Môn học tín chỉ: Mạng thông tin quang. Chương 4: Mạng định tuyến bước sóng ppt

Sơ lược định tuyến và gán bước sóng trong mạng WDM Trong mạng thông tin quang định tuyến bước sóng, người sử dụng liên lạc vớinhau qua các kênh thông tin toàn quang được gọi là các kênh

Trang 1

Môn học tín chỉ: MẠNG THÔNG TIN QUANG

Giảng viên: T.S Trần Thiện Chính

Viện Khoa học kỹ thuật Bưu điện - Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Trang 2

NỘI DUNG MÔN HỌC

 Chương 1: Tổng quan mạng thông tin quang

Giảng viên: T.S Trần Thiện Chính - Học viện CNBCVT

 Chương 2: Các thành phần cơ bản của mạng thông tin quang

 Chương 3: Mạng thông tin quang ghép bước sóng

 Chương 4: Mạng định tuyến bước sóng

 Chương 5: Công nghệ mạng quang thế hệ sau

Trang 3

CHƯƠNG 4: MẠNG ĐỊNH TUYẾN BƯỚC

SÓNG

4.1 Khái quát định tuyến và gán bước sóng trong mạng WDM 4.2 Định tuyến và gán bước sóng trong mạng quang

4.3 Kỹ thuật gán kênh và định tuyến bước sóng tĩnh

4.4 Kỹ thuật gán kênh và định tuyến bước sóng động

Trang 4

4.1 KHÁI QUÁT ĐỊNH TUYẾN VÀ GÁN

BƯỚC SÓNG TRONG MẠNG WDM

4.1.1 Sơ lược định tuyến và gán bước sóng trong mạng WDM

Trong mạng thông tin quang định tuyến bước sóng, người sử dụng liên lạc vớinhau qua các kênh thông tin toàn quang được gọi là các kênh quang

Kênh quang là đường đi của tín hiệu từ nguồn đến đích dưới dạng quang thôngqua những kết nối trung gian

Một kênh quang có thể kéo dài qua nhiều tuyến truyền dẫn để cung cấp một kếtnối giữa hai nút, nó chứa một luồng lưu lượng lớn và có thể được định vị cách xanhau trong liên kết vật lý

Trong một mạng N nút, nếu mỗi nút được trang bị (N–1) bộ thu phát Laser vànếu có đủ số bước sóng trên tất cả các kết nối sợi quang, thì mọi cặp nút có thểliên kết bởi một kênh toàn quang

Tuy nhiên kích thước mạng phải có thể thay đổi được đồng thời chi phí cho các

bộ thu phát khá cao, vì thế mỗi nút chỉ trang bị một số thiết bị thu phát

Trang 5

BƯỚC SÓNG TRONG MẠNG WDM (tiếp)

 Đồng thời do ràng buộc kỹ thuật nên số kênh WDM có thể được hỗ trợ trongmột sợi quang bị giới hạn, vì vậy chỉ có một số giới hạn các kênh quang có thểđược thiết lập trên mạng

 Khi một tập các kênh quang được chọn và xác định, cần phải định tuyến cáckênh quang này và gán bước sóng cho nó, điều này được đề cập đến như làmột bài toán định tuyến và gán bước sóng (RWA)

 Bài toán RWA được phát biểu như sau: Cho một tập các kênh quang cần đượcthiết lập trên mạng và một số giới hạn các bước sóng, xác định đường đi chomỗi kênh quang và các bước sóng cần gán cho nó để sao cho số kênh quang cóthể thiết lập là lớn nhất

 Mặc dù các đường đi ngắn nhất thường có vẻ thích hợp hơn, nhưng đôi khi sựlựa chọn này phải chịu hy sinh để cho nhiều kênh quang hơn được thiết lập Vìvậy, các giải thuật thường cho phép nhiều đường đi thay phiên nhau đối với

Trang 6

 Các kênh quang không thể thiết lập được vì những ràng buộc về đường đi vàbước sóng được gọi là bị nghẽn, do vậy vấn đề tối ưu mạng tương ứng vớiviệc giảm thiểu xác suất tắc nghẽn này

 Hai kênh quang chia sẻ cùng một tuyến truyền dẫn sẽ không được gán cùngmột bước sóng Trường hợp mạng liên tục bước sóng, các Kênh quang sẽ hoạtđộng với cùng một bước sóng trên những sợi quang mà nó đi qua, trường hợpnày gọi là kênh quang thỏa mãn ràng buộc tính liên tục bước sóng (Hình 4.1)

 Tuy nhiên nếu các nút chuyển mạch được trang bị các bộ chuyển đổi bướcsóng, thì điều kiện ràng buộc về tính liên tục bước sóng không còn và mộtkênh quang có thể chuyển sang nhiều bước sóng khác nhau trên lộ trình từnguồn đến đích của nó

