(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu một số giải pháp định tuyến trong tôpô mạng liên kết hiệu năng cao và công cụ đánh giá

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan tất cả các nội dung trong luận án “Nghiên cứu một số giải pháp
định tuyến trong tô-pô mạng liên kết hiệu năng cao và cơng cụ đánh giá” là cơng trình
nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của tập thể hướng dẫn.
Các số liệu, kết quả được trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được
tác giả khác công bố trong bất kỳ cơng trình nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã
được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo theo quy định.
Hà Nội, ngày … tháng … năm 2021
TẬP THỂ HƯỚNG DẪN

PGS.TS NGUYỄN KHANH VĂN

TS. PHẠM ĐĂNG HẢI

NGHIÊN CỨU SINH

KIỀU THÀNH CHUNG

1


LỜI CẢM ƠN
Trước hết, tôi xin trân trọng cảm ơn Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Phòng
Đào tạo, Viện Công nghệ thông tin và Truyền thông, các thầy cô cùng các bạn, các thành
viên trong Sedic-Lab, đã tạo điều kiện thuận lợi và đóng góp nhiều ý kiến quý báu giúp
tơi hồn thành bản luận án này.
Đặc biệt, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến hai Thầy hướng
dẫn khoa học, PGS.TS. Nguyễn Khanh Văn và TS. Phạm Đăng Hải đã hết lòng hướng
dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tơi trong suốt q trình thực hiện luận
án. Đồng thời, tôi xin cảm ơn PGS.TS Michihiro Koibuchi, TS. Ikki Fujiwara, TS.
Trương Thảo Nguyên, National Institute of Informatics – Nhật Bản đã tạo điều kiện và

giúp đỡ tơi trong q trình học tập, nghiên cứu.
Tơi xin cảm ơn gia đình và người thân đã luôn bên tôi, ủng hộ và động viên tơi
trong suốt q trình nghiên cứu.
Tơi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày … tháng … năm 2021
Nghiên cứu sinh

Kiều Thành Chung

2


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... 1
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ 2
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT ..................................................... 5
DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................................. 6
DANH MỤC HÌNH VẼ................................................................................................. 7
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 9
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ....................................................................................... 14
1.1. Cơ sở lý thuyết .................................................................................................. 15
1.1.1. Tô-pô mạng (Network topology) ................................................................. 15
1.1.2. Giới thiệu giải thuật định tuyến ................................................................... 19
1.1.3. Hiệu năng mạng liên kết .............................................................................. 24
1.1.4. Mô phỏng đánh giá hiệu năng mạng ............................................................ 29
1.2. Giới thiệu bài toán và các nghiên cứu liên quan ............................................ 30
1.2.1. Bài toán nghiên cứu ...................................................................................... 30
1.2.2. Tình hình nghiên cứu .................................................................................... 36
1.2.3. Các nghiên cứu liên quan ............................................................................. 38
1.3. Tóm tắt chương 1 .............................................................................................. 45

CHƯƠNG 2: ĐỊNH TUYẾN RÚT GỌN CHO MƠ HÌNH MẠNG NGẪU NHIÊN
....................................................................................................................................... 46
2.1. Tơ-pơ mạng ngẫu nhiên và thuật tốn định tuyến rút gọn ........................... 46
2.1.1. Tô-pô mạng ngẫu nhiên ................................................................................ 46
2.1.2. Cơ chế định tuyến phân tán tra bảng ............................................................ 48
2.1.3. Thuật toán định tuyến rút gọn TZ [29] ......................................................... 48
2.2. Định tuyến khai thác các cầu nối giữa các vùng (CORRA) .......................... 50
2.2.1. Ý tưởng xây dựng thuật toán định tuyến CORRA ....................................... 50
2.2.2. Xây dựng bảng định tuyến ............................................................................ 52
2.2.3. Kỹ thuật địa chỉ hóa ...................................................................................... 54
2.2.4. Đánh giá lý thuyết ......................................................................................... 57
2.2.5. Đánh giá thực nghiệm ................................................................................... 59
2.2.6. Kết luận và hướng phát triển ........................................................................ 64
2.3. Định tuyến khai thác các nút đại diện và cơ chế tuyển chọn nút đại diện... 64
2.3.1. Xây dựng phương thức lựa chọn nút đại diện dựa trên vị trí ....................... 66
2.3.2. Đánh giá thực nghiệm ................................................................................... 70
2.3.3. Kết luận và hướng phát triển ........................................................................ 74
2.4. Xây dựng cơ chế tuyển chọn nút đại diện ....................................................... 74
2.4.1. Tuyển chọn nút đại diện ............................................................................... 74
2.4.2. Cơ chế tuyển chọn các nút đại diện .............................................................. 75
2.4.3. Thực nghiệm đánh giá cơ chế tuyển chọn nút đại diện ................................ 80
2.4.4. Kết luận và hướng phát triển của cơ chế tuyển chọn nút đại diện................ 83
2.5. Tóm tắt Chương 2. ............................................................................................ 83
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CƠNG CỤ HỖ TRỢ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG
LIÊN KẾT .................................................................................................................... 84
3.1. Kiến trúc tổng quan của công cụ mô phỏng SSiNET .................................... 85
3.1.1. Ý tưởng cơ bản của SSiNET ........................................................................ 85

3

3.1.2. Kiến trúc mô-đun chức năng và giao diện .................................................... 87
3.1.3. Thiết kế chi tiết kỹ thuật ............................................................................... 90
3.1.4. Thiết kế chi tiết các gói của cơng cụ phần mềm........................................... 93
3.1.5. Xây dựng cơ chế kỹ thuật ............................................................................. 97
3.2. Đánh giá thực nghiệm ..................................................................................... 100
3.2.1. Đánh giá kích thước bảng định tuyến ......................................................... 100
3.2.2. Đánh giá độ trễ truyền tin ........................................................................... 101
3.2.3. Đánh giá thời gian thực thi ......................................................................... 102
3.2.4. So sánh kết quả đánh giá giữa SSiNET và Omnet++ ................................. 102
3.2.5. Đánh giá thông lượng và thông lượng cực đại ........................................... 103
3.2.6. Đánh giá theo phương pháp xấp xỉ ............................................................. 105
3.3. Ứng dụng công cụ SSiNET trong việc xây dựng mơ hình tơ-pơ lai cho các DC
cỡ vừa, tiết kiệm chi phí và đáp ứng khơng gian mở .......................................... 106
3.3.1. Kiến trúc Bus-RSN ..................................................................................... 107
3.3.2. Giải pháp định tuyến ................................................................................... 111
3.3.3. Đánh giá bằng thực nghiệm ........................................................................ 112
3.3.4. Kết luận giải pháp ....................................................................................... 120
3.4. Tóm tắt chương 3 ............................................................................................ 120
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU .............................................................. 122
4.1. Kết luận ............................................................................................................ 122
4.2. Hướng phát triển nghiên cứu ......................................................................... 123
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ......................... 124
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 125
PHỤ LỤC ................................................................................................................... 130
1. Định tuyến phân cấp đối với mạng ngẫu nhiên chuẩn tắc ............................. 130
1.1. HR-SW: Định tuyến phân cấp trên mơ hình đồ thị thế giới nhỏ ................... 130
1.2. Kỹ thuật địa chỉ trong định tuyến phân cấp ................................................... 131
1.3. Thực thi định tuyến HR-SW .......................................................................... 132
1.4. Đánh giá hiệu năng mạng .............................................................................. 133

1.5. Kết luận .......................................................................................................... 136
2. Các thuật toán trong định tuyến khai thác cầu nối ........................................ 136

4


DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT
STT Kí hiệu

Nghĩa tiếng Anh

1

ARPL

Average Routing Path Length

2

CORRA

Compact Routing for RAndom
inter-connection topologies

3
4
5

DC
DES

DOR

Data Center
Discrete Event Simulation
Dimension-Order Routing

6

GLCR

Geographic Landmark-based
Compact Routing

7

HPC

8

ICT

9

MRPL

10

NSC

11

12
13
14

High-performance Computing
Informatiom Communication
Technology
Maximum Routing Path Length

Nghĩa tiếng Việt
Trung bình chiều dài đường định
tuyến
Định tuyến rút gọn dựa trên các
liên kết ngẫu nhiên như là các cầu
nối giữa các vùng nút mạng ở xa
nhau
Trung tâm dữ liệu
Mô phỏng các sự kiện rời rạc
Định tuyến ưu tiên theo chiều
Định tuyến rút gọn dựa trên các
nút đại diện cho mỗi vùng nút
mạng
Tính tốn hiệu năng cao
Cơng nghệ Thơng tin và Truyền
thơng
Chiều dài đường định tuyến lớn
nhất (đường kính mạng)

Network
Structure

and
Cấu hình và cấu trúc mạng
Configuration
RSN
Random Shortcut Network
Mạng ngẫu nhiên
RTS
Routing Table Size
Kích thước bảng định tuyến
SPR
Shortest Path Routing
Định tuyến đường ngắn nhất
Tổ chức đánh giá xếp hạng hệ
TOP500 />thống mạng máy tính hiện nay.

5


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1: Algo1-TZ: Lựa chọn nút đại diện của Thorup và Zwick .............................. 49
Bảng 2.2: Xây dựng bảng định tuyến – Routing Table Construction (RTC) ................ 53
Bảng 2.3: Tổ chức bản ghi trong bảng định tuyến của thuật toán CORRA .................. 55
Bảng 2.4: Algo.2- GLCR: Lựa chọn nút đại diện ......................................................... 67
Bảng 2.5: Tổng hợp một số khái niệm sử dụng trong giải pháp GLCR........................ 68
Bảng 2.6: Algo.3-GLCR: Điều chỉnh lựa chọn nút đại diện – AdjustLandmarkSet ..... 68
Bảng 2.7: Algo.4-GLCR: Lựa chọn nút đại diện – 𝑁𝑒𝑤𝑆𝑎𝑚𝑝𝑙𝑒(𝑊, 𝑏) ...................... 70
Bảng 2.8: Algo.2-IJDST: Loại bỏ nút đại diện yếu 𝛼 − 𝐿𝑆 .......................................... 76
Bảng 2.9: Algo.3-IJDST: Lựa chọn nút đại diện 𝛼 − 𝐿𝑆 .............................................. 77
Bảng 2.10: Algo.4-IJDST: Lựa chọn nút đại diện 𝛽 − 𝐿𝑆. ........................................... 78
Bảng 3.1: Đường kính mạng theo tỉ lệ xấp xỉ ............................................................. 105

