Áp dụng thuật toán di truyền trong việc thiết kế topologies ảo trong mạng cáp quang

Tập hợp tất các các lighpath can xác định trong mạ ng quang đê phục vụ cho till ca các yêu câu kết nối và các nốt mạng ban đâu sẽ hình thành một topoloíiv khác vói topolouv vật lý.. Bài

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

m k ' k ‘k'k'k'k'k'k'k

TÊN ĐÈ TÀ í :

ÁP DỤNG T H UẬT TOÁN DI TRUYÈN TRONG VIỆC

MẢ SỐ: QT-08-06

C H Ú T R Ì DÈ T À I : I S L Ê T R Ọ N G VĨ.MI

D r /

HÀ NỌI - 2 0 0 7 ĐẠI HỌC QUỎC CIA HẢ N ộ ]

T R Ư Ờ N G » Ạ I HỌC KHOA HỌC TỤ NHIÊN• • • •

TÊN ĐÈ TÀI

ÁP DỤNG T H U Ậ T TOÁN 1>I TRUYẺN TRONC VIỆC

B Á O C Á O T Ó M T Ắ T 4

P H Ả N C H Í N H B Á O C Á O

I Lời m ở d ầ u ^

II M ạn g cáp q u a n g - Ne n tàng cho Internet thế hệ kế tiêp 10

II, 1 Công nghệ W D M 10

11.2 Kiến trúc m ạ n g cáp q u a n g 12

11.3 Bái toán R W A trong m ạ n g cáp q u a n i ĩ 14

11.4 M ột số vấn đề quan t rọng khác của m ạ n e q u a n g 17

III.Thiêt kẽ T o p o l o g v ảo trong các mạntỉ quantỉ 1 9 III 1 Giới thiệu c h u n g 19

111.2 Phát biểu t ổng quái bài t o á n 24

111.3 Một vài h ư ớ n g tiếp cận bài t o á n 29

IV Áp d ụng thuật toán di truyên cho việc thiêt kê Topology a o 29

IV 1 Thuật toán di t ru y ền 29

IV.2 Ưng d ụ ng thuậl toán di iruyên cho việc thiêt kê topology á o 34

IV.2.1.6 I làm do độ thích nghi IrotiL! Irướnu hợp mạnu co.'khỏim co bó chuyên dõi bước s ó n g 37

IV.2 ] 7 I làm do dộ thích niihi t ron” tnrờng họp mạrm sưrvivahlc ccVkhône có bộ cluivèn dối bước s ó n g 40

V Kết luận và dề x u ấ t 54

VI Tài liệu tham k h a o 54

PHỤ L Ụ C 56

Trong vài thập kỷ qua, ảnh hưởng của " m ạ n g " nuàv càne rõ rệt trorm việc tò chức hộ

nhqu nhăm đáp ứng côn li việc c hung cua tô chức Mạnu dem lại nhữim thuận tiện tronu cuộc sống như: cung câp p h ư ơ n g tiện liên lạc, chia sc nhĩmt! tài nguyên săn có, cai tiên sự tin cặv cùa dịch vụ gi ám thiêu chi p h í ,

Cùng với sự phát triên bùng nô cua m a n ” , nhu cáu truyền thôim chãi lượim cao ít loi băng thông lớn ngày càng trò' nên bức thièt Nhữ ng dịch \ ụ dược curm câp hời mạim nhu: truy cập thông tin từ xa thư điện tứ dược sứ dụng bới hànu triệu nmrừi trẽn thè uiới Sụ phai triên theo hàm mũ cua Internet và nhũng ứng dựng veil câu bàng thông cao nhu ti'u_\ên hmh trực tuyên, n h ũ n g cuộc hội tháo da phưưng tiện dõi hói m ạn g phai co băiiLỉ ihòim rộnu nia các mạng băng t hông lớn trước dây n hu mạng A T M ( asynchronous transfer mode) khôiiLi the đáp ứng dưực N h ữ n g yêu cầu này chí được đáp ứng náu mạnti cap quang (optical network) - còn gọi là m ạ n g q u a ng - được sử dụng, vi m ạn g q u a n e cho phép truỵcn dữ liệu \ ứ i tỏc dộ cao, giá thành ré, ti lộ lỗi bit thấp

Trong các m ạ n g cá p quant", các nút mạng (node) được nòi với nhau bưi các liên két \ ậ t 1\ (link) hàng các sợi quaniì (fiber) D ữ liệu đirọc gưi từ mội nút many tói một nút inạim khác

sư dụny một d ư ờ n g Iruyỏn vật lý trái qua một hoặc nhiêu link và trôn mỏi link sir dụnu một

kênh (channel) (mồi k ê n h dùng một bước sóng ( wavelength)) uọi la mội ìiglupcilh I ronií

