Xem mẫu
- Widest Shortest Path GVHD: Hoàng Trọng Minh
Luận văn
Tìm hiểu thuật toán
Widest Shortest Path
Sinh Viên : Nguyễn Thị Nghĩa 1
- Widest Shortest Path GVHD: Hoàng Trọng Minh
Mục Lục
Tổng quan…………………………………………………………1
I. Khái niệm định tuyến……………………………………………3
II. Giải thuật định tuyến………………………………………................4
2.1. Yêu cầu của giải thuật định tuyến…………………..………...4
2.2. Giải thuật tìm đường đi ngắn nhất và rộng nhất (WSP)………5
III. Giới thiệu về QoS (quality of service)………………………….…5
3.1.Định nghĩa về QoS…………………….................………5
3.2. Mô hình trạng thái QoS…………………………………..6
3.3. Mục tiêu định tuyến Qos…………….......................…......7
3.4. Các tham số QoS…………………….......................……7
3.5. Các giao thức và tiêu chuẩn liên quan đến QoS…………........9
IV. Các vấn đề về số đo ...........................................................................11
4.1. Số đo ........................................................................................11
4.2. phân phối số đo.........................................................................12
4.3. Thứ tự số đo..............................................................................12
V. Kĩ thuật lưu lượng...............................................................................13
5.1. Định tuyến QoS: tiếp cận khu vực và tổng thể........................14
5.2. Định tuyến khoanh vùng..........................................................15
5.3. Dịch vụ kết nối và không kết nối.............................................16
5.4. Mô hình lưu lượng ảo..............................................................16
VI. Giao thức đường đi ngắn nhất (OSPF-open Shortest First)...........18
Sinh Viên : Nguyễn Thị Nghĩa 2
- Widest Shortest Path GVHD: Hoàng Trọng Minh
VII. Tìm hiểu về thuật toán Dijkstra và thuật toán A*…....................21
1. Thuật toán Dijkstra……………………………………...21
2. Thuật toán A*……………………………..……………..23
VIII. Ứng Dụng và kết luận…………………………………….24
TỔNG QUAN
Ngày nay việc gia tăng các giá trị gia tăng hứa hẹn một tương lai phát triển
mạnh mẽ cho hệ thống mạng với các dịch vụ thời gian thực , băng thông rộng hay
các dịch vụ liên quan đến tính kinh tế, bảo mật, chất lượng dịch vụ cao như mạng
riêng ảo (VPN)
Bên cạnh sự ra đời của các mạng công nghệ cao thì vấn đề là phải làm sao đảm
bảo được tốc độ tính toán nhanh nhất và đạt hiệu năng tổng thể cho luồng lưu
lượng khác nhau. Hơn nữa cải thiện hiệu năng định tuyến là một bài toán được
quan tâm hàng đầu trong mạng,
Trong đề tài này chúng ta tập chung tìm hiểu về thuật toán WSP ( Widest
shortest path alogorithm ). Thuật toán này chọn đường đi ngắn nhất dựa trên số
bước nhảy, và tìm đường rộng nhất dựa trên độ rộng băng thông. Để hiểu thuật
toán này trước hết chúng ta phải tìm hiểu về QoS (quality of service ) và đi đến
định tuyến đảm bảo QoS (chất lượng dịch vụ ) qua thuật toán này như thế nào
Sinh Viên : Nguyễn Thị Nghĩa 3
- Widest Shortest Path GVHD: Hoàng Trọng Minh
I. khái niệm định tuyến
Mục tiêu cơ bản của các phương pháp định tuyến nhằm sử dụng tối đa tài
nguyên mạng, và tối thiểu hoá giá thành mạng. Để đạt được điều này kỹ thuật định
tuyến phải tối ưu được các số mạng và người sử dụng như : Xác suất tắc ngẽn,
băng thông, độ trễ, độ tin cậy, giá thành,v..v. Vì vậy, một kỹ thuật định tuyến phải
thực hiện tốt 2 chức năng chính sau đây:
1.Quyết định chọn đường theo những tiêu chuẩn tối ưu nào đó.
2.Cập nhật thông tin định tuyến, tức là thông tin dùng cho chức năng
Trong các mạng máy tính có rất nhiều các kỹ thuật định tuyến khác nhau đã được
đưa ra. Sự phân biệt giữa các kỹ thuật định tuyến chủ yếu căn cứ vào các yếu tố
liên quan đến 2 chức năng chính đã chỉ ra trên đây. Các yếu tố đó thường là:
(a) Sự phân tán của các chức năng chọn đường trên các nút của mạng.
(b) Sự thích nghi với trạng thái hiện hành của mạng.
(c) Các tiêu chuẩn tối ưu để định tuyến.
Tiêu chuẩn tối ưu để định tuyến được xác định bởi người quản lý hoặc người
thiết kế mạng, nó có thể là:
- Độ trễ trung bình của thời gian truyền gói tin.
- Số lượng nút trung gian giữa nguồn và đích của gói tin.
- Độ an toàn của việc truyền tin.
- Nguồn tài nguyên mạng sử dụng cho truyền tin .
- v.v..
- Tổ hợp của các tiêu chuẩn trên.