Bảng 3.2: Độ trễ trung bình tồn mạng theo tỉ lệ xấp xỉ ............................................. 105
Bảng 3.3: Thời gian thực thi tính tốn......................................................................... 106
Bảng 3.4: Algo.1-Bus-RSN: Xây dựng tơ-pơ Bus-RSN ............................................. 108
Bảng 3.5: Định nghĩa một số kí hiệu được sử dụng .................................................... 111
Bảng 3.6: Algo. 2-Bus-RSN: Thuật toán định tuyến HRA (alpha-1 HRA) ................ 111
Bảng 3.7: Các ký hiệu trong các hình minh họa thực nghiệm .................................... 112
Bảng 3.8: Tổng cáp mạng trong trường hợp khoảng cách giữa các vùng khác nhau . 119
Bảng 5.1: Algo.5-GLCR: Tính tốn 𝐶(𝑢) trong giải pháp GLCR .............................. 136
Bảng 5.2: Algo.6-GLCR: Tính 𝐵𝑙 và 𝑝𝑒𝑟(𝐵𝑙) cho mọi nút đại diện 𝑙 ∈ 𝐿 ................ 137

6


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Mạng liên kết (Interconnection Network) ..................................................... 15
Hình 1.2: Các ứng dụng trên mạng [6] .......................................................................... 16
Hình 1.3: Các dạng tơ-pơ mạng cơ bản ......................................................................... 17
Hình 1.4: Mạng trực tiếp và gián tiếp............................................................................ 19
Hình 1.5: Ví dụ về định tuyến trên mạng kết 2D-Torus [5] .......................................... 20
Hình 1.6: Định tuyến thích ứng trên tơ-pơ RING 8-nút. ............................................... 22
Hình 1.7: Ví dụ về tắc nghẽn của Wormhole switching ............................................... 24
Hình 1.8: Độ trễ của một gói tin trên kênh truyền ........................................................ 26
Hình 1.9: Tương quan giữa băng thơng và thơng lượng ............................................... 26
Hình 1.10: Tương quan giữa độ trễ và lưu lượng dữ liệu yêu cầu ................................ 27
Hình 1.11: Tương quan giữa thơng lượng và lưu lượng dữ liệu u cầu ...................... 29
Hình 1. 12: Mơ hình mơ phỏng ..................................................................................... 30
Hình 1.13: Tổ chức bảng định tuyến tại nút mạng ........................................................ 34
Hình 2.1: Tơ-pơ cơ sở dạng lưới 𝐺 ................................................................................ 47
Hình 2.2: Tạo tơ-pơ mạng ngẫu nhiên 𝐺′ từ tơ-pơ cơ sở dạng lưới 𝐺 ........................... 47
Hình 2.3: Cách tiếp cận định tuyến dựa trên nút đại diện của Thorup và Zwick .......... 49

Hình 2.4: Xây dựng tơ-pơ ngẫu nhiên cho thuật tốn CORRA .................................... 50
Hình 2.5: Hàng xóm 𝑢 gửi 𝑠 thơng tin cầu 𝑏𝑟𝑖𝑑𝑔𝑒1 của nó. ........................................ 51
Hình 2.6: Nút 𝑠 lưu thơng tin 𝑏𝑟𝑖𝑑𝑔𝑒2 từ hàng xóm 𝑢 mà nằm trong khoảng 𝛿 của 𝑠 52
Hình 2.7: Ví dụ về việc xây dựng các bản ghi trong bảng định tuyến .......................... 55
Hình 2.8: Ví dụ về thực thi định tuyến thông qua nhãn và tọa độ nút mạng ................ 56
Hình 2. 9: Thực thi định tuyến thơng qua định danh nút mạng .................................... 57
Hình 2.10: Mơ hình mở rộng, sử dụng 𝑘-grid liên kết cơ bản ...................................... 59
Hình 2.11: Tác động của giá trị 𝛿 đối với 𝑅𝑇𝑆 ............................................................. 60
Hình 2.12: Trung bình kích thước bảng định tuyến ...................................................... 60
Hình 2.13: Đánh giá đường kính mạng ......................................................................... 61
Hình 2.14: Trung bình chiều dài đường định tuyến (𝐴𝑅𝑃𝐿) ......................................... 62
Hình 2.15: Trung bình độ trễ truyền tin ........................................................................ 62
Hình 2.16: 𝐴𝑅𝑃𝐿 của mạng có kích thước lớn .............................................................. 63
Hình 2.17: Trung bình độ trễ truyền tin đối với mạng kích thước lớn .......................... 63
Hình 2.18: Lựa chọn các nút đại diện không mong đợi trong thuật tốn TZ [29] ........ 65
Hình 2.19: Minh họa điều chỉnh vị trí các nút đại diện ................................................. 69
Hình 2.20: Tương quan giữa 𝑅𝑇𝑆 lớn nhất và kích thước 𝑀 lớn nhất.......................... 71
Hình 2.21: Khảo sát 𝑅𝑇𝑆 tối đa đối với mỗi khích thước của tập các nút đại diện ...... 72
Hình 2.22: Tương quan giữa 𝐴𝑅𝑃𝐿 và kích thước cụm lớn nhất .................................. 72
Hình 2.23: Tương quan giữa 𝐴𝑅𝑃𝐿 với 𝑅𝑇𝑆 lớn nhất .................................................. 73
Hình 2.24: So sánh 𝑅𝑇𝑆 của GLCR với TZ-original trong mạng kích thước lớn ........ 73
Hình 2.25: Phân bố các nút đại diện trong đồ thị dạng lưới .......................................... 79
Hình 2.26: Tương quan giữa số lượng nút đại diện với kích thước cụm lớn nhất đối với
mạng có 1.024 nút ......................................................................................................... 80
Hình 2.27: Tương quan giữa kích thước mạng đối với 𝑚𝑖𝑛𝑅𝑇𝑆 .................................. 81
Hình 2.28: Tương quan giữa số lượng nút đại diện với kích thước lớn nhất của cụm trong
mạng có kích thước lớn ................................................................................................. 81
Hình 2.29: Tương quan giữa số lượng nút đại diện với 𝐴𝑅𝑃𝐿 ..................................... 83

7

Hình 3.1: Mơ tả cấu trúc nút mạng ................................................................................ 85
Hình 3.2: Sơ đồ thiết kế tổng quan ................................................................................ 88
Hình 3.3: Lưu đồ tạo tơ-pơ mạng .................................................................................. 90
Hình 3.4: Sơ đồ thiết kế chi tiết ..................................................................................... 91
Hình 3.5: Lưu đồ quyết định định tuyến ....................................................................... 92
Hình 3.6: Thiết kế kỹ thuật chi tiết của SSiNET ........................................................... 92
Hình 3.7: Thiết kế lớp Graph, RoutingAlgorithm và TopoExperiment ........................ 93
Hình 3.8: Thiết kế gói graph và routing ........................................................................ 94
Hình 3.9: Thiết kế các thành phần vật lý của mạng ...................................................... 95
Hình 3.10: Thiết kế nhóm thực nghiệm mơ phỏng ....................................................... 96
Hình 3.11: Thiết kế các gói thực nghiệm mơ phỏng zeroload và weightedload ........... 96
Hình 3.12: Thiết kế lớp thực nghiệm đánh giá hiệu năng mạng dựa trên mơ phỏng .... 97
Hình 3.13: Tiến trình hoạt động mơ phỏng ................................................................... 97
Hình 3.14: Ví dụ về quản lý sự kiện rời rạc .................................................................. 98
Hình 3.15: Ví dụ về đường đi trên mạng có chiều dài m hop. ...................................... 99
Hình 3.16: Tính tốn kích thước bảng định tuyến....................................................... 101
Hình 3.17: Độ trễ truyền tin trên mạng ....................................................................... 102
Hình 3.18: So sánh thời gian thực thi giữa SSiNET và NS3....................................... 102
Hình 3.19: So sánh đánh giá thơng lượng mạng giữa SSiNET và Omnet++.............. 103
Hình 3.20: Đánh giá thơng lượng mạng bằng cơng cụ SSiNET ................................. 104
Hình 3.21: Thơng lượng cực đại.................................................................................. 104
Hình 3.22: (a)–Bus với 5 nút; (b)–RSN 4x4 tạo bởi liên kết lưới và liên kết ngẫu nhiên
..................................................................................................................................... 107
Hình 3.23: Mơ hình tơ-pơ Bus-RSN............................................................................ 107
Hình 3.24: Mơ hình chi tiết của Bus-RSN .................................................................. 108
Hình 3.25: RSN được chia thành các khối, chọn nút trục và tạo đường trục .............. 109
Hình 3.26: Chi tiết về nút thường và nút trục .............................................................. 110
Hình 3.27: Đánh giá tham số hiệu năng mạng theo kịch bản 1 ................................... 114

Hình 3.28: Đánh giá tham số hiệu năng mạng theo kịch bản 2 ................................... 116
Hình 3.29: Tổng chiều dài cáp và tổng chi phí triển khai kết nối theo kịch bản 1...... 117
Hình 3.30: Tổng chiều dài cáp và tổng chi phí triển khai kết nối theo kịch bản 2...... 119
Hình 5.1: Ví dụ của định tuyến HR-SW...................................................................... 131
Hình 5.2: Địa chỉ hóa phân cấp và bảng định tuyến.................................................... 132
Hình 5.3: Tương quan giữa 𝐴𝑅𝑃𝐿 và 𝑅𝑇𝑆 trong mạng 4.096 nút .............................. 134
Hình 5.4: Tương quan giữa đường kính mạng và 𝑅𝑇𝑆 trong mạng 4.096 nút............ 134
Hình 5.5: Đường kính mạng và 𝑅𝑇𝑆 trong mạng 8.192 nút ....................................... 135
Hình 5.6: 𝐴𝑅𝑃𝐿 và 𝑅𝑇𝑆 trong mạng 8.192 nút ........................................................... 136

8


MỞ ĐẦU
Nghiên cứu tô-pô của các mạng liên kết là một chủ đề cơ bản, truyền thống trong
lĩnh vực kiến trúc mạng máy tính, tính tốn song song và các lưới tính tốn. Thiết kế một
giải pháp tơ-pơ hiệu quả sẽ đóng góp quyết định vào các kiến trúc mạng truyền tin lõi
của các lưới tính tốn lớn như các hệ máy tính hiệu năng cao, lưới điều khiển năng lượng
thơng minh hay các DC hiện đại với hàng nghìn nút tính tốn. Một giải pháp tơ-pơ bao
gồm hai yếu tố là cấu trúc tô-pô và giải thuật định tuyến. Cấu trúc tô-pô là cách sắp xếp
các nút mạng (các thiết bị chuyển mạch, máy chủ) và các liên kết (cáp kết nối) giữa
chúng được thể hiện dưới dạng đồ thị, trong đó, các nút mạng tương ứng với các đỉnh và
các liên kết tương ứng với các cạnh trong đồ thị. Giải thuật định tuyến thể hiện phương
thức hoạt động truyền tin được áp dụng trên cấu trúc tô-pô. Sau đây, NCS (nghiên cứu
sinh) sẽ trình bày khảo sát khái quát và các định hướng nghiên cứu cụ thể. Nội dung
khảo sát khái quát này có sử dụng tham khảo nhưng không được đề cập chi tiết, mà
chúng sẽ được trình bày cụ thể trong các Chương sau.
Trong thời kỳ xây dựng kiến trúc mạng truyền tin cơ sở trước đây, có nhiều cấu
trúc tơ-pơ mạng cơ bản đã được đề xuất, ví dụ như De Bruijn, Starm Kautz. Chúng đã
được sử dụng thành công và được áp dụng khá phổ biến trong các mạng có kích thước

