Báo cáo bài tập lớn tổ chức và quy hoạch mạng viễn thông

Như ta đã biết, hệ thống viễn thông là tập hợp các trang thiết bị kỹ thuật để cung cấp dịch vụ viễn thông cho người sử dụng. Ta nhìn hệ thống viễn thông trên cả phương diện phần cứng và phần mềm:  Về phương diện phần cứng, hệ thống viễn thông gồm các thiết bị như: - Thiết bị đầu cuối thông tin: đưa thông tin của người sử dụng vào mạng và nhận thông tin của mạng cho người sử dụng. - Thiết bị chuyển mạch: liên hệ giữa các đầu cuối theo yêu cầu. - Thiết bị truyền dẫn: liên kết nhóm a với nhóm b và nhóm b với nhóm b: (a - b) : đường dây thuê bao. (b - b) : đường dây trung kế. (a - b) : mạng truy nhập (Access Network) và mạng lõi (Core Network). - Thiết bị đầu cuối thông tin, thiết bị chuyển mạch, thiết bị truyền dẫn…  Về phương diện phần mềm, hệ thống viễn thông cho biết các phần cứng liên hệ với nhau thế nào (Topo mạng - với topo mạng ta sẽ phân biệt được mạng AN (Access Network) và mạng lõi), các giao thức mạng, các giao thức để liên kết, giao thức để trao đổi thông tin (giữa hai giao thức này có thể tách rời, có thể kết hợp với nhau), quản lý và khai thác mạng. Việc thiết kế cấu trúc liên kết (topology) cho các mạng hữu tuyến cố định là vô cùng quan trọng. Chỉ một sai sót nhỏ trong khâu thiết kế có thể tiêu tốn khoản tiền lớn. Trong khi đó, việc tính toán một cấu trúc liên kết tối ưu lại chẳng dễ dàng gì. Quá trình tối ưu cấu trúc liên kết bao gồm việc gán dung lượng cho các liên kết vật lý giữa các cặp nút với nhau để tối ưu chi phí, cùng lúc đó vẫn phải đáp ứng được lưu lượng đề ra. Đề tài số 5 có đề cập đến việc cấu hình các phần tử mạng và thiết kế Topology mạng theo thuật toán MENTOR, ISP. Trong quá trình thực hiện bài tập lớn, do vốn kiến thức có hạn và tìm hiểu chưa thực sự sâu nên bài toán đưa ra còn nhiều thiếu sót và hạn chế như chỉ có tính chất mô phỏng, các giả thiết điều kiện chưa hoàn toàn giống với yêu cầu thực tế,… tuy vậy cũng giúp người đọc hiểu rõ hơn về Mentor cũng như cách thiết lập Topology mạng bằng thuật toán Mentor.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG  BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN TỔ CHỨC VÀ QUY HOẠCH MẠNG VIỄN THÔNG Đề tài số GVHD: T.S Trần Thị Ngọc Lan Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 15 Họ tên MSSV Lớp Nguyễn Quang Thịnh (C) 20153598 Điện tử 08-K60 Dương Thị Thảo 20153430 Điện tử 08-K60 Ninh Đức Hải 20132361 Điện tử 06-K60 Hà Nội, ngày 10 tháng năm 2019 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ- VIỄN THÔNG  BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN TỔ CHỨC VÀ QUY HOẠCH MẠNG VIỄN THÔNG Đề tài số NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Ngày 10 tháng năm 2019 Giảng viên hướng dẫn LỜI NĨI ĐẦU Ngày hệ thống thơng tin viễn thông điện tử xem phương tiện kinh tế có để trao đổi tin tức số liệu Bên cạnh song song với phát triển, tăng