Chương 8 - Tài Liệu Học Tậpdulieu.tailieuhoctap.vn/books/cong-nghe-thong-tin/... · Tìm...

BKTP.HCM

2008dce

Chương 8Tìm đường trong mạng chuyển mạch

Tìm đường trong mạng chuyển mạch mạchTìm đường trong mạng chuyển mạch góiCác giải thuật tìm đường đi ngắn nhất

2008dce

©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 2Data Communication and Computer Networks

Tìm đường trong mạng chuyển mạch mạch• Tìm đường

– Tìm đường đi kết nối qua mạng giữa 2 node đầu cuối sao cho mạng được sử dụng hiệu quả nhất

• Chức năng– Xác định kết nối từ thuê bao gọi đến thuê bao được gọi

qua một loạt các chuyển mạch và trung kế• Các yêu cầu đặt ra trong vấn đề tìm đường

– Hiệu quả• Xử lý được tải trên mạng vào giờ cao điểm• Giảm thiểu số lượng thiết bị trong mạng (node và trunk)

– Khả năng co giãn• Có những trường hợp lưu thông trên mạng vượt quá tải đã thiết kế• Mạng phải đảm bảo khả năng hoạt động ở một mức độ nào đó

trong những trường hợp như vậy

2008dce


Tìm đường phân cấp• Static Hierachical Routing• Các chuyển mạch được kết nối theo cấu trúc phân

cấp (thông thường theo cấu trúc cây)– Đường đi được hình thành từ node lá đi lên

• Tăng tính co giãn– Các trung kế (trunk) được kết nối thêm vào cắt ngang cấu

trúc cây– Cung cấp các đường đi thay thế

• Tĩnh– Không thích nghi theo các điều kiện thay đổi trên mạng– Mạng phải được thiết kế để chịu được tải nặng oversize– Cấu trúc tĩnh đáp ứng kém với lỗi

2008dce


Local (End)office

Regional center

Sectionalcenter

Primarycenter

Tollcenter

tandemswitch

Telephone

Toll connecting

FINAL

FINAL

FINAL

FINAL

HU (high-usage trunks)

AlternateHierarchical

Routing

Tìm đường phân cấp

2008dce


Tìm đường động• Tìm đường động (Dynamic Routing)

– Cho phép thay đổi trong việc tìm đường tùy theo lưu thông trong mạng– Dùng cấu trúc ngang cấp cho các node trong mạng– Đường đi thiết lập giữa hai thuê bao thay đổi tùy theo khả năng tải và

băng thông của đường truyền tại thời điểm thiết lập kết nối– Phức tạp và linh động hơn

• Một số phương pháp tìm đường động– Dựa vào thống kê biến động trong mạng (tải, băng thông, ...) theo thời

gian, còn gọi là Time-dependent Routing• Alternate routing

– Dựa vào biến động trong mạng (tải, băng thông, ...) để trao đổi cập nhật thông tin tìm đường đi giữa các node trong mạng, từ đó tìm ra được đường đi tối ưu và cập nhật vào bảng routing ở các node chuyển mạch trong mạng, còn gọi là State-dependent Routing

• Adaptive routing– Kết hợp cả hai phương pháp này

2008dce


Alternate routing• Các đường đi có thể giữa 2

trạm (end office) được liệt kê trước

• Bộ chuyển mạch nguồn chọn lựa các đường thích hợp

• Các đường được liệt kê theo thứ tự ưu tiên– Ưu tiên kết nối trực tiếp– Thứ tự ưu tiên dựa vào thống

kê lưu thông trên mạng– Fixed alternate routing

• Thay đổi thứ tự ưu tiên của các đường đi theo từng thời điểm khác nhau– Dynamic alternate routing

2008dce


Tìm đường trong mạng chuyển mạch gói• Vấn đề phức tạp, quyết định đối với mạng chuyển mạch gói • Các đặc tính yêu cầu

– Chính xác– Đơn giản– Mạnh mẽ (robustness)

• Khả năng chuyển các gói trong điều kiện lỗi và quá tải• Không mất gói hoặc không làm đứt virtual circuit

