Nghiên cứu phương pháp thiết kế tối ưu mạng dựa trên mô hình mạng đa lớp (tt)

Trong luận văn này sẽ trình bày về một số phương pháp và giải thuật mô hình hóa toán học có thể ứng dụng để thiết kế mạng, sau đó đi sâu vào phân tích và giải bài toán thiết kế tối ưu mạ

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Tiến Ban

Phản biện 1: PGS TS Trương Vũ Bằng Giang

Phản biện 2: TS Đặng Hoài Bắc

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Vào lúc: 09 giờ 30 ngày 09 tháng 08 năm 2014

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

MỞ ĐẦU

Mạng viễn thông đang ngày càng đóng vai trò thiết yếu trong mọi lĩnh vực hoạt động của toàn xã hội Việc gia tăng số lượng người sử dụng, cũng như lưu lượng sử dụng mạng qua internet tăng trưởng đột biến Các nhà cung cấp dịch vụ liên tục nâng cấp mạng để đáp ứng yêu cầu về băng thông và dịch vụ Chính vì vậy, việc vận hành, thiết kế mạng cũng như ứng dụng viễn thông luôn được đặt lên hàng đầu

Đi kèm với việc phát triển nhu cầu sử dụng viễn thông thì việc xây dựng và phát triển mạng viễn thông cũng như áp dụng các công nghệ viễn thông mới là vô cùng cấp thiết Nó giúp cho các nhà khai thác giảm tải tối đa tài nguyên mạng, tránh tình trạng lỗi hệ thống cũng như tiết kiệm chi phí khi đưa vào khai thác sử dụng, việc đưa vào khai thác vận hàng các công nghệ mới là rất cần thiết Ngoài ra, khi thiết kế và xây dựng mạng viễn thông là vô cùng quan trọng, đây là tiền đề để phát triển mạng viễn thông sau này

Việc thiết kế và tối ưu mạng đã mang lại rất nhiều lợi ích ban đầu cũng như sau này Với sự tính toán ban đầu, quá trình hoạt động luôn được tối ưu, giảm thiểu rủi ro mất kết nối

do không chọn được tuyến và nâng cao hiệu quả dự phòng bảo vệ tính toán từ khâu thiết kế mạng

Trong luận văn này sẽ trình bày về một số phương pháp và giải thuật mô hình hóa toán học có thể ứng dụng để thiết kế mạng, sau đó đi sâu vào phân tích và giải bài toán thiết

kế tối ưu mạng dựa trên mô hình mạng đa lớp (Multi-Layer Network)

Nội dung của luận văn được chia thành 3 chương với các nội dung như sau:

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về mạng viễn thông và vấn đề tối ưu hóa mạng, đặt

ra bài toán cũng như là giới thiệu những khái niệm mang tính tiền đề và cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo

Chương 2: Trình bày về những vấn đề kĩ thuật cơ bản trong tối ưu hóa mạng viễn thông và đặc biệt là tối ưu mạng đa lớp Với mỗi vấn đề sẽ đưa ra ra mô tả các yêu cầu tối

ưu, các bước xây dựng bài toán và thảo luận về phương pháp giải bài toán

Chương 3: Đưa ra phương pháp thiết kế tối ưu mạng dựa trên mô hình mạng đa lớp, xây dựng bài toán phù hợp và nghiên cứu các phương pháp cũng như giải thuật để giải quyết từng vấn đề

Cuối cùng, tôi xin được bày tỏ lòng cảm ơn chân thành tới thầy giáo, PGS TS Nguyễn Tiến Ban đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài Tôi cũng xin được gửi lời cảm ơn tới các thầy giáo trong Học viện Công nghệ Bưu chính viễn thông cùng các bạn học đã giúp đã cho tôi hoàn thành bản luận văn này

Chương 1- TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ VÀ TỐI ƯU MẠNG 1.1 Tổng quan về mạng viễn thông

Trong mạng điện thoại cũng như Internet, topology hay cấu trúc kết nối các nút mạng

có ảnh hưởng lớn đến hoạt động của mạng Cấu trúc điển hình của mạng điện thoại và Internet thể hiện trên Hình 1.1 và Hình 1.2