trưởng kinh tế việc hình thành phương tiện cần thiết cho viễn thông điện tử trở nên phức tạp có khuynh hướng kỹ thuật cao nhằm đáp ứng nhu cầu tăng dịch vụ chất lượng cao dịch vụ viễn thơng tiên tiến Do việc tổ chức hệ thống mạng viễn thông đáp ứng yêu cầu ngày cao việc quan trọng Đồng thời cần tổ chức mạng lưới phát triển trở thành phần quan trọng xã thông tin hóa cao tương lai Như ta biết, hệ thống viễn thông tập hợp trang thiết bị kỹ thuật để cung cấp dịch vụ viễn thông cho người sử dụng Ta nhìn hệ thống viễn thơng phương diện phần cứng phần mềm:  Về phương diện phần cứng, hệ thống viễn thông gồm thiết bị như: - Thiết bị đầu cuối thông tin: đưa thông tin người sử dụng vào mạng nhận thông tin mạng cho người sử dụng - Thiết bị chuyển mạch: liên hệ đầu cuối theo yêu cầu - Thiết bị truyền dẫn: liên kết nhóm a với nhóm b nhóm b với nhóm b: (a - b) : đường dây thuê bao (b - b) : đường dây trung kế (a - b) : mạng truy nhập (Access Network) mạng lõi (Core Network) - Thiết bị đầu cuối thông tin, thiết bị chuyển mạch, thiết bị truyền dẫn…  Về phương diện phần mềm, hệ thống viễn thông cho biết phần cứng liên hệ với (Topo mạng - với topo mạng ta phân biệt mạng AN (Access Network) mạng lõi), giao thức mạng, giao thức để liên kết, giao thức để trao đổi thơng tin (giữa hai giao thức tách rời, kết hợp với nhau), quản lý khai thác mạng Việc thiết kế cấu trúc liên kết (topology) cho mạng hữu tuyến cố định vơ quan trọng Chỉ sai sót nhỏ khâu thiết kế tiêu tốn khoản tiền lớn Trong đó, việc tính tốn cấu trúc liên kết tối ưu lại chẳng dễ dàng Quá trình tối ưu cấu trúc liên kết bao gồm việc gán dung lượng cho liên kết vật lý cặp nút với để tối ưu chi phí, lúc phải đáp ứng lưu lượng đề Đề tài số có đề cập đến việc cấu hình phần tử mạng thiết kế Topology mạng theo thuật tốn MENTOR, ISP Trong q trình thực tập lớn, vốn kiến thức có hạn tìm hiểu chưa thực sâu nên tốn đưa cịn nhiều thiếu sót hạn chế có tính chất mơ phỏng, giả thiết điều kiện chưa hoàn toàn giống với yêu cầu thực tế,… giúp người đọc hiểu rõ Mentor cách thiết lập Topology mạng thuật toán Mentor Chúng em xin cảm ơn tận tình dạy Cơ Trần Thị Ngọc Lan giúp chúng em thực đề tài Chúng em mong nhận lời đánh giá, góp ý hướng cải thiện từ Cô bạn để chúng em khắc phục thiếu sót hiểu sâu sắc thuật toán, cách xây dựng Topology mạng, đồng thời có nhìn nhận rõ môn học Tổ chức quy hoạch mạng viễn thông Chúng em xin chân thành cảm ơn cô! MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU DANH MỤC HÌNH VẼ ĐỂ BÀI SỐ .7 I THUẬT TOÁN MENTOR .8 1.1 Tổng quan 1.2 Thuật toán MENTOR 1.2.1 Xác định nút Backbone nút trung tâm .9 1.2.2 Xây dựng Prim_Dijkstra 11 II THUẬT TOÁN MENTOR II (ISP) .12 2.1 Đặt vấn đề 12 2.2 ISP (Incremental Shortest Path) 13 III TRIỂN KHAI THỰC HIỆN 15 KẾT LUẬN .15 TÀI LIỆU THAM KHẢO 15 DANH MỤC HÌNH V Hình Ví dụ mạng Backbone sau MENTOR I Hình 2 Ví dụ xếp