BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Kiều Thành Chung NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP ĐỊNH TUYẾN TRONG TÔ-PÔ MẠNG LIÊN KẾT HIỆU NĂNG CAO VÀ CÔNG CỤ ĐÁNH GIÁ Ngành: Kỹ thuật phần mềm Mã số: 9480103 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT PHẦN MỀM Hà Nội – 2021 Công trình hồn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN KHANH VĂN TS PHẠM ĐĂNG HẢI Phản biện 1: …………………………………………… Phản biện 2: …………………………………………… Phản biện 3: …………………………………………… Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ……… Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Thiết kế giải pháp tô-pô hiệu đóng góp định vào kiến trúc mạng truyền tin lõi lưới tính tốn lớn hệ máy tính hiệu cao, lưới điều khiển lượng thông minh hay DC đại với hàng nghìn nút tính tốn Với phát triển nhanh chóng quy mơ (số lượng nút tính tốn tăng cao) lĩnh vực thiết kế đa xử lý song song hay lưới tính tốn địi hỏi đặc biệt DC kiểu hầu hết cấu trúc tơ-pơ truyền thống nhiều trở nên lạc hậu với hai vấn đề chính: 1) khơng đáp ứng yêu cầu độ trễ truyền tin thấp, thơng lượng cao; 2) tính co giãn quy mơ (scalability) tính linh hoạt (flexibility), tức thay đổi nhanh chóng (về số lượng) nút tính tốn Xuất phát từ hai vấn đề trên, mục đích nghiên cứu luận án tập trung hai nội dung chính, thứ thiết kế tơ-pơ mạng thuật tốn định tuyến tương ứng mục đích thứ hai xây dựng thiết kế kiến trúc cho công cụ hỗ trợ đánh giá hiệu mạng Trên sở lý thuyết, NCS phân tích, khái qt hóa vấn đề xây dựng thuật toán định tuyến mới, đồng thời tiến hành so sánh hiệu tô-pô mạng nghiên cứu liên quan bao gồm yếu tố hiệu năng, mối liên quan đánh đổi yếu tố hiệu Các kết thực nghiệm hai phương pháp: Phân tích đồ thị: đánh giá tham số hiệu dựa đặc tính đồ thị tơpơ thuật tốn định tuyến; Mơ giả lập: gói tin tạo ra, truyền qua mạng, ghi nhận lại hoạt động đưa tham số cần thiết độ trễ truyền tin thông lượng Luận án góp phần bổ sung làm phong phú sở lý luận khoa học việc đưa giải pháp cho việc thiết kế tơ-pơ mạng, thuật tốn định tuyến, phù hợp với phát triển DC đại có kích thước ngày tăng nay; Góp phần xây dựng thiết kế thuật tốn định tuyến, kiến trúc phần mềm cơng cụ hỗ trợ đánh giá hiệu mạng; Cung cấp thêm nguồn tài liệu tham khảo, khảo sát hữu ích nhằm phục vụ nghiên cứu đề xuất giải pháp thiết kế tơ-pơ Kết nghiên cứu có giá trị tham khảo tổ chức, doanh nghiệp xây dựng, triển khai DC cỡ vừa nhỏ tổ chức ngân hàng, DC ngành (Bộ, Ban, ngành, tổ chức xã hội) doanh nghiệp chuyên biệt DC đại Viettel, FPT, VTC, VNPT, EVN, … Hình thành cơng cụ mơ giả lập SSiNET triển khai phục vụ nghiên cứu SedicLab – SoICT, Bách Khoa Hà Nội Những đóng góp nghiên cứu bao gồm hai nội dung chính: (i) Đề xuất giải thuật định tuyến mới: Định tuyến phân cấp (HRSW: CT1); Định tuyến rút gọn (CORRA: CT2); Định tuyến rút gọn dựa nút đại diện cho vùng nút mạng (GLCR: CT3), có điều chỉnh phương thức tuyển chọn nút đại diện (IJDST: CT5) (ii) Đề xuất công cụ thực nghiệm mô đánh giá hiệu mạng: công cụ phần mềm SSiNET (CT4), thực giả lập chế truyền tin mạng; Ứng dụng để đề xuất mơ hình tơ-pơ lai cho DC cỡ vừa, tiết kiệm chi phí đáp ứng không gian mở phù hợp với điều kiện thực tiễn Việt Nam (CT6) Luận án gồm chương Chương giới thiệu tổng quan lĩnh vực kiến thức liên quan đến đề tài Chương trình bày giải pháp định tuyến CORRA GLCR Chương trình bày thiết kế kiến trúc cơng cụ mô hỗ trợ đánh giá hiệu mạng, SSiNET CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Trong chương này, trình bày nội dung bản, tổng quan đến cấu trúc tổ chức mạng nghiên cứu liên quan đến trình xác định đường gói tin cặp nguồn – đích 1.1 Cơ sở lý thuyết 1.1.1 Tô-pô mạng (Network topology) 1.1.1.1 Giới thiệu mạng liên kết Mạng liên kết (Interconnection Network) hệ thống thiết bị (ví dụ máy chủ, thiết bị chuyển mạch switch) kết nối với nhau, lập trình sử dụng để vận chuyển liệu thiết bị đầu cuối Mạng liên kết ứng dụng rộng rãi hệ thống máy tính hệ thống chuyển mạch thơng tin liên lạc như: tính tốn hiệu cao, lưu trữ vào (storage I/O), cluster/workgroup 1.1.1.2 Cấu trúc mạng liên kết Cấu trúc mạng hay gọi tô-pô mạng mẫu thiết kế thể đặt nút mạng kết nối nút mạng với hay hiểu phương pháp xếp kênh truyền nút mạng Mỗi mẫu kết nối nút mạng yêu cầu thuật toán định tuyến riêng biệt nhằm đảm bảo hiệu mạng liên kết 1.1.1.3 Các thành phần mạng liên kết Mạng liên kết xây dựng thông qua việc cân nhắc ràng buộc kĩ thuật nhằm cài đặt ba yếu tố cấu hình mạng (topology), định tuyến (routing) điều khiển luồng (flow control) Định tuyến trình lựa chọn đường chọn để gói tin truyền theo Điều khiển luồng thực liên tục theo thời gian đóng vai trị quan trọng việc vừa chuyển tiếp gói tin với độ trễ nhỏ nhất, vừa đảm bảo tài nguyên mạng 1.1.1.4 Một số khái niệm liên quan đến mạng liên kết a Nút mạng kênh truyền Cấu trúc mạng liên kết xác định tập hợp nút mạng (kí hiệu 𝑁 ∗ ) mà chúng kết nối tập hợp kênh (gọi 𝐶) Mỗi thiết bị chuyển tiếp tính tốn mạng biểu diễn nút mạng (thiết bị đầu cuối) 𝑁 𝑁 ⊆ 𝑁 ∗ Tất nút mạng xem thiết bị đầu cuối, kênh 𝑐 = (𝑥, 𝑦) ∈ 𝐶, kết nối nút nguồn 𝑥 đến nút đích 𝑦, với 𝑥, 𝑦 ∈ 𝑁 ∗ b Kết nối trực tiếp kết nối gián tiếp Một nút mạng nút nguồn (gửi) nút đích (nhận) cho gói tin, nút chuyển mạch để chuyển tiếp gói tin từ cổng vào đến cổng ra, hai Trong mạng trực tiếp, gói tin chuyển tiếp trực tiếp nút đầu cuối, trong mạng gián tiếp chúng chuyển thông qua nút chuyển mạch