Tổng đài nội hạt

Người sử dụng

Tổng đài chuyển tiếp Tổng đài chuyển tiếp

Tổng đài nội hạt Tổng đài nội hạt

Tổng đài nội hạt

Người sử dụng

Hình 1.1 Cấu trúc mạng điện thoại

Trong khuôn khổ luận văn này chỉ đề cập đến phần giữa là mạng lõi hay còn gọi là mạng xương sống, bao gồm các bộ định tuyến hay thiết bị chuyển mạch kết nối với nhau Lưu lượng đến (ingress traffic) được coi là lưu lượng đi vào mạng lõi, còn lưu lượng đi (egress traffic) là lưu lượng ra khỏi mạng lõi này

nhau để đến đích Chúng ta cần có đủ băng thông trên mạng để truyền lưu lượng, đồng thời giảm tỷ lệ từ chối cuộc gọi hoặc giảm độ trễ trung bình truyền gói dữ liệu trên mạng

Trên Hình 1.1 đã chỉ ra mô hình kiến trúc tổng quan của mạng điện thoại Điểm quan trọng cần chú ý ở đây là một cuộc gọi có thể được hỗ trợ bởi nhiều nhà cung cấp mạng (hay còn gọi là nhà khai thác mạng) trên những phân đoạn khác nhau của cuộc gọi Việc xử lý kết nối cuộc gọi trong mạng điện thoại sử dụng phương thức chuyển mạch kênh, trong đó một kênh riêng biệt được thiết lập cho mỗi cuộc gọi

Đối với mạng Internet toàn cầu (Hình 1.2), khi có yêu cầu trao đổi thông tin (ví dụ dịch vụ web) từ người sử dụng này đến người sử dụng khác, thì thông tin sẽ được truyền đi bởi nhiều nhà cung cấp mạng khác nhau (thông thường thì là các nhà cung cấp dịch vụ Internet – ISP) Về mặt kỹ thuật thì mạng của mỗi nhà cung cấp dịch vụ là một hệ thống tự trị riêng (Autonomous System – AS) Tương tự như trường hợp chuyển tiếp cuộc gọi điện thoại, các nhà cung cấp ở các phân đoạn mạng khác nhau cũng thực hiện việc truyền lưu lượng dữ liệu để hoàn thành việc chuyển yêu cầu web qua mạng Các gói dữ liệu được tạo

ra để đáp ứng yêu cầu này sẽ đi theo một hành trình ngược lại để đến nơi đã gửi đi yêu cầu Trong cả hai hướng, hình thức chuyển mạch gói được sử dụng để định tuyến các gói dữ liệu qua mạng

1.2 Tối ưu hóa và và phương pháp xây dựng bài toán tối ưu

1.2.1 Khái niệm tối ưu

Tối ưu dùng để chỉ mức độ khả dĩ đạt tới cao nhất của mục tiêu do một chủ thể đề ra

và được xem xét trong những điều kiện nhất định

Tối ưu hóa là quá trình đi đến cái tốt nhất, là sự vận động từ chưa tốt đến tốt hơn, từ tốt hơn đến tốt nhất Phương pháp tối ưu hóa là các biện pháp, các thuật toán,… nhằm đi

đến điểm tối ưu Phương pháp tối ưu hóa là công cụ của tối ưu hóa Do tính đa dạng và phức tạp của các vấn đề tối ưu hóa trong thực tế, không tồn tại một phương pháp vạn năng hữu hiệu để giải quyết vấn đề tìm lời giải trong mọi trường hợp

1.2.2 Mô tả toán học vấn đề tối ưu hóa

Về mặt toán học, vấn đề tối ưu hóa thực chất là vấn đi tìm điểm cực trị của một hàm

số diễn tả mục tiêu cần đạt tới Các vấn đề tối ưu hóa trong thực tế rất đa dạng và phong phú, song chúng đều có thể qui về một dạng tổng quát

Ví dụ: Ký hiệu n

xR là véc tơ n chiều chứa các biến tự do Cho f(x), ( ) h x với i= 1, i 2,3,…,p và g j( )x với j= 1,2,…q là các hàm vô hướng phụ thuộc x Tìm giá trị cực tiểu của f(x) với điều kiện ( ) h x i 0 và g j( )x =0

Hàm f(x) gọi là hàm mục tiêu, tùy theo từng lĩnh vực cụ thể mà biến x có tên gọi khác nhau Trong lý thuyết quyết định x được gọi là biến quyết định Trong thiết kế tối ưu x được gọi là véc tơ tham số thiết kế Trong lý thuyết hệ thống tối ưu x được gọi là biến trạng thái Điều kiện ( )h x i  0 gọi là điều kiện ràng buộc dạng bất đẳng thức, điều kiện g j( )x =0 gọi là điều kiện ràng buộc dạng đẳng thức

Vấn đề tối ưu hóa dạng chuẩn có thể phát biểu ngắn gọn như sau:

Cực tiểu f(x) với điều kiện ( ) h x i 0, i= 1, 2,3,…,p; g j( )x =0, j= 1,2,…q; xR n