trình tự nút theo thứ tự bước nhảy 11 YHình Giao diện chương trình nhập tham số đầu vào .12 Hình Sơ đồ nút tạo ngẫu nhiên mặt phẳng tọa độ 12 Hình 3 Sơ đồ kết nối nút Backbone nút truy nhập 12 ĐỂ BÀI SỐ Cho mạng gồm 80 nút Các nút đặt ngẫu nhiên mặt phẳng kích thước 1000x1000 Giá liên kết tính round (0.4 x khoảng cách Decac) 1, Sử dụng giải thuật MENTOR để tìm nút backbone nút truy nhập tương ứng với nút backbone Biết W=4, R=0.3, dung lượng liên kết C=3 Biết trọng số nút = = = 10, = 15, = 5, = 3, nút cịn lại có trọng số 2, Sử dụng giải thuật MENTOR II (ISP) để tính topology mạng Backbone biết = 70%, α = 0.7 Lưu lượng nút i i+3 1, lưu lượng nút i i+6 lưu lượng nút i i+7 Đưa kết file số đường sử dụng liên kết độ sử dụng liên kết 3, Nếu thêm lưu lượng nút nút 10 5, lưu lượng nút 15 30 lưu lượng nút 40 68 mạng Backbone vừa tạo mục thay đổi nào? I THUẬT TOÁN MENTOR 1.1 Tổng quan Trong mạng viễn thơng, có nút mạng liên kết với tạo thành hệ thống mạng Trong hệ thống mạng có nhiều mạng truy nhập (Access Network), mạng access liên hệ với thơng qua mạng đường trục (Backbone Network) Do nút mạng chia làm loại nút Access nút Backbone Trong mạng truy nhập (AN) có nút Backbone nút Access khác, nút access muốn kết nối với nút mạng truy nhập khác phải thơng qua nút Backbone Mạng Backbone cầu nối để mạng truy nhập kết nối với nhau, thiết lập thông qua nút Bacbone Để xây dựng mạng, ta phải xây dựng cấu hình phần tử mạng MENTOR (MEsh Network Topology Optimiation Routing) thuật tốn hữu ích cho việc thiết kế mạng thơng tin khơng phụ thuộc vào đặc điểm công nghệ hay kiến trúc mạng nào, phụ thuộc vào nguyên tắc thiết kế mạng MENTOR ứng dụng cho nhiều loại mạng, đạc biệt mạng ATM (Asynchronous Transfer Mode) Và chương trình MENTOR ứng dụng thiết kế Topology mạng thuật tốn MENTOR Ta có thông số giả thiết sau:  Tổng số nút mạng toàn hệ thống mạng ký hiệu N đánh số từ đến N-1  Để biểu diễn liên hệ nút mạng với nhau, ta có ma trận: - Ma trận chi phí Cost[NxN]: ma trận chiều đối xứng, chứa chi phí kết nối nút Hàng i cột j chứa giá trị chi phí từ nút i - đến nút j Ma trận lưu lượng - Traffic [NxN]: ma trận hai chiều đối xứng, chứa lưu lượng nút với - Ma trận yêu cầu Req[NxN]: ma trận chiều đối xứng, chứa mức độ yêu cầu liên lạc nút với Hàng i cột j chứa giá trị yêu - cầu từ nút i đến nút j Ma trận dung lượng tối đa Cmax[NxN]: ma trận đối xứng hai chiều, chứa giá trị (hiệu dụng) tối đa dung lượng kênh liên kết nút  Từ ma trận ta xây dựng ma trận trọng số W nút 1.2 Thuật toán MENTOR 1.2.1 Xác định nút Backbone nút trung tâm Giả sử ban đầu có loại liên kết có dung lượng C:  Chia nút thành nút xương sống nút đầu cuối: Để chia nút thành nút xương sống (Backbone_Node) nút đầu cuối, ta áp dụng phương pháp hợp lại theo ngưỡng (Threshold Clustering): - Trọng số nút Weight (i): tổng tất lưu lượng vào nút Trọng số chuẩn hóa nút i là: Normalized