Đang tải... (xem toàn văn)
Mục đích nghiên cứu kỹ thuật mã mạng là thiết lập các kết nối multicast và tránh trùng lặp thông tin tại tập đích. Tuy nhiên, hiệu quả của mã mạng phụ thuộc vào tô pô mạng hiện hành.
Các cơng trình nghiên cứu, phát triển ứng dụng CNTT-TT Tập V-1, Số 15 (35), tháng 6/2016 Giải pháp tối ƣu truyền thông multicast với mã mạng The Optimal Solution for Multicast with Network Coding Đặng Hùng Vĩ, Lê Văn Sơn Abstract: Currently, in complex and large systems as distributed systems, resource allocation in communications has to be ensured high throughput, timely and exactly One of the current approaches to the multicast transmission has achieved some certain results compared with unicast ones However, the multicast transmission has fundamental restrictions such as data overlap in the destination set, which affect performance of the communications system In order to solve this problem, we propose multicast transmission combined with network coding in which based on studies of the algorithms for building network topology so that the throughput in the destination set reaches the optimum value The results of the study are compared with operating schemes to determine feasibility of solution proposed Mã mạng ban đầu đƣợc đề xuất cho kết nối multicast đơn, nghiên cứu sau đƣa thuận lợi mà mã mạng cung cấp tài nguyên truyền thơng khả quan [12] Mục đích nghiên cứu kỹ thuật mã mạng thiết lập kết nối multicast tránh trùng lặp thông tin tập đích Tuy nhiên, hiệu mã mạng phụ thuộc vào tô pô mạng hành S1 Message S2 Truyền thông điểm đến điểm (point-to-point) phƣơng thức truyền unicast hệ thống mạng [1] Phƣơng thức truyền có hai hạn chế dễ gây tắc nghẽn bị kết nối điểm với [2] Các nghiên cứu phƣơng thức truyền thông thay truyền unicast ứng dụng phân tán truyền multicast đƣợc tiến hành mang lại nhiều kết khả quan [3-9] Tuy nhiên, nhƣợc điểm phƣơng thức truyền multicast gói tin truyền đến tập đích bị trùng lặp dẫn đến lãng phí tài ngun truyền thơng [10, 11] Chính thế, giải pháp khắc phục tình trạng nêu xu hƣớng nghiên cứu tất yếu Một hƣớng nghiên cứu để giải giải pháp mã mạng Message Message Message S5 S3 Message S4 S4 Message Keywords: Network Coding, multicast, Distributed System I GIỚI THIỆU S1 Message Message S6 S5 S6 Hình Cây multicast Việc nghiên cứu thiết kế xây dựng mạng hoàn chỉnh bao gồm: tính tốn ma trận lƣu lƣợng, xây dựng tơ pơ quản lý [13] Trong đó, xây dựng tơ pơ với chi phí tối ƣu khía cạnh quan trọng thiết kế mạng Đối với tốn tối ƣu xây dựng tơ pơ, nghiên cứu trƣớc đƣa giải pháp giải tốn dựa mơ hình [14-17] Hình mô tả multicast với nút nguồn S1, nút trung gian S2,S3,S4 tập đích: S5 S6; tập đích nhận đƣợc gói tin nút trung gian gần cấp theo phân cấp multicast [18] Các vấn đề xử lý khả khôi phục lỗi xảy cố giới hạn băng thông nút với Khi xảy cố, nút nhánh khơng thể dự đốn đƣợc ngun nhân lỗi xảy ra, nút nhánh gần - 27 - Các cơng trình nghiên cứu, phát triển ứng dụng CNTT-TT Tập V-1, Số 15 (35), tháng 6/2016 đích hiệu truyền cao Giới hạn băng thông vấn đề cần phải xem xét ứng dụng lớn, xảy tắc nghẽn nhánh làm giảm hiệu trình truyền Gói đề cập đến tính tốn số lƣợng gói tin thời gian theo cặp cạnh rời rạc G, số lƣợng gói mạng truyền thông U đƣợc ký hiệu g(U) với thông lƣợng cực đại mà không mã Giải pháp tối ƣu truyền thông multicast với mã mạng nghiên cứu cho thông tin tập đích tránh trùng lặp đạt thơng lƣợng tối ƣu Giải giải pháp multicast xây dựng lại tô pô kết hợp kỹ thuật mã mạng để thông lƣợng đạt cực đại tập đích Độ bền loại kết nối vùng mạng đƣợc ký hiệu db(U), tỷ lệ cực tiểu công thức (1): Để đánh giá giải pháp đề xuất, thực nghiệm dựa công cụ tạo tô pô BRITE [19] để tạo tập tin chứa nút liên kết ban đầu Tô pô thực mô hệ phân tán Distributed System Simulator (DSSim) [20] DSSim kết hợp với