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

AQ`11 + HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THƠNG - ĐỒNG HOÀNG VŨ NGHIÊN CỨU PHƢƠNG PHÁP THIẾT KẾ TỐI ƢU MẠNG DỰA TRÊN MƠ HÌNH MẠNG ĐA LỚP CHUN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THƠNG MÃ SỐ: 60.52.02.08 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – NĂM 2014 Luận văn hoàn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THƠNG 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 bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng Vào lúc: 09 30 ngày 09 tháng 08 năm 2014 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng MỞ ĐẦU Mạng viễn thơng ngày đóng vai trị thiết yếu lĩnh vực hoạt động toàn xã hội Việc gia tăng số lượng người sử dụng, 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 băng thông dịch vụ Chính vậy, việc vận hành, thiết kế mạng ứng dụng viễn thông đặt lên hàng đầu Đi kèm với việc phát triển nhu cầu sử dụng viễn thơng việc xây dựng phát triển mạng viễn thông áp dụng công nghệ viễn thông vô cấp thiết Nó giúp cho nhà khai thác giảm tải tối đa tài nguyên mạng, tránh tình trạng lỗi hệ thống tiết kiệm chi phí đưa vào khai thác sử dụng, việc đưa vào khai thác vận hàng cơng nghệ cần thiết Ngồi ra, thiết kế xây dựng mạng viễn thông vô quan trọng, tiền đề để phát triển mạng viễn thông sau Việc thiết kế tối ưu mạng mang lại nhiều lợi ích ban đầu sau Với tính tốn ban đầu, q trình hoạt động ln tối ưu, giảm thiểu rủi ro kết nối không chọn tuyến nâng cao hiệu dự phòng bảo vệ tính tốn từ khâu thiết kế mạng Trong luận văn trình bày số phương pháp giải thuật mơ hình hóa tốn học ứng dụng để thiết kế mạng, sau sâu vào phân tích giải tốn thiết kế tối ưu mạng dựa mơ hình mạng đa lớp (Multi-Layer Network) Nội dung luận văn chia thành chương với nội dung sau: Chương 1: Giới thiệu tổng quan mạng viễn thông vấn đề tối ưu hóa mạng, đặt tốn giới thiệu khái niệm mang tính tiền đề sở cho nghiên cứu Chương 2: Trình bày vấn đề kĩ thuật tối ưu hóa mạng viễn thơng đặc biệt tối ưu mạng đa lớp Với vấn đề đưa ra mô tả yêu cầu tối ưu, bước xây dựng toán thảo luận phương pháp giải toán Chương 3: Đưa phương pháp thiết kế tối ưu mạng dựa mơ hình mạng đa lớp, xây dựng tốn phù hợp nghiên cứu phương pháp giải thuật để giải vấn đề Cuối cùng, xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành tới thầy giáo, PGS TS Nguyễn Tiến Ban tận tình hướng dẫn tơi suốt q trình thực đề tài Tôi xin gửi lời cảm ơn tới thầy giáo Học viện Cơng nghệ Bưu viễn thông bạn học giúp cho tơi hồn thành luận văn 2 Chƣơng 1- TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ VÀ TỐI ƢU MẠNG 1.1 Tổng quan mạng viễn thông Trong mạng điện thoại Internet, topology hay cấu trúc kết nối nút mạng có ảnh hưởng lớn đến hoạt động mạng Cấu trúc điển hình mạng điện thoại Internet thể Hình 1.1 Hình 1.2 Tổng đài nội hạt Người sử dụng Tổng đài chuyển tiếp Tổng đài nội hạt Tổng đài nội hạt Tổng đài chuyển tiếp Người sử dụng Tổng đài nội hạt Hình 1.1 Cấu trúc mạng điện thoại Trong khuôn khổ luận văn đề cập đến phần mạng lõi hay gọi mạng xương sống, bao gồm định tuyến hay thiết bị chuyển mạch kết nối với Lưu lượng đến (ingress traffic) coi lưu lượng vào mạng lõi, lưu lượng (egress traffic) lưu lượng khỏi mạng lõi Bộ định tuyến biên Các máy trạm (khách) Bộ định tuyến lõi Bộ định tuyến biên Bộ định tuyến biên Bộ định tuyến lõi Các máy chủ Bộ định tuyến biên Hình 1.2 Cấu trúc mạng Internet Một mạng truyền thông cần truyền lưu lượng tuyến truyền dẫn với dung lượng (băng thông) khác Lưu lượng định tuyến qua đường khác để đến đích Chúng ta cần có đủ băng thông mạng để truyền lưu lượng, đồng thời giảm tỷ lệ từ chối gọi giảm độ trễ trung bình truyền gói liệu mạng Trên Hình 1.1 mơ hình kiến trúc tổng quan mạng điện thoại Điểm quan trọng cần ý gọi hỗ trợ nhiều nhà cung cấp mạng (hay gọi nhà khai thác mạng) phân đoạn khác gọi