Nghiên cứu phương pháp và xây dựng phần mềm quy hoạch mạng truyền dẫn thế hệ mới (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TẬP ĐỒN BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG VIỆT NAM HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG - NGUYỄN QUỐC THÀNH NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP VÀ XÂY DỰNG PHẦN MỀM QUY HOẠCH MẠNG TRUYỀN DẪN THẾ HỆ MỚI CHUYEN NGÀNH: TRUYỀN DỮ LIỆU VÀ MẠNG MÁY TÍNH MÃ SỐ: 60.48.15 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN QUANG HOAN TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2010 Quy hoạch mạng truyền dẫn hệ sau Mạng truyền dẫn hệ 1.1 Xu phát triển từ mạng có lên NGN Khái niệm mạng hệ (hay gọi mạng hệ - NGN) đời với việc tái kiến trúc mạng, tận dụng tất ưu công nghệ tiên tiến nhằm đưa nhiều dịch vụ mới, mang lại nguồn thu mới, góp phần giảm chi phí khai thác đầu tư ban đầu cho nhà khai thác Ở đây, chủ yếu xem xét q trình tiến hóa cấu trúc từ mạng có lên cấu trúc mạng NGN Mạng NGN tiến hóa lên từ mạng truyền dẫn (phát triển thêm chuyển mạch gói) từ mạng Internet công cộng (hỗ trợ thêm chất lượng dịch vụ QoS) 1.2 Mạng truyền dẫn quang DWDM Để giải quyến vấn đề mở rộng dung lượng mạng truyền dẫn giải pháp tối ưu cơng nghệ ghép kênh phân chia theo bước sóng dày (Dense Wavelength Division Multiplexing – DWDM), phương pháp mở rộng lực sợi quang cách gán cho tín hiệu quang đến tần số xác định (bước sóng) dải tần số thiết kế sẵn, sau ghép tín hiệu gán theo bước sóng vào sợi quang để truyền Phương pháp quy hoạch mạng truyền dẫn DWDM Cũng giống toán quy hoạch mạng khác, toán quy hoạch mạng truyền dẫn quang chia thành bước: quy hoạch chiến lược quy hoạch sở [Type text] Quy hoạch mạng truyền dẫn hệ sau 2.1 Quy trình quy hoạch tổng quát cho mạng tuyền dẫn QUY HOẠCH CHIẾN LƯỢC - Nhu cầu dịch vụ - Nhu cầu lưu lượng  Xu hướng công nghệ  So sánh phân tích cơng nghệ  Ý kiến chun gia - Công nghệ - Kiến trúc mạng Tập khách hàng tiềm XÂY DỰNG CẤU TRÚC MẠNG MỤC TIÊU Cơ sở hạ tầng mạng thời Ràng buộc công nghệ Mơ hình giá Xác định vi trí đặt nút mạng Tập nút mạng Xác định cấu trúc mạng Định cỡ mạng KHÁI TỐN KINH PHÍ XÂY DỰNG LỘ TRÌNH TRIỂN KHAI MẠNG  Quy hoạch chiến lược: kết pha đưa số giải pháp cơng nghệ kiến trúc mạng thích hợp Thực công việc phương pháp chuyên gia, tức thông qua việc nghiên cứu xu hướng công nghệ, so sánh phân tích cơng nghệ kiến trúc mạng khác  Quy hoạch sở: pha xác định cấu trúc định cỡ mạng mục tiêu tương ứng với giải pháp công nghệ đưa pha đầu Cấu trúc kích cỡ mạng đưa phải đảm bảo đáp ứng đủ nhu cầu dịch vụ dự báo theo thời kì cấu trúc mạng phải tối ưu để giá thành đầu tư thêm cho sở hạ tầng mạng nhỏ Với giải pháp công nghệ kiến trúc mạng đề xuất, pha chia làm toán nhỏ: Xác định vị trí đặt nút mạng, xác định cấu trúc mạng định cỡ mạng [Type text] Quy hoạch mạng truyền dẫn hệ sau 2.2 Xây dựng quy trình quy hoạch sở cho mạng DWDM 2.3 Xây dựng cấu trúc liên kết a, Cấu trúc liên kết dạng vòng Việc xây dựng cấu trúc liên kết dạng vòng cho mạng thực chất việc xác định đường ngắn qua tất nút (mỗi nút qua lần) qua