 Để việc định tuyến và gán bước sóng trong mạng quang WDM đạt hiệu quả,cần tiến hành mô hình hoá hệ thống Một mạng quang WDM có thể được mô

Trang 7

Hình 4.1: Định tuyến kênh quang trong mạng liên tục bước sóng

Trang 8

 Mô hình vô hướng: Trong mô hình này, mạng quang được mô hình hoá nhưmột đồ thị vô hướng G = (V,E), với V là tập các đỉnh và E là tập các cạnh nốiliền các đỉnh Mỗi đường liên kết quang trong sơ đồ mạng được biểu diễn bởimột cạnh vô hướng trong đồ thị G, và mỗi nút mạng được thể hiện bởi mộtđỉnh của đồ thị G Một yêu cầu kết nối được thể hiện bởi hai đỉnh tương ứngvới cặp nút mạng cần kết nối, không quan tâm đến thứ tự, Hình 4.2(a)

 Mô hình hữu hướng: Mạng quang được mô hình hoá như một đồ thị có hướng

G = (V,E), với V là tập các đỉnh và E là tập các đường cung có hướng nối liềncác đỉnh, mỗi đường cung thể hiện cho liên kết sợi quang đơn hướng điểm -điểm, Hình 4.3 Để thực hiện liên lạc song hướng, mỗi cặp nút cần có hai liênkết quang ngược nhau, tương ứng với hai đường cung nối liền hai đỉnh trong

đồ thị G Một yêu cầu kết nối giữa nút nguồn s và nút đích d tương đương vớithiết lập kết nối giữa hai đỉnh tương ứng trong đồ thị G và đáp ứng bằng cáchxác định đường dẫn gồm một chuỗi liên tiếp các đường cung cùng hướng dọc

Trang 9

Hình 4.2 (a): Mô hình vô hướng

định tuyến bước sóng

Hình 4.2 (b): Mô hình hữu

hướng định tuyến bước sóng

Trang 10

4.2 ĐỊNH TUYẾN VÀ GÁN BƯỚC SÓNG

TRONG MẠNG QUANG WDM

 Mạng quang WDM được đánh giá là sẽ đóng vai trò quan trọng trong cácmạng truyền dẫn thế hệ tiếp theo, nó cung cấp băng thông lớn với khả năngkhôi phục và tái cấu hình

 Bài toán RWA liên quan đến xác định đường dẫn và gán bước sóng thích hợpcho các yêu cầu kết nối và là vấn đề quản lý chính trong mạng quang WDM

 Vì hiệu suất của một mạng quang không chỉ phụ thuộc vào các tài nguyên vật

lý của nó (OXC, các bộ chuyển đổi bước sóng, các liên kết sợi quang, số bướcsóng trên sợi quang, …), mà còn phụ thuộc vào việc nó được quản lý như thếnào, nên việc giải quyết bài toán RWA phải giúp cho mạng đạt được hiệu suấttốt nhất với các điều kiện ràng buộc về mặt vật lý

 Để gửi dữ liệu từ nguồn đến đích, một đường dẫn cũng như các bước sóngdùng để truyền dữ liệu phải xác định và đó cũng là kết quả của bài toán RWA

Trang 11

TRONG MẠNG QUANG WDM (tiếp)

 Bài toán RWA được định nghĩa như sau: Cho trước một kiến trúc mạng vàmột tập các yêu cầu kết nối từ nút nguồn si đến nút đích dj, xác định đườngdẫn và bước sóng cho mỗi yêu cầu kết nối

 Mục tiêu của bài toán RWA là phân cấp các tài nguyên mạng cho các yêu cầukết nối sao cho mạng đạt được hiệu suất cao nhất

 Trong các mạng quang WDM, người sử dụng đầu cuối liên lạc với nhau quacác kênh WDM toàn quang gọi là các đường dẫn quang hay kênh quang Mỗikênh quang có thể đi qua nhiều liên kết quang từ nguồn đến đích và truyền tải

dữ liệu trên các bước sóng giống hoặc khác nhau

 Nếu không có các bộ chuyển đổi bước sóng ở các nút mạng trung gian, thì mộtkênh quang phải được thiết lập với cùng một bước sóng trên tất cả các liên kếtquang dọc theo đường dẫn từ nguồn đến đích, yêu cầu này gọi là yêu cầu liêntục bước sóng (WCC) và mạng loại này gọi là mạng liên tục bước sóng

Trang 12

 Với các bộ chuyển đổi bước sóng được sử dụng ở mỗi nút trung gian, kênhquang có thể sử dụng các bước sóng khác nhau trong các liên kết sợi quangkhác nhau trên đường dẫn từ nút nguồn đến nút đích, các mạng này được xem

là các mạng có khả năng chuyển đổi bước sóng

 Hình 4.3(a) đưa ra ví dụ về mạng WDM liên tục bước sóng Vì không có bộchuyển đổi bước sóng ở các nút mạng, nên mỗi kết nối phải sử dụng một bướcsóng duy nhất trên toàn tuyến từ nút nguồn đến nút đích