Weight (i) = W - Threshold Weight tham số cho trước => nút thỏa mãn điều kiện có - Normalized Weight (i) > W chọn làm nút Backbone Tất nút không thỏa mãn với tiêu chuẩn trọng số gần nút xương sống chọn làm nút đầu cuối (“gần” định nghĩa giá liên kết từ nút đầu cuối e đến nút xương sống nhỏ phần giá liên kết lớn nhất), đưa sau: MAXCOST = cost (Ni, Nj) (khoảng cách theo hệ tọa độ Decac) Theo yêu cầu đề ta có: (PRAM = R) Với bán kính R từ đến => Cost (e,) < Radius Khi lấy nút Backbone i làm tâm, quay vòng trịn bán kính Radius tất nút nằm vịng trịn mà khơng phải nút Backbone nút truy nhập nút Backbone  Đối với nút lại: Sau phương pháp hợp lại theo ngưỡng kể số nút chưa phân loại nút backbone hay nút truy nhập, ta phải phân loại tiếp: - Ấn định thưởng “Merit” cho nút: Ấn định tọa độ cho nút (xi, yi) Tính trung tâm trọng lực (Center of Gravity - CG) theo công thức: với Weight (i) trọng số nút i, giá trị nút trung tâm khơng trùng với nút thực tế Tính khoảng cách CG: => ( i) Tính hàm thưởng (merit): merit đưa giá trị cân vị trí gần trung tâm trọng số nó: - Phân loại nút cịn lại: Nút có giá trị thưởng lớn chọn làm nút backbone Phân loại nút thành nút truy nhập (acess) Quá trình tiếp tục tất nút phân loại  Lựa chọn nút xương sống trung tâm: Sau phân loại tất nút, ta chọn nút làm nút xương sống trung tâm Nút xương sống trung tâm nút có giá trị moment nhỏ nhất, với moment tính sau: Moment (N) = 1.2.2 Xây dựng Prim_Dijkstra Sau xác định nút backbone nút trung tâm, ta sử dụng PrimDijkstra với tham số α để xây dựng kết nối nút backbone với Cây MST-Minimum Spanning Tree: bắc cầu tối thiểu, đại diện thuật toán Prim, với tiêu chí Total Length = min, Total Path = max Cây SPT – Shorted Path Tree: theo đường ngắn nhất, đại diện thuật tốn Dijkstra với tiêu chí Total Length = max, Total Path = Cây Prim-Dijkstra với tham số: Nhãn Prim = Nhãn Dijkstra = => Nhãn Prim-Dijkstra: Label = Với ( = => Prim, = => Dijkstra) VD đỉnh hàng xóm u đỉnh xét v, ta có nhãn sau: L(v) = [α*cost(s,u) + cost(u,v)] 1.2.3 Thêm liên kết Ở bước đưa khái niệm dãy (Sequence) nút Home (Homing) để thêm liên kết nhằm tối ưu thiết kế Bằng cách sử dụng Prim – Dijkstra trên, xác định dãy nút thỏa mãn tiêu chí sau: - Các nút xếp theo thứ tự từ ngồi vào Khơng xếp cặp nút (N1, N2) tất cặp nút (N1*, N2*) xếp; N1, N2 nằm liên kết N1* N2* - Những liên kết dài xếp Với cặp nút N1, N2 không liền kề nhau, ta chọn nút Home nút trung gian Hình 1 Chọn nút Home Trong trường hợp có nhiều nút chọn làm nút Home, ví dụ N1 N2 có hai nút trung gian N3 N4 ta chọn nút Home N3 nếu: Và ngược lại chọn nút Home N4 Xét cặp nút (N1,N2) lần nhất, ta triển khai giải thuật sau: - Từ tham số dung lượng liên kết C mà đề cho, tính: - Tính độ sử dụng (Utilization) liên kết: - Thêm liên kết , cịn khơng di chuyển lưu lượng thơng qua mạng (ví dụ thêm lưu lượng cho , làm tương tự với ) Sẽ xảy trường hợp