trở lại nút ban đâu ngắn Đây chủ đề quan tâm nghiên cứu [Type text] Quy hoạch mạng truyền dẫn hệ sau phương pháp giải cho tốn người du lịch (TSP) Phần tơi đề xuất phương pháp sử dụng giải thuật di truyền (GA) để giải toán Sử dụng giải thuật di truyền để xây dựng cấu trúc vòng tối ưu Phương pháp sử dụng GA có kết hợp với phương pháp 2-opt trình đột biến Việc kết hợp hai phương pháp nhằm đem lại kết cao tối ưu  Khởi tạo dân số: Sinh M chuỗi gien ngẫu nhiên  Lựa chọn tự nhiên: Tiến hành loại bỏ pe% dân số, tức loại trừ M*p e/100 số chuỗi gien dân số  Sinh sản: Lựa chọn M*pe/100 cặp cha mẹ ngẫu nhiên để sinh M*pe/100 phần tử hệ con, cặp cha mẹ sinh phần tử Như vậy, dân số sẽ khôi phục lại lúc ban đầu chưa tiến hành loại bỏ  Đột biến: Lựa chọn ngẫu nhiên theo tỷ lệ pi% độc lập gien để thực đột biến theo phương pháp 2-opt b, Cấu trúc liên kết dạng lưới Xây dựng cấu trúc liên kết dạng lưới Mục đích: + Xây dựng cấu trúc liên cho mạng Đầu vào: + Tập nút: VS = {vi} , i = 1, , NS (NS số nút mạng con) + Ma trận lưu lượng: DS = [NSxNS] = {dij}, với dij lưu lượng i → j; i, j = 1, , NS Đầu ra: + Ma trận kết nối biểu diễn liên kết mạng ES = [NSxNS] = {eij}, với eij = có kết nối từ i → j eij = khơng có kết nối từ i → j Ràng buộc: + Điều kiện địa lý thực tế, có số cặp nút khơng thể có kết nối trực tiếp + Cấu trúc liên kết mạng Thuật tốn: Như trình bày [6], [7] [Type text] Quy hoạch mạng truyền dẫn hệ sau Khoảng cách, ma trận lưu lượng Liên kết cầu nối? Khởi tạo mạng lưới đầy đủ tính trọng liên kết NO YES Thỏa mãn điều kiện bảo vệ liên kết? Tìm liên kết chứa duyệt có trọng liên kết lớn NO YES Thỏa mãn điều kiện bảo vệ nút? Thỏa mãn điều kiện kết thúc vòng lặp NO YES Đánh dấu liên kết duyệt Kết Loại bỏ liên kết 2.4 Phương pháp định cỡ mạng phân chia tài nguyên a, Định cỡ cho mạng dạng vòng Cấu trúc vòng xem xét gồm có n nút (và n cạnh) Các nút đánh số theo chiều kim đồng hồ cung nút i i+1 gọi a i Cung nút n nút gọi an Mỗi yêu cầu đối xứng theo hai hướng Thuật toán đề xuất cho định tuyến yêu cầu truyền dẫn mạng có cấu trúc vịng thuật toán Lee Cheng [5] Thuật toán Lee Cheng Mục đích: + Định tuyến cho yêu cầu truyền dẫn cặp nút cấu trúc liên kết dạng vòng Đầu vào: + d = (d1, d2, …, dm) cầu thứ j vector yêu cầu, dj dung lượng yêu + Cấu trúc liên kết vòng xác định (ma trận kết nối Con = {cij}) Đầu ra: + P j = {as, a s+1, …, a t-2, at-1} tập hợp cung theo chiều kim đồng hồ mà yêu cầu truyền dẫn thứ j (từ nút s đến nút t, t  n) qua; +  Pj = {as-1, as-2, …, a 1, an, a n-1, …, at+1, at} tập hợp cung ngược chiều kim đồng hồ mà yêu cầu truyền dẫn thứ j (từ nút s đến nút t, t  n) qua; + Ma trận P = [n  2m] xác định sau: [Type text] Quy hoạch mạng truyền dẫn hệ sau 1 a j  Pj P(i,2 j  1)    0 a j  Pj P(i,2 j ) 1 a j  Pj   0 a j  Pj + x = ( x1 , x1 , x 2 , x 2 , …, x m , x m ) vector giải pháp, đó: x j = dung lượng yêu cầu thứ j theo chiều kim đồng hồ, x j = dung lượng yêu cầu thứ j ngược chiều kim đồng hồ; + Ma trận R = [n  2m] xác định sau: R(i,2j-1) = P(i, 2j-1)  = P(i, 2j)  R(i,2j) x j x j vector biểu diễn dung lượng cung a 1, a2, + y = (y1, y2, …, yn) , an, với yi =  j R (i, j ) ; + z(x) = maxi {yi} cung có dung lượng đặt lớn nhất; + A = {ai yi  z(x) - 1} tập hợp cung có dung lượng lớn Mục tiêu: + Mục tiêu cần đạt tối thiểu z(x) với điều kiện:  { j i Pj } x j + x j x j  0, x j   { j i Pj } x j  y i i = 1, 2, …, n = dj i = 1, 2, …, m x j j 0 Thuật toán: begin gán x := (d1, 0, d2, 0, …, dm, 0); thực tính tốn y, z(x), A; gán i := 1; while i  n begin tạo danh sách yêu cầu bắt đầu nút thứ i xắp xếp theo thứ tự giảm dần Pj ; gán yêu cầu j := giá trị danh sách nút thứ i; while Pj  A begin      x :  x  x j , gán j j  [Type text]  kP  z ( x)  y k   j   ;     Quy hoạch mạng truyền dẫn hệ sau      x :  x  gán j x j , j   kP  z( x )  y k   j   ;     cập nhật giá trị y, z(x), A; gán yêu cầu thứ j := yêu cầu danh sách; end; gán i := i + 1; end; end; b, Định cỡ cho mạng có nhiều vịng Một mạng gồm có nhiều vịng xem mạng có nhiều mạng con, mạng vòng Khi việc định cỡ cho mạng chất định tuyến cho yêu cầu lưu lượng cặp nút vòng yêu cầu lưu lượng cặp nút khơng nằm vịng Trong đó, lưu lượng hai nút mạng nằm hai vòng khác định tuyến theo nguyên tắc sau:  Bước 1: Yêu cầu định tuyến từ nút nguồn đến nút Hub mạng  Bước 2: Định tuyến yêu cầu từ nút Hub đến nút đích Dựa nguyên tắc này, việc định cỡ cho mạng gồm có nhiều vịng giải bước sau: Bước 1: Cập nhật ma trận lưu lượng Giả sử Ni Nj hai nút mạng thuộc vòng khác nhau, Nk nút Hub mạng Yêu cầu lưu lượng nút là: dij, d ji, dik, dki, djk, dkj Việc cập nhật thực sau: dik = dik + dij; d kj = d kj + d ij; djk = djk + dji; d ki = d ki + d ji; dij = dji = 0; Như vậy, bảng ma trận lưu lượng trước sau cập nhật có dạng sau: i i … k … dik j dij … k i … k … j dik + dij dki + d ji dkj + dij d jk + dji … dki dkj … j i k … dji djk j Ma trận ban đầu Ma trận sau cập nhật Bước 2: Định cỡ cho vòng mạng Sau cập nhật ma trận lưu lượng, khơng cịn lưu lượng u cầu cặp nút nằm hai vòng khác Khi đó, việc định cỡ mạng trở thành định cỡ cho vòng mạng c, Định cỡ cho mạng dạng lưới [Type text] Quy hoạch mạng truyền dẫn hệ sau Phương pháp định tuyến cho mạng dạng lưới kết hợp giải thuật di truyền (GA) định tuyến K shortest loopless paths Yen để xác định đường định tuyến tối ưu cho yêu cầu truyền dẫn cặp nút mạng [11] Việc áp dụng thuật toán Yen cho ta kết K đường định tuyến ngắn cho yêu cầu dựa đồ kết nối độ dài liên kết mạng [12] Kết sử dụng để xây dựng chuỗi gien giải thuật di truyền Giải thuật di truyền áp dụng cho toán định tuyến tối ưu mạng dạng lưới trình bày Giải thuật di truyền sử dụng cho định tuyến tối ưu Khởi tạo dân số mã hóa Chuỗi gien sử dụng chuỗi số nguyên dạng nhị phân 1, chuỗi gien dùng để biểu diễn cho giải pháp định tuyến lựa chọn cho tất yêu cầu mạng Mỗi chuỗi gien bao gồm nhiều chuỗi gien Trong đó, chuỗi gien biểu thị lựa chọn đường định tuyến số K đường định tuyến yêu cầu (được xác định từ việc áp dụng thuật tốn Yen) Như vậy, có n cặp nút nguồn đích, cặp tìm K đường ngắn độ dài chuỗi gien log2k.n bít Ví dụ hình Dân số khởi tạo lựa chọn ngẫu nhiên cho cặp nguồn đích đường truyền lựa chọn K xác định thuật toán Yen với số dân ban