4.1.7 Thủ tục di truyền .97 4.2 Mô tả liệu thực nghiệm 98 4.2.1 Dữ liệu có sẵn 99 4.2.2 Dữ liệu tạo ngẫu nhiên 99 4.3 Kết thực nghiệm .100 4.4 Hướng dẫn sử dụng chương trình 103 KẾT LUẬN .105 TÀI LIỆU THAM KHẢO .106 DANH MỤC THUẬT NGỮTIẾNG ANH TT Tiếng Anh Tiếng Việt Trang Unicast case Trường hợp đơn đích Multicast case Trường hợp đa đích Optimization Function Hàm tối ưu hóa Unicast Transmission Truyền tin đơn đích Distance Vector Multicast Routing Giao thức hướng lộ đa đích sử Protocol dụng Vec tơ khoảng cách Weighted Sum Tổng có trọng số 38 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình Tối ưu hóa mạng máy tính tuyền tin đơn đích 11 Hình Hàm đếm bước nhảy truyền tin đơn đích 14 Hình Hàm đếm bước nhảy truyền tin đa đích 16 Hình Giải pháp 16 Hình Giải pháp thứ hai 16 Hình Giải pháp thứ ba 17 Hình Giải pháp thứ tư 17 Hình Hàm trễ 19 Hình 10 Hàm trễ truyền tin đa đích 21 Hình 11 Giải pháp 22 Hình 12 Giải pháp thứ 22 Hình 13 Giải pháp thứ ba 22 Hình 14 Giải pháp thứ tư 23 Hình 15 Hàm chi phí 24 Hình 16 Hàm tiêu thụ băng thông 26 Hình 17 Hàm tiêu thụ băng thông truyền tin đa đích 28 Hình 18 Hàm tỷ lệ gói tin 31 Hình 19 Hàm số tận dụng tối đa liên kết 34 Hình 20 Kênh truyền tin 36 Hình 21 Ràng buộc truyền tin đơn đích 41 Hình 22 Ràng buộc truyền tin đa đích 42 Hình 23 Ví dụ 47 Hình 24 Giá trị tối ưu tối ưu hóa đa mục tiêu 48 Hình 1.25 Ví dụ mạng máy tính 56 Hình 26 Sơ đồ giải thuật di truyền 70 Hình 27 Đại diện cho cá thể 84 Hình 28 Ví dụ minh họa đồ thị có trọng số 85 Hình 29 Ví dụ minh hoạ khởi tạo quần thể 86 Hình 30 Ví dụ minh họa lai ghép đơn điểm cắt 87 Hình 31 Ví dụ minh họa đột biến nhiễm sắc thể 88 Hình 32 kết chạy số liệu chuẩn 13node 101 Hình 33 kết chạy số liệu ngẫu nhiên 100node 102 Hình 34 kết chạy số liệu ngẫu nhiên 500node 103 Hình 35 Form chọn đầu vào liệu 103 Hình 36 Giao diện chương trình 104 DANH MỤC BẢNG Bảng Tóm tắt thông số sử dụng cho trường hợp truyền tin đơn đích 11 Hình Tối ưu hóa mạng máy tính truyền tin đa đích 12 Bảng Các tham số sử dụng cho trường hợp truyền tin đa đích 13 Bảng Hàm mục tiêu đơn đích 43 Bảng Hàm mục tiêu đa đích 44 Bảng Các giải pháp tổng trọng số 49 Bảng Giải pháp ràng buộc - ε 50 Bảng Giải pháp ràng buộc - ε 51 Bảng Giải pháp trọng số Metrics với r=2 r=∞ 53 Bảng Giải pháp Benso 54 Bảng 16 Giải pháp cho ví dụ 56 Bảng 17 Giải pháp cho ví dụ 57 Bảng 18 Giải pháp cho ví dụ 57 Bảng 19 Giải pháp cho ví dụ 58 Bảng 20 Giải pháp cho giá trị khác ri 61 LỜI NÓI ĐẦU Ngày mạng Internet yêu cầu tất yếu công việc hàng ngày Internet phát triển ngày mạnh, lượng người truy cập tăng, yêu cầu định tuyến phải tin cậy, tốc độ chuyển mạch nhanh không gây lặp dự liệu mạng Quá trình tối ưu cần đưa giải pháp nhằm đáp ứng tốt nhu cầu truyền thông trình chọn lọc tuyến đường nhằm tìm tuyến đường tối ưu Đối với mạng lớn thuật toán định