định tuyến multicast trong mạng cáp quang

Trong trường hợp mạng không có các thiết bị chuyển đổi bước sóng wavelength converters thì bước sóng của các kênh trên tất cả các link thuộc cùng một lighpath được yêu cầu là giống nhau

§¹i häc quèc gia hµ néi TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-   -Bïi thÞ ngäc tó

ĐỊNH TUYẾN MULTICAST TRONG MẠNG CÁP QUANG

Chuyên ngành: Bảo đảm toán học cho máy tính và hệ thống tính toán

Mã số: 60.46.35

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS LÊ TRỌNG VĨNH

LỜI CÁM ƠN

Trước hết e m xin chân thành cảm ơn Khoa Toán-Cơ-Tin, trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, Đại ho ̣c Quốc gia Hà Nô ̣i đã tạo điều kiện tốt cho

em thực hiện đề tài này

Em xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tớ i t hầy Lê Tro ̣ng Vĩnh, là người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo em trong suốt thời gian thực hiện đề tài

Em cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến quý Thầy, Cô trong Khoa đã tận tình giảng dạy, trang bị cho em những kiến thức quí báu trong những năm học vừa qua

Cuối cùng em xin trân thành cảm ơn các anh chị và bạn bè đồng nghiê ̣p

đã ủng hộ, giúp đỡ và động viên em trong những lúc khó khăn cũng như trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu

Mặc dù em đã cố gắng hoàn thành luận văn trong phạm vi và khả năng cho phép, nhưng chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, kính mong

sự cảm thông và tận tình chỉ bảo của quý Thầy Cô và các bạn

Hà nội, ngày 15 tháng 10 năm 2011

Học viên thực hiện

Bùi Thị Ngọc Tú

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 4

Chương I: MẠNG CÁP QUANG – NỀN TẢNG CHO MẠNG THẾ HỆ MỚI 9

I.1 Công nghệ WDM 9

I.2 Kiến trúc mạng cáp quang 12

I.3 Các vấn đề trong mạng cáp quang 13

I.3.1 Các kiểu truyền thông trên mạng 13

I.3.2 Các yêu cầu truyền thông trên mạng 14

I.3.3 Định tuyến và gán bước sóng 14

I.3.4 Sự cần thiết của các thiết bị chuyển đổi bước sóng 19

I.3.5 Khả năng chịu lỗi 21

I.3.6 Sự công bằng 22

I.4 Mục tiêu và giới hạn của luận văn 23

Chương II: ĐỊNH TUYẾN MULTICAST TRONG MẠNG CÁP QUANG 24

II.1 Các khái niệm và định nghĩa 24

II.2 Bài toán 25

II.3 Các cách tiếp cận giải bài toán 26

II.3.1 Thuật toán Member-Only 26

II.3.2 Những thiếu sót của thuật toán Member-Only 28

Chương III: ÁP DỤNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN CHO ĐỊNH TUYẾN MULTICAST 34

III.1 Giải thuật di truyền 34

III.1.1 Giới thiệu 34

III.1.2 Ý tưởng của thuật toán di truyền 35

III.1.3 Các vấn đề cơ bản về thuật toán di truyền 36

III.2 Giải thuật di truyền giải bài toán 43

III.3 Các kết quả thực nghiệm và thảo luận 48

KẾT LUẬN 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THI ̣

Hình 1.1: Wavelength Division Multiplexing 11

Hình 1.2: Kiến trúc mạng cáp quang 12

Hình 1.3: Broadcast 13

Hình 1.4: Multicast 13

Hình 1.5: Đường ngắn nhất cố định 15

Hình 1.6: Mô tả tuyến kết nối chính( nét liền) và tuyến thay thế (nét đứt) 16

Hình 1.7: Định tuyến thích nghi từ nút 0 đến nút 2 17

Hình 1.8: Sự chuyển đổi bước sóng 19

Hình 1.9: Mạng cáp quang không có wavelength converter 20

Hình 1.10 Mạng cáp quang có sử dụng wavelength converter 20

Hình 1.11 Các trường hợp chuyển đồi bước sóng 21

Hình 1.12 : Backup multiplexing Technique 22

Hình 2.1: Mạng đơn giản 1 29

Hình 2.2: Mạng đơn giản.2 30

Hình 2.3: Mạng đơn giản 3 33

Hình 3.1 Ví dụ của bảng định tuyến 44

Hình 3.2: Sự quan hệ gữa cá thể, gen và bảng định tuyến 44

Hình 3.3: Sự lai ghép 47

Hình 3.4: Thao tác đột biến 48

Hình 3.5 Topo: (a) NSF với 14 nút và 21 links (b) EON với 19 nút và 35 links 49

Hình 3.6: So sánh thuật toán Member-Only và sự cải tiến 51Hình 3.7: So sánh hiệu năng thuật toán di truyền với hai hàm đo độ thích nghi 52Hình 3.8: So sánh hiệu quả của thuật toán di truyền và Member-Only 53

