Nghiên cứu xây dựng thuật toán thiết kế topology mạng áp dụng cho mạng thế hệ sau NGN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TẬP ĐOÀN BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
VIỆT NAM



HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG


Phạm Quốc Huy


NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG
THUẬT TOÁN THIẾT KẾ TOPOLOGY MẠNG
ÁP DỤNG CHO MẠNG
THẾ HỆ SAU NGN



Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
Mã số: 62 52 70 05




TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

Hà nội - 2008

Công trình được hoàn thành tại:
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG



Người hướng dẫn khoa học:
1.Tiến sỹ Nguyễn Quý Minh Hiền
2.Tiến sỹ Chu Ngọc Anh

Phản biện 1: PGS. TS. Hoàng Thọ Tu.
Học viện kỹ thuật Quân sự.

Phản biện 2: PGS. TS Vương Đạo Vi.
Trường ĐH Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà nội.

Phản biện 3: PGS. TS Nguyễn Minh Dân.
Bộ Thông tin và Truyền thông.


Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp nhà
nước họp tại …………………………………………………….
…………………………………………………………………
vào hồi 14 giờ 00 ngày 12 tháng 3 năm 2009

Có thể tìm hiểu luận án tại:
Thư viện Quốc gia
Thư viện Học viện công nghệ Bưu chính Viễn thông





MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Với nhu cầu phát triển ngày càng mạnh mẽ, đa dạng và phong phú
của các dịch vụ thông tin băng rộng thế hệ mới, bài toán thiết kế
topology mạng NGN (Next Generation Network) cần được xem xét
và mở rộng để đáp ứng với những yêu cầu mới đó là :
- Đảm bảo chất lượng dịch vụ cho các loại hình dịch vụ triển khai
trên mạng.
- Đảm bảo khả năng dự phòng của mạng trong quá trình cung cấp
dịch vụ.
2. Đối tượng, mục đích và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận án này là topology của mạng
backbone cho các mạng đa dịch vụ có hạ tầng IP như mạng NGN do
tính chất quan trọng của mạng backbone đối với chất lượng dịch vụ
trên toàn bộ mạng.

Mục đích nghiên cứu: đề xuất được thuật toán thiết kế, trên cơ sở đó
xây dựng được công cụ phục vụ tính toán thiết kế topology mạng
backbone NGN với chi phí tối thiểu và thỏa mãn các ràng buộc về trễ
và khả năng hồi phục mạng.
Phạm vi của luận án: nghiên cứu thiết kế topology mạng backbone
hình lưới của tầng chuyển tải của mạng NGN.
3. Phương pháp nghiên cứu
Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết kết hợp với tính toán số , luận án
này lựa chọn phương pháp thiết kế sử dụng thuật toán di truyền dựa
trên các nghiên cứu, phân tích đánh giá một số phương pháp, thuật
toán thiết kế trước đây. Tiếp theo đó, phương pháp thiết kế sử dụng
thuật toán di truyền sẽ là khuôn khổ chung, thống nhất cho việc giải

1
quyết bài toán thiết kế đặt ra với các ràng buộc khác nhau trong luận
án này.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Về ý nghĩa khoa học
- Đề xuất phương pháp mã hóa mới và các toán tử phù hợp với
phương pháp mã hóa này để sử dụng trong thuật toán di truyền.
- Đề xuất mới thuật toán thiết kế topology mạng cho cả hai trường
hợp trễ trung bình và trễ đầu cuối-đầu cuối giải quyết vấn đề chất
lượng dịch vụ phụ thuộc vào trễ trên mạng NGN.
- Đề xuất mới thuật toán thiết kế topology mạng có khả năng hồi
phục, đảm bảo tính liên tục khi cung cấp dịch vụ trong môi trường
mạng NGN.
- Đề xuất mới thuật toán thiết kế topololgy mạng đồng thời thỏa mãn
các ràng buộc về khả năng hồi phục mạng và các ràng buộc về độ
trễ, đáp ứng yêu cầu thực tiễn mạng NGN hiện nay.
Các đề xuất về phương thức và các thuật toán sẽ bổ sung và làm giàu

thêm các thuật toán có thể áp dụng cho việc giải các bài toán tương
tự.
Về ý nghĩa thực tiễn
- Các kết quả có thể áp dụng cho việc thiết kế topology mạng
backbone NGN và tính toán các mạng tập hợp lưu lượng NGN.
- Các kết quả nghiên cứu cũng có thể áp dụng phương pháp thiết kế
các mạng truy nhập với công nghệ thuộc thế hệ 3G hoặc 4G.
- Một số kết quả phân tích đã được sử dụng trong quá trình tính toán
lưu lượng, thiết kế cấu hình mạng MAN-E cho các bưu điện tỉnh của
Tập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt nam .
5. Bố cục của luận án

