Nghiên cứu bài toán cấp phát tài nguyên trong môi trường ảo hóa mạng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
----------

NGUYỄN THÀNH ĐÔ

NGHIÊN CỨU BÀI TOÁN CẤP PHÁT TÀI
NGUYÊN TRONG MÔI TRƢỜNG ẢO HÓA MẠNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Hà Nội - Năm 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
----------

NGUYỄN THÀNH ĐÔ

NGHIÊN CỨU BÀI TOÁN CẤP PHÁT TÀI
NGUYÊN TRONG MÔI TRƢỜNG ẢO HÓA MẠNG

Chuyên ngành: Công Nghệ Thông Tin

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Công Nghệ Thông Tin
NGƢỜI HƢỚNG DẪN:

PGS.TS. Huỳnh Thị Thanh Bình

Hà Nội - Năm 2015


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn : Nguyễn Thành Đô
Đề tài luận văn: Nghiên cứu bài toán cấp phát tài nguyên trong môi
trƣờng ảo hóa mạng
Chuyên ngành: Công nghệ thông tin
Mã số SV: CB121353
Tác giả, Ngƣời hƣớng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn
xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng
ngày 25/04/2015 với các nội dung sau:
Bỏ các cụm từ “luận văn đề xuất”.
Ngày

Giáo viên hƣớng dẫn

PGS.TS. Huỳnh Thị Thanh Bình

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TS. Nguyễn Thị Thu Hƣơng

tháng

năm 2015

Tác giả luận văn

Nguyễn Thành Đô


Đề tài: Nghiên cứu bài toán cấp phát tài nguyên trong môi trƣờng ảo hóa mạng

MỤC LỤC
MỤC LỤC ........................................................................................................... 4
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................... 6
LỜI CAM ĐOAN................................................................................................ 7
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT...................................... 8
DANH MỤC CÁC CÔNG THỨC ................................................................... 10
DANH MỤC BẢNG BIỂU .............................................................................. 11
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ........................................................................... 12
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 13
1. Lý do chọn đề tài ................................................................................... 13
2. Mục đích nghiên cứu ............................................................................. 13
3. Đối tƣợng nghiên cứu ........................................................................... 14
4. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................... 14
5. Phƣơng pháp nghiên cứu....................................................................... 14
6. Nội dung của luận văn .......................................................................... 14
Chƣơng1: GIỚI THIỆU CHUNG ..................................................................... 16
1.1. Giới thiệu............................................................................................ 16
1.2. Các nghiên cứu liên quan ................................................................... 17
1.2 Phát biểu bài toán ................................................................................ 18
1.2.1. Đầu vào .................................................................................. 18
1.2.2. Đầu ra ...................................................................................... 19
1.2.3. Các ràng buộc ......................................................................... 19

1.3. Ý nghĩa của đề tài............................................................................... 19
Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...................................................................... 21
2.1.Các thuật ngữ liên quan....................................................................... 21
2.1.1. Ảo hóa mạng ........................................................................... 21
2.1.2. InP (nhà cung cấp hạ tầng)...................................................... 21
2.1.3. SP (nhà cung cấp dịch vụ) ...................................................... 22
2.1.4. Ngƣời dùng cuối (end user) .................................................... 22
2.1.5. Mô hình mạng vật lý ............................................................... 22
2.1.6. Mô hình mạng ảo .................................................................... 23
2.1.7. Node ảo ................................................................................... 23
Học viên thực hiện: Nguyễn Thành Đô

4


Đề tài: Nghiên cứu bài toán cấp phát tài nguyên trong môi trƣờng ảo hóa mạng

2.1.8. Liên kết ảo............................................................................... 23
2.1.9. Nhúng mạng ảo (Virtual Network Embedding) ..................... 24
2.1.10. Sự ràng buộc giữa các node và liên kết ................................ 24
2.1.11. Khái niệm stress của link và substrate node ......................... 24
2.1.12. Cơ chế ánh xạ mạng ảo vào mạng vật lý .............................. 25
2.2. Các vấn đề chung của ảo hóa mạng. .................................................. 26
2.3. Nhận xét ............................................................................................. 32
Chƣơng3: ........................................................................................................... 33
CÁC THUẬT TOÁN ÁNH XẠ MẠNG ẢO ................................................... 33
3.1. Thuật toán ánh xạ mạng ảo SID (Subgraph Isomorphism Detection )33
3.2. Thuật toán ánh xạ GNM..................................................................... 37
3.3. Thuật toán EGNM .............................................................................. 38
3.4. Thuật toán PCANM ........................................................................... 40

3.4.1. Tính toán trƣớc. ....................................................................... 41
Với phƣơng pháp này, thuật toán có thể làm giảm thời gian tìm kiếm
kết quả. Nhƣng phƣơng pháp này chỉ hiệu quả với các mạng ảo có cấu trúc
giống nhau. Với các mạng ảo có cấu trúc khác nhau, ta cần xem xét mạng ảo ở
các mức node. .................................................................................................... 41
3.4.2. Tích hợp kiểm tra. ................................................................... 41
3.4.3. Ánh xạ hàng xóm .................................................................... 41
3.4.4. Giải thuật chi tiết:.................................................................... 41
Chƣơng4: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC VÀ KẾT LUẬN ....................................... 47
4.1. Dữ liệu đầu vào .................................................................................. 47
4.2. Môi trƣờng cài đặt .............................................................................. 47
4.3 Kết quả ................................................................................................ 47
4.4. Hƣớng phát triển ................................................................................ 51
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 52