Việc xử lý kết nối gọi mạng điện thoại sử dụng phương thức chuyển mạch kênh, kênh riêng biệt thiết lập cho gọi Đối với mạng Internet tồn cầu (Hình 1.2), có u cầu trao đổi thơng tin (ví dụ dịch vụ web) từ người sử dụng đến người sử dụng khác, thơng tin truyền nhiều nhà cung cấp mạng khác (thơng thường nhà cung cấp dịch vụ Internet – ISP) Về mặt kỹ thuật mạng nhà cung cấp dịch vụ hệ thống tự trị riêng (Autonomous System – AS) Tương tự trường hợp chuyển tiếp gọi điện thoại, nhà cung cấp phân đoạn mạng khác thực việc truyền lưu lượng liệu để hoàn thành việc chuyển yêu cầu web qua mạng Các gói liệu tạo để đáp ứng yêu cầu theo hành trình ngược lại để đến nơi gửi yêu cầu Trong hai hướng, hình thức chuyển mạch gói sử dụng để định tuyến gói liệu qua mạng 1.2 Tối ƣu hóa và phƣơng pháp xây dựng toán tối ƣu 1.2.1 Khái niệm tối ưu Tối ưu dùng để mức độ đạt tới cao mục tiêu chủ thể đề xem xét điều kiện định Tối ƣu hóa q trình đến tốt nhất, vận động từ chưa tốt đến tốt hơn, từ tốt đến tốt Phƣơng pháp tối ƣu hóa biện pháp, thuật tốn,… nhằm đến điểm tối ưu Phương pháp tối ưu hóa cơng cụ tối ưu hóa Do tính đa dạng phức tạp vấn đề tối ưu hóa thực tế, khơng tồn phương pháp vạn hữu hiệu để giải vấn đề tìm lời giải trường hợp 1.2.2 Mơ tả tốn học vấn đề tối ưu hóa Về mặt tốn học, vấn đề tối ưu hóa thực chất vấn tìm điểm cực trị hàm số diễn tả mục tiêu cần đạt tới Các vấn đề tối ưu hóa thực tế đa dạng phong phú, song chúng qui dạng tổng quát 4 Ví dụ: Ký hiệu x  R n véc tơ n chiều chứa biến tự Cho f(x), hi ( x) với i= 1, 2,3,…,p g j ( x) với j= 1,2,…q hàm vơ hướng phụ thuộc x Tìm giá trị cực tiểu f(x) với điều kiện hi ( x)  g j ( x) =0 Hàm f(x) gọi hàm mục tiêu, tùy theo lĩnh vực cụ thể mà biến x có tên gọi khác Trong lý thuyết định x gọi biến định Trong thiết kế tối ưu x gọi véc tơ tham số thiết kế Trong lý thuyết hệ thống tối ưu x gọi biến trạng thái Điều kiện hi ( x)  gọi điều kiện ràng buộc dạng bất đẳng thức, điều kiện g j ( x) =0 gọi điều kiện ràng buộc dạng đẳng thức Vấn đề tối ưu hóa dạng chuẩn phát biểu ngắn gọn sau: Cực tiểu f(x) với điều kiện hi ( x)  0, i= 1, 2,3,…,p; g j ( x) =0, j= 1,2,…q; x  R n Như biết, với hàm f(x) ta có max  f ( x)   f ( x) nên vấn đề cực đại hóa ln ln chuyển vấn đề cực tiểu hóa Tương tự, điều kiện hi ( x)  chuyển thành h ( x)  nên tốn chuẩn hóa khơng chứa điều kiện hi ( x)  Cần lưu ý i rằng, điều kiện ràng buộc không thiết xuất tất toán 1.2.3 Xây dựng toán tối ưu hóa viễn thơng Xây dựng tốn tối ưu bước quan trọng tối ưu hóa Khi xây dựng tốn tối ưu cho ứng dụng thực tế cần ý điểm sau đây: - Xác định đầy đủ mục tiêu cần tối ưu, mức độ quan trọng mục tiêu giải pháp thỏa hiệp mục tiêu đề có tính đối nghịch Ví dụ: mạng viễn thông ATM, mục tiêu cực tiểu hóa xác suất tế bào cực tiểu hóa thời gian trễ tế bào hai mục tiêu quan trọng lại đối nghịch - Mô tả mục tiêu chọn dạng biểu thức toán học thể rõ mối quan hệ mục tiêu đại lượng đặc trưng thay đổi để tác động vào mục tiêu Cần phải hiểu rõ chất tự nhiên miền xác định giá trị đại lượng đặc trưng - Xác định điều kiện tác động đến mục tiêu Các điều kiện bảo hàm đại lượng đặc trưng chọn mô tả mục tiêu - Mơ tả điều kiện có dạng tốn học (Các đẳng thức bất đẳng thức) Các đẳng thức bất đẳng thức mô tả điều kiện ràng buộc phải lập thành hệ thống khơng có tính mẫu thuẫn 1.3 Kỹ thuật lƣu lƣợng, định tuyến thiết kế tối ƣu mạng 1.3.1 Kỹ thuật lưu lượng Kỹ thuật lưu lượng mạng viễn thông Kỹ thuật lưu lượng phương pháp để tối ưu hiệu mạng Trong RFC3272 định nghĩa: “Kỹ thuật lưu lượng kỹ thuật sử dụng nguyên lý khoa học cơng nghệ để đo lường, đặc tính hóa, mơ hình hóa điều khiển lưu lượng internet” Như vậy, kỹ thuật làm tăng hiệu hệ thống mạng Mục đích thực thi hỗ trợ chất lượng dịch vụ với số lượng tài ngun mạng nhỏ ví dụ băng thơng, CPU, đệm Kỹ thuật lưu lượng sử dụng hệ thống có khả phân tích trạng thái mạng, dự đốn trạng thái