2
Bài toán thiết kế topology mạng được xem xét và giải quyết với mức
độ phức tạp tăng dần để thuận tiện cho việc so sánh các đề xuất giải
bài toán được đưa ra ở đây với các kết quả nghiên cứu đã có và phù
hợp với sự phát triển mạng và công nghệ. Bài toán sẽ được đặt ra bắt
đầu với ràng buộc là dung lượng tuyến kết nối là hữu hạn; tiếp theo
những ràng buộc về trễ, khả năng hồi phục lần lượt được bổ sung.
Như vậy, luận án bao gồm phần mở đầu, năm chương nội dung và
phần kết luận, cụ thể như sau:
Chương 1: Trình bày bài toán thiết kế topology mạng backbone với
ràng buộc về dung lượng tuyến kết nối hữu hạn. Trên cơ sở đánh giá,
phân tích một số phương pháp, thuật toán thiết kế trước đây, phương
pháp thiết kế topology mạng bachbone sử dụng thuật toán di truyền
được lựa chọn và sẽ là khuôn khổ chung, thống nhất cho việc giải
quyết bài toán thiết kế đặt ra với các ràng buộc khác nhau.
Chương 2: Trình bày các vấn đề kỹ thuật liên quan đến thuật toán di
truyền. Trên cơ sở đó, chương này đề xuất một phương pháp mã hóa
cùng các toán tử nhằm giải quyết bài toán đặt ra ở chương 1. Các kết

quả tính toán nhằm làm rõ tính hiệu quả của phương pháp đề xuất
Chương 3. Trình bày về một số vấn đề về trễ đấu cuối - đầu cuối và
trễ trung bình trên toàn mạng và bài toán thiết kế có ràng buộc về trễ.
Trên cơ sở các đề xuất ở chương 1, chương này đề xuất các thuật
toán nhằm giải quyết bài toán thiết kế topology với các điều kiện
ràng buộc về độ trễ sau khi đã xem xét các thuật toán liên quan đến
bài toán thiết kế với các ràng buộc trễ. Các kết quả tính toán được
giới thiệu ở cuối chương này.
Chương 4. Trình bày bài toán thiết kế topology mạng có khả năng
hồi phục và phân tích, đánh giá một số phương pháp và thuật toán

3
trước đây. Đề xuất thuật toán thiết kế topology mạng có khả năng hồi
phục. Các kết quả tính toán được giới thiệu ở cuối chương này.
Chương 5. Trên cơ sở các kết quả đạt được tại các chương hai, ba và
bốn, chương này phát biểu và đề xuất thuật toán thiết kế topology
mạng với sự kết hợp các ràng buộc về trễ và hồi phục mạng. Một số
kết quả tính toán được đưa ra ở cuối chương.
Cuối cùng là các kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo.
CHƯƠNG 1. BÀI TOÁN THIẾT KẾ TOPOLOGY MẠNG
BACKBONE
1.1 Bài toán thiết kế topology mạng
Một số ký hiệu
Một mạng được biểu diễn bởi một graph G (V,E) trong đó |V| là số
nút n và |E| là số tuyến kết nối e.
Tập biểu diễn số tuyến kết nối xác lập một topology mạng
G*(V,A); là băng thông tối đa của tuyến kết nối (ij); c
VA ⊆
max
ij

c
ij
và f
ij

tương ứng là băng thông phân bổ và luồng dữ liệu trung bình trên
tuyến kết nối (ij); d
ij
(c
ij
) là chi phí thuê băng thông c
ij
của tuyến kết
nối (ij);
ij
λ
là chi phí cho một đơn vị dung lượng luồng của tuyến
kết nối (ij).
R biểu diễn ma trận các nhu cầu r
pq
,
R
r
pq
∈
∀
được chuyển tải trên
G*(V,A); F
pq
biểu thị luồng tổng cộng của nhu cầu r

pq
được chuyển
tải trên một tập các đường dịch vụ r giữa cặp nút nguồn – đích p-q;
là một phần của F
pq
r
f
pq
chuyển tải trên đường dịch vụ thứ r.
pq
rij
a
,
có giá trị 1 nếu đường dịch vụ r sử dụng tuyến kết nối (ij)
chuyển tải một phần lưu lượng ; ngược lại có giá trị 0.
pq
r
f

4
P là tập các đường dịch vụ r chuyển tải các phần lưu lượng
của nhu cầu r
pq
r
f
pq
.
Phát biểu bài toán
Bài toán thiết kế topology mạng ban đầu với ràng buộc về dung
lượng hữu hạn được phát biểu như sau:

Khi đưa ra một graph vô hướng với các giá trị |V| , |E| và một ma
trận nhu cầu R. Hãy xác định sao cho tối
thiểu hóa hàm mục tiêu định nghĩa dưới đây.
),(),(
*
EVGAVG ⊆
∑∑
−
=>
=
1
1
n
i
n
ij
ijij
cD
λ
(1.1)
Với giả thiết:

∑
=
r
pq
r
pq
fF
PrVqp

∈
∈
∀ ,,
(1.2)
∑∑∑
=>
=
1
,
p pqr
pq
r
pq
rijij
fac
−1n n

PrVji
∈
∈
∀ ,,
(1.3)
max
ijij
cc ≤

Vqpji
∈
∀ ,,,
(1.4)

Biểu thức (1.2) nhằm đảm bảo mọi nhu cầu lưu lượng đều được
chuyển tải đầy đủ trên mạng và mỗi nhu cầu có thể đi trên một số
đường dịch vụ r khác nhau. Biểu thức (1.3) đảm bảo băng thông
phân bổ trên mỗi tuyến kết nối (ij) để thiết lập các đường dịch vụ r là
bằng tổng các luồng lưu lượng chuyển trên đó. Biểu thức (1.4) thể
hiện ràng buộc về dung lượng tuyến kết nối hữu hạn.
1.2 So sánh và lựa chọn phương pháp
Một số phương pháp tiếp cận cho việc giải quyết vấn đề trên đã được
khảo sát và có thể chia ra thành hai nhóm chính, bao gồm: phương
pháp quy hoạch toán học và phương pháp theo thực nghiệm.

