Xây dựng chương trình tối ưu hóa quá trình định tuyến trên mạng IP dựa vào giải thuật di truyền

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG HUỲNH NGUYỄN NGỌC THẢO XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH ĐỊNH TUYẾN TRÊN MẠNG IP DỰA VÀO GIẢI THUẬT DI TRUYỀN Chuyên ngành: KHOA HỌC MÁY TÍNH Mã số: 60.48.01 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2011 Công trình ñược hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TSKH. Trần Quốc Chiến Phản biện 1: PGS.TS. Phan Huy Khánh Phản biện 2: PGS.TS. Đoàn Văn Ban Luận văn ñược bảo vệ tại Hội ñồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 11 tháng 09 năm 2011 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin - H ọc liệu, Đại học Đà Nẵng - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn ñề tài Khi từ một máy tính này ñến một máy tính khác và từ mạng này ñ ế n một mạng khác cũng ng ày càng tr ở nên ph ứ c t ạ p. Nh ằ m ñ áp ứ ng các nhu c ầ u h ế t s ứ c ñ a d ạ ng và phong phú c ủ a ng ườ i s ử d ụ ng Internet, các nhà c Internet ngày càng phát tri ể n thì v ấ n ñề ñị nh tuy ế n l ư u l ượ ng ung c ấ p d ị ch v ụ m ạ ng c ầ n s ử d ụ ng m ộ t cách hi ệ u qu ả c ơ s ở h ạ t ầ ng m ạ ng c ủ a mình ñể có th ể ñư a ra các d ị ch v ụ v ớ i ch ấ t l ượ ng cao mà không c ầ n ph ả i nâng c ấ p thi ế t b ị ph ầ n c ứ ng nh ằ m gi ả m thi ể u chi phí, vì v ậ y c ầ n ph ả i có gi ả i pháp nh ằ m khai thác m ộ t cách t ố t nh ấ t thi ế t b ị h ạ t ầ ng m ạ ng, mà ñ i ể n hình là vi ệ c cho phép cân b ằ ng t ả i tr ọ ng trên t ấ t c ả các k ế t n ố i, tránh tình tr ạ ng ñườ ng truy ề n này thì r ả nh trong khi các ñườ ng truy ề n khác l ạ i b ị t ắ c ngh ẽ n ñ i ề u này ñ òi h ỏ i c ầ n ph ả i có các nghi th ứ c truy ề n thông ho ạ t ñộ ng m ộ t cách hi ệ u qu ả , ñ ây chính là m ụ c tiêu c ủ a vi ệ c tối ưu hóa quá trình ñịnh tuyến trên mạng. Đ ó là lý do tôi ch ọ n ñề tài: “Xây dựng chương trình tối ưu hóa quá trình ñịnh tuyến trên mạng IP dựa vào giải thuật di truyền”. 2. Mục ñích nghiên cứu Vi ệ c nghiên c ứ u và ñề xu ấ t ñề tài này ñể gi ả m thi ể u chi phí và nâng cao ch ấ t l ượ ng d ị ch v ụ Internet trong hoàn c ả nh ngày càng có nhi ề u d ị ch v ụ m ớ i ra ñờ i chi ế m d ụ ng b ă ng thông l ớ n nh ư hi ệ n nay. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu S ự phát tri ể n c ủ a Internet c ũ ng ñồ ng ngh ĩ a v ớ i vi ệ c t ă ng tr ưở ng v ề quy mô và công ngh ệ nhi ề u lo ạ i m ạ ng LAN, WAN… và 2 ñặ c bi ệ t là l ư u l ượ ng thông tin trên m ạ ng t ă ng ñ áng k ể . Chính ñ i ề u ñ ó ñ ã làm cho v ấ n ñề ñ i ề u ph ố i lu ồ ng thông tin trên m ạ ng hay là v ấ n ñề ñị nh tuy ế n tr ở nên quan tr ọ ng h ơ n bao gi ờ h ế t. Trong vi ệ c thi ế t k ế m ạ ng vi ệ c l ự a ch ọ n giao th ứ c ñị nh tuy ế n sao cho phù h ợ p v ớ i chi phí, tài nguyên c ủ a t ổ ch ứ c là ñặ c bi ệ t quan tr ọ ng. Internet phát tri ể n càng m ạ nh, l ượ ng ng ườ i truy nh ậ p càng t ă ng yêu c ầ u ñị nh tuy ế n càng ph ả i tin c ậ y, t ố c ñộ chuy ể n m ạ ch nhanh và không gây ra l ặ p và m ấ t d ữ li ệ u trên m ạ ng. H ơ n n ữ a khi nhi ề u t ổ ch ứ c tham gia vào m ạ ng thì nhi ề u giao th ứ c ñượ c ñư a vào s ử d ụ ng d ẫ n ñế n s ự ph ứ c t ạ p v ề ñị nh tuy ế n c ũ ng gia t ă ng, và s ố l ượ ng các giao th ứ c ñể ph ụ c v ụ cho vi ệ c ñị nh tuy ế n c ũ ng có r ấ t nhi ề u.Vi ệ c hi ể u bi ế t và thi ế t k ế các m ạ ng thông tin c ỡ l ớ n có s ử d ụ ng các thi ế t b ị ñị nh tuy ế n ñ ang tr ở thành m ộ t nhu c ầ u vô cùng c ấ p thi ế t trong th ự c t ế . Nó ñ òi h ỏ i ng ườ i thi ế t k ế m ạ ng ph ả i có s ự hi ể u bi ế t sâu v ề giao th ứ c s ẽ s ử d ụ ng cho vi ệ c thi ế t k ế m ạ ng c ũ ng nh ư các lo ạ i giao th ứ c ñị nh tuy ế n khác. 4. Phương pháp nghiên cứu Ph ươ ng pháp nghiên c ứ u t ư li ệ u: Các tài li ệ u mà giáo viên h ướ ng d ẫ n ñư a, trên các trang web và các bài báo khoa h ọ c g ầ n ñ ây có liên quan ñế n ñề tài, sách giáo trình, tài li ệ u tham kh ả o, t ạ p chí khoa h ọ c, các ñề tài nghiên c ứ u có liên quan… 5. Ý nghĩa khoa học Quá trình t ố i ư u c ầ n ñư a ra m ộ t gi ả i pháp nh ằ m ñ áp ứ ng t ố t nh ấ t nhu c ầ u truy ề n thông là quá trình ch ọ n l ọ c các tuy ế n ñườ ng nh ằ m tìm ra m ộ t b ộ tr ọ ng s ố thích h ợ p. Đố i v ớ i nh ữ ng m ạ ng nh ỏ chúng ta có th ể gi ả i ñượ c bài toán m ộ t cách nhanh chóng b ằ ng 3 ph ươ ng pháp quy ho ạ ch tuy ế n tính, tuy nhiên, ñố i v ớ i các m ạ ng l ớ n (s ố l ượ ng b ộ ñị nh tuy ế n lên ñế n hàng nghìn, hàng v ạ n) thì ph ươ ng pháp quy ho ạ ch tuy ế n tính h ầ u nh ư không kh ả thì. Vì v ậ y, ñề tài này s ẽ nêu ra m ộ t ph ươ ng pháp m ớ i áp d ụ ng gi ả i thu ậ t di truy ề n (Genetic Algorithm -GA) ñể tìm ra m ộ t b ộ các tr ọ ng s ố t ố i ư u s ẽ ñượ c gán vào cho các thi ế t b ị ñị nh tuy ế n. 6. Cấu trúc luận văn V ớ i ñị nh h ướ ng nh ư trên, ngoài ph ầ n Mở ñầu và ph ầ n Kết luận và hướng phát triển , lu ậ n v ă n g ồ m 3 ch ươ ng: Chương 1 : T ổ ng quan v ề ñị nh tuy ế n m ạ ng Chương 2 : Bài toán ướ c l ượ ng nhu c ầ u truy ề n thông Chương 3 : T ố i ư u hóa quá trình ñị nh tuy ế n m ạ ng b ằ ng gi ả i thu ậ t di truy ề n. 