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT

Ký hiệu

ATM Asynchronous Transfer Module Chế đô ̣ truyền không đồng bô ̣ EDFA Erbium Doper Fiber Amplifier Khuyếch đa ̣i sơ ̣i pha ta ̣p erbium

sóng ít nhất

MI Multicast Incapable Không có khả năng chia

MRWA Multicast Rounting and Wavelength

Assgnment

Đi ̣nh tuyến Multicast và gá n bước sóng

MSpT Minimum Spanning Tree Cây bao trùm tối thiểu

sóng nhiều nhất

OCX Optical Cross Connect Kết nối chéo quang

RWA Rounting and Wavelength

Assgnment

Đi ̣nh tuyến và gán bước sóng

TaC Tap and Continue Nút có khả năng trích và tiếp tục

ToC Tap or Continue Nút có khả năng trích hoặc tiếp

tục

WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh quang theo bướ c

sóng

MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển bùng nổ của mạng ngày nay, nhu cầu truyền thông chất lượng cao, ít lỗi, băng thông lớn ngày càng trở nên bức thiết Những dịch vụ được cung cấp bởi mạng như: truy cập thông tin từ xa, thư điện tử được sử dụng bởi hàng triệu người trên thế giới Sự phát triển theo hàm mũ của Internet và những ứng dụng yêu cầu băng thông cao như truyền hình trực tuyến, những cuộc hội thảo đa phương tiện, đòi hỏi mạng phải có băng thông rộng mà các mạng băng thông lớn trước đây như mạng ATM (asynchronous transfer mode) không thể đáp ứng được Những yêu cầu này chỉ được đáp ứng nếu mạng cáp quang (optical network) còn gọi là mạng quang được sử dụng, vì mạng quang cho phép truyền dữ liệu với tốc độ cao (gần 50 Tb/s), giá thành rẻ (xấp xỉ 0.30 $/yard, một yard = 0.914m), tỉ lệ lỗi bit thấp (tỉ lệ lỗi bit của sợi quang là 1012, còn của cáp đồng là 106)

Trong các mạng cáp quang, các nút mạng (nút) được nối với nhau bởi các liên kết vật lý (link) bằng các sợi quang (fiber) Truyền thông unicast từ một nút mạng tới một nút mạng khác sử dụng một đường truyền vật lý trải qua một hoặc nhiều link và trên mỗi link sử dụng một kênh (channel) (mỗi kênh dùng

một bước sóng (wavelength)) gọi là một lightpath Trong trường hợp mạng

không có các thiết bị chuyển đổi bước sóng (wavelength converters) thì bước sóng của các kênh trên tất cả các link thuộc cùng một lighpath được yêu cầu

là giống nhau Điều này được biết như là sự ràng buộc liên tục của bước sóng (wavelength continuity constraint) trong các mạng quang

Khác với truyền thông unicast, truyền thông multicast từ một nút nguồn tới một tập các nút đích sử dụng một cây (tree) trải qua nhiều link và mỗi link sử

dụng một bước sóng gọi là light-tree Trong trường hợp, do sự rằng buộc liên

tục của bước sóng nên rất khó để xây dựng một light-tree cho một yêu cầu

multicast thì chúng ta sẽ xây dựng một tập các light-tree để hỗ trợ cho một

yêu cấu kết nối multicast và được gọi là light-forest

Bài toán tìm light-tree thỏa mãn yêu cầu của một kết nối multicast – gọi là MRWA (Multicast Routing and Wavelength Assignment) - thường được chia thành hai bài toán con: Tìm được cây steiner-tree và gán các bước sóng cho cây này Bài toán tìm steiner-tree được biết như là bài toán NP đầy đủ Vì vậy, trong thực tế, các thuật toán heuristics thường được sử dụng để giải bài toán này

Mặt khác, các thuật toán tiến hóa, đặc biệt là giải thuật di truyền (GA-Genetic Algorithms) đã được chứng minh bằng thực nghiệm là hiệu quả để giải các bài toán tối ưu Do vậy, mục tiêu của luận văn này là nghiên cứu về bài toán định tuyến multicast trong mạng quang và áp dụng giải thuật di truyền để giải quyết nó Không kể phần mở đầu và kết luận, nội dung luận văn được trình bày trong ba chương như sau:

Chương 1: Dùng để giới thiệu về mạng cáp quang, các vấn đề chính trong mạng quang