5
Từ những nhận xét và phân tích về mỗi phương pháp tiếp cận,
phương pháp giải quyết bài toán được xác định sử dụng phương
pháp tiếp cận theo thực nghiệm với thuật toán di truyền để giải quyết
vấn đề.
Cùng với việc xác định phương pháp tiếp cận, vấn đề đặt ra tiếp theo
là làm thế nào để áp dụng hiệu quả thuật toán di truyền cho bài toán
đặt ra. Do vậy, chương sau sẽ khảo sát một số vấn đề liên quan đến
thuật toán di truyền.
CHƯƠNG 2. THUẬT TOÁN DI TRUYỀN VÀ ĐỀ XUẤT
PHƯƠNG PHÁP MÃ HÓA CÙNG CÁC TOÁN TỬ KHI
THIẾT KẾ TOPOLOGY MẠNG BACKBONE
2.1 Thuật toán di truyền
Để có thể áp dụng hiệu quả thuật toán di truyền cho vấn đề đang xét,
các vấn đề lý thuyết và kỹ thuật liên quan đến thuật toán di truyền
được xem xét như: lý thuyết sơ đồ, mã hóa, kế hoạch tái tạo, hàm
phù hợp, các toán tử lai tạo và đột biến, hội tụ của thuật toán…
2.2 So sánh một số phương pháp mã hóa đã được sử dụng
Các phương pháp mã hóa áp dụng cho một số bài toán thiết kế

topology mạng với dạng hình lưới và hình cây đã được nghiên cứu
xem xét. Quá trình nghiên cứu cho thấy với mỗi loại bài toán thường
có một phương pháp mã hóa hiệu quả và không có phương pháp mã
hóa nào là ưu việt cho mọi bài toán. Mặt khác, các toán tử cũng đa
dạng tùy theo mỗi phương pháp mã hóa
2.3 Đề xuất phương pháp mã hóa và các toán tử
Phương pháp mã hóa được đề xuất ở đây là trên cơ sở mở rộng
phương pháp mã hóa trong [5]. Phương pháp được đề xuất cho phép

6
tính đến từng nhu cầu lưu lượng của từng cặp nút mạng, khi đó các
vấn đề về chất lượng dịch vụ theo khía cạnh trễ hoặc khả năng hồi
phục có thể tính đến cho từng nhu cầu. Trên cơ sở mã hóa này,
nhiễm sắc thể được tạo ra sẽ là một chuỗi tuần tự các nhu cầu lưu
lượng với trật tự ngẫu nhiên.
Các toán tử đề xuất sử dụng theo phương pháp mã hóa này là: Toán
tử lai tạo; Toán tử đột biến; Toán tử quay vòng.
2.4 Một số kết quả tính toán số
Các phương pháp mã hóa và các toán tử trong [5] – thuật toán B-GA,
trong [31] – thuật toán E-GA và thuật toán được đề xuất ở đây Ad-
GA được thực hiện để khảo sát sự phụ thuộc của chất lượng giải
pháp tìm được vào phương pháp mã hóa cùng các toán tử của thuật
toán di truyền. Việc so sánh dựa trên hai khía cạnh: một là chi phí
của giải pháp thu được và hai là khả năng tìm kiếm giải pháp khi
thay đổi một số ràng buộc.
Về khía cạnh chi phí, chi phí trung bình của các giải pháp thu được
trong thuật toán E-GA so với các thuật toán B-GA và Ad-GA có thể
lớn hơn đến 6% như trên hình 2.5.

2480000000
2500000000
2520000000
2540000000
2560000000
2580000000
2600000000
2620000000
2640000000
2660000000
2680000000
0 102030405060
Số thế hệ
Chi phí trung bìn
h
Edge-Set
Ad- GA
B-GA
Hình 2.5 Chi phí trung bình ứng với các thuật toán khác nhau
cho mạng lưới đầy đủ 20 nút sau 50 thế hệ.

7

Trong một số trường hợp khảo sát, chi phí của giải pháp tìm được
theo thuật toán Ad-GA nhỏ hơn của thuật toán B-GA khoảng từ
0.17% đến 0.8% tùy theo từng trường hợp.
Về khả năng tìm kiếm giải pháp khi thay đổi một số điều kiện như số
lượng và dung lượng tuyến kết nối giảm, các kết quả tính toán cho
thấy cho thấy, thuật toán B-GA nhiều lần không thể cải thiện tiếp
được chất lượng giải pháp sau một số thế hệ nhất định.
2.5 Một số nhận xét
Kết quả tính toán cho thấy, phương pháp mã hóa và các toán tử đề
xuất ở đây giúp cho thuật toán di truyền hiệu quả hơn trong quá trình
tìm kiếm giải pháp so với một số phương pháp mã hóa trước đây.
Phương pháp mã hóa cùng các toán tử này sẽ được áp dụng để giải
quyết tiếp các vấn đề thiết kế trong những phần kế tiếp.
CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG THUẬT TOÁN THIẾT KẾ
TOPOLOGY MẠNG VỚI MỤC TIÊU TỐI THIỂU HÓA CHI
PHÍ, THỎA MÃN RÀNG BUỘC VỀ TRỄ
Trong chương ba này, bài toán thiết kế được mở rộng từ bài toán
thiết kế ở chương một, với sự tham gia của trễ trên mạng. Vấn đề trễ
được đưa vào như là một ràng buộc được bổ sung trong bài toán thiết
kế ở chương một.
3.1 Vấn đề trễ trong bài toán thiết kế topology mạng
Trong các bài toán thiết kế topology mạng, có hai loại trễ cần được
tính đến, đó là trễ trung bình trên toàn mạng và trễ đầu cuối – đầu
cuối. Khi thiết kế topology mang cho các loại dịch vụ dữ liệu, ràng
buộc về trễ trung bình được tính đến. Khi thiết kế topology mạng cho

