Đang tải... (xem toàn văn)
Tiểu Luận Các Thuật Toán Và Phương Thức Định Tuyến Trong Mạng
TRUONG DAI HOC BACH KHOA HA NOI VIEN ĐIỆN TU VIEN THONG serena COD, 8q oeee+ BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC: TÔ CHỨC VÀ QUY HOẠCH MẠNG VIỄN THÔNG Đề tài: “Các Thuật Toán Và Phương Thức Định Tuyến Trong Mạng ” Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Văn Thắng Nhóm sinh viên thực hiện: Họ tên elles HA NOI 4/2012 TRUONG DAI HOC BACH KHOA HA NOI VIEN ĐIỆN TU VIEN THONG serena COD, 8q oeee+ BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC: TÔ CHỨC VÀ QUY HOẠCH MẠNG VIỄN THƠNG Đề tài: “Các Thuật Tốn Và Phương Thức Định Tuyến Trong Mạng ” Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Văn Thắng Nhóm sinh viên thực hiện: Họ tên elles HA NOI 4/2012 Muc Luc T, MG AbitssccscssssensssnensessnnnmannrsennenenncasancsmmanmmmmmmuamenS I Nội dung sus Giới thiệu định tuyến: Các khái niệm lý thuyết graph: -522cccccvveeeeerrrrrre Phân loại định tuyến: 3.1 Định tuyến tĩnh: 3.2 Định tuyến ngẫu nhién (random routing): 3.2.1 Định tuyến ngẫu nhiên lan tràn gói (flooding): 3.2.2 Dinh tuyến ngẫu nhiên (random walk): 3.2.3 Dinh tuyến ngẫu nhién (hot potato) 3.3 3.3.1 Dinh tuyén d6ng (minimum spanning tree): -. L3 3.3.2 Định tuyén d6ng (shortest path tree): Dinh tuyén dng (dynamic routing): Các thuật toán dùng dé định tuyén: 4.1 Thuậttoán Prim: .: ‹ : c.icoccocccoicccLcGGEnCn2020000.1022 6016.060010 sả 4.2 Thuậttoán Kruskal: .ocooiccocccbc cGGSnn22200001120 6016.060010 xã 4.3 Thuật toán Dijkstra: 4.4 Thuật toán Bellman Ford: Một số giao thức định tuyến động nay: 5.1 Giao 5.2 OSPF 5.3 EIGRP (Enhanced Interior Gateway Routing Protocol): Ni2021502isg;p02:L thức định tuyến RIP (Routing Information Protocol): (Open Shortest Path First): "Am nh TV 9800086 sẻ -Tài Hệu tham khảo c5.c c6 bnnS0 0000202282 1066000610 0050 28 I Mé dau Một hoạt động mạng nói chung việc truyền liệu từ nguồn tới đích Định tuyến chức không thê tách rời mạng truyền liệuh từ nguồn tới đích có ý nghĩa đặc biệt quan trọng việc thiết kế tối ưu mạng Cấu trúc mạng, giải pháp công nghệ phương pháp định tuyến vấn đề liên quan mật thiết với định chất lượng hoạt động mạng Chính vậy, toán định tuyến cần quan tâm nghiên cứu đề nhằm tối ưu hóa hiệu suất sử dụng tài nguyên mạng Trên giới có nhiều nghiên cứu phương pháp định tuyến, với mục đích chủ yếu tìm phương pháp định tuyến thích hợp dé áp dụng vào thực tế mạng lưới Trong thời gian gần đây, xu hướng định tuyến theo “giá” mạng trở thành chủ đề nghiên cứu quan trọng Thơng thường, lợi ích mang lại mạng tối đa việc tối ưu hóa hàm mục tiêu Tùy thuộc vào cấu trúc đường truyền mạng mà hàm mục tiêu ràng buộc theo khác H Nội dung — Giới thiệu đỉnh tuyến: Định tuyến