Chương 2: Trình bày chi tiết về bài toán định tuyến multicast trong mạng quang

Chương 3: Áp dụng giải thuật GA cho bài toán MRWA

Chương I: MẠNG CÁP QUANG – NỀN TẢNG CHO MẠNG THẾ HỆ MỚI

Mạng cáp quang hoạt động dựa trên hiện tượng phản xạ toàn phần trong sợi quang Nó nhanh hơn mạng truyền thống vì dữ liệu được truyền qua sợi

quang dưới dạng các photon, còn trong mạng truyền thống dữ liệu được truyền qua cáp đồng dưới dạng các electron Photon có trọng lượng nhỏ hơn

electron, và hơn nữa giữa các photon không có sự tương tác như giữa các electron Mặt khác, ánh sáng có tần số cao hơn nên bước sóng cũng ngắn hơn,

do đó với cùng chiều dài, cáp quang truyền được nhiều thông tin hơn cáp đồng Cùng với những đặc tính ưu việt như: cung cấp băng thông cực lớn, chi phí thấp, tỉ lệ lỗi bít cực thấp, độ nhiễu tín hiệu rất nhỏ, yêu cầu không gian nhỏ, khả năng bảo mật cao…, hiện nay mạng cáp quang đang là công nghệ

hứa hẹn cho tương lai và được sử dụng rộng rãi trong mạng truyền thông

backbone (mạng truyền thông đường trục) [1]

I.1 Công nghệ WDM

Theo lý thuyết, sợi quang có băng thông cực lớn (khoảng 25THz), gấp khoảng 1,000 lần so với băng thông tổng cộng của sóng radio trên các vệ tinh trái đất Tuy nhiên do tốc độ truy cập mạng của người dùng bị giới hạn bởi tốc độ điện ở các nút mạng (vài Gb/s) Sự không tương đồng về băng thông giữa quang và điện này làm cho việc khai thác hết băng thông khổng lồ của một sợi cáp quang mà chỉ dùng một kênh truyền sóng là rất khó khăn Rất may cho người sử dụng là công nghệ WDM (wavelength division multiplexing) cùng với EDFA (erbium doped fiber amplifer) ra đời đã giải quyết vấn đề này

WDM là phương thức ghép kênh quang theo bước sóng Thông thường trong tuyến thông tin quang điểm nối điểm, mỗi một sợi quang cho một tia laser với một bước sóng ánh sáng truyền qua, tại đầu thu, bộ tách sóng quang tương ứng sẽ nhận tín hiệu từ sợi này Mỗi một sóng laser mang một số tín hiệu điện với một phổ nhất định Từ những năm 1980, công nghệ sợi quang

có nhiều tiến bộ nên phương thức ghép kênh quang theo bước sóng được ứng dụng trong mạng viễn thông đường trục và quốc tế Ở đây, WDM cho phép ta tăng dung lượng kênh mà không cần tăng tốc độ bit của đường truyền và cũng không dùng thêm sợi dẫn quang Nó cho phép khai thác một cách đơn giản và

kinh tế lượng thông tin vào một sợi quang đơn mode (sợi quang chỉ cho một

chùm laser truyền qua lõi của nó, còn sợi quang đa chế độ thì cho nhiều chùm laser truyền qua lõi của nó dưới các góc khác nhau) trên cự ly dài và tăng độ mềm dẻo của cấu trúc phân phối Những đường truyền dẫn thử nghiệm đã đạt được tốc độ lưu lượng 160Gbit/s phân phối trên 8 kênh ghép theo bước sóng Hơn nữa, ghép theo WDM không chỉ giảm bớt ảnh hưởng của tán sắc mà còn chống được tổn hao do phân cực Các hệ thống thông tin quang hiện đại có sử dụng bộ khuếch đại quang để ghép nhiều kênh theo WDM Nếu với lưu lượng

là 2,5Gbit/s, ghép theo WDM từ 8 đến 16 luồng thì ta thực hiện được một đường thông tin quang với lưu lượng là 20Gbit/s đến 40Gbit/s trên một sợi đơn mode mà vẫn dùng lại được các thiết bị ghép kênh và phân kênh hiện có Nói một cách khác, WDM cho phép tăng tích số lưu lượng nhân với cự ly trên một sợi quang

Hình 1.1 minh họa cấu hình của hệ thống WDM Trong đó các tín hiệu

quang từ các nguồn có các bước sóng khác nhau W 0 , W 1 , W 2 và W 3 được ghép lại nhờ bộ ghép kênh MUX Bộ ghép MUX phải đảm bảo ít suy hao và không cho sự xuyên nhiễu giữa các luồng Các luồng tín hiệu sau khi ghép được truyền trên một sợi quang tới phía thu Trên một tuyến đường có cự ly dài thì

DEM MUX

Optical Demultiplexer

Optical Multiplexer

chùm sóng quang được khuếch đại nhờ các bộ khuếch đại Bộ chia luồng

DEM tại đầu thu sẽ tách các sóng quang W 0 , W 1 , W 2 và W 3 và khôi phục lại tín hiệu điện tương ứng với từng bước sóng như phía phát