– Ổn định• Hệ thống có khả năng thay đổi theo điều kiện mạng thường có xu hướng

không ổn định và đáp ứng chậm• Congestion oscillation

– Công bằng vs. tối ưu• Một số hệ thống ưu tiên chuyển các gói đến trạm gần hơn• Tối ưu thông lượng nhưng không công bằng

– Hiệu quả• Tìm đường đòi hỏi phải tăng cường xử lý và tăng cường lưu thông trên

mạng• Chi phí cho tìm đường phải ít hơn lợi ích (ví dụ tăng tính mạnh mẽ, công

bằng)

2008dce


Tiêu chuẩn đo tính hiệu quả• Là tiêu chuẩn được dùng để chọn đường

– Số chặng đường (hop) là tối thiểu• Đơn giản• Tối thiểu việc sử dụng tài nguyên

– Chi phí (cost) tối thiểu• Mỗi đường link được gán một chi phí• Chi phí có thể là

– Data rate (tỉ lệ nghịch)– Delay do các gói xếp hàng (tỉ lệ thuận)

2008dce


Chi phí các đường đi

2008dce


Thời điểm và nơi quyết định việc tìm đường• Thời điểm quyết định

– Trên cơ sở mạch ảo hoặc gói– Datagram: quyết định tìm đường thực hiện riêng cho mỗi

gói– Virtual circuit: quyết định tìm đường thực hiện lúc kết nối

• Trong nhiều thiết kế, đường đi của mỗi virtual circuit thay đổi theo điều kiện của mạng

• Nơi quyết định– Node nào sẽ ra quyết định tìm đường– Phân tán (Distributed)

• Mỗi node tự ra quyết định tìm đường– Tập trung (Centralized)

• Nhiệm vụ tìm đường được gán trước cho 1 số node– Tại nguồn gởi (Source)

• Nguồn gởi chịu trách nhiệm tìm đường• Cho phép người dùng chọn đường đi theo tiêu chí của họ

2008dce


Nguồn thông tin mạng và thời điểm cập nhật thông tin• Quyết định tìm đường thông thường (không phải luôn luôn)

được dựa trên các thông tin về mạng– Tải lưu thông– Chi phí của đường link

• Tìm đường phân tán (Distributed routing)– Node sử dụng các thông tin cục bộ– Có thể thu thập thông tin từ các node kế cận– Có thể thu thập thông tin từ các node trên đường tiềm năng

• Tìm đường tập trung (Central routing)– Thu thập thông tin từ tất cả các node

• Cập nhật thông tin– Xác định khi nào các thông tin mạng được lưu trữ tại các node được

cập nhật– Cố định (Fixed) – không bao giờ được cập nhật– Động (Adaptive) – cập nhật thường xuyên – Trade off

2008dce


Chiến thuật tìm đường• Chiến thuật (Routing Strategies)

– Fixed routing– Flooding routing– Random routing– Adaptive routing

2008dce


Fixed Routing• Một lộ trình cố định cho

mỗi đường đi từ nguồn đến đích

• Tất cả các đường đi qua mạng đều đã được thiết lập từ trước và không cập nhật theo các biến đổi về các điều kiện tải, … trong mạng

• Đường đi được xác định dùng giải thuật chi phí tối thiểu

• Đường cố định ít ra cho đến khi có sự thay đổi cấu hình mạng

• Không có sự khác biệt giữa datagram và VC

• Đơn giản• Không đáp ứng lại lỗi và

nghẽn mạng

2008dce


Flooding Routing• Không cần thông tin mạng • Node gởi các gói tới tất cả node kề (láng giềng) • Các gói nhận được sẽ được truyền trên tất cả các

kết nối ngoại trừ kết nối đến• Cuối cùng sẽ có một số copy của gói sẽ đến đích • Mỗi gói được đánh số duy nhất sao cho các copy

trùng nhau sẽ bị loại bỏ • Node có thể ghi nhớ các gói đã đi qua, giúp cho

mạng không quá tải nhiều • Có thể chứa số chặng đường (hop) trong các gói,

được dùng để giới hạn hay kết thúc quá trình truyền

2008dce


Flooding Routing• Đặc điểm

– Tất cả các lộ trình đều được thử

• Robust • Lãng phí băng thông

– Ít nhất sẽ có một gói đi theo lộ trình với số chặng ít nhất

• Có thể được dùng để thiết lập đường mạch ảo

– Tất cả các node đều được “duyệt”