 Hình 4.3(b) cho thấy một mạng WDM chuyển đổi bước sóng, ở đó một kết nối

có thể được cấp phát các bước sóng khác nhau theo tuyến từ nguồn đến đích

Ví dụ, kết nối từ nút 3 đến nút 7 sử dụng bước sóng 1 trên liên kết (3, 4),bước sóng 3 trên liên kết (4, 8) và bước sóng 1 trên liên kết (8, 7)

 Bước sóng sử dụng để mang dữ liệu được chuyển từ 1 thành 3 ở nút 4 vàđược chuyển từ 3 thành 1 ở nút 8

Trang 14

 Tuy nhiên một kết nối cũng có thể sử dụng cùng một bước sóng (như kết nối

từ nút 5 đến nút 7 sử dụng 2) tùy thuộc vào thuật toán gán bước sóng và tàinguyên mạng sẵn có

 Trong một mạng không có bộ chuyển đổi bước sóng, các kênh quang phải sửdụng cùng một bước sóng từ nguồn đến đích Khi có một kết nối đến, bộ địnhtuyến bước sóng (WR) sử dụng giải thuật đã được thiết lập trước để chọn mộtcổng ra và một bước sóng tương ứng

 Sự chọn lựa bước sóng đóng vai trò quan trọng đối với toàn bộ xác suất tắcnghẽn, vì vậy một WR phải tìm ra đường đi cho yêu cầu thiết lập kênh quang

và gán một bước sóng sao cho tối thiểu hóa xác suất tắc nghẽn Chức năng này

có tầm quan trọng chủ yếu trong việc thiết kế các mạng toàn quang

 Về cơ bản, bài toán RWA có thể phân thành hai loại: Loại thứ nhất dành chodạng lưu lượng cố định, loại thứ hai dành cho dạng lưu lượng thay đổi

Trang 15

4.2.1 Bài toán dành cho lưu lượng cố định (S-RWA)

 Các yêu cầu về kênh quang được biết trước, tất cả mọi đường đi và bước sóngcho những kênh quang được thiết lập cố định ngay từ đầu Mỗi khi có một yêucầu đi đến, một đường đi và bước sóng đã chỉ định trước được gán cho yêucầu đó, vì vậy quy trình định tuyến không thay đổi theo thời gian

 Hơn nữa, việc thực hiện cũng không phức tạp, nó chỉ đơn giản gán một đường

đi nào đó Mục đích của phương pháp này là cực đại hoá toàn bộ dung lượngtrong mạng, nghĩa là tổng số kênh quang có thể thiết lập đồng thời lớn nhất

4.2.2 Bài toán dành cho lưu lượng thay đổi (D-RWA)

 Không thể sử dụng các giải thuật tối ưu mà cần có một giải thuật động để địnhtuyến các kết nối qua những đường đi khác nhau dựa vào sự tắc nghẽn trênnhững tuyến truyền tải Một kết nối bị nghẽn nếu như không còn đường đi nào

có thể dùng để mang nó Cho nên, trong trường hợp lưu lượng động, bài toán

Trang 16

 Cả hai bài toán S-RWA và D-RWA đều gồm hai phần: Định tuyến và gán bước sóng Định tuyến cho một yêu cầu kết nối là quá trình xác định một

tuyến quang cho yêu cầu kết nối đó từ nút nguồn đến nút đích Còn gán bướcsóng là quá trình lựa chọn bước sóng thích hợp để có thể truyền tín hiệu trêncác liên kết dọc theo tuyến quang của yêu cầu kết nối đó Hai vấn đề này cóthể giải quyết độc lập và hiệu quả bằng cách sử dụng các kỹ thuật thích hợp

 Với bài toán S-RWA, việc gán bước sóng cho các kênh quang thực hiện dựatrên các kỹ thuật tô màu đồ thị để giải quyết yêu cầu liên tục bước sóng Vớibài toán D-RWA, các phương pháp như: gán bước sóng ngẫu nhiên, thích hợptrước tiên, sử dụng ít nhất, sử dụng nhiều nhất và tắc nghẽn ít nhất có thể sửdụng để thiết lập các tuyến và gán bước sóng trên các tuyến đó Hình 4.4 minhhọa mạng quang WDM định tuyến theo bước sóng

 Thông thường để giải bài toán RWA trong mạng quang sẽ phải xem xét hai

Trang 17

Hình 4.4: Mạng quang WDM định tuyến theo bước sóng

Trang 18

+ Yêu cầu về tính liên tục bước sóng (WCC): Một kênh quang phải sử dụngcùng một bước sóng trên tất cả các liên kết dọc theo tuyến của nó từ nút nguồnđến nút đích (nếu mạng không có chức năng chuyển đổi bước sóng) Yêu cầu nàyminh họa trong Hình 4.4 thể hiện mỗi kênh quang với một màu riêng (tương ứngvới các bước sóng khác nhau) dọc theo tất cả các liên kết thuộc tuyến của nó