Hình 1.1: Wavelength Division Multiplexing Kĩ thuật EDFA được sử dụng để điều chỉnh, khuếch đại đồng thời tất cả các bước sóng mà không phải quan tâm đến tỉ lệ bit của chúng Trước khi kĩ thuật này ra đời, sự suy hao trong sợi quang sau khoảng 10km được bù đắp lại bởi một máy tái sinh Khi đó các tín hiệu quang phải được chuyển đổi sang tín hiệu điện để xử lý rồi lại phải chuyển đổi ngược lại Khó khăn chủ yếu là máy tái sinh chỉ làm việc được với một tỉ lệ bit cố định Bộ khuếch đại EDFA bao gồm một vài đồng hồ đo sợi quang và một máy lade dùng để khuếch đại các

tín hiệu quang

I.2 Kiến trúc mạng quang

Một mạng cáp quang bao gồm các nút OCXs được kết nối với nhau bởi

những liên kết điểm tới điểm theo một topo bất kỳ như hình 1.2 Mỗi nút cuối (liên kết với người dùng) kết nối tới một nút định tuyến thông qua một liên kết quang Tập hợp những nút cuối gắn với một nút định tuyến tạo nên một

nút mạng Mỗi nút có các đầu truyền và các đầu nhận tương ứng để gửi dữ

liệu vào trong mạng và nhận dữ liệu từ mạng về

I.3 Các vấn đề trong mạng cáp quang

I.3.1 Các kiểu truyền thông trên mạng

Cũng giống như trong các mạng truyền thống, các yêu cầu truyền thông giữa các nút trong mạng quang gồm các kiểu sau:

 Unicast: Truyền thông loại này cho phép các gói tin được gửi từ một nút nguồn đến một nút đích Một kết nối cho yêu cầu unicast cho phép thiết bị gửi dữ liệu đến một nơi nhận duy nhất

 Broadcast: Các gói tin được gửi từ một nút (nút nguồn) đến tất cả các nút còn lại trong mạng

I.3.2 Các yêu cầu truyền thông trên mạng

Yêu cầu truyền thông trên mạng có hai dạng:

Dạng tĩnh (static): Còn gọi là off-line, trong đó một tập các yêu cầu kết nối

đã được biết trước và mục tiêu là thiết lập các kết nối để thỏa mãn yêu cầu này với chi phí thấp nhất Vì bài toán là off-line, nên các thuật toán cho dạng này không quan tâm nhiều về thời gian thực hiện mà quan tâm nhiều đến độ chính xác

Dạng động (dynamic): Còn gọi là on-line, trong đó các yêu cầu kết nối đến

và rời khỏi mạng một cách ngẫu nhiên nào đó Do các yêu cầu là on-line, nên các thuật toán cho dạng này khác với dạng tĩnh là yêu cầu về thời gian thực hiện nhanh

I.3.3 Định tuyến và gán bước sóng

Trong mạng cáp quang, một kết nối unicast (multicast) được thực hiện bởi một lightpath (light-forest) Thuật toán để chọn tuyến (path hoặc tree) và gán

bước sóng (wavelength) cho việc thiết lập các lightpath được gọi là thuật toán

định tuyến và ấn định bước sóng RWA (MRWA) Bài toán RWA (MRWA) là

bài toán NP đầy đủ nên thường được chia thành hai bài toán nhỏ và giải độc lập: định tuyến và gán bước sóng

a Định tuyến

Các chiến lược định tuyến thường được phân thành ba loại: định tuyến cố định, định tuyến thay thế cố định, định tuyến thích nghi

 Phương pháp định tuyến cố định ( fixed routing)

Với chiến lược này, mỗi một yêu cầu kết nối unicast (mutlicast) một đường

(một cây) cố định được dùng để thiết lập lightpath (light-tree)[1] cho chúng

Có nghĩa là, khi yêu cầu kết nối đến, chúng ta chỉ tìm các bước sóng trên

đường hay cây này để thiết lập lightpath Nếu tìm được bước sóng rỗi, kết nối được thiết lập (thiết lập được lightpath (light-tree)), ngược lại kết nối này bị block Thông thường đường đi ngắn nhất giữa nút nguồn và đích (hoặc cây steiner-tree) được dùng làm đường (cây) cố định đó Ưu điểm của chiến lược này là đơn giản, nhược điểm của nó là xác suất tắc nghẽn cao

Ví dụ: Đường định tuyến cho kết nối unicast từ nút 0 đến nút 2 sẽ sử dụng

đường đi ngắn nhất 0->1->2 như hình 1.5 dưới đây

Hình 1.5: Đường ngắn nhất cố định

 Đi ̣nh tuyến luân phiên cố đi ̣nh (fixed alternate routing)