• Dùng để phân tán thông tin– Gửi các mesg khẩn

• Mạng quân sự– Thiết lập VC– Broadcast thông tin

2008dce


Random Routing• Node sẽ chọn một đường liên kết ra để truyền đi các

gói nhận được • Việc chọn lựa có thể là ngẫu nhiên hoặc xoay vòng

(round robin)• Có thể chọn đường liên kết ra dựa trên việc tính

toán xác suất

• Không cần thông tin mạng• Lộ trình tìm được thông thường không phải là đường

có chi phí tối thiểu hoặc số chặng nhỏ nhất

∑=

ii

ii R

RP

2008dce


Adaptive Routing• Được sử dụng bởi hầu hết các mạng chuyển mạch

gói • Quyết định tìm đường thay đổi khi các điều kiện trên

mạng thay đổi– Hư hỏng (Failure): một node hoặc một trunk hư– Nghẽn (Congestion)

• Cần biết các thông tin về mạng • Quyết định tìm đường là một hàm phức tạp• Tradeoff giữa chất lượng của thông tin mạng và chi

phí • Phản ứng quá nhanh có khả năng gây dao động • Quá chậm dẫn đến không còn thích hợp

2008dce


Adaptive Routing• Ưu điểm

– Hiệu suất được cải thiện– Trợ giúp điều khiển nghẽn mạng

• Cân bằng tải, tránh tắc nghẽn

– Hệ thống phức tạp để hiện thực• Có khả năng không thực hiện các ích lợi về mặt lý thuyết

• Phân loại– Dựa trên các nguồn thông tin

• Cục bộ (isolated)• Các node kề (distributed)• Tất cả các node (centralized)

2008dce


Isolated Adaptive Routing• Mỗi node trong mạng tự cập nhật bảng tìm đường của mình

dựa vào các thông tin về mạng mà node đó học hỏi được, không trao đổi thông tin routing với các node khác

• Gởi các gói trên các liên kết ra có hàng đợi ngắn nhất – Cân bằng tải trên các đường ra– Đường ra có hàng đợi ngắn nhất có thể không đúng hướng cần đi

• Có thể thêm các độ thiên vị (bias) cho các đường ra • Một trong những phương pháp đơn giản nhất của tìm đường

động, phù hợp với các mạng có kích thước nhỏ và hoạt động tương đối ổn định

• Ít dùng (không dùng thông tin có sẵn)

2008dce


Isolated Adaptive Routing• Ví dụ

• Đường ra được chọn là đường ra có Q+Bi nhỏ nhất

2008dce


Adaptive Routing• Distributed Adaptive Routing

– Trong phương pháp này, thông tin về tình trạng hoạt động hiện hành của mạng sẽ được định kỳ trao đổi, cập nhật giữa các node trong toàn mạng. Sau đó thông tin này sẽ được phân bố về lại các node trong mạng hay một số node trong mạng làm nhiệm vụ tìm đường để các node này cập nhật lại bảng routing

– Phương pháp này đáp ứng được với những thay đổi trạng thái của mạng, nhưng đồng thời cũng làm tăng lưu lượng thông tin trong mạng

• Centralized Adaptive Routing– Trong phương pháp này, thông tin về tình trạng hoạt động hiện hành

của mạng sẽ được định kỳ trao đổi, cập nhật giữa các node trong toàn mạng. Sau đó thông tin này sẽ được tập trung về một máy chủ trong mạng làm nhiệm vụ routing