đầu N phù hợp Hàm mục tiêu Mục tiêu việc định cỡ mạng tối ưu giá thành tối thiểu số bước sóng cần sử dụng Chính hàm mục tiêu sử dụng GA cần biểu diễn hai thành phần để tối ưu GA + Tối thiểu giá thành đầu tư: Min( ∑Cijk ), với Cijk giá yêu cầu từ nút i→j theo đường k Є K + Tối thiểu tổng số bước sóng cần sử dụng: Min(∑Wij ), với Wij số bước sóng cần sử dụng liên kết (i, j) Tuy nhiên, hai mục tiêu khơng đồng thời xảy Vì thế, ta cần có phương pháp để lựa chọn giải pháp cho đạt giải pháp đảm bảo có lợi [Type text] Quy hoạch mạng truyền dẫn hệ sau cho hai hàm mục tiêu Phương pháp lựa chọn giải pháp tối ưu Pareto Lai tạo đột biến Phương pháp lai tạo sử dụng phương pháp lai tạo 2-điểm chuỗi gien [9] Quá trình lai tạo 2-điểm thực sau:  Chọn ngẫu nhiên hai điểm phân biệt chuỗi gien  Lấy phần đầu cuối chuỗi gien bố mẹ thứ kết hợp với phần chuỗi gien bố mẹ thứ hai để hình thành gien thứ hệ  Lấy phần đầu cuối chuỗi gien bố mẹ thứ hai kết hợp với phần chuỗi gien bố mẹ thứ để hình thành gien thứ hai hệ Q trình mơ tả hình Sau trình lai tạo trình đột biến Đột biến thực cách ngẫu nhiên gien chuỗi với xác xuất đột biến 1/L, với L chiều dài chuỗi gien Đột biến biến đổi gien từ giá trị thành giá trị ngược lại Lựa chọn dân số hệ Việc lựa chọn dân số hệ trình tiến hóa GA q trình lựa chọn ngẫu nhiên theo tỷ lệ dựa nguyên lý bánh xe Rulet d, Định cỡ cho mạng kết nối liên khu vực Với cấu trúc mạng phân cấp yêu cầu hai nút mạng thuộc hai mạng khác định tuyến theo nguyên tắc sau:  Bước 1: Yêu cầu định tuyến từ nút nguồn đến nút Hub mạng  Bước 2: Định tuyến yêu cầu nút mạng Hub đến nút mạng Hub mạng chứa nút đích dựa cấu trúc mạng liên kết liên kết nối xác định  Bước 3: Định tuyến yêu cầu từ nút Hub đến nút đích Phát triển phần mềm [Type text] Quy hoạch mạng truyền dẫn hệ sau 3.1 Thiết kế hệ thống phần mềm Chức phần mềm quy hoạch mạng truyền dẫn quang DWDM chức hình bên dưới: NetPlan 2.0 Dự báo Dịch vụ Dự báo Lưu lượng Xử lý liệu Mơ hình mạng Quy hoạch mạng chuyển mạch Cấu trúc liên kết Xử lý liệu đầu vào Phân vùng Cập nhật liệu bước quy hoạch Xác định CTLK mạng Báo cáo kết Xác định CTLK mạng liên kết nối Quy hoạch mạng truyền dẫn Quy hoạch mạng di động Định cỡ mạng Định cỡ cho mạng Định cỡ cho mạng liên kết nối Xác định dung lượng bảo vệ Phân chia tài nguyên I.3 Kiến trúc hệ thống phần mềm Lõi phần mềm Bản đồ (MapInfo/MapBasic) Công cụ quy hoạch mạng truyền dẫn hệ sau Báo cáo Các kết quy hoạch Dữ liệu đầu vào Cơ sở liệu [Type text] Quy hoạch mạng truyền dẫn hệ sau I.3 Thiết kế hệ thống phần mềm Phát triển mô-đun phần mềm Phần mềm xây dựng dựa phương pháp thiết kế hệ thống trình bày phần Phần mềm bao gồm tính sau:  Nhập liệu đầu vào bao gồm: đồ, vị trí nút mạng, ma trận lưu lượng dự báo  Thao tác liệu đầu vào, liệu đầu bước quy hoạch nhằm tăng tính tiện dụng phần mềm sử dụng Tạo nên tính mềm dẻo xử lý công cụ phần mềm  Phân vùng mạng thành mạng nhằm chia mạng tổng thể thành vùng mạng để quản lý quy hoạch hiệu  Xây dựng cấu trúc liên kết mạng cho khu vực Chức bao gồm hai chức sau: Xây dựng cấu trúc liên kết mạng cấu trúc liên kết mạng