Việc chọn tiêu chuẩn tối ưu như vậy phụ thuộc vào nhiều bối cảnh mạng (topo,
thông lượng, mục đích sử dụng.v.v..). Các tiêu chuẩn có thể thay đổi vì bối cảnh
Sinh Viên : Nguyễn Thị Nghĩa 4
- Widest Shortest Path GVHD: Hoàng Trọng Minh
mạng cũng có thể thay đổi theo thời gian hoặc các triển khai ứng dụng trên mạng,
chính vì thế mà vấn đề tối ưu hoá định tuyến luôn được đặt ra trong thời gian triển
khai mạng, nhất là sự đối lập về quan điểm người sử dụng dịch vụ và nhà khai
thác dịch vụ mạng
II. Giải thuật định tuyến
Giải thuật định tuyến (routing algorithm) là giải thuật tìm đường đi cho các gói
từ một máy nguồn đến một máy đích, trong hầu hết các mạng thì các gói sẽ cần
đến nhiều bước nhảy (nghĩa là phải chuyển qua nhiều bộ định tuyến) để hoàn tất
cuộc hành trình. Giải thuật định tuyến có nhiệm vụ quyết định đường dây ra nào
mà một gói đến có thể được truyền trên nó. Có hai quá trình xảy ra trong một bộ
định tuyến, đó là một quá trình quản lí mỗi một gói khi gói này đến, tìm kiếm
đường ra cho gói này ở trong các bảng định tuyến, quá trình này gọi là quá trình
truyền tiếp. Quá trình còn lại có nhiệm vụ cập nhật và điền vào các bảng định
tuyến, đó là nơi mà giải thuật định tuyến bắt đầu có hiệu lực.
2.1. Yêu cầu của giải thuật định tuyến
Các thuộc tính cần phải có trong giải thuật định tuyến là:
. Chính xác (exactitude)
. Đơn giản (simple)
. Có khả năng thay đổi cấu hình và đường vận chuyển để không phải khởi
động lại mạng khi có một nút hỏng hoặc phải ngừng hoạt động của các máy
ở trạm
. Ổn định vì có những thuật toán không bao giờ hội tụ về trạng thái cân đối
ổn định
. Tối ưu
Các giải thuật định tuyến có thể được nhóm thành hai loại chính: không thích
nghi và thích nghi
Các quyết định của giải thuật định tuyến không thích nghi không phụ thuộc vào
các phép đo hoặc ước lượng của lưu lượng hiện hành và cấu trúc liên kết (topo)
mạng. Thay vào đó, việc lựa chọn tuyến sử dụng để đi từ nguồn đến đích được
tính toán trước và được tải xuống các bộ định tuyến khi mạng được khởi động
Giải thuật thích nghi thay đổi các quyết định định tuyến để phản ánh sự thay đổi
trong cấu trúc liên kết mạng và thường là cả lưu lượng. Các giải thuật thích nghi
khác nhau ở nơi nào chúng lấy thông tin (chẳng hạn như có tính cục bộ, từ các bộ
Sinh Viên : Nguyễn Thị Nghĩa 5
- Widest Shortest Path GVHD: Hoàng Trọng Minh
định tuyến gần nhất hoặc từ tất cả các bộ định tuyến ), khi nào các giải thuật này
thay đổi các tuyến (chẳng hạn như mỗi một ΔT giây, khi tải thay đổi hay cấu trúc
liên kết mạng thay đổi ), và số đo nào được sử dụng cho sự tối ưu (chẳng hạn như
khoảng cách, số bước nhảy hay thời gian chuyển tiếp được ước lượng) và ở đoạn
tiếp giải thuật định tuyến đường đi ngắn nhất và rộng nhất (WSP).
2.2. Giải thuật tìm đường đi ngắn nhất và rộng nhất ( WSP )
Thuật toán tìm đường đi ngắn nhất và rộng nhất (WSP)[1] là thuật toán được
nâng cấp từ thuật toán bước nhảy tối thiểu,WSP cố gắng cân bằng tải trọng của lưu
lượng mạng. Trên thực tế thì WSP chọn một đường dẫn khả thi nhất cùng với số
bước nhảy bé nhất và nếu có nhiều hơn một đường dẫn khả thi cùng với số bước
nhảy như vậy thì một đường dẫn sẽ được chọn ra cùng với độ dư băng thông lớn
nhất, như vậy sẽ làm giảm liên kết tải trọng nặng. Mục tiêu của thuật toán WSP là
để chọn một con đường ngắn nhất mà là một con đường có tính khả thi theo sự
rằng buộc về băng thông của lưu lượng. Số đo chính trong thuật toán WSP là số
bước nhảy và số đo thứ 2 là băng thông sẵn có (còn dư), trong giai đoạn một tồn
tại tất cả các con đường ngắn nhất giữa mỗi nguồn và tất cả các đích trong mạng là
một sự tính toán. Trong giai đoạn 2 băng thông được sử dụng. WSP có thể tính
toán bằng phiên bản sửa đổi của Bellman-Ford hoặc thuật toán Dijkstra. Sự mở
rộng để thuật toán Dijkstra thay thế cho sự tính toán của WSP. Mục đích chính của
WSP là để giảm tải chi phí cho mạng. Từ đó sự duy trì tài nguyên mạng là đặc
biệt quan trọng khi mạng bị tắc nghẽn, kiểu thuật toán này mang lại hiệu quả cao
khi mạng có tải trọng cao. WSP thực thi tốt bởi vì tài nguyên được bảo vệ đồng
thời bằng cách chọn con đường ngắn và cân băng tải trọng bằng cách chọn con
đường rộng giữa các con đường có độ dài như nhau
Trong phần sau chúng ta sẽ đi sâu vào tìm hiểu về QoS (quality of service) để biết
được giải thuật WSP hỗ trợ cho định tuyến QoS như thế nào
III. Giới thiệu về QoS (quality of service)
3.1. Định nghĩa về QoS (chất lượng dịch vụ)
Chất lượng dịch vụ QoS [2] là khả năng của mạng để cung cấp dịch vụ tốt cho
lưu lượng mạng xác định qua nhiều công nghệ lớp dưới như Frame-Relay, ATM,
IP và các mạng định tuyến… nói cách khác nó là đặc tính của mạng cho phép
phân biệt giữa các lớp lưu lượng khác nhau và sử lý chúng một cách khác nhau
Sinh Viên : Nguyễn Thị Nghĩa 6
- Widest Shortest Path GVHD: Hoàng Trọng Minh
Một vài ứng dụng tổng quát và độ chính xác của các yếu cầu được liệt kê trong
bảng sau.