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH TUYẾN MẠNG 1.1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1.1. Hệ thống tự trị (Autonomous System - AS) Internet toàn c ầ u ñượ c t ổ ch ứ c theo t ừ ng kh ố i riêng l ẻ , ho ạ t ñộ ng t ươ ng ñố i ñộ c l ậ p v ớ i nhau g ọ i là nh ữ ng h ệ th ố ng t ự tr ị ( Autonomous System - AS ). M ỗ i AS bao g ồ m m ộ t ho ặ c m ộ t s ố nhóm các ñị a ch ỉ IP, m ỗ i nhóm t ượ ng tr ư ng cho m ộ t m ạ ng con, s ử d ụ ng chung m ộ t chính sách c ụ th ể , rõ ràng cho vi ệ c ñị nh tuy ế n và c ũ ng ho ạ t ñộ ng d ướ i s ự ki ể m soát c ủ a m ộ t t ậ p th ể các chuyên gia ñ i ề u hành m ạ ng. Công vi ệ c thi ế t k ế m ạ ng th ườ ng ñượ c gi ớ i h ạ n trong ph ạ m vi m ộ t h ệ th ố ng t ự tr ị AS. Có th ể nh ậ n th ấ y rõ r ằ ng, n ế u các AS c ũ ng ñượ c xây d ự ng và v ậ n hành theo m ộ t ph ươ ng th ứ c thì toàn b ộ h ệ th ố ng Internet s ẽ ho ạ t ñộ ng t ố t h ơ n v ớ i chi phí th ấ p và hi ệ u su ấ t cao, tuy nhiên th ự c t ế l ạ i hoàn toàn không ph ả i nh ư v ậ y, m ỗ i AS hay ngay c ả trong t ừ ng m ạ ng con c ủ a m ộ t AS c ũ ng th ườ ng ñượ c xây d ự ng và v ậ n hành m ộ t cách ñộ c l ậ p v ớ i nhau, ch ỉ nh ữ ng n ơ i nào c ầ n thi ế t m ớ i có nh ữ ng h ợ p ñồ ng, th ỏ a thu ậ n nh ằ m ñả m b ả o chúng k ế t n ố i ñượ c v ớ i nhau. 1.1.2. Ðường ñi tối ưu cơ bản 1.2. TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH TUYẾN MẠNG 1.2.1. Khái niệm ñịnh tuyến mạng Định tuyến (routing) là quá trình ch ọ n l ự a các ñườ ng ñ i trên m ộ t m ạ ng máy tính ñể g ử i d ữ li ệ u qua ñ ó. 5 Đị nh tuy ế n m ạ ng ñượ c dùng trong l ĩ nh v ự c truy ề n thông Internet ñể ch ỉ quá trình g ồ m hai thao tác: xác ñị nh ñườ ng truy ề n ( path determination ) và chuy ể n gói tin ( forwarding ) theo con ñườ ng ñ ã ch ọ n, hai thao tác này luôn luôn ñ i kèm v ớ i nhau trong thi ế t b ị ph ầ n c ứ ng chuyên dùng ñượ c g ọ i là b ộ ñị nh tuy ế n ( router ). Trong các m ạ ng thông tin khác nhau, vi ệ c xác ñị nh ñườ ng truy ề n c ũ ng di ễ n ra khác nhau. Tuy nhiên, cách xác ñị nh ñườ ng truy ề n nào c ũ ng g ồ m hai công vi ệ c c ơ b ả n : Thứ nhất, là thu th ậ p và phân phát thông tin v ề tình tr ạ ng c ủ a m ạ ng (nh ư tr ạ ng thái ñườ ng truy ề n, tình tr ạ ng t ắ c ngh ẽ n .) và c ủ a thông tin c ầ n truy ề n (nh ư l ư u l ượ ng, b ă ng thông, t ố c ñộ , yêu c ầ u d ị ch v ụ .). Các thông tin này s ẽ ñượ c s ử d ụ ng làm c ơ s ở cho vi ệ c xác ñị nh ñườ ng truy ề n. Thứ hai, là vi ệ c phân tích, tính toán ñể ch ọ n ra ñườ ng truy ề n kh ả d ụ ng (c ũ ng có th ể là ñườ ng truy ề n t ố i ư u) d ự a trên các thông tin tr ạ ng thái trên. Đườ ng truy ề n kh ả d ụ ng là ñườ ng truy ề n tho ả mãn m ọ i yêu c ầ u c ủ a thông tin c ầ n truy ề n (nh ư t ố c ñộ , b ă ng thông) và ñ i ề u ki ệ n c ủ a m ạ ng (nh ư kh ả n ă ng c ủ a ñườ ng truy ề n). Còn ñườ ng truy ề n t ố i ư u (theo m ộ t tiêu chu ẩ n nào ñ ó) là ñườ ng truy ề n t ố t nh ấ t trong nh ữ ng ñườ ng truy ề n kh ả d ụ ng. 1.2.2. Phân loại ñịnh tuyến mạng 1.2.2.1. Định tuyến tĩnh Đị nh tuy ế n t ĩ nh là d ạ ng ñị nh tuy ế n mà các thông tin v ề ñườ ng ñ i ph ả i do ng ườ i qu ả n tr ị