Để khắc phục nhược điểm của chiến lược định tuyến cố định, người ta thường dùng chiến lược định tuyến luân phiên cố định Trong định tuyến luân phiên

cố định, với mỗi một kết nối chúng ta không sử dụng một đường (một cây) cố định như trong định tuyến cố định mà dùng nhiều đường (cây) cố định để thiết lập lightpath cho chúng Có nghĩa là khi yêu cầu kết nối đến, chúng ta có thể tìm các bước sóng trên tất cả các đường (cây) này để thiết lập lightpath

(light-tree) Thông thường k đường đi ngắn nhất giữa nút nguồn và đích (tính offline theo thuật toán kshostest paths) được dùng làm các đường cố định đó

Ví dụ: Với chiến lược định tuyến thay thế và k = 2, yêu cầu kết nối từ nút 0

đến nút 2 có thể sử dụng hai đường 0->1->2 và 0->5->4-> 2 như hình 1.6 dưới đây

Hình 1.6: Mô tả tuyến kết nối chính( nét liền) và tuyến thay thế (nét đứt)

Ưu điểm của chiến lược này là giảm được xác suất tắc nghẽn đáng kể so với chiến lược định tuyến cố định và cài đặt cũng khá đơn giản Tuy nhiên, chiến lược này cũng chưa tốt bởi nó không quan tâm đến trạng thái hiện thời của mạng Để khắc phục nhược điểm này, người ta thường dùng chiến lược định tuyến thích nghi dưới đây

 Phương pháp định tuyến thích nghi (adaptive routing)

Trong định tuyến thích nghi, với mỗi cặp nút nguồn s và nút đích d, không

một đường (cây) cố định nào được chọn trước cho nó Khi yêu cầu kết nối

đến, thuật toán sẽ tìm đường đi ngắn nhất giữa s và d (tập D)có bước sóng rỗi

dựa trên trạng thái mạng để thiết lập lightpath (light-tree) cho nó Khi không tìm được đường đi như vậy, kết nối sẽ bị block

Ví dụ: Khi yêu cầu kết nối unicast đến giữa nút 0 và 2 Trạng thái hiện thời

của mạng là liên kết 1-2, 4-2 không thể sử dụng được nữa Nếu dùng chiến

lược định tuyến cố định và định tuyến luân phiên (k=2) ở trên, kết nối này sẽ

bị block Tuy nhiên với chiến lược định tuyến thích nghi, kết nối này vẫn có thể thực hiện được thông qua tuyến 0->5->4->3->2 như hình 1.7 dưới đây

Hình 1.7: Định tuyến thích nghi từ nút 0 đến nút 2

Ưu điểm của đi ̣nh tuyến thích nghi là bi ̣ tắc nghẽn thấp hơn đi ̣nh tuyến cố

đi ̣nh và luân phiên cố đi ̣nh Tuy nhiên, việc cài đặt thuật toán này lại khó khăn hơn nhiều so với hai chiến lược trước đó Và do đó, chiến lược này được quan tâm bởi nhiều nhà nghiên cứu trong và ngoài nước

b Gán bước sóng

Phương pháp ấn định bước sóng được chia thành 4 loại: bước sóng được sử dụng nhiều nhất (most used), bước sóng được sử dụng ít nhất (least used), thứ

tự các bước sóng là cố định (fixed oder) và thứ tự các bước sóng là ngẫu nhiên (random oder) [4]

 Gán bước sóng ngẫu nhiên (Random)

Với phương pháp này, khi có yêu cầu đến một nút, nút đó sẽ xác định những

bước sóng còn rỗi và chọn ngẫu nhiên một bước sóng (λ i ) trong những bước

sóng đó để gán cho yêu cầu đó Các bước sóng còn rỗi ở một nút được xác

định bằng cách loại bỏ λ i đã sử dụng khỏi danh sách bước sóng còn rỗi; khi

việc gọi kết thúc λ i được loại khỏi danh sách bước sóng bị bận và được thêm vào trở lại danh sách bước sóng rỗi ban đầu Phương pháp này không cần đòi hỏi những thông tin về toàn bộ trạng thái mạng khi thực hiện gán bước sóng,

do vậy tận dụng được bước sóng và tránh xung đột bước sóng nên xác suất tắc nghẽn thấp hơn

 Gán bước sóng dựa trên bước sóng sử dụng ít nhất (LU Least Used)

Là phương pháp lựa chọn một bước sóng được sử dụng ít nhất trong mạng Mục đích của phương pháp này là cân bằng tải trên tất cả những bước sóng Phép gán này đòi hỏi thông tin trạng thái về mạng để tìm ra bước sóng sử dụng ít nhất Tuy nhiên phương pháp này tốn kém do chi phí lưu trữ và tính toán

 Gán bước sóng theo số bước sóng sử dụng nhiều nhất ( MU Most Used)