trình tìm đường đề truyền tải thơng tin liên mạng từ nguồn đến đích Nó chức thực tầng mạng Chức cho phép router đánh giá đường sẵn có tới đích Để đánh giá đường đi, định tuyến sử dụng thông tin Topology mạng Các thông tin có thé người quản trị thiết lập Quá trình định tuyến cần thỏa mãn yêu cầu cho trước bao gồm: đường ngắn có băng thông rộng Đường thường phải tối ưu theo hai tiêu chí.các gói tin gửi theo đường Nhưng chúng gửi đồng thời nhiều đường Việc định tuyến sử dụng cho nhiều loại mang: mang viễn thơng, liên mạng, internet, mạng giao thơng Hình 1: Tìm đường Định tuyến chia làm phương pháp định tuyến: định tuyến tĩnh, định tuyến ngẫu nhiên định tuyến động Trong mơi trường mạng thường xun có thay đổi ngẫu nhiên nên định tuyến tĩnh có ý nghĩa gateway mạng nhỏ Trong định tuyến động, có hai phương thức định tuyến: tìm đường theo đường ngắn tìm đường tối ưu Van dé tìm đường ngắn đặt ra: ta tìm đường ngắn từ nút đến tắt nút khác tìm đường ngắn từ nút đến nút cụ thể Cách giải sử dụng giao thức OSPF(Open Shortest Path First) v6i việc sử dụng thuật tốn Dijikstra, Bellman-Ford Ngồi ta có thé dé nút mạng tự động tìm đường tối ưu Việc tim tuyến thực cách phân tán nút không nút trung tâm tính tốn Các nút chủ động trao đổi thơng tin liên quan đến cấu hình mạng với Từ thông tin thu thập nút tự tìm đường tối ưu đến nút khác lập bảng định tuyến đưa định định tuyến Bảng định tuyến thường xuyên cập nhật có thay đổi cấu hình mạng Thuật toán sử dụng Prime Kruskal nhằm tạo bắc cầu tối thiểu Các khái niệm lý thuyết graph: Phan giới thiệu thuật ngữ khái niệm nhằm mô tả mang, graph, thuộc tính Lý thuyết graph môn học xuất từ lâu, lý thuyết có số thuật ngữ chấp nhận khác dùng cho khái niệm Vì sử dụng số thuật ngữ khác đề lập mơ hình graph cho mạng Các thuật ngữ trình bày thuật ngữ công nhận sử dụng thường xuyên chương Một graph Ở, định nghiã tập hợp đỉnh V tập hợp cạnh E Các đỉnh thường gọi nút chúng biểu diễn vị trí (ví dụ điểm chứa lưu lượng khu vực chứa thiết bị truyền thông) Các cạnh gọi liên kết chúng biểu diễn phương tiện truyền thông Graph có thề biểu diễn sau: G=(V, E) Hình ví dụ graph Hình 2: Một graph đơn giản Mặc dù theo lý thuyết, V tập hợp rỗng khơng xác định, thông thường V tập hợp xác định khác rỗng, nghĩa biểu diễn V=ft; | i=1,2, N} Trong N số lượng nút Tương tự E biểu diễn: E={e;| i=1,2, M} M6t lién két, e/, tương ứng kết nối cặp nút Có thể biểu diễn liên kết ¿j nút ¡ k 6/=(„vị) e=(ik) Một liên kết gọi tới nút nút hai điểm cuối liên kết Nút ¡ k gọi kề tồn liên kết (, k) chúng Những nút xem nút láng giềng Bậc nút số lượng liên kết tới nút số lượng nút láng giềng Hai khái niệm tương đương graph thông thường Tuy nhiên với graph có nhiều liên kết cặp nút, hai khái niệm khơng tương