Irưừng họp m ạ n g k h ô n g có các thièt bị chuyên dôi bước s óne ( w a v d e n u l h converters) ihỉ hước sóng cua các kênh trên lât ca các link thuộc c ù n ” một liuhpath duực >CLI can la Líiôrm nhau Diều này d u ọ c hiẻt nh ư là sự rănsi buộc liên tục cua bước sóntí ( \\ a\clcni it h continuity constraint) troim các m ạ n g quang

4

Rất rõ ràng, khi ta ấn định một lightpath giữa hai nút m ạn g đê đáp ứntí một yêu cầu kết nối (connection request) giữa chúng, chúng ta đã tạo ra một một liên kết (link) mứi tuữa hai nút này Tập hợp tất các các lighpath can xác định trong mạ ng quang đê phục vụ cho till ca các yêu câu kết nối và các nốt mạng ban đâu sẽ hình thành một topoloíiv khác vói topolouv vật lý T op ol ogy n h ư vậy được gọi là các topology ảo (virtual topokmy) tronu mạnti qmum Bài toán xác định các lightpath đế đáp ứng các nhu cầu kết nổi ụiữa các cặp nút tron tỉ một mạng quang sao cho các tài nguyên mạng dược sư dụng tôi ưu (sô các hước sóng trên mỗi liên kết là ít nhất) đ ượ c gọi là bài toán thiết kế topology ao.

Bài toán thiết kế t opology ao là bài toán quan trọtm nhất tron 12, mạim cáp quanìí bơi vì nỏ cho phép dỗ nâng cao hiệu qua sử dụng m ạ n ” Do dó mục đích cua dê lài ỉa tập trun” imhiôn cứu các khía c ạnh và thuật toán dô giai quyêt bài toán t opoloey áo tron” mạn ti quan ti

Các nghiên cứu trước dâv dã chí ra 1'ãnu bài toán thiêt kẽ lopologv ao la bai toan \ T - đ à \

dú do vậy các thuật toán tìm kiếm tối ưu nên dược áp dụng để uíai qnyct nỏ I huàl toán di Iruyên (acnctic algorithm - GA) là một plnronu pháp tìm kiêm lỏi ưu dựa trôn k\ thuật tiên hóa tự nhiên dã được áp dụnu thánh cônti tronLỉ nhiêu lĩnh \ ục nhu học má) lõi Li LI hoa lõ hợp Do vậy, c húng tôi sẽ sư (.hint; thuật toán này cho việc thiêt kè cac lopoloey ao

e Các két q u á d ạ t đ ư ợ c :

Đồ tài dà nghi ên cứu dược những van dê cơ ban cua mạ ng cáp quang cũnii như dẽ cập vât dê côt yêu cua nó: Vâ n dò ihiêt kê t opology ao Đây là một vân dê rât quan IrọiiLi dè naiTLi cao hiệu qua khai thác, ímti dụnu mạng cáp quaim trong thực tẽ - vân đẽ hiện van con nhiêu thách thức Kot qua cua đẻ tài sẽ lá một tài liệu đà) du vè các chiên liụre định tuyên iruílk hiệu qua tròn các m ạ n g backbone Cụ thê nhu sau:

Nghiên cứu bài toán thiết ke t opology ao và các vấn dô liên quan như: các \C‘U càu cho việc thiết kế topology ảo, các bài toán CO' ban trone thiết kế topolouy ao phát biêu bài toán \ a một vài hướng cụ thể đê tiếp cận bài toán Bài toán thiết kê t opolog) ao la bai toán quan trọn Lì nhai de nânu cao hiệu năn LI inarm ỉ)õ tài dã nghiên cưu nhĩniL! luroiiL! tiòp cặn irước dâ\ dó giai hài toán Sau đỏ, c húny tỏi LỈưa ra I11Ộ1 cách uôp cận nu ri dí) la áp dụnu thuật loan di truyền đẽ giai qnyêl hài toán

Kốl q uá cua dề tài này là một sự m ớ rộng các kêl qua dà dạt đ ưọc tù dè tái TN-07-05 cua nhỏm tác gia Cụ thê, t rone dê tài TN-07-05, các tác uia chi nuhiõn cửu bai loan cho trường hợp yêu cầu kết noi là unicast trên mạng quany có rảnu buộc bước sónu I I'OIIL! dỏ lai

này, c húng tôi đã nghi ên cứu bài toàn một cách sâu rộng và tônc quái hơn troniỊ các tnrưne hợp:

• Các kêt nôi yêu câu có tính chịu lôi

Ket quà mới cứa đề tài đã viết được 01 báo cáo ơ hội nghị “ Mội rmhị khoa hoc trưònu dại hục khoa học tự nhiên - 2008" 01 bài báo đanu trong qua trình phan biện dè dãn Li l ạ p chi Khoa học Toá n - Lý, Đại học Quôe gia Ngoài ra, đê tài cũng hỗ trợ dao tạo 01 cư nhân ngành Toán - I in ứng dụng, tốt nghiệp nám 2008, 01 thạc sĩ ngành Dam bao I oán học cho máy tính và các hệ t h ông tính toán năm 2008

f Tình h ìn h kinli p h i của dè tài.

- Đồ tài dược cap khoa ng kinh phí là 20 triệu dòng.

- Khoán kinh phí cùa dê tài dã dưực chi tiêu theo dúni! dụ toán

K H O A Q U A N LY ( K ý và g h i rõ họ tên)

C H U I RI l)K TÀI( Ký và ị* hi rõ họ tên)

TS ỉ ẽ TrọiiL! Vĩnh

T R Ư Ờ N G ĐAI H O C K H O A H O C T U ' N H I Ê N

a Title GA-ba se d a pproa che s for designing virtual topologies o f W DM optical networks.

b Code: TN-07-05.

b S u p e r v i s o r : Dr Le T r ong Vinh

c Key im p len ten te rs: Bsc Ho an e Quoc Hung.

(I Goals (ind C o n te n ts:

From the time when the A R P A N E T was conceived to the L'Lirrent-đa\ hiiih-specd net works, networking technologies have come a long way The need for error-free hiiih- bandwidth c o mm uni ca ti on channels have been on the rise The services provided b\ computer networks are used by millions ol people around the world I lie explosive m o u t h of the Internet and bandwidth-intensive applications such as vidco-on-dcmand multimedia conl'crcncc, etc which require the uuarantee o f desirable quality o f scrvicc (OoS) levels: high-bandwidth, low latency, reasonable packet loss rate, need hiuh-handwidtli transport networks whose capacity is much beyond what current high-speed networks such us ass n chronous transfer mode ( ATM) networks can provide Thus, a continuous demand tor networks o f high capacity at low cost has been seen This can be achieved with the help of optical networks, as the optical fiber provides an excellent medi um fur transfer 1)1' h LI ục amount s o f data, (nearly 50 Tb/s) Apart from provinu such a hiiíỊL' bandwidth, optical libers have low cost( approximately $0.30 per yard), extremely low bit error rates! fraction o f bits that arc received in error, typically 10-12 , c ompar ed with 1Ơ-6 in copper cable), low signal attenuation (0.2 decibels per kilometer (clB/km)) low smnal distortion low power requirement, low material use and small space requirement, as well In addition, optical libers arc more secure, c omp ar ed to copper cables, from tapping and they arc also immune from interference and crosstalk Optical networks, e mp loying wavelength division multiplcxinii ( WD M) , arc seen as the candidate of the iLit 111'C t echnology tor the next-yencration Internet

In W D M optical networks, a connection is realized b\ a lmhlpath A Imhlpath, which consists o f optical channels, or wavelengths, between two network nodes IS routed thmiiLih

\ va\elengths Inordcrtocslabl ishaconnect ionbct wecnasoui cc-dcst inat innpai r a u a\ L'length and

a route between the pair need to be found An algorithm used lor selecting routes and wavelengths to establish lightpaths for connection requests is known as a routine and wavelength a ssi gnment ( RW AJ algorithm Many problems in W D M optical networks have

R W A as a subprobl em However , in this project, we only consider to the virtual topolotz\ design problem

The virtual t opology design has been proved to be NP-complete As a consequence, it

is usually solved by heuristic algorithms As we know, genetic algorithms (GA) is a class o f optimal searching strategies based on the mec ha nis m o f biological evolution and Cl As arc able to reduce search space and also to converge to a Lỉlobal good solution o f a nivon problem Therefore, G A is a promising approach to solve the virtual to[X)loL!\ design problem

in W DM optical networks and our goals is to use genetic algorithm for solvme the virtual topology design problem

e Results

The project presented basic problems and the major problem in optical networks

"virtual topology d(JSL>in pr on b le m” Iliis IS most important factor lor enhancmti the performance o f optical networks '1 he results o f project are a lull document lor rouliny strategies for backbone networks

The project studied the virtual topology design problem and its constraints such as requirements, sub-pr obelms and formulation ot the problem I hen some approaches to the problem also proposed Specially, we proposed a new algorithm, which based on LicncctiL algorithm, lor solving the virtual topolony design in optical networks

Build on resutls o f the T N ' 0 7 - 0 5 project, vve deeply studied the problem in main eases that more general than old ones:

PHẰN CHÍNH BÁO CÁO

I Lời m ở đầu.