nhỏ (cỡ vài trăm nút tính tốn). Tuy nhiên, với sự phát triển nhanh chóng về quy mơ (số
lượng các nút tính toán tăng cao) trong lĩnh vực thiết kế đa xử lý song song hay các lưới
tính tốn cũng như những địi hỏi đặc biệt của các DC kiểu mới thì hầu hết các cấu trúc
tơ-pơ truyền thống ít nhiều trở nên lạc hậu với hai vấn đề chính: 1) khơng đáp ứng được
yêu cầu về độ trễ truyền tin thấp, thơng lượng cao; 2) tính co giãn quy mơ (scalability)
và tính linh hoạt (flexibility), tức là sự thay đổi nhanh chóng (về số lượng) các nút tính
tốn. Cụ thể, việc thêm các nút tính tốn để tăng quy mơ hoặc cơng suất, hay bớt các nút
để phục vụ bảo trì, sửa chữa hoặc tiết kiệm năng lượng (trong ngắn hạn), sẽ kéo theo các
hoạt động cập nhật thay đổi hệ thống phức tạp và chi phí cao. Hạn chế đó có thể gây lãng
phí, tạo thành lực cản đối với đà phát triển của các ứng dụng hiện đại.
Với kích thước mạng ngày càng tăng, tính mềm dẻo địi hỏi cao thì các vấn đề
như tiết kiệm chi phí thiết bị và cáp kết nối, tiết kiệm năng lượng khi tải thấp, trở thành
những chủ đề đáng quan tâm. Các nhà nghiên cứu tích cực đề xuất những dạng kiến trúc
mới phù hợp hơn cho các yêu cầu hiện đại như SmallWorld DC, Fat-Tree, JellyFish,..
Ví dụ, Fat-Tree, được xem là một trong những mơ hình hiệu quả đối với DC có kích
thước lớn. Mặc dù Fat-Tree có nhiều ưu điểm như đường kính mạng thấp, độ trễ truyền
tin thấp, định tuyến đơn giản nhưng nó cũng tồn tại một số hạn chế đáng kể. Như đã đề
cập trước đó, khả năng mở rộng của Fat-Tree bị hạn chế bởi sự phụ thuộc vào số cổng
thiết bị switch được sử dụng. Ví dụ, khi muốn mở rộng Fat-Tree, phải tiến hành thay thế
các thiết bị switch đã được lắp đặt trước đó, việc này làm gia tăng chi phí thiết bị và sự
dư thừa (trong trường hợp chỉ bổ sung thêm một vài máy chủ, nhưng phải thay thế các
thiết bị switch để đảm bảo cấu trúc chặt chẽ của Fat-Tree). Đồng thời, với cấu trúc cây
đặc thù, Fat-Tree phải sử dụng thiết bị chuyển mạch (chuyên dụng) có bậc đỉnh cao
(tương ứng với số cổng kết nối) có giá thành cao.

9


Một cách tiếp cận mới và hấp dẫn gần đây là sử dụng các mơ hình mạng ngẫu
nhiên trong việc thiết kế các tơ-pơ mạng liên kết mà có thể đáp ứng được chất lượng hiệu

năng quan trọng như là tính linh hoạt, tính mở rộng tự nhiên. Tơ-pơ mạng ngẫu nhiên
được xây dựng bằng việc bổ sung thêm các liên kết ngẫu nhiên đối với một đồ thị cơ bản
và chuẩn tắc như dạng lưới 2-D hoặc 3-D. Các liên kết ngẫu nhiên được tạo bởi một
phân bố xác suất nào đó, nhưng thường là phân bố đều. Ví dụ, mơ hình mạng ngẫu nhiên
RSN (Random Shortcut Network) được tạo ra bởi việc bổ sung các liên kết ngẫu nhiên
giữa các nút mạng trên đồ thị cơ sở dạng lưới.
Mơ hình mạng ngẫu nhiên có thể đạt được đường kính mạng và độ trễ giảm đáng
kể so với các tô-pô mạng truyền thống (khi so sánh chúng với cùng kích thước và cùng
bậc đỉnh). Hơn nữa, các tơ-pơ mạng ngẫu nhiên có khả năng mở rộng tự nhiên (có thể
thêm hoặc bớt máy chủ nhưng không ảnh hưởng lớn đến cấu trúc tồn mạng), ví dụ
JellyFish. Khả năng mở rộng tự nhiên nhằm hạn chế sự cứng nhắc của các cấu trúc tôpô chuẩn tắc như đã đề cập trên.
Mặc dù có sự hấp dẫn về sự gia tăng mở rộng tự nhiên, mơ hình mạng ngẫu nhiên
cũng tồn tại các hạn chế quan trọng, bao gồm sự giới hạn tính co giãn trong việc định
tuyến. Việc tạo ra các liên kết ngẫu nhiên bởi một phân bố xác suất nào đó dẫn đến khó
khăn lớn trong việc xây dựng các giải thuật định tuyến. Bởi yếu tố ngẫu nhiên phá vỡ
các quy luật định tuyến thông thường như DOR hoặc giao thức Duato, hoặc theo thuật
toán đường đi ngắn nhất với việc sử dụng thơng tin tồn bộ tô-pô được lưu trữ trong
bảng định tuyến tại mỗi nút mạng. Đây chính là hạn chế lớn của cách tiếp cận tơ-pơ mạng
ngẫu nhiên và nó trở thành điểm nghẽn khi số nút mạng tăng cao, do sự giới hạn về bộ
nhớ vật lý tại mỗi nút mạng. Ví dụ, tơ-pơ JellyFish trở nên kém co giãn khi kích thước
mạng tăng cao và phải sử dụng các thiết bị chuyển mạch có bậc đỉnh lớn (bậc đỉnh 48).
Do đó, vấn đề là làm thế nào để xây dựng giải pháp định tuyến hiệu quả mà sử dụng ít
thơng tin định tuyến lưu trữ tại các nút mạng cho mạng ngẫu nhiên có kích thước lớn, và
hướng tới việc sử dụng các thiết bị chuyển mạch có bậc đỉnh thấp.
Bên cạnh việc tìm kiếm giải pháp tơ-pơ mới, một trong những thách thức lớn của
địa hạt nghiên cứu này là làm sao tổ chức đánh giá qua thực nghiệm với một mơ hình
mạng kích thước lớn, có thể vượt xa các kích thước mạng truyền thống. Việc đánh giá
một tơ-pơ mạng liên kết được thực hiện bởi hai giai đoạn: đánh giá bằng phân tích đồ thị
và đánh giá bằng thực nghiệm mơ phỏng. Đánh giá bằng phân tích đồ thị được sử dụng
để tính tốn các yếu tố đồ thị như khoảng cách giữa các nút mạng, sự liên kết của các

nút mạng để tính tốn các tham số hiệu năng (tĩnh). Đánh giá bằng thực nghiệm thông
qua các công cụ mơ phỏng thực hiện giả lập q trình truyền tin để tính tốn các tham
số động như là thơng lượng hay độ trễ.
Một vấn đề quan trọng trong việc kiểm chứng một đề xuất giải pháp tô-pô mới là
làm thế nào để tính tốn, đánh giá hiệu năng của nó. Đối với các tơ-pơ mạng chuẩn tắc,
việc tính tốn các tham số hiệu năng khá dễ dàng do tính cấu trúc chặt chẽ của nó và chỉ
cần thực hiện một lần. Tuy nhiên, đối với các tô-pô mạng ngẫu nhiên, việc đánh giá hiệu
năng trở nên khó khăn do tính chất ngẫu nhiên của các liên kết. Với mỗi sự thay đổi cấu
10


trúc của giải pháp tô-pô mạng ngẫu nhiên, các nhà khoa học phải tiến hành thực nghiệm
nhiều lần và sử dụng kết quả trung bình để đánh giá hiệu năng. Ví dụ, tính trung bình
chiều dài đường định tuyến, tức là phải tính tốn chiều dài đường đi ngắn nhất giữa mọi
cặp đỉnh trong đồ thị. Hoạt động này tiêu tốn tài ngun máy tính tốn rất lớn, và chưa
có cơng cụ phần mềm nào có thể thực hiện đối với mạng có kích thước lớn. Ngồi ra,
như đã đề cập, do tính chất ngẫu nhiên, nên với mỗi giải pháp tơ-pơ cần phải tiến hành
tính tốn lại các tham số hiệu năng đối với mỗi mẫu tô-pô ngẫu nhiên mới (ví dụ, đường
đi giữa các cặp đỉnh) để xây dựng thơng tin định tuyến.
Do đó, cần xây dựng một cơng cụ phần mềm có cơ chế tính tốn các tham số hiệu
năng sao cho có thể đáp ứng được việc đánh giá mạng ngẫu nhiên kích thước lớn. Đồng
thời, thơng qua tiếp cận mới này, chúng ta có thể đánh giá một đề xuất tô-pô mới bằng
việc so sánh với các giải pháp đã có trên những cấu hình mạng kích thước lớn mà trước
kia chưa thể thực hiện được.
Từ những khảo sát trình bày trên, NCS hướng tới hai mục tiêu chính như sau:
 Mục tiêu 1: nghiên cứu và đề xuất các thuật toán định tuyến rút gọn mà có thể
khai thác tốt các tính chất của tơ-pơ mạng ngẫu nhiên có kích thước lớn, phù hợp với các
DC hiện nay.
 Mục tiêu 2: nghiên cứu và đề xuất kiến trúc công cụ mô phỏng đánh giá hiệu
năng mạng ngẫu nhiên có kích thước lớn.