mã mạng qua công cụ Network Coding Utilities (ncutils) [21], công cụ nêu đƣợc xây dựng ngôn ngữ Java Sau kết hợp công cụ nêu trên, thuật toán đƣợc xây dựng để minh chứng tính tối ƣu truyền thơng qua ba phƣơng thức truyền: unicast, multicast mã mạng Qua mơ phỏng, đánh giá hiệu chứng minh tính hiệu kỹ thuật mã mạng chiến lƣợc cung cấp tài nguyên truyền thông cho hệ thống lớn, phức tạp II CÁC YÊU CẦU VỀ THÔNG LƢỢNG VÀ XÂY DỰNG TƠ PƠ MẠNG Hệ thống mạng (theo Hình 1) mơ tả dƣới dạng đồ thị G=(U,V), U tập Si V tập Sij hệ, Sij liên kết hai nút Si Sj liền kề hệ thống Ký hiệu nút mạng thứ j Sj, j=0 U Gọi I tập phiên multicast truyền thông điệp hệ Đối với phiên iI ta có S0U S|U|-1U-{S0} tƣơng ứng nguồn đích Đối với hệ thống xét, ta có tập đích D S|U|-1 D Thông lượng cực đại mạng U có chứa phiên truyền đơn i ký hiệu thl(U) Chúng ta so sánh thl(U) với tham số khác đƣợc xác định nhƣ: gói, độ bền kết nối để mô tả kết nối trọng số mạng truyền thông Nghiên cứu tập trung so sánh thông số tƣơng ứng cho truyền unicast, multicast mã mạng db(U ) lktp – 1 (1) số thành phần truyền thơng nhóm đƣợc tách lập, lktp tập liên kết liên thành phần vùng đƣợc u cầu phải có nút nguồn đích thành phần Kết nối đƣợc ký hiệu kn(U) đề cập đến cạnh kết nối cặp nút truyền thơng nhóm ký hiệu NM{S0,Sj}⊆U Nghiên cứu tập trung vào việc định tuyến phân chia định tuyến tích hợp Đối với định tuyến tích hợp, tất trọng số liên kết tỷ lệ lƣu lƣợng có giá trị nguyên Đối với định tuyến phân chia, trọng số liên kết đƣợc phân chia theo hai hƣớng lƣu lƣợng đƣợc phân chia sáp nhập quy mô tùy ý Trong mạng với phiên unicast U ={G,ts,NM}, số lƣợng gói g(U) trở thành số đƣờng dẫn cạnh rời rạc S0-S|U|-1 Thông lƣợng thl(U) tỷ lệ lƣu lƣợng thơng tin cực đại đạt đƣợc việc truyền tải S0S|U|-1 Độ bền db(U) đƣợc cực tiểu tất lát cắt đơn giản tách S0 S|U|-1 Kết nối trở thành cạnh kết nối S0 S|U|-1, tức giá trị cực tiểu trọng số cạnh thành phần cần loại bỏ khỏi mạng, để tách S0 S|U|-1 Đối với truyền unicast với tỷ lệ tlS0 , S|U |1 từ nút nguồn S0 đến nút đích S|U|-1, lƣợng lƣu lƣợng unicast du() vào nút phải lƣu lƣợng unicast khỏi nút này, trừ nút nguồn đích Đối với truyền unicast mạng U, tham số cân thể qua công thức (2): g(U) = thl(U) = db(U) = kn(U) (2) Cây Steiner truyền multicast với tập nút St St ,0 , St ,1 , , St , U 1 kết hợp đặc biệt - 28 - Các cơng trình nghiên cứu, phát triển ứng dụng CNTT-TT truyền unicast |U|-1 Sự khác biệt Steiner multicast với nút tập nút St truyền unicasts |U|- từ nút St,0 đến nút St ,1 , , St , U 1 là: cách truyền trƣớc tài nguyên sử dụng liên kết (i,j) giá trị cực đại St ,0 ,S U 1 ; cách truyền sau S ,S duSi ,tj,0 t ,1 , , duSi , j này, tài nguyên sử dụng liên kết (i,j) tổng St ,0 ,S U 1 Sự khác biệt tính S ,S duSi ,tj,0 t ,1 , , duSi , j hiệu Steiner multicast việc sử dụng nguồn tài ngun truyền thơng Bảo tồn lƣu lƣợng truyền multicast đƣợc mơ tả qua công thức (3) nhƣ sau: tlt i=St,l, tlt S , S S , S duS i ,tj,0 t ,l duS jt,i,0 t ,l i=St,0, j: i , j V j:i , j V ngƣợc lại (3a) i U , l 1, , U 1 , j: i , j V j: i , j V F du 1, i U , S ,S F duSi ,tj,0 t ,1 1, i U , St ,0 , St ,1 S j ,i (3b) Nhƣ vậy, multicast kết hợp đặc biệt |U|-1 unicast Tuy nhiên, khác với trƣờng hợp Steiner multicast, có nhiều đƣờng định tuyến thơng điệp đồng thời cho unicast từ nguồn St,0 đến đích (khơng có ràng buộc (3b) (3c)) Định tuyến truyền multicast mã mạng đƣợc ứng dụng để cân tải mạng Với truyền multicast, mục đích việc áp dụng định tuyến mã mạng thay định tuyến Steiner để đạt đƣợc định tuyến tối ƣu làm giảm đáng kể mức tiêu thụ băng thơng kết nối [18] Vì vậy, giải pháp truyền giảm tiêu thụ tài nguyên truyền thông mạng Giống nhƣ trƣờng hợp truyền multicast Cây Steiner bản, tiêu thụ băng thông liên kết (i,j) giá trị cực đại số j:i , j V đƣơng với hai vấn đề tách lập: Một xác định đồ thị mạng tại, thứ hai xác định mã để sử dụng qua đồ thị [22] Trong nghiên cứu [22] giải pháp điều khiển tỷ lệ nguồn với mã mạng, tốn tử lơgíc XOR đƣợc sử dụng tính tốn số học trƣờng hữu hạn Vì vậy, trọng số multicast đạt đƣợc với mã mạng tuyến tính trƣờng hữu hạn dựa vào xây dựng thuật tốn tính tốn hiệu để tìm tập trọng số đạt đƣợc hệ số mã mạng tuyến tính S ,S dtSi ,tj,0 t ,1 , , j:i , j V St ,0 ,St , U 2 dtSi , j j:i , j V St ,0 ,St , U 1 , dtSi , j thay cho tổng chúng Đối với truyền multicast mạng U, tham số thể qua công thức (4): 1/2kn(Z) ≤ g(Z) ≤ thl(Z) ≤ db(Z) ≤ kn(Z) (4) Trong nghiên cứu [23] nêu vấn đề chi phí cực tiểu truyền multicast mã mạng hiệu truyền multicast Steiner Ký hiệu cpSi , j chi phí cho đơn vị lƣu lƣợng (3c) Hàm F nhận giá trị giá trị biến bên lớn 0, ngƣợc lại F nhận giá trị Khi mã mạng đƣợc áp dụng, vấn đề việc thiết lập truyền multicast với tập nút St tỷ lệ lƣu lƣợng tlSt tƣơng Tập V-1, Số 15 (35), tháng 6/2016 liên kết (i,j) Chi phí cực tiểu kết nối multicast với tập nút St đƣợc cơng thức hóa (5) (6) sau: Tính giá trị cực tiểu: i , j V cpSi , j bSi , j Áp dụng cho: S ,S bSi , j dti , jt ,0 t ,l , i, j U , l 1, , U 1 , j: i , j U St ,0 , St ,l dtSi , j j :i , j U St ,0 , St ,l dtS j ,i tlt nÕu i St ,l , tlt nÕu i St ,0 , (5) ngược lại i U , l 1, , U 1 S ,S tsSi , j dtSi ,tj,0 t ,l , i, j V , l 1, , U 1 (6) Đây tốn lập trình tuyến tính với thuật tốn thời gian đa thức để có đƣợc giải pháp tối ƣu - 29 - Các cơng trình nghiên cứu, phát triển ứng dụng CNTT-TT Trong thuật tốn xây dựng tơ pô, quan tâm khoảng cách kci,j nhƣ cpi,j xây dựng kết nối multicast chi phí cực tiểu cho yêu cầu multicast Trong mạng G tổng lƣu lƣợng unicast lƣu lƣợng multicast liên kết (i,j) nhỏ tsi,j Ràng buộc đƣợc mơ tả qua cơng thức (7) nhƣ sau: u S u duSi ,i1j ,Si2 i1 1 i2 1 i2 i1 S ,S max dtSi ,tj,0 t ,l tsSi , j u t 1 (7) l1,, St 1 i, j V S ,S max dtSi ,tj,0 t ,l thay cho tổng |U|-1 lƣu lƣợng l1,, U 1 Bài tốn xây dựng tơ pô đƣợc xây dựng nhƣ sau: Số nút U ma trận khoảng cách kci , j Ma trận yêu cầu unicast yci , j U U U U Tập nút St ,0 , St ,1 , , St , U 1 tỷ lệ lƣu lƣợng tli yêu cầu multicast thứ i (i=1,2,…,Y) Trọng số ts1,…,tsk, chi phí cố định cp1,…,cpK chi phí đơn vị chiều dài p1,…,pK loại đƣờng truyền khác k-nút kết nối Tính giá trị tối đa liên kết sử dụng emax Tính giá trị cực tiểu u i 1 j i 1 i, j u 1 Sit, j cpt kci , j pt u S ,S dtSi ,tj,0 t ,l : t 1, , M , l 1, , St 1 , i, j u i j Áp dụng cho Ràng buộc bảo toàn lƣu lƣợng: S0 , S|U|1 duk,l 1 j z j i S0 , S|U|1 dul,k 1 j z j i tlS0 ,S|U|1 nÕu i S0 , tlS0 ,S|U|1 i S|U |1 , (9) ngược lại 1 i, S0 , S|U |1 u St ,0 , St ,l dtS 1 j u j i i, j St ,0 , St ,l dtS 1 j u j i j ,i tlt nÕu i St ,l , tlt nÕu i St ,0 , (10) ngược lại t 1, , M , l 1, , St 1 ,1 i U Ràng buộc sử dụng liên kết yêu cầu độ trễ: z z S ,S Y S ,S duSi , j duSi ,i1j i2 max dtSi ,tj,0 t ,l emax tsSi , j , (11) i1 1 i2 1 t 1 l1,, St 1 i2 i1 unicast liên kết (i,j) u 1 S ,S duSi ,0j |U |1 0:1 i, j, S0 , SU 1 U i j, S0 S|U |1 Ràng buộc bảo toàn lƣu lƣợng multicast: Số hạng phía bên trái (7) tổng số lƣu lƣợng unicast liên kết (i,j) số hạng thứ hai tổng lƣu lƣợng truyền multicast mã mạng liên kết (i,j) Đối với truyền multicast thứ t, tổng lƣợng lƣu lƣợng liên kết (i,j) giá trị cực đại |U|-1 dòng unicast, có nghĩa là, tính giá trị kc Tập V-1, Số 15 (35), tháng 6/2016 K i 1 j i 1 t 1 qua biến (8) 1 i, j U i j So với vấn đề xây dựng tô pơ truyền thống, có thêm ràng buộc bảo tồn lƣu lƣợng truyền mã mạng sở multicast Khi so sánh với tốn bảo tồn, ràng buộc (3) có thêm số hạng mơ tả đặc tính mã mạng III CÁC KỸ THUẬT XỬ LÝ DỊNG THƠNG TIN Một đặc điểm hệ thống mạng truyền unicast mạng thay đổi động Mơ hình hóa mạng động cách thêm/xóa luật phối hợp nút; đó, việc xóa nút đƣợc mơ hình hóa cách