Trong vài thập ky qua, ánh hướng cua “mạn g" nyay cang rõ rệt trong việc tò chức hộ thống máy tính M ạn g máy tính là một hệ thống những máy tính độc lập được két nôi với nhau nhàm dáp ứng c ông việc c hung cùa tổ chức M ạ n s đem lại nhữrm thuận tiện troim cuộc sống như: cung c ap p h ươ n g tiện liên lạc, chia se những tài nguvên sẵn có cai tiến sự tin eậ> cùa dịch vụ, giam thiếu chi p h í

Cùng vói sự phát trill'll bùng nô cua mạn lí,, nhu cẩu lru_\ôn ihônn chắt liiọni! cao ít lỗi băng thông lớn nuày cántĩ irứ nôn bức thiêt Những dịch vụ d uo c CUITJ câp bơi mạnu nhu: truy cập thông tin từ xa, thư điện tư được sử đụng bói hàn ti triệu nmrừi trôn thò tiiứi Sụ' phát triên theo hàm mũ cùa Internet và nhũng ứnii dụng veil câu băng thòii” cao như Iruyên hinlì

t rực t u y ế n , n h ữ n g c u ộ c h ộ i t h à o d a p h ư ư n g t i ệ n dùi hoi m ạ n g phai có b ă n g thôiiL! rộn LI m a

các mạng băng t hông lớn trước dày như mạng A T M (asynchronous transfer mode) khõim the đáp ứng được N hữ n g you câu này chi được đáp ứng nêu mạn li cáp quaim (optical network* - còn gọi là mạn g qua ng - đưọc sư dựng, vi mạne quang cho phep Iruvẽn dù liêu với lỏc độ cao (gần 50 Tb/s), giá t hành re (xấp xi 0.30 $/yard, một yard = 0AU4ni), ti lệ lồi bit tháp (ti lệ lỗi bit cứa sợi qua ng là 10‘12, còn cua cáp dồng lá 10‘ft)

Trong các m ạ n g cáp q ua nt ’, các nút mạng (node) đưọc nòi \ ớ i nhau bời các liên két \ ật Iv (link) băng các sợi qua nu (fiber) Dữ liệu được gửi từ một nut mạnLỉ tơi một nút mạn 12 kliUL

sư dụng một đ ườ n g truyên vật lý trai qua một hoặc nhiêu link và trên mòi link su đụn LI mộl

kênh (channel) (mồi kê nh dùim một bước sóng (wuvelermth)) gọi là một ìighipa/h Troiiii

tnrởng hợp m ạn g k hông có các thiêt bị chuyên dôi bước soiìii (wavelength converters) thi hước sónti cua các kênh trên tãt ca các link thuộc cùna một liehpalh đuọv vêu câu la uiõnu nhau Diều này dược biêt như là sự răn li, buộc liên tục cua bước sỏ 11 Li (uav el ci mt h cnntmuitx constraint) trong các m ạ n g quang

Rất rõ ràtm khi la ân định một liuhtpath giữa hai nút mạnii dê đáp UT1LỈ một \ ẽ u càu kêt nối (conncction request) giừa ehúnu chím Lì ta đã lạo ra một mộl lien kêl (link) moi L2HÌU hai

nút này Tập hợp tất các các lighpath cần xác định trong mạ ng quang đê phục vụ cho tất ca các yêu câu kết noi và các nốt mạng ban đâu sẽ hình thành một topology khác với topolơey vật lý Topol ogy n h ư vậy dượ c gọi là các topology ao (virtual topoloiz} ) troim marm quaim Bài toán xác định các lightpath đế đáp ứng các nhu câu kết nồi giữa các cáp nút ưonti một mạng q ua ng sao c ho các tài nguyên mạng được sư dụnu tối ưu (sô các bước sóna trên mỗi liên kết là ít nhất) đ ư ợ c gọi là bài toán thiết kế topology ao.

Bài toán thiết kế t opology áo là bài toán quan trọng nhất trong mạng cáp quaniỉ bơi vì nỏ cho phép đê nâng cao hiệu quả sử dụng mạng Do đó mục đích cua đổ tai là tập trung nưhiôn cửu các khía cạnh và thuật toán dê giai quyết bài toán topoloL!} ao tro nu mụnu quunu

Các nghiên cứu t rước đây dã chí ra rànu, bài toán thiết ke topoluuy ao là hai toan NP-dà\

đủ, do vậy các thuật t oán tìm kiêm tôi ưu nên được áp dụnu đẽ giai quvẽt nỏ Thuật toán di truyền (genetic algor ithm - GA) là một phương pháp tìm kiêm tôi ưu dựa trẽn ks thuật tiên hỏa tự nhiên dã được áp du ng thành công trong nhiều lình vực như hoc máy lôi ưu hoa tó hợp Do vậy, c húng tỏi sẽ sứ dụni> thuật toán nàv cho việc thiêt kè các U>poloí2\ ao

II Mạng cáp quang - Nền tảng cho Internet thế hệ kế tiếp.