Để cụ thể hóa được các mục tiêu trên, NCS đã tiến hành khảo sát các cơ sở lý
thuyết liên quan như cấu trúc tơ-pơ mạng, các ngun lý định tuyến gói tin trong mạng,
hệ thống hóa các nghiên cứu liên quan để làm cơ sở lý thuyết. Trên các cơ sở lý thuyết,
NCS phân tích, khái qt hóa những vấn đề xây dựng thuật toán định tuyến mới, đồng
thời tiến hành so sánh hiệu năng tô-pô mạng của các nghiên cứu liên quan bao gồm các
yếu tố hiệu năng, mối liên quan và sự đánh đổi giữa các yếu tố hiệu năng.
Các kết quả được thực nghiệm bởi hai phương pháp để đánh giá hiệu năng, bao
gồm phương pháp phân tích đồ thị và phương pháp mô phỏng giả lập được thiết lập trong
công cụ phần mềm mô phỏng. Công cụ hỗ trợ mơ phỏng đánh giá sẽ tính tốn các tham
số hiệu năng như đường kính mạng (diameter), độ trễ truyền tin lý tưởng, trung bình
chiều dài đường định tuyến (𝐴𝑅𝑃𝐿) và kích thước bảng định tuyến (𝑅𝑇𝑆) tương ứng với
mỗi tô-pô thực nghiệm. Phương pháp mô phỏng giả lập được sử dụng để mơ phỏng q
trình truyền tin giữa các cặp nguồn đích trong mạng. Các gói tin được tạo ra, truyền qua
mạng, được công cụ mô phỏng ghi nhận lại các hoạt động đó và đưa ra các tham số cần
thiết như là độ trễ truyền tin và thông lượng mạng. Công cụ hỗ trợ mô phỏng được kiểm
chứng tính đúng đắn bằng việc cài đặt các tơ-pơ mạng và thuật tốn định tuyến tương
ứng đã được cơng bố, tiến hành thực nghiệm theo hai phương pháp trên và so sánh với
kết quả thu được với các kết quả đã công bố. Đồng thời, thực nghiệm với các tô-pô mạng
và thuật tốn mới tương ứng để tìm ra thiết kế có hiệu năng mạng tốt hơn.
NCS đã phân tích và hệ thống hóa các thiết kế tơ-pơ mạng cơ bản truyền thống
và các thuật toán định tuyến tương ứng. Từ những phân tích đó, NCS đã góp phần bổ

11


sung làm phong phú cơ sở lý luận khoa học trong việc đưa ra các giải pháp cho việc thiết
kế tơ-pơ mạng, thuật tốn định tuyến, phù hợp với sự phát triển lớn mạnh của các DC
hiện đại có kích thước ngày càng tăng như hiện nay. Các kết quả nghiên cứu đã góp phần
xây dựng thiết kế các thuật tốn định tuyến, kiến trúc phần mềm cơng cụ hỗ trợ đánh giá
hiệu năng mạng nhằm tăng cường tìm kiếm các giải pháp thiết kế tô-pô mạng mới cũng

như là thuật toán định tuyến mới trong tương lai.
Đối với lĩnh vực thiết kế thuật tốn định tuyến, NCS đã đóng góp 04 cơng trình
nghiên cứu. Đối với lĩnh vực xây dựng phần mềm hỗ trợ mô phỏng đánh giá thực nghiệm,
NCS đã đóng góp 02 cơng trình trên Chun san các cơng trình nghiên cứu phát triển
cơng nghệ thơng tin và truyền thông. Dự án nghiên cứu vẫn đang được tiếp tục phát triển
và mở rộng các nhánh nghiên cứu chuyên biệt.
Đối với cộng đồng nghiên cứu khoa học, các kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp thêm
nguồn tài liệu tham khảo, các khảo sát hữu ích nhằm phục vụ nghiên cứu và đề xuất các
giải pháp thiết kế tô-pô mạng hiệu quả trong tương lai. Kết quả nghiên cứu là tài liệu có
giá trị tham khảo đối với các tổ chức, doanh nghiệp xây dựng, triển khai các DC cỡ vừa
và nhỏ tại Việt nam như các tổ chức ngân hàng, các DC ngành (Bộ, Ban, tổ chức xã hội).
Ngồi ra, kết quả nghiên cứu này cũng có giá trị tham khảo đối với các doanh
nghiệp chuyên biệt về tổ chức xây dựng và vận hành các DC hiện đại như Viettel DC,
FPT DC, VTC DC, VNPT DC, EVN DC,…
Trong quá trình thực hiện các nhiệm vụ của các đề tài nghiên cứu khoa học, tại
phịng thí nghiệm SedicLab – Viện Công nghệ Thông tin và Truyền thông, Đại học Bách
Khoa Hà Nội, dưới sự hướng dẫn của tập thể hướng dẫn và các thành viên nghiên cứu,
nhóm nghiên cứu đã hình thành cơng cụ mơ phỏng giả lập truyền tin, SSiNET, được
triển khai phục vụ nghiên cứu tại phịng thí nghiệm. Cơng cụ mơ phỏng này hiện nay
đang được hoàn thiện, mở rộng thêm các chức năng và các phương thức thực nghiệm,
tiến tới công bố rộng rãi trên Internet, hỗ trợ cho các nhà nghiên cứu khác trong cùng
lĩnh vực. NCS đã có đóng góp trong định hướng nghiên cứu chung của phịng thí nghiệm.
Sau đây, NCS xin trình bày những đóng góp chính với sự đồng ý của tập thể hướng dẫn
và các thành viên nhóm nghiên cứu.
Những đóng góp mới của nghiên cứu bao gồm hai nội dung chính:
(i) Đề xuất giải thuật định tuyến mới
+ Định tuyến rút gọn (Compact Routing) dựa trên các liên kết ngẫu nhiên như là
các cầu nối giữa các vùng nút mạng ở xa nhau (CORRA: CT2).
+ Định tuyến rút gọn dựa trên các nút đại diện cho mỗi vùng nút mạng (GLCR:
CT3), có điều chỉnh phương thức tuyển chọn các nút đại diện (IJDST: CT5).

(ii) Đề xuất công cụ thực nghiệm mô phỏng đánh giá hiệu năng mạng:
+ Xây dựng kiến trúc hệ thống của công cụ phần mềm SSiNET (CT4), thực hiện
giả lập cơ chế truyền tin trong mạng.
+ Ứng dụng công cụ phần mềm để đề xuất mơ hình tơ-pơ lai cho các DC cỡ vừa,
tiết kiệm chi phí và đáp ứng khơng gian mở phù hợp với điều kiện thực tiễn tại
Việt Nam (CT6).
12


Các đề xuất trong quá trình nghiên cứu và các kết quả nghiên cứu được trình bày
trong luận án theo cấu trúc như sau:
Trong chương 1, NCS trình bày tổng quan các vấn đề chính, bao gồm:
 Tổng quan về tô-pô mạng, các thành phần cơ bản cấu thành tô-pô mạng, thuật
toán định tuyến và các yếu tố hiệu năng mạng.
 Tình hình nghiên cứu và các nghiên cứu liên quan về thiết kế tơ-pơ và các
thuật tốn định tuyến trên thế giới và trong nước.
 Nghiên cứu, khảo sát đánh giá thực nghiệm mô phỏng truyền tin trên mạng;
Tổng quan về phương pháp và công cụ hỗ trợ mô phỏng đánh giá hiệu năng mạng:
các công cụ như NS2 [1], NS3 [2], Simgrid [3], Omnet++ [4],.
Trong chương 2, NCS trình bày bài tốn nghiên cứu thứ nhất thơng qua việc đề
xuất phương pháp truyền tin giữa các cặp nguồn – đích trong tơ-pơ mạng bằng các giải
pháp định tuyến rút gọn. Trong đó, bao gồm các nội dung chính như sau:
 Tổng quan về phương pháp định tuyến rút gọn và các nghiên cứu liên quan.
 Định tuyến theo mơ hình phân cấp (Hierarchical Routing).
 Định tuyến khai thác thơng tin cầu trong vùng hàng xóm của các nút nguồn
(CORRA);
 Định tuyến khai thác thơng tin cầu, có lựa chọn điều chỉnh đồng đều vị trí các
nút đại diện (landmark set) (GLCR).
Trong chương 3, NCS trình bày về phương pháp giải quyết bài toán về việc thiết
kế xây dựng phần mềm hỗ trợ mô phỏng thực nghiệm SSiNET và ứng dụng công cụ

phần mềm trong việc đề xuất giải pháp thiết kế tô-pô mạng mới Bus-RSN nhằm giải
quyết bài toán xây dựng DC cỡ vừa và nhỏ phù hợp với điều kiện thực tế tại các doanh
nghiệp ở Việt Nam. Nội dung trình bày bao gồm các nội dung chính như sau:
 Mơ hình, phương pháp mơ phỏng giản lược.
 Phân tích các u cầu của cơng cụ mơ phỏng.
 Kiến trúc tổng quan của công cụ mô phỏng SSiNET.
 Giới thiệu thiết kế chi tiết kỹ thuật và thiết kế chi tiết các gói của cơng cụ mơ
phỏng đánh giá hiệu năng của tô-pô mạng
 Mô phỏng quá trình truyền tin và đánh giá thực nghiệm bởi SSiNET.
 Xây dựng đề xuất giải pháp triển khai tô-pô mạng lai mô phỏng điều kiện thực
tiễn và thực nghiệm đánh giá bởi công cụ SSiNET.
Kết luận và hướng phát triển: trình bày tổng hợp các đề xuất và hướng phát trong
lĩnh vực nghiên cứu tơ-pơ mang và thuật tốn định tuyến.

13


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Mục tiêu chính của luận án là đề xuất giải pháp định tuyến và đề xuất công cụ mơ
phỏng đánh giá hiệu năng mạng ngẫu nhiên có kích thước lớn. Do vậy, trong Chương
này, NCS trình bày hai bài toán nghiên cứu nhằm đáp ứng mục tiêu đó, tương ứng.
Trước hết, giới thiệu tổng quan cấu trúc tổ chức của các mạng và các nghiên cứu
liên quan đến q trình xác định đường đi của các gói tin giữa các cặp nguồn – đích trong
mạng (mục 1.1). Đây là nội dung cơ bản để cung cấp cho người đọc những khái niệm
mang tính cơ sở và những tham số hiệu năng mạng được sử dụng trong việc xây dựng
bài toán nghiên cứu.
Trong mục 1.2, NCS giới thiệu hai bài toán nghiên cứu: i) bài toán định tuyến rút
gọn (compact routing) cho tô-pô mạng ngẫu nhiên tựa đồ thị lưới; ii) xây dựng kiến trúc
công cụ mô phỏng giả lập hỗ trợ đánh giá hiệu năng mạng liên kết. Trong nội dung này,
các bài toán mới chỉ được phát biểu hình thức, do đó, trong chương 2 và chương 3, NCS