xóa tất luật phối hợp liên quan đến nút Đối với yêu cầu thêm/xóa nút với luật phối hợp đƣợc dễ dàng nhận biết đƣợc với giả định tất nút đƣợc thiết lập từ đầu có luật phối hợp đƣợc thay đổi Chúng tơi xác định hoạt động thay đổi tô pô mạng truyền unicast diễn nhƣ sau: Si1, j , , SiK, j :1 i U 1,i j U - AddLink(i, j, luật, id): thêm liên kết với luật phối - 30 - Các cơng trình nghiên cứu, phát triển ứng dụng CNTT-TT hợp từ nút j đến nút i id giá trị định danh cho cặp nút - DeleteLink(i, j, id): xóa luật phối hợp nút i, j id Tập V-1, Số 15 (35), tháng 6/2016 khơng có liên kết; thuật tốn xóa liên kết phải thực thi đồ thị có hƣớng, tơ pơ kết nối đầy đủ Bắt đầu Truyền unicast hai điểm vấn đề triển khai tơ pơ ban đầu với hai thuật tốn thêm/xóa liên kết để tạo tơ pơ hoạt động truyền thơng điệp nút mang tính chất vừa nêu Tạo kết nối tô pô G=(U,V) đầy đủ xem nhƣ tơ pơ tốt Trong hệ phân tán phức tạp, nút mạng phối hợp trao đổi thông điệp qua lại nên truyền unicast có nhiều hạn chế Trên sở đó, triển khai truyền multicast cho hệ phân tán trở nên cần thiết điều kiện để phát triển ứng dụng lớn Phần trình bày mơ tả thuật tốn thêm/xóa liên kết truyền multicast tối ƣu cục Sau hình thành tơ pô kết nối multicast kết hợp với mã mạng để tập đích nhận đƣợc gói tin truyền với thông lƣợng tối ƣu C = 0,U={Si},V={Sij} Đ C > Cmax S 10 C = C+1 Tạo cấu hình tạm S Kiểm tra có phải k nút kết nối? 11 Đạt đƣợc tô pô cuối 12 Kết thúc Đ Chọn liên kết, gán trọng số liên kết III.1 Yêu cầu thuật tốn Bổ đề 1: Bài tốn xây dựng tơ pơ mạng unicast có khả tự phục hồi tốn NP-khó S Định lý 1: Bài tốn xây dựng tô pô mã mạng multicast sở có khả tự phục hồi NP-khó Chứng minh: Bài tốn xây dựng tơ pơ truyền multicast mã mạng sở có khả tự phục hồi bao gồm toán xây dựng hƣớng unicast nhƣ trƣờng hợp nghiên cứu đặc biệt; đó, tốn NP-khó Hiện tại, khơng có thuật tốn thời gian đa thức có sẵn đạt đƣợc giải pháp tối ƣu tốn tối ƣu NPkhó Trong phần này, chúng tơi đƣa hai thuật tốn cho tốn xây dựng tơ pơ này: thuật tốn xóa liên kết thuật toán thêm liên kết Thuật toán thêm liên kết thực thi đồ thị tập đỉnh với cặp đỉnh thứ tự, tơ pơ ngun thủy Kiểm tra chi phí tơ pơ đƣợc cải thiện? Đ Chứng minh: Bài tốn xây dựng tơ pơ NPkhó yêu cầu lƣu lƣợng tlSi , j (i, j U , i j ) nhỏ, để trọng số nhỏ ts đủ cho liên kết đƣợc gán, chứa tham số biết tốn NP-khó [11] Chấp nhận tôpô tạm tô pô tốt xóa tơ pơ cũ Hình Pha đầu thuật tốn xóa liên kết Hai thuật toán đề xuất bao gồm hai pha, bắt đầu tạo tơ pơ tiến trình tối ƣu hóa cục bộ: Trong pha thuật tốn xóa liên kết, cách xóa liên kết từ tơ pơ kết nối đầy đủ khơng kết nối bị xóa nữa, tơ pơ kết nối k nút với chi phí thấp bắt đầu đƣợc tạo Trong pha thuật toán thêm liên kết, cách thêm liên kết một tơ pơ ngun thủy khơng có liên kết khơng liên kết đƣợc thêm vào, tô pô k nút kết nối với chi phí thấp bắt đầu đƣợc tạo Trong pha thứ hai hai thuật toán, hoán đổi liên kết đƣợc lặp lặp lại cục đƣợc thực bƣớc để cải tiến tô pô ban đầu III.1.1 Thuật tốn xóa liên kết multicast Mục đích pha đầu để tạo tô pô k nút kết nối có chi phí tƣơng đối thấp Sơ đồ pha - 31 - Các công trình nghiên cứu, phát triển ứng dụng CNTT-TT đƣợc thể Hình Theo thuật tốn Hình 2, khối bƣớc tạo tơ pơ đầy đủ kết nối xem nhƣ tơ pơ tốt Sau đó, có đƣợc cấu hình tạm cách xóa liên kết cụ thể cấu hình đƣợc xử lý khối 6,7,8 Nếu cấu hình tạm đáp ứng số điều kiện cụ thể, có nghĩa là, dựa cấu hình tạm này, tơ pơ khả thi với chi phí thấp đạt đƣợc Chấp nhận tơ pơ có tính khả thi tô pô tốt mới, loại bỏ tô pô cũ thể khối Tham số C khối tham số đếm sử dụng để đếm số lần thất bại liên tục, trở lại khơng Nếu cấu hình tạm thời không đáp ứng tất điều kiện, loại bỏ tăng C lên đƣợc thực khối 10 Nếu giá trị C vƣợt giá trị định Cmax, kết thúc thuật toán, tô pô tốt tô pô cuối pha thể khối 11 Ngƣợc lại, đạt đƣợc