Mạng cáp q u a n g hoạt dộ nu dựa trên hiện tượng phan xạ toàn phân trong SỢI quang Nó

nhanh hon irụmy t ruyền t hốnu vì dữ liệu dược Iruvcn qua sợi quann dưới dạnti cac phoỉntì còn trong mạ ng t ruyền thôim dữ liệu dược truyên qua cáp dõnti dươi đaiiLỊ các cỉcciroii

Photon có trọng l ượng nho hơn electron, và hon nữa giữa các photon không co su lưưnụ lác

như giữa các electron Mặt khác, ánh sáim có tân sô cao hơn nôn bước sõng cùng ngăn hơn

do đó với cùng chiều dài, cáp quang truyền dược nhiều thòim tin hơn cap dòng, t uny với những dặc tính ưu việt như: cung cấp băng thông cực lỏn chi phí ihàp, ti lệ lỗi bit cực tháp,

độ nhiễu tín hiệu rất nhó, yêu câu khỏnu gian nho kha năng bao mật cao hiện nay mạng

c á p q u a n g đ a n " l à e ô i m n t ỉ h ộ h ứ a h ẹ n c h o tưưnt!, lai v à d ư ợ c SƯ d ụ n g r ộ n g rãi i r o n y i n ụ n x

truyền thông backbone (mạiiíỊ lì liven ỉhông đirờng trục).

11.1 Công nghệ WDM

Theo lý thu vét sựi q u a n ” có băn Li thỏnu cực lơn (khoanu 2? IM/.), gãp khoang l ()<)()lần so với hãng thông tố ng cộim cua sóng radio Iren các vệ tinh trai đai I II} nhiên du toe dộ truy cập m ạn " cua ngưừi d ù n g bị mỏi hạn bởi tốc độ diện IV các node mạng (vái Cih s) Sự

k h ô n 11 t ư ơ n " đ ồ n g v ề b ă n g t h ò n u ti i fra q u a i l ” v à d i ệ n n a \ l a m c h o \ ICC k h a i t h a u hót b ă n Ị.'

N

t hông k hông lồ của m ộ t sợi cáp qua ng mà chí dùnu một kênh truyền sỏnií là rát kho khăn Rất

m ay cho người sử d ụ ng là công nghệ W D M (wavelength division multiplexinu ) cune với KDI'A (erbi um dope d fiber amplifer) ra đời đã giai quyết vấn đề này

W D M là p h ư ơ n g thức ghép kênh quang theo bước sónu Th ô ne thườne trone tuyến thông tin q ua ng đi ếm nối diếm mỗi một sợi quan tỉ cho một tia laser với một bước soriLí anh sáng truyền qua tại dầu thu bộ tách sóng quang tưưng ứng sẽ nhận tín hiệu tu SOI na\ Mỗi một sóng laser maníỉ một sô tín hiệu điện với một phô nhất định T ừ những năm 1980 công nghệ sợi qua ng có nhi êu tiên bộ nên phương thức ghép kênh q u a n ” theo bước SÓI1LI dược ímu dụng trong m ạn g viền thỏnti đường trục và quốc te ơ đây \VỈ)M cho phép la tăim J un e iượng kênh mà k h ỏ ne càn tănií tốc dộ bit cứa đ ườ na truyên \ à cũn 12, khôrm dunu them sợi dan

quang Nó cho phép khai thác một cách đưn gian vả kinh tè lượn li thònẹ tin vào mộl sirị

quan<ị d a n m ode (sợi q ua nu chi chơ một chùm laser truyèn qua lõi cua nỏ con sọ'i quaim tLi

che độ thì cho nhiều c h ù m laser truyền qua lõi cua nó dưới các uóc khác nhau) trẽn cự ụ dai

và tăng độ mồm đco của cấu trúc phân phoi NhCrnu dirừnu truyên dan ihit' niiliiộm dã dại dược tốc độ lưu l ượng lỏOGbitAs phân phoi trên X kênh ghép theo hước sóiiii Ilon nữa lĩhep theo W D M khônu chi giám btVl anh hưá nu cua tán sác mà còn chônu dirực lỏn hau do phan cực Các hệ thổng ihông tin quaim hiện dại có sư dụng bộ khuêclì dại quang dê ghép nliĩẽii kênh theo W D M Nếu với lưu lượng là 2.5Gbit /s ghép theo W DM từ 8 iìũn ]6 luỏng tin la thực hiện được một đ ư ờn g thùnu lin quang với lưu lu'O'im là 20Gbit S dẽn 40(ihii s trôn mội sựi don mà vẫn dùng lại dược các thiết bị ghép kênh và phân kênh hiện có