trình bày chi tiết nội dung và kết quả đạt được của các bài toán nghiên cứu tương ứng.
Để giải quyết bài toán thứ nhất, NCS đã đề xuất hai giải pháp định tuyến là
CORRA và GLCR, đối với tơ-pơ mạng ngẫu nhiên có kích thước lớn, nội dung chi tiết
được trình bày trong Chương 2. Giải pháp thứ nhất khai phá ý tưởng mới và phát triển
kịch bản định tuyến rút gọn, gọi là CORRA (Compact Routing for RAndom interconnection topologies). CORRA khai thác các tính chất mơ hình ngẫu nhiên, làm cho
chiều dài định tuyến gần đạt tối ưu (ngắn hơn các kịch bản định tuyến rút gọn phổ quát)
nhưng vẫn đảm bảo 𝑅𝑇𝑆 nhỏ. Cụ thể, thuật toán định tuyến CORRA khám phá cách sử
dụng các cầu nối giữa các vùng hàng xóm riêng biệt. CORRA có thể đạt được 𝐴𝑅𝑃𝐿 dài
hơn khơng đáng kể nhưng vẫn đảm bảo 𝑅𝑇𝑆 nhỏ hơn rất nhiều khi so sánh với thuật toán
SPR, và đủ nhỏ để cho phép kích thước mạng tăng lên hàng trăm nghìn nút.
Giải pháp định tuyến thứ hai, được gọi là GLCR, là thuật toán định tuyến rút gọn
khai thác yếu tố địa lý của các nút đại diện. Đề xuất này cải tiến kịch bản định tuyến phổ
quát TZ bằng việc đưa ra kỹ thuật lựa chọn nút đại diện mới. Trong kỹ thuật đó, các nút
đại diện được chọn rời xa các nút đại diện khác sao cho chúng được phân bố đều trên
toàn mạng. Các kết quả thực nghiệm cho thấy, GLCR đạt được RTS nhỏ hơn, đặc biệt
nhỏ hơn đáng kể với kích thước mạng lên tới 100.000 nút, khi so sánh với TZ.
Bài toán thứ hai giới thiệu thiết kế tổng thể công cụ đánh giá hiệu năng mạng, gọi
là SSiNET và được trình bày chi tiết trong Chương 3. Công cụ này hỗ trợ thực nghiệm
cho các giải pháp định tuyến nêu trên. SSiNET cho phép người sử dụng có thể tạo ra các
tơ-pơ mạng mới, thử nghiệm với các thuật tốn định tuyến có sẵn (hoặc cài đặt mới).
SSiNET cũng được cài đặt phương thức xấp xỉ để người sử dụng có thể thực nghiệm với
tơ-pơ mạng kích thước lớn. Cơng cụ này cho phép đánh giá và so sánh các tơ-pơ có kích
thước lớn trên các phương diện truyền thống như các đặc tính đồ thị và định tuyến và
đặc tính khai thác có tải. Ngoài ra, SSiNET cho phép các nhà nghiên cứu thử nghiệm các
thiết kế tô-pô mới một cách đa dạng và linh hoạt mà khơng phải phát triển chương trình
riêng để cài đặt các tơ-pơ hoặc thuật tốn định tuyến có sẵn
Ứng dụng công cụ SSiNET để thực nghiệm và đề xuất mơ hình tơ-pơ lai BusRSN nhằm giải quyết bài toán xây dựng DC của các doanh nghiệp nhỏ và vừa. Giải pháp

14

thiết kế hướng tiết giảm chi phí và triển khai linh hoạt, có thể lắp đặt trong khơng gian
gồm nhiều phịng/sàn phân biệt. Đồng thời, chi phí đầu tư ban đầu để xây dựng DC theo
mơ hình này phù hợp với các doanh nghiệp có nguồn vốn hạn hẹp. Tính linh hoạt trong
khả năng mở rộng giúp doanh nghiệp có thể mở rộng hoặc co hẹp DC một cách dễ dàng.

1.1. Cơ sở lý thuyết
1.1.1. Tô-pô mạng (Network topology)
1.1.1.1. Giới thiệu mạng liên kết
Mạng liên kết (Interconnection Network) là một hệ thống các thiết bị (ví dụ máy
chủ, thiết bị chuyển mạch switch) được kết nối với nhau, có thể lập trình được và được
sử dụng để vận chuyển dữ liệu giữa các thiết bị đầu cuối [5]. Hình 1.1 mơ tả mạng liên
kết ở mức cao. Trong đó, các thiết bị đầu cuối (kí hiệu từ 𝑇𝐵1 đến 𝑇𝐵5) kết nối với
mạng liên kết thông qua các kết nối. Các mũi tên biểu diễn kết nối có hai chiều thể hiện
khả năng vận chuyển dữ liệu vào và ra mạng liên kết. Khi thiết bị đầu cuối 𝑇𝐵1 trao đổi
dữ liệu với 𝑇𝐵5, nó gửi một gói tin chứa dữ liệu đến mạng liên kết, quá trình chuyển
tiếp các gói tin được diễn ra trên mạng liên kết để đưa gói tin tới 𝑇𝐵5.
TB1

TB2

TB3

TB4

TB5

Interconnection Network
Hình 1.1: Mạng liên kết (Interconnection Network)

Mạng liên kết được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống máy tính và các hệ thống
chuyển mạch thông tin liên lạc. Đặc biệt, mạng liên kết được thiết kế để sử dụng ở các
mức độ khác nhau trong các hệ thống máy tính nhằm đáp ứng nhu cầu của các nhóm ứng
dụng khác nhau như: tính tốn hiệu năng cao, lưu trữ vào ra (storage I/O), các hệ thống
cluster/workgroup.... Mạng liên kết được chia ra làm bốn lĩnh vực ứng dụng chính [6]:
 On-chip networks (OCNs) hay còn được nhắc tới với thuật ngữ network-on-chip
(NoC): được sử dụng để kết nối bên trong các vi kiến trúc giữa các đơn vị chức năng,
thanh ghi (register), bộ lưu trữ trung gian (caches), các bộ vi xử lý (processor) trong các
mô đun đa chip. Hiện nay, OCNs hỗ trợ các kết nối giữa vài chục thiết bị đặt trong các
vi mạch với khoảng cách tối đa khoảng vài centimets.
 System/storage area networks (SANs): Đây là mạng liên kết được sử dụng để
kết nối các bộ vi xử lý liên kết (interprocessor) và các bộ nhớ (processor-memory) trong
các hệ thống đa nhân và hệ thống đa máy tính (multicomputer). Ngồi ra SANs cũng
được sử dụng để kết nối các thành phần lưu trữ và thành phần xử lý vào ra trong môi
trường gồm các máy chủ và các DC. Số lượng thiết bị được kết nối trong SANs có thể
lên tới hàng nghìn thiết bị khác nhau phân bố với khách cách khoảng vài trăm mét.

15


Hình 1.2: Các ứng dụng trên mạng [6]

 Local area networks (LANs): Đây của mạng liên kết được sử dụng để kết nối hệ
thống máy tính cá nhân. Ban đầu, các mạng LAN chỉ kết nối hàng trăm thiết bị, nhưng
với cầu nối (bridges), mạng LAN có thể kết nối lên đến vài nghìn thiết bị. Khoảng cách
kết nối tối đa bao phủ khu vực có đường kính một vài kilomet, cho đến vài chục kilomet.
 Wide area networks (WANs): WANs kết nối các hệ thống máy tính phân bố
phân tán trên tồn thế giới với hàng triệu máy tính trên khoảng cách lớn.
Hình 1.2 ( [6]) minh họa mối quan hệ giữa các lĩnh vực ứng dụng của mạng liên
kết với số lượng thiết bị (được biểu diễn bởi trục ngang) được kết nối trong mạng cũng

như khoảng cách giữa chúng (biểu diễn bởi trục dọc). NCS tập trung cho các mạng liên
kết ứng dụng trong lĩnh vực SANs. Đặc biệt, các vấn đề liên quan đến mạng liên kết
phục vụ tính tốn hiệu năng cao, và DC.
1.1.1.2. Cấu trúc mạng liên kết
Cấu trúc mạng1 hay còn gọi là tô-pô mạng là mẫu thiết kế thể hiện sự sắp đặt các
nút mạng và các kết nối giữa các nút mạng với nhau hay được hiểu là một phương pháp
sắp xếp các kênh truyền và nút mạng. Trong mỗi ứng dụng cụ thể, quá trình lựa chọn
cấu trúc mạng là rất quan trọng, bởi đây là yếu tố liên quan trực tiếp đến cài đặt chi tiết.
Cấu trúc mạng ảnh hưởng tới thông số kĩ thuật của bộ chuyển tiếp trung gian như số
cổng kết nối, tốc độ truyền tin cần thiết. Cấu trúc mạng ảnh hưởng tới chi phí của và
quyết định đến quá trình định tuyến. Mỗi mẫu kết nối giữa nút mạng yêu cầu các thuật
toán định tuyến riêng biệt nhằm đảm bảo hiệu năng của mạng liên kết. Tóm lại, cấu trúc
mạng được chọn sử dụng dựa trên chi phí và hiệu năng của nó.
Có rất nhiều loại cấu trúc mạng đuợc thiết kế và ứng dụng trong thực tế. Một cách
tổng quát, có năm loại cơ bản sau:
Tô-pô mạng dạng (Bus): các nút mạng kết nối với nhau thông qua chia sẻ một
kênh truyền dùng chung (Hình 1.3-Bus). Bus là cách kết nối các nút mạng đơn giản nhất,
dễ cài đặt và mở rộng. Bus tiêu tốn ít dây nối nên rẻ hơn các cấu hình mạng khác. Tuy
nhiên sử dụng Bus phải quan tâm đến vấn đề điều khiển luồng khi mà hai nút mạng muốn

1

Cấu trúc hình học thể hiện sự kết nối của các thiết bị trong mạng
16


truyền tin tại cùng một thời điểm trên cùng một đường Bus. Tóm lại, Bus chỉ phù hợp
sử dụng cho những mạng liên kết nhỏ và không yêu cầu tốc độ cao.

RING

Fully
Connected

STAR

LINE

TREE

MESH

BUS

Hình 1.3: Các dạng tơ-pơ mạng cơ bản

 Tơ-pơ mạng hình sao (Star): cấu hình mạng dạng sao bao gồm một nút mạng
trung tâm đóng vai trị như cầu nối để chuyển tiếp dữ liệu (Hình 1.3-Star). Star cũng dễ
dàng mở rộng quy mô bằng cách nâng cao số kết nối của nút mạng trung tâm. Nhược
điểm của Star là bị phụ thuộc vào khả năng, cấu hình phần cứng của nút mạng trung tâm.
 Tơ-pơ mạng dạng hình trịn (Ring): hay cịn gọi là mạng hình trịn, trong đó mỗi
một nút liên kết trực tiếp với đúng hai nút mạng liền kề tạo thành một vịng trịn khép
kín (Hình 1.3-Ring). Trong Ring khơng có nút mạng trung tâm, mọi nút mạng là bình
đẳng. Tuy nhiên Ring dễ gặp vấn đề khi một nút mạng xảy ra sự cố. Thêm nữa, việc
thêm, bớt hay bảo trì một nút mạng cũng có thể ảnh hưởng đến sự hoạt động của mạng.
 Tơ-pơ mạng dạng lưới (Mesh): Hình 1.3-Mesh, trong đó một nút mạng liên kết
trực tiếp với các nút mạng khác theo dạng lưới. Mesh được sử dụng rộng rãi trong các
mạng truyền thống nhờ tính chất đơn giản của cấu hình mạng và dễ định tuyến [7].
 Tơ-pơ mạng dạng cây (Tree): Mạng hình cây là sự kết hợp của bus và star (Hình
1.3-Tree). Dựa vào đó, những cấu hình mạng như là 𝑘-ary 𝑛-dimensional mesh hoặc là

𝑘-ary 𝑛-dimensional torus đã được thiết kế và phát triển [7].
1.1.1.3. Các thành phần trong mạng liên kết
Để đáp ứng được các yêu cầu của từng lĩnh vực ứng dụng cụ thể (ví dụ như độ trễ
truyền tin hay chi phí), mạng liên kết được xây dựng thông qua việc cân nhắc các ràng
buộc kĩ thuật nhằm cài đặt ba yếu tố cấu hình mạng (topology), định tuyến (routing) và
điều khiển luồng (flow control). Trong hầu hết các ứng dụng, thay vì các thiết bị đầu
cuối được kết nối với nhau từng đôi một, mạng liên kết được cài đặt dưới dạng một nhóm
các bộ chuyển tiếp trung gian (router) dùng chung kết nối thông qua các kênh truyền.
Các thiết bị đầu cuối, bộ chuyển tiếp trung gian được gọi là nút mạng (network node).
Các gói tin được truyền giữa các thiết bị đầu cuối bằng cách chúng được chuyển
tiếp một vài lần thông qua các kênh truyền dùng chung và bộ chuyển tiếp trung gian từ
nguồn tới đích. Định tuyến là quá trình lựa chọn và chỉ ra con đường nào sẽ được chọn
để gói tin truyền theo. Q trình định tuyến cần ưu tiên lựa chọn những con đường ngắn