– Tuy đáp ứng được với những thay đổi tức thời trong mạng nhưng phương pháp này có nhược điểm là thông tin routing trong toàn mạng tập trung về một máy nên khi máy này không hoạt động thì toàn mạng sẽ không hoạt động được

2008dce


Giải thuật tìm đường ngắn nhất• Bài toán

– Cho mạng các node được nối bởi các liên kết 2 chiều, mỗi chiều có giá trị chi phí riêng

– Chi phí của đường đi giữa 2 node trong mạng là tổng các giá trị chi phí của các liên kết đi qua

– Xác định đường đi ngắn nhất (chi phí thấp nhất) giữa 2 node

• Tiêu chuẩn đường ngắn nhất– Số chặng đường đi

• Giá trị mỗi liên kết là 1– Giá trị liên kết

• Tỉ lệ nghịch tốc độ liên kết• Tỉ lệ thuận tải trên liên kết• Tổ hợp các đại lượng trên

• Giải thuật– Forward-search (Dijkstra)– Backward-search (Bellman-Ford)

2008dce


Giải thuật Dijkstra• Input

– Đồ thị G(V, E) trong đó V là tập đỉnh, E là tập cạnh có trọng số không âm

– Đỉnh nguồn S: S ∈ V

• Output– Đường đi ngắn nhất từ đỉnh nguồn S đến tất cả các đỉnh còn lại

• Ký hiệu– Di : đường đi ngắn nhất từ node nguồn S đến node i tại bước chạy

hiện hành của giải thuật– M: tập các đỉnh đã xét tại bước chạy hiện hành của giải thuật– dij: trọng số trên cạnh nối từ node i đến node j

dij = 0 nếu i trùng j dij = Eij nếu i khác j

2008dce


Giải thuật Dijkstra

• Giải thuật– Bước 1: khởi động

• M = {S}• Di = dsi (các cạnh nối trực tiếp với S)

– Bước 2: cập nhật đường đi ngắn nhất• Chọn đỉnh N ∈ V sao cho: DN = min {Di} ∀i ∈ V\M• M = M U {N} • Dj = min {Dj, DN + dNj} ∀j ∈ V\M

– Bước 3: lặp lại bước 2 cho đến khi M=V

– Kết quả Di sẽ là đường đi ngắn nhất từ node nguồn S đến node i

1

2 3

4 5

611

1 2

22 3

35

5

2008dce



Node 2 Node 3 Node 4 Node 5 Node 6 Laàn chaïy

M D2 Path D3 Path D4 Path D5 Path D6 Path

1 1 2 1 – 2 5 1 – 3 1 1 – 4 ∞ --- ∞ --- 2 1 , 4 2 1 – 2 4 1 – 4 – 3 1 1 – 4 2 1 – 4 – 5 ∞ --- 3 1 , 4 , 2 2 1 – 2 4 1 – 4 – 3 1 1 – 4 2 1 – 4 – 5 ∞ --- 4 1 , 4 , 2 , 5 2 1 – 2 3 1 – 4 – 5 – 3 1 1 – 4 2 1 – 4 – 5 4 1 – 4 – 5 – 6 5 1 , 4 , 2 , 5 , 3 2 1 – 2 3 1 – 4 – 5 – 3 1 1 – 4 2 1 – 4 – 5 4 1 – 4 – 5 – 6 6 1 , 4 , 2 , 5 , 3 ,6 2 1 – 2 3 1 – 4 – 5 – 3 1 1 – 4 2 1 – 4 – 5 4 1 – 4 – 5 – 6

1

2 3

4 5

611

1 2

22 3

35

5

2008dce



2008dce


Giải thuật Bellman-Ford• Input

– Đồ thị G(V, E) trong đó V là tập đỉnh, E là tập cạnh có trọng số – Đỉnh nguồn S: S ∈ V

• Output– Đồ thị có chu trình âm → không tồn tại đường đi ngắn nhất– Đường đi ngắn nhất từ đỉnh nguồn S đến tất cả các đỉnh còn lại