mạng hiệu có mạng để thực tối ưu mạng 1.3.2 Kỹ thuật định tuyến Khái niệm: Khi có lưu lượng từ điểm đến điểm khác mạng, nghĩ đến khả thiết lập liên kết trực tiếp với độ dài mang tính kinh tế đảm bảo khả truyền tải lưu lượng 1.3.3 Các phương pháp tối ưu định tuyến 1.3.3.1 Tối ưu theo mơ hình lưu lượng nhiều thành phần (MF) 1.3.3.2 Định tuyến tối ưu theo lợi ích 1.4 Kết luận Chƣơng Tối ưu hóa mạng viễn thơng có ý nghĩa quan trọng việc thiết kế vận hành, khai thác mạng nhằm đảm bảo tiết kiệm nguồn tài nguyên mạng, giảm chi phí, nâng cao chất lượng dịch vụ Có nhiều biện pháp kỹ thuật để tối ưu hóa mạng viễn thơng đưa toán luồng mạng, vấn đề định cỡ, hay phương pháp định tuyến tối ưu, Các toán đưa có mức độ khó phức tạp khác Bài toán luồng mạng đa nhu cầu thường tốn quy hoạch tuyến tính, với hàm mục tiêu tuyến tính cho phép luồng chia nhánh biến độc lập Hầu hết tốn qui hoạch tuyến tính giải phương pháp đơn hình Một số tốn định cỡ, có cấu trúc đặc biệt nên có giải thuật hiệu để giải quyết, chẳng hạn nguyên tắc định luồng theo đường ngắn Việc thiết tối ưu hóa mạng dựa mơ hình mạng đa lớp quan trọng tối ưu hóa mạng viễn thơng, đặc biệt thiết kế mạng Nội dung cụ thể trình bày chi tiết phần 6 Chƣơng 2- BÀI TỐN MƠ HÌNH HĨA VÀ TỐI ƢU MẠNG ĐA LỚP 2.1 Mạng đa lớp thiết kế mạng với kiến trúc đa lớp Kiến trúc mạng đa lớp mối liên quan lớp minh họa thơng qua ví dụ đơn giản sau Xét môi trường mạng IP có nút bên miền quản trị Với mạng này, có định tuyến kết nối Hình 2.1 b a c Các trung kế (Trunks) e f d Mạng lưu lượng b a f Liên kết truyền dẫn quang c d e Mạng truyền tải vật lý Chuyển mạch truyền tải Chuyển mạch lưu lượng Kết nối truyền tải Hình 2.1 Mạng lƣu lƣợng mạng truyền tải Các liên kết (hay trung kế) có khả truyền lưu lượng với nhiều loại dung lượng liên kết khác E1, STM-1, … Chú ý liên kết mạng lưu lượng (trong trường hợp mạng IP) hoàn tồn mang tính logic Có thể thấy rằng, mạng lưới dịch vụ khác nhau, ví dụ như: thoại, liệu, Trong đó, lớp mạng xếp chồng lên kiến trúc mạng vật lý Trong Hình 2.2 mơ tả mơ hình khung kiến trúc chức lớp mạng Ta thấy dịch vụ ứng dụng (hoặc lưu lượng truy cập) lớp mạng (ví dụ dịch vụ điện thoại hay Internet), đòi hỏi khả xử lý hợp lý lớp vân chuyển dơn vị T1, T3, OC-3, sử dụng lớp mạng quang học cuối sử dụng lớp truyền dẫn Trong kiến trúc mạng, xét ví dụ đơn giản địa IP mạng điện thoại lớp trên; lúc lớp sử dụng mạng lưới lưu lượng lớp sau sử dụng mạng quang học để truyền dẫn Mạng IP Chuyển mạch giọng nói Kênh riêng Mạng lưới lưu lượng Kết nối chéo Truyền dẫn số Mạng lưới truyền tải Cáp quang Nội dung đa phương tiện Hình 2.2 Mơ hình khung kiến trúc chức Như vậy, thấy lợi ích to lớn mà mạng đa lớp mang lại: - Mang lại hiệu suất cao (tạo băng thông rộng cần thiết) - Tiết kiệm chi phí (tại lớp băng thơng rẻ hơn, ví dụ: thơng qua định tuyến) - Tăng tính linh hoạt dịch vụ mạng - Đảm bảo cho dịch vụ tốt (sử dụng công nghệ lưu lượng giúp giải tốt hạn chế xảy trình vận hành khai thác: SDH, WDM,…) [6] 2.2 Mơ hình mạng đa lớp Các nguồn tài nguyên (liên kết nút) mạng truyền thơng máy tính cấu hình nhiều lớp mạng, tạo thành cấu trúc phân cấp với lớp mạng tích hợp riêng Các liên kết lớp hình thành cách sử dụng đường dẫn lớp thấp hơn, mô hình lặp lặp lại hệ thống phân cấp nguồn tài nguyên Ví dụ, mạng điện thoại cơng cộng chuyển mạch có lớp nhóm trung kế nhóm trung kế truyền tải cách cấu hình lớp sở Các liên kết kỹ thuật số lớp sở hình thành lớp quang học, liên kết cuối hình thành lớp Tương tự vậy, mạng IP cung cấp qua giao thức ATM, đa giao thức chuyển mạch nhãn (MPLS), SDH, WDM Trong thực tế, có nhiều hai lớp mạng, ví dụ: trường hợp IP qua ATM qua mạng SDH Xét ví dụ mơ tả mạng Hình 2.3 Mạng lưới bao gồm hai lớp tài nguyên (Lớp 1: lớp thiết bị, lớp 2: lớp dung lượng ảo) bổ sung, lớp phụ (lớp 3: lớp nhu cầu) sử dụng để xác định nhu cầu Như có hai lớp tài nguyên cộng