c Lát cắt đường mạng Lát cắt mạng, 𝐶(𝑁1 , 𝑁2 ), tập hợp kênh phân vùng tập tất nút mạng 𝑁 ∗ thành hai tập rời nhau, 𝑁1 𝑁2 Đường tập hợp có thứ tự kênh 𝑃 = (𝑐1 , 𝑐2 , … , 𝑐𝑛 ), 𝑇𝑐𝑖 = 𝑆𝑐𝑖+1 với 𝑖 = 1,2, … , (𝑛 − 1) Các nguồn 𝑃 là, 𝑆𝑃 = 𝑆𝑐1 đích đến 𝑇𝑃 = 𝑇𝑐𝑛 Chiều dài đường |𝑃|, tính theo hop count 1.1.2 Giới thiệu giải thuật định tuyến 1.1.2.1 Khái niệm định tuyến Định tuyến trình lựa chọn xác định đường để truyền gói tin từ nguồn tới đích mạng (i) Thuật tốn định tuyến giúp cân tải (ii) Một thuật toán định tuyến tốt giúp cho gói tin truyền theo đường ngắn nhất, làm giảm số lượng hop (), giảm độ trễ truyền tin (iii) thuật tốn định tuyến tốt cịn có khả chịu lỗi vài nút mạng, liên kết xảy cố hoạt động 1.1.2.2 Phân loại giải thuật định tuyến a Định tuyến Các thuật toán định tuyến đơn giản định tuyến xác định (deterministic routing) – chúng gửi gói tin từ nguồn 𝑆 đến đích 𝑇 xác tuyến đường cho lần phát sinh yêu cầu chuyển tiếp gói tin b Định tuyến xác định định tuyến thích nghi Định tuyến xác định ngẫu nhiên (Oblivious Routing), đó, gói tin truyền mà khơng xem xét trạng thái mạng Định tuyến thực thi đơn giản cách gửi gói tin đến nút mạng chọn ngẫu nhiên gần nút thời, sau đó, từ nút mạng chọn định tuyến đến nút đích Ngược lại, định tuyến thích nghi (Adaptive Routing) sử dụng thơng tin trạng thái mạng, sử dụng hàng đợi, lựa chọn đường thay để chuyển tiếp gói tin c Điều khiển luồng (flow control) Điều khiển luồng (flow control) trình xác định cách thức tài nguyên mạng (kết nối, đệm nút mạng…) phân phối cho gói tin sử dụng q trình truyền tin Điều khiển luồng tốt cách thức phân phối tài nguyên cách có hiệu qua truyền tin với độ trễ nhỏ xác định trước 1.1.3 Hiệu mạng liên kết 1.1.3.1 Đường kính mạng trung bình độ dài đường định tuyến Đường ngắn nhất, 𝐻(𝑢, 𝑣), nút mạng 𝑢 𝑣, đường có số lượng khoảng (hop) bé mà kết nối chúng Đường kính mạng (Diameter), kí hiệu 𝐻𝑚𝑎𝑥 , đường lớn tất đường cặp nút mạng (𝐻𝑚𝑎𝑥 = max(∀𝐻(𝑢, 𝑣))) Tham số 𝐴𝑅𝑃𝐿 (Average Routing Path Length), trung bình chiều dài đường định tuyến, đưa chiến thuật định tuyến không tuân theo đường ngắn 1.1.3.2 Độ trễ truyền tin “Độ trễ khoảng thời gian từ gói tin khởi tạo nút nguồn đến gói tin nhận nút đích” Nếu nghiên cứu liên quan đến kết nối thiết bị mạng, độ trễ định nghĩa khoảng thời gian kể từ thành phần liệu gói tin bắt đầu gửi vào mạng thành phần liệu cuối đến đích 1.1.3.3 Bảng định tuyến kích thước bảng định tuyến Quan hệ định tuyến có dạng: 𝑅: 𝑁 × 𝑁 → 𝑃(𝑃)hoặc 𝑅: 𝑁 × 𝑁 → 𝑃(𝐶) 𝑅: 𝐶 × 𝑁 → 𝑃(𝐶) Trong đó, 𝑁 tập nút mạng, 𝑃 tập đường nút mạng 𝐶 tập kênh truyền Giá trị mối quan hệ cho cặp đầu vào lưu trữ bảng bảng lập mục đầu vào Tổng số ghi lưu trữ mối quan hệ định tuyến kích thước định tuyến 1.1.3.4 Thơng lượng mạng Thông lượng định nghĩa lượng thông tin tối đa truyền đơn vị thời gian mạng liên kết Lượng thông tin truyền đơn vị thời gian gọi lưu lượng liệu (traffic) Do thơng lượng cịn hiểu lưu lượng liệu tối đa mà mạng chấp nhận (maximum accepted traffic) 1.1.4 Mô đánh giá hiệu mạng Phần mềm mô dựa trình mơ hình hóa tượng thực tế với tập hợp cơng thức tốn học Về bản, chương trình cho phép người dùng quan sát hoạt động thông qua mô mà khơng thực thực hoạt động Phần mềm mô sử dụng rộng rãi để thiết kế thiết bị cho sản phẩm cuối gần với thơng số kỹ thuật thiết kế mà khơng tốn việc sửa đổi quy trình 1.2 Giới thiệu toán nghiên cứu liên quan 1.2.1 Bài toán nghiên cứu Bài toán với hai nội dung sau: i) Xây dựng giải pháp định tuyến cho đảm bảo truyền tin cặp nút mạng, đồng thời đảm bảo sử dụng thơng tin lưu trữ nút mạng khai thác tốt tham số hiệu mạng ii) Xây dựng phương thức mô đánh giá hiệu tô-pô mạng, đặc biệt mạng có kích thước lớn, tương ứng với DC thực tế 1.2.1.1 BÀI TOÁN 1: Thiết kế định tuyến cho mạng ngẫu nhiên với kích thước bảng định tuyến nhỏ trì tốt yếu tố hiệu Đối với tơ-pơ ngẫu nhiên, SPR địi hỏi nút mạng phải định dạng bảng định tuyến có kích thước lớn với kích thước Ω(𝑛𝑙𝑜𝑔𝑛), tồn cài đặt mạng đòi hỏi thời gian xây dựng bảng định tuyến cho nút mạng Ω(𝑛2 ) Đây điểm yếu lớn cách tiếp cận trở thành điểm nghẽn Do vậy, tô-pô ngẫu nhiên cần xem xét thiết kế định tuyến rút gọn đảm bảo kích thước bảng định tuyến (𝑅𝑇𝑆: routing table size) nhỏ trì 𝐴𝑅𝑃𝐿 đủ ngắn 1.2.1.2 BÀI TOÁN 2: xây dựng kiến trúc công cụ mô giả lập hỗ trợ đánh giá hiệu mạng liên kết Vấn đề tổ chức đánh giá qua thực nghiệm với mô hình mạng kích thước lớn Đối với cơng cụ mô mạng phổ biến NS3, OMNET++, hay SIMGRID khó có khả thực nghiệm mạng có kích thước lớn Cơng cụ mơ cần tìm kiếm giải pháp nhằm giảm tải thông tin không cần thiết, mà giữ lại yếu tố cốt lõi (như số nút mạng, vị trí đặt nút mạng, liên kết chúng) để đánh giá hiệu mạng hiệu Ngoài ra, trường hợp cụ thể việc đề xuất giải pháp tơ-pơ với chi phí triển khai thấp mà đảm bảo tính linh hoạt cao dễ mở rộng đáp ứng điều kiện hạn chế không gian như: kết hợp nhiều phịng máy chủ có diện tích sàn bị giới hạn, không liền kề Các kiến trúc tô-pô mạng liên kết ứng dụng phổ biến giới không thực phù hợp cho điều kiện thực tế đặc thù Hiện nay, Việt Nam chưa có nghiên cứu cụ thể vấn đề nêu 1.2.2 Tình hình nghiên cứu Từ lâu nhà khoa học đặc biệt quan tâm đến vấn đề thiết kế tôpô dùng bậc đỉnh thấp hay bậc đỉnh cao cho hệ thống tính tốn lớn Tơ-pơ bậc đỉnh thấp sử dụng phổ biến hệ thống tính tốn hiệu cao nhờ có ưu điểm như: (i) chế quản lý lỗi đơn giản, (ii) dễ dàng tích hợp định tuyến mạng lõi tính tốn