+ Yêu cầu cấp phát kênh phân biệt (DCA): Hai kênh quang sử dụng cùng mộtliên kết sợi quang phải được cấp phát các bước sóng khác nhau Vì WDM sửdụng kỹ thuật ghép tần số trong miền quang của các sóng mang khác nhau, nênthuật toán định tuyến phải đảm bảo rằng các kênh quang được thiết lập thoả mãnyêu cầu DCA Trong Hình 4.4, yêu cầu này được thoả mãn vì hai kênh quangdùng chung một liên kết được thể hiện có màu khác nhau (bước sóng khác nhau).Các giải thuật định tuyến và gán bước sóng được xem xét một cách khác nhautrong trường hợp mạng có và không có chức năng chuyển đổi bước sóng

Trang 19

 Trong mạng không có chức năng chuyển đổi bước sóng: Việc định tuyến vàgán bước sóng được thực hiện để cung cấp kênh quang một cách hiệu quả choyêu cầu kết nối giữa các nút mạng và phải thoả mãn đồng thời hai yêu cầuWCC và DCA Nói cách khác, khi có yêu cầu thiết lập kênh quang cho mộtkết nối, phải giải quyết bài toán RWA sao cho: với kênh quang được thiết lập,chỉ có một bước sóng được sử dụng trên toàn tuyến đó và không có liên kếtnào trong mạng được sử dụng bởi hai tuyến có cùng bước sóng

 Trong mạng có chức năng chuyển đổi bước sóng: Vấn đề định tuyến và gánbước sóng được giải quyết linh hoạt hơn nhiều Các kênh quang thiết lập choyêu cầu đó có thể sử dụng nhiều bước sóng khác nhau trên các liên kết dọctheo kênh quang đó, do vậy có thể không cần xét đến yêu cầu WCC Yêu cầuthiết lập kênh quang cho một kết nối có thể giải quyết bằng cách thiết lập mộtkênh quang cho kết nối đó với điều kiện: trên các liên kết dọc theo tuyến đóvẫn còn bước sóng rỗi và các nút mạng có thể thực hiện chuyển đổi bước sóng

Trang 20

 Đường dẫn quang trong trường hợp này còn được gọi là kênh quang chung.Như vậy, bên cạnh truyền và nhận tín hiệu, mỗi nút mạng còn cung cấp cácchức năng chuyển mạch quang và chuyển đổi bước sóng

4.2.3 Các thông số ảnh hưởng đến định tuyến bước sóng

 Có nhiều thông số khác nhau ảnh hưởng đến bài toán định tuyến, do đó ảnhhưởng đến hiệu suất hoạt động của mạng trong điều kiện lưu lượng động.Trong các thông số này, có nhiều thông số phụ thuộc lẫn nhau, bao gồm:

 Kiến trúc và kích cỡ của mạng: Một kiến trúc mạng có thể mô hình hoá nhưmột đồ thị gồm các kết nối định hướng và có trọng số Đồ thị này có vai trò rấtquan trọng trong định tuyến vì nó xác định nhiều thông số có ảnh hưởng trựctiếp đến giải pháp định tuyến như chiều dài kết nối, số đường dẫn không giaonhau, Kích cỡ của mạng là một thông số quan trọng có liên quan chặt chẽđến kiến trúc mạng, bao gồm kích cỡ của kết nối (số sợi quang) cũng như các

Trang 21

 Chức năng nút mạng: Chức năng nút mạng xác định các khả năng cho quátrình định tuyến Có hai loại nút mạng cơ bản là kết nối chéo (OXC) và bộghép kênh xen/rẽ (ADM) Cả hai loại nút mạng này đều có các biến thể vớicác chức năng khác nhau liên quan đến chuyển mạch, chuyển đổi bước sóng(không chuyển đổi, chuyển đổi hoàn toàn hoặc chuyển đổi một phần)

 Chức năng truyền dẫn: Có nhiều thông số kỹ thuật mô tả chức năng truyền tảiảnh hưởng đến vấn đề định tuyến Ví dụ, một thông số quan trọng là băngthông của kết nối Với các mạng WDM, tổng dung lượng bằng tích số giữa tốc

độ bít của mỗi kênh và số kênh bước sóng trên mỗi kết nối Số kênh bướcsóng trên mỗi kết nối xác định bởi tích số giữa số sợi quang trên một kết nối

và số bước sóng trên một sợi quang Một thông số kỹ thuật khác là khoảngcách truyền dẫn có thể đạt được với một tốc độ bít nào đó Việc này liên quanđến số bộ lặp sử dụng để đạt được hiệu suất truyền dẫn nào đó Các thông sốnày có ảnh hưởng rất lớn đến chi phí mạng và chức năng định tuyến