Ngược lại với phương pháp LU, phương pháp này lựa chọn bước sóng sử dụng nhiều nhất trong mạng được gán cho lần tiếp theo Phép gán này đòi hỏi thông tin trạng thái mạng để tìm ra bước sóng được sử dụng nhiều nhất Vì thế phương pháp MU sắp xếp các kết nối đến với số các bước sóng ít hơn và duy trì dung lượng dự trữ

 Gán bước sóng theo thứ tự cố định( Fixed oder)

Phương pháp này ấn định các bước sóng theo một thứ tự cố định Tất cả các bước sóng được đánh chỉ số từ thấp đến cao và các bước sóng được chọn để gán cũng theo chỉ số từ thấp đến cao, tức là bước sóng đầu tiên được gán là bước sóng có chỉ số nhỏ nhất trong số bước sóng rỗi và gán cho yêu cầu Cũng tương tự phép gán Random, phép gán này không cần bất kỳ thông tin nào về trạng thái mạng khi thực hiện gán bước sóng Hạn chế của phép gán này là các bước sóng có chỉ số nhỏ hơn được dùng nhiều, trong khi các bước sóng có chỉ số lớn hầu như không được sử dụng Do đó sự tranh chấp đối với những bước sóng nhỏ tăng lên

I.3.4 Sự cần thiết của các thiết bị chuyển đổi bước sóng

Sự chuyển đổi bước sóng là khả năng chuyền tín hiệu từ bước sóng này (w 1)

thành bước sóng khác (w 2) Bộ chuyển đổi rất có ích trong việc giảm xác suất tắc nghẽn mạng Các bộ chuyển đổi bước sóng giúp loại trừ sự bắt buộc tính liên tục về bước sóng

Trong một mạng rất ít nút mạng được trang bị bộ chuyển bước sóng, do đó cần có sự lựa chọn các nút đặt các bộ chuyển đổi bước sóng ở các vị trí thích hợp sao cho tối ưu mạng, thường đặt ở các nút mà lưu lượng mạng xảy ra cực đại

Hình 1.8: Sự chuyển đổi bước sóng

Ở ví dụ trên một lightpath được thiết lập giữa nút A và nút B với bước sóng

w 1 và một lightpath khác được thiết lập giữa nút B và nút C trên bước sóng w 2

Nếu có một yêu cầu ở nút A đến nút C Yêu cầu này không thể được thiết lập

vì điều kiện bắt buộc sự liên tục bước sóng Nếu có một thiết bị chuyển đổi

bước sóng ở nút B mà nó có khả năng chuyển đổi bước sóng w 1 sang w 2 thì yêu cầu được thực hiện thành công Vậy các bộ chuyển đổi bước sóng có thể cải thiện được hiệu suất khi các bước sóng rỗi có sẵn trên các tuyến và một bước sóng chung thì không có

Nếu không có các thiết bị chuyển đổi bước sóng thì phải có sự ràng buộc cần thiết về bước sóng Sự ràng buộc này làm giảm hiệu quả sử dụng các tài nguyên mạng

W1

w2

w1

w2

Hình 1.9: Mạng cáp quang không có wavelength converter

Ở ví dụ trên mỗi lightpath có 2 wavelength là w 0 và w 1 Giả sử có 2 kết nối giữa cặp nút (1,4) và (2,3) Giả sử kết nối giữa cặp nút (1,4) sử dụng đường

(1,3,4) với wavelength w 0, kết nối cặp nút (2,3) sử dụng đường (2,1,3) với

wavelength w 1.Có một yêu cầu kết nối mới giữa nút (1,3) Ta thấy không thể

thực hiện được yêu cầu này do link (1,3) đang dùng cả w 0 và w 1 Đường (1,2,4,3) thì không tồn tại cùng một bước sóng (wavelength) cho tất cả các

link (vì link (1,2) đang rỗi w 0 còn link (3,4) đang rỗi w 1)

Vậy trong trường hợp trên tài nguyên mạng thì đang còn rỗi nhưng lại không phục vụ được yêu cầu kết nối Vậy nếu đặt thiết bị chuyển đổi bước sóng tại

nút số 2 (chuyển bước sóng w 0 về w 1) thì thực hiện được yêu cầu kết nối (1,3)

Khi đó sử dụng đường (1,2,4,3) với bước sóng w 1

Hình 1.10 Mạng cáp quang có sử dụng wavelength converter

Các trường hợp chuyển đổi bước sóng

Chuyển đổi hoàn toàn: khả năng chuyển một bước sóng ở đầu vào thành một bước sóng bất kỳ ở đầu ra

Chuyển đổi giới hạn: quy định mỗi bước sóng ở đầu vào có thể được chuyển đổi thành một bước sóng xác định trước ở đầu ra