đương Trong trường hợp đó, bậc nút định nghĩa số lượng liên kết tới nút Một liên kết có hai hướng Khi thứ tự nút khơng có ý nghiă Ngược lại thứ tự nút có ý nghĩa Trong trường hợp thứ tự nút có ý nghĩa, liên kết xem cung định nghĩa 4/=Iw;v.] đơn giản aj=[i,k] k gọi cận kề hướng ¡ cung [¿k] tồn bậc hướng chai số lượng cung Khái niệm cận kề hướng vào bậc cận kề hướng vào định nghĩa tương tự Một graph gọi mạng liên kết nút có mặt liên kết có thuộc tinh (chang hạn độ dài, dung lượng, loại ) Các mạng sử dụng đẻ mô hình vấn đề cần quan tâm truyền thơng, thuộc tính riêng biệt nút liên kết liên quan đến vấn đề cụ thể truyền thông Sự khác liên kết cung quan trọng việc lập mơ hình cho mạng lẫn q trình hoạt động bên thuật tốn, khác cần phải phân biệt rõ ràng Về mặt hình học liên kết đường thẳng kết nói cặp nút cịn cung đường thang có mũi tên đầu, biêu diễn chiều cung Một graph có liên kết gọi graph vơ hướng, nhiên graph có cung gọi graph hữu hướng Một graph hữu hướng có liên kết vơ hướng Thơng thường , graph giả sử vô hướng, phân biệt khơng có ý nghĩa Có thể có khả xảy tượng xuất nhiều liên kết cặp nút (điều tương ứng với việc có nhiều kênh thơng tin hai chuyển mạch) Những liên kết gọi liên kết song song Một graph có liên kết song song gọi multigraph Cũng có khả xuất liên kết nút nút Những liên kết gọi self loop Chúng xuất thường xuất việc xem hai nút nút q trình lập mơ hình graph cho mạng phát sinh trình thực thuật tốn có việc hợp nút Hình 4.2 minh hoạ graph có liên kết song song self loop Một graph khơng có liên kết song song self loop gọi graph đơn giản Việc biểu diễn vận dụng graph đơn giản tương đối dễ dàng, giả thiết graph xem xét graph đơn giản Nếu có khác biệt với giả thiết này, chúng Phân loại định tuyến: inh tuyến tĩnh Flooding Định tuyển Định tuyến ngẫu nhiên Randam walk Hot potato Định tuyển đông Minimum Spanning Trea Shortest Path Tree Hình 3: Phân loại định tuyến 3.1 Định tuyến tĩnh: Đối với định tuyến tĩnh thông tin đường phải người quản trị mạng cập nhật cho router Khi cầu trúc mạng có thay đổi người quản trị mạng phải xóa thêm thông tin đường cho router Những loại gọi đường cố định Đối với hệ thống mạng nhỏ, có thay đổi cơng việc đỡ cơng Chính định tuyến đòi hỏi người quản trị mạng phải cấu hình thơng tin đường cho router nên khơng có tính linh hoạt định tuyến động Trong hệ thống mạng lớn, định tuyến tĩnh thường sử dụng kết hợp với giao thức định tuyến động cho số mục đích đặc biệt Hoạt động định tuyến tĩnh có thê chia làm bước sau: - Đầu tiên, người quản trị mạng cấu hình đường có định cho router = Router cài đặt đường vào bảng định tuyến - Gói liệu định tuyến theo đường cô định Sau demo cấu hình mạng định tuyến tĩnh raat: eB 2621 SB RUA 12161), 721612 2421 Router B AS '30/0 11111 =) So/l 2621 192.168.1.] Hình 4: Demo câu hình mạng định tuyên 3.2 Dinh tuyến ngẫu nhiên (random routing): 3.2.1 Định tuyến ngẫu nhiên lan tràn gói (flooding): Một dạng mạnh định tuyến riêng biệt lan tràn gói Trong phương thức này, gói đến router gửi tất đường trừ đường mà đến Phương thức lan tràn gói hiển nhiên tạo nhiều gói chép (duplicate) Trên thực tế, số gói không xác định trừ thực số biện pháp đẻ hạn chế trình Một biện pháp sử dụng đếm bước nhảy phần tiêu đề gói Giá trị bị giảm bước nhảy Gói bị loại bỏ đếm đạt giá trị không Về mặt lý tưởng, đếm bước nhảy có giá trị ban đầu tương ứng với độ dài từ nguồn đến đích Nếu người gửi khơng biết độ dài đường đi, đặt giá trị ban đầu đếm cho trường hợp xấu Khi giá trị ban đầu đặt đường kính mạng Một kỹ thuật khác để ngăn lan tràn gói thêm số thứ tự vào Bài toán đơn giản loại tốn tìm đường ngắn hai nút cho trước Loại tốn tốn tìm đường ngắn từ nút tới tất nút lại, tương đương tốn tìm đường ngắn từ tất điểm đến điểm Đơi địi hỏi phải tìm đường ngắn tất cặp nút Các đường đơi có giới hạn định (chẳng hạn giới hạn số lượng cạnh đường đi) Tiếp theo, xét graph hữu hướng giả sử biết độ dài cung cặp nút ¿ j 1a /j/ Các độ dài không cần phải đối xứng Khi cung khơng tồn độ dài /j/ giả sử lớn (chẳng hạn lớn gấp ø lần độ dài cung lớn mạng) Chú ý áp dụng q trình cho mạng vô hướng cách thay cạnh hai cung có độ dài Ban đầu giả sử /j/ dương hồn tồn; sau giả thiết có thê thay đổi Loại định tuyến dùng thơng dụng với thuật tốn dùng: dijkstra, bellman ford Các thuật toán dùng để định tuyến: 4.1 Thuat toan Prim: Thuật toán có ưu điểm riêng biệt mạng dày đặc,trong việc xem xét tốn tìm kiếm bắc cầu tối thiểu Hơn thuật toán phức tạp xây dựng dựa vào thuật toán bắc cầu tối thiểu,và số thuật toán hoạt động tốt với cấu trúc liệu sử dụng cho thuật toán sau đây,thuật toán phát biểu Prim Các thuật toán phù hợp với quad trình thực song song q trình thực toán tử vector Thuật toán miêu tả sau: = B1: Chọn đỉnh s G cho vào T Khi T có đỉnh chưa có cạnh nảo - B2: Nếu T gồm tắt đỉnh G T bao trùm cần tìm Kết thúc - B3: Nếu G cịn có đỉnh khơng thuộc T ,vì G liên thơng nên có cạnh nối đỉnh T với đỉnh ngồi T, chọn cạnh có trọng số nhỏ số cho vào T - B4: Quay lại B2 14 Vi du: Hinh minh hoa U Canh (u,v) V\U Mơ tả Đây đồ thị có trọng {A,B.C, số ban đầu Các số D,E,F,G} trọng số cạnh Chọn cách tùy ý đỉnh D đỉnh bắt đầu Các dinh A, B, Eva F déu (D,A) =5V nối trực tiếp (DB) = {AB,CE tớiD cạnh đồ (D,E) = 15\,F,G} thi A la đỉnh (DF) =6 gầnDnhất nên ta chọn A đỉnh thứ hai thêm cạnh ADvào Đỉnh chọn đỉnh (DB) = (DE) = 15{B,C,E,F, gần D Anhit B có khoảng cách tớiD (Ð,P =6V.G} tớiA 7, E có (A,B)=7 khoảng cách tai tới 15, 15 vaF co khoảng cách 6.Flà đỉnh gần nên chọn đỉnh F canhDF (D,B) = (DE) = 15 {A,D,F} (A,B) =7V (FRE) = {B,C,E,G Thuật toán tương tự trước Chọn tục bước đỉnhB có khoảng cách tới A 1: (F,G) = 11 Ở (B,C) tiếp = bước giữaC,E, ta chọn vàG.Ccó khoảng cách tớiB (B,E) =7V (D,B) = chu trình {C,E,G} 8,Ecó khoảng tớiB 7, cách Gcó (D,E) = 15 khoảng cách tới F (FRE) = 11.Elà đỉnh gần nhất, (F,G) = 11 nên chọn đỉnh Evà cạnh BE (B,C) = (D,B) = chu trình (D,E) chu = 15 trinh (6) =5V (E.G) = (FE) = Ở bước ta chọn C vàG C có {C,G} khoảng cách tới E 5, G có khoảng cách tớiE ChọnC cạnh EC 16 chu trình (F,G) = 11 (B,C) = chu trinh (D,B) = Đỉnh G đỉnh lại chu trình Nó có khoảng (DE) = 15 chu trình (E,G) =9V {G} cách tới Fbằng II, khoảng cách tới E E gần nên chọn (F.E) = chu trình đỉnh Gvà cạnh EG (F,G) = 11 (B,C) = chu trình (D,B) = Hiện tất đỉnh chu trình nằm (D,E) = 15 bao trùm nhỏ chu trình tơ (FE) = Tổng trọng số chu trình (F,G) = 8 màu xanh 39 II chu trinh 4.2 Thuật toán Kruskal: BI: khởi tạo T lúc đầu đồ thị rỗng B2: T gồm n-1 cạnh G t bao trùm cần tìm Kết thúc 17 = B3: T chưa đủ n-1 canh,thi vi G liên thơng, nên G có khơng n-1 cạnh, cịn cạnh G chưa thuộc T cạnh G chưa thuộc t có cạnh khơng tạo chu trình với cạnh có T, chọn cạnh v có trọng số nhỏ cạnh bổ sung vào T Loại bỏ cạnh tạo thành chu trình fm B4: quay lại B2 Vi DU: Anh minh hoa Mô tả ADvàCElà cạnh nhỏ với độ dai 5, va ta chọn AD cách tùy ý (tô màu xanh) CE cạnh nhỏ không tạo thành chu trình với độ đài 5, nên cạnh thứ hai chọn Cạnh thứ ba DE với độ dài chọn tương tự 18 Các cạnh theo thứ tự trọng số tăng dan AB va BE, với độ dài Chọn AB cách tùy ý Cạnh BD chọn tương lai (tơ màu đỏ) có đường nối B D nên chọn tạo thành chu trình ABD Tiếp tục chọn cạnh nhỏ BE với độ dài Thêm số cạnh tơ màu đỏ: BC tạo chu trình BCE, DE tạo chu trình DEBA, FE tạo chu trình FEBAD Cuối cùng, thuật tốn chọn cạnh EG độ đài 9, tìm bao trùm nhỏ 443 Thuật tốn Dijkstra: Cho Graph lién thơng G={V,E}, cần tìm khoảng cách ngắn đường từ nút s đến tất nút khác B1: thiết lập i=0, tập chứa nút có giá có định S={uạ= s}, gán d(v) bằng: ° œ_ với Vu, ° 0_ vớiv=us Nếu | VỊP I kết thúc 19 ... ngẫu nhiên định tuyến động Trong môi trường mạng thường xuyên có thay đổi ngẫu nhiên nên định tuyến tĩnh có ý nghĩa gateway mạng nhỏ Trong định tuyến động, có hai phương thức định tuyến: tìm... Việc định tuyến sử dụng cho nhiều loại mang: mang viễn thông, liên mạng, internet, mạng giao thơng Hình 1: Tìm đường Định tuyến chia làm phương pháp định tuyến: định tuyến tĩnh, định tuyến ngẫu... THONG serena COD, 8q oeee+ BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC: TÔ CHỨC VÀ QUY HOẠCH MẠNG VIỄN THÔNG Đề tài: ? ?Các Thuật Toán Và Phương Thức Định Tuyến Trong Mạng ” Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Văn Thắng Nhóm sinh