Minh 1.1 minh họa cấu hình của hệ thống WD.Y1 Trong dỏ các tín hiệu quang từ uuu

nguồn có các bước sónỉì khác nhau II}/, ỈV/ ìí': và l!'j đưựe ghép lại nhó hộ ghép kênh Ml X

Bộ ‘Thép M U X phai đà m bao ít suy hao và không cho sự xuyên nhiễu giữa các luỏny Các

l u(W’ tín hiệu sau khi ghép đuực truyền trên một sợi quang lởi phía thu I rèn mội tuyên dườn" có cụ’ ly dài thì c h ù m sỏim quang diụrc khuòch đại nho các bộ khuẽch dại Bộ chia

l uồn1’ Dl ìM lại dầu thu sẽ tách các sỏnu quang IIII II /, I I : VI/ II ; va khui phục lại lín hi cu

diện l ương ứng với timu bước sóng như phía phát

Kĩ thuật E D F A đirực sứ dụng đê diêu chinh, khuếch dại dồnL! thời tât ca các bước sónti

mà không phai quan t âm dên ti lệ bil cua cluìnu Trước khi kĩ thuật na\ ra doi sự SII\ hao trong sợi q ua ng sau kho a ng 10km được hu dãp lại bới một may lái sinh Khi đó các tin hiệu

q u a n g p h a i d ư ợ c c h u y ê n d ô i s a n g t í n hiệu d i ệ n đ ê XU' K r õ 1 l ạ i phai c h u N Õ n d õ i n i i ư o c l ạ i Khỏ khăn chu yell là máy tái sinh chí làm việc dược vói một ti lộ bú cô dmli l-iõ khuòch dai I’D I A bao gồm một vài dônu hô do sợi quanu \ à một mu\ ki-dc CỈUIILÍ dc kliucdi Jai các till hiệu quang

11.2 Kiến trúc mạng cáp quang

node) được kết nối với nhau bới những liên kết diêm loi điẽm theo một lopolotỊ) hâl k> MÕI node cuối (liên kết với ngưừi dùnu) kcl nòi tói một node định tiiNÒn thõng qua một 1 iõn kẽt quang Tập hụ p n hững node ciiỏi uăn \'ứi một node định t u \ c n tạo nôn mọt node mạng Mõi node c ó c á c đ ầ u truyền v à c á c i ĩ í ì u Ì i ì i ậ n t ư ơ n g ứ n g d ê g u i d ữ l i ệ u \ à o i r o n g m a n y \ a n h a n d ừ

li»htpath MÔI li^hlpalh là một dưòntỉ dan quang được thiẽt lặp ui lìa 2 node va ân đinh cho các bước sóii” tròn toàn bộ d ườn tỉ dẫn quang dó iYong tnrừng họp mạng không co sụ biến dồi CMC hước s ón" ( wa velength conversion) thi các bước song tròn toan hộ cac 11Cn kẽt cua đườn<’ dẫn dượ c yêu cầu ỉà giống nhan [)iỏn nà> được biêl Jen nlur la rani! buộc \ c sụ liõn tuc bước sỏ 11" ( wa ve le ngt h contini.it> constraint) Một điÒLL hiên nhicn lá hai liglitpalhs khong được gán c ùng một bước sóng trôn cung mòl liên kcl ( l i n k )

Ví d ụ I: X é t m ội m ạ n g cáp q uang với 5 node, m ỗi sợi q u a n g có thê im m g dược 2 hước

s ó n g n h ư hỉnh 2 c ầ n thiết lập một lightpath cho mỗi cập node: < 0.2 , 1 3 ' 4 ỉ lị

và < -/ ,/ > G ia thiết m oi node củ một đcw truyền và một đau n h ú n C h ì có một íiuim y vụt !\ giữa bất kì cặp node nào M ôi liên két q u a n g cỏ kha nàng m a n g được 2 Ỉiịỉhtputh cio moi sơi

q u a n g có thê h ỗ trụ 2 bước súng Tuy nhiên ta không thẻ thiổi lập được các Hyhipalh cho cu

5 cặp node trên do y ê u cầu về s ự liên tục cua hước sóng [rong một liyhrpaih ỉỉinh IV Jũ minh họa một p h ư ơ n g p h á p định tuyến p h ù hợp cho các iightputh I’n p : va /\ Irony LỈÓ

p, là light p a th bat n g u ồ n rừ nucle i Do p n xư ihm o bước SỎÌÌỊI II,,, Pị chì co ihẽ sư i/uny 11 17