Học viên thực hiện: Nguyễn Thành Đô

5


Đề tài: Nghiên cứu bài toán cấp phát tài nguyên trong môi trƣờng ảo hóa mạng

LỜI CẢM ƠN
Để đạt đƣợc kết quả nghiên cứu của luận văn, đầu tiên tôi xin trân trọng
cảm ơn thầy hƣớng dẫn PGS.TS. Huỳnh Thị Thanh Bình – Bộ môn Khoa học
máy tính - Viện Công nghệ Thông tin - Truyền thông, Trƣờng Đại học Bách
Khoa Hà Nội, ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện
luận văn.
Đồng thời xin gửi lời cảm ơn tới Quý thầy cô giáo Trƣờng Đại học Bách
Khoa Hà Nội, đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho chúng tôi những kiến thức

vô cùng quý giá trong suốt hai năm học qua.
Tôi xin chân thành cảm ơn tới Ban giám hiệu Trƣờng Đại học Kỹ thuật –
Hậu cần CAND, nơi tôi công tác, đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành
khoá học này và toàn thể các đồng chí trong đơn vị phòng Quản lý học viên, gia
đình, bạn bè, đồng nghiệp,... đã động viên giúp đỡ và chia sẻ những khó khăn
trong thời gian tôi tham gia khóa học.
Dù đã có rất nhiều cố gắng, song luận văn không tránh khỏi những hạn
chế, thiếu sót. Kính mong nhận được sự chia sẻ và những đóng góp quý báu của
các thầy cô giáo, bạn bè và đồng nghiệp.
Tôi xin trân trọng cảm ơn!
Hà Nội, ngày… Tháng … năm 2015
Tác giả luận văn

Nguyễn Thành Đô

Học viên thực hiện: Nguyễn Thành Đô

6


Đề tài: Nghiên cứu bài toán cấp phát tài nguyên trong môi trƣờng ảo hóa mạng

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan:
1. Những nội dung trong luận văn này là công trình nghiên cứu của tôi dƣới
sự hƣớng dẫn trực tiếp của PGS.TS. Huỳnh Thị Thanh Bình.
2. Mọi tham khảo dùng trong luận văn đều đƣợc trích dẫn rõ ràng tên tác
giả, tên công trình, thời gian, địa điểm công bố.
3. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc
ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

4. Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian trá, tôi
xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Hà nội, ngày … tháng … năm 2015
Tác giả luận văn

Nguyễn Thành Đô

Học viên thực hiện: Nguyễn Thành Đô

7


Đề tài: Nghiên cứu bài toán cấp phát tài nguyên trong môi trƣờng ảo hóa mạng

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
VIẾT TẮT

VIẾT ĐẦY ĐỦ

Ý NGHĨA

VM

Virtual Machine

Máy ảo.

VM-based

Virtual Machine Based

Phƣơng pháp dựa trên máy ảo.

VNE

Virtual Network
Embedding

Bài toán ánh xạ mạng ảo vào mạng vật lý.

VNM

Virtual Network
Mapping

Bài toán ánh xạ mạng ảo

ISP

Internet Service
Provider

Nhà cung cấp dịch vụ Internet.

InP

Infrastructure
Provider

Nhà cung cấp hạ tầng.

SP

Service Provider

Nhà cung cấp dịch vụ.

QoS

Quality - of Service

Dịch vụ cho thuê tài nguyên đảm bảo
chất lƣợng hơn.

IaaS

Infrastructure-asa-Service

Cơ sở hạ tầng nhƣ là một dịch vụ.

End user

Ngƣời yêu cầu tạo mạng ảo.

SN

Substrate Node

Đại diện cho một máy tính vật lý.

SL

Substrate Link

Đại diện cho một liên kết giữa hai máy
vật lý

VN

Virtual Node

Đại diện cho một node trong mạng ảo.

VL

Virtual Link

Đại diện cho một liên kết giữa hai node
trong mạng ảo.

NP-Hard

Là bài toán cần giải quyết mà tối đa hàm
lợi nhuận.

GNM

Greedy Node
Mapping

Thuật toán cấp phát tài nguyên trong môi
trƣờng mạng GNM.

EGNM

Enhance Greedy
Node Mapping

Thuật toán cấp phát tài nguyên trong môi
trƣờng mạng EGNM.

Học viên thực hiện: Nguyễn Thành Đô

8


Đề tài: Nghiên cứu bài toán cấp phát tài nguyên trong môi trƣờng ảo hóa mạng

PCANM

Checking
Adjacency Node
Mapping

Thuật toán cấp phát tài nguyên trong môi
trƣờng mạng PCANM.

Network interface

Card mạng

Gs

Mạng vật lý

Ns

Các node của mạng vật lý

Ls

Ps

Các link của mạng vật lý
Các thuộc tính của node trong mạng vật
lý
Các thuộc tính của liên kết trong mạng
vật lý
Các Path trong mạng vật lý

PP

Tập hợp các đƣờng dẫn có thể ánh xạ

GV

Mạng ảo

NV

Các node trong mạng ảo

LV

Các liên kết trong mạng ảo

CNV

Node constraint của mạng ảo

CLV

Link constraint của mạng ảo
Tài nguyên phân bổ cho các node trong
mạng ảo
Tài nguyên đƣợc phân bổ cho các liên kết
trong mạng ảo

ANs
ALs

RN
RL

Học viên thực hiện: Nguyễn Thành Đô

9


Đề tài: Nghiên cứu bài toán cấp phát tài nguyên trong môi trƣờng ảo hóa mạng

DANH MỤC CÁC CÔNG THỨC
Công thức 2.1: Tính substrate node .................................................................... 25
Công thức 2.2: Tính substrate link ...................................................................... 25
Công thức 2.3: Tối đa hàm lợi nhuận.................................................................. 31
Công thức 2.4: Tối thiểu hàm chi phí ................................................................. 31
Công thức 2.5: Hàm mục tiêu ............................................................................. 32
Công thức 3.1: Tính tài nguyên cn....................................................................... 37
Công thức 3.2: Tính tài nguyên băng thông cv.................................................... 39
Công thức 3.3: Hàm đánh giá tài nguyên tƣơng quan CPU và băng thông ........ 39

Học viên thực hiện: Nguyễn Thành Đô

10


Đề tài: Nghiên cứu bài toán cấp phát tài nguyên trong môi trƣờng ảo hóa mạng

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1: Giải thuật SID ..................................................................................... 34
Bảng 3.2: Hàm genneigh trong giải thuật SID .................................................... 35
Bảng 3.3: Quy luật của hàm vaild ....................................................................... 35
Bảng 3.4: Tóm tắt thuật toán của giai đoạn ánh xạ node .................................... 38
Bảng 3.5: Tóm tắt thuật toán của giai đoạn ánh xạ liên kết ................................ 38
Bảng 4.1: Biểu đồ so sánh gái trị trung bình các tiêu chí giữa EGNM và
PCANM ............................................................................................................... 50