tuyến tối ưu toán khó Vì việc thiết kế mạng với hiệu đường truyền tốt vấn đề có ý nghĩa lý thuyết ứng dụng thực tế quan trọng Bài toán định tuyến tối ưu mạng máy tính yêu cầu tìm tuyến đường tối ưu từ nút nguồn đến nút đích thỏa mãn số ràng buộc đưa Bài toán định tuyến tối ưu mạng máy tínhlà toán thuộc lớp toán NP – khó tìm lời giải tối ưu thuật toán metaheuristic cách tiếp cận để giải vấn đề đặt Trong năm gần đây, phương pháp tiếp cận di truyền thu hút nhiều ý lĩnh vực nghiên cứu khác có khoa học máy tính Phương pháp có nhiều đặc điểm trội không đòi hỏi tri thức, tránh tối ưu cục bộ, thực tốt với toán có không gian lời giải lớn áp dụng cho nhiều loại toán tối ưu khác Trên giới nay, giải thuật di truyền kết hợp với tin học ứng dụng để giải toán tối ưu cách hiệu Mục tiêu luận văn sở tìm hiểu kiến thức tổng quan thuật toán metaheuristic giải thuật giải thuật di truyền, tập trung xây dựng giải thuật di truyền để giải toán định tuyến tối ưu mạng máy tính Luận văn bao gồm chương Chương trình bày số kiến thức sở liên quan đến toán định tuyến tối ưu mạng máy tính Chương giới thiệu toán tối ưu hóa việc định tuyến đơn đích tổng quan giải thuật di truyền: lịch sử đời, bước giải thuật số chiến lược thực Chương trình bày toánđịnh tuyến đơn đích tối ưu với hàm mục tiêugộp đề xuất, phân tích số chiến lược thực phép toán sinh quần thể, lai ghép, đột biến… áp dụng giải thuật di truyền giải toán đặt ra.Chương mô tả cài đặt thực nghiệm theo thuật toán đề xuất Phần kết luận ghi nhận kết tiếp thu trình làm luận văn CHƯƠNG BÀI TOÁN ĐỊNH TUYẾN TỐI ƯU TRONG MẠNG MÁY TÍNH Chương trình bày khái niệm mạng truyền tin đơn đích mạng truyền tin đa đích; sốhàm để tối ưu hóa mạng truyền tin: đếm số bước nhảy, độ trễ, chi phí, tiêu thụ băng thông, tỷ lệ luồng tin, xác suất chặn, tận dụng tối đa liên kết, số chức truyền tin khác Để giải pháp tối ưu hóa mạng máy tính có tính khả thi phải có số ràng buộc nêu số ràng buộc hàm tối ưu hóa 1.1 Khái niệm 1.1.1 Trường hợpđơn đích Để giải vấn đề tối ưu hóa mạng máy tính, cần định nghĩa biến xác định đường mà theo thông tin truyền tải Định nghĩa biến vec tơ sau: X ={ tf ij dòng tin f qua (i,j) dòng tin f không qua Điều có nghĩa biến Xijnhận giá trị liên kết (i, j) dùng để truyền tảiluồng tin, ngược lại giá trị củaXij Trong hình 4.1 có hai đường đi từ nút nguồn đến nút đích Đường thông qua liên kết (1,2) (2,5) Đường thứ hai thông qua liên kết (1,3), (3,4), (4,5) Giả sử đường ((1,2), (2,5)) chọn đường để truyền tảiluồng tinf1, 1 X 12 =1 X 25 =1 Do liên kết (1,3), (3,4), (4,5) không sử dụng, giá trị biến liên quan đếnnhững liên kết 10 public static void crossover(int p1, int p2){ int i,j; int MedianNC[]=new int[nummedian*2+2]; //lưu median không //chung cha mẹ int MedianC[]=new int[nummedian+1]; // lưu median chung //cha mẹ int numNC=0;int one1=0; for (i=1;i