vào chip xử lý hay mạch đơn, (iii) cách bố trí switch mạng khơng gian vật lý tương đối tiết kiệm giao thức truyền thông dễ chỉnh sửa Các đồ thị ngẫu nhiên biết đến với ưu điểm đường kính nhỏ Đặc tính “thế giới nhỏ” (small-world) mạng nhận nhiều quan tâm giới khoa học, bắt nguồn từ báo Watts Strogatz Kleinberg việc tăng cường có lựa chọn số liên kết xa giúp giảm thiểu nhanh chóng đường kính mạng cung cấp khả tìm kiếm phân tán Đồ thị giới nhỏ ngẫu nhiên đề xuất để xây dựng DC với khả mở rộng, kháng lỗi thông lượng cao nghiên cứu gần Có hai vấn đề cần phải đặt giải tốt nhiều so với giải pháp truyền thống: (1) đảm bảo tính co giãn qui mơ (scalability) để giảm thiểu chi phí vận hành bảo trì, (2) đưa phương pháp giải tốn kinh tế - kỹ thuật sau: biết trước kinh phí đầu tư thiết bị phần cứng, thiết kế chi tiết giải pháp tô-pô liên kết hiệu quả, tối ưu thông số hiệu 1.2.3 Các nghiên cứu liên quan Cách tiếp cận nhà khoa học việc đề xuất giải pháp bao gồm: i) Thiết kế tô-pô áp dụng thuật tốn định tuyến có sẵn, ví dụ SPR, định tuyến rút gọn,…; ii) Thiết kế giải thuật định tuyến áp dụng cho tơ-pơ có sẵn 2-D Torus, 3-D Torus, Fat-Tree; iii) Thiết kế tô-pô thuật toán định tuyến 1.2.3.1 Mạng liên kết ngẫu nhiên Mạng ngẫu nhiên xây dựng dựa tô-pô Mesh, Hyper-cube, Flat Butterfly,…, với liên kết lưới liên kết vòng, ví dụ, 2-D Torus, 3-D Torus, nút mạng nút hàng xóm bổ sung liên kết dài nút mạng xa nhau, mà liên kết dài tạo phân bố xác suất Đường kính mạng 𝐴𝑅𝑃𝐿 xem yếu tố tác động độ trễ truyền gói tin cặp nguồn đích 1.2.3.2 Thuật tốn định tuyến rút gọn Định tuyến rút gọn hướng tới việc thiết kế kịch định tuyến mà sử dụng thơng tin định tuyến việc chuyển tiếp gói tin nút trung gian Mục tiêu hướng tới xây dựng giải pháp định tuyến tiệm cận tối ưu đảm bảo giảm kích thước bảng định tuyến a Định tuyến phân cấp – Hierarchical routing Ý tưởng cách tiếp cận “gom” nút hàng xóm thành cụm, cụm lại “gom” thành cụm lớn hơn, tiếp tục toàn mạng Theo cách tổ chức vậy, nút mạng lưu trữ thơng tin kết nối tới nút khác cụm, đồng thời lưu trữ thông tin liên kết kết nối tới cụm khác b Định tuyến rút gọn (khai thác thông tin nút đại diện) Các nút đại diện (landmark node) lựa chọn ngẫu nhiên chúng đại diện cho nút thường (non-landmark node), gần so với nút đại diện khác Các nút thường gom nút (không bao gồm nút đại diện) thành cụm Các nút thường lưu trữ thông tin cần thiết đường ngắn từ 𝑢 tới nút vùng cụm tới nút đại diện Thuật tốn định tuyến rút gọn đạt hiệu stretch-3 định tuyến nút nguồn 𝑆 tới đích 𝑇: (1) định tuyến ngắn từ 𝑆 tới 𝑇 𝑇 nằm cụm 𝑆; (2) ngược lại, gói tin chuyển tiếp tới nút đại diện gần 𝑇, sau định tuyến tới nút 𝑇, điều giải kỹ thuật gán nhãn 1.2.3.3 Mô đánh giá hiệu mạng liên kết có kích thước lớn Các phần mềm NS2, NS3, Omnet++, Simgrid có tính phổ qt cao, tập trung mơ thiết bị giao thức mạng cách chi tiết đầy đủ Do vậy, lượng thông tin lưu trữ khối lượng tính tốn trở nên đồ sộ khó thực thi với mạng kích thước lớn Xây dựng thành cơng sản phẩm hệ công cụ cho phép thực thiết kế chi tiết đánh giá “mềm” giải pháp tô-pô Sản phẩm hỗ trợ thiết kế cho phép mô sát thực tô-pô liên kết 1.2.3.4.Thiết kế tô-pô cho DC cỡ vừa điều kiện thực tế Sử dụng công cụ phần mềm SSiNET để mô thực tế, NCS đề xuất tô-pô lai Bus-RSN tạo cách kết hợp tô-pô dạng Bus tơ-pơ RSN thành phần Bus đóng vai trò đường trục kết nối vùng máy chủ liên tục (tương ứng phòng hay sàn) mà vùng liên kết cấu trúc RSN, phù hợp với giới hạn không gian riêng biệt phịng máy chủ 1.3 Tóm tắt chương Bao gồm nội dung sau: sở lý thuyết bao gồm khái niệm tô-pô mạng liên kết, thuật toán định tuyến hiệu mạng liên kết; Giới thiệu tốn nghiên cứu chính, bao gồm toán giải pháp thiết kế định tuyến rút gọn với 𝑅𝑇𝑆 nhỏ trì yếu tố hiệu toán xây dựng kiến trúc công cụ mô giả lập hỗ trợ đánh giá hiệu mạng; Tình hình nghiên cứu giới Việt Nam nghiên cứu liên quan lĩnh vực thiết kế xây dựng giải pháp tơ-pơ mạng thuật tốn định tuyến Các nghiên cứu liên quan đến thiết kế công cụ mô mạng CHƯƠNG 2: ĐỊNH TUYẾN RÚT GỌN CHO MƠ HÌNH MẠNG NGẪU NHIÊN Trong chương này, NCS đề xuất giải pháp thiết kế định tuyến rút gọn để đạt 𝑅𝑇𝑆 nhỏ trì yếu tố hiệu 2.1 Tơ-pơ mạng ngẫu nhiên thuật tốn định tuyến rút gọn 2.1.1 Tô-pô mạng ngẫu nhiên Với tô-pô sở dạng lưới 𝐺 = (𝑉, 𝐸), 𝑉 tập hợp nút mạng, 𝐸 tập liên kết dạng lưới, nút mạng kết nối tới nút liền kề với hop, ngoại trừ nút mạng góc nút mạng 2.2.4.2 Đánh giá kích thước bảng định tuyến theo giải pháp sử dụng cầu nối CORRA TZ có trung bình số lượng ghi nhỏ so sánh với SPR 87,33% 94,68%, tương ứng Kết cho thấy, CORRA đảm bảo tiêu chí giảm RTS lớn so với SPR, nhiên, lớn (không nhiều) so với TZ, thuật tốn CORRA, ngồi việc lưu trữ thơng tin hàng xóm, thơng tin 𝑏𝑟𝑖𝑑𝑔𝑒1 𝑏𝑟𝑖𝑑𝑔𝑒2 lưu trữ nhiều 2.2.4.3 Đánh giá đường kính mạng TZ có 𝑀𝑅𝑃𝐿 tồi tất kích thước mạng, nhiên, 𝑅𝑇𝑆 lại bé so sánh với CORRA SPR Nguyên nhân thuật toán TZ, kích thước cụm tạo lớn, nên việc định tuyến từ nút (khoảng giữa) đến biên cụm qua nhiều hop vùng cụm trước đến nút đại diện gần CORRA đạt 𝑀𝑅𝑃𝐿bé (tính theo hop) 𝑅𝑇𝑆 nút lại cao TZ 2.2.4.4 Đánh giá trung bình chiều dài đường định tuyến CORRA có 𝐴𝑅𝑃𝐿 thấp TZ khoảng 21,13% mạng 1.024 nút, không vượt xa so với giá trị tối ưu SPR CORRA đạt kết tốt khai thác số lượng liên kết cầu nhiều TZ 2.2.4.5 Đánh giá trung bình độ trễ truyền tin Độ trễ trung bình tương đồng với giá trị 𝑀𝑅𝑃𝐿 𝐴𝑅𝑃𝐿 Độ trễ trung bình CORRA tương tự