m ạ ng nh ậ p cho router. Khi c ấ u trúc m ạ ng có b ấ t k ỳ thay ñổ i nào thì chính ng ườ i qu ả n tr ị m ạ ng ph ả i xoá ho ặ c thêm các thông tin v ề ñườ ng ñ i cho router. Các ñườ ng ñ i này là c ố ñị nh nên trong h ệ th ố ng m ạ ng l ớ n vi ệ c b ả o trì b ả ng ñị nh tuy ế n cho 6 router t ố n r ấ t nhi ề u th ờ i gian. Đị nh tuy ế n t ĩ nh là cách ñị nh tuy ế n không linh ho ạ t, không có kh ả n ă ng t ự thích nghi khi các ñ i ề u ki ệ n truy ề n thông thay ñổ i nên th ườ ng phù h ợ p v ớ i h ệ th ố ng m ạ ng nh ỏ ho ặ c tuy ế n ñơ n ít có bi ế n ñổ i v ề thông tin ñị nh tuy ế n. 1.2.2.2. Định tuyến ñộng Đị nh tuy ế n ñộ ng là d ạ ng ñị nh tuy ế n mà các ñườ ng ñ i ñượ c t ự ñộ ng c ậ p nh ậ t b ở i router, vi ệ c l ự a ch ọ n tuy ế n ñườ ng d ự a trên thông tin tr ạ ng thái hi ệ n th ờ i c ủ a m ạ ng. Thông tin tr ạ ng thái có th ể ñ o ho ặ c d ự ñ oán và tuy ế n ñườ ng có th ể thay ñổ i khi topo m ạ ng ho ặ c l ư u l ượ ng m ạ ng thay ñổ i. Thông tin ñị nh tuy ế n ñượ c c ậ p nh ậ t t ự ñộ ng vào trong các b ả ng ñị nh tuy ế n c ủ a các node m ạ ng tr ự c tuy ế n, và ñ áp ứ ng tính th ờ i gian th ự c nh ằ m tránh t ắ c ngh ẽ n c ũ ng nh ư t ố i ư u hi ệ u n ă ng m ạ ng. Đị nh tuy ế n ñộ ng có th ể thích ứ ng v ớ i vi ệ c thay ñổ i ki ế n trúc m ạ ng và l ư u l ượ ng truy ề n thông, phù h ợ p ñố i v ớ i m ạ ng l ớ n, th ườ ng bi ế n ñổ i trong quá trình ho ạ t ñộ ng. Chính vì ñị nh tuy ế n t ĩ nh ñ òi h ỏ i ng ườ i qu ả n tr ị m ạ ng ph ả i c ấ u hình m ọ i thông tin v ề ñườ ng ñ i cho router nên nó không có ñượ c tính linh ho ạ t nh ư ñị nh tuy ế n ñộ ng. Trong nh ữ ng h ệ th ố ng m ạ ng l ớ n, ñị nh tuy ế n t ĩ nh th ườ ng ñượ c s ử d ụ ng k ế t h ợ p v ớ i giao th ứ c ñị nh tuy ế n ñộ ng cho m ộ t s ố m ụ c ñ ích ñặ c bi ệ t. 1.2.3. Các giao thức ñịnh tuyến mạng 1.2.3.1. Định tuyến theo ñường ñi ngắn nhất Để ch ọ n m ộ t tuy ế n ñườ ng ñ i gi ữ a hai b ộ ñị nh tuy ế n, thu ậ t toán ch ỉ c ầ n tìm ra ñườ ng ñ i ng ắ n nh ấ t gi ữ a chúng trên ñồ th ị . Khái ni ệ m ñường ñi ngắn nhất ở ñ ây có m ộ t s ố v ấ n ñề c ầ n ph ả i làm rõ. M ộ t cách ñể ñ o ñộ dài ñườ ng ñ i là s ố l ượ ng các nút mà nó ñ i qua (còn ñượ c g ọ i là s ố b ướ c nh ả y). Bên c ạ nh các ñộ ñ o s ố 7 b ướ c nh ả y và kho ả ng cách ñị a lý, m ộ t s ố ñộ ñ o khác c ũ ng có th ể ñượ c s ử d ụ ng. Ví d ụ , m ỗ i cung có th ể ñượ c gán nhãn t ươ ng ứ ng v ớ i ñộ tr ễ trung bình c ủ a các gói tin do ph ả i x ế p hàng ñợ i tr ướ c khi ñượ c truy ề n ñ i. V ớ i nhãn ñượ c gán ki ể u này thì ñườ ng d ẫ n ng ắ n nh ấ t chính là ñườ ng truy ề n nhanh nh ấ t thay vì là ñườ ng ít b ướ c nh ả y nh ấ t hay ñư òng ng ắ n nh ấ t xét v ề kho ả ng cách v ậ t lý. Trong tr ườ ng h ợ p t ổ ng quát, các nhãn trên m ỗ i cung ñượ c tính