cấu hình tạm khác kiểm tra Bằng cách này, xóa liên kết đƣợc thực lặp lặp lại đến không liên kết thích hợp bị xóa Tập V-1, Số 15 (35), tháng 6/2016 unicast multicast có định tuyến qua liên kết l tơ pơ tốt Tính tốn tổng chi phí tất liên kết Nếu chi phí tơ pô đƣợc cải thiện, chấp nhận tô pô tạm tơ pơ tốt Sau đó, quay trở lại bƣớc Nếu không phải, loại bỏ cấu hình tạm thời, tăng C lên loại bỏ liên kết l từ liên kết ứng viên tập E Sau đó, quay trở lại bƣớc Thốt trả tô pô tốt Bắt đầu C = 0,U={Si},V={Sij} C > Cmax S 11 C = C+1 Đ Gán lại định tuyến dành cho yêu cầu Tô pô cuối đạt đƣợc Kiểm tra có phải hai liên kết liền kề? 13 Thực thi mã mạng Tô pô 14 Kết thúc Kiểm tra chi phí tơpơ đƣợc cải thiện? Đ S Chọn số nút i từ nút đến U tạo cấu hình kết nối đầy đủ Sau đó, chọn định tuyến cho yêu cầu xác định trọng số liên kết Xem kết tô pô tô pô tốt Từ E, chọn liên kết l có giá trị ma trận hiệu suất lớn Chứa cấu hình tạm cách loại bỏ liên kết l từ cấu hình Kiểm tra xem cấu hình tạm kết nối k nút Nếu khơng, loại bỏ nó, tăng C lên một, loại bỏ liên kết l từ liên kết ứng viên tập E Sau đó, quay trở lại bƣớc 12 Tạo tô pô sau hoán đổi liên kết Chọn định tuyến gán trọng số liên kết Tiến trình bao gồm bƣớc cụ thể nhƣ sau: Kiểm tra xem giá trị C lớn Cmax=[U·k/2] Nếu đúng, đến bƣớc Chọn cặp liên kết S Xác định ma trận mti,j liên kết (i,j) giá trị mti,j=kci,j/(cpi,j+cpj,i) Thiết lập đếm tham số t không khởi tạo E, chứa liên kết ứng viên để xóa, với tập chứa tất liên kết tô pô tốt Đ S Tạo tô pô tạm khác sau hoán đổi liên kết Chọn định tuyến gán trọng số liên kết Kiểm tra chi phí tơ pơ đƣợc cải thiện? Đ 10 Chấp nhận tô pô tạm tô pô tốt xóa tơ pơ cũ Hình Thuật toán tối ƣu cục Trong bƣớc 3, lý Cmax=[U·k/2] cho tô pô tốt để k nút kết nối có [U·k/2] liên kết Thuật tốn q trình tối ƣu hóa cục đƣợc thể Hình Các bƣớc thực theo thuật tốn thể theo Hình đƣợc mơ tả Hình 4(a) tập nút mạng ban đầu tập tô pơ, Hình 4(b) thể tơ pơ đầu đủ kết nối Khi thực bƣớc theo thuật toán, bƣớc Hình 4(c) bị loại bỏ vi phạm - 32 - Các cơng trình nghiên cứu, phát triển ứng dụng CNTT-TT tính chất k nút kết nối multicast kết đạt đƣợc thuật tốn xóa liên kết thể Hình 4(d) đạt đƣợc tơ pơ tối ƣu đảm bảo k nút kết nối S1 S1 S2 S3 S2 loại bỏ cấu hình quay trở lại bƣớc Lặp lại hoạt động nêu cấu hình k nút kết nối kết nối cấu hình khơng thể tăng liên kết Sau đó, chọn định tuyến cho yêu cầu xác định trọng số liên kết S3 S4 Tập V-1, Số 15 (35), tháng 6/2016 S4 Thoát trả tô pô tốt S7 S5 S6 S8 S7 S5 S6 (a) (b) S1 S1 S1 Bƣớc Bƣớc S3 S2 S3 S3 Bƣớc S4 Bƣớc S4 x S2 x Bƣớc S4 Bƣớc x x S2 Bƣớc Bƣớc S7 S5 S8 S6 Bƣớc S8 S5 (c) S6 S5 (d) Ở bƣớc 5, có liên kết phải thêm vào liên kết khác để tăng kết nối; nhƣ vậy, quy tắc phức tạp để xác định liên kết có thích hợp đƣợc bổ sung vào để đảm bảo tô pô kết có chi phí thấp S6 (e) Hình Các bƣớc thực thuật tốn xóa/thêm liên kết III.1.2 Thuật toán thêm liên kết multicast Thuật toán bao gồm hai pha, pha bắt đầu tạo tô pô tiến trình tối ƣu hóa cục bộ, giai đoạn thứ hai giống nhƣ thuật toán xóa liên kết Do đó, chúng tơi mơ tả pha đầu Ý tƣởng pha tạo cấu hình k nút kết nối có khả tơ pơ chi phí thấp sau xây dựng tơ pơ dựa cấu hình Pha bao gồm bƣớc cụ thể nhƣ sau: Chọn số nút i từ đến U Xác định nút với cặp nút thứ tự Gọi nút X Nếu có số nút ứng viên, chọn số thứ tự nhỏ Xác định nút với nút có số thứ tự nhỏ chƣa kết nối với X Gọi nút Y Nếu có số nút ứng viên, chọn số gần đến X Thêm liên kết {X,Y} Lặp lại bƣớc liên kết nút nhỏ k Kiểm tra xem cấu hình k nút kết nối Nếu đúng, đến bƣớc Kiểm tra xem kết nối cấu hình đƣợc tăng lên cách thêm liên kết Nếu đƣợc, bổ sung liên kết ngắn mà bổ sung tăng khả kết nối Nếu khơng, Theo Hình 4(e), bƣớc thực thuật tốn thêm liên kết đạt đƣợc tô pô cuối Tuy nhiên, so sánh với kết thuật tốn xóa liên kết ta nhận thấy tập đích