liên kết (N1,N2) thuộc Prim – Dijkstra ban đầu, ta việc thêm liên kết trực tiếp II THUẬT TOÁN MENTOR II (ISP) 2.1 Đặt vấn đề Sau thiết kế xong mạng, xem xét xem lưu lượng qua đâu Đưa vấn đề mà trung tâm chất lượng hoạt động thuật tốn định tuyến Nếu sử dụng thuật toán Prim – Dijkstra, số lượng liên kết mà đảm bảo có đường node Tuy nhiên với thiết kế thế, tồn liên kết mà lưu lượng qua lớn, điều đồng nghĩa với việc khơng đảm bảo tính ổn định cho mạng Hình Ví dụ mạng Backbone sau MENTOR I Như Hình 2.1, ta thấy liên kết node có lưu lượng qua lớn yêu cầu từ các node backbone 9, 2, 14 đến node backbone 8, Trong đó, liên kết node 14 lại có yêu cầu từ node 14 đến node lại Để khắc phục điều này, thêm liên kết trực tiếp node Ví dụ, node 14 node Như vậy, số yêu cầu từ số node (VD: node 2, 14) qua liên kết Tuy nhiên, thêm liên kết trực tiếp khả số liên kết có từ trước giảm lưu lượng (VD: trường hợp liên kết – 8, – 2) đôi lúc 10 lưu lượng trở Hay nói cách khác, thuật tốn định tuyển tìm thấy đường ngắn đường khơng tìm thấy đường khả thi cho thiết kê mạng Như vậy, cần cải thiệt giải thuật Mentor thêm liên kết trực tiếp phải xem xét ln đến giới hạn thuật tốn đinh tuyển 2.2 ISP (Incremental Shortest Path) Mục đích thuật tốn ISP xác định tất cặp sử dụng liên kết trực tiếp thay cho đường thời Ban đầu tất đường qua cây, sau thêm liên kết trực tiếp thứ trở nên phức tạp Mentor II sử dụng ma trận kích thước NxN: - Ma trận sp_dist[NxN]: ma trận khoảng cách đường ngắn Ma trận sp_pred[NxN]: ma trận trỏ nút, lưu vị trí nút đường ngắn hai nút i j Hai ma trận cập nhật sau lần thêm liên kết Mỗi liên kết phải ấn định độ dài lớn giá (do khơng muốn cho liên kết có độ dài ngắn phi lý)  Thứ tự xem xét cặp cạnh: Chúng ta xếp cặp cạnh theo thứ tự bước nhảy, coi thứ tự cần xét xem có thêm liên kết trực tiếp hay khơng 11 Hình 2 Ví dụ xếp trình tự nút theo thứ tự bước nhảy  Xét cạnh thêm vào: Khi xem xét liệu có thêm liên kết trực tiếp nút nguồn S nút đích D, độ dài liên kết SD = L, ta xây dựng s_list d_list: - s_list với ý nghĩa tập node “được hưởng lợi” muốn đến node khác mà - dùng liên kết trực tiếp SD d_list với ý nghĩa tập node “được hưởng lợi” muốn đến node khác mà dùng liên kết trực tiếp DS Với ý nghĩa trên, cách xây dựng s_list d_list sau: - Thêm node vào s_list nếu: sp_dist[node, s] + L < sp_dist[node, d] Thêm node vào d_list nếu: sp_dist[node, d] + L < sp_dist[node, s] Xem xét tất cặp (ni, nj) ni s_list nj d_list Khi đó, lưu lượng (ni, nj) chuyển sang liên kết dự định nếu: sp_dist[ni, s] + L + sp_dist[d, nj] < sp_dist[ni, nj] Độ dài lớn cho ấn định lưu lượng (ni, nj) để chuyển theo đường là: maxL = sp_dist[ni, nj] - sp_dist[ni, s] + sp_dist[d, nj] Điều có nghĩa độ dài liên kết (ni, nj) ấn định khoảng (L, maxL) lưu lượng chuyển theo đường SD 12 Với cặp (ni, nj) ta có số maxL Ta xếp cặp theo thứ tự từ xuống Giả sử ta có: maxL(P1) = 