Học viên thực hiện: Nguyễn Thành Đô

11

Đề tài: Nghiên cứu bài toán cấp phát tài nguyên trong môi trƣờng ảo hóa mạng

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 2.1: Mô hình mạng vật lý ....................................................................... 22
Hình 2.2: Mô hình mạng ảo ............................................................................ 23
Hình 2.3 Ánh xạ mạng ảo vào mạng vật lý ..................................................... 24
Hình 2.4Tổng quan ảo hóa mạng. ................................................................... 27
Hình 2.5Mô tả cấu trúc mạng vật lý S ............................................................ 28
Hình 2.6 Tập các mạng ảo R ........................................................................... 29
Hình 2.7 Mô hình mạng ảo với node và link .................................................. 29
Hình 2.8: Tập đồ thị đƣợc ánh xạ.................................................................... 30
Hình 2.9: Đồ thị ánh xạ giữa mạng ảo và mạng vật lý ................................... 30
Hình 2.10: Ví dụ ánh xạ giữa 1 mạng ảo vào mạng vật lý ............................. 30
Hình 2.11: Đầu ra tập các cạnh ánh xạ............................................................ 31
Hình 3.1: Mô hình ánh xạ mạng ảo trong SID ................................................ 33
Hình 3.2: Các bƣớc trong giải thuậtSID ......................................................... 37
Hình 3.3: Đồ thị mạng vật lý S ....................................................................... 41
Hình 3.4: Nhóm các node mạng vào danh sách .............................................. 42
Hình 3.5: Mạng ảo đƣợc yêu cầu. ................................................................... 42
Hình 3.6: Chọn node ảo có yêu cầu tài nguyên lớn nhất. ............................... 43
Hình 3.7: Tìm node vật lý thích hợp theo bậc và tài nguyên .......................... 43
Hình 3.8: Kiểm tra khả năng ánh xạ của liên kết lần 1 ................................... 44
Hình 3.9: Kiểm tra khả năng ánh xạ của liên kết lần 2 ................................... 44
Hình 3.10: Kiểm tra khả năng ánh xạ của liên kết lần 3 ................................. 45
Hình 3.11: Chọn các cặp nút vật lý lân cận cho các nút ảo xung quanh ........ 45
Hình 3.12Xét các nút ảo lân cận ..................................................................... 46
Hình 4.1 tỉ số B/C giữa PCANM và EGNM 50 node ..................................... 48
Hình 4.2 tỉ số B/C giữa PCANM và EGNM 200 node ................................... 48

Hình 4.3Tỉ lệ đáp ứng giữa PCANM và EGNM 50 node............................... 49
Hình 4.4 Tỉ lệ đáp ứng giữa PCANM và EGNM 200 node............................ 49
Hình 4.5Lợi nhuận giữa PCANM và EGNM 50 node.................................... 50
Hình 4.5 Lợi nhuận giữa PCANM và EGNM 200 node ................................ 50
Học viên thực hiện: Nguyễn Thành Đô

12


Đề tài: Nghiên cứu bài toán cấp phát tài nguyên trong môi trƣờng ảo hóa mạng

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Hiện nay, mạng Internet đã và đang phát triển một cách mạnh mẽ và là một
trong những công nghệ thành công nhất mọi thời đại. Số lƣợng IPV4 đã cạn kiệt
không còn đáp ứng đƣợc nhu cầu phát triển của Internet hiện nay.Một giải pháp
để thay thế IPV4 đƣợc đề xuất là IPV6. Tuy nhiên khả năng triển khai IPV6 trên
một mạng Internet rộng lớn để thay thế IPV4 là không thể. Nhu cầu mở rộng IP
để cấp phát cho các dịch vụ mới không đáp ứng đƣợc. Các ứng dụng trên nền
Internet ngày càng phát triển nhanh chóng đòi hỏi hệ thống vật lý phải đáp ứng
đƣợc các yêu cầu thay đổi. Tuy nhiên, kiến trúc của Internet hiện tại không đáp
ứng đƣợc điều này.Do vậy kiến trúc của Internet hiện nay không phù hợp để
phát triển các giao thức mới cho các ứng dụng mới. Để giải quyết vấn đề này, ảo
hóa mạng đã đƣợc đề xuất và ra đời để đáp ứng đƣợc nhu cầu hiện tại của
Internet. Trong ảo hóa mạng, các tài nguyên vật lý: node vật lý và liên kết vật lý
đƣợc chia sẻ cho các mạng ảo đƣợc yêu cầu. Một vấn đề quan trong trong hoạt
động của mạng ảo là sự phân bố các node và các liên kết đến các yêu cầu tạo
mạng ảo. Trong khi có rất nhiều thuật toán ánh xạ mạng ảo khác nhau, do đó rất
khó đánh giá hiệu quả của các thuật toán đó. Các tài nguyên vật lý: phần cứng
và băng thông liên kết là hữu hạn do đó tồn tại một vấn đề quan trọng trong ảo

hóa mạng là vấn đề phân chia tài nguyên cho các node ảo và các liên kết giữa
các node của mạng ảo. Vì vậy ta cần một thuật toán cấp phát tài nguyên cho các
mạng ảo mà vẫn phải đảm bảo tối đa lợi nhuận và tối thiểu chi phí. Hơn nữa ta
còn phải tăng tỉ lệ tiếp nhận mạng ảo.Luận văntrình bày một thuật toán tối ƣu
hàm mục tiêu, tăng giá trị lợi nhuận dựa trên các thuật toán đã có.
2. Mục đích nghiên cứu
Luận văntập trung tìm hiểu và đƣa ra một thuật toán ánh xạ mạng ảo vào
mạng vật lý mà từ đó hàm mục tiêu đƣợc cải thiện. Để đạt đƣợc các mục tiêu
này, luận văn tập trung vào các nhiệm vụ cụ thể sau:
-Tìm hiểu khái niệm, mô hình hoạt động của mạng ảo, cơ chế ánh xạ mạng
ảo vào mạng vật lý.
- Tìm hiểu các thuật toán ánh xạ mạng ảo hiện tại. Tìm hiểu cơ chế và các
ƣu nhƣợc điểm của các thuật toán đó. Từ đó đƣa ra cải tiến nhằm tăng giá trị
Học viên thực hiện: Nguyễn Thành Đô