Ứng dụng Độ tin cậy Thời gian trì hoãn Trượt Băng thông
Thư điện tử Cao Thấp Thấp Thấp
Truyền tập tin Cao Thấp Thấp Trung bình
Truy cập Web Cao Trung bình Thấp Trung bình
Đăng nhập từ xa Cao Trung bình Trung bình Thấp
Âm nhạc theo yêu cầu Thấp Thấp Cao Trung bình
Điện thoại Thấp Cao Cao Thấp
Hội nghị truyền hình Thấp Cao Cao Cao
Bảng 3.1 Các yêu cầu về chất lượng dich vụ
3.2. Mô hình trạng thái QoS
Một mô hình trạng thái mạng QoS thường được biểu diễn dưới dạng một đồ thị
G(V,E). Trong đó V thể hiện cho các nút và E là các liên kết. Lưu lượng vào mạng
qua nút vi và ra qua nút vj . Mỗi liên kết (i,j) có 2 đặc tính : Ci,j là dung lượng liên
kết và fi,j là lưu lượng thực tế. Gọi Ri,j = (Ci,j – fi,j) là băng thông dư. Một kết nối có
yêu cầu băng thông là dk thì một liên kết được gọi là khả dụng khi Ri,j ≥ dk. Một
kết nối mới có thể được chấp thuận nếu ít nhất tồn tại một đường dẫn khả dụng
giữa vi và vj.
V1 j CjlFjl l
CijFij ClnFln
CjlFjl
i CjmFjm CklFkl n
V0 vn
CmnFmn
CjkFjk
k CkmFkmm m
Sinh Viên : Nguyễn Thị Nghĩa 7
- Widest Shortest Path GVHD: Hoàng Trọng Minh
Hình 3.2 Mô hình trạng thái mạng QoS
Một đường đi (path) trên đồ thị là một dãy tuần tự các đỉnh v1,v2...vn, sao cho
(vi,vi+1) là một cung của đồ thị (i=1…n-1). Đường đi này là đường đi từ đỉnh v1
đến đỉnh vn đi qua các đỉnh v1,v2...vn-1, đỉnh v1 được gọi là đỉnh đầu của đường đi,
đỉnh vn được gọi là đỉnh cối của đường đi, độ dài của đường đi là n-1(bằng số cạnh
trên đường đi ). Một liên kết a thuộc E từ nốt vi đến vi+1 hay gọi là liên kết
(vi,vi+1). Mỗi một liên kết a thuộc E có tải trọng wi(a). w(vi ,vi+1) là tải trọng tương
ứng với liên kết ( vi,vi+1 ) trên đường dẫn P = ( v1,v2...vn-1 ) và W(P) là tải trọng
trên toàn bộ đường truyền
3.3. Mục tiêu định tuyến QoS
Vai trò của định tuyến là tính toán đường dẫn thích hợp cho các kiểu lưu lượng
khác nhau, khi sự tận dụng của tài nguyên mạng lớn, việc đáp ứng mục tiêu phụ
thuộc vào sự phát triển của thuật toán để tìm đường dẫn dựa vào sự tính toán trạng
thái của mạng và lưu lượng yêu cầu, cụ thể là, cần tính đến độ trễ, độ trượt, tỉ lệ
mất mát và băng thông còn dư.
Mục tiêu của định tuyến QoS là để chọn đường dẫn phù hợp theo yêu cầu thông
lượng căn cứ trên thông tin về tất cả các trạng thái của mạng . Sự tận dụng tài
nguyên mạng cũng là mục tiêu quan trọng của định tuyến QoS. Kế hoạch định
tuyến QoS cần phải đưa ra giải pháp cho kĩ thuật phân phối số đo và thuật toán
chọn đường dẫn.
Một số đề xuất phối hợp định tuyến QoS thường phụ thuộc vào sự trao đổi
giữa các thông tin trạng thái QoS các bộ định tuyến, và xử lý phần đầu tại trung
tâm các bộ định tuyến. Để đơn giản hóa việc trao đổi thông tin trong mạng, chúng
ta tập trung phối hợp định tuyến khoanh vùng tại biên (edge) các bộ định tuyến và
như vậy để giải quyết đường đi chỉ cần sử dụng thông tin cục bộ (local).
Định tuyến căn cứ trên dung lượng ảo (vcr virtual capacity based routing) là sự
phối hợp trên lí thuyết căn cứ trên khái niệm dung lượng ảo của một bộ định
tuyến. Chúng ta tập trung phối hợp định tuyến QoS khoanh vùng tại biên (edge)
các bộ định tuyến để giải quyết đường đi chỉ sử dụng thông tin cục bộ ”local” và
như vậy thì giảm tải phần đầu tại trung các tâm bộ định tuyến
3.4. các tham số QoS.
Sinh Viên : Nguyễn Thị Nghĩa 8
- Widest Shortest Path GVHD: Hoàng Trọng Minh
Các tham số rằng buộc về QoS của kết nối thường được đánh giá qua mức độ
đảm bảo băng thông tối thiểu, độ trễ/trượt và tỉ lệ mất thông tin. Mục tiêu cơ bản
của kỹ thuật định tuyến QoS là tìm ra một đường có khả năng đảm bảo các điều
kiện rằng buộc của đấu nối và thậm chí chỉ để loại bỏ một số đấu nối khác.