với SPR, ví dụ: CORRA lớn 3% 7% với mạng có kích thước 2.048 1.024 tương ứng Trong đó, độ trễ TZ cao CORRA khoảng 10% đến 48% với kích thước 8.192 1.024 nút tương ứng 2.2.4.6 Đánh giá thực nghiệm với mạng kích thước lớn Rất khó để tiến hành thực nghiệm mạng cỡ lớn thiếu hụt tài ngun tính tốn Thay cho việc tính toán bảng định tuyến cho nút nguồn 𝑠 nút đích 𝑡, áp dụng thuật tốn CORRA cho cặp (𝑠; 𝑡), thực định tuyến nút 𝑤, sau xây dựng bảng định tuyến cho nút Khi kích thước mạng tăng từ 214 tới 216 , CORRA trì tốt độ trễ trung bình tương đương tốt SPR 2.2.5 Kết luận hướng phát triển NCS đề xuất kịch định tuyến rút gọn CORRA mà trì 𝑅𝑇𝑆 nhỏ để lưu trữ thiết bị switch đồng thời trì 𝐴𝑅𝑃𝐿 thấp (xấp xỉ dài khơng đáng kể so với SPR) CORRA, có 𝐴𝑅𝑃𝐿 tăng 20% so với SPR, giảm 17,6% so với TZ Tuy 11 nhiên, so với SPR, thuật toán định tuyến CORRA giảm 𝑅𝑇𝑆 88% 94% với mạng có kích thước 2.048 8.192 tương ứng Điều chứng tỏ CORRA có chi phí lưu trữ (𝑅𝑇𝑆) cao không đáng kể đạt giá trị 𝐴𝑅𝑃𝐿 tốt nhiều so với thuật toán TZ 2.3 Định tuyến khai thác nút đại diện chế tuyển chọn nút đại diện Kịch định tuyến rút gọn dựa tính chất địa hạt nút đại diện, gọi Geographic Landmark-based Compact Routing (viết tắt: GLCR) Vấn đề đặt liệu tồn kịch định tuyến rút gọn tốt mà phù hợp với mạng ngẫu nhiên cải tiến kịch định tuyến TZ tốt không? 2.3.1 Xây dựng phương thức lựa chọn nút đại diện dựa vị trí 2.3.1.1 Ý tưởng thuật toán GLCR Xử lý vấn đề nút đại diện “yếu” bổ sung thêm nút ngẫu nhiên có khoảng cách phù hợp từ nút đại diện chọn trước với thuật tốn 𝐴𝑑𝑗𝑢𝑠𝑡𝐿𝑎𝑛𝑑𝑚𝑎𝑟𝑘𝑆𝑒𝑡() 𝑁𝑒𝑤𝑆𝑎𝑚𝑝𝑙𝑒() 2.3.1.2 Giới thiệu thuật toán định tuyến Thuậttoán 𝐴𝑑𝑗𝑢𝑠𝑡𝐿𝑎𝑛𝑑𝑚𝑎𝑟𝑘𝑆𝑒𝑡(): điều chỉnh nút đại diện 𝑁𝑒𝑤𝑆𝑎𝑚𝑝𝑙𝑒(): bổ sung nút đại diện Ý tưởng lựa chọn cách cẩn thận tập ứng viên 𝑊𝑠𝑢𝑏 mà xem xét để trở thành nút tiềm để bổ sung thành nút đại diện Điểm 𝑁𝑒𝑤𝑆𝑎𝑚𝑝𝑙𝑒(𝑊, 𝑏) đảm bảo không mong muốn lựa chọn từ tập 𝑊 với nút mà không xa nút cịn lại 2.3.2 Đánh giá thực nghiệm 2.3.2.1 Kích thước bảng định tuyến lớn Xét theo 𝑅𝑇𝑆, GLCR tiết kiệm TZ-refined khoảng 12% đến 15% Đối với 𝑧 ≤ 20, TZ-original sử dụng giá trị 𝑀 cố định (cho giá trị 𝑧) GLCR cải thiện TZ, giải thích sau: dựa ý tưởng việc đẩy (điều chỉnh) nút đại diện từ nút đại diện khác với khoảng cách phù hợp, GLCR quản lý tìm tập nút đại diện 𝐿 mà vùng 𝐵(𝑙) có kích thước tương đồng kích thước cụm 𝐶(𝑢), đó, giá trị lớn 𝑅𝑇𝑆 tiến tới giá trị thấp 2.3.2.2 So sánh 𝐴𝑅𝑃𝐿 với 𝑚𝑎𝑥𝑅𝑇𝑆 Thay đổi giá trị 𝑀 (với 𝑧 = 10, không đổi), giá trị |𝐿| thay đổi tương ứng, mà ảnh hưởng lên 𝐴𝑅𝑃𝐿 để thay đổi hướng: làm gia tăng số lượng nút đại diện (giảm kích thước cụm), rõ ràng làm cho 12 GLCR tiệm cận với định tuyến ngắn nhất; thực tế, 𝐿 = 𝑉 (tổng số nút mạng), hai đường định tuyến trở thành GLCR đạt đánh đổi tốt so với thuật toán lại Với giá trị 𝐴𝑅𝑃𝐿 (và route stretch, tương ứng), GLCR trì 𝑅𝑇𝑆 bé 2.3.2.3 Thực nghiệm GLCR với mạng kích thước lớn Thực nghiệm với kích thước mạng lớn 𝑛 = 217 = 131.072 nút mạng, với chi phí thời gian tính tốn 𝐴𝑅𝑃𝐿 lớn, NCS so sánh GLCR với TZ-original theo 𝑅𝑇𝑆 (mà khơng tính 𝐴𝑅𝑃𝐿) GLCR cần 𝑅𝑇𝑆 đạt 55% so với TZ-original Trong đó, số lượng nút đại diện sử dụng GLCR nhiều 3,40 lần so với TZ-original, điều hứa hẹn 𝐴𝑅𝑃𝐿 (của GLCR) nhỏ đảm bảo khả tính tốn 2.3.3 Kết luận hướng phát triển NCS đề xuất định tuyến GLCR mà làm giảm 𝑅𝑇𝑆 từ kịch phổ quát Thorup & Zwick, đạt giảm 15% kích thước mạng 1.024 45% kích thước mạng 100.000 nút, đảm bảo 𝐴𝑅𝑃𝐿 ngắn GLCR cải tiến kịch phổ quát TZ việc đưa kỹ thuật lựa chọn nút đại diện để đảm bảo chúng phân bố tồn mạng, điều tạo bảng định tuyến gọn 2.4 Xây dựng chế tuyển chọn nút đại diện 2.4.1 Tuyển chọn nút đại diện Chúng ta giải vấn đề khả mật độ không đồng nút đại diện đề xuất hai cách tiếp cận để cải tiến kỹ thuật lựa chọn nút đại diện TZ Xóa bỏ nút đại diện “yếu”, thực tuyển chọn nút đại diện Điều trì chi phí tính tốn thấp so với cách tiếp cận tuyển chọn đồng loạt 2.4.2 Cơ chế tuyển chọn nút đại diện 2.4.2.1 Tuyển chọn nút đại diện đồng loạt Đề xuất loại bỏ nút đại diện yếu sau vịng khởi tạo mà có kích thước vùng |𝐵( )|không đủ lớn Thủ tục SKIMMING xem xét lựa chọn nút đại diện tốt mà đủ xa so với lựa chọn trước 𝑁𝑒𝑤𝑆𝑎𝑚𝑝𝑙𝑒(𝑊𝑠𝑢𝑏 , 𝑏) lấy mẫu ngẫu nhiên nút 𝑤 từ 𝑊𝑠𝑢𝑏 chọn 𝑤 𝑏 hàng xóm 𝑊𝑠𝑢𝑏 sau loại bỏ 𝑤 hàng xóm 𝑊𝑠𝑢𝑏 , chuẩn bị cho lần lấy mẫu 2.4.2.2 Tuyển chọn nút đại diện nút Thuật toán lựa chọn nút đại diện (gọi 𝛽 − 𝐿𝑆), tuyển chọn nút một: cho tham số 𝑘 (được thiết lập 𝑛1⁄2), xây dựng không gian tập nút đại diện có kích thước 𝑘 Sử dụng heuristic chọn 13 nút xa từ tất nút đại diện tồn làm nút đại diện Về mặt trực quan, điều để tìm mật độ nút đại diện thấp bổ sung nút đại diện trung tâm vùng mật độ thấp Vì vậy, heuristic giúp khơng gian đồng tập nút đại diện 𝑘 đủ lớn, điều làm tối thiểu hóa 𝑅𝑇𝑆 𝐴𝑅𝑃𝐿 2.4.3 Thực nghiệm đánh giá chế tuyển chọn nút đại diện 2.4.3.1 Đánh giá kích thước bảng định tuyến lớn Các kết chứng minh thực tế dự kiến: cách đẩy nút đại diện cách xa khoảng cách hợp lý, đề xuất quản lý tất vùng bóng 𝐵(𝑙) có kích thước tương đương nhau, kích thước cụm 𝐶(𝑢) tương đương Do đó, 𝑅𝑇𝑆 đạt giá trị tối ưu, tạo sơ đồ định tuyến dựa nút đại diện rút gọn 2.4.3.2 Đánh giá 𝐴𝑅𝑃𝐿 theo chế tuyển chọn nút đại diện Thay kiểm tra đường định tuyến cặp nút để tính tốn 𝐴𝑅𝑃𝐿, với độ phức tạp tính tốn Ο(𝑛2 ), cần tính tốn giá ̅ L d ̅ l đối với tất 𝑙 ∈ 𝐿 với độ phức tạp trị 𝕒 việc tính tốn d Ο(𝑛𝑁𝐿 ) 𝐴𝑅𝑃𝐿 𝛽 − 𝐿𝑆 đạt giá trị gần với hạn dưới, từ giá trị 𝑁𝐿 = 200 16K nút từ 𝑁𝐿 = 800 100K nút (khoảng 1%) 𝛽 − 𝐿𝑆 dường cách tiếp cận tối ưu số kịch định tuyến rút gọn dựa nút đại diện 2.4.4 Kết luận hướng phát triển chế tuyển chọn nút đại diện NCS đề xuất thuật toán định tuyến rút gọn theo cách tiếp cận dựa nút đại diện phổ quát, làm giảm 𝑅𝑇𝑆 so với TZ khoảng 15-18% mạng có 1.024 nút, 16K nút, 100K nút làm cho 𝐴𝑅𝑃𝐿 ngắn Các đề xuất giúp cải tiến phương án TZ việc giới thiệu kỹ thuật heuristic việc lựa chọn nút đại diện mà hướng tới “đẩy” nút đại diện chọn xa so với nút đại diện khác làm cho chúng có khoảng cách đồng nhau, tạo vùng lãnh thổ nút đại diện có kích thước 𝑅𝑇𝑆 nhỏ gọn 2.5 Tóm tắt Chương Nội dung sau đây: Định tuyến phân cấp mạng ngẫu nhiên (phần phụ lục), Candar 2016 (CT1); Định tuyến khai thác thông tin cầu nối vùng xa, SoICT 2017 (CT2) Định tuyến dựa việc điều chỉnh trình lựa chọn nút đại diện chế tuyển chọn, RIVF 2019 (CT3) tạp chí IJDST 2019 (CT5) 14 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CÔNG CỤ HỖ TRỢ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG LIÊN KẾT Thiết kế phần mềm đánh giá tơ-pơ mạng thơng qua thực nghiệm có mơ phỏng, tập trung giản lược hóa tầng thấp – chủ yếu địa bàn để xây dựng thuật toán định tuyến cần – tập trung vào tổ chức thí nghiệm chuyên dụng cho mạng tầng 3.1 Kiến trúc tổng quan công cụ mô SSiNET 3.1.1 Ý tưởng SSiNET Công cụ phần mềm mô giản lược cần tập trung vào thực yếu tố cốt lõi sau: Cấu trúc thông tin đồ thị thuộc tính vật lý; Thuật tốn cấu trúc thông tin định tuyến; Mô hoạt động truyền tin mạng bản; Mô hoạt động tương tác cạnh tranh tài nguyên nút mạng Công cụ SSiNET (Simplified Simulation of the interconnection NETwork) với mục tiêu cung cấp công cụ chuyên dụng cho việc thiết lập, so sánh đánh giá có thơng qua mơ giản lược tơ-pơ mạng có kích thước lớn 3.1.2 Kiến trúc mô-đun chức giao diện 1) Khối chức mô tả cấu trúc thiết lập cấu hình mạng – Tạo tơ-pơ linh hoạt, với kích thước mạng lớn; Cung cấp thư viện thiết lập sẵn gồm cấu trúc tô-pô Ring, Grid, Torus, Mesh; 2) Khối chức cài đặt định tuyến mô giản lược: Thiết lập sẵn số thuật toán định tuyến bản; Hỗ trợ xây dựng thuật tốn tự định nghĩa; Mơ q trình thu phát xử lý gói tin; Lập lịch quản lý kiện rời rạc (Discrete Event Scheduler – D Event Scheduler); Kiểm soát tương tranh kênh truyền quản lý hàng đợi 3) Khối chức tổ chức quản lý thực nghiệm: thực nghiệm phân tích đồ thị; lưu lượng liệu; triển khai thiết bị mạng mặt đánh giá giá thành 3.1.3 Thiết kế chi tiết kỹ thuật 3.1.3.1 Khối chức mơ tả cấu trúc thiết lập cấu hình mạng Phân hệ có nhiệm vụ hỗ trợ người sử dụng nhanh chóng dễ dàng khai báo mô tả cấu trúc đồ thị tô-pô cần khảo sát thông số vật lý nút mạng Phần mềm tạo tô-pô lưu trữ dạng tệp tin Graph.edges –lưu trữ liên kết nút mạng Graph.geo –lưu trữ tọa độ nút mạng 15 3.1.3.2 Các trình xử lý SSiNet cung cấp hai loại thực nghiệm chính, thực nghiệm phân tích đồ thị (tơ-pơ experiment), thơng số dựa đồ thị tô-pô đánh khơng quan tâm đến lưu lượng liệu (cịn gọi zero-load) thực nghiệm có lưu lượng liệu (throughput experiment): đánh giá lực tức sức tải mạng với mẫu lưu lượng liệu khác 3.2.3.3 Xây dựng chế định tuyến Mô-đun xác định thông tin định tuyến lưu trữ nút thực nút mạng (phân tán) Tùy thuộc vào quy tắc định tuyến (routing rule) áp dụng, chương trình cập nhật thơng tin định tuyến nút mạng khác bảng định tuyến nút (𝑅𝑆𝑢∈𝑉 ), sử dụng phương thức CAM TCAM 3.1.3.4 Thiết kế lớp chi tiết Network thiết kế thành hai thành phần chính: Thành phần vật lý (Physical Component) thành phần đồ thị (Graph Component) Thành phần vật lý thể đối tượng thực tế Switch, Link Host Network Thành phần đồ thị thể sơ đồ bố trí (dạng hình học) Network thuật tốn định tuyến áp dụng 3.1.4 Thiết kế chi tiết gói cơng cụ phần mềm 3.1.4.1 Nhóm lớp thực nghiệm tô-pô Lớp đồ thị (Graph), tạo lưu trữ tô-pô mạng Gồm: danh sách cạnh (adj), danh sách máy chủ (hosts) danh sách switch (switches) Lớp thuật toán định tuyến (RoutingAlgorithm), lớp giao diện (interface) có chức tìm đường tơ-pơ Có hai phương thức là: tìm nút (next) tìm đường từ nguồn đến đích (path) Lớp thực nghiệm tơ-pơ (TopoExperiment) thực kịch đánh giá dựa phân tích đồ thị với phương thức analysis() mà có đầu vào mẫu lưu lượng, đầu đường kính mạng, 𝐴𝑅𝑃𝐿 3.1.4.2 Các lớp thành phần vật lý Lớp cổng (Port): cổng switch, cổng có hàng đợi gói tin (Queue) kích thước tối đa (maxQueueSize) Lớp cổng tích hợp (IntegratedPort): gồm cổng vào (inputPort) cổng (outputPort), hai đầu đường dây Cổng vào cổng liên kết với cổng cổng để tạo kết nối ngược lại Lớp liên kết (LinkObject): gồm hai cổng tích hợp hai đầu (portU portV) Thuộc tính bandwidth băng thơng liên kết Phương thức handle()xử lí có gói tin cần truyền liên kết Lớp máy chủ (Host) đại diện cho 16 máy chủ mạng Máy chủ kết nối đến switch thông qua liên kết (link) Phương thức processPacket() dùng để xử lí có gói tin đến máy chủ Lớp thiết bị chuyển mạch (Switch) đại diện cho switch nằm tủ mạng (rack) thuộc tính links lưu trữ liên kết Phương thức processPacket() để xử lí có gói tin đến switch Lớp mạng (Network) lớp đóng gói thuộc tính mạng Đầu vào tơ-pơ Graph thành phần định tuyến (RoutingAlgorithm), lớp mạng khởi tạo đối tượng Switch, Host, Link 3.1.4.3 Nhóm lớp thực nghiệm mô Lớp kiện (Event) lớp trừu tượng hóa kiện xảy Gồm hai thuộc tính: mã kiện (id) thời gian kiện (eventTime) Lớp mô kiện (DiscreteEventSimulator) lưu trữ lịch cho kiện xảy Thuộc tính thời gian hệ thống (currentTime) hàng đợi ưu tiên kiện (eventList) 3.1.4.4 Lớp thực nghiệm đánh giá hiệu mạng Đánh giá hiệu mơ q trình hoạt động mạng, NCS tập trung vào tính tốn thơng lượng độ trễ Các thực nghiệm thực ThroughputExperiment Phương thức lớp measureThroughput(), có chức tìm thông lượng với mẫu truyền tin cho trước 3.1.5 Xây dựng chế kỹ thuật 3.1.5.1 Quản lý kiện truyền tin Quá trình hoạt động mơ gồm hai bước chính: Bước 1: Khởi tạo trạng thái hệ thống (thời gian, danh sách kiện); Bước 2: Lặp đến gặp điều kiện dừng, bước lặp lấy kiện từ danh sách thực kiện 3.1.5.2 Xử lý truyền tin mạng có kích thước lớn Áp dụng phương pháp xấp xỉ vào công cụ đánh giá bước khởi tạo bảng định tuyến Tuy nhiên, phương pháp áp dụng với đặc tính thành phần mạng có tính trung bình (𝐴𝑅𝑃𝐿, 𝑅𝑇𝑆) Với đặc tính tồn mạng đường kính mạng, cần phải duyệt tất thành phần mạng có kết xác 3.1.5.3 Tính tốn đánh giá thơng lượng Thơng lượng lượng thông tin tối đa truyền đơn vị thời gian Để tính tốn thơng lượng mạng, gói tin liên tục gửi để làm đầy băng thông liên kết Tổng số gói tin đến đích khoảng thời gian cho biết thông lượng 17 3.2 Đánh giá thực nghiệm Kịch thử nghiệm với tô-pô thuật toán định tuyến tương ứng sau: FatTree – SPR, Kleinberg – Small-world – SPR, 2-D Torus – Gready, RSN – TZ Các thí nghiệm tiến hành kích thước 210 , 211 , 212 , 213 FatTree, sử dụng kích thước 2.000 4.394 tương ứng với 211 , 212 tương ứng với tơ-pơ cịn lại 3.2.1 Đánh giá kích thước bảng định tuyến 𝑅𝑇𝑆 2-D Torus không đổi với kích thước mạng, tính chất cấu trúc vịng đặc thù Torus Trong đó, FatTree – SPR có 𝑅𝑇𝑆 đạt 1.25% 0.31% kích thước mạng 210 213 , tương ứng, RSN – TZ có 𝑅𝑇𝑆 7.78% 2.57% tương ứng 3.2.2 Đánh giá độ trễ truyền tin FatTree, đạt độ trễ thấp kích thước thử nghiệm Torus có độ trễ cao, số hop đường định tuyến cao so với mạng ngẫu nhiên Kleinberg – Smallworld Các kết so sánh tương đối tơ-pơ (và thuật tốn định tuyến) nói phản ánh khớp với nhận định NCS thu từ khảo sát 3.2.3 Đánh giá thời gian thực thi NCS minh hoạ việc giả lập tô-pô mạng FatTree với việc giá trị 𝑘 thay đổi từ 20 đến 30 việc sử dụng máy tính có cấu hình Intel Core i7 2,3 GHz với nhớ GB SSiNET thời gian khoảng 40 phút (2.564 giây) để giả lập Fat-tree với 𝑘 = 30 (có 𝑘 ∗ 𝑘 ∗ 𝑘/4 = 6.750 nút mạng) NS3 yêu cầu tới khoảng 3.2.4 So sánh kết đánh giá SSiNET Omnet++ Mặc dù có sai khác khoảng 7% so với Omnet++ kích thước mạng bé (𝑘 = 4), nhiên với kích thước lớn hơn, sai khác không đáng kể, khoảng 1% Đồng thời, kết tổng hợp trung bình cộng nên sai khác 1% chấp nhận Như vậy, khẳng định rằng, cơng cụ SSiNET đảm bảo tính đắn tổ chức thực nghiệm đánh giá tham số hiệu 3.2.5 Đánh giá thông lượng thông lượng cực đại Các kết đánh giá thông lượng thông lượng cực đại cho thấy khả thực nghiệm đánh giá thơng lượng mạng có kích thước lớn (so với cơng cụ NS2, Omnet++ hay Simgrid) Tính đắn khả thực nghiệm trình bày mục 3.2.4 Các kết đánh giá cho thấy thuật toán định tuyết rút gọn TZ GLCR đạt kết thuật toán định tuyến khác 18 3.2.6 Đánh giá theo phương pháp xấp xỉ Lấy ngẫu nhiên số cặp nguồn–đích theo tỉ lệ 𝑝% so với kích thước mạng Các trường hợp 1% 2% có giá trị đường kính mạng sai khác 10% 3% với trường hợp 100%, tương ứng Tuy nhiên với tỉ lệ 5% 10% sai khác khơng có tương đối nhỏ so với 100% Ngay độ trễ trung bình (AvgLatency) sai khác khoảng 10%, đặc biệt với mạng kích thước 4.096, sai khác 1% 2% tương ứng Những kết thực nghiệm cho thấy rõ phương pháp thực nghiệm xấp xỉ đề xuất hứa hẹn nên triển khai đầy đủ 3.3 Ứng dụng cơng cụ SSiNET việc xây dựng mơ hình tô-pô lai cho DC cỡ vừa, tiết kiệm chi phí đáp ứng khơng gian mở Ý tưởng kết hợp lai tô-pô dạng Bus RSN nhằm khai thác ưu điểm chúng cách phù hợp Xuất phát từ dự định kết nối phịng/sàn tơ-pơ dạng Bus đáp ứng việc định tuyến lắp đặt dễ dàng lại linh hoạt việc mở rộng DC lương lai 3.3.1 Kiến trúc Bus-RSN 3.3.1.1 Kiến trúc Bus-RSN Bus-RSN tạo thành đường trục “bus-way” liên kết nhiều sàn phân biệt có kích thước khác Các sàn ký hiệu 𝑅𝑆𝑁𝑖 , có số nút chọn để tạo trục “bus” gọi nút trục (bus-node) Các 𝑅𝑆𝑁𝑖 kết nối với thông qua đường trục, tạo danh sách nút trục Để tạo kết nối chặt sàn (từ hạ thấp đường kính đồ thị mạng), mơ hình tơ-pơ cho phép bổ sung liên kết ngẫu nhiên nút trục đường trục 3.3.1.2 Nút liên kết nút Bus-RSN có loại nút: nút thường (non-bus-node) có liên kết lưới giúp liên kết với nút xung quanh 𝑟liên kết ngẫu nhiên, kết nối với nút vùng với Nút trục (bus-node) có liên kết lưới liên kết ngẫu nhiên liên kết đường trục (bus-link), dùng để liên kết vùng với nhau, tạo liên thông cho mạng thực nhiệm vụ điều khiển, giám sát 3.3.1.3 Khuyến nghị sử dụng thực tiễn Bus-RSN đề xuất cho DC cỡ nhỏ vừa phù hợp xu hướng phát triển linh hoạt tiết kiệm nước, nên khuyến nghị ứng dụng nên thực thi máy thuộc sàn Việc 19 sử dụng kiến trúc Bus tối giản giúp giảm thiểu chi phí liên kết sàn xa Trong trường hợp có ứng dụng yêu cầu số lượng máy chủ tương đối nhiều bắt buộc phải triển khai nhiều sàn, hệ thống bổ sung liên kết ngẫu nhiên vùng phù hợp cho đảm bảo yêu cầu mà không tốn 3.3.2 Giải pháp định tuyến Địa nút Bus-RSN gồm thành phần: định danh vùng 𝑍𝑜𝑛𝑒_𝑖𝑑(𝑧𝑖 ), định danh khối 𝐵𝑙𝑜𝑐𝑘_𝑖𝑑(𝑏𝑖 ), 𝑁𝑜𝑑𝑒_𝑖𝑑(𝑖), cấu trúc thành 𝑣(𝑧𝑖 ; (𝑏𝑖 ; 𝑖)) 𝑧𝑖 nút định vùng quản lý nút đó, dùng để phân biệt nút thuộc vùng nào, 𝑁𝑜𝑑𝑒_𝑖𝑑 dùng để phân biệt nút khối Định tuyến nội vùng (Intra-zone): Áp