13


Đề tài: Nghiên cứu bài toán cấp phát tài nguyên trong môi trƣờng ảo hóa mạng

mục tiêu, tăng tỉ lệ chấp nhận và tăng giá trị lợi nhuận thu đƣợc khi ánh xạ mạng
ảo.
- Đƣa ra thuật toán ánh xạ mạng ảo vào mạng vật lý nhằm đáp ứng tối đa
các nhu cầu và hàm lợi nhuận dựa trên hạ tầng mạng vật lý hiện tại đã có.
3. Đối tƣợng nghiên cứu
Luận văn tập trung vào tìm hiểucácthuật toán ánh xạ mạng ảo vào mạng vật
lý. Từ đó đƣa ra các nhận xét ƣu điểm và nhƣợc điểm, sau đó đƣa ra một thuật
toán cải tiến. Luận văn tập trung vào nghiên cứu mạng vật lý, các mạng ảo đƣợc
yêu cầu có mô hình tƣơng tự nhau.
4. Phạm vi nghiên cứu

Luận văn tìm hiểu và trình bày một thuật toán sử dụng tài nguyên hợp lý
nhất cho mạng ảo. Thuật toán này phù hợp, cải thiện đƣợc hàm mục tiêu so với
các thuật toán trƣớc đó và áp dụng đƣợc với kiến trúc Internet hiện tại.
Luận văn tập trung nghiên cứu các mạng ảo có cấu trúc tƣơng tự nhau từ đó
so sánh đƣợc các ƣu điểm, khả năng cải thiện các yêu cầu so với các thuật toán
ánh xạ hiện tại.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu tài liệu và các công nghệ liên quan.
- Tổng hợp các tài liệu lý thuyết về các thuật toán ánh xạ mạng ảo vào
mạng vật lý.
- Nghiên cứu các thuật toán ánh xạ mạng ảo đã có và phân tích các thuật
toán đó. Từ đó đƣa ra các các cải thiện so với thuật toán đã có.
- Cài đặt mô phỏng trên nền tảng Java sử dụng công cụ lập trình Eclipse.
6. Nội dung của luận văn
Luận văn đƣợc bố cục thành 4 chƣơng:
Chƣơng 1: Giới thiệu chung về đề tài. Chƣơng này giới thiệu về một số vấn
đề liên quan đến đề tài; nêu mục đích, ý nghĩa và giới thiệu tổng quan về nội
dung của luận văn.
Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết: Chƣơng này nhằm giới thiệu những lý thuyết,
khái niệm chung nhất liên quan: Mạng ảo, cơ chếchia sẻ tài nguyên của nhiều
mạng ảo trên một mạng vật lý.

Học viên thực hiện: Nguyễn Thành Đô

14


Đề tài: Nghiên cứu bài toán cấp phát tài nguyên trong môi trƣờng ảo hóa mạng

Chƣơng 3: Giải bài toán cấp phát tài nguyên trong môi trƣờng ảo hóa

mạng.
Chƣơng 4: Thực nghiệm, kết quả đạt đƣợc và kết luận: Cài đặt các thuật
toán vào môi trƣờng mạng ảo, phân tích kết quả đạt đƣợc, đƣa ra kết luận và
hƣớng phát triển.

Học viên thực hiện: Nguyễn Thành Đô

15


Đề tài: Nghiên cứu bài toán cấp phát tài nguyên trong môi trƣờng ảo hóa mạng
Chƣơng1:

GIỚI THIỆU CHUNG
1.1. Giới thiệu
Hiện nay, mạng Internet đã phát triển rất mạnh và nó đã không còn đáp ứng
đƣợc các yêu cầu về phát triển: phát triển giao thức, phát triển ứng dụng dựa trên
các giao thức mới, mở rộng IP cho các dịch vụ. Trên thế giới đã có nhiều nghiên
cứu để giải quyết bài toán ánh xạ mạng ảo vào mạng vật lý. Nhƣng các nghiên
cứu trƣớc đó đều tập trung vào giải quyết bài toán tăng giá trị lợi nhuận, giảm
chi phí. Trong khi đó tỉ lệ đáp ứng và giá trị hàm mục tiêu chƣa đƣợc cải thiện.
Hơn nữa, các nghiên cứu trƣớc đó đều giải quyết vấn đề ánh xạ mạng ảo sau khi
các yêu cầu mạng ảo đến. Điều này đã làm tiêu tốn thời gian tính toán để có thể
ánh xạ một mạng ảo vào mạng vật lý: kiểm tra tài nguyên CPU của node, băng
thông của các liên kết vật lý để đáp ứng đƣợc các yêu cầu. Một yêu cầu mạng ảo
khi đến mới đƣợc kiểm tra, do đó không kiểm tra khả năng tài nguyên của node
và liên kết trƣớc khi đến để tránh tình trạng yêu cầu đến mà không đáp ứng đƣợc
chi phí nhiều thời gian xử lý các yêu cầu. Luận văn này đã tiếp cận bài toán theo
một cách mới, đó là kiểm tra tài nguyên trƣớc khi yêu cầu đến. So với các giải
thuật trƣớc đó, luận văn đã cải tiến bằng cách nhóm các node theo bậc thay vì