Như đã biết, với mọi hàm f(x) ta có maxf x( )minf x( )nên vấn đề cực đại hóa luôn luôn có thể chuyển về vấn đề cực tiểu hóa Tương tự, điều kiện ( )h x i  0có thể chuyển thành ( ) 0

i

h x

  nên trong bài toán chuẩn hóa không chứa điều kiện ( ) h x i  0 Cần lưu ý rằng, các điều kiện ràng buộc trên không nhất thiết xuất hiện tất cả trong một bài toán

1.2.3 Xây dựng bài toán tối ưu hóa trong viễn thông

Xây dựng bài toán tối ưu là một bước rất quan trọng của tối ưu hóa Khi xây dựng bài toán tối ưu cho các ứng dụng thực tế cần chú ý những điểm sau đây:

- Xác định đúng và đầy đủ các mục tiêu cần tối ưu, mức độ quan trọng của từng mục tiêu và các giải pháp thỏa hiệp khi các mục tiêu đề ra có tính đối nghịch Ví dụ: đối với mạng viễn thông ATM, mục tiêu cực tiểu hóa xác suất mất tế bào và cực tiểu hóa thời gian trễ tế bào là hai mục tiêu rất quan trọng nhưng lại đối nghịch nhau

- Mô tả mục tiêu đã chọn dưới dạng biểu thức toán học trong đó thể hiện rõ mối quan

hệ giữa mục tiêu và các đại lượng đặc trưng có thể thay đổi để tác động vào mục tiêu Cần phải hiểu rõ bản chất tự nhiên và miền xác định giá trị của các đại lượng đặc trưng này

- Xác định các điều kiện tác động đến mục tiêu Các điều kiện này chỉ bảo hàm những đại lượng đặc trưng đã chọn khi mô tả mục tiêu

- Mô tả các điều kiện có được dưới dạng toán học (Các đẳng thức hoặc bất đẳng thức) Các đẳng thức và bất đẳng thức mô tả điều kiện ràng buộc phải lập thành một hệ thống không có tính mẫu thuẫn

1.3 Kỹ thuật lưu lượng, định tuyến trong thiết kế và tối ưu mạng

1.3.1 Kỹ thuật lưu lượng

Kỹ thuật lưu lượng trong mạng viễn thông

Kỹ thuật lưu lượng là một phương pháp để tối ưu hiệu năng mạng Trong RFC3272

định nghĩa: “Kỹ thuật lưu lượng là kỹ thuật sử dụng các nguyên lý khoa học và công nghệ

để đo lường, đặc tính hóa, mô hình hóa và điều khiển lưu lượng trong internet” Như vậy,

đây là một kỹ thuật làm tăng hiệu năng hệ thống mạng Mục đích là thực thi hỗ trợ chất lượng dịch vụ với số lượng tài nguyên mạng là nhỏ nhất ví dụ như băng thông, CPU, bộ đệm Kỹ thuật lưu lượng sử dụng một hệ thống có khả năng phân tích trạng thái mạng, dự đoán trạng thái mạng và hiệu năng có thể có của một mạng để thực hiện tối ưu mạng

1.3.2 Kỹ thuật định tuyến

Khái niệm: Khi có lưu lượng từ một điểm này đến một điểm khác trong mạng, chúng

ta có thể nghĩ đến khả năng thiết lập một liên kết trực tiếp với độ dài mang tính kinh tế và

đảm bảo khả khi về truyền tải lưu lượng

1.3.3 Các phương pháp tối ưu trong định tuyến

1.3.3.1 Tối ưu theo mô hình lưu lượng nhiều thành phần (MF)

1.3.3.2 Định tuyến tối ưu theo lợi ích

1.4 Kết luận Chương 1

Tối ưu hóa mạng viễn thông có một ý nghĩa rất quan trọng trong cả việc thiết kế và vận hành, khai thác mạng nhằm đảm bảo tiết kiệm nguồn tài nguyên mạng, giảm chi phí, nâng cao chất lượng và các dịch vụ Có nhiều biện pháp kỹ thuật để tối ưu hóa mạng viễn thông đã được đưa ra như bài toán luồng trên mạng, vấn đề định cỡ, hay các phương pháp định tuyến tối ưu, Các bài toán đưa ra có những mức độ khó và phức tạp khác nhau Bài toán luồng trên mạng đa nhu cầu thường là bài toán quy hoạch tuyến tính, với hàm mục tiêu

là tuyến tính và cho phép các luồng chia nhánh như là các biến độc lập Hầu hết các bài toán qui hoạch tuyến tính này đều có thể giải được bằng phương pháp đơn hình Một số bài toán như định cỡ, do có cấu trúc đặc biệt nên có thể có những giải thuật hiệu quả hơn để giải quyết, chẳng hạn như nguyên tắc định luồng theo đường ngắn nhất