với lớp phụ trợ cho ba lớp nhu cầu coi mạng hai lớp bao gồm lớp tài nguyên (thấp hơn, lớp tài nguyên) lớp nhu cầu (phía trên, lớp yêu cầu) Trong trường hợp đây, liên kết hình thành hai lớp tài nguyên thấp hơn, phần mở rộng cấu trúc lớp mạng nguồn Đối với nhu cầu d khối lượng nhu cầu hd di chuyển dịng lớp Các yêu cầu tiếp tục thực liên kết lớp nói khả hd liên kết d lớp thực phương tiện dòng x lớp Nếu tổng hợp dòng qua liên kết e lớp sau tải kết xác định khả liên kết véc tơ y lớp, bước diễn tương tự Dung lượng liên kết e lớp chuyển theo dòng lớp lớp liên kết z xác định tải trọng liên kết g Kết cuối cấu hình mạng xác định kết dung lượng hoạt động liên kết lớp Đối với nút lớp khác nhau, giả định mối quan hệ sau: Nếu nút xuất lớp trên, sau tự động xuất xuống hệ thống phân cấp lớp Lợi việc giả định đơn giản hóa mơ hình Giả sử số nút số liên kết quy định Hình 2.4A 2.4B Trong số nút xuống lớp Khối lượng nhu cầu (năng lực lớp 3) liên kết lớp giả định 9 d 1 Lớp 3: lớp nhu cầu h1  10 x14 Lớp 2: lớp công suất ảo e 1 x11 y1  20 z14 Lớp 1: lớp thiết bị  1 g 1 z11 Hình 2.3 Mơ hình lớp mạng Lớp Liên kết: d=1 d=2 d=3 d=4 d=5 d=6 Nút cuối: 1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4 Lưu lượng: 20 10 10 10 10 10 Lớp Liên kết e=1 e=2 e=3 e=4 e=5 e=6 e=7 Nút cuối 1-2 1-4 2-3 2-4 2-5 3-4 3-5 Lớp Liên kết g=1 g=2 g=3 g=4 g=5 g=6 g=7 g=8 Nút cuối 1-4 1-6 2-5 2-6 3-4 3-5 4-6 5-6 Mức chi phí  g 1 1 1 1 10 2.3 Các vấn đề kỹ thuật thiết kế tối ƣu mạng đa lớp 2.3.1 Bài toán luồng mạng 2.3.1.1 Đặt vấn đề 2.3.1.2 Xây dựng toán 2.3.2 Vấn đề định cỡ 2.3.2.1 Đặt vấn đề 2.3.2.2 Xây dựng tốn 2.3.3 Ngun lí định tuyến đường ngắn Một cách tổng quát, toán xác định đường đơn (single) ngắn phát biểu sau: Đối với dung lượng liên kếtc khối lượng nhu cầu h (h  (h1 , h2 , , hD )) cho, tìm hệ thống trọng số liên kết  cho kết xác định đường ngắn nhất véctơ định luồng x( ) phù hợp, nghĩa x( ) phải thoả mãn (2.5) Nhìn chung tốn phức tạp Có lý gây nên phức tạp là: - Giải pháp định luồng ứng với nghiệm khơng chia nhánh không tồn giải pháp định luồng cho trường hợp nghiệm chia nhánh lại tồn - Ngay tồn nghiệm ứng với đường ngắn nhất nhiều trường hợp khó để tìm - Thậm chí trường hợp tìm giải pháp định luồng ứng với đường nhất, hệ thống trọng số để tạo khơng tồn 2.3.4 Nguyên lí cân tối ưu mạng Tiêu chí cân tốt MMF (Max-Min Fairness) Trong trường hợp nhu cầu túy mềm dẻo khơng có giới hạn, bước để đạt giải pháp MMF gán khối lượng cho tất nhu cầu, đảm bảo giá trị gán tối thiểu lớn Sau đó, cịn thừa dung lượng lại tiếp tục tăng khối lượng cho nhu cầu tăng được, cực đại hóa giá trị gán tối thiểu lần hai Giải pháp MMF cân từ quan điểm người sử dụng Từ góc độ khác, tối ưu hóa tổng thơng lượng mạng, nhận lời giải khác 11 với thông lượng tối đa lớn so với lời giải theo MMF Do đó, rút nhận xét điều mà tốt mạng khơng thiết phải tốt tất khách hàng sử dụng (nhu cầu) Sự suy giảm thông lượng giải pháp theo MMF liên quan tới yếu tố giá trị khối lượng gán cho tất nhu cầu, số liên kết đường nhu cầu Trong đó, rõ ràng nhu cầu với đường dài sử dụng nhiều dung lượng liên kết so với đường ngắn Một vấn đề đặt liệu có giải pháp thoả hiệp phương pháp MMF cực đại hố thơng lượng t (khơng cân bằng) Để giải vấn đề sử dụng nguyên lý cân gọi cân tỉ lệ (PF Proportional Fairness) Nguyên lý cân tỉ lệ sử dụng tiêu chí mục tiêu lợi nhuận (revenue objective), cụ thể cực đại hoá tổng giá trị logarit (tự nhiên) khối lượng gán cho nhu cầu Lí để sử dụng hàm logarit khơng cho phép việc gán khối lượng cho nhu cầu (điều làm cho lợi nhuận -  ), ngồi làm cho việc gán nhiều khối lượng cho nhu cầu trở thành khơng có lợi Lưu ý hàm mục tiêu không tuyến tính Xuất phát từ quan điểm khách hàng, giải pháp PF cân giải pháp MMF, song ưu tiên cho luồng ngắn hơn, nên giải pháp PF lại hiệu mặt thông lượng Nhìn chung, nói giải pháp PF tốt MMF mặt thông lượng, song phải trả