nh ư m ộ t hàm theo kho ả ng cách, b ă ng thông, l ư u l ượ ng trung bình, chi phí truy ề n tin, th ờ i gian ch ờ trung bình, ñộ tr ễ ,… và nh ữ ng y ế u t ố khác. B ằ ng cách thay ñổ i hàm tr ọ ng s ố , thu ậ t toán s ẽ tính l ạ i ñượ c ñườ ng ñ i “ng ắ n nh ấ t” tùy theo s ố l ượ ng các y ế u t ố ñượ c ch ọ n. Cho ñế n nay, ñ ã có khá nhi ề u gi ả i thu ậ t ñượ c ñư a ra nh ằ m gi ả i thuy ế t vi ệ c tính toán ñườ ng ñ i ng ắ n nh ấ t trên ñồ th ị , nh ư ng gi ả i thu ậ t Dijkstra (1959) v ẫ n ñượ c xem là hi ệ u qu ả nh ấ t và ñượ c s ử d ụ ng ph ổ bi ế n trong các nghi th ứ c ñị nh tuy ế n theo ñườ ng d ẫ n ng ắ n nh ấ t hi ệ n nay. 1.2.3.2. Định tuyến ngập lụt (Flooding) 1.2.3.3. Định tuyến theo vectơ khoảng cách Hai gi ả i thu ậ t ñộ ng thông d ụ ng nh ấ t hi ệ n nay là ñịnh tuyến theo vectơ khoảng cách và ñịnh tuyến theo tình trạng kết nối . Gi ả i thu ậ t ñị nh tuy ế n theo vect ơ kho ả ng cách ho ạ t ñộ ng d ự a vào vi ệ c duy trì m ộ t hàng ( ñượ c g ọ i là m ộ t vectơ ) bên trong m ỗ i b ộ ñị nh tuy ế n cho bi ế t khoảng cách ñược biết t ố t nh ấ t t ớ i m ỗ i nút ñ ích và c ổ ng nào s ẽ ñượ c s ử d ụ ng ñể ñ i ñế n ñ ó, hàng này ñượ c c ậ p nh ậ t th ườ ng xuyên nh ờ vi ệ c trao ñổ i thông tin v ớ i các b ộ ñị nh tuy ế n k ế c ậ n. 8 1.2.3.4. Định tuyến theo tình trạng kết nối 1.2.3.5. Định tuyến phân cấp 1.2.3.6. Định tuyến quảng bá (broadcast) 1.2.3.7. Ðịnh tuyến theo nhóm (multicast) 1.2.3.8. Định tuyến cho mạng có các trạm di ñộng 1.2.3.9. Định tuyến cho mạng di ñộng hỗn tạp (Ad Hoc) 1.2.3.10. Tìm kiếm các nút trong mạng ñiểm nối ñiểm (Peer-to- Peer) 1.3. KẾT LUẬN CUỐI CHƯƠNG Để m ộ t m ạ ng máy tính có th ể t ồ n t ạ i theo th ờ i gian thì ñ òi h ỏ i ph ả i có các thao tác v ậ n hành thích h ợ p. Có r ấ t nhi ề u các y ế u t ố khác nhau ả nh h ưở ng ñế n su ố t quá trình ho ạ t ñộ ng c ủ a m ạ ng, ñ ôi khi trong b ả n thân nh ữ ng y ế u t ố này l ạ i ch ứ a ñự ng mâu thu ẫ n l ẫ n nhau. Vì v ậ y s ẽ không th ể có m ộ t gi ả i pháp chung ñ em l ạ i hi ệ u qu ả t ố i ư u cho t ấ t c ả các mô hình m ạ ng, mà ng ượ c l ạ i, nhà qu ả n tr ị c ầ n ph ả i xem xét k ỹ l ưỡ ng t ừ ng hoàn c ả nh c ụ th ể ñể xác ñị nh ñượ c nh ữ ng y ế u t ố nào c ầ n ph ả i ñượ c ư u tiên tr ướ c, nh ữ ng y ế u t ố nào có th ể dung hòa ñượ c l ẫ n nhau, ñể t ừ ñ ó ñư a ra quy ế t ñị nh sáng su ố t trong vi ệ c l ự a ch ọ n ph ươ ng án thích h ợ p cho h ệ th ố ng m ạ ng c ủ a mình. . c tối ưu hóa quá trình ñịnh tuyến trên mạng. Đ ó là lý do tôi ch ọ n ñề tài: Xây dựng chương trình tối ưu hóa quá trình ñịnh tuyến trên mạng IP dựa vào. ĐÀ NẴNG HUỲNH NGUYỄN NGỌC THẢO XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH ĐỊNH TUYẾN TRÊN MẠNG IP DỰA VÀO GIẢI THUẬT DI TRUYỀN Chuyên ngành: KHOA HỌC MÁY