Chương 8 Tìm đường trong mạng chuyển mạch pptx

BK
TP.HCM
2008
dce
Chương 8

Tìm đường trong mạng chuyển mạch
Tìm đường trong mạng chuyển mạch mạch
Tìm đường trong mạng chuyển mạch gói
Các giải thuật tìm đường đi ngắn nhất
2008
dce
©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu
2
Data 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
2008
dce
©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu
3
Data Communication and Computer Networks
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
2008
dce
©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu
4

Data Communication and Computer Networks
Local (End)
office
Regional
center
Sectional
center
Primary
center
Toll
center
tandem
switch
Telephone
Toll connecting
FINAL
FINAL
FINAL
FINAL
HU (high-usage trunks)
Alternate
Hierarchical
Routing
Alternate
Hierarchical
Routing
Tìm đường phân cấp
2008
dce
©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu

5
Data Communication and Computer Networks
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 đótìm 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
2008
dce
©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu
6
Data Communication and Computer Networks
Alternate routing
•

Các

đường

đi có

thể

giữa2


trạm

(end office) đượcliệt

kê

trước
•

Bộ

chuyểnmạch

nguồn

chọnlựacácđường

thích

hợp
•

Các

đường

đượcliệtkê

theo

thứ

tựưutiên
–

Ưutiênkếtnốitrựctiếp
–

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
2008
dce
©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu
7
Data Communication and Computer Networks
Adaptive routing
•

Cho

phép

các

bộ

chuyểnmạch

phản

ứng

lạivới

tình

hình

lưu

thông

trên

mạng
•

Chi phí

lớnhơnchoviệcquảntrị
–

Các

bộ

chuyểnmạch

phảitraođổi

thông

tin để

biếttìnhtrạng

mạng

•

DTM (dynamic traffic management)
–

Northern Telecom
–

Dùng

bộđiềukhiển

trung

tâm

để

tìm

đường

dự

phòng

khi

có

sự

nghẽn

mạng
–

Mỗibộ

chuyểnmạch

A cậpnhật

các

thông

tin sau

cho

bộđiềukhiển

trung

tâm
•

Số

trung

kế

rảnh

để

đi

đếncácđiểmlâncậnA
•

Hiệusuấtsử

dụng

CPU củaA
•

Đolưulượng

từ

A đến

B (không

thể

nốitrựctiếp)
–

Bộ

chuyểnmạch

trung

tâm

sẽ

cho

biết

đường

đi“tốt”

khi

các

đường

nốitrựctiếp

không

còn

khả

năng
2008
dce
©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu
8
Data Communication and Computer Networks
Tìm

đường trong mạng chuyển mạch gói
•

Vấn

đề

phứctạp, quyết

định

đốivớimạng

chuyểnmạch

gói
•

Các

đặctínhyêucầu
–

Chính

xác
–

Đơngiản
–

Mạnh

mẽ
•

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
–

Hiệuquả
•

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)
2008
dce
©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu
9
Data Communication and Computer Networks
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)
2008
dce
©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu
10
Data Communication and Computer Networks
Chi phí

các

đường

đi
2008
dce
©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu
11

Data Communication and Computer Networks
Thời điểm và nơi quyết định việc tìm đường
•

Thời

điểm

quyết

định
–

Trên

cơ

sở

mạch

ảohoặcgói
–

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

nguồngởi

(Source)
•

Nguồn gởi chịu trách nhiệm tìm đường
•

Cho phép người dùng chọn đường đi theo tiêu chí

của họ
2008
dce
©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu
12

Data Communication and Computer Networks
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
2008
dce
©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu
13
Data Communication and Computer Networks
Chiếnthuậttìmđường
•

Chiếnthuật

(Routing Strategies)

–

Fixed routing
–

Flooding routing
–

Random routing
–

Adaptive routing
2008
dce
©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu
14
Data Communication and Computer Networks
Fixed Routing
•

Mộtlộ

trình

cốđịnh

cho

mỗi

đường

đitừ

nguồn

đến

đích
•

Tấtcả

các

đường

đi

qua
mạng

đều

đã

đượcthiếtlập

từ

trước

và

không

cậpnhật

theo

các

biến

đổivề

các

điềukiệntải, …

trong

mạng
•

Đường

đi

đượcxácđịnh

dùng

giảithuật

chi phí

tối

thiểu
•

Đường

cốđịnh

ít

ra

cho

đếnkhicósự

thay

đổicấu

hình

mạng
•

Không có

sự

khác biệt giữa
datagram và VC
•

Đơn giản
•

Không đáp ứng lại lỗi và

nghẽn mạng
2008
dce
©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu
15
Data Communication and Computer Networks
Flooding Routing
•

Không

cần

thông

tin mạng
•

Node gởi

các

gói

tớitất cả

node kề

(láng

giềng)
•

Các

gói

nhận

đượcsẽđượctruyềntrêntấtcả

các

kếtnốingoạitrừ

kếtnối

đến
•

Cuốicùngsẽ

có

mộtsố

copy của

gói

sẽđến

đích
•

Mỗi

gói

được

đánh

số

duy

nhất

sao

cho

các

copy
trùng

nhau

sẽ

bị

loạibỏ
•

Node có

thể

ghi

nhớ

các

gói

đã

đi

qua, giúp

cho

mạng

không

quá

tảinhiều
•

Có

thể

chứasố

chặng

đường

(hop) trong

các

gói,
đượcdùngđể

giớihạn

hay kết

thúc

quá

trình

truyền
2008
dce
©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu
16
Data Communication and Computer Networks
Flooding Routing
•

Đặc

điểm
–

Tấtcả

các

lộ

trình

đều

được

thử
•

Robust
•

Lãng

phí

băng

thông
–

Ít

nhấtsẽ

có

một

gói

đi

theo

lộ

trình

vớisố

chặng

ít

nhất
•

Có

thểđược

dùng

để

thiết

lập

đường

mạch

ảo
–

Tấtcả

các

node đều

được

“duyệt”
•

Dùng

để

phân

tán

thông

tin
–

Gửi các mesg khẩn
•

Mạng quân sự
–

Thiết lập VC
–

Broadcast thông tin
2008
dce
©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu
17
Data Communication and Computer Networks
Random Routing
•

Node sẽ

chọnmột

đường

liên

kếtrađể

truyền

đicác

gói

nhận

được
•

Việcchọnlựacóthể

là

ngẫu

nhiên

hoặcxoayvòng

(round robin)

•

Có

thể

chọn

đường

liên

kếtradựatrênviệc

tính

toán

xác

suất
•

Không

cần

thông

tin mạng

•

Lộ

trình

tìm

được

thông

thường

không

phảilàđường

có

chi phí

tốithiểuhoặcsố

chặng

nhỏ

nhất



i
i
i
i
R
R
P
2008
dce
©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu
18
Data Communication and Computer Networks
Adaptive Routing
•

Đượcsử

dụng

bởihầuhếtcácmạng

chuyểnmạch

gói
•

Quyết

định

tìm

đường

thay

đổikhicácđiềukiệntrên

mạng

thay

đổi
–

Hư hỏng

(Failure): một node hoặc một trunk hư
–

Nghẽn

(Congestion)
•

Cầnbiết

các

thông

tin về

mạng
•

Quyết

định tìm đường là

một

hàm

phứctạp
•

Tradeoff giữachấtlượng

của

thông

tin mạng

và

chi
phí

•

Phản

ứng

quá

nhanh

có

khả

năng

gây

dao

động
•

Quá

chậmdẫn

đếnkhôngcònthíchhợp
2008
dce

©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu
19
Data Communication and Computer Networks
Adaptive Routing
•

Ưu

điểm
–

Hiệusuất

đượccảithiện
–

Trợ

giúp

điềukhiển

nghẽnmạng
•

Cân bằng tải, tránh tắc nghẽn
–

Hệ

thống

phứctạp để

hiện thực
•

Có

khả

năng

không

thựchiệncácíchlợivề

mặt

lý

thuyết
•

Phân

loại
–

Dựatrêncácnguồn

thông

tin
•

Cụcbộ

(isolated)
•

Các

node kề

(distributed)
•

Tấtcả

các

node (centralized)
2008
dce
©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu
20
Data Communication and Computer Networks
Isolated Adaptive Routing
•

Mỗi

node trong

mạng

tự

cậpnhậtbảng

tìm

đường

củamình

dựa

vào

các

thông

tin về

mạng

mà

node đóhọchỏi

được,
không

trao

đổi

thông

tin routing với

các

node khác
•

Gởi

các

gói

trên

các

liên

kết

ra

có

hàng

đợingắnnhất
–

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

đơngiảnnhấtcủatìmđường

động, phù

hợpvớicácmạng

có

kích

thướcnhỏ

và

hoạt

động

tương

đối

ổn

định
•

Ít

dùng

(không

dùng

thông

tin có

sẵn)
2008
dce
©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu
21
Data Communication and Computer Networks
Isolated Adaptive Routing
•

Ví

dụ
•

Đường ra được chọn là đường ra có

Q+B
i

nhỏ

nhất
2008
dce
©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu
22
Data Communication and Computer Networks
Adaptive Routing
•

Distributed Adaptive Routing
–

Trong

phương

pháp

này, thông

tin về

tình

trạng

hoạt

động

hiện

hành

củamạng

sẽđược

định

kỳ

trao

đổi, cậpnhậtgiữa

các

node trong

toàn

mạng. Sau

đó

thông

tin này

sẽđược

phân

bố

về

lại

các

node trong

mạng

hay mộtsố

node trong

mạng

làm

nhiệmvụ

tìm

đường

để

các

node này

cậpnhậtlạibảng

routing

–

Phương

pháp

này

đáp

ứng

đượcvớinhững

thay

đổitrạng

thái

của

mạng, nhưng

đồng

thờicũng

làm

tăng

lưulượng

thông

tin trong

mạng
•

Centralized Adaptive Routing
–

Trong

phương

pháp

này, thông

tin về

tình

trạng

hoạt

động

hiện

hành

củamạng

sẽđược

định

kỳ

trao

đổi, cậpnhậtgiữa

các

node trong

toàn

mạng. Sau

đó

thông

tin này

sẽđượctậptrungvề

mộtmáychủ

trong

mạng

làm

nhiệmvụ

routing
–

Tuy

đáp

ứng

đượcvớinhững

thay

đổitứcthờitrongmạng

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
2008
dce
©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu
23
Data Communication and Computer Networks
Giải

thuậttìmđường

ngắnnhất
•

Bài

toán
–

Cho

mạng

các

node đượcnốibởi

các

liên

kết

2 chiều, mỗichiềucógiátrị

chi
phí

riêng
–

Chi phí

của

đường

đigiữa

2 node trong

mạng

là

tổng

các

giá

trị

chi phí

của

các

liên

kết

đi

qua
–

Xác

định

đường

đingắnnhất

(chi phí

thấpnhất) giữa

2 node
•

Tiêu

chuẩn

đường

ngắnnhất
–

Số

chặng

đường

đi
•

Giá

trị

mỗi

liên

kếtlà1

–

Giá

trị

liên

kết
•

Tỉ

lệ

nghịch

tốc

độ

liên

kết
•

Tỉ

lệ

thuậntải

trên

liên

kết
•

Tổ

hợpcácđạilượng

trên
•

Giảithuật
–

Forward-search (Dijkstra)
–

Backward-search (Bellman-Ford)
2008
dce
©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu
24
Data Communication and Computer Networks
Giải

thuật

Dijkstra
•

Input
–

Đồ

thị

G(V, E) trong

đóV làtập

đỉnh, E là

tậpcạnh

có

trọng

số

không

âm
–

Đỉnh

nguồnS: S 

V
•

Output
–

Đường

đingắnnhấttừđỉnh

nguồnS đếntấtcả

các

đỉnh

còn

lại
•

Ký

hiệu
–

D
i

: đường

đingắnnhấttừ

node nguồnS đến

node i tạibướcchạy

hiện

hành

củagiảithuật
–

M: tậpcácđỉnh

đãxéttạibướcchạyhiện

hành

củagiảithuật
–

d
ij

: trọng

số

trên

cạnh

nốitừ

node i đến

node j
d
ij

= 0 nếu

i trùng

j
d
ij

= E
ij

nếu

i khác

j
2008
dce
©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu
25
Data Communication and Computer Networks
Giải

thuật

Dijkstra
•

Giảithuật
–

Bước1: khởi

động
•

M = {S}
•

D
i

= d

si

(các cạnh nối trực tiếp với S)
–

Bước2: cậpnhật

đường

đingắnnhất
•

Chọn

đỉnh

N 

V sao

cho: D
N

= min {D
i

} i 

V\M
•

M = M U {N}
•

D
j

= min {D
j

, D
N

+ d
Nj

}

j 

V\M
–

Bước3: lặplạibước2 chođếnkhiM=V
–

Kếtquả

D
i

sẽ

là

đường

đingắnnhấttừ

node nguồnS đến

node i