Chuyển đổi cố định: là trường hợp đặc biệt ở trường hợp chuyển đổi giới hạn quy định một bước sóng cố định ở đầu vào chỉ có thể chuyển đổi thành một bước sóng cố định ở đầu ra Nếu mỗi bước sóng được chuyển đổi thành chính

nó thì chúng ta gọi không có sự chuyển đổi nào

Hình 1.11 Các trường hợp chuyển đồi bước sóng

I.3.5 Khả năng chịu lỗi

b) Chuyển đổi bước sóng cố đinh

Hình 1.12 : Backup multiplexing Technique Trong thực tế, các nút mạng hoặc các liên kết giữa chúng bởi các sợi quang (optical fiber) có thể hỏng bởi các hiện tượng tự nhiên Khi sự hỏng hóc này xảy ra, các lightpath (light-tree) liên quan đến chúng cũng sẽ bị hỏng theo, và như hệ một hệ quả, truyền thông dựa trên các lightpath (light-tree) này cũng

bị cắt và thông tin có thể bị mất mát Vì vậy, để tránh sự mất mát thông tin theo cách như vậy, truyền thông giữa hai nút mạng thường được xây dựng dựa trên hai lightpath khác nhau Ví dụ, truyền thông giữa hai nút (0, 5) sẽ được thiết lập theo hai lightpath dọc theo hai tuyến (0, 1, 4, 5) và (0, 2, 3, 5) Với cách thiết lập như vậy, truyền thông giữa nút 0 và 5 luôn luôn được đảm bảo Lý do, các mạng cáp quang thường có độ an toàn cao, vì vậy, rất hiếm khi hai nút mạng hoặc hai liên kết mạng cùng hỏng đồng thời

I.3.6 Sự công bằng

Trong một mạng máy tính đa người sử dụng cùng sử dụng các dịch vụ được cung cấp bởi hệ thống mạng thông qua các kết nối vật lý khác nhau Mỗi kết nối vật lý có thể trải qua nhiều lần chuyển mạch, và mỗi lần chuyển mạch như vậy gọi là một hop Rõ ràng, các kết nối vật lý có nhiều hops sẽ có nguy cơ

không được phục vụ bằng các kết nối có ít hop hơn (dễ tắc nghẽn hơn) Điều này có nghĩa, những người ở xa có nguy cơ không được phục vụ như là những người ở gần Vì vậy, bài toán đặt ra là làm sao để đảm bảo các người

sử dụng ở gần hay xa đều được phục vụ công bằng như nhau Bài toán này đã được đặt ra từ nhiều năm nay và đã có một số hướng giải quyết như là: Giành riêng một số tài nguyên để phục vụ cho các kết nối ở xa Tuy nhiên, cách tiếp cận này dẫn đến việc lãng phí tài nguyên trong một số thời gian không xảy ra các kết nối từ xa Các tiếp cận khác là định ra các mức độ ưu tiên cho các kết nối Cách tiếp cận này tránh được sự lãng phí về tài nguyên, tuy nhiên việc định ra các mức độ ưu tiên lại là một bài toán vô cùng khó khăn Vì vậy, bài toán fairness trong mạng máy tính vẫn là một vấn đề còn nhiều thách thức đối với các nhà nghiên cứu và phát triển công nghệ

I.4 Mục tiêu và giới hạn của luận văn

Như đã trình bày ở trên, có rất nhiều vấn đề quan trọng trong mạng quang Tuy nhiên, bài toán định tuyến và gán bước sóng vẫn là bài toán quan trọng nhất Hơn nữa, định tuyến multicast sẽ là trường hợp tổng quát nhất trong các kiểu truyền thông Vì vậy, khóa luận này sẽ tập trung tìm hiểu về bài toán định tuyến multicast

Mặt khác, các thuật toán tiến hóa, đặc biệt là giải thuật di truyền (GA-Genetic Algorithms) đã được chứng minh bằng thực nghiệm là hiệu quả để giải các bài toán tối ưu [4, 5] Do vậy, mục tiêu thứ hai của luận văn này là áp dụng giải thuật di truyền để giải quyết bài toán định tuyến multicast trên mạng quang

Chương II: ĐỊNH TUYẾN MULTICAST TRONG MẠNG CÁP QUANG

II.1 Các khái niệm và định nghĩa

Để hỗ trợ kiểu truyền thông multicast được hiệu quả, các nút mạng cần có khả năng phân chia ánh sáng (light splitting) đó là: một nút với khả năng phân chia ánh sáng có thể chuyển một tín hiệu đến một cổng vào tới nhiều cổng ra trên cùng một bước sóng Một nút với khả năng như vậy gọi là nút MC (mutlicast-Capable) Vì việc xây dựng các nút MC là đắt nên thường chỉ một

số nút chiến lược trong mạng là MC và các nút còn lại không có khả năng phân chia ánh sáng (nút MI – Multicast – Incapable) Một mạng cáp quang như vậy được gọi là mạng quang với khả năng phân chia bước sóng thưa