Po và P; đ ã d ù n g chu n g một Hên két vật lý I —>2 Tmrng tự n h ư vậy / ’: chi co ihc UI Jụny II',,

Vũ / J t h i c u t h e .SU' d ụ n g VI’/ L ú c n à y l i ê n k i 7 v ậ t l y 4 —*0 c h i c ó i h c Ml ( h i n t; b i n r c u , v ù liên kêI vật lý ()—>! chì có thê s ư dụ n g 11'/ Do đủ không the ihiéi lập livhtpath aiữu Líjp node

M ặc du vậy la c ũ n g đã s ư thing dược các hước sỏny, (.10lì 2 lần, diea này chi) p hép Ihiêl lập đượ c nhiêu lixhtỊìuth mà v a i l licl kiệm íhcơc su hước SÓHÍỊ phai Jiiny.

lightpaths trên tầng q ua ng hình thành nên topology ao Tầng nà) CLinu cáp L!Íao thuc iroiiLL suốt và hỗ t rợ đồng thời nhiều ứng dụng cua tầng khách do sợi quantì co thô truyèn các thỏnu điệp ở các tốc độ k há c nhau Khi gặp lỗi, các lightpath sẽ được định t iụ é n lại Điẻu na\ cho phép nâng cao độ tin cậy trong việc truyên tin qua mạns.

11.3 Bài toán RWA trong mạng cáp quang

Trong mạ ng cáp quang, một két nối được thực hiện bơi một lightpath I huậl loan (.10 chọn tuyến (path) và bước sóng (wavelength) cho việc thiòl lập các lightpalh dược gọi la

t h u ậ t t o á n đ ị n h t u y ê n v ù â n đ ị n h b i r ớ c s ó n g ( R W A )

Yêu cầu kết nổi (ha}' traffic) mạng cỏ thô lá lĩnh hoặc dộnu Dõi \ Ó1 nhữnu irallÌL tình, những yêu cầu kcl nối thường dược biát trước Traffic dược xác ilịnh theo n hữn LỊ cặp nguon- đích dựa trên sự đ án h giá chiều dài liên kết giữa chung Chúng tu càn chọn eac t u\ ẽn \ a các bước sóng sao cho lất ca các nhu cầu được đáp ứng YO'1 sỏ huỏc song cân sư J ung It nhải, hoặc cực đại số nhu cầu được thoa mã n với sò bưỏc sóng cò định Vân dò nu_\ năm t ron” bai

toán thiết lập c á c n ^ h t p a í h tĩnh (SLE) Bai toán SLF: dă đirọc chửny, m i n h la \ p da\ dll I 1 |

d o v ậ y c á c thuật t o á n g i a i t i ầ n d ú n c v ó i t h ò i g i a n d a t h ứ c t h ư ờ n g đ LI ọ c s ư d ụ n g

Khi nhu cầu traffic là dộng, nhĩnm yêu cầu kết nối mạng la ngẫu nhiên Các liyhtpalh đirực thiết lập chi tòn tại trorm một khoang thời gian cỏ hạn Khi nhu câu trai lie mang iha\ dôi hoặc một thành phần nào do cua mạng bị hong một so liglitpath danư tun tại LO ihc bị loại bo, và một số liiihtpath moi J ưọ c ihiõi lập dô phù liựp \ó'i -ụ ilia> dôi dó Kliũu- LIIUII J,

n h ư bài toán R W A l ĩ n h , hắt c ứ lờ i g ia i nao c h o bai toán R \ \ \ LỈỘI1U CĨI11L! d c u ki n lim iL n u ll

14

toán đơn giản, vì n h ữ n g yêu câu cân dược xừ lý trực tuyến Thuật toán R\VA độnu thực hiện đơn gián hơn thuật toán R W A tĩnh vì nó không biết nhữnu yêu cầu kct nòi tronii tưcvnn lai trong khi tât ca n h ữ n g yê u câu kêt nối đồu được biếl trước trong thuật toán R \\ A tinh 1 hiiàt toán R W A động x ứ lý các yêu cầu kết nối hoàn loàn theo thứ tự ma dmnii đèn tronií khi thuật toán R W A tĩnh xử lý các yêu cầu đó theo thứ tự được quyết định bơi một vài heuristic

như lả: Heuristic L o g ic a l Topology D esign Algorithm (HLDA) M inimum Dclcn l.oựica!