8
các loại dịch vụ thời gian thực như thoại, video, trễ đầu cuối – đầu
cuối sẽ được tính đến.
3.2 Bài toán thiết kế topology mạng với ràng buộc trễ

Một số ký hiệu
Các ký hiệu như ở bài toán thiết kế ở chương 1 được sử dụng lại,
ngoài ra bổ sung thêm một số ký hiệu, bao gồm:
γ
là lưu lượng tổng cộng đi vào mạng;
L là chiều dài trung bình của gói tin tính theo bits;
ave
T là trễ trung bình trên toàn mạng;
pq
ee
T
−
là trễ đầu cuối – đầu cuối.
Phát biểu bài toán
Khi đưa ra một graph vô hướng với các giá trị |V| , |E| và một ma
trận nhu cầu R. Hãy xác định sao cho tối
thiểu hóa hàm mục tiêu định nghĩa dưới đây.
),(),(
*
EVGAVG ⊆
∑∑
−
=>
=
1
1
n
i
n
ij

ijij
cD
λ
(3.5)
Với giả thiết:
∑
=
r
pq
r
pq
fF
PrVqp
∈
∈
∀
,,
(3.6)
∑∑∑
=>
=
1
,
p pqr
rrijij
faf
−1n n
pqpq
PrVji
∈

∈
∀
,,
(3.7)
max
ijij
cc ≤

Vqpji
∈
∀
,,,
(3.8)
∑∑
=>
=
1p pq
pq
F
γ
−1n n

Vqp
∈
∀
,
(3.9)
∑
=
≤

−
=
ij
ave
ijij
ave
T
fc
T
1
max,
γ
n
ij
f
1
Vqpji
∈
∀ ,,,
(3.10a)
hoặc

9
pq
ee
rij
ijij
ij
pq
rij

pq
ee
T
fc
f
aT
max,, −
∈
−
≤
−
=
∑
Vqpji
∈
∀
,,,
,
P
r
∈
∀
(3.10b)
Các biểu thức từ (3.6) đến (3.8) có ý nghĩa tương tự các biểu thức từ
(1.2) đến (1.4) trong chương 1.
Biểu thức (3.9) dùng để xác định tổng lưu lượng đi vào mạng.
Với trường hợp thiết kế topology mạng cho các dịch vụ dữ liệu sẽ sử
dụng các biểu thức từ (3.5) đến (3.9) và biểu thức (3.10a) – ràng
buộc về trễ trung bình. Còn với trường hợp thiết kế topology mạng
cho các dịch vụ thời gian thực sẽ sử dụng các biểu thức từ (3.5) đến

(3.9) và biểu thức (3.10b) – ràng buộc về trễ đầu cuối – đầu cuối.
3.3 Đề xuất thuật toán thiết kế topology mạng với ràng buộc trễ
Hai thuật toán được đề xuất tương ứng với ràng buộc về trễ trung
bình trên mạng và ràng buộc về đầu cuối – đầu cuối.
3.3.1 Đề xuất thuật toán thiết kế thỏa mãn ràng buộc trễ trung
bình
Trên cơ sở xem xét và phân tích các phương pháp và thuật toán đã
đề xuất trước đây, một thuật toán thiết kế topology cho bài toán thiết
kế với ràng buộc về trễ trung bình được đề xuất với hai bước:
Bước một, từ phương pháp mã hóa và các toán tử đã đề xuất tạo nên
các nhiễm sắc thể để tạo ra các topology khác nhau.
Bước hai, đề xuất một thuật toán phân bổ lại luồng và dung lượng
để giảm trễ trung bình của topology thu được ở bước 1 xuống giá trị
cho phép T
ave,max
.
3.2.2 Đề xuất thuật toán thiết kế thỏa mãn ràng buộc trễ đầu cuối -
đầu cuối
Thuật toán thiết kế topology cho bài toán thiết kế với ràng buộc về
trễ đầu cuối – đầu cuối được đề xuất như sau:

10
Sử dụng phương pháp mã hóa cùng các toán tử đã được đề xuất như
trên để tạo nên topology mạng. Băng thông phân bổ cho các tuyến
kết nối được tính từ phương pháp nới lỏng Lagrange.
Trong đó, băng thông phân bổ được tính theo công thức sau:

ij
rij
pq

ee
ijij
T
L
fc
λ
ij
λ
∑
∈
−
+= *
max,
(3.17)
3.4 Một số kết quả tính toán số
Các kết quả tính toán số thực hiện với hai thuật toán thiết kế
topology với ràng buộc trễ trung bình. Thuật toán thứ nhất là thuật
toán đề xuất ở đây – thuật toán GA-DR. Thuật toán thứ hai – thuật
toán FD-A [25]. Việc so sánh hiệu quả của thuật toán dựa trên một
số khía cạnh: Chi phí, Thăng giáng trễ, Số tuyến kết nối sử dụng.

2400000000
2600000000
2800000000
3000000000
3200000000
3400000000
3600000000
3800000000
0 500 1000 1500 2000 2500

Số giải pháp
Chi phí
FD-A
GA-DR










Hình 3.4 Chi phí thiết kế mạng đầy đủ 20 nút của hai phương pháp

Hình 3.4 cho thấy chi phí thấp nhất của giải pháp được tìm bởi thuật
toán GA-DR có thể thấp hơn khoảng 5% so với thuật toán FD-A.

11

0
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01
0.012
0.014
0.016

0.018
0 50 100 150 200
Số lượng đường kết nối
Độ trễ trên đường kết nối
FD-A
GA-DR









Hình 3.5 Số lượng và độ trễ trên các tuyến kết nối
Hình 3.5 cho thấy số lượng tuyến kết nối sử dụng trong các giải pháp
tìm được theo thuật toán GA-DR nhỏ hơn khoảng 1/3 so với thuật
toán FD-A. Trễ trên các tuyến kết nối khoảng từ 6,2ms đến 6,5 ms
đối với giải pháp tìm được theo thuật toán GA-DR so với khoảng từ
2,2 ms đến 16,5ms của thuật toán FD-A. Điều này cho thấy giải pháp
tìm được theo FD-A có khả năng gây nghẽn cục bộ nhiều hơn so
với GA-DR.
3.5 Một số nhận xét
Các giải pháp tìm được theo thuật toán đề xuất GA-DR có chi phí
thấp hơn. Mặt khác, số lượng tuyến kết nối sử dụng trong thuật toán
đề xuất cũng ít hơn nhiều (khoảng gần 1/3 so với thuật toán trước
đây).
Mức độ thăng giáng trễ trên các tuyến kết nối của thuật toán đề xuất
cũng ít hơn so với thuật toán trước.

Các kết quả tính toán cho thấy, quá trình định tuyến và phần bổ
luồng trên mạng hợp lý sẽ cho ra các kết quả, giải pháp tốt. Điều này

12
cũng khẳng định về vai trò quan trọng của phương pháp mã hóa tác
động đến chất lượng giải pháp tìm được như thế nào.
CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG THUẬT TOÁN THIẾT KẾ
TOPOLOGY MẠNG VỚI MỤC TIÊU TỐI THIỂU HÓA CHI
PHÍ, THỎA MÃN RÀNG BUỘC VỀ KHẢ NĂNG HỒI PHỤC
Trong chương bốn này, bài toán thiết kế được mở rộng từ bài toán
thiết kế ở chương một, với sự tính đến khả năng hồi phục của mạng.
Vấn đề hồi phục được đưa vào như là một ràng buộc về khả năng hồi
phục được bổ sung trong bài toán thiết kế đặt ra ở chương một.
4.1 Bài toán thiết kế topology mạng có khả năng hồi phục
Một số ký hiệu
Các ký hiệu như ở bài toán thiết kế ở chương 1 được sử dụng lại,
ngoài ra bổ sung thêm một số ký hiệu, bao gồm:
S biểu diễn một tập các trạng thái của mạng. Mạng có hai trạng thái:
trạng thái 0 là trạng thái bình thường và trạng thái 1 là trạng thái
hỏng, tập là các trạng thái bình thường của mạng và tập S-s
Ss ⊆
0
0

là tập các trạng thái hỏng của mạng. Khi mạng có sự cố, các phần
lưu lượng bị ảnh hưởng bởi cố sẽ được hồi phục trên một số
đường dự phòng b nào đó và toàn bộ các phần lưu lượng bị ảnh
hưởng bởi sự cố sẽ được hồi phục trên một tập các đường dự phòng
b mà có các phần lưu lượng chuyển qua.
pq

r
f
pq
b
f
bs
ij
c
băng thông phân bổ cho đường dự phòng trên tuyến kết nối
(ij) khi đang xét sự cố
0
sSs
−
∈
.
PD là tập nhu cầu lưu lượng cần bảo vệ khi có sự cố mạng,

RPD ⊆

13
pq
bij,
δ
có giá trị bằng 1 nếu đường dự phòng b có chứa tuyến kết
nối (ij) chuyển tải một phần lưu lượng bị ảnh hưởng
bởi sự cố
pq
r
f
0

sSs
−
∈
, ngược lại bằng 0.
spq
r
,
σ
có giá trị bằng 1 nếu trên đường dịch vụ r chuyển tải phần
lưu lượng bị ảnh hưởng bởi sự cố
pq
r
f
0
sSs
−
∈
, ngược lại
bằng 0.
Phát biểu bài toán
Khi đưa ra một graph vô hướng với các giá trị |V| , |E| và một ma
trận nhu cầu R. Hãy xác định sao cho tối
thiểu hóa hàm mục tiêu định nghĩa dưới đây.
),(),(
*
EVGAVG ⊆
∑∑
−
=>
+=

1
1
)(
n
i
n
ij
b
ijijij
ccD
λ
(4.1)
Với giả thiết:
∑
=
r
pq
r
pq
fF
PrVqp
∈
∈
∀ ,,
(4.2)
∑∑∑
=>
==
1
,

p pqr
rrijijij
fafc
−1n n
pqpq

PrVji
∈
∈
∀
,,
(4.3)
∑
∑
=
r
rr
b
b
ff
σ
pqspqpq ,

0
, sSsPDpq
−
∈
∀
∈
∀

(4.4)
pq
n n
pqbs
−1
b
p pqb
bijij
fc
∑∑∑
=>
=
1
,
δ

0
,,,, sSsVqpji
−
∈
∀
∈
∀
(4.5)
)max(
bs
ij
b
ij
cc =

0
,, sSsVji
−
∈
∀
∈
∀
(4.6)
max
ij
b
ijij
ccc ≤+

Vqpji ∈
∀
,,,
(4.7)
Các biểu thức (4.2) và (4.3) có ý nghĩa tương đương như các biểu
thức (1.2) và (1.3) chương 1. Biểu thức (4.4) đảm bảo tổng các phần
lưu lượng của mỗi nhu cầu nằm trong tập cần hồi phục PD mà bị ảnh
hưởng bởi sự cố sẽ được hồi phục toàn bộ trên các đường dự phòng b

14
khi mạng ở trạng thái s nào đó thuộc tập S – s
0
. Biểu thức (4.5) để
tính băng thông phân bổ trên mỗi tuyến kết nối để thiết lập các
đường dự phòng tại mỗi trạng thái mạng