giá tính cân người sử dụng Như vậy, PF xem thoả hiệp MMF cực đại hố thơng lượng 2.4 Kết luận Chƣơng Chương giúp ta tìm hiểu mơ hình mạng đa lớp vấn đề kỹ thuật xảy mạng đa lớp từ vào xây dựng mơ hình hóa toán thiết kế tối ưu mạng đa lớp Bài tốn mơ hình hóa tối ưu mạng đa lớp vấn đề mà nhà thiết kế mạng quan tâm để tìm phương án tối ưu Trong chương đưa phương pháp tối ưu mơ hình thiết kế nhằm mang lại hiệu cao Tùy thuộc vào mục đích điều kiện mà áp dụng mơ hình tối ưu cách hợp lý Trong chương xem xét phương pháp giải toán tối ưu mạng đa lớp 12 Chƣơng 3- PHƢƠNG PHÁP THIẾT KẾ TỐI ƢU MẠNG DỰA TRÊN MƠ HÌNH MẠNG ĐA LỚP 3.1 Các vấn đề liên quan đến thiết kế mạng đa lớp 3.1.1 Tiêu chí đánh giá yếu tố ảnh hưởng đến tối ưu mạng Một mạng truyền thông cần truyền lưu lượng tuyến truyền dẫn với dung lượng (băng thông) khác Lưu lượng định tuyến qua đường khác để đến đích Yêu cầu đặt cho thiết kế mạng là: phải đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS), đồng thời phải đảm bảo hiệu kinh tế mạng Điều có nghĩa việc thiết kế mạng phải đảm bảo tối ưu theo mục tiêu đề Chúng ta cần có đủ băng thơng mạng để truyền lưu lượng, giảm tỷ lệ từ chối gọi giảm độ trễ trung bình truyền gói liệu mạng phải tiết kiệm băng thông giảm chi phí Trong mơi trường mạng đa lớp hình thành việc thiết lập lớp truyền tải lớp lưu lượng (traffic-transport) Trong lớp truyền tải (transport network) bao gồm mạng chuyển mạch thoại lớp lưu lượng bao gồm mạng lưới truyền dẫn Khi nhu cầu mạng hình thành lúc lưu lượng từ điểm đến điểm khác mạng, lúc cần khả thiết lập liên kết trực tiếp nhằm đảm bảo khả thi truyền tải lưu lượng Trên sở đó, vấn đề thiết kế tối ưu mạng dựa mơ hình mạng đa lớp phụ thuộc vào yếu tố nhu cầu lưu lượng, mạng lưới truyền tải định tuyến đường Việc khắc phục tối ưu hóa ba yếu tố giúp ích lớn việc khai thác mạng đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS Hiệu mang lại lớn, cụ thể tối ưu mạng đa lớp, đảm bảo tối ưu truyền tải lưu lượng, đồng thời đảm bảo nhu cầu không bị lỗi mặt kết nối liệu (ở lưu lượng định tuyến đường khác) khơng bị liệu khối lượng nhu cầu đặt lớn 3.1.2 Vấn đề định cỡ mạng hai lớp mở rộng đa lớp mạng 3.1.2.1 Vấn đề định cỡ mạng hai lớp 3.1.2.1 Vấn đề định cỡ mạng đa lớp 3.2 Giải vấn đề thiết kế mạng đa lớp sử dụng phƣơng pháp tối ƣu hóa 3.3 Giải tốn thiết kế tối ƣu mạng dựa mơ hình mạng đa lớp 3.3.1 Mơ hình cấu trúc thiết kế phục hồi mạng đa lớp 13 Giả định không hạn chế chế phục hồi đường dẫn lớp mà cho phép cấu hình lại luồng Có ba vấn đề xảy vấn đề cấu hình lại luồng lớp tài nguyên sau: hai lớp (trên dưới), lớp thấp hơn, lớp Có thể nhận thấy vấn đề phục hồi thiết kế mạng đơn lớp khơng hạn chế cấu hình lưu lượng Trong phần khảo sát phương pháp tối ưu hóa cho việc thiết kế phục hồi nhiều lớp Ví dụ, xem xét IP qua SDH Nếu IP định tuyến không cho phép tái định tuyến có lỗi xảy SDH khả cấu hình lại, điều coi ví dụ khả cấu hình lại hai lớp Nếu xem xét mạng thoại định tuyến chuyển mạch qua SDH nơi trung kế định tuyến dạng tĩnh, sau luồng cấu hình lại có lớp Trường hợp cuối khơng thể bị vơ hiệu hóa khả cấu hình lớp trên, có lớp thấp có khả cấu hình - ví dụ mạng riêng IP/VP cung cấp mạng lưới truyền tải SDH 3.3.1.1 Tái cấu hình lớp mạng Bắt đầu với vấn đề LP thiết kế mạng dễ thất bại, nơi luồng lớp giả định tái cấu hình lại cấu hình lại khơng hạn chế Có thể hiểu cách đơn giản sau: mà lưu lượng liên kết lớp linh hoạt, cịn liên kết lớp thấp khơng linh hoạt; phần lưu lượng lớp bị mát liên kết lớp hồn tồn bị phá vỡ Bài tốn định cỡ tái cấu hình cho mạng lớp với lƣu lƣợng không hạn chế Chỉ số d=1,2,…D nhu cầu p=1,2,… Pd đường dẫn lên lớp nhu cầu d e=1,2,…,E liên kết lớp q=1,2,… Qe đường dẫn lớp luồn liên kết e g=1,2,…G liên kết lớp v=1,2, V nút lớp s=1,2,….S yêu cầu trạng thái lỗi Hằng số phụ H d max hds , s  1, 2, , S  giá trị tối đa nhu cầu d 14 Biến số (tất biến