• Ký hiệu– D(h)i: đường đi ngắn nhất từ node nguồn S đến node i có tối đa h

đoạn (link).– dij: trọng số trên cạnh nối từ node i đến node j

dij = 0 nếu i trùng j dij = Eij nếu i khác j

2008dce


Giải thuật Bellman-Ford• Giải thuật

– Bước 1: khởi động• D(1)N = dSN, ∀N ∈ V\{S}(đường đi ngắn nhất từ S đến N có tối

đa 1 đoạn)

– Bước 2: cập nhật đường đi ngắn nhất• D(h+1)N = min {D(h)j + djN} ∀j ∈

V\{S}

– Bước 3: lặp lại bước 2 cho đến khi không có đường đi mới nào ngắn hơn được tìm thấy thì dừng

– Kết quả D(h)N sẽ là đường đi ngắn nhất từ node nguồn S đến node N

1

2 3

4 5

611

1 2

22 3

35

5

2008dce


Giải thuật Bellman-Ford

Node 2 Node 3 Node 4 Node 5 Node 6 Laàn chaïy D(h)2 Path D(h)3 Path D(h)4 Path D(h)5 Path D(h)6 Path

1 2 1–2 5 1–3 1 1–4 ∞ --- ∞ --- 2 2 1–2 4 1–4–3 1 1–4 2 1–4–5 10 1–3–6 3 2 1–2 3 1–4–5–3 1 1–4 2 1–4–5 4 1–4–5–6 4 2 1–2 3 1–4–5–3 1 1–4 2 1–4–5 4 1–4–5–6

1

2 3

4 5

611

1 2

22 3

35

5

2008dce


Giải thuật Bellman-Ford

2008dce


Bài tập• Tìm đường ngắn nhất từ node 1

– Theo giải thuật Dijkstra– Theo giải thuật Bellman-Ford

1 2

3 4

5

6

7

1 3

4

2

1

1

2

3

35

43

2008dce Correct?

L M D2 N2 D3 N3 D4 N4 D5 N5 D6 N6 D7 N71 1 4 1-2 1 1-3 3 1-4 - - - - - -2 1, 3 4 1-2 1 1-3 3 1-4 4 1-3-5 - - 5 1-3-73 1, 3, 4 4 1-2 1 1-3 3 1-4 4 1-3-5 - - 5 1-3-74 1, 3, 4, 2 4 1-2 1 1-3 3 1-4 4 1-3-5 7 1-2-6 5 1-3-75 1, 3, 4, 2, 5 4 1-2 1 1-3 3 1-4 4 1-3-5 7 1-2-6 5 1-3-76 1, 3, 4, 2, 5, 7 4 1-2 1 1-3 3 1-4 4 1-3-5 7 1-2-6 5 1-3-77 1, 3, 4,2,5,7,6 4 1-2 1 1-3 3 1-4 4 1-3-5 7 1-2-6 5 1-3-7


1 2

3 4

5

6

7

1 3

4

2

1

1

2

3

35

43

4

7

3

5

4

0

1

2008dce Correct?


h D2 N2 D3 N3 D4 N4 D5 N5 D6 N6 D7 N71 4 1-2 1 1-3 3 1-4 - - - - - -2 4 1-2 1 1-3 3 1-4 4 1-3-5 7 1-2-6 5 1-2-73 4 1-2 1 1-3 3 1-4 4 1-3-5 7 1-2-6 5 1-2-7

1 2

3 4

5

6

7

1 3

4

2

1

1

2

3

35

43

4

7

3

5

4

0

1

2008dce


Bài tập• Tìm đường ngắn nhất từ node A


E

G

H

D

K J

F

C

BA1 1

1

11

2

1

1

2

3

2

4

52

2008dce


Bài tập• Tìm đường ngắn nhất từ node A


E

G

H

D

K J

F

C

BA1 1

1

11

2

1

1

2

3

2

4

52

6

2

11

3

4

5

3

4

2008dce


Dijkstra vs. Bellman-Ford• Bellman-Ford

– Việc tính toán cho node n phải biết các thông tin về chi phí liên kết của các node kề của n và chi phí tổng cộng từ node s đến các node kề của node n [i.e., Lh(j)]