Hình 3.4 Độ trễ và mất mát gói tin trong mạng
+ Việc quản lý băng thông hiệu quả để chuyển các gói qua một mạng gói dựa
trên các thông số sau
- Latency –Trễ khi chuyển một gói tin qua mạng.
- Jitter – Trượt.
- Loss – Phần trăm mất gói.
- roughput –Thông lượng của mạng.
- vailability - network uptime-tính sẵn sàng của mạng.
+ Các tham số sau đây là cơ sở để định lượng bất kỳ một dịch vụ nào:
- one-way delay -độ trễ một chiều.
- one-way packet delay variation-mức độ thay đổi độ trễ gói tin theo một
chiều.
- capacity- dung lượng.
- packet loss- độ mất mát gói tin.
Ngoài danh sách này,có một vài yêu cầu cơ bản cho hoạt động mạng mà ảnh
hưởng lớn đến toàn bộ chất lượng của bất kỳ dịch vụ nào.
- Tỉ số lỗi bít.
Sinh Viên : Nguyễn Thị Nghĩa 9
- Widest Shortest Path GVHD: Hoàng Trọng Minh
- Sự ổn định của lớp vật lý và liên kết số liệu.
- Sự ổn định định tuyến.
- Hiệu năng phần cứng toàn mạng.
- Kiểm tra và thời gian cần để giải quyết sự cố .
ứng dụng phương pháp kĩ
lớp QoS (ví dụ) kĩ thuật nút thuạt mạng
thời gian thực, rằng buộc định
Jitter sensitive, tuyến và
0 tương tác Tách rời hàng đợi cùng với khoảng cách
cao(VoIP,VTC) độ ưu tiên, nhóm lưu
thời gian thực, Jitter lượng rằng buộc định tuyến
sensitive, tương tác ở mức độ nhỏ hơn và
1
(VoIP,VTC) khoảng cách
rằng buộc định
Truyền vận dữ tuyến và
2 liệu,tương tác khoảng cách
tách rời hàng đợi
cao(signaling) độ ưu tiên giảm rằng buộc định tuyến
Truyền vận dữ ở mức độ nhỏ hơn và
3 liệu,tương tác khoảng cách
chỉ tổn thất nhỏ(các hàng đợi dài, bất cứ bộ định
vận chuyển ngắn, độ ưu tiên giảm tuyến/đường dẫn
4
kích thước dữ liệu)
ứng dụng truyền thống Tách rời hàng đợi
của các mạng default (ưu tiên mức bất cứ bộ định
5 tuyến/đường dẫn
IP thấp nhất)
Bảng 2.2: Phạm vi các tham số
3.5 Các giao thức và tiêu chuẩn liên quan đến QoS
Trong phần này sẽ đề cập và xem xét hai mô hình hỗ trợ QoS trong mạng IP là
: Integrated Services (các dịch vụ tích hợp) và Differentiated Services (các dịch vụ
sai biệt ). Cả hai mô hình đều hỗ trợ cho việc điều khiển mạng và mang lại khả
năng phát triển mạng tốt hơn
Kĩ thuật Intserv được hiểu một cách tổng quan như sau
Sinh Viên : Nguyễn Thị Nghĩa 10
- Widest Shortest Path GVHD: Hoàng Trọng Minh
- Mỗi node mạng (router) được phân chia thành 2 phần: Xử lý cơ bản và
chuyển tiếp lưu lượng.
- Xử lý cơ bản đảm nhận các chức năng như: định tuyến, thiết lập và duy trì
tài nguyên mạng và điều khiển quản lý.
- Xử lý trong chuyển tiếp lưu lượng: dựa trên thông tin trong cơ sở dữ liệu
để phân loại lưu lượng và đưa lưu lượng vào hàng đợi.
Kĩ thuật Intserv (dịch vụ tích hợp), sử dụng giao thức RSVP- (giao thức dự trữ
trước tài nguyên-Source Reservation Protocol) để dành trước tài nguyên trước khi
truyền dữ liệu
Path
Path
S R1 R3
Path Path Rx
Resv
Resv
R2
Resv Resv
Hình 3.5. RSVP
RSVP cho phép nhiều bộ định tuyến truyền thông tin đến nhiều bộ định
tuyến cho phép các bộ định tuyến tối ưu hóa trong việc sử dụng băng thông đồng
thời với việc loại bỏ nghẽn mạch. Để dành trước tài nguyên phía gửi sử dụng
RSVP để gửi một bản tin PATH tới phía nhận để xác định các thuộc tính của lưu
lượng sẽ gửi. Mỗi node trung gian sẽ chuyển tiếp bộ bản tin PATH tới các node kế
tiếp. Khi nhận được bản tin PATH bên nhận sẽ gửi bản tin RESV để yêu cầu tài
nguyên cho luồng. Các node trung gian trên đường đi có thể chấp nhận hay từ chối
các yêu cầu chứa trong bản tin RESV, nếu yêu cầu bị từ chối, bộ định tuyến sẽ gửi
bản tin báo lỗi cho phía nhận, quá trình báo hiệu kết thúc. Nếu yêu cầu được chấp
nhận, tài nguyên được dành riêng cho luồng và các trạng thái liên quan của luồng
sẽ được cài đặt vào bộ định tuyến. RSVP khó khăn trong việc thực hiện vì việc
chuyển tiếp các gói dựa trên trạng thái của gói tại mỗi node, các quyết định này
yêu cầu các gói RSVP phải mang một số thông tin “tóm tắt” để định phiên làm
việc của chúng. Các bộ định tuyến trung gian phải có một bảng định tuyến động
Sinh Viên : Nguyễn Thị Nghĩa 11
- Widest Shortest Path GVHD: Hoàng Trọng Minh
chứa phương pháp sử lí các thông tin “tóm tắt” đó và thông tin về việc “dành trước
tài nguyên”. Khi một bộ định tuyến nhận được một gói thuộc phiên làm việc
RSVP nó phải tham chiếu vào bảng để biết cách phải xử lí gói như thế nào.