liên tục không âm) xdp lưu lượng phân bổ cho đường dẫn p thuộc nhu cầu d tất bước ye dung lượng liên kết e z eqs luồng phân bổ cho đường dẫn q thực dung lượng liên kết e u g dung lượng kiên kết g Mục tiêu Hàm F   g  g ug   v  vYv (3.1a) Ràng buộc  p x  d  H ds d=1,2,…D s=1,2,…S (3.1b) dps p  edp xdps  yes , e  1, 2, , E s=1,2,…S (3.1c)  e a ve yes   vs ys , e  1, 2, , E v=1,2,…V (3.1d)  q zeqs  yes , e  1, 2, , E s=1,2,…S e=1,2,…E (3.1e)  e q x qeq eqs   gs ug , g  1, 2, G s=1,2,…S (3.1f) Có thể thấy dung lượng nút lớp  e không sử dụng việc thiết kế, kết có ý nghĩa Đây trường hợp dung lượng liên kết yếu tố chi phối chi phí vấn đề tối ưu hóa mạng lưới, nghĩa là, nút kích thước tương đương đứng độc lập (hoặc giả định cài đặt) Sau đây, bỏ qua dung lượng nút lớp việc xây dựng LP, sử dụng phần thiết kế xây dựng hai lớp đơn giản (TLDP) Trường hợp đơn giản định cỡ khôi phục lớp với khả tái cấu hình 15 Lớp nhu cầu Nhu cầu d với khối lượng hds Lớp Liên kết e với công suất yes điều kiện s Luồng xd s Luồng xd 1s Lớp dƣới Liên kết g với chi phí cận biên  g cơng suất u g x Luồng ze s Luồng ze s  x Luồng ze1s  Hình 3.5 Mạng lớp trạng thái lỗi Hàm mục tiêu Tối thiểu F   g  g ug Với điều kiện ràng buộc  p xdps  hds ,  x  z y ,  z d p q eqs e q edp dps  yes , e= 1,2,…,E s=1,2, ,S e = 1,2, , E; s=1,2,…S es geq eqs d= 1,2,…,D s=1,2, ,S   gs ugk , g=1,2, , G s=1,2, ,S Vấn đề TLDP Hình 3.5, khối lượng hds yêu cầu d trạng thái s thực luồng là: xd1s xd2s lớp Trong trường hợp liên kết lớp thấp bị lỗi lưu lượng yes thực luồng ze3s lớp thấp mà luồng ze1s ze2z sử dụng sai liên kết 16 3.3.1.2 Tái cấu hình lớp thấp Trường hợp phục hồi đơn lớp tức lớp thấp có khả tái cấu trúc cịn lớp khơng có khả thay đổi Phát biểu toán Hằng số phụ H d max hds , s  1, 2, , S  giá trị tối đa nhu cầu d Biến số (tất biến liên tục không âm) xdp lưu lượng phân bổ cho đường dẫn p thuộc nhu cầu d tất bước ye dung lượng liên kết e z eqs luồng phân bổ cho đường dẫn q thực dung lượng liên kết e u g dung lượng kiên kết g Mục tiêu Hàm F   g  g ug (3.2a) Ràng buộc  p x  H d d=1,2,…D (3.2b) dp  d  q p  xdp  ye , e  1, 2, , E (3.2c) zeqs  ye , e  1, 2, , E s=1,2,…S (3.2d)  e edp q x qeq eqs   gs ug , g  1, 2, G s=1,2,…S (3.2e) Trong mơ hình mạng này, luồng lưu lượng liên kết lớp giữ cố định; nói cách khác yêu cầu khơng bị sai sót Bởi theo cách đánh giá liên kết (ở lớp trên) hồn tồn đáng tin cậy Cịn lớp thấp tuân theo chế tự phục hồi để giải liên kết bị lỗi (ở lớp thấp hơn) làm cho lỗi lớp tham chiếu vào Điểm bất lợi mà ta nhận thấy hạn chế việc tái cấu trúc với yêu cầu phải giống khối lượng yêu cầu thực tất trạng thái dù điều không thực cần thiết 17 3.3.1.3 Phục hồi cấu hình lớp Trường hợp thứ 3, luồng lưu lượng liên kết lớp tái cấu trúc giữ nguyên lớp thấp Phát biểu toán Biến số (tất biến liên tục không âm) xdps lưu lượng phân bổ cho đường dẫn p thuộc nhu cầu d tất bước s yes dung lượng liên kết e s zeq luồng phân bổ cho đường dẫn q thực dung lượng liên kết e u g dung lượng kiên kết g Mục tiêu Hàm F   g  g ug (3.3a) Ràng buộc  p x  H ds d=1,2,….,D s=1,2,…S (3.3b) dp  d  q p  xdps  yes , e  1, 2, , E s=1,2,…S (3.3c) zeqseqs  yes , e  1, 2, , E s=1,2,…S e=1,2,…,E (3.3d)  e edp q x qeq eqs  ug , g  1, 2, G s=1,2,…S (3.3e) 3.3.2 Phương pháp khai triển phân rã thiết kế mạng đa lớp Mục đích việc sử dụng phân rã (decomposition) để giảm kích cỡ vấn đề LP cách sử dụng công cụ giải LP (LP solver) Trong thiết kế mạng đa lớp phục hồi, số lượng biến dịng cơng thức ban đầu q lớn để ứng dụng cho mạng lưới thực tế Việc sử dụng công thức nguyên thủy LP cho kết số lượng biến hạn chế; trường hợp biến mạng lớn tài ngun máy tính có sẵn dễ dàng bị vượt quá, xuất lỗi thiết kế tính tốn mạng Bởi việc sử dụng thuật phân rã cần thiết để giảm thiểu khắc phục tối đa tượng 18 3.3.2.1 Phương pháp cực đại hoá Subgradient 3.3.2.2 Phân rã Bender 3.4 Tính khả thi