17


nhất trong khi vẫn đảm bảo được yêu cầu cân bằng tài nguyên dùng chung trên mạng
(bộ chuyển tiếp, kênh truyền). Độ dài của đường đi liên quan tới độ trễ (latency) truyền
tin của mạng, trong khi tải (load) thể hiện khối lượng sử dụng của một tài nguyên cụ thể.
Tại một thời điểm, một tài nguyên có thể được yêu cầu sử dụng bởi các gói tin
khác nhau. Điều khiển luồng là quá trình lựa chọn, ra lệnh cho gói tin nào được quyền
truy cập vào một tài nguyên cụ thể tại thời điểm đó. Điều khiển luồng được thực hiện
liên tục theo thời gian và đóng vai trị quan trọng trong việc vừa chuyển tiếp các gói tin
với độ trễ nhỏ nhất, vừa đảm bảo được các tài nguyên không bị sử dụng quá tải, hoặc
không được sử dụng trong thời gian dài.
1.1.1.4. Một số khái niệm liên quan đến mạng liên kết
a. Nút mạng và kênh truyền
Cấu trúc của mạng liên kết được xác định bởi một tập hợp các nút mạng (kí hiệu
𝑁 ) mà chúng được kết nối bởi một tập hợp các kênh (gọi là 𝐶). Mỗi một thiết bị chuyển

tiếp hoặc tính tốn trên mạng được biểu diễn là một nút mạng (thiết bị đầu cuối) 𝑁 trong
đó 𝑁 ⊆ 𝑁 ∗ . Tất cả các nút mạng được xem như là thiết bị đầu cuối, và mỗi kênh 𝑐 =
(𝑥, 𝑦) ∈ 𝐶, kết nối nút nguồn 𝑥 đến nút đích 𝑦, với 𝑥, 𝑦 ∈ 𝑁 ∗ .
∗

Kênh 𝑐 = (𝑥, 𝑦) được đặc trưng bởi băng thơng (bandwidth) của nó, 𝑤𝑐 hoặc 𝑤𝑥𝑦 ,
số lượng các tín hiệu song song trên kênh 𝑐; tần số của nó, 𝑓𝑐 hoặc 𝑓𝑥𝑦 , tốc độ bit được
vận chuyển trên mỗi tín hiệu; và độ trễ của nó, 𝑡𝑐 hoặc 𝑡𝑥𝑦 , là thời gian cần thiết cho một
bit để đi từ 𝑥 đến 𝑦. Đối với hầu hết các kênh, độ trễ có liên quan trực tiếp đến độ dài
vật lý của các kênh, 𝑙𝑐 = 𝑣 ∗ 𝑡𝑐 , bởi vận tốc truyền 𝑣. Băng thông của kênh 𝑐 là 𝑏𝑐 =
𝑤𝑐 ∗ 𝑓𝑐 . Trong trường hợp băng thông của tất cả các kênh đều giống nhau, ký hiệu 𝑏
được xem như là băng thông của mạng.
Với mỗi switch (nút mạng trung gian), 𝑥 có một tập kênh 𝐶𝑥 = 𝐶𝐼𝑥 ∪ 𝐶𝑂𝑥 . Trong
đó, 𝐶𝐼𝑥 = {𝑐 ∈ 𝐶|𝑇𝑐 = 𝑥} là tập kênh vào, và 𝐶𝑂𝑥 = {𝑐 ∈ 𝐶|𝑆𝑐 = 𝑥} là tập kênh ra. Bậc
của 𝑥 là 𝛿𝑥 = |𝐶𝑥 | đó là tổng các bậc vào, 𝜃𝐼𝑥 = |𝐶𝐼𝑥 |, và bậc ra, 𝜃𝑂𝑥 = |𝐶𝑂𝑥 |. Trong
trường hợp bậc của ∀𝑥 ∈ 𝑁 ∗ là như nhau, ký hiệu chung là 𝜃.
b. Kết nối trực tiếp và kết nối gián tiếp
Đối với hoạt động truyền thơng trong mạng, một nút mạng có thể là một nút nguồn
(gửi) và nút đích (nhận) cho các gói tin, một nút chuyển đổi (switch node) chuyển tiếp
các gói tin từ cổng vào đến cổng ra, hoặc cả hai.
Trong mạng trực tiếp (Direct Network), chẳng hạn như, Hình 1.4 (b), tất cả các
nút mạng vừa là thiết bị đầu cuối vừa là một thiết bị chuyển mạch. Trong mạng gián tiếp
(Indirect Network), như Hình 1.4 (a), một nút hoặc là một thiết bị đầu cuối (nút hình
trịn) hoặc một switch (nút hình chữ nhật). Trong mạng trực tiếp, các gói tin được chuyển
tiếp trực tiếp giữa các nút đầu cuối, trong khi trong mạng gián tiếp chúng được chuyển
thông qua các nút chuyển mạch, Hình 1.4 (a). Một số mạng như mạng ngẫu nhiên, Hình
1.4 (c), là khơng trực tiếp hoặc gián tiếp. Mỗi mạng trực tiếp có thể được thiết kế thành
mạng gián tiếp bằng cách tách nút đầu cuối thành các nút chuyển mạch.
18

(a): mạng 2-ary 3-fly

(b): mạng 3 ary 2-cube

(c): mạng không đồng nhất

Hình 1.4: Mạng trực tiếp và gián tiếp

c. Lát cắt và đường đi trong mạng
Lát cắt của một mạng, 𝐶 (𝑁1 , 𝑁2 ), là một tập hợp các kênh phân vùng tập của tất
cả các nút mạng 𝑁 ∗ thành hai tập hợp con tách rời nhau, 𝑁1 và 𝑁2 . Mỗi phần tử của
𝐶 (𝑁1 , 𝑁2 ) là một kênh với một nguồn trong 𝑁1 và đích trong 𝑁2 , hoặc ngược lại. Số
lượng các kênh trong việc cắt giảm là |𝐶 (𝑁1 , 𝑁2 )| và tổng băng thông của lát cắt là:
𝐵(𝑁1 , 𝑁2 ) = ∑𝑐∈𝐶(𝑁1,𝑁2) 𝑏𝑐

(CT 1.1)

Lát cắt (Bisection) là đường chia mạng thành hai phần tương đương nhau về số
lượng, như vậy |𝑁2 | ≤ |𝑁1 | ≤ |𝑁2 | + 1, và |𝑁2 ∩ 𝑁| ≤ |𝑁1 ∩ 𝑁| ≤ |𝑁2 ∩ 𝑁| + 1. Các
kênh chia làm hai đoạn của mạng, 𝐵𝐶 là kênh tối thiểu tính trên tất cả các phần của mạng
𝐵𝐶 =

min |𝐶 (𝑁1 , 𝑁2 )|

𝑏𝑖𝑠𝑒𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛𝑠

(CT 1.2)

Việc chia mạng làm hai tập tương đương nhau về kích thước, dẫn tới băng thơng

của mạng, 𝐵𝐵 , là băng thông tối thiểu trên tất cả các phần của mạng, được tính bằng
𝐵𝐵 =

min |𝐵(𝑁1 , 𝑁2 )|

𝑏𝑖𝑠𝑒𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛𝑠

(CT 1.3)

Đối với các mạng băng thông kênh đồng nhất 𝑏, thì 𝐵𝐵 = b. 𝐵𝐶
Đường đi trong mạng là tập hợp có thứ tự các kênh 𝑃 = (𝑐1 , 𝑐2 , … , 𝑐𝑛 ), trong đó
𝑇𝑐𝑖 = 𝑆𝑐𝑖+1 với 𝑖 = 1,2, … , (𝑛 − 1). Các nguồn của 𝑃 là, 𝑆𝑃 = 𝑆𝑐1 và đích đến là 𝑇𝑃 =
𝑇𝑐𝑛 . Chiều dài của một đường là |𝑃|, tính theo hop count. Trong một mạng cụ thể, 2 cặp
nút nguồn – đích được gọi là có liên kết với nhau nếu tồn tại đường đi giữa chúng.
1.1.2. Giới thiệu giải thuật định tuyến
1.1.2.1. Khái niệm định tuyến
Định tuyến là quá trình lựa chọn và xác định đường để truyền gói tin từ nguồn tới
đích trong một mạng xác định. Giải thuật định tuyến là thuật toán dùng để lựa chọn con
đường nói trên. Thuật tốn định tuyến có vai trị quan trọng bởi một số lý do sau:
(i) Thuật toán định tuyến giúp cân bằng tải trong q trình truyền tin, có nghĩa là
lượng thơng tin được truyền qua mỗi liên kết là tương đương nhau. Từ đó, việc tranh

19


chấp tài nguyên và tắc nghẽn (deadlock) được giảm thiểu. Tải kênh càng cân bằng, thông
lượng của mạng càng gần đạt mức lý tưởng.
(ii) Một thuật toán định tuyến tốt giúp cho các gói tin được truyền đi theo đường
ngắn nhất, làm giảm số lượng hop. Qua đó góp phần làm giảm độ trễ truyền tin.
(iii) Ngồi ra, thuật tốn định tuyến tốt cịn có khả năng chịu lỗi khi một vài nút

mạng, hoặc liên kết xảy ra sự cố và khơng thể hoạt động. Trong trường hợp này, thuật
tốn định tuyến phải loại bỏ các phương án lựa chọn đường đi xảy ra lỗi và thay thế bằng
những đường đi khác nhằm đảm bảo sự hoạt động của mạng liên kết.
Thuật toán định tuyến kết hợp với điều khiển luồng (mục 1.1.2.2) và thiết kế tôpô hợp lý để giải quyết các bài tốn liên quan tới khóa chết (deadlock/livelock). Có rất
nhiều cách phân loại thuật tốn định tuyến khác nhau. Dựa trên số lượng đích tới của
một gói tin, truyền đơn tuyến (unicast routing) chỉ các thuật toán định tuyến các gói tin
đuợc gửi từ một nút nguồn tới một đích. Trong khi đó, truyền đa tuyến (multicast routing)
chỉ các thuật toán gửi tin tới hai hay nhiều đích trong mạng liên kết.
Thuật tốn định tuyến được phân loại dựa trên địa điểm mà quyết định định tuyến
được thực hiện. Một cách đơn giản, đường truyền tin có thể được quyết định ngay tại
nguồn (source routing), tại bộ điều khiển tập trung (centralized routing) hoặc được quyết
định một cách phân tán (distributed routing) tại các nút mạng trong q trình truyền tin.
Thuật tốn định tuyến được cài đặt theo nhiều cách khác nhau. Một vài cách phổ
biến nhất được áp dụng đó là sử dụng bảng định tuyến (table lookup routing) hoặc sử
dụng máy trạng thái hữu hạn (finite-state machine routing). Trong cả hai trường hợp này
thuật toán định tuyến đều có thể là định tuyến xác định (deterministic) hoặc định tuyến
thích nghi (adaptive). Định tuyến xác định là các thuật toán định tuyến mà đường đi giữa
nút nguồn 𝑆 và nút đích 𝑇 được chọn trước và khơng đổi trong mọi lần định tuyến. Định
tuyến thích nghi (mục 1.1.2.2) là phương pháp định tuyến dựa vào trạng thái của mạng
để xác định đường đi chính xác tại mỗi lần lựa chọn. Trạng thái này bao gồm thông tin
về các nút mạng, các liên kết trong mạng, thông tin về yêu cầu sử dụng các liên kết…