dụng CORRA định tuyến nút vùng để sử dụng tối đa liên kết ngẫu nhiên, từ hiệu mạng gia tăng Định tuyến liên vùng: (Inter-zone) gồm bước: (1), định tuyến từ nút nguồn đến nút trục gần nút đích (2), sau định tuyến đến nút đích 3.3.3 Đánh giá thực nghiệm Khảo sát với tham số hiệu gồm đường kính mạng, 𝐴𝑅𝑃𝐿, trung bình độ trễ, 𝑅𝑇𝑆, tổng độ cài cáp mạng (Total cable length), chi phí thiết bị cài đặt mạng (network cost), tô-pô Bus-RSN với tô-pô quan trọng đề cập: JellyFish, RSN, R3, thông qua công cụ phần mềm mô SSiNET 3.3.3.1 Đánh giá hiệu mạng liên kết Thử nghiệm 1, kích thước: 64; 128; 256; 512, lắp đặt vùng cách 15m Các vùng tô-pô Bus-RSN chia thành khối JellyFish có kết tốt nhất, cấu trúc mạng JellyFish hoàn toàn ngẫu nhiên thuật tốn định tuyến 𝑘-Shortest Path RSN với kích thước nhỏ nên sử dụng thuật toán định tuyến SPR cho đường kính mạng nhỏ (xấp xỉ JellyFish) R3 cho đường kính mạng cao tơ-pơ có cấu trúc siêu khối, nên cần nhiều hop gói tin di chuyển Bus-RSN có đường kính mạng nhỏ, từ 5,0 đến 7,7 kích thước mạng thay đổi từ 64 đến 512 Bus-RSN có độ trễ cao cao 12,61% so với JellyFish kích thước mạng 128 𝐴𝑅𝑃𝐿 Bus-RSN thấp nhất, khoảng từ 1,8 đến 2,5 với kích thước mạng từ 64 đến 512 𝐴𝑅𝑃𝐿 JellyFish Bus-RSN khoảng 60% kích thước 128 20% kích thước 512 RSN có 𝐴𝑅𝑃𝐿 xấp xỉ JellyFish R3 có 𝐴𝑅𝑃𝐿 cao tơ-pơ 20 Trong kịch thứ hai với kích thước: 128; 256; 512; 1024, tôpô đặt vùng, cách đôi 15m Bus-RSN, R3, RSN có đường kính mạng xấp xỉ nhau, dao động từ đến Bus-RSN, RSN JellyFish có đường kính mạng nhỏ R3 có đường kính mạng cao nút mạng tô-pô thuộc nhiều vùng khác Nên định tuyến, chúng phải qua nhiều nút biên R3, khiến cho đường kính mạng R3 lớn tơ-pơ cịn lại 3.3.3.2 Đánh giá chi phí triển khai Với thử nghiệm (như trên), Bus-RSN có kết tốt sử dụng cáp nối thấp JellyFish, thấp 81,53% kích thước mạng 128 nút Bus-RSN cung cấp khả linh hoạt việc kết nối hai vùng xác định cách thay đổi số liên kết vùng 𝑧1 tới số nút mạng vùng 𝑧2 Chi phí cho thay đổi là: 12*500*2 + 15*10 = 12.150 (USD), so với chi phí xây dựng ban đầu tăng thêm khoảng 2,2% Với thử nghiệm 2, Bus-RSN sử dụng cáp mạng nhất, 1.344 mét, 14.861 mét kích thước mạng 128 1.024 tương ứng Với kích thước 128, JellyFish sử dụng nhiều 5,89 lần số lượng cáp mạng so với Bus-RSN, 6,5 lần với kích thước 1.024 Lý số lượng cáp kết nối nút mạng liên vùng JellyFish nhiều tỏ bất lợi kết nối phòng máy chủ đặt cách xa Do vậy, Bus-RSN phù hợp với điều kiện triển khai thực tế phòng lắp đặt máy chủ bố trí xa có kích thước khác 3.3.4 Kết luận giải pháp Với đặc thù thiết kế hướng tiết giảm chi phí triển khai linh hoạt, Bus-RSN lắp đặt khơng gian gồm nhiều phịng/sàn phân biệt Đồng thời, chi phí đầu tư ban đầu để xây dựng DC theo mơ hình phù hợp với doanh nghiệp có nguồn vốn hạn hẹp Mơ hình BusRSN phù hợp với DC cỡ vừa nhỏ, mà khơng địi hỏi tốc độ tính tốn cao (chấp nhận độ trễ) đảm bảo chi phí lắp đặt thấp 3.4 Tóm tắt chương Trình bày kiến trúc công cụ hỗ trợ mô đánh hiệu SSiNET ứng dụng SSiNET để đề xuất dạng toán cụ thể việc xây dựng tô-pô mạng cho DC cỡ vừa, tiết kiệm chi phí đáp ứng khơng gian mở Thực nghiệm mơ phương pháp giản lược cấu trúc thông tin đối tượng nút mạng phương thức hoạt động bản, giữ lại yếu tố chủ chốt cần 21 thiết Xây dựng kiến trúc SSiNET với ba khối chức gồm: mô tả cấu trúc thiết lập cấu hình mạng; cài đặt định tuyến mô giản lược; giao diện ứng dụng KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU 4.1 Kết luận Nghiên cứu thiết kế giải pháp tô-pô mạng chủ đề truyền thống hoạt động nghiên cứu mạng, phát triển mở rộng vài thập kỉ gần nhà khoa học quan tâm nhiều Trong xu hướng phát triển ngày lớn mạnh DC, tô-pô truyền thống tỏ hiệu độ trễ tồn mạng tăng cao, tính tốn song song ạt chúng có khả mở rộng tính chất cứng nhắc Các cấu trúc tơ-pơ mạng đứng trước đòi hỏi mở rộng nhanh chóng, tính mềm dẻo đồng thời phải đảm bảo giảm thiểu chi phí triển khai, vận hành bảo trì Như vậy, giải pháp tơ-pơ mới, vừa phải đảm bảo hiệu yếu tố hiệu năng, vừa phải đảm bảo toán kinh tế - kỹ thuật Thơng qua q trình nghiên cứu, NCS khẳng định số đóng góp lĩnh vực nghiên cứu thiết kế tô-pô mạng giải thuật định tuyến tương ứng, đảm bảo mục tiêu nghiên cứu đề ra, bao gồm nhóm sau: Nhóm thứ nghiên cứu đề xuất giải thuật định tuyến tơ-pơ mạng có kích thước lớn Với trọng tâm dạng tô-pô mạng ngẫu nhiên Trong trọng vào việc ứng dụng thiết bị chuyển mạch thơng dụng, chi phí thấp sẵn có thị trường Vấn đề thể việc giảm thiểu 𝑅𝑇𝑆 nút mạng – thiết bị chuyển mạch tương ứng, trì yếu tố hiệu đường kính mạng, 𝐴𝑅𝑃𝐿, đảm bảo độ trễ toàn mạng thấp Cụ thể, NCS đề xuất giải pháp định tuyến rút gọn CORRA khám phá sử dụng cầu nối vùng hàng xóm riêng biệt áp dụng thuật tốn đề xuất CORRA, có 𝐴𝑅𝑃𝐿 tăng 20% so với SPR, giảm 17,6% so với TZ [25] Tuy nhiên, so với SPR, thuật toán định tuyến CORRA giảm 𝑅𝑇𝑆 88% 94% mạng có kích thước 2.048 8.192 tương ứng Hơn nữa, với hầu hết kích thước mạng thực nghiệm, CORRA đạt độ trễ truyền tin tốt TZ SPR với 31,36% 5,36% tương ứng NCS đề xuất kịch định tuyến rút gọn GLCR mà dựa yếu tố địa lý nút đại diện mà làm giảm 𝑅𝑇𝑆 từ kịch phổ 22 quát Thorup & Zwick [25], đạt giảm 15% kích thước mạng 1.024 45% kích thước mạng 100.000 nút, đảm bảo 𝐴𝑅𝑃𝐿 ngắn Đề xuất GLCR cải tiến kịch phổ quát TZ [25] việc đưa kỹ thuật lựa chọn nút đại diện Trong kỹ thuật đó, NCS đưa nút đại diện chọn rời xa nút đại diện khác để đảm bảo chúng phân bố tồn