nhận đƣợc thơng tin truyền bị trùng lặp có hai kết nối đến chúng Nhƣng kết Hình 4(e) đảm bảo đƣợc bƣớc thực thuật tốn bảo tồn kết nối k nút Chi phí để đạt đƣợc tơ pơ tốt kỹ thuật mã mạng đƣợc sử dụng hỗ trợ truyền multicast, chúng tơi nghiên cứu khác biệt chi phí tô pô ba trƣờng hợp sau: Mỗi yêu cầu multicast đƣợc coi đa yêu cầu unicast Các yêu cầu multicast đƣợc xem xét riêng rẽ từ yêu cầu unicast, thuật toán Steiner đƣợc sử dụng để xây dựng định tuyến multicast Thuật toán truyền multicast mã mạng sở với chi phí cực tiểu đƣợc sử dụng để xây dựng định tuyến multicast III.2 Tỷ lệ lƣu lƣợng multicast với mã mạng Sau thực thi tô pô ban đầu mạng U để đạt đƣợc tô pô tối ƣu đề cập phần 3.1, chi phí thực truyền tơ pơ với trƣờng hợp có mã mạng khơng có mã mạng thể qua Hình Theo kết (4), 1/2kn(Z)≤g(Z) thl(Z)≤kn(Z) có nghĩa định tuyến phân chia đƣợc cho phép, 1/2thl(Z)≤g(Z) ƣu điểm mã mạng, nhƣ ta có tỷ lệ lƣu lƣợng thl(Z)/g(Z)≤2 Các liên kết đƣợc gán nhãn với ký tự Steiner Thực thi thơng - 33 - Các cơng trình nghiên cứu, phát triển ứng dụng CNTT-TT lƣợng [11] cách truyền lƣu lƣợng dọc theo Steiner với tỷ lệ lƣu lƣợng tƣơng đƣơng với trọng số Kết thể Hình 5(a) 5(b), thông lƣợng đạt đƣợc tƣơng ứng 1,5 định tuyến bán nguyên, 1,875 định tuyến phân chia hai trƣờng hợp khơng có mã mạng Thông lƣợng tối đa với mã mạng theo điều kiện lý tƣởng thể Hình 5(c) Dựa vào kết trên, tỷ lệ mã mạng đa multicast 1,067 S1 S1 S1 m1 S2 S3 S4 S5 S6 (a) Thông lƣợng cực đại với đơn định tuyến bán nguyên multicast 1.5 S2 a b c d e f S3 m2 S2 S3 m1 S4 Tập V-1, Số 15 (35), tháng 6/2016 Để đánh giá hiệu thuật tốn, chúng tơi xét mạng Z gồm 100 nút, k nút kết nối (m=2) theo Hình Các tham số tập tin cấu hình BRITE cho mơ theo Hình Trong tập tin BRITE, tham số để tạo tô pô bao gồm định tuyến đƣợc chọn Router Waxman nằm mặt phẳng hiển thị 1000 (HS=1000), tổng số nút mạng (N=100) đƣợc phân bố mặt phẳng 100 (LS=100) nút thay đƣợc chọn ngẫu nhiên Hai thành phần quan trọng để xuất tập tin cho chƣơng trình phân tán thực thi băng thông đƣợc gán cho liên kết đƣợc chọn đồng (BWDist=1) với giá trị băng thông nhỏ 10,0MB (BWMin=10,0) m2 S4 m2 m1 m1Å m2 m1Å m2 S5 S6 (b) Thông lƣợng cực đại với đa định tuyến phân chia multicast 1.875 S5 S6 (c) Thơng lƣợng cực đại với mã mạng Hình Ƣu điểm mã mạng cải tiến thông lƣợng multicast từ nguồn đến tập đích III.3 Kiểm nghiệm thuật toán Hiệu thuật toán xây dựng tơ pơ đƣợc đánh giá thơng qua so sánh với thuật tốn có sẵn [24] toán đo khoảng cách chi phí tơ pơ thu đƣợc thuật tốn thấp ràng buộc chi phí tơ pơ tối ƣu Nhƣng đây, tác giả khơng tìm thuật tốn có sẵn ràng buộc khác, biết đến trƣờng hợp đơn giản nhƣ toán xây dựng tô pô hƣớng unicast đa multicast theo Hình Hình Tơ pơ với 100 nút vật lý nút logic Để đánh giá thuật tốn trên, cơng cụ tạo tơ pơ BRITE tạo tập liệu ban đầu với tham số đầu vào mơ tả Hình 6, kết đầu tập 100 nút Sj, j=0 99, 200 liên kết; đồ thị G=(100,200) có hƣớng ban đầu đƣợc tạo [19] Để tính tốn việc truyền thơng điệp nút mạng, tô pô đƣợc thực mô hệ phân tán [20] theo thuật tốn thêm liên kết Trên thực tế, tơ pơ mạng thay đổi nút bị cố rời khỏi hệ thống, thuật tốn đƣợc thực thi lại với số nút để tạo tô pơ đảm bảo chi phí tối ƣu u cầu ràng buộc truyền multicast k nút Hình Các tham số tập tin cấu hình BRITE Hình thể chƣơng trình đọc liệu từ tập tin xây dựng tô pô với liên kết nút uU hoạt động để truyền thông điệp đƣợc tơ màu xám Trong - 34 - Các cơng trình nghiên cứu, phát triển ứng dụng CNTT-TT Hiệu kỹ thuật mã mạng xây dựng tô pô đƣợc trình bày cách so sánh thiết kế mã mạng sở với hƣớng unicast đa multicast Trong mô phỏng, tỷ lệ thiết lập yêu cầu unicast tlSi , j (i j ) đƣợc chọn đồng từ 10,0 đến 60,0 theo thông số đầu vào tô pô cho nút kết nối theo dạng token tƣơng ứng với số nút mạng lơgíc từ đến 16 theo Bảng