(a) Định tuyến tối thiểu (Minimal routing)

(b) Định tuyến khơng tối thiểu

Hình 1.5: Ví dụ về định tuyến trên mạng kết 2D-Torus [5]

Trong quá trình định tuyến, nếu tất cả các con đường được lựa chọn đều là ngắn
nhất, gọi là minimal routing, ngược lại, giải thuật có tính chất non-minimal. Hình 1.5 (

20


[5]) là một ví dụ về thuật tốn định tuyến trên mạng liên kết 4-ary 2-dimentional torus.
Thuật toán định tuyến trong Hình 1.5-a là định tuyến tối thiểu do chỉ ra con đường ngắn
nhất từ nút mạng 01 đến nút mạng 22 cịn Hình 1.5-b là định tuyến khơng tối thiểu.
Nếu các đường định tuyến được xác định tại nút mạng 01 (ngay từ đầu) thì đó là
định tuyến nguồn. Nếu đuờng đi từ nút “01” đến nút “22” luôn luôn không đổi tại mọi
thời điểm định tuyến, gọi là định tuyến xác định. Định tuyến nguồn và định tuyến xác
định thường được cài đặt sử dụng bảng định tuyến.
1.1.2.2. Phân loại các giải thuật định tuyến
a. Định tuyến cơ bản
Các thuật toán định tuyến đơn giản nhất là định tuyến xác định (deterministic
routing) – chúng gửi mỗi gói tin từ nguồn 𝑆 đến đích 𝑇 trên chính xác cùng một tuyến
đường cho mỗi lần phát sinh yêu cầu chuyển tiếp gói tin. Các mối quan hệ cho thuật tốn
định tuyến xác định là một chức năng – ví dụ, 𝑅: 𝑁 × 𝑁 → 𝑃. Sự thiếu đường thay thế
có thể tạo ra sự mất cân bằng tải lớn trong mạng. Vì vậy, đối với một nhà thiết kế quan
tâm đến trường hợp xấu nhất, các thuật toán xác định sẽ không thể là một sự lựa chọn
đầu tiên. Tuy nhiên, thuật tốn xác định vẫn có giá trị riêng.
Trước đây, nhiều mạng sử dụng định tuyến xác định bởi vì nó rất đơn giản và
khơng tốn kém để thực hiện. Ngày nay vẫn còn tồn tại những mạng sử dụng thuật toán
đường đi xác định. Điều này đặc biệt đúng đối với các cấu trúc liên kết bất thường, định
tuyến xác định dễ dàng cài đặt hơn so với định tuyến ngẫu nhiên và định tuyến thích
nghi. Đối với hầu hết các cấu trúc liên kết, có thể lựa chọn chức năng định tuyến xác
định ngắn nhất, đảm bảo độ dài đường đi sẽ là ngắn. Đối với một số cấu trúc liên kết,
các phương pháp định tuyến xác định tiếp cận cân bằng tải thực cũng tốt như bất kỳ thuật
toán định tuyến tối thiểu khác, bao gồm định tuyến thích ứng.
Hai thuật tốn định tuyến xác định thường được sử dụng rộng rãi là DestinationTag Routing (DTR) trong tô-pô Butterfly và Dimension-Order Routing (DOR) trong tôpô Tori và Mesh. Cả DTR và DOR đều sử dụng địa chỉ nút đích (𝑛-digit radix-𝑘) để thực
hiện định tuyến. Tuy nhiên, kỹ thuật định tuyến của mỗi thuật toán là khác nhau. DTR
dựa trên địa chỉ đích đến để quyết định định tuyến theo kỹ thuật UP/ DOWN, trong khi

DOR tiến hành định tuyến dựa trên vị trí của nút nguồn và nút đích)
Hình 1.5-a minh họa ví dụ về DOR trên tô-pô 2-D Torus, nút nguồn là “01” và
nút đích là “22”. Mỗi chiều của Torus thể được định tuyến cùng chiều hoặc ngược chiều
(do tính chất nối vịng của tơ-pơ Torus), do đó, DOR xác định đường ngắn nhất theo
chiều thứ nhất và tiếp theo là đường ngắn nhất theo chiều thứ hai (đối với 2-D Torus).
b. Định tuyến xác định và định tuyến thích nghi
Định tuyến xác định ngẫu nhiên (Oblivious Routing), trong đó, các gói tin được
truyền đi mà không xem xét trạng thái mạng. Dạng định tuyến này được thực thi đơn
giản bằng cách gửi gói tin đến một nút mạng được chọn ngẫu nhiên và gần nhất đối với
nút hiện thời, sau đó, từ nút mạng được chọn sẽ định tuyến đến nút đích, ví dụ, thuật tốn

21


định tuyến ngẫu nhiên Valiant [5]. Hiệu suất định tuyến có thể được cải thiện nếu kèm
theo thơng tin mạng, tuy nhiên, sự tính tốn thiếu cẩn trọng có thể dẫn đến suy giảm hiệu
suất. Sự đánh đổi của định tuyến tức thời là giữa tính cục bộ và cân bằng tải.
Khác với định tuyến xác định ngẫu nhiên, định tuyến thích nghi (Adaptive
Routing) sử dụng thơng tin về trạng thái mạng, sử dụng hàng đợi, lựa chọn đường thay
thế (khi cần) để chuyển tiếp gói tin. Định tuyến thích nghi phụ thuộc vào trạng thái mạng,
cho nên nó kết hợp mật thiết cùng với các cơ chế điều khiển luồng. Điều này trái ngược
với thuật toán định tuyến xác định và định tuyến xác định ngẫu nhiên.
Về lý thuyết, định tuyến thích nghi sẽ tốt hơn định tuyến xác định ngẫu nhiên, khi
nó được sử dụng thơng tin trạng thái mạng. Tuy nhiên, trong thực tế, nhiều thuật toán
định tuyến thích nghi cho hiệu suất tồi tệ nhất. Điều này phần lớn do tính chất địa phương
tự nhiên của hầu hết các thuật tốn định tuyến thích ứng thực tế. Bởi vì chúng sử dụng
thơng tin trạng thái mạng chỉ địa phương (ví dụ, độ dài hàng đợi cục bộ) trong việc đưa
ra quyết định định tuyến, chúng định tuyến để đảm bảo cân bằng tải địa phương nhưng
thường dẫn đến sự mất cân bằng toàn cục.
Các vấn đề liên quan tới định tuyến thích ứng được minh họa bằng việc xem xét

trường hợp mạng RING – 8 nút đơn giản, Hình 1.6. Nút 5 đang gửi một dịng liên tục
của các gói tin đến nút 6, sử dụng tất cả băng thơng có sẵn trên kênh (5; 6).

Hình 1.6: Định tuyến thích ứng trên tơ-pơ RING 8-nút.

Nút (3) muốn gửi một gói tin đến nút (7) và có thể chọn giữa con đường thông
qua các nút (4) đến (6) hoặc con đường khác thông qua các nút (2) đến nút (0). Nút
(3) không biết lưu lượng truy cập đồng thời giữa các nút (5) và (6). Trong cùng một
thời điểm, nút (3) gửi gói tin đến nút (7). Nó có thể chọn một trong hai con đường chiều
kim đồng hồ, biểu hiện bằng một mũi tên nét liền, hoặc các tuyến đường ngược chiều,
biểu hiện bằng một mũi tên nét đứt, rõ ràng rằng các bộ định tuyến tại nút (3) nên chọn
con đường ngược chiều để tránh sự xung đột trên kênh (5; 6).
c. Điều khiển luồng (flow control)
Điều khiển luồng (flow control) là quá trình xác định cách thức các tài nguyên
trên mạng (kết nối, bộ đệm tại các nút mạng…) được phân phối cho các gói tin sử dụng
trong q trình truyền tin. Điều khiển luồng tốt là cách thức phân phối tài nguyên một
cách có hiệu quả qua đó truyền tin với độ trễ nhỏ xác định trước. Điều khiển luồng cung
cấp cơ chế cho người nhận để kiểm soát tốc độ truyền dẫn, để các nút nhận (receiving
node) không phải là quá tải với các dữ liệu từ nút gửi (sending node). Điều khiển luồng
nên được phân biệt với điều khiển tắc nghẽn, được sử dụng để kiểm soát luồng của dữ
liệu khi tắc nghẽn đã thực sự xảy ra [8]. Kỹ thuật điều khiển luồng có thể được phân loại
22


theo nút nhận có gửi phản hồi đến nút gửi hay khơng. Điều khiển luồng là quan trọng
bởi vì nó có thể cho một nút gửi thơng tin đi có tốc độ gửi nhanh hơn so với các nút đích
có thể nhận và xử lý nó. Điều này có thể xảy ra nếu nút nhận có lưu lượng tải cao so với
các nút gửi đi, hoặc nếu nút nhận có sức mạnh xử lý kém hơn so với nút gửi đi.
Ví dụ, hai gói tin đến từ hai cổng khác nhau tại một bộ chuyển tiếp tại cùng một
thời điểm. Dựa trên giải thuật định tuyến, hai gói tin này cần được chuyển tiếp đến cùng