Trang 22

 Giải thuật cho quá trình định tuyến: Tất nhiên là giải pháp định tuyến đóng vaitrò chủ yếu đối với hiệu suất mạng trong trường hợp lưu lượng động Có nhiềugiải pháp định tuyến cơ bản khác nhau như: định tuyến đường dẫn ngắn nhất,định tuyến kết nối ít tải nhất, … Thêm nữa, các giải pháp tìm kiếm khác nhaucho việc phân cấp tài nguyên mạng cũng ảnh hưởng đến hiệu suất mạng

 Các thông số lưu lượng: Các giả định về lưu lượng làm cho định tuyến có ảnhhưởng lớn đến kết quả Rất khó để tìm được một mô tả lưu lượng nào vừa đủchính xác để khắc phục các khuyết điểm, vừa đơn giản cho việc tính toán Cácthông số sau đây có thể phân biệt một mô tả lưu lượng:

+ Dung lượng của lưu lượng: Thông số này mô tả giá trị lưu lượng thuần tuý.Với mạng WDM, nó thường biểu diễn dưới dạng số lượng đường dẫn bước sóngcần thiết giữa mỗi cặp nút mạng

+ Sự phân bố lưu lượng: Mô tả sự phân bố của lưu lượng giữa các nút mạng

Trang 23

+ Các ví dụ thường gặp là phân bố đều (nghĩa là lưu lượng bằng nhau giữa tất

cả các nút mạng) hoặc trạng thái lưu lượng phụ thuộc khoảng cách (nghĩa là lưulượng giảm với khoảng cách nút mạng tăng)

+ Đặc trưng của lưu lượng: Thông số này mô tả đặc tính của các chuỗi lưulượng như: thời gian đến giữa hai yêu cầu đường dẫn bước sóng của một cặp nútmạng, thời gian duy trì đường dẫn

Trang 24

4.3 KỸ THUẬT GÁN KÊNH VÀ ĐỊNH

TUYẾN BƯỚC SÓNG TĨNH

4.3.1 Khái niệm về định tuyến và gán bước sóng tĩnh

Định tuyến và gán bước sóng tĩnh (S-RWA) thường sử dụng trong trường hợpbiết trước trạng thái lưu lượng trong mạng và có tính ổn định, sự thay đổi chỉ diễn

ra trong các khoảng thời gian dài

S-RWA thích hợp cho cung cấp kênh quang cho một tập các kết nối gần như cốđịnh Vì các kết nối này được xem như không thay đổi trong một thời gian dài,nên cần tối ưu hoá cấp phát tài nguyên mạng (liên kết sợi quang vật lý, bước sóng

sử dụng, …) cho mỗi kết nối Bài toán định tuyến này sẽ giải quyết việc thiết lậpcác kênh quang cho một tập các yêu cầu kết nối được biết trước

Trong định tuyến và gán bước sóng tĩnh, đường dẫn và bước sóng được xác địnhtrước cho từng kết nối, không phụ thuộc vào sự thay đổi thông tin trạng thái đangdiễn ra trên mạng Khi đường dẫn và bước sóng đã xác định, các bộ định tuyếnđược lập trình để thiết lập các kênh quang đã định trước

Trang 25

TUYẾN BƯỚC SÓNG TĨNH (tiếp)

 Bài toán này phải gán các bước sóng khác nhau xác định trước cho các kênhquang dùng chung sợi quang và các bước sóng đã cấp phát cho một kết nối sẽ

sử dụng khi cần thiết lập lại kết nối đó

 Như vậy định tuyến và gán bước sóng tĩnh có độ tận dụng bước sóng thấp vìngay cả khi hai kết nối dùng chung sợi quang không xảy ra đồng thời, thìchúng vẫn phải sử dụng các bước sóng khác nhau

 Định tuyến tĩnh là một phương pháp dựa trên dung lượng, nó qui định dunglượng có thể liên lạc của một nút mạng bằng cách xác định các kênh quang đểmỗi nút có thể liên lạc cùng một lúc với mọi nút khác mặc dù việc kết nốiđồng thời như vậy hầu như không xảy ra trong thực tế

 Giải bài toán S-RWA sẽ đưa ra một tập các kênh quang tạo nên một liên kếtlogic (hay liên kết ảo) giữa các nút mạng Liên kết ảo này dựa trên liên kết vật

lý của các liên kết sợi quang và OXC

Trang 26

 Do đó, bài toán S-RWA thường xem như là một bài toán thiết kế liên kết ảo.Trong liên kết ảo, sẽ tồn tại các liên kết có hướng từ nút nguồn s đến nút đích

d của các kênh quang và nút s được gọi là cách nút d “một chặng” trong liênkết ảo, mặc dù hai nút này có thể bị phân cách bởi nhiều liên kết vật lý Liênkết ảo được tạo ra dựa vào liên kết vật lý bên dưới