Trong mô hình tích hợp dịch vụ sử dụng giao thức RSVP có thể đảm bảo
QoS từ đầu cuối đến đầu cuối trên cơ sở mỗi luồng thông qua báo hiệu QoS trên
từng chặng. Các bộ định tuyến dọc theo đường truyền phải duy trì trạng thái cho
mỗi luồng thông tin. Vì vậy tối ưu về sử dụng tài nguyên mạng, nhưng kéo theo đó
là gánh nặng xử lý và tăng kích cỡ mạng
Trong mô hình dịch vụ sai biệt chỉ đảm bảo QoS trên từng chặng thông qua việc
ấn định tài nguyên phần cứng. Gánh nặng xử lý của các bộ định tuyến nhẹ hơn và
đơn giản hơn, nhưng không đảm bảo về QoS từ đầu cuối đến đầu cuối
Điều khiển
path Tác nhân Thiết lập RSVP
Pat định tuyến Tác
dành riêng Pat
nhân đk
h h
Resv
Resv Tổ chức điều
khiển
Bảng định tuyến
Điều khiển cơ sở
dữ liệu
Hàng đợi
Dữ liệu vào ra
Bộ phận
Phân Lập lịch trình
loại
đk
Hình mô hình tích hợp dịch vụ sử dụng RSVP
VI. Các vấn đề về số đo
4.1 Số đo ( Metric)
Thuật toán chọn đường có mức độ phức tạp được quyết định bởi nhiều yếu tố
khác nhau. Thuật toán chọn đường chọn các đường dẫn khả thi trong một tập
đường dẫn. Mặc dù vậy, việc tính toán được quyết định trên nguyên tắc của kết
cấu số đo
Sinh Viên : Nguyễn Thị Nghĩa 12
- Widest Shortest Path GVHD: Hoàng Trọng Minh
Giá trị của số đo dọc theo đường dẫn, căn cứ trên giá trị của mỗi bước nhảy
được quyết định trên bản chất của số đo. Việc thêm vào thành phần số đo có nghĩa
là giá trị của số đo trên khắp đường dẫn là sự cộng gộp giá trị của mỗi bước nhảy (
độ trễ và số bước nhảy tương đương với các số đo cộng vào). Với các số đo được
nhân lên thì giá trị của số đo trên con đường là tích số của các giá trị đó trong mỗi
bước nhảy (độ tin cậy). Giá trị của số đo lõm (concave) trên đường truyền phù hợp
để tuân theo giá trị trong tất cả các bước nhảy của đường truyền ấy (băng thông là
ví dụ phổ biến của số đo lõm )
Các số đo sử dụng phổ biến trên định tuyến QoS và rằng buộc định tuyến căn bản
được tách ra thành 3 loại
Được gọi là các quy tắc cấu tạo hành phần các số đo
- Tính cộng thêm nếu
W(P) = w( u1, u2 ) + w ( u3 , u4 ) +…+ w(ul-1,ul)
- Tính nhân lên nếu
W(P) = w( u1, u2 ). w ( u3 , u4 ) .…. w(ul-1,ul)
- Tính lõm nếu
W(P) = min( w( u1, u2 ), w ( u3 , u4 ) ,…, w(ul-1,ul) )
W(P) là tải trọng trên đường truyền, w(ui , uj) là tải trọng của một liên kết trên
đường truyền
4.2. Phân phối số đo ( Metrics Distribution)
Trạng thái của mạng có thể miếu tả bằng một tập hơp số đo, bao gồm băng
thông sẵn có, độ trễ, độ trượt, và mức độ tắc nghẽn. Thông tin về tất cả trạng thái
của mạng cần được phân phối, và giữ lại cập nhật, ở tất cả hoặc một vài bộ định
tuyến trong mạng. Sự phân phối cần được thực hiện thường xuyên hơn trong bộ
định tuyến để cập nhật trạng thái động của mạng. Nhưng nếu thường xuyên cập
nhật thông tin thì nó sẽ gây ra tiêu thụ băng thông nhiều, có thể xảy ra nguy hiểm
cho mạng.
4.3 Thứ tự số đo (Metric Ordering )
Thứ tự số đo phụ thuộc sự xác định của số đo mà có độ ưu tiên cao và có sự
tính toán tương đối tốt nhất theo số đo này. Trong thuật toán WSP thì số đo được
ưu tiên tính toán đầu tiên là số bước nhảy, số đo thứ hai căn cứ trên băng thông
Tuật toán WSP chọn từ các con đường ngắn nhất cùng với số bước nhảy như
nhau, cùng với độ dư băng thông lớn. Thuật toán WSP sử dụng thuật toán
Sinh Viên : Nguyễn Thị Nghĩa 13
- Widest Shortest Path GVHD: Hoàng Trọng Minh
bellman-ford để tính toán đường dẫn rộng nhất ngắn nhất. Thuật toán Dijkstra
cũng có thể được sử dụng để tính toán đường ngắn nhất và rộng nhất. Trong
trường hợp này được sử dụng 2 hàm, đầu tiên là liên quan đến số bước nhảy, và
thứ 2 là độ dư băng thông lớn nhất. Tại mỗi lần lặp thuật toán tính toán chọn một
node cùng với số bước nhảy nhỏ. Nếu có nhiều hơn một node có số bước nhảy
như vậy thì nó sẽ chọn một node cùng với độ dư băng thông lớn nhất.