một cổng ra. Trong trường hợp này, điều khiển luồng là cơ chế giải quyết sự xung đột
về yêu cầu sử dụng tài nguyên. Một phương pháp đơn giản đó là chọn một gói tin ngẫu
nhiên để chuyển tiếp và loại bỏ gói tin cịn lại (gói tin này sẽ được gửi lại sau). Đây là
cơ chế đơn giản nhất trong điều khiển luồng khi khơng lưu trữ gói tin tại các bộ chuyển
tiếp (bufferless flow-control).
Một cơ chế điều khiển luồng khác phức tạp hơn và hiệu quả hơn gọi là chuyển
mạch (circuit switching). Trong đó, nút nguồn sẽ gửi gói tin thăm dị đến nút đích. Gói
tin thăm dị chỉ bao gồm thơng tin truyền tin cơ bản (ví dụ nút nguồn, nút đích) mà khơng
bao gồm dữ liệu. Gói tin thăm dị có tác dụng đăng kí sử dụng tài nguyên tại các nút
mạng mà nó đi qua. Khi nút đích nhận được gói tin thăm dị này sẽ gửi trả một gói tin
gọi là ACK xác nhận. Nút nguồn sẽ bắt đầu truyền dữ liệu theo con đường được thiết lập
bởi gói tin thăm dị trước đó sau khi nhận được ACK. Các tài nguyên trên được gói tin
này sử dụng chỉ được giải phóng khi tồn bộ dữ liệu đến với nút đích. Trong trường hợp
một gói tin thăm dị khơng được cấp phát tài nguyên ngay lập tức tại một nút mạng, nó
sẽ được lưu trữ lại trong hàng đợi (do kích thước gói tin thăm dị nhỏ) cho đến khi tài
nguyên được giải phóng. Với cách điều khiển luồng này, độ trễ truyền tin đôi khi rất lớn
khi một gói tin cần phải đợi tài nguyên được giải phóng tại nút mạng được nhiều gói tin
truyền qua (nút thắt cổ chai).
Một phương pháp điều khiển luồng khác hiệu quả hơn được gọi là “chuyển mạch
gói” (packet switching) được áp dụng để chuyển tiếp gói tin. Trong phương pháp này,
dữ liệu được chia thành các thành phần nhỏ hơn có độ dài bằng nhau gọi là gói tin
(packet). Một vài bytes đầu của gói tin chứa thơng tin định tuyến và điều khiển gọi là
tiêu đề gói tin (packet header). Trong quá trình truyền tin, nếu xảy ra tranh chấp tài
nguyên, các gói tin này sẽ được lưu trữ lại tại nút mạng đó và chờ cho đến khi tài ngun
được giải phóng. Do vậy, chuyển mạch gói cịn được gọi là lưu và chuyển tiếp (storeand-forward switching). Với cơ chế này, các phần nhỏ của toàn bộ dữ liệu được truyền
trong mạng theo các đường khác nhau nhằm tận dụng các tài ngun rảnh rỗi. Ngồi ra
q trình chờ đợi để giải phóng tài nguyên cũng ngắn hơn do kích thước của các gói tin
là nhỏ hơn rất nhiều so với kích thước dữ liệu cần truyền.
Q trình định tuyến được thực hiện khi tồn bộ gói tin được truyền tới và lưu trữ
tại nút trung gian. Tuy nhiên, trong thực tế, tiêu đề gói tin được truyền đến nút mạng này

trước khi toàn bộ phần dữ liệu mà gói tin ấy chứa truyền tới. Nhằm giảm độ trễ truyền
tin, và giảm thời gian chiếm dụng tài nguyên của một gói tin, q trình định tuyến và
chuyển tiếp tiêu đề gói tin có thể được thực hiện ngay khi tài nguyên yêu cầu sử dụng
được rảnh rỗi mà không cần phải chờ đợi tồn bộ gói tin được chuyển đến nút trung gian.

23


Với phương pháp điều khiển luồng này, một gói tin sử dụng cùng lúc cổng ra (output
port) tại một nút trung gian và cổng vào (input port) tại nút mạng tiếp theo. Phương pháp
này được gọi là chuyển tiếp thông qua mạch ảo (virtual cut-though switching).
Lưu trữ các gói tin có kích thước lên đến hàng chục bytes gây khó khăn cho việc
chế tạo các bộ chuyển tiếp có kích thước nhỏ, giá thành rẻ. Bên cạnh đó, q trình chờ
đợi các gói tin đuợc truyền tin cũng góp phần tạo độ trễ truyền tin. Nhằm khắc phục các
yếu điểm này, kỹ thuật Wormhole switching [5] đã ra được đề xuất. Trong phương pháp
này, các gói tin đuợc chia nhỏ thành các đơn vị truyền tin (flits). Kích thước bộ đệm tại
các cổng ra và cổng vào tại một nút mạng đủ lớn để chứa một vài flits, ví dụ một flits có
thể có kích thước cỡ 16 bits. Nhờ đó, u cầu về kích thước bộ đệm trong các bộ định
tuyến giảm đi đáng kể. Mặt khác, kỹ thuật Wormhole switching có thể khiến q trình
truyền tin bị tắc nghẽn. Trong trường hợp một gói tin phải đợi tài nguyên được giải
phóng, gói tin trong Wormhole Switching bị chặn lại tại nhiều bộ chuyển tiếp thay vì một
bộ chuyển tiếp duy nhất như kỹ thuật Virtual Cut-through switching.
Gói tin B
Gói tin A

R2

R1

Header Flit

R3
Data Flits

Hình 1.7: Ví dụ về tắc nghẽn của Wormhole switching

Hình 1.7 (nguồn [9]) minh họa trường hợp này. Trong đó, gói tin 𝐵 đang chiếm
bộ đệm của một cổng ra tại nút mạng 𝑅3 . Tiêu đề của gói tin 𝐴 truyền tới 𝑅3 phải đợi bộ
đệm ở cổng ra được giải phóng. Trong khi các thành phần dữ liệu của gói tin 𝐴 được lưu
trữ trong bộ đệm tại nút mạng 𝑅1 và 𝑅2 thay vì được lưu trữ tồn bộ tại 𝑅3 . Lưu ý rằng
các bộ đệm trong ví dụ này chỉ có kích thước rất nhỏ 2 flits (cỡ 32 bits).
1.1.3. Hiệu năng mạng liên kết
1.1.3.1. Đường kính mạng và trung bình độ dài đường định tuyến
Đường đi ngắn nhất giữa 2 nút mạng bất kỳ là đường đi có số lượng khoảng (hop)
bé nhất mà kết nối giữa chúng. Tập hợp các đường đi ngắn nhất giữa bất kỳ cặp nút mạng
𝑢 và 𝑣, kí hiệu là 𝐻(𝑢, 𝑣). Đường kính mạng (Diameter), kí hiệu là 𝐻𝑚𝑎𝑥 , là đường đi
lớn nhất trong tất cả các đường đi của mọi cặp nút mạng (𝐻𝑚𝑎𝑥 = max(∀𝐻(𝑢, 𝑣))).
Đường kính mạng là một tham số hiệu năng mạng được đánh giá bằng phương
pháp phân tích đồ thị. Đây là một trong những tham số hiệu năng thường được các nhà
nghiên cứu đánh giá khi xây dựng mạng liên kết dưới dạng đồ thị. Đường kính mạng
khơng thể hiện chiều dài cáp mạng mà chỉ thể hiện số hop tối đa mà một gói tin có thể
di chuyển giữa 2 đỉnh xa nhau. Đường kính mạng có ảnh hưởng đến độ trễ truyền tin
trung bình. Giá trị đường kính mạng càng lớn thì dự báo độ trễ truyền tin trung bình của
24


mạng càng tăng cao. Cho nên, các nhà khoa học tập trung xây dựng các tô-pô mạng mới
đảm bảo giá trị đường kính mạng đạt thấp.
Ngồi ra, đường kính mạng phụ thuộc vào bậc đỉnh (hoặc theo cách khác, là phụ
thuộc vào số liên kết của mỗi đỉnh). Bậc đỉnh càng cao thì đường kính mạng càng giảm,

tức là số liên kết tại mỗi đỉnh tăng lên, làm giảm số hop. Đặc biệt, số lượng các liên kết
ngẫu nhiên (kết nối giữa các đỉnh ở xa nhau) càng tăng lên, càng có khả năng làm giảm
đường kính mạng. Do đó, một trong những cách tiếp cận để xây dựng tô-pô mạng mới
hiệu quả là sử dụng các liên kết ngẫu nhiên và tăng số bậc đỉnh. Tuy nhiên, một vấn đề
hiển nhiên là khi tăng bậc đỉnh lên đồng nghĩa với chi phí thiết bị tại đỉnh đó tăng cao
(ví dụ số cổng tại mỗi thiết bị chuyển mạch).
Một tham số thứ hai được các nhà khoa học quan tâm đánh giá là trung bình chiều
dài đường đi ngắn nhất (Average Shortest Path Length - ASPL). Đơn vị của 𝐴𝑆𝑃𝐿 tương
tự như đường kính mạng, thể hiện trung bình chiều dài đường định tuyến ngắn nhất của
mạng tính theo hop. Mặc dù vậy, 𝐴𝑆𝑃𝐿 có ý nghĩa hơn khi cho biết số hop trung bình
mà tơ-pơ mạng có thể đáp ứng cho quá trình truyền tin. Dựa trên chiến lược định tuyến
được áp dụng trên tô-pô, tham số 𝐴𝑅𝑃𝐿 (Average Routing Path Length), được định nghĩa
như là trung bình chiều dài đường định tuyến. Sở dĩ tham số 𝐴𝑅𝑃𝐿 được đưa ra bởi các
chiến thuật định tuyến không tuân theo đường đi ngắn nhất, ví dụ các thuật tốn định
tuyến rút gọn, các thuật toán khai thác liên kết dài. Về mặt ý nghĩa thì 𝐴𝑆𝑃𝐿 và 𝐴𝑅𝑃𝐿 là
tương đồng nhau, tuy nhiên chúng khác nhau bởi việc áp dụng chiến lược định tuyến
đường đi ngắn nhất hay không ngắn nhất.
1.1.3.2. Độ trễ truyền tin
“Độ trễ (latency) là khoảng thời gian từ khi một gói tin được khởi tạo tại nút
nguồn đến khi gói tin đó được nhận ở nút đích” [9]. Nếu nghiên cứu liên quan đến kết
nối và các thiết bị mạng, độ trễ được định nghĩa là khoảng thời gian kể từ khi thành phần
dữ liệu đầu tiên của gói tin bắt đầu được gửi vào mạng cho đến khi thành phần dữ liệu
cuối cùng đến được đích. Mỗi nút mạng có một hàng đợi chứa các gói tin gửi đi và gói
tin nhận đuợc để chờ xử lý, do mỗi nút mạng có thể gửi và nhận cùng lúc nhiều gói tin.
Nếu q trình nghiên cứu liên quan đến sự hoạt động của hàng đợi này, độ trễ cần được
tính thêm khoảng thời gian trong hàng đợi tại nút nguồn.
Ngồi ra, một số nghiên cứu khơng chỉ tập trung chú ý tới tác động của mạng liên
kết đến độ trễ mà còn chú ý tới tác động của các hoạt động được thực hiện tại các bộ vi
xử lý nguồn/đích để gửi và nhận tin nhắn từ mạng. Các hoạt động này bao gồm tiến trình
chuẩn bị dữ liệu để truyền đi (ví dụ như xây dựng thơng tin gói tin – packet header, thành

phần kiểm tra lỗi – checksums), q trình gửi gói tin vào và lấy gói tin ra khỏi mạng.
Trong hầu hết các hệ thống, các hoạt động này được cài đặt trong phần mềm gọi là lớp
tin nhắn (messaging layer). Đối với những nghiên cứu có cân nhắc và đánh giá tác động
của lớp tin nhắn, độ trễ được định nghĩa là khoảng thời gian kể từ khi lời gọi truyền tin
của hệ thống được khởi tạo tại nút nguồn cho đến khi lời gọi nhận tin của hệ thống được
hoàn thành tại nút nguồn.

25