việc áp dụng mơ hình thiết kế tối ƣu mạng 3.4.1 Mạng IP/MPLS/SDH Công nghệ đa lớp phát triển với nhiều kiểu lớp mạng khác Ví dụ minh họa cho trường hợp mạng lớp IP over MPLS over SDH Trong trường hợp lưu lượng truy cập liệu người dùng (là gói) vào mạng IP router lối vào rời khỏi mạng router Điểm bật công nghệ MPLS chuyển tiếp lưu lượng nhanh, khả linh hoạt, đơn giản điều khiển phân luồng Ý tưởng MPLS sử dụng nhãn để định chặng kế tiếp, nên router làm việc hoạt động gần giống switch Vì nhãn thể tuyến đường mạng nên ta điều khiển xác q trình xử lý lưu lượng cách dùng sách gán nhãn Ở chặng router đầu tiên, router chuyển gói tin dựa vào địa đích, xác định nhãn thích hợp tùy vào FEC để gán nhãn cho gói chuyển gói tiếp Ở chặng kế tiếp, LSR dùng giá trị nhãn để xác định nút cần chuyển gói, gán nhãn chuyển gói tiếp Lần lượt, liên kết cho mạng MPLS kết nối mạng SDH sử dụng khả kết nối chéo (cross-connecting) Kiến trúc mạng lớp thể Hình 3.2 R3 R1 IP R2 M3 M1 MPLS M2 M4 SONET S1 S3 S2 Hình 3.3 Cơng nghệ đa lớp mạng: IP MPLS SDH 19 Đề cập đến IP qua SDH, mơ hình IP lớp (upper layer) SDH lớp (lower layer), hai lớp đề cập đến hai lớp tài nguyên, mối quan hệ chung khối lượng nhu cầu tài nguyên (resourses) 3.4.2 Hệ thống thông tin quang, mạng SONET/SDH WDM Cơ chế bảo vệ chung kỹ thuật thông tin quang hỗ trợ cho hệ thống truyền tải SONET/SDH dự phịng nóng 1+1 (hoặc 1:1) có chức chuyển mạch bảo vệ tự động (APS) APS hoạt hóa hai nút đầu cuối hệ thống truyền tải quang Chẳng hạn APS 1:1 phục hồi hệ thống đường quang đơn giản hai nút đầu cuối việc chuyển mạch tín hiệu từ đường quan sang đường quang bảo vệ Nếu đường quang bảo vệ phần đường cáp quang sau đường phân tập mặt vật lý từ đường cáp quang bản, dành bảo vệ, khác hẳn với đường cáp quang đơn giản Do vậy, APS, mơ hình thiết kế dung lượng phục hồi cho bảo vệ đường dự phịng nóng DR/CF/BR/CC/LIN/PP+HS áp dụng lớp quang (lớp vật lý) với cấu trúc phân bố vật lý dùng chuyển mạch DVU điển hình cho hệ thống SONET/SDH VT-1.5/VC-12 STS-3/VC-4 tùy thuộc vào lớp xem xét Dung lượng liên kết xác định số sợi quang hoạt động hai đầu cuối dung lượng kết cuối hệ thống truyền dẫn SONET/SDH đường quang Tất kết cuối có tốc độ bội số OC-3/STM-1 Do vậy, LCU xem xét tích hợp DVU, LCU dùng OC3/STM-1 đơn vị Điển hình cho hệ số sẵn sàng liên kết mạng SONET/SDH (và WDM) coi hệ số giá trị nhị phân, hay nói cách khái quát, đường truyền dẫn tương đương với đường ống Cũng theo cách đó, hầu hết lỗi nói chung lỗi liên kết đơn Hiện nay, hầu hết thiết bị chuyển mạch nút mạng lõi SONET/SDH hệ thống kết nối chéo số (DSC) có khả chuyển tín hiệu STS-3/VC-4 (hoặc tốc độ thấp hơn) sử dụng cho việc lập (tái lập) đường truyền dẫn Các hoạt động điều khiển nhân công từ trung tâm quản lý mạng, theo việc thực phục hồi liên kết đường nhu cầu sinh Quá trình phục hồi sử dụng phần dung lượng chia sẻ chung; đó, mơ hình thiết kế định tuyến, luồng dung lượng phục hồi liên kết tái lập luồng nhu cầu áp dụng Chắc chắn, phần lớn giải pháp chung phục hồi nhân công phục hồi liên kết đường dự phịng đơn mơ tả mơ hình DR/CF/BR/CC/LIN/LR+SBP, DR-SD DR-F 20 Khả tự động chế tái lập sử dụng dung lượng bảo vệ chia sẻ, khả thi mặt kỹ thuật, không sử dụng phổ biến mạng SONET/SDH Điều đạt mặt kỹ thuật bảo vệ liên kết tự động với thời gian phục hồi từ hàng chục mini giây đến hàng giây Ứng dụng phổ biến SONET/SDH xây dựng vịng SONET (tức SDH) khơng với vịng chuyển mạch đường vơ hướng (UPSR: Uni-directional pathswitched rings) mà vòng chuyển chuyển mạch đường có hướng (BLSR: Bidirectional line-switched rings) Bảo vệ UPSR dựa phiên đơn giản nguyên tắc bảo vệ đường (chẳng hạn lớp VT-1.trong vòng OC-3 SONET, hay lớp VC12 vòng STM-1 SDH) thực tế khơng cần mơ hình tối ưu hóa (do định cỡ UPSR không đáng kể) Mặt khác, bảo vệ đường BLSR ứng dụng đơn giản chế phục hồi liên kết (lớp STS-3 OC-3, VC-4 SDH) Thời gian phục