mạng, điều tạo bảng định tuyến gọn Nhóm thứ hai xây dựng công cụ hỗ trợ đánh giá hiệu tô-pô mạng gọi SSiNET Trong đó, NCS đề xuất cách tiếp cận cho việc thiết kế công cụ thực nghiệm đánh giá tô-pô mạng theo phương châm mô giản lược trình bày thiết kế tổng quan chi tiết cho sản phẩm công cụ SSiNET, phát triển theo tiếp cận Công cụ cho phép đánh giá so sánh tơ-pơ có kích thước lớn phương diện truyền thống đặc tính đồ thị định tuyến đặc tính khai thác có tải Ngoài ra, SSiNET cho phép nhà nghiên cứu thử nghiệm thiết kế tô-pô cách đa dạng linh hoạt mà phát triển chương trình riêng để cài đặt tơ-pơ thuật tốn định tuyến có sẵn Ứng dụng cơng cụ SSiNET để thực nghiệm đề xuất mơ hình tơpơ lai Bus-RSN nhằm giải toán xây dựng DC doanh nghiệp nhỏ vừa Giải pháp thiết kế hướng tiết giảm chi phí triển khai linh hoạt, lắp đặt khơng gian gồm nhiều phịng/sàn phân biệt Đồng thời, chi phí đầu tư ban đầu để xây dựng DC theo mơ hình phù hợp với doanh nghiệp có nguồn vốn hạn hẹp Tính linh hoạt khả mở rộng giúp doanh nghiệp mở rộng co hẹp DC cách dễ dàng 4.2 Hướng phát triển nghiên cứu Với phát triển mạnh mẽ DC yêu cầu ngày cao yếu tố hiệu mạng, ứng dụng vào việc khảo sát toán kinh tế kỹ thuật vấn đề đầu tư thiết bị Các hướng nghiên cứu phát triển rộng rãi, đặc biệt giai đoạn cấu trúc tô-pô truyền thống Bus, Star, Tree,Hyper-Cube… các tơ-pơ có cấu trúc chặt chẽ Tori-Family, Fat-Tree, trở nên hạn chế trước yêu cầu gia tăng nhanh chóng đảm bảo tính mềm dẻo DC Do đó, tương lai, nghiên cứu hướng vào giải pháp kỹ thuật cụ thể hơn: 23 Nghiên cứu cần phát triển, thực nghiệm với ứng dụng liệu lớn (như Benchmark) để tìm giải pháp tơ-pơ thuật tốn định tuyến phù hợp với ứng dụng Trong xu hướng phát triển Green DC, cần xây dựng mơ hình tính tốn cơng suất tiêu thụ, đặc biệt lượng truyền gói tin việc tìm giải pháp thiết kế tô-pô hiệu làm giảm lượng tiêu thụ Giải pháp điều khiển kiểm soát linh hoạt (Giám sát hoạt động chế độ chủ động (active) chế độ sẵn sàng (standby) điều kiện tải thấp) (kết hợp với giải pháp tiết kiệm điện tiêu thụ Mơ hình giải pháp thiết kế tô-pô lai (Bus-RSN) cho mạng kích thước vừa nhỏ với điều kiện thực tiễn (ví dụ, khơng gian lắp đặt phịng máy chủ bị hạn chế, phịng máy chủ đặt cách rời xa nhau) Hướng nghiên cứu dự định đánh giá yếu tố hiệu thông lượng điện tiêu thụ mạng để đưa đánh giá đầy đủ mơ hình Bus-RSN Đối với cơng cụ hỗ trợ đánh giá hiệu mạng, có kiến trúc hệ thống thực thi kết quan trọng, nhiên, tương lai cần bổ sung chức cần thiết mô giả lập truyền tin cấu trúc tô-pô đặc thù Hoàn thành chức hỗ trợ thiết kế mặt phòng máy chủ điều kiện thực tế trình bày Hồn thiện giao diện người sử dụng để thực Internet nhằm chia sẻ hỗ trợ người sử dụng khác lĩnh vực nghiên cứu Tuy nhiên vấn đề lực hệ thống (các máy chủ tính tốn) cần cân nhắc để triển khai 24 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN [CT1] KIEU, Thanh-Chung; (2016) An interconnection network exploiting trade-off between routing table size and path length In: 2016 Fourth International Symposium on Computing and Networking (CANDAR) IEEE, 2016 p 666-670 2379-1896/16 © 2016 IEEE, DOI 10.1109/CANDAR.2016.41 Electronic ISSN: 2379-1896 [CT2] THANH, Chung Kieu; (2017) An efficient compact routing scheme for interconnection topologies based on the random model In: Proceedings of the Eighth International Symposium on Information and Communication Technology 2017 p 189-196 ACM https://doi.org/10.1145/3155133.3155186 ISBN 978-1-4503-5328-1/17/12 [CT3] NGUYEN, Chi-Hieu; KIEU, Chung T.; VAN NGUYEN, Khanh (2019) Efficient Landmark-Based Compact Routing for Random Interconnection Topologies In: 2019 IEEE-RIVF International Conference on Computing and Communication Technologies (RIVF) IEEE, 2019 p 1-6 INSPEC Accession Number: 18673683 Publisher: IEEE ISSN: 2162-786X DOI: 10.1109/RIVF.2019.8713674 [CT4] CHUNG, Kiều Thành; THÀNH, Nguyễn Tiến; VĂN, Nguyễn Khanh (2019) Một tiếp cận thiết kế công cụ phần mềm đánh giá hiệu mạng liên kết kích thước lớn Chun san Các cơng trình Nghiên cứu Phát triển Cơng nghệ thơng tin Truyền thông, 2019 DOI: 10.32913/mic-ict-researchvn.v2019.n1.889 [CT5] NGUYEN, Chi-Hieu; KIEU, Chung T.; NGUYEN, Khanh-Van (2020) Improved Compact Routing Schemes for Random Interconnects International Journal of Distributed Systems and Technologies (IJDST), 2020, 11.3: 89-109 ISSN: 1947-3532|EISSN: 1947-3540 DOI: 10.4018/IJDST.2020070105 [CT6] KIEU, Chung Thanh; Vu, Quang Son; Dang, Hai Pham; Nguyen Khanh-Van (2020); Bus-RSN: Giải pháp tô-pô mạng liên kết dạng lai cho trung tâm liệu cỡ vừa, tiết kiệm chi phí đáp ứng khơng gian mở Chun san Các cơng trình nghiên cứu, phát triển ứng dụng Công nghệ thông tin Truyền thông, 2020, 20-34 ISSN: 1859-3526 https://doi.org/10.32913/mic-ict-research-vn.v2020.n1.922 ... giá hiệu mạng; Tình hình nghiên cứu giới Việt Nam nghiên cứu liên quan lĩnh vực thiết kế xây dựng giải pháp tơ-pơ mạng thuật tốn định tuyến Các nghiên cứu liên quan đến thiết kế công cụ mô mạng. .. hình mạng; cài đặt định tuyến mô giản lược; giao diện ứng dụng KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU 4.1 Kết luận Nghiên cứu thiết kế giải pháp tô- pô mạng chủ đề truyền thống hoạt động nghiên cứu mạng, ... thuật tốn định tuyến mới, đồng thời tiến hành so sánh hiệu tô- pô mạng nghiên cứu liên quan bao gồm yếu tố hiệu năng, mối liên quan đánh đổi yếu tố hiệu Các kết thực nghiệm hai phương pháp: Phân