– Mỗi node cần lưu trữ tập các chi phí và các đường đi tương ứng đến các node khác

– Có thể trao đổi thông tin với các node kề trực tiếp– Có thể cập nhật thông tin về chi phí và đường đi dựa trên

các thông tin trao đổi với các node kề và các thông tin về chi phí liên kết

• Dijkstra– Mỗi node cần biết topology toàn bộ mạng– Phải biết chi phí liên kết của tất cả các liên kết trong mạng– Phải trao đổi thông tin với tất cả các node khác trong mạng

2008dce


Đánh giá• Phụ thuộc vào thời gian xử lý của các giải thuật• Phụ thuộc vào lượng thông tin yêu cầu từ các node

khác• Phụ thuộc vào việc hiện thực• Cùng hội tụ về một lời giải dưới điều kiện topology

tĩnh và chi phí không thay đổi• Nếu chi phí liên kết thay đổi, các giải thuật sẽ tính lại

để theo kịp sự thay đổi• Nếu chi phí liên kết thay đổi theo lưu thông, lưu

thông lại thay đổi theo đường đi được chọn– Phản hồi– Có thể rơi vào trạng thái không ổn định

2008dce


ARPANET – Tìm đường• Thế hệ đầu tiên

– 1969– Distributed adaptive– Dùng thời gian trễ ước tính làm tiêu chuẩn để đánh giá

hiệu quả – Dùng giải thuật tìm đường Bellman-Ford – Các node trao đổi thông tin (các vector thời gian trễ) với

các node kề – Cập nhật bảng tìm đường dựa trên thông tin đến – Không quan tâm đến tốc độ đường truyền, chỉ quan tâm

chiều dài hàng đợi tại các node – Chiều dài hàng đợi không phải là cách đo chính xác của

thời gian trễ – Đáp ứng chậm với nghẽn mạch

2008dce


ARPANET – Tìm đường• Thế hệ thứ 2

– 1979– Dùng thời gian trễ làm tiêu chuẩn đánh giá hiệu quả – Thời gian trễ được đo trực tiếp – Dùng giải thuật tìm đường Dijkstra– Thích hợp cho mạng có tải trung bình hoặc nhẹ – Khi mạng tải nặng, có ít tương quan giữa thời gian trễ đo được và thời

gian trễ gặp phải

• Thế hệ thứ 3– 1987– Việc tính toán chi phí của liên kết đã được thay đổi – Thời gian trễ trung bình được đo trong 10 giây cuối – Bình thường hóa dựa trên giá trị hiện tại và kết quả trước đó

Chương 8�Tìm đường trong mạng chuyển mạchTìm đường trong mạng chuyển mạch mạchTìm đường phân cấpTìm đường phân cấpTìm đường độngAlternate routingTìm đường trong mạng chuyển mạch góiTiêu chuẩn đo tính hiệu quảChi phí các đường điThời điểm và nơi quyết định việc tìm đường Nguồn thông tin mạng và thời điểm cập nhật thông tinChiến thuật tìm đườngFixed RoutingFlooding RoutingFlooding RoutingRandom RoutingAdaptive RoutingAdaptive RoutingIsolated Adaptive RoutingIsolated Adaptive RoutingAdaptive RoutingGiải thuật tìm đường ngắn nhấtGiải thuật DijkstraGiải thuật DijkstraGiải thuật DijkstraGiải thuật DijkstraGiải thuật Bellman-FordGiải thuật Bellman-FordGiải thuật Bellman-FordGiải thuật Bellman-FordBài tậpCorrect?Correct?Bài tậpBài tậpDijkstra vs. Bellman-FordĐánh giáARPANET – Tìm đườngARPANET – Tìm đường

Chương 8 - Tài Liệu Học Tậpdulieu.tailieuhoctap.vn/books/cong-nghe-thong-tin/... · Tìm...

Documents

Transcript of Chương 8 - Tài Liệu Học Tậpdulieu.tailieuhoctap.vn/books/cong-nghe-thong-tin/... · Tìm...