2000; maxL(P2) = 1800; maxL(P3) = 1800; maxL(P4) = 1700 Ở đây, chọn giá trị cạnh định có cặp (ni, nj) sử dụng liên kết Ví dụ chọn SD = 1750 có cặp P1, P1, P3 dùng liên kết III TRIỂN KHAI THỰC HIỆN Giải thuật MENTOR nhóm triển khai thực phần mềm MATLAB Đây cơng cụ quen thuộc có tính ứng dụng cao, môi trường giao tiếp thân thiện tạo điều kiện cho nghiên cứu phát triển Chương trình tạo 90 nút mạng vị trí ngẫu nhiên Sau sử dụng giải thuật MENTOR trình bày phần trước để tìm nút Backbone nút truy nhập tương ứng Khi khởi chạy chương trình, thiết lập thơng số đầu vào kích thước ma trận, số lượng nút, ngưỡng, dung lượng, t giao diện Hình 13 Hình Giao diện chương trình nhập tham số đầu vào Sau nhấn ok, chương trính cho mạng lưới nút tạo ngẫu nhiên mặt phẳng tọa độ (Hình 3.2) 14 Hình Sơ đồ nút tạo ngẫu nhiên mặt phẳng tọa độ Tính tốn đưa nút Backbone nút truy nhập, thực nối nút với Trong đó, nút Backbone trung tâm biểu diễn dạng hình vng đặc màu tím, nút Backbone khác biểu diễn dạng hình vng đặc màu đỏ, cịn nút truy nhập hình trịn màu đen 15 Hình 3 Sơ đồ kết nối nút Backbone nút truy nhập Tiếp theo chương trình xây dựng Prim – Dijkstra để kết nối nút Backbone với Để chuyển sang bước nhấn nút bàn phím click chuột 16 Hình Cây Prim-Dijkstra kết nối nút truy nhập với 17 KẾT LUẬN Qua tập lớn này, chúng em phần hiểu rõ thuật tốn MENTOR cách hình thành theo thuật toán MENTOR xây dựng PrimDijjkstra Chúng em rèn luyện kỹ làm việc nhóm độc lập cho cá nhân Nhóm có hạn chế chưa làm tập lớn này, lập trình tìm nút mạng Backbone nút mạng truy nhập, chưa thực theo ISP Do thời gian có hạn nên trình thực khơng tránh khỏi sai sót chưa mong muốn, chúng em hy vọng thực tốt đề tài sau TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] M Botha, G J Zuurmond and A E Krzesinski, “An Implementation of the MENTOR Algorithm for Random Network Generation”, Department of Computer Science, University of Stellenbosch, 7600 Stellenbosch, South Africa [2]http://luanvan.co/luan-van/de-tai-thuat-toan-mentor-ii-56268/? fbclid=IwAR0OSfCfz8IG0DtIv4HLPAtD0i5Lr52PdxcNlI3xthlkILNPoN-pz1rhbi8, truy cập cuối ngày 09/5/2019 [3] Robert S Cahn, “Wide Area Network Design: Concepts and Tools for Optimization”, Morgan Kaufmann Publishers Inc San Francisco, CA, USA ©1998, ISBN:1-55860-458-8 18 ...TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ- VIỄN THÔNG  BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN TỔ CHỨC VÀ QUY HOẠCH MẠNG VIỄN THÔNG Đề tài số NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ... 1. 1 Tổng quan 1. 2 Thuật toán MENTOR 1. 2 .1 Xác định nút Backbone nút trung tâm .9 1. 2.2 Xây dựng Prim_Dijkstra 11 II THUẬT TOÁN MENTOR II (ISP) .12 ... nút 15 30 lưu lượng nút 40 68 mạng Backbone vừa tạo mục thay đổi nào? I THUẬT TOÁN MENTOR 1. 1 Tổng quan Trong mạng viễn thơng, có nút mạng liên kết với tạo thành hệ thống mạng Trong hệ thống mạng