Thuật toán WSP có mục đích định ra giới hạn sử dụng tài nguyên, chúng cũng
cho phép đi đến cân bằng tải trọng. Từ đó sự duy trì tài nguyên là quan trọng nhất
khi mạng bị tắc nghẽn, và kiểu thuật toán này góp phần để duy trì tài nguyên, nó
cho thấy kết quả tốt khi tải trọng cao. Thuật toán WSP cũng cho thấy cách giao
tiếp tốt khi giải quyết định tuyến dựa trên thông tin của trạng thái mạng.
Độ rộng băng thông được dùng như một số đo cho định tuyến QoS, một hoặc
kết hợp cùng với các số đo khác, ví dụ như độ trễ hoặc số các bước nhảy.
Hình 4.3 Thông lượng, băng thông sẵn có
V. Kĩ thuật lưu lượng
Một vài định tuyến QoS đề xuất cách tính toán các đường dẫn ngắn nhất căn cứ
trên số đo mà mô tả trạng thái của mạng. Cách sử dụng thông thường của đường
dẫn đơn ngắn nhất có thể đem lại tính không ổn định dưới sức nặng các tải trọng
hoặc lưu lượng truyền loạt. Khi tắc nghẽn ra tăng trong một con đường, tất cả các
lưu lượng chuyển sang một con đường khác, cùng với tải trọng thấp hơn . Trong
lần lặp lại tiếp theo cuả thuật toán tính toán đường dẫn, thay đổi đường dẫn ngược
lại có thể xuất hiện, tạo nên giao động . Sự giao động bắt nguồn từ mạng không ổn
Sinh Viên : Nguyễn Thị Nghĩa 14
- Widest Shortest Path GVHD: Hoàng Trọng Minh
định và gây tắc nghẽn dưới các giao thức định tuyến động, từ đó nó cần phân phối
sự cập nhật tương ứng với thay đổi tình trạng của mạng
Kĩ thuật lưu lượng là một phần quan trọng để điều khiển của sự thực thi mạng:
Lập kế hoach mạng, điều khiển dung lượng, và điều khiển lưu lượng [3]. lập kế
hoạch cho mạng kết hợp cùng với node và kế hoạch truyền tải tăng hỗ trợ lưu
lượng ... Điều khiển lưu lượng là modul nhằm vào sự thực thi của mạng dưới tất cả
các điều kiện công việc bao gồm điều kiện tải trọng và tình trạng của mạng. Cơ sở
rằng buộc định tuyến là một công cụ mạnh cho kĩ thuật lưu lượng tại modul điều
khiển lưu lượng, từ đó các đường dẫn được chọn theo sự sẵn có tài nguyên của
mạng, sử dụng các giao thức định tuyến QoS.
5.1 Định tuyến QoS: tiếp cận khu vực và tổng thể
Phần lớn sự phối hợp định tuyến QoS, được đề xuất phụ thuộc theo thay đổi
định kỳ của thông tin trạng thái liên kết QoS giữa các bộ định tuyến trong mạng để
đạt được tổng quan chung về trạng thái QoS mạng. Cách tiếp cận này để định
tuyến QoS tham khảo như sự tiếp cận định tuyến QoS chung. Bởi vì tài nguyên
mạng có thể sẵn sàng bị thay đổi cùng với mỗi lưu lượng chuyển đến và đi ra, để
duy trì trạng thái QoS mạng đúng yêu cầu thì thông tin phải được thường xuyên
cập nhật. Sự ngăn cấm truyền thông và chi phí sử lí gây ra sự ngăn cản cập nhật
trạng thái QoS thường xuyên của mỗi node mạng cùng với cái nhìn đúng đắn của
tình trạng mạng hiện thời. Do vậy, thông tin trạng thái QoS mạng có được tại
một nốt nguồn có thể nhanh chóng trở nên out-of-date (qúa hạn ) khi trạng thái
QoS cập nhật trong khoảng thời gian tương đối lớn về lưu lượng động. trong các
trường hợp này sự trao đổi thông tin trạng thái QoS giữa các node trong mạng là
không cần thiết. Hơn nữa đường dẫn được chọn dựa trên thuật toán định tuyến ví
dụ Dijkstra là thuật toán chọn đường ngắn nhất. Trong tính cộng, sự tổng quan
chung của trạng thái mạng có thể dẫn đến vấn đề đồng bộ hóa. Khi cập nhật QoS
với khoảng thời gian dài có liên quan đến lưu lượng động, có thể làm cho kế hoạch
định tuyến QoS chung bị giảm sút [4]. Để tránh các tình trạng trên các node nguồn
phải biết đến tình trạng QoS mạng dựa trên thống kê khối lưu lượng cục bộ, và
thực hiện định tuyến luồng sử dụng tổng quan chung của trạng thái QoS mạng. Đề
xuất đưa ra có một số thuận lợi. Đầu tiên, không cần đến sự trao đổi thông tin
chung, sự thông báo phần đầu phức tạp là rất nhỏ. Thứ 2, trung tâm các bộ định
Sinh Viên : Nguyễn Thị Nghĩa 15
- Widest Shortest Path GVHD: Hoàng Trọng Minh
không cần giữ và cập nhật mọi cơ sử dữ liệu trạng thái QoS cần thiết cho định
tuyến QoS chung, do đó giảm tải việc sử lý và phần đầu bộ nhớ tại trung tâm các
bộ định tuyến. Sau cùng đặc biệt là, phương pháp định tuyến khoanh vùng QoS
không phụ thuộc vào bất cứ sự thay đổi nào hoặc sự mở rộng của giao thức sẵn có
ví dụ như OSPF. Định tuyến QoS dễ dàng triển khai cùng với chi phí vừa phải
5.2 Phương pháp khoanh vùng
Câu hỏi cơ bản trong thiết kế khoanh vùng lược đồ định tuyến là có bao nhiêu
cách chọn một đường dẫn trong tổng quan của trạng thái QoS mạng để giảm bớt
sự thay đổi khối lưu lượng hiện tại cũng như làm tăng sự tận dụng toàn bộ nguyên
hệ thống. Để giải quyết các khó khăn này, chúng ta nghiên cứu khả năng thích ứng
định tuyến trong một khu vực. Vì phần lớn các giải thuật định tuyến đều cố gắng
tìm đường dẫn tốt nhất cho mỗi một đích và truyền toàn bộ lưu lượng đến đích
trên đường dẫn này, và để cung cấp chất lượng dich vụ cao hơn phương pháp khả
thi nhất là chia lưu lượng trên nhiều bộ định tuyến và sử dụng thông tin mạng nội
bộ có sẵn, đến đây chúng mới thống kê các mức lộ trình, ví dụ như số các khối lưu
lượng, là tình trạng thông tin sẵn có tại mỗi nguồn. Dựa trên các thông kê, khả
năng định tuyến tỉ lệ cố gắng để cân bằng phân phối tải trọng từ một nguồn đến
một đích giữa các đường dẫn phức tạp theo sự nhận biết đặc trưng của chúng.