 Để thực hiện các tliên kết ảo kết nối hoàn toàn với mạng N nút đòi hỏi mỗi nútduy trì (N-1) kênh quang và mạng quang phải hỗ trợ tổng số N(N-1) kênhquang việc này vượt quá giới hạn của công nghệ quang hiện tại, cả về sốlượng bước sóng và yêu cầu phần cứng quang, do vậy không thể thực hiện cácliên kết ảo kết nối hoàn toàn được

 Bài toán S-RWA có thể được phân thành 4 bài toán nhỏ như sau:

+ Bài toán về liên kết: Xác định liên kết ảo dựa trên liên kết vật lý, nghĩa làxác định các kênh quang dưới dạng các nút nguồn và nút đích của chúng

Trang 27

+ Định tuyến kênh quang: Xác định các liên kết vật lý của mỗi kênh quang,nghĩa là xác định tuyến của các kênh quang trên liên kết vật lý

+ Gán bước sóng: Xác định bước sóng cho mỗi kênh quang, nghĩa là gán bướcsóng cho các kênh quang trong liên kết ảo sao cho thoả mãn các giới hạn về bướcsóng cho mỗi liên kết vật lý Bài toán định tuyến lưu lượng: Định tuyến cho lưulượng giữa nút nguồn và nút đích trên liên kết ảo thu được

 Có thể giải bài toán S-RWA bằng cách giải quyết 3 bài toán đầu tiên là xácđịnh liên kết, định tuyến và gán bước sóng, còn việc định tuyến lưu lượng thựchiện bằng cách áp dụng các thuật toán định tuyến đã biết trên kiến trúc logic

4.3.2 Mô tả bài toán định tuyến và gán bước sóng tĩnh

 Dữ kiện:

+ Các nút mạng và liên kết vật lý (mỗi liên kết có một số lượng sợi quang haichiều nào đó biết trước)

Trang 28

+ Một ma trận lưu lượng tĩnh xác định số lượng kênh quang được yêu cầu giữacặp nút mạng

Trang 29

4.3.3 Giải thuật định tuyến và gán bước sóng tĩnh

 Bài toán S-RWA được chia thành bài toán định tuyến và bài toán gán bướcsóng, các bài toán này có thể được giải quyết riêng Sau khi giải quyết vấn đềđịnh tuyến, việc gán bước sóng phụ thuộc vào loại mạng: Nếu là mạng liên tụcbước sóng, thì bài toán gán bước sóng có thể được xem như một bài toán tômàu đồ thị còn với mạng có chuyển đổi bước sóng thì bài toán gán bước sóngđược giải quyết bằng cách chuyển đổi bước sóng thành một trong những bướcsóng rỗi ở mỗi nút mạng trung gian

4.3.3.1 Bài toán định tuyến

 Phương pháp truyền thống để giải quyết bài toán S-RWA là đầu tiên phải xácđịnh tuyến cho tất cả các kết nối và sau đó gán bước sóng cho chúng Phươngpháp định tuyến thường dùng là chọn một trong những tuyến ngắn nhất chomỗi yêu cầu kết nối vì những tuyến dài hơn thì sử dụng nhiều tài nguyên mạng

và làm cho việc cấu hình mạng ít hiệu quả hơn

Trang 30

 Nếu có nhiều tuyến ngắn bằng nhau giữa hai nút mạng cần kết nối thì quátrình định tuyến sẽ chọn ngẫu nhiên một tuyến trong số đó

 Bài toán tìm đường ngắn nhất: Cho các nút được nối bởi các liên kết 2 chiều,mỗi chiều có giá trị chi phí riêng Chi phí đường đi giữa hai nút trong mạng làtổng chi phí của các liên kết đi qua Xác định đường đi ngắn nhất (chi phí thấpnhất) giữa hai nút Chi phí đường đi của liên kết có thể đánh giá theo các tiêuchí sau: Theo số chặng đường đi, khi đó giá trị mỗi liên kết là 1; Theo giá trịliên kết, khi đó giá trị liên kết sẽ tỉ lệ nghịch tốc độ liên kết hoặc tỉ lệ thuận vớitải trên liên kết hoặc tổ hợp các đại lượng trên Để giải bài toán xác địnhđường đi ngắn nhất có thể sử dụng giải thuật Dijkstra hoặc Bellman-Ford

 Giải thuật Dijkstra: Giải thuật Dijkstra là giải thuật để giải bài toán đường đingắn nhất nguồn đơn trên một đồ thị có trọng số cạnh, mà tất cả các trọng sốđều không âm Nó xác định đường đi ngắn nhất giữa hai đỉnh cho trước, từ

Trang 31

+ Input: Đồ thị G(V,E) trong đó V là tập đỉnh, E là tập các cạnh có trọng sốkhông âm Đỉnh nguồn S: SV