liên kết nối mạng với  Định tuyến tối ưu cho yêu cầu truyền dẫn cặp nút mạng bao gồm mức, là: định tuyến mạng định tuyến cho yêu cầu mạng liên kết nối  Phân chia tài nguyên mạng, cụ thể phân chia bước sóng cho mạng truyền dẫn quang  Cho phép thao tác để báo cáo kết đồ họa bảng biểu [Type text] Quy hoạch mạng truyền dẫn hệ sau TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Quốc Thành, Đinh Văn Dũng, Nguyễn Chiến Trinh, Phương pháp quy hoạch mạng truyền dẫn quang ghép kênh theo bước sóng WDM, Hội nghị nghiên cứu, phát triển ứng dụng công nghệ thông tin truyền thông rda’05, Hà Nội, Việt Nam, 2006 [2] The International Engineering Consortium, Dense Wavelength Divisionb Multiplexing (DWDM), http://www.iec.org [3] EURESCOM, Considerations on Optical Network Architectures: Functionalities, Configurations and Client Signals, Deliverable 1, EURESCOM Project P709, 1998 [4] EURESCOM, Main Report, Vol of 9, Deliverable 3, EURESCOM Project P709, 1998 [5] EURESCOM, Dimensioning methods for optical network long-term planning, Vol of 9, Deliverable 3, EURESCOM Project P709, 1998 [6] WUT, Description of NGI core network models and related optimization problems, D.JRA.3.1.1, Design and Engineering of the Next Generation Internet, towards convergent multi-service networks, 2004 [7] WUT, Description of the selected methods and algorithms for solving the problems specified in Deliverable D.JRA.3.1.1 Initial report on the effectiveness of the methods, D.JRA.3.1.2, Design and Engineering of the Next Generation Internet, towards convergent multi-service networks, 2004 [8] Ernesto Q Vieira Martins, Marta Margarida B Pascoal and José Luis E Santos, An Algorithm for Ranking Loopless Paths, Department de Matemática, Universidade de Coimbra, Portugal, July 1998 [9] William M Spears, Adapting Crossover in a Genetic Algorithm, Naval Research Laboratory Washington, D.C 20375 USA, 1995 [10] Xiaoyu Yao and Chao Chen, Simulation Study of Diverse Routing and Protection Algorithm in Mesh WDM Network, Department of Computer Science and Engineering, University of Nebraska –Lincoln, Spring 2004 [11] Nilanjan Banerjee, Vaibhav Mehta and Sugam Pandey, A Genetic Algorithm Approach for Solving the Routing and Wavelength Assignment Problem in WDM Networks, Department of Computer Science an Engineering, Indian Institute of Technology, 2002 [12] Andrew W Moore, K-means and Hierarchical Clustering, School of Computer Science Carnegie Mellon University, 2001 [Type text] ... sóng vào sợi quang để truyền Phương pháp quy hoạch mạng truyền dẫn DWDM Cũng giống toán quy hoạch mạng khác, toán quy hoạch mạng truyền dẫn quang chia thành bước: quy hoạch chiến lược quy hoạch. .. trúc hệ thống phần mềm Lõi phần mềm Bản đồ (MapInfo/MapBasic) Công cụ quy hoạch mạng truyền dẫn hệ sau Báo cáo Các kết quy hoạch Dữ liệu đầu vào Cơ sở liệu [Type text] Quy hoạch mạng truyền dẫn hệ. . .Quy hoạch mạng truyền dẫn hệ sau Mạng truyền dẫn hệ 1.1 Xu phát triển từ mạng có lên NGN Khái niệm mạng hệ (hay gọi mạng hệ - NGN) đời với việc tái kiến trúc mạng, tận dụng tất ưu công nghệ