0
sSs
−
∈
. Biểu thức (4.6)
để tính băng thông phân bổ trên mỗi tuyến kết nối để thiết lập các
đường dự phòng là bằng phần lưu lượng hồi phục lớn nhất ứng với
mạng ở trạng thái
0
sSs
−
∈
nào đó. Biểu thức (4.7) đảm bảo tổng
băng thông phân bổ để tạo nên các đường dịch vụ và đường dự
phòng là không vượt quá dung lượng cực đại của tuyến kết nối.
4.2 Đề xuất thuật toán thiết kế topology mạng có khả năng hồi
phục
Căn cứ vào những ưu điểm của mỗi chiến lược hồi phục, thuật toán
đề xuất sẽ sử dụng theo chiến lược hồi phục đường kết hợp chiến
lược hồi phục phụ thuộc trạng thái và mỗi nhu cầu có thể dự phòng
trên nhiều đường dự phòng khác nhau. Phương pháp thiết kế
topology mạng có khả năng hồi phục được đề xuất gồm hai bước
như sau:
Bước một, sử dụng thuật toán di truyền để thực hiện quá trình tìm
một topology mạng đảm bảo truyền tải tập R các nhu cầu lưu lượng.
Bước hai, thực hiện quá trình định tuyến lại các nhu cầu lưu lượng
cần hồi phục theo “chiến lược hồi phục lặp”.
Thuật toán đề xuất sẽ thực hiện quá trình xác định các đường dự
phòng cho mỗi nhu cầu cần hồi phục với một số lần lặp xác định
nhằm tìm ra tập các đường dự phòng hiệu quả nhất cho mỗi nhu cầu.

Việc thực hiện lặp một số lần xác định sẽ giúp cho thuật toán có khả
năng tìm được những điểm tối ưu toàn cục.
4.3 Một số kết quả tính toán số
Kết quả tính toán cho thấy với cả hai phương thức hồi phục trên một
đường hồi phục và hồi phục trên nhiều đường hồi phục, việc sử dụng

15
chi phí tổng cộng để tính mức độ phù hợp của thuật toán gen cho kết
quả tốt hơn (xem chi tiết trên hình 4.3 và 4.4 của luận án).
Các phương thức hồi phục được tính toán so sánh: phương thức 1
(SPR) – hồi phục trên một đường hồi phục, phương thức 2 (MPR) –
hồi phục trên nhiều đường hồi phục, phương thức đề xuất 3 (MPR-
R) – hồi phục lặp và trên nhiều đường, phương thức hồi phục 4
(MCR) [69]. Kết quả cho thấy việc thực hiện theo phương thức hồi
phục lặp 3 (MPR-R) cho kết quả tốt nhất. Những trường hợp mức độ
yêu cầu phục hồi của mạng là cao từ khoảng 40% đến 60% như hình
4.7 dưới đây, các phương thức hồi phục 2 (MPR) và 3 (MPR-R) cho
kết quả tốt hơn so với thuật toán MCR [69].

7600000000
7800000000
8000000000
8200000000
8400000000
8600000000
8800000000
9000000000
0204060
Thế hệ
Phương thức 1

Phương thức 2
Phương thức 3
Phương thức MCR










Hình 4.7 Trường hợp nhu cầu lưu lượng cần dự phòng chiếm 60%
lưu lượng toàn bộ mạng.
Tuy nhiên, với trường hợp mức độ nhu cầu hồi phục thấp khoảng
trên dưới 10% hoặc tương đương với các trường hợp mà dung lượng
các đường kết nối còn dư thừa nhiều khi so sánh tương đối với nhu
cầu cần hồi phục, thì thuật toán MCR cho kết quả trội hơn đôi chút
(xem chi tiết trên hình 4.5 của luận án).

16
Các tính toán được thực hiện nhằm so sánh mức độ tiết kiệm chi phí
băng thông dự phòng của phương thức hồi phục lặp 3 (MPR-R) và
phương thức hồi phục 2 (MPR) với phương thức hồi phục 1 (SPR).
Kết quả được trình bày trên hình 4.8 dưới đây.

0
1
2

3
4
5
6
12 25 40 60
M ức độ nhu cầu l ưu lượng cần
phục hồi (%)
Phương thức 2
Phương thức 3









Hình 4.8 Chênh lệch chi phí băng thông dự phòng khi sử dụng
phương thức hồi phục 1 với 2 và 3
Đồ thị cho thấy khi mức độ yêu cầu hồi phục tăng lên (trong trường
hợp tính toán số này là từ khoảng 40% trở lên), phương thức hồi
phục lặp 3 (MPR-R) đề xuất ở đây cho kết quả tốt hơn hẳn.
4.4 Một số nhận xét
Từ kết quả tính toán sơ bộ cho thấy, phương pháp hồi phục lặp 3
(MPR-R) đề xuất ở đây cho kết quả khả quan hơn cả.
Mức độ tiết kiệm chi phí băng thông dự phòng của thuật toán đề xuất
(MPR-R ) càng lớn khi mức độ yêu cầu phục hồi lưu lượng mạng
càng lớn trong một giới hạn nào đó.

17
CHƯƠNG 5. XÂY DỰNG THUẬT TOÁN THIẾT KẾ
TOPOLOGY MẠNG VỚI MỤC TIÊU TỐI THIỂU HÓA CHI
PHÍ, THỎA MÃN RÀNG BUỘC VỀ TRỄ VÀ KHẢ NĂNG HỒI
PHỤC
Nhằm đáp ứng yêu cầu thực tế của mạng NGN, trong chương này sẽ
mở rộng bài toán thiết kế ở chương một với đồng thời cả hai ràng
buộc về trễ và khả năng hồi phục.
5.1 Bài toán thiết kế topology mạng với ràng buộc về trễ và khả
năng hồi phục
Một số ký hiệu
Các ký hiệu như ở bài toán thiết kế ở chương 1 được sử dụng lại,
ngoài ra bổ sung thêm một số ký hiệu, bao gồm:
pq
rij
d
,
liên quan đến ràng buộc về trễ trên các đường dịch vụ, có giá
trị ≥ 1.
pq
bij
d
,
liên quan đến ràng buộc về trễ trên các đường dự phòng, có
giá trị ≥ 1, hiện lấy giá trị = 1.
Phát biểu bài toán
Bài toán thiết kế topology mạng với ràng buộc về trễ và khả năng hồi
phục được phát biểu như sau:
Khi đưa ra một graph vô hướng với các giá trị |V| , |E| và một ma

trận nhu cầu R. Hãy xác định sao cho tối
thiểu hóa hàm mục tiêu định nghĩa dưới đây.
),(),(
*
EVGAVG ⊆
∑∑
−
=>
+=
1
1
)(
n
i
n
ij
b
ij
s
ijij
ccD
λ
(5.1)
Với giả thiết:
∑
=
r
pq
r
pq

fF
PrVqp
∈
∈
∀
,,
(5.2)

18
∑∑∑
=>
=
1
,
p pqr
pq
r
pq
rijij
faf
−1n n

PrVji
∈
∈
∀
,,
(5.3)
∑∑
=

r
rr
b
b
ff
σ
pqspqpq ,

0
, sSsPDpq
−
∈
∀
∈
∀
(5.4)
pqpq
n n
pqs
1−
rrij
p pqr
rijij
fdac
,
1
,
∑∑∑
=>
=

0
,,,, ssVqpji
∈
∀
∈
∀
(5.5)
pq
n n
pqpqbs
−1
b
p pqb
bijbijij
fdc
∑∑∑
=>
=
1
,,
δ

0
,,,,, sSsPDpqVqpji
−
∈
∀
∈
∀
∈

∀
(5.6)
)max(
bs
ij
b
ij
cc =
,, sSsVji

0
∀
∈
−
∈
∀
(5.7)
max
ij
b
ij
s
ij
ccc ≤+

Vqpji
∈
∀
,,,
(5.8)

∑∑
−
=>
=
1
1
n
p
n
pq
pq
F
γ

Vqp
∈
∀
,
(5.9)
∑
=
≤
−
=
ij
ave
ijij
ave
T
fc

T
1
max,
γ
n
ij
f
1

Vqpji
∈
∀
,,,
(5.10a)
hoặc
pq
ee
rij
ijij
ij
pq
rij
pq
ee
T
fc
f
aT
max,, −
∈

−
≤
−
=
∑

Vqpji
∈
∀
,,,
,
P
r
∈
∀
(5.10b)
Ý nghĩa của các biểu thức có thể xem chi tiết ở các chương 1, 3 và 4.
Phần tiếp sau đây sẽ trình bày phương pháp giải quyết bài toán này.
5.2 Đề xuất thuật toán thiết kế topology mạng
Thuật toán thiết kế topology được đề xuất với các bước sau:
Thiết lập topology.
Bước thiết lập topology nhằm tạo ra topology từ nhiễm sắc thể.
Topology nhận được tại bước này chỉ thỏa mãn ràng buộc dung
lượng tuyến kết nối hữu hạn mà chưa thỏa mãn các điều kiện ràng
buộc về trễ và khả năng hồi phục.
Biến đổi topology

19
Topology tiếp tục được biến đổi để thỏa mãn điều kiện ràng buộc về
trễ trung bình hoặc trễ đầu cuối – đầu cuối. Kết thúc bước này, các

giá trị (tương đương trong chương 3 là c
s
ij
c
ij
) và các phần lưu lượng
được xác định.
pq
r
f
Xác định băng thông dự phòng
Topology thu được ở bước trên tiếp tục biến đổi topology để thỏa
mãn cả ràng buộc về khả năng hồi phục. Kết thúc của bước này, các
giá trị được xác định. Từ đây, theo biểu thức (5.6) và (5.7) có
thể xác định được .
pq
b
f
b
ij
c
Tính băng thông tổng cộng và tổng chi phí
Băng thông tổng cộng đơn giản là tổng của băng thông dịch vụ
và băng thông dự phòng . Tổng chi phí băng thông D được tính
theo công thức (5.1) .
s
ij
c
b
ij

c
5.3 Một số kết quả tính toán số
Các tính toán số cho trường hợp trễ trung bình 10ms. Hình 5.3 trình
bày kết quả tính toán các chi phí khởi đầu, chi phí bổ sung để thỏa
mãn ràng buộc về hồi phục mạng, chi phí bổ sung để thỏa mãn ràng
buộc về trễ trung bình trong tổng chi phí.









0
500000000
1000000000
1500000000
2000000000
2500000000
3000000000
3500000000
0 10203040 5060
Số thế hệ
Chi phí
Chi phí khởi đầu
Chi phí bổ sung để thỏa mãn ràng buộc về trễ
t rung bình
Chi phí bổ sung để thỏa mãn ràng buộc về khả

năng hồi phục
Tổng chi p hí
Hình 5.3 Các thành phần chi phí với các ràng buộc khác nhau cho
mạng 20 nút.

20
Một số tính toán được thực hiện nhằm khảo sát quá trình cải tiến các
thành phần chi phí này trong tiến trình cải tiến tổng chi phí (xem chi
tiết qua các hình 5.4, 5.5, 5.6 của luận án). Theo kết quả tính toán sau
5000 thế hệ cho thấy:
Chi phí bổ sung để thỏa mãn ràng buộc về trễ trung bình giảm
khoảng 45,000,000 đơn vị, giảm khoảng được 12,5%.
Chi phí bổ sung thỏa mãn ràng buộc về khả năng hồi phục giảm
khoảng 100,000,000 đơn vị qua 5000 thế hệ, giảm khoảng 59% so
với giá trị ban đầu.
Chi phí khởi đầu giảm khoảng 101,000,000 đơn vị qua 5000 thế hệ,
giảm khoảng 4% so với giá trị ban đầu.
Với các kết quả này có thể thấy, chi phí bổ sung để thỏa mãn ràng
buộc về trễ trung bình đóng vai trò nhỏ nhất trong tổng chi phí thiết
lập mạng. Chi phí bổ sung để thỏa mãn điều kiện về khả năng hồi
phục đóng vai trò lớn hơn. Thành phần chi phí khởi đầu đóng vai trò
quan trọng nhất trong sự cải thiện dần về chất lượng của tổng chi phí.
Tính toán được thực hiện cho mạng 50 nút như trên hình 5.9.

2850000000
2900000000
2950000000
3000000000
3050000000
3100000000

0 102030405060
S
ố
th
ế
h
ệ
(x100)
T
ổ
ng chi phí








Hình 5.9 Mức độ thay đổi về tổng chi phí bổ sung qua 5000 thế hệ
của mạng 50 nút

21

Kết quả trên cho thấy, với số lượng nút khá lớn (50nút) và số thế hệ
là 5000, thuật toán đề xuất và chương trình thực hiện có thể áp dụng
cho việc tính toán thiết kế các mạng theo yêu cầu thực tế hiện nay.
5.4 Một số nhận xét
Từ những kết quả tính toán ở trên, có thể thấy việc xem xét các
phương pháp tiếp cận nhằm nâng cao hơn nữa chất lượng tìm kiếm

giải pháp, ngay cả khi chưa xét đến các điều kiện ràng buộc, vẫn
mang ý nghĩa rất quan trọng. Cụ thể hơn, để nâng cao chất lượng của
giải pháp thì
quá trình định tuyến các nhu cầu lưu lượng đóng vai
trò rất quan trọng
trong quá trình tiết kế tối ưu topology.
Mặt khác, trong quá trình thiết kế topology có ràng buộc về khả năng
hồi phục, có thể
tăng cường thêm thời gian tính toán cho công việc
tìm ra các đường dẫn dự phòng
để mạng có chi phí thấp hơn.
KẾT LUẬN
Trong quá trình phân tích lý thuyết và tính toán số, luận án này đã
đạt được những kết quả nghiên cứu và đề xuất mới như sau:
1. Đề xuất phương pháp mã hóa mới và các toán tử lai tạo, đột
biến và quay vòng phù hợp đảm bảo tìm kiếm hiệu quả và trải rộng
trên toàn bộ không gian giải pháp. Phương pháp này mở rộng kết
quả lấy ngẫu nhiên từng nút [5] bằng lấy ngẫu nhiên từng cặp nút
làm cho chi phí của giải pháp tìm được theo thuật toán đề xuất Ad-
GA giảm 0.8% so với phương pháp trước đây. Đề xuất cho phép
giải quyết các bài toán thiết kế topology với nhiều ràng buộc, phù
hợp với thực tiễn mạng NGN và làm phong phú về mặt lý luận tính
toán mạng.

22
2. Đề xuất mới thuật toán thiết kế topology mạng cho cả hai
trường hợp trễ trung bình và trễ đầu cuối – đầu cuối. Thuật toán
này giải quyết vấn đề đặt ra trong mạng NGN - chất lượng dịch vụ
phụ thuộc rất nhiều vào trễ. Thuật toán đề xuất GA-DR cho
trường hợp trễ trung bình cho phép tìm ra các giải pháp với chi

phí thấp hơn đến 5% so với giải pháp cũ.
3. Đề xuất mới thuật toán thiết kế topology mạng có khả năng hồi
phục MPR-R cho phép tìm được các giải pháp với chi phí thấp
nhất, đặc biệt khi yêu cầu hồi phục mạng trên 40%. Thuật toán
nhằm giải quyết vấn đề đảm bảo tính liên tục khi cung cấp dịch vụ
trong môi trường mạng NGN.
4. Đề xuất mới thuật toán thiết kế topololgy mạng thỏa mãn các
ràng buộc về khả năng hồi phục mạng và độ trễ, làm cho hiệu quả
sử dụng băng thông tốt hơn, tiết kiệm chi phí, khả năng thiết kế
mạng linh hoạt hơn, đáp ứng yêu cầu thực tiễn mạng NGN hiện
nay.
Các kết quả nghiên cứu, đề xuất và tính toán của luận án này phù
hợp với mục đích nghiên cứu đề ra ban đầu. Những kết quả nghiên
cứu có thể áp dụng trong việc xây dựng những công cụ thiết kế
topology cho các mạng đa dịch vụ với hạ tầng mạng IP mà điển hình
là mạng NGN.
KIẾN NGHỊ VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
Từ những kết quả nghiên cứu mà luận án đã đạt được, chúng tôi
cũng đề xuất những hướng nghiên cứu có thể triển khai tiếp theo:
* Nghiên cứu ứng dụng phương pháp thích nghi trong quá trình
thiết kế topology mạng.


23