+ Output: Đường đi ngắn nhất từ đỉnh nguồn s đến tất cả các đỉnh còn lại

+ Ký hiệu: Di là đường đi ngắn nhất từ nút nguồn s đến nút đích i tại bướcchạy hiện hành của giải thuật; M là tập các đỉnh đã xét tại bước chạy hiện hànhcủa giải thuật; dij là trọng số của cạnh nối từ nút i đến nút j; dij= 0 nếu i trùng j; dij

* Bước 2: Cập nhật đường đi ngắn nhất

Chọn đỉnh NV sao cho DN = min {Di} iV\M

Trang 32

M=M{N}

Dj=min{Dj,DN+dNj}jV\M

* Bước 3: Lặp lại bước 2 cho đến khi M=V

+ Kết quả Di sẽ là đường đi ngắn nhất từ nút nguồn s đến nút i

 Giải thuật Bellman-Ford: Giải thuật của Dijkstra chỉ quan tâm đến những đồthị có trọng số dương, còn giải thuật Bellman-Ford có thể giải quyết vấn đềtrong đồ thị có trọng số âm

+ Input: Đồ thị G(V,E) trong đó V là tập đỉnh, E là tập các cạnh có trọng số.Đỉnh nguồn S: SV

+ Output: Đồ thị có chu trình âm: Không tồn tại đường đi ngắn nhất Đường đingắn nhất từ đỉnh nguồn s đến tất cả các đỉnh còn lại

+ Ký hiệu: D(h) là đường đi ngắn nhất từ nút nguồn S đến nút nguồn i có tối

đa h đoạn (h link); Dij là trọng số trên cạnh nối từ nút i đến nút j; dij = 0 nếu itrùng j; dij = Eij nếu i khác j

Trang 33

(đường đi ngắn nhất từ s đến N có tối đa 1 đoạn)

* Bước 2: Cập nhật đường đi ngắn nhất

D(h+1)N = min {D(h)j + dJN } jV\{S}

* Bước 3: Lặp lại bước 2 cho đến khi không có đường đi mới nào ngắn hơnđược tìm thấy thì dừng

+ Kết quả D(h)N sẽ là đường đi ngắn nhất từ nút nguồn s đến nút N

4.3.3.2 Bài toán gán bước sóng

 Đặc điểm của mạng WDM là không cho phép hai kết nối sử dụng bước sónggiống nhau dùng chung một kết nối nhằm tránh xảy ra xung đột bước sóng

Trang 34

 Vì vậy gán bước sóng phải nhằm đến mục tiêu là số lượng các bước sóng được

sử dụng trên các tuyến là nhỏ nhất nhằm thoả mãn các yêu cầu công nghệ về

số lượng bước sóng tối đa trên một sợi cáp quang

 Xét trường hợp mạng liên tục bước sóng: Nếu mạng là liên tục bước sóng, bàitoán gán bước sóng tĩnh tương đương với bài toán tô màu cho các nút của một

đồ thị G = (V,E), trong đó V là tập các đỉnh, E là tập các cạnh Theo đó, bàitoán gán bước sóng tĩnh được thực hiện như sau:

+ Bước 1: Xây dựng đồ thị G (V,E), trong đó mỗi kênh quang được thể hiệnbởi một đỉnh trong đồ thị G và tồn tại một cạnh vô hướng giữa hai đỉnh trong đồthị G nếu các kênh quang tương ứng cùng đi qua một liên kết sợi quang vật lý

+ Bước 2: Tô màu cho các đỉnh của đồ thị G sao cho không có hai đỉnh kế cậnnào có màu giống nhau

+ Hình 4.5 minh họa cách chuyển từ một bài toán gán bước sóng thành bài

Trang 35

Hình 4.5: Chuyển bài toán gán bước sóng thành bài toán tô màu đồ thị

Trang 36

+ Giả sử có 5 kênh quang là: (0,5), (0,2), (1,3), (4,3) và (4,5) Kênh quang(0,5) và (0,2) cùng đi qua liên kết vật lý (0,1), vì thế có một cạnh kết nối đỉnh(0,5) và đỉnh (0,2) Tương tự, có thể xây dựng đồ thị như trong hình vẽ Mỗi đỉnhtượng trưng cho một kênh quang yêu cầu và giữa hai đỉnh có một đường nối nếu 2kênh quang tương ứng có chung một liên kết vật lý nào đó Từ đó bài toán gánbước sóng chuyển thành bài toán tô màu các đỉnh của đồ thị G sao cho số màu sửdụng là ít nhất và hai đỉnh có cạnh nối thì không được có cùng một màu, mỗi màu

sẽ đặc trưng cho một bước sóng sử dụng trong mạng

+ Các thuật toán tô màu đồ thị: Thuật toán tô màu đồ thị sẽ thực hiện việc tômàu cho các đỉnh V(G) = [V1, V2,…,Vn ] của một đồ thị G, theo một theo một thứ

tự nào đó Các thuật toán này gồm 3 bước cơ bản: Sắp xếp các đỉnh, chọn đỉnh kếtiếp để điểm màu và chọn màu Có nhiều phương pháp giải bài toán tô màu đồ thị,sau đây sẽ nghiên cứu một số thuật toán (Hình 4.6 mô tả sơ đồ giải thuật tô màu