Trong các lời nhận xét khác, khả năng định tuyến tỉ lệ khai thác tính chất vốn có
trong cách chọn đường dẫn bởi sự cân đối các lưu lượng xung quanh các đường
dẫn. Sự khác nhau căn bản này dựa trên sự quy ước, thuật toán chọn đường
(Dijkstra thuật toán chọn đường ngắn nhất) đã được sử dụng trong kế hoạch định
tuyến chung, nó luôn luôn chọn đường dẫn khả thi nhất để định tuyến lưu lượng.
Để định tuyến tỉ lệ hiệu quả cần tránh vấn đề kết hợp đồng bộ hóa cùng với lược
đồ định tuyến chung. Có 3 mục tiêu chủ yếu nghiên cứu của chúng ta về khả năng
định tuyến tỉ lệ: khả năng thích ứng, ổn định và tính đơn giản, đó điều quan trọng
để điều chỉnh sự cân đối lưu lượng dọc theo các con đường. Sự ổn định là bản chất
để đảm bảo tận dụng tài nguyên hệ thống và tất cả các thông số lưu lượng. Về các
mục tiêu này, chúng ta đưa ra một khung lý thuyết cho nghiên cứu khả năng đáp
ứng định tuyến tỉ lệ.
Sử dụng công thức Erlang, giới thiệu khái niệm cho dung lượng ảo nó cung cấp
một khả năng tính toán khung để để mô hình các đường dẫn giữa một nốt nguồn
và một nốt đích, cũng như để tính toán tỉ lệ lưu lượng dựa trên sự theo dõi thống
Sinh Viên : Nguyễn Thị Nghĩa 16
- Widest Shortest Path GVHD: Hoàng Trọng Minh
kê khối lưu lượng cục bộ. Khái niệm dung lượng ảo của đường truyền được giới
thiệu để phân chia cùng với phân chia của các liên kết giữa các đường truyền khác
nhau
C1
C2
S D
Cn
5.2 Một tập các đường dẫn riêng rẽ từ nguồn đến đích
5.3. Dịch vụ kết nối và không kết nối
Trong mô hình thực hiện nhiệm vụ không kết nối, thì các gói tin được đưa
vào mạng dưới từng gói riêng rẽ và được định tuyến độc lập với các gói khác và
không có sự thiết lập trước nào được cần đến. Nếu dịch vụ hướng kết nối được sử
dụng, một đường dẫn từ bộ định tuyến nguồn đến bộ định tuyến đích phải được
thiết lập trước khi các gói dữ liệu bất kì có thể được truyền, kết nối này được gọi
là mạch ảo (VC). Ý tưởng đằng sau mạch ảo là để tránh việc phải lựa chọn một
tuyến mới cho mỗi gói được truyền. Thay vào đó khi một kết nối được thiết lập,
một tuyến từ máy nguồn đến máy đích được chọn như là một phần của việc thiết
lập kết nối và được lưu giữ trong các bảng bên trong bộ định tuyến. khi kết nối
được giải phóng mạch ảo cũng được kết thúc . Mạch ảo có ưu điểm trong việc
đảm bảo QoS và tránh tắc nghẽn bên trong mạng do bởi các tài nguyên có thể
được dự trữ trước, khi kết nối được thiết lập. Một khi các gói bắt đầu đến, băng
thông cần thiết và dung lượng các bộ định tuyến sẽ có sẵn ở đó
5.4 mô hình lưu lượng ảo
Chúng ta đưa ra khái niệm dung lượng ảo (vc) của một đường truyền.
Coi như một cặp nguồn đích. Chúng ta mô hình hóa mỗi một đường dẫn giữa
chúng như một hướng liên kết ảo cùng với lượng lưu lượng ảo nào đó, đề cập đến
như lưu lượng ảo của đường truyền.