Bảng Kết thực thi tô pô với phƣơng thức truyền Mạng Phƣơng thức truyền Lƣu Nút Liên kết lƣợng Unicast Multicast Mã mạng lơgíc lơgíc 10,0 10,0 18,75 20,00 20,0 12 20,0 37,50 40,00 30,0 10 16 30,0 56,25 60,00 40,0 12 20 40,0 75,00 80,00 50,0 14 24 50,0 93,75 100,00 60,0 16 28 60,0 112,50 120,00 Trong đó, nút nguồn phân chia tỷ lệ truyền, cụm nút trung gian đƣợc chọn đồng chi phí đƣờng truyền Dựa vào tô pô này, nghiên cứu hiệu hai thuật toán đƣợc đề xuất theo phân chia tỷ lệ lƣu lƣợng Kết thể Bảng 1, tập nút nguồn sau phân chia tỷ lệ gói truyền tơ pơ với số nút cạnh tƣơng ứng mạng G, phƣơng thức truyền đƣợc đánh giá lần lƣợt multicast đơn (Unicast), đa multicast (Multicast) mã mạng Qua Bảng biểu đồ Hình cho thấy, số lƣợng nút cạnh tăng lên tƣơng ứng với lƣu lƣợng mạng, tỷ lệ ba phƣơng thức truyền khơng có thay đổi lớn Tập nút đích nhận lƣu lƣợng truyền với mã mạng đạt đƣợc cao so với hai phƣơng thức truyền lại, tỷ lệ Multicast Unicast xấp xỉ 1,875, tỷ lệ Mã mạng Multicast xấp xỉ 1,067 Vì vậy, với kết nối đa multicast định, định tuyến chi phí cực tiểu mã mạng sở có thơng lƣợng tập đích cực đại Bƣớc nghiên cứu dựa vào số liệu mô cho thực nghiệm mạng diện rộng để đánh giá tính tối ƣu hai thuật tốn đồng thời xây dựng giải pháp điều khiển đa nguồn, đa tỷ lệ với hỗ trợ kỹ thuật mã mạng trƣờng hợp số nút kết nối lớn lƣu lƣợng cạnh không đồng Qua đó, đánh giá thực nghiệm để rút kết nghiên cứu, kết tƣơng đồng với mô đem lại nhiều thuận lợi cho ứng dụng lớn Thông lƣợng cực đại đến tập đích tập liên kết này, chƣơng trình lấy số nút lơgíc đƣợc tơ màu xám nhạt theo khai báo, chọn ngẫu nhiên số lƣợng nút tô pô hoạt động theo nguyên lý token Các nút hoạt động truyền token với hỗ trợ mã mạng qua công cụ Network Coding Utilities [21], liên kết kết nối với nút liên kết hoạt động để tìm đƣờng ngắn tơ pơ đến tập đích số lƣợng nút lơgíc ngoại trừ nút lơgíc nguồn có giá trị Tập V-1, Số 15 (35), tháng 6/2016 Số nút mạng Hình Biểu đồ thể thơng lƣợng truyền đến tập đích qua phƣơng thức truyền IV KẾT LUẬN Trong báo này, nghiên cứu đƣa giải pháp xây dựng tô pô truyền multicast kết hợp với mã mạng Chúng tơi xây dựng hai thuật tốn tạo tơ pơ thêm liên kết, xóa liên kết thực thi chúng ngữ cảnh Các tô pô đƣợc tạo từ tập kết nối ban đầu dựa ràng buộc thông lƣợng yêu cầu xây dựng tơ pơ Thuật tốn triển khai truyền multicast kết hợp kỹ thuật mã mạng đảm bảo tập đích nhận thơng tin khơng bị trùng lặp đạt đƣợc thông lƣợng cực đại Giải pháp đƣa đƣợc thử nghiệm tính đắn áp dụng cho hệ thống lớn, phức tạp Trong hƣớng nghiên cứu chúng - 35 - Các công trình nghiên cứu, phát triển ứng dụng CNTT-TT tơi tính tốn độ phức tạp hai thuật tốn độ hội tụ toán tăng dần k nút kết nối TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] R., NAKAO HAIDER A., POTTER, A., Challenges in Resource Allocation in Network Virtualization, in In 20th ITC Specialist Seminar, Hoi An, Vietnam, 2009 [2] LARRY L PETERSON, BRUCE S DAVIE, "Computer Networks, Fifth Edition: A Systems Approach", Morgan Kaufmann Publishers, 2011 [3] VALMIR C BARBOSA, "An introduction distributed algorithms", MIT Press, 1996 to [4] GERARD TEL, "Introduction to distributed algorithms", Cambridge University Press, 1994 [5] KAYHAN ERCIYES, "Distributed Graph Algorithms for Computer Networks", Springer Publishing Company, 2013 [6] R GALLAGER, "A Minimum Delay Routing Algorithm Using Distributed Computation", IEEE Transactions on Communications, 25(1), 1977, pp.7385 [7] WEIJIA JIA, WANLEI ZHOU, "Distributed Network Systems: From Concepts to Implementations (Network Theory and Applications)", Springer-Verlag New York, 2006 [8] S DEB, R SRIKANT, "Congestion control for fair resource allocation in networks with multicast flows", Networking, IEEE/ACM Transactions on, 12(2), 2004, pp.274-285 [9] SASWATI