đồ thị):

Trang 37

Hình 4.6: Thuật toán tô màu

đồ thị

Trang 38

+ Có thể sử dụng nhiều thuật toán tô màu đồ thị khác nhau, việc chọn lựa giảithuật nào tùy thuộc vào quyết định của nhà quản lý dựa trên đặc điểm của mạng.Sau đây là một số phương pháp tô màu thông dụng (mỗi màu tương ứng với mộtbước sóng):

* Thuật toán thích hợp trước tiên: Các bước sóng được đánh số thứ tự từthấp đến cao Phép gán này luôn chọn bước sóng có chỉ số nhỏ nhất f trong sốnhững bước sóng rỗi và gán cho yêu cầu Bất lợi của phương pháp này là cácbước sóng có chỉ số nhỏ hơn được dùng nhiều, trong khi những bước sóng có chỉ

số cao hầu như ít được sử dụng Vì vậy, đối với một số bước sóng nào đó sự tậndụng sẽ rất thấp Do đó, sự tranh chấp đối với những bước sóng có chỉ số nhỏtăng lên làm cho xác suất nghẽn mạng cũng cao hơn

Trang 39

* Thuật toán ngẫu nhiên: Khi có một yêu cầu được tạo ra tại một nút, nútchọn một bước sóng j ngẫu nhiên giữa các bước sóng đang rỗi và gán cho kết nối

đó Tập các bước sóng rỗi được cập nhật bằng cách loại bỏ j từ danh sách này vàkhi kết nối kết thúc, j được loại khỏi danh sách các bước sóng đang sử dụng vàthêm vào trở lại danh sách ban đầu Phép gán ngẫu nhiên phân phối lưu lượngmột cách tùy ý, do vậy sự tận dụng bước sóng được cân bằng và tranh chấp bướcsóng thấp nên tỉ lệ ngẽn cũng thấp hơn Nhìn chung, phương pháp thích hợp trướctiên thực hiện tốt hơn so với phương pháp ngẫu nhiên khi có đầy đủ thông tin vềtrạng thái mạng Tuy nhiên, trong trường hợp thông tin bị hạn chế hoặc được cậpnhật không kịp thời thì việc cấp phát bước sóng theo phương pháp ngẫu nhiên cóthể tốt hơn phương pháp thích hợp trước tiên Lý do là trong phương pháp thíchhợp trước tiên, nếu cùng một lúc có nhiều yêu cầu kết nối muốn thiết lập mộtđường quang, thì hầu như chúng sẽ cùng chọn một bước sóng giống nhau dẫn đếntăng xác suất nghẽn

Trang 40

* Thuật toán lớn nhất trước tiên: Đây là phương pháp khá đơn giản, các

kênh quang sẽ được sắp xếp theo thứ tự từ tuyến dài nhất đến tuyến ngắn nhất.Một bước sóng sẽ được gán cho các tuyến theo thứ tự này đến khi không còn thoảmãn được điều kiện về xung đột bước sóng Sau đó, chuyển sang gán bước sóng

kế tiếp Quá trình này tiếp tục cho đến khi hết số kênh quang

* Thuật toán nhỏ nhất cuối cùng: Trong phương pháp này các nút của đồ thị

G sắp xếp theo thứ tự từ lớn đến nhỏ Nút có bậc cao nhất sẽ gán bước sóng trước.Sau đó, loại bỏ nút đó ra khỏi mạng và sắp xếp lại thứ tự cho các nút còn lại Quátrình này lặp lại cho đến khi tất cả các nút trong mạng được gán bước sóng Vớinhững thuật toán trên, các kỹ thuật ngẫu nhiên và thích hợp trước tiên là thực tiễnnhất vì dễ thực hiện và nó không đòi hỏi phải biết toàn bộ mạng mà chỉ đơn giảndựa vào trạng thái nút lúc đó và chọn một bước sóng từ những bước sóng rỗi ở kếtnối ngõ ra đó Một cách tương đối, phép gán ngẫu nhiên hoạt động tốt hơnphương pháp thích hợp trước tiên

Tiêu đề	Mạng định tuyến bước sóng
Tác giả	Nhóm tác giả
Người hướng dẫn	T.S Trần Thiện Chính
Trường học	Viện Khoa học kỹ thuật Bưu điện - Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Chuyên ngành	Mạng thông tin quang
Thể loại	Giáo trình
Năm xuất bản	2012
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	85
Dung lượng	4,93 MB