Topology' D esign A lg o r ith m (M LD A) [2J Heuristic gán các bước sónii cho các tuvền theo trặt

tự không tăng chiêu dài hop cùa c húng (hop là một bước truyền, 2 node mạn li được két nôi trực tiêp với nhau bưi một lightpath tạo nên một hop), vi nhữnu két nôi có số hop lớn hon

t hường khỏ tìm được một bước sóng rồi trên toàn luyến cua nó so \ ó ’i các kêt nòi co sô hop nhỏ Ví dụ sau đây sẽ c hứn g minh chơ những vân đổ đã nói ớ trẽn

Ví dụ 2: Xét m ạ n g với 4 node và 2 hước sỏnn 117, vù II / n hư trong hình 4 Can ihici lập

các liẹ htputh giữa n h ữ n g cặp node 0 , 1 , 2.3 1.3 , 0.2 ( ì iu ilnữi rú n V' các \ i'll Ciìii

Bài toán R W A là bài toán NP-đầy đủ, vi vậy đề giải nó nmrời ta ihườim dược chia

t hanh hai bài toán con: Định tuyên và ân đinh các bước són°

Có 3 p hươ ng p h á p định tuyến quan trọng: định tuyến cố định (fixed routing), định tuyên cho phép lựa chọn ( ii xed alternate routing), và dinh tuyến đầy du (exhaust routiim) Plurơim pháp định tuyên cô định chọn một tuyến duy nhất íỉiữa một cặp node \ a thõim thirờim tuyến

dó là tuyên ngăn nhât giữa cặp node náy Phươne pháp dinh tuvcn cho phép lựa chọn tạo ra hai hay nhiêu t uyên giữa một cặp node Những tuyến nà\ dược tim làn lượt theo một thu tự định trước, thường là t heo thứ tự không tăng chiều dái hop cua ehimií [’hưorm pháp dịnh tuyên dây đu lìm kiêm trôn tat ca các tuvến có the uiữa mội cặp node va chọn IIIyen ntiãti nhắt (cái mà có thỏ ấn định đưực một wavelenuth) theo trạm; thái cua maim Phươni: pháp dịnh tuyên đây du có lính kha thi cao ha n hai plurưnu pháp kia nhưnu nỏ lại yêu câu sự tinh loan phức tạp hon T ư ơ n g tụ phương pháp Ị-lịnh tuyến cố định yêu can linh loan dull Liian hon phương pháp dịnh tuyến chọn lọc nlnmg tinh kha thi cua no lai ihnp hon

P hưưne pháp ân định bước SÓI)” đưọL' chia thành 4 liK.It: buVrc SOI1L’ duuv Ml V.IụIIL1 nhicLi nhât (most used), bưóc sónii dune sư dụim ít nhài (least used), thứ lự các biiíiv Mill" la Ló định (fixed oder) và thử tụ' các bước sỏnii là niỉàn nhiên (random ođur) I 'ị I ruiiL’ pliLi'ivim pháp thú nhất, các bước sóng được tìm theo thử tụ khônii tãny khá nãML; tận dunií nó (mnu mạng Các lightpath d ư ợc nhỏm lại đê cỏ nhiêu bước sỏnu săn sanu cho nhìnv-! \ ẽ u câu kéi nối sau Trong phưant i pháp thử hai các bước sóim cũn Lĩ dược lìm theo thư tự khÒHL! tàn ụ khá năng tận dụnti nó tronii mạng, Phưonu pháp nà\ àn định bước sòn LI cho cúc liuhtpulh lie

sự khác nhau về bước sóng giữa c húng lá nhiêu nhât CO the V tưưHỊỊ ơ dà} la mụt rưí/itcsl

mới có the tìm đượ c m ộ t tuyến ngan nhât vói một birớc song còn ròi trên nó Phương pháp

thứ hu ấn định các bướ c s ón a theo một thứ tự cồ dịnh Mỏi bước sóng dược gan một chi sô bước sóng với chi số thấp nhất được kiêm tra dầu tiên I rony plnrtrng pháp thú tư cac bnxVc SÓIV’ dirợc uán theo một ihu lự niiầu nhiên rhcơ các tài liệu bao cao khua hoc \U1 mội thuâl toán định tuyốn hiệu qu a cua các phuơng pháp un dịnh các bước sóng la nhu nhan l)o \ ậ> tro n11 nghiên cửu ciiii cliúnu tỏi chúnu till sc su dụng thiụil loun Hsci/

Rất nhiều bài loàn tro II a mạtiLĩ quail” có bài loan R \ \ A nhu la hai loan con 1 II\ nhiòn

t mn» k huôn khổ cua dc tài nù\ cluing lòi chi sè dẽn bài toan thict kô lopoloLi} ao sò dưac

trình bày tro nu phân tiêp theo

11.4 Một sô vân đê quan trọng khác của mạng quang

Trong phan này, c húng tôi sẽ trình bày một số vấn đề quan trọna khúc cua mạnu cap quaiìLi

T ư đo cho phep người đọc có một cái nhìn tông thó về các vấn dề tron LI mạiiLỉ quanii C'