Việc thiết tối ưu hóa mạng dựa trên mô hình mạng đa lớp là hết sức quan trọng trong tối ưu hóa mạng viễn thông, đặc biệt là trong thiết kế mạng Nội dung cụ thể sẽ được trình bày chi tiết ở các phần tiếp theo

Chương 2- BÀI TOÁN MÔ HÌNH HÓA VÀ TỐI ƯU MẠNG ĐA LỚP 2.1 Mạng đa lớp và thiết kế mạng với kiến trúc đa lớp

Kiến trúc mạng đa lớp và mối liên quan giữa các lớp có thể được minh họa thông qua một ví dụ đơn giản như sau Xét một môi trường mạng IP có 4 nút ở bên trong một miền quản trị Với mạng này, chúng ta có 4 bộ định tuyến được kết nối như trên Hình 2.1

d f

Mạng lưu lượng

b

c d

Liên kết truyền dẫn quang

Mạng truyền tải vật lý

Chuyển mạch truyền tải

Chuyển mạch lưu lượng

Kết nối truyền tải

Hình 2.1 Mạng lưu lượng và mạng truyền tải

Các liên kết (hay trung kế) có khả năng truyền lưu lượng với nhiều loại dung lượng liên kết khác nhau như là E1, STM-1, … Chú ý rằng các liên kết trong mạng lưu lượng (trong trường hợp này là mạng IP) hoàn toàn chỉ mang tính logic

Có thể thấy rằng, các mạng lưới dịch vụ có thể khác nhau, ví dụ như: thoại, dữ liệu, Trong đó, những lớp mạng có thể được xếp chồng lên nhau trong một kiến trúc mạng vật

lý Trong Hình 2.2 mô tả về mô hình khung kiến trúc chức năng các lớp mạng Ta có thể thấy một dịch vụ ứng dụng (hoặc lưu lượng truy cập) lớp mạng (ví dụ như dịch vụ điện

thoại hay Internet), đòi hỏi khả năng xử lý hợp lý trong lớp vân chuyển đầu tiên các dơn vị như T1, T3, hoặc OC-3, lần lượt sử dụng một lớp mạng quang học và cuối cùng là sử dụng các lớp truyền dẫn Trong kiến trúc mạng, xét một ví dụ đơn giản về một địa chỉ IP hoặc mạng điện thoại tại các lớp trên; lúc này tại lớp đầu tiên được sử dụng như mạng lưới lưu lượng còn tại các lớp sau sử dụng một mạng quang học để truyền dẫn

Mạng IP

Kết nối chéo

Chuyển mạch bằng giọng nói

Mạng lưới truyền tải

Hình 2.2 Mô hình khung kiến trúc chức năng

Như vậy, có thể thấy được lợi ích to lớn mà mạng đa lớp mang lại:

- Mang lại hiệu suất cao hơn (tạo ra băng thông rộng khi cần thiết)

- Tiết kiệm chi phí (tại các lớp dưới thì băng thông rẻ hơn, ví dụ: thông qua bộ định tuyến)

- Tăng tính linh hoạt trong dịch vụ và mạng

- Đảm bảo cho dịch vụ tốt hơn (sử dụng công nghệ lưu lượng giúp giải quyết tốt hơn những hạn chế xảy ra trong quá trình vận hành và khai thác: SDH, WDM,…) [6]

2.2 Mô hình mạng đa lớp

Các nguồn tài nguyên (liên kết và các nút) của mạng truyền thông và máy tính được cấu hình trong nhiều lớp mạng, tạo thành một cấu trúc phân cấp với mỗi lớp là một mạng tích hợp riêng Các liên kết của một lớp trên được hình thành bằng cách sử dụng đường dẫn của lớp thấp hơn, và mô hình này lặp đi lặp lại trong một hệ thống phân cấp các nguồn tài

nguyên Ví dụ, trong một mạng điện thoại công cộng chuyển mạch có một lớp của các nhóm trung kế và các nhóm trung kế được truyền tải bằng cách cấu hình trong các lớp cơ sở Các liên kết kỹ thuật số trong lớp cơ sở được hình thành trong lớp quang học, cho đến khi các liên kết cuối cùng được hình thành trong các lớp Tương tự như vậy, các mạng IP có thể được cung cấp qua giao thức ATM, đa giao thức chuyển mạch nhãn (MPLS), SDH, hoặc WDM Trong thực tế, chúng ta có thể có nhiều hơn hai lớp mạng, ví dụ: trong trường hợp IP qua ATM qua mạng SDH