(optical network with sparse light splitting)

Một nút MI có thể là ToC (Tap – or - Continue) hoặc TaC (Tap – and - Continue) Trong đó, nút ToC chỉ có khả năng trích (lấy để sử dụng) hoặc chuyển tiếp tín hiệu đến một cổng ra Nút TaC có cả hai khả năng này

Một nút MC được trang bị thêm khả năng chuyển đổi bước sóng (wavelength convert) thì có thể chuyển tín hiệu từ một đầu vào đến bất kỳ đầu ra nào trên bất kỳ bước sóng nào, do vậy nó được gọi là nút nguồn ảo VS (Virtual Source)

Rõ ràng, khi phân chia một tín hiệu quang thành nhiều tín hiệu thì hiệu năng của nó sẽ bị suy giảm Vì vậy, việc phân chia (splitting) tín hiệu quang phải

có giới hạn Điều này được biết như là Drop-off, nghĩa là một tín hiệu quang

chỉ được phân chia thành k tín hiệu nào đó (k được xác định trước)

II.2 Bài toán

Với các khái niệm đã trình bày như trên, bài toán định tuyến và gán bước sóng đáp ứng yêu cầu multicast có thể phát biểu như sau:

Topo mạng: Một mạng cáp quang có thê biểu diễn như một đồ thị G(V, E),

trong đó V là số nút trong mạng và E là tập các kết nối Giả sử các kết nối là hai chiều, vì vậy G là đồ thị vô hướng Hơn nữa, mạng chỉ có một số nút là

MC, VS tại các nút chiến lược, các nút còn lại là MI với khả năng TaC

Kiểu truyền thông: Mutlicast, nút nguồn s cần gửi các gói tin đến một tập các

D các nút đích (D là tập con của V)

Yêu cầu truyền thông: Các yêu cầu truyền thông là dynamic và tuân theo quá

trình Poisson Nghĩa là, các yều cầu đến mạng một cách ngẫu nhiên và xác suất của một nút là nút nguồn hoặc đích là như nhau Thời gian nắm giữ đường truyền theo phân bố mũ

Mục tiêu: Thiết lập các light-tree (hoặc light-forest) cho các yêu cầu kết nối

multicast này xác suất tắc nghẽn là ít nhất

Gọi N là số các yêu cầu kết nối đến trong khoảng thời gian T nào đó, với mỗi một yêu cầu kết nối i, gọi d i là tổng số các nút đích Bởi vì trong truyền thông multicast, chỉ cần một tập con các nút đích được kết nối thì truyền thông vẫn

xảy ra Gọi r i là số các nút đích không được phục vụ trong yêu cầu kết nối i Khi đó, xác suất tắc nghẽn p của mạng được tính theo công thức sau:

) 1 (

N

i i

d r p

II.3 Các cách tiếp cận giải bài toán

Để tối ưu hóa xác suất tắc nghẽn của mạng, một cách tự nhiên, chúng ta nên tiết kiệm tài nguyên mạng cho mỗi kết nối Vì vậy, các cách tiếp cận để giải bài toán thường tìm các cây steiner-tree (còn gọi là cây multicast) nhỏ nhất (có tổng số các liên kết ít nhất) để thiết lập light-tree (hoặc light-forest) [1, 2, 3] Có nhiều cách để xây dựng các steiner-tree khác nhau, trong mục này chúng tôi sẽ trình bày thuật toán Member-Only [1, 2, 3] được đánh giá là hiệu quả nhất về thời gian thực hiện và có xác suất tắc nghẽn chấp nhận được cho việc định tuyến multicast và gán bước sóng trong mạng quang Từ đó chúng tôi cũng chỉ ra những thiếu sót có thể cải tiến của của thuật toán này

II.3.1 Thuật toán Member-Only

Các ký hiệu và định nghĩa:

F(s, D): là tập các cây multicast (rừng –forest) cho một yêu cầu kết nối

multicast với nút nguồn s và tập các nút đích D

V: Là tập các nút được dùng cho việc mở rộng (phát triển) cây

V’: Là tập các nút không được dùng cho việc mở rộng cây

Z: Tập các nút nguồn ảo VS

UV: Tập các nút đích chưa được thêm vào cây F(s, D)

T: Tập các nút trong cây multicast

P (x, y): là đường đi ngắn nhất giữa nút x và y

d(x, y): là giá của đường đi P (x, y) được tính dựa trên số hop

Hơn nữa, các nút trong mạng được ấn định các độ ưu tiên khác nhau như sau: Nút VS có độ ưu tiên cao nhất, theo sau là các nút MC và mức thấp nhất là các nút MI

Với các ký hiệu và định nghĩa như trên, mã giả của thuật toán Member-Only