Sinh Viên : Nguyễn Thị Nghĩa 17
- Widest Shortest Path GVHD: Hoàng Trọng Minh
Lưu lượng ảo là một hàm của cung cấp tải trọng bởi nguồn dọc theo đường dẫn và
khả năng xảy ra khối được theo dõi bởi nguồn
Coi một đường dẫn giữa 1 nguồn và 1 đích là r. Giả sử tải trọng của vr được cung
cấp bởi nguồn dọc theo đường dẫn và khả năng xảy ra khối tương ứng bởi nguồn
là br. Sau đó lưu lượng ảo của đường dẫn được biểu thị bằng vcr, đưa ra bởi
vcr=Evc-1(vr,br) , vcr=Evc-1(vr,br) biểu thị hàm nghịch đảo của công thức Erlang
cùng với đánh giá dung lượng, và đưa ra bởi
vcr=Evc-1(vr,br):= min{c>=0: E(vr,c)
- Widest Shortest Path GVHD: Hoàng Trọng Minh
vị đo lường quan trọng của “chất lượng” của một đường dẫn. Từ sự định rõ lưu
lượng ảo,
3
C1 S1 vc1 (1)
1 6
S1 1 C2
6 d vc2 (1)
4
vc2 (2)
S2 2 6
C3
S2 2 vc1 (2)
5
(a) tổng quan vật lí (b) tổng quan ảo
Hình 5.4: Minh họa mô hình dung lượng ảo sử dụng mô hình kite
Chúng ta giải thích tính tự tương thích của mô hình lưu lượng ảo thông qua một
ví dụ coi như mạng kite (diều hâu) trong hình 5.3(a) ở 2 nguồn s1 và s2, có 2
đường mỗi đường đến đích d, và 2 đường chia sẻ một liên kết chung (4->6). Các
liên kết cùng với các nhãn là các liên kết nghẽn cổ chai của mạng, với c1=c2=c3,
và tất cả những liên kết khác có thể quan sát để có các lưu lượng lớn, để r11, r21 thể
hiện các đường dẫn 1->3->6 và 1->4->6 theo thứ tự định sẵn, và r12,r22 thể hiện
các đường truyền 2->5->6 và 2->4->6 theo thứ tự định sẵn. Một cách tổng quan
dung lượng ảo của 2 cặp nguồn- đích là cho trong hình 3(b) , ở các đường dẫn
r21,r22 đến mỗi node nguồn như các đường riêng rẽ cùng các dung lượng vc21, vc22
theo thứ tự định sẵn, và không có chia sẻ các liên kết với các đường dẫn khác
VI. Giao thức đường đi ngắn nhất (OSPF-open Shortest First)
Giao thức OSPF là một giao thức định tuyến miền trong được sử dụng rộng rãi.
Phạm vi hoạt động của nó cũng là một hệ thống tự trị (AS). Các bộ định tuyến đặc
biệt được gọi là các router biên AS có trách nhiệm ngăn thông tin về các AS khác
vào trong hệ thống hiện tại. Để thực hiện định tuyến hiệu quả, OSPF chia hệ thống
tự trị ra thành nhiều khu vực (area) nhỏ. Mỗi AS có thể được chia ra thành nhiều
khu vực khác nhau. Khu vực là tập hợp các mạng, trạm và router nằm trong cùng
một hệ thống tự trị. Tất cả các mạng trong một khu vực phải được kết nối với
Sinh Viên : Nguyễn Thị Nghĩa 19
- Widest Shortest Path GVHD: Hoàng Trọng Minh
nhau. Tại biên của khu vực, các router biên khu vực tóm tắt thông tin về khu vực
của mình và gửi các thông tin này tới các khu vực khác. Trong số các khu vực bên
trong AS, có một khu vực đặc biệt được gọi là đường trục; tất cả các khu vực
trong một AS phải được nối tới đường trục. Hay nói cách khác là đường trục được
coi như là khu vực sơ cấp còn các khu vực còn lại đều được coi như là các khu
vực thứ cấp.
Khu vùc 1 Khu vùc 2
Router biªn khu vùc Tíi AS
kh¸c
Khu vùc ®-êng trôc Router ®-êng trôc
Router
biªn AS
HÖ thèng tù trÞ (AS)
Hình 6.các khu vực trong một hệ thông tự trị
Các router bên trong khu vực đường trục được gọi là các router đường trục,
các router đường trục cũng có thể là một router biên khu vực. Nếu vì một lý do
nào đó mà kết nối giữa một khu vực và đường trục bị hỏng thì người quản trị
mạng phải tạo một liên kêts ảo (virtual link) giữa các router để cho phép đường
trục tiếp tục hoạt động như một khu vực sơ cấp.
OSPF là giao thức định tuyến trạng thái liên kết, được thiết kế cho các mạng lớn
hoặc các mạng liên hợp và phức tạp. Các giải thuật định tuyến trạng thái sử dụng
các giải thuật Shortest Path First (SPF) cùng với một cơ sở dữ liệu phức tạp về cấu
hình của mạng. Cơ sở dữ liệu về cấu hình mạng về cơ bản bao gồm tất cả dữ liệu
về mạng có liên kết đến bộ định tuyến chứa cơ sở dữ liệu.
Giải thuật chọn đường dẫn ngắn nhất SPF là cơ sở cho hệ thống OSPF. Khi 1 bộ
định tuyến sử dụng SPF được khởi động, bộ định tuyến sẽ khởi tạo cấu trúc cơ sở
dữ liệu của giao thức định tuyến và sau đó đợi chỉ báo từ các giao thức tầng thấp
hơn dưới dạng các hàm. Bộ định tuyến sẽ sử dụng các gói tin OSPF Hello để thu
nhận các bộ định tuyến lân cận của mình. Bộ định tuyến gửi gói tin Hello đến các
Sinh Viên : Nguyễn Thị Nghĩa 20
nguon tai.lieu . vn