hồi vòng ngắn, 50 ms Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM dựa sử dụng bước sóng khác đường quang để thực truyền tải hệ thống truyền dẫn quang tương ứng (điển hình OC-48/STM-16) Mạng lõi WDM sử dụng chuyển mạch kết nối chéo quang có khả chuyển mạch bước sóng (cũng gọi chuyển mạch ) để tạo lập đường quang Do khối lượng nhu cầu mạng WDM định tuyến theo bước sóng, mơ hình phục hồi mạng cần xem xét đến luồng nguyên (như trường hợp SONET/SDH) Hiện nay, phục hồi mạng WDM chủ yếu phục hồi đường Do đó, biểu thức tối ưu kèm áp dụng cho chế phục hồi dự phịng đơn Mạng WDM có kết nối chéo chuyển đổi bước sóng đưa tới cho ta tốn phục hồi quan trọng Cuối cùng, hy vọng mạng quang tương lai (như mạng ASON) với chế bảo vệ/phục hồi liên kết/dự phòng xem xét áp dụng cách rộng rãi, mở nhiều ứng dụng mơ hình thiết kế Đồng thời, mong việc bảo vệ nguồn tài nguyên thực lớp khác mạng đa lớp Chẳng hạn, nhóm trung kế lớp lưu lượng chuyển mạch kênh (mạng IP) bảo vệ 100% phía lớp mạng truyền tải, mạng SONET/SDH quang đồng bộ, tiếp đến mạng chuyển mạch kênh quang coi mạng bền vững khắc phục lỗi Trong trường hợp đó, phục hồi thực mạng truyền tải luồng gọi (gói) đơn giản khơng nhận lỗi Tương tự, 21 liên kết lớp SONET/SDH bảo vệ lớp vật lý (sợi quang) phương thức APS Đây quy tắc chung: tài nguyên lớp mạng bảo vệ lớp tài nguyên thấp kế 3.4 Kết luận Chƣơng Chương sâu vào vấn đề cụ thể tốn tối ưu mạng dựa mơ hình mạng đa lớp Trong nội dung chương trình bày phát biểu toán sở phương pháp hiệu chỉnh để đưa tốn phục vụ cho nhiều mục tiêu tối ưu khác Hai nội dung quan trọng chương trình bày việc áp dụng mơ hình cấu trúc mạng đa lớp áp dụng phương pháp triển khai phân rã dựa vào hàm toán học phân rã Bender Phương pháp cực đại hoá Subgradient Các phương pháp ứng dụng cách hiệu trông việc giải vấn đề thiết kế tối ưu mạng đơn lớp sở tiền đề để phát triển mạng đa lớp 22 KẾT LUẬN Qua thời gian tìm hiểu, nghiên cứu tơi hồn thành nội dung mục tiêu đặt luận văn Quá trình thực luận văn giúp tơi tìm hiểu sâu sắc chế hoạt động phương pháp xây dựng toán cho mục tiêu thiết yếu tối ưu mạng Nhìn chung, chế hoạt động mạng đa lớp phức tạp nên mục tiêu luận văn tập trung vào tìm hiểu chế hoạt động mạng đa lớp từ đưa phương hướng thiết kế tối ưu mạng dựa mơ hình mạng đa lớp Với mục tiêu đề vậy, luận văn đạt kết sau đây: - Nghiên cứu tổng quan kĩ thuật mạng đa lớp - Nghiên cứu phương pháp thiết kế tối ưu mạng - Phương pháp giải toán thiết kế tối ưu mạng dựa mơ hình mạng đa lớp Việc xây dựng phát triển mạng viễn thông áp dụng công nghệ viễn thông vơ cấp thiết Nó giúp cho nhà khai thác giảm tải tối đa tài nguyên mạng, tránh tình trạng lỗi hệ thống tiết kiệm chi phí đưa vào khai thác sử dụng, việc đưa vào khai thác vận hàng công nghệ cần thiết Chính vậy, việc thiết kế tối ưu mạng dựa mơ hình mạng đa lớp mang lại lợi ích to lớn cho ngành viễn thơng, tiền đề để phát triển mạng viễn thơng sau Tuy q trình thực nội dung luận văn thân tơi có nhiều nỗ lực cố gắng, song tồn nhiều điểm chưa hoàn thiện Các kết nghiên cứu dừng lại chủ yếu mặt lý thuyết, chưa sâu vào phân tích ứng dụng thực tiễn, nội dung luận văn chưa đưa kết mô từ mơ hình mạng Trong điều kiện thời gian cho phép, tiếp tục nghiên cứu để thực hoàn thành vấn đề nêu  ... hướng thiết kế tối ưu mạng dựa mơ hình mạng đa lớp Với mục tiêu đề vậy, luận văn đạt kết sau đây: - Nghiên cứu tổng quan kĩ thuật mạng đa lớp - Nghiên cứu phương pháp thiết kế tối ưu mạng - Phương. .. mạng đa lớp từ vào xây dựng mơ hình hóa toán thiết kế tối ưu mạng đa lớp Bài tốn mơ hình hóa tối ưu mạng đa lớp vấn đề mà nhà thiết kế mạng quan tâm để tìm phương án tối ưu Trong chương đưa phương. .. Chƣơng 3- PHƢƠNG PHÁP THIẾT KẾ TỐI ƢU MẠNG DỰA TRÊN MƠ HÌNH MẠNG ĐA LỚP 3.1 Các vấn đề liên quan đến thiết kế mạng đa lớp 3.1.1 Tiêu chí đánh giá yếu tố ảnh hưởng đến tối ưu mạng Một mạng truyền thông