Xét ví dụ mô tả mạng trong Hình 2.3 Mạng lưới bao gồm hai lớp tài nguyên (Lớp 1: lớp thiết bị, lớp 2: lớp dung lượng ảo) và bổ sung, lớp phụ (lớp 3: lớp nhu cầu) được sử dụng chỉ để xác định nhu cầu Như vậy có hai lớp tài nguyên cộng với một lớp phụ trợ cho

ba lớp nhu cầu này có thể được coi như mạng hai lớp bao gồm một lớp tài nguyên (thấp hơn, lớp tài nguyên) và một lớp nhu cầu (phía trên, lớp yêu cầu) Trong trường hợp ở đây, các liên kết được hình thành trong hai lớp tài nguyên thấp hơn, đó là một phần mở rộng của cấu trúc một lớp mạng nguồn Đối với mỗi nhu cầu d thì khối lượng nhu cầu của nó h d

được di chuyển trong các dòng trong lớp 2 Các yêu cầu có thể được tiếp tục thực hiện trong các liên kết của lớp 3 vì vậy có thể nói rằng khả năng h dcủa mỗi liên kết d của lớp 3 được

thực hiện bằng phương tiện của các dòng x trong lớp 2 Nếu tổng hợp các dòng qua mỗi liên kết e của lớp 2 sau đó tải kết quả xác định khả năng liên kết véc tơ y trong các lớp, các bước tiếp theo diễn ra tương tự Dung lượng của mỗi liên kết e trong lớp 2 được đi chuyển theo dòng trong lớp 1 và trong lớp 1 thì mỗi liên kết z xác định tải trọng của mỗi liên kết g

Kết quả cuối cùng của cấu hình mạng được xác định là kết quả dung lượng hoạt động trong các liên kết của lớp 1 Đối với các nút trong các lớp khác nhau, giả định rằng mối quan hệ như sau: Nếu một nút xuất hiện trong một lớp trên, sau đó nó sẽ tự động xuất hiện xuống trong hệ thống phân cấp các lớp dưới Lợi thế của việc giả định này là nó đơn giản hóa mô hình

Giả sử số nút và số liên kết như quy định trong Hình 2.4A và 2.4B Trong đó số nút

đi xuống các lớp là như nhau Khối lượng nhu cầu (năng lực của lớp 3) và các liên kết trong lớp 1 được giả định

4 3

2 1

6

Lớp 3: lớp nhu cầu

Lớp 2: lớp công suất ảo

2.3 Các vấn đề kỹ thuật trong thiết kế tối ƣu mạng đa lớp

2.3.1 Bài toán luồng trên mạng

2.3.1.1 Đặt vấn đề

2.3.1.2 Xây dựng bài toán

2.3.2 Vấn đề định cỡ

2.3.2.1 Đặt vấn đề

2.3.2.2 Xây dựng bài toán

2.3.3 Nguyên lí định tuyến đường đi ngắn nhất

Một cách tổng quát, bài toán xác định đường đơn (single) ngắn nhất có thể được phát biểu như sau:

Đối với các dung lượng liên kếtc và khối lượng nhu cầu h (h  ( ,h h1 2, ,h D)) đã cho, tìm một hệ thống trọng số liên kết  sao cho kết quả xác định các đường ngắn nhất là duy nhất và véctơ định luồng x( )  là phù hợp, nghĩa là x( )  phải thoả mãn (2.5)

Nhìn chung đây là một bài toán phức tạp Có 3 lý do chính gây nên sự phức tạp của

2.3.4 Nguyên lí cân bằng trong tối ưu mạng

Tiêu chí cân bằng tốt nhất là MMF (Max-Min Fairness) Trong trường hợp nhu cầu thuần túy mềm dẻo không có giới hạn, bước đầu tiên để đạt được giải pháp MMF là gán cùng một khối lượng cho tất cả các nhu cầu, đảm bảo rằng giá trị gán tối thiểu này là lớn nhất có thể Sau đó, nếu còn thừa dung lượng thì lại tiếp tục tăng khối lượng cho những nhu cầu có thể tăng được, và cực đại hóa giá trị gán tối thiểu lần hai

Giải pháp MMF là cân bằng từ quan điểm của người sử dụng Từ một góc độ khác, nếu tối ưu hóa tổng thông lượng trong mạng, chúng ta có thể nhận được một lời giải khác