SARKAR, LEANDROS TASSIULAS, "A framework for routing and congestion control for multicast information flows", IEEE Transactions on Information Theory, 48(10), 2002, pp.2690-2708 [10] SHUO-YEN ROBERT LI, RAYMOND W YEUNG, NING CAI, "Linear network coding", IEEE Transactions on Information Theory, 49(2), 2003, pp.371-381 Tập V-1, Số 15 (35), tháng 6/2016 [14] YINING LI, JINGUO QUAN, XUELEI TAN, HUI LI, "A Layered Multi-Tree IP Multicast Protocol With Network Coding", INFOCOMP 2012, The Second International Conference on Advanced Communications and Computation, 2012, pp.171 175 [15] CHRISTINA FRAGOULI, et al., "Network coding: an instant primer", SIGCOMM Comput Commun Rev., 36(1), 2006, pp.63-68 [16] STEFAN BIRRER, et al., FatNemo: Building a Resilient Multi-source Multicast Fat-Tree, in Web Content Caching and Distribution, Chi-Hung Chi, Maarten Van Steen, and Craig Wills, Editors, Springer Berlin Heidelberg, 2004, pp.182-196 [17] SHEE ENG TAN, et al., Minimizing Network Coding Nodes in Multicast Tree Construction via Genetic Algorithm, in Proceedings of the 2012 Fourth International Conference on Computational Intelligence, Communication Systems and Networks, IEEE Computer Society, 2012, pp.399-404 [18] LEE SI-HYEON, CHUNG SAE-YOUNG, "Capacity of a Class of Multicast Tree Networks", Information Theory, IEEE Transactions on, 59(6), 2013, pp.38483857 [19] BRITE, http://www.cs.bu.edu/brite [20] Hermes, http://hermes.soft112.com [21] Network Coding https://code.google.com/p/ncutils [22] ĐẶNG HÙNG VĨ, LÊ VĂN SƠN, "Một giải pháp điều khiển tỷ lệ nguồn với mã mạng", Hội thảo quốc gia lần thứ XVI: Một số vấn đề chọn lọc Công nghệ thông tin truyền thông, Việt Nam, 2013, pp.193-198 [23] R AHLSWEDE, et al., "Network information flow", IEEE Trans Inf Theor., 46(4), 2006, pp.1204-1216 [24] 24 G J ZUURMOND M BOTHA, A E KRZESINSKI, "An Implementation of the MENTOR Algorithm for Random Network Generation", in Southern African Telecommunication Networks and Applications Conference, 2002 [11] ZONGPENG LI, BAOCHUN LI, Network Coding in Undirected Networks, in Conference on Information Sciences and Systems, 2004 [12] Z LI, B LI, Network coding: The case for multiple unicast sessions, 2004 [13] AARON KERSHENBAUM, "Telecommunications network design algorithms", McGraw-Hill, 1993 Utilities, Nhận ngày: 01/06/2015 - 36 - Các cơng trình nghiên cứu, phát triển ứng dụng CNTT-TT Tập V-1, Số 15 (35), tháng 6/2016 SƠ LƢỢC VỀ TÁC GIẢ ĐẶNG HÙNG VĨ LÊ VĂN SƠN Sinh ngày 07/03/1980 Đà Nẵng Sinh năm 1948 Điện Bàn, Quảng Nam Tốt nghiệp ĐH Trƣờng ĐH Bách khoa - ĐH Đà Nẵng năm 2003 chuyên ngành CNTT Nhận Thạc sỹ Khoa học Máy tính năm 2008 ĐH Đà Nẵng Hiện nghiên cứu sinh Đại học Đà Nẵng Tốt nghiệp ĐH năm 1978, bảo vệ TS năm 1997 Trƣờng ĐH Tổng hợp Donesk, Ucraina, đƣợc phong Phó Giáo sƣ năm 2004 Hiện công tác Trƣờng ĐH Sƣ phạm, ĐH Đà Nẵng Lĩnh vực nghiên cứu: Mạng máy tính, mã mạng, hệ phân tán, điện toán đám mây Điện thoại: 090 294 998 Hiện công tác Khoa Tin học, Trƣờng ĐH Sƣ phạm, ĐH Đà Nẵng Lĩnh vực nghiên cứu: Hệ điều hành, mạng máy tính, hệ phân tán, tính tốn đám mây Điện thoại: 090 827 499 E-mail: levansupham2004@yahoo.com Email: dhungvi@ued.udn.vn - 37 - ... cạnh rời rạc G, số lƣợng gói mạng truyền thông U đƣợc ký hiệu g(U) với thông lƣợng cực đại mà không mã Giải pháp tối ƣu truyền thông multicast với mã mạng nghiên cứu cho thông tin tập đích tránh... tuyến multicast Thuật toán truyền multicast mã mạng sở với chi phí cực tiểu đƣợc sử dụng để xây dựng định tuyến multicast III.2 Tỷ lệ lƣu lƣợng multicast với mã mạng Sau thực thi tô pô ban đầu mạng. .. thuật tốn thêm/xóa liên kết truyền multicast tối ƣu cục Sau hình thành tơ pô kết nối multicast kết hợp với mã mạng để tập đích nhận đƣợc gói tin truyền với thông lƣợng tối ƣu C = 0,U={Si},V={Sij}