nhóm tất cả các node vào cùng một bậc và kiểm tra tài nguyên. Với cách làm
nhƣ vậy, các node trong cùng một bậc có khả năng cung cấp tài nguyên trong
cùng một bậc là tƣơng đƣơng nhau. Nhƣ vậy, nếu một node trong bậc không có
khả năng cung cấp tài nguyên thì xác suất các node còn lại trong bậc cũng không
có khả năng cung cấp tài nguyên là rất cao. Ngoài ra luận văn cũng cải tiến bằng
cách tích hợp kiểm tra khả năng ánh xạ liên kết nhằm giảm thời gian quay lui và
thu đƣợc đƣờng đi có độ dài ngắn nhất.
Các thuật toán ánh xạ mạng ảo vào mạng vật lý trƣớc đó đều có tỉ lệ đáp
ứng thấp, hàm mục tiêu chƣa đạt đƣợc giá trị cao. Các nghiên cứu thuật toán ánh
xạ mạng ảo hiện tại đều có các nhƣợc điểm nhất định. Nghiên cứu thuật toán
ánh xạ mạng ảo của Jens Lischka và Holger Karlđƣợc đăng trên tạp chí [7].
Trong nghiên cứu của Jens Lischka và Holger Karl đã sử dụng thuật toán quay
lui để giải quyết bài toán ánh xạ mạng ảo. Nhƣợc điểm của thuật toán ánh xạ
mạng ảo này là mất nhiều thời gian để thực hiện thuật toán quay lui. Trong khi
đó tỉ lệ đáp ứng, hàm mục tiêu lại không đạt đƣợc giá trị lớn. Trong nghiên cứu
[5] do Minlan Yu và các đồng nghiệp phát triển đã cải tiến từ thuật toán [7],
Học viên thực hiện: Nguyễn Thành Đô

16


Đề tài: Nghiên cứu bài toán cấp phát tài nguyên trong môi trƣờng ảo hóa mạng

thuật toán ánh xạ của họ đƣợc xử lý qua hai pha. Thuật toán này giúp giảm tỉ lệ
kẹt cổ chai, giảm thời gian quay lui khi xử lý nhƣng ánh xạ nút chƣa cao và tỉ lệ
tiếp nhận thấp. Nghiên cứu của tác giả Ngô Hồng Sơn đƣợc cải tiến từ thuật toán
ánh xạ GNM của Minlan Yu. Thuật toán này giúp giảm chi phí trong các ứng
dụng quy mô lớn và tăng tỉ lệ tiếp nhận. Thuật toán EGNM của tác giả Ngô
Hồng Sơn [4] tuy đã cải tiến cho với thuật toán GNM và tốt hơn thuật toán
GNM trên nhiều mặt song hàm mục tiêu lại kém hơn so với thuật toán GNM.

Xuất phát từ thực tế hiện tại và các nhu cầu cần cải tiến. Luận văn này đã
giới thiệu một phƣơng pháp mới với những cải tiến đáng kể và đáp ứng đƣợc
các yêu cầu mới:
- Tăng lợi nhuận
- Giảm chi phí
- Tăng tỉ lệ tiếp nhận
So với các giải thuật hiện tại, các giải thuật hiện tại xử lý yêu cầu khi
đến.Thuật toán đƣợc trình bày trong luận văn tiếp cận xử lý bài toán ánh xạ
trƣớc khi yêu cầu đến.Do đó, so với các giải thuật ánh xạ hiện tại giải thuật đƣợc
trình bày trong luận văn này đã có đƣợc những cải tiến đáng kể về các giá trị cần
cải thiện.
1.2. Các nghiên cứu liên quan
Từ khi Internet phát triển mạnh mẽ, nguồn tài nguyên dần cạn kiệt. Cơ sở
hạ tầng vật lý không đáp ứng đƣợc nhu cầu phát triển của các ứng dụng trên
Internet. Các giao thức, kiến trúc mới không phát triển đƣợc trên hạ tầng mạng
vật lý với kiến trúc hiện tại. Do đó, các nhà nghiên cứu đã nghĩ đến vấn đề cho
phép nhiều mạng ảo cùng hoạt động và tồn tại trên mạng vật lý. Khi đề xuất ra
vấn đề mạng ảo, rất nhiều vấn đề liên quan đến nó đã nảy sinh buộc các nhà
nghiên cứu đƣa ra các giải pháp để giải quyết nó. Trong đó, bài toán “Ánh xạ
mạng ảo vào mạng vật lý” đã đƣợc rất nhiều nhà nghiên cứu tìm hiểu và đƣa ra
các thuật toán ánh xạ mạng ảo vào mạng vật lý.
Cho đến nay, đã có nhiều các thuật toán cấp phát tài nguyên vật lý cho
mạng ảo: SID, GNM, EGNM…Thuật toán SID do đồng tác giả Jens Lischka,
Holger Karl [7] cùng đƣa ra giải pháp giải quyết bài toán ánh xạ mạng ảo. Ý
tƣởng của thuật toán SID là sử dụng thuật toán quay lui để giải quyết bài toán.
Nhƣng khi sử dụng thuật toán quay lui để giải quyết bài toán thì vấn đề thời gian
và hiệu quả của thuật toán lại là vấn đề phát sinh. Do giải thuật SID sử dụng
Học viên thực hiện: Nguyễn Thành Đô

17

Đề tài: Nghiên cứu bài toán cấp phát tài nguyên trong môi trƣờng ảo hóa mạng

thuật toán quay lui nên tốn nhiều chi phí thời gian tính toán tài nguyên, tính toán
khả năng ánh xạ. Hơn nữa, giải thuật SID sử dụng trọng số gán cho các node và
các liên kết. Chính vấn đề này làm giảm hiệu quả của thuật toán. Một node hoặc
một liên kết sử dụng gần hết tài nguyên mà vẫn đƣợc gán trọng số cao. Để cải
thiện các nhƣợc điểm của giải thuật SID, thuật toán GNM đã ra đời. Giải thuật
GNM do tác giả Milan Yu phát triển [5]. Giải thuật GNM sử dụng phƣơng pháp
chọn và sắp xếp các mạng ảo đƣợc yêu cầu theo tài nguyên đƣợc yêu cầu của
mỗi mạng ảo. Từ đó GNM sử dụng thuật toán ánh xạ node, ánh xạ node ảo vào
node vật lý. Sau khi ánh xạ node, giải thuật GNM sử dụng thuật toán k-shortest
path để tìm đƣờng đi ngắn nhất giữa hai node mà vẫn đảm bảo đƣợc yêu cầu về
băng thông. Thuật toán GNM đáp ứng đƣợc tối đa lợi nhuận nhƣng không tối
thiểu chi phí. Từ những vấn đề của thuật toán GNM, Ngô Hồng Sơn và các tác
giả đã cải tiến thuật toán GNM và cho ra thuật toán EGNM [4]. Trong thuật toán
EGNM, tác giả Ngô Hồng Sơn đã đƣa đƣợc ra hai cải tiến so với thuật toán
GNM của tác giả Milan Yu đó là: sắp xếp các đỉnh theo yêu cầu về tài nguyên
và lựa chọn các node của mạng vật lý để ánh xạ cho mạng ảo đƣợc lựa chọn
theo từng tình huống cụ thể dựa vào một hàm đánh giá tài nguyên của mỗi node.
Qua khảo sát các giải pháp cấp phát tài nguyên nhƣ: GNM, EGNM ta thấy
mục tiêu của việc ánh xạ mạng ảo vào mạng vật lý chƣa thật sự tối ƣu. Trong
cùng một tình huống cụ thể, thuật toán EGNM đã có sự cải thiện đáng kể so với
thuật toán GNM. Ở đây, mục tiêu đƣợc cải thiện từ 20% đến 24%. Do vậy, ta
cần một thuật toán tối ƣu hàm mục tiêu, tăng giá trị lợi nhuận. Luận văn này đã
giải quyết đƣợc các vấn đề đó bằng cách đƣa ra thuật toán cải tiến từ thuật toán
EGNM.
Luận văn tìm hiểu các thuật toán ánh xạ mạng ảo vào mạng vật lý hiện tại
đã có. Đƣa ra nhận xét về ƣu và nhƣợc điểm của các thuật toán đó, từ đó đƣa ra

các cải tiến và nghiên cứu thuật toán mới đáp ứng đƣợc tăng giá trị của hàm mục
tiêu.
1.2 Phát biểu bài toán
1.2.1. Đầu vào
Đầu vào là tập các yêu cầu kết nối mạng ảo R, mạng vật lý S. Đối với
mạng ảo và mạng vật lý đều đƣợc đặc trƣng bởi các node và các liên kết. Các
node có tài nguyên CPU có thể cung cấp cho các node ảo. Các liên kết vật lý
Học viên thực hiện: Nguyễn Thành Đô

18


Đề tài: Nghiên cứu bài toán cấp phát tài nguyên trong môi trƣờng ảo hóa mạng

đƣợc cung cấp tài nguyên băng thông cho các liên kết ảo. Ngoài ra các mạng ảo
đƣợc yêu cầu đều có thời gian đến và thời gian tồn tại nhất định.
1.2.2. Đầu ra
Khi một mạng ảo đƣợc ánh xạ vào mạng vật lý, ta sẽ có tập hợp các node,
các liên kết đƣợc ánh xạ. Nhƣ vậy, với mỗi mạng ảo đƣợc ánh xạ, ta có đồ thị
ánh xạ giữa mạng ảo vào mạng vật lý. Một node ảo đƣợc ánh xạ vào một node
vật lý, một liên kết ảo có thể đƣợc ánh xạ vào nhiều liên kết vật lý.
1.2.3. Các ràng buộc
Đối với các mạng ảo đƣợc yêu cầu, điều kiện để ánh xạ mạng ảo vào
mạng vật lý là phải đáp ứng đƣợc hai yếu tố: tài nguyên CPU, băng thông liên
kết. Mặt khác, yêu cầu về tài nguyên CPU của các node ảo phải nhỏ hơn CPU
còn dƣ của các node vật lý đƣợc ánh xạ. Các liên kết ảo đƣợc ánh xạ vào các
liên kết vật lý phải có băng thông nhỏ hơn băng thông còn dƣ của các liên kết
vật lý.
1.2.4. Mục tiêu
Luận văn tập trung vào nghiên cứu cơ chế ánh xạ mạng ảo vào mạng vật lý.

Trong luận văn có trình bày các thuật toán ánh xạ mạng ảo điển hình. Trong đó
có nêu rõ ƣu, nhƣợc điểm của từng thuật toán. Từ các nhƣợc điểm của các thuật
toán ánh xạ mạng ảo hiện tại, luận vănnêu giải thuật ánh xạ mạng ảo nhằm khắc
phục đƣợc các nhƣợc điểm đó, để đạt đƣợc các mục tiêu:
- Tăng giá trị lợi nhuận.
- Tăng giá trị mục tiêu.
- Tăng tỉ lệ đáp ứng.
1.3. Ý nghĩa của đề tài
Hiện nay, khi tài nguyên về IP của mạng Internet ngày càng bị cạn kiệt. Hạ
tầng mạng vật lý phát triển một cách chậm chạp trong khi các ứng dụng trên
Internet đang phát triển một cách nhanh chóng nhƣ vũ bão. Thực tế đã chỉ ra
rằng kiến trúc Internet hiện nay không còn thích hợp. Trong khi các ứng dụng
mới cần triển khai dựa trên một giao thức mới thì mô hình TCP/IP không còn
đáp ứng đƣợc nữa. Ảo hóa mạng ra đời là vấn đề tất yếu. Nhƣng cũng nhƣ mạng
vật lý, ảo hóa mạng cũng gặp phải các vấn đề liên quan đến cấp phát tài nguyên,
lợi nhuận, chi phí, tỉ lệ đáp ứng, giá trị mục tiêu…Với các giải thuật ánh xạ hiện
tại, giá trị lợi nhuận, giá trị mục tiêu, tỉ lệ đáp ứng chƣa đƣợc cao. Điều này dẫn
Học viên thực hiện: Nguyễn Thành Đô

19


Đề tài: Nghiên cứu bài toán cấp phát tài nguyên trong môi trƣờng ảo hóa mạng

đến hiệu năng của việc ánh xạ mạng ảo chƣa đƣợc cao, chi phí cho ánh xạ mạng
ảo lại tăng cao, lợi nhuận thu đƣợc không đáp ứng đƣợc kỳ vọng.
Luận văn đã giới thiệu giải thuật mới giúp tăng giá trị lợi nhuận, tăng giá trị
mục tiêu và tăng tỉ lệ tiếp nhận của ánh xạ mạng ảo so với các giải thuật ánh xạ
mạng ảo hiện tại. Do vậy, hiệu suất của việc ánh xạ mạng ảo đƣợc nâng cao hơn
so với trƣớc.

Học viên thực hiện: Nguyễn Thành Đô

20


Đề tài: Nghiên cứu bài toán cấp phát tài nguyên trong môi trƣờng ảo hóa mạng

Chƣơng 2:
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Chƣơng này sẽ giới thiệu cơ sở lý thuyết cho mạng ảo, các vấn đề liên quan
đến ánh xạ mạng ảo
2.1.Các thuật ngữ liên quan
2.1.1. Ảo hóa mạng
Kiến trúc Internet hiện nay đã và đang hỗ trợ rất nhiều các giao thức. Tuy
nhiên chính sự phổ biến rộng rãi của Internet đã khiến cho việc phát triển và
thay đổi trở nên khó khăn rất nhiều. Hơn nữa, trên thế giới có rất nhiều nhà cung
cấp dịch vụ Internet, do vậy muốn thay đổi kiến trúc cần phải đƣợc sự đồng
thuận giữa các nhà cung cấp hạ tầng mạng. Các ISP có 2 vai trò chính: cung cấp
hạ tầng và cung cấp dịch vụ. Từ quan điểm trên ta thấy chi phí quản lý cơ sở hạ
tầng phải chia sẻ cho nhiều nhà cung cấp hạ tầng. Nhƣ vậy nếu sử dụng mạng
vật lý chi phí duy trì sẽ lớn hơn rất nhiều so với chi phí duy trì mạng ảo.
Ảo hóa mạng là công nghệ cho phép phần cứng mạng đƣợc chia sẻ giữa
nhiều phần mềm khác nhau, cho phép chạy nhiều dịch vụ mạng trên cùng một
hạ tầng mạng vật lý: nhiều IP trên một Network interface, nhiều liên kết ảo trên
một liên kết vật lý duy nhất. Mỗi mạng ảo là tập hợp các node ảo và các liên kết
ảo, nó kết nối các mạng vật lý hoặc một phần các mạng vật lý với nhau. Mạng
ảo có tínhuyển chuyển cao. Nó có thể đƣợc cấu hình và hoạt động trênnhiều giao
thức, kiến trúc và ứng dụng khác nhau. Do tính ƣu việt của mạng ảo mà nó đã
đƣợc áp dụng nhiều trong các công ty, tập đoàn và các nhà mạng.

2.1.2. InP (nhà cung cấp hạ tầng)
Các nhà cung cấp hạ tầng triển khai và quản lý các tài nguyên vật lý trong
ảo hóa mạng. Họ sở hữu cơ sở hạ tầng, tài nguyên vật lý để các nhà cung cấp
dịch vụ thuê và kiếm tiền dựa trên hạ tầng vật lý của các InP. Thông thƣờng
những ngƣời dùng đầu cuối sẽ không làm việc trực tiếp với các InP mà họ sẽ
làm việc với các SP. Thông qua SP, ngƣời dùng đầu cuối sẽ thuê lại hạ tầng vật
lý của các InP. Các InP hợp tác với nhau để tạo ra hạ tầng mạng Internet ngày
nay.
Nhƣ vậy, để triển khai một giao thức mới trên nền Internet hiện nay cần
phải có sự đồng thuận của tất cả các InP. Điều này sẽ rất khó khăn vì có rất
Học viên thực hiện: Nguyễn Thành Đô

21


Đề tài: Nghiên cứu bài toán cấp phát tài nguyên trong môi trƣờng ảo hóa mạng

nhiều các InP và cần đƣợc sự đồng ý của tất cả các InP thì giao thức mới đƣợc
coi là có thể sử dụng đƣợc trên nền Internet.Khi một giao thức mới muốn đƣợc
áp dụng rộng rãi trên toàn cầu cần phải đƣợc sự chấp thuận từ tất cả các InP mà
nó rất khó triển khai. Nhƣng ảo hóa mạng cho phép triển khai giao thức mới trên
kiến trúc Internet hiện tại mà không cần sự chấp thuận của tất cả các InP.
2.1.3. SP (nhà cung cấp dịch vụ)
Các nhà cung cấp dịch vụ (SP) thuê hạ tầng vật lý từ một hoặc nhiều nhà
cung cấp hạ tầng để tạo ra các mạng ảo, triển khai các giao thức mới và quản lý
phân bố tài nguyên cho các ngƣời dùng đầu cuối. Các nhà cung cấp dịch vụcũng
có thể tạo ra các mạng ảo con một cách đệ quy và cho thuê các mạng con đó cho
các SP khác để tạo thành một hệ thống mạng phân cấp.
2.1.4. Ngƣời dùng cuối (end user)
Ngƣời dùng cuối trong mô hình ảo hóa mạng có thể lựa chọn các dịch vụ

đƣợc cung cấp bởi một hoặc nhiều SP. Nó có thể kết nối nhiều SP cho các dịch
vụ khác nhau. Những ngƣời dùng cuối có thể kết nối nhiều SP cho các dịch vụ
khác nhau của họ.
2.1.5. Mô hình mạng vật lý

Hình 2.1: Mô hình mạng vật lý
Học viên thực hiện: Nguyễn Thành Đô

22


Đề tài: Nghiên cứu bài toán cấp phát tài nguyên trong môi trƣờng ảo hóa mạng

Một mô hình mạng vật lý đƣợc định nghĩa nhƣ một đồ thị S = (N, L).Trong
đó N = {ni (cn )} đƣợc định nghĩa là tập hợp các node mạng, ni là các node
mạng và ni(cn) biểu diễn khả năng cung cấp tài nguyên của nút ni. Khả năng
cung cấp ở đây đƣợc hiểu là CPU của node ni. L = {lij (bsl)} đƣợc định nghĩa là
tập các liên kết, lij là một liên kết giữa nút ni và nj, bsl tính bằng băng thông còn
dƣ của liên kết, biểu diễn khả năng cung cấp tài nguyên của liên kết lij. Ngoài ra,
mỗi node và mỗi liên kết có thể đƣợc gán các trọng số khác nhau.
2.1.6. Mô hình mạng ảo

Hình 2.2: Mô hình mạng ảo
Mô hình mạng ảo tƣơng tự nhƣ mô hình mạng vật lý, nó cũng đƣợc biểu
diễn bằng một đồ thị Sv = (Nv, Lv). Mô hình mạng ảo hóa đƣợc hiểu nhƣ mô
hình mạng logic. Trong đó Nvlà tập hợp các node ảo. Lv là tập hợp các liên kết
ảo.
2.1.7. Node ảo
Một node ảo có thể là một virtual host hoặc một virtual router. Nếu một
virtual host đƣợc hiểu nhƣ nguồn của một gói tin thì virtual router chuyển tiếp

gói tin thông qua các giao thức định tuyến cho các mạng ảo đã đƣợc định
nghĩa.Một node ảo cũng có RAM, CPU… giống nhƣ một node vật lý.
2.1.8. Liên kết ảo
Liên kết ảo có thể hiểu là chiều dài của liên kết trong mạng ảo dựa trên một
hoặc nhiều các liên kết vật lý. Thƣờng một liên kết ảo có thể đƣợc ánh xạ đến
nhiều đƣờng vật lý để thỏa mãn các yêu cầu khi tạo mạng ảo. Ví dụ khi yêu cầu
tạo một mạng ảo có băng thông lớn thì 1 liên kết ảo không thể đƣợc map tới một

Học viên thực hiện: Nguyễn Thành Đô

23


Đề tài: Nghiên cứu bài toán cấp phát tài nguyên trong môi trƣờng ảo hóa mạng

liên kết vật lý mà phải đƣợc map tới nhiều liên kết vật lý gộp lại.Một liên kết ảo
cũng có băng thông nhƣ liên kết vật lý.
2.1.9. Nhúng mạng ảo (Virtual Network Embedding)

Hình 2.3 Ánh xạ mạng ảo vào mạng vật lý
Hiệu quả của việc sử dụng các tài nguyên vật lý của mạng phụ thuộc vào
công nghệ nhúng mạng ảo hay còn gọi là kỹ thuật mapping giữa mạng ảo và
mạng vật lý. Hiệu quả ở đây đƣợc hiểu là hiệu quả về chi phí, lợi nhuận, tỉ lệ đáp
ứng. Các kỹ thuật mapping mạng ảo vào mạng vật lý thực tế gặp rất nhiều vấn
đề khó khăn.
2.1.10. Sự ràng buộc giữa các node và liên kết
Do tài nguyên vật lý bị giới hạn nên mỗi yêu cầu tạo mạng ảo thƣờng bị
giới hạn về tài nguyên nhƣ CPU của node, băng thông cho liên kết giữa các
node. Ví dụ khi có yêu cầu tạo mạng ảo để chạy dịch vụ, yêu cầu mỗi node có
CPU là 1Ghz và băng thông cho mỗi liên kết là 10 Mb. Ngoài ra cũng có những

hạn chế về mặt địa lý và độ trễ giữa các node.
2.1.11. Khái niệm stress của link và substrate node

Học viên thực hiện: Nguyễn Thành Đô

24


Đề tài: Nghiên cứu bài toán cấp phát tài nguyên trong môi trƣờng ảo hóa mạng

Để xác định số lƣợng tài nguyên sử dụng trong substrate network, ta sử
dụng khái niệm stress. Substrate network stress đƣợc ký hiệu Sn(nS) đƣợc định
nghĩa là tổng lƣợng CPU đƣợc phân bố cho các substrate node nS NS
Công thức tính substrate node đƣợc xác định:

(2.1)
Trong đó x y nghĩa là node ảo x đƣợc map vào substrate node y.
Tƣơng tự, substrate link đƣợc ký hiệu SE(eS)đƣợc xác định là tổng lƣợng
băng thông nhận đƣợc của các liên kết ảo mà nó đƣợc map vào substrate link
eS ES.
Công thức của substrate link đƣợc định nghĩa nhƣ sau:

(2.2)
Khái niệm node stress và link stress về cơ bản là giống nhau. Điểm khác
nhau giữa chúng là node stress dùng thông số CPU làm đơn vị đo, còn link
stress dùng khái niệm băng thông làm đơn vị.
2.1.12. Cơ chế ánh xạ mạng ảo vào mạng vật lý
Trong ảo hóa mạng, ánh xạ mạng ảo vào mạng vật lý để phù hợp với hạ
tầng vật lý đã cólà bài toán khó. Vấn đề này liên quan đến nhà cung cấp dịch vụ
(SP), cung cấp các dịch vụ mạng ảo hóa và các nhà cung cấp hạ tầng mạng (InP)

là những ngƣời sở hữu tài nguyên vật lý. Có 3 thành phần tƣơng tác với nhau khi
nhúng một mạng ảo vào một hạ tầng mạng vật lý: tìm kiếm tài nguyên, ánh xạ
mạng ảo và phân bố tài nguyên.
Tìm kiếm tài nguyên là quá trình kiểm tra trạng thái của các tài nguyên
xem còn dƣ hay không, đã sử dụng hết chƣa… bằng cách sử dụng bộ cảm biến
hoặc các quá trình tính toán khác nhau. Các tiến trình giám sát những thông số:
CPU sử dụng bao nhiêu, bộ nhớ sử dụng bao nhiêu, băng thông mạng đang sử
dụng, hiệu suất của mạng là nhƣ thế nào…
Ánh xạ mạng ảo là bƣớc tiếp theo trong quá trình yêu cầu tạo mạng ảo. Với
các tài nguyên có thể sử dụng, chọn một số tài nguyên trong đó để tạo mạng ảo.
Do sự kết hợp giữa các node và link là rất phức tạp mà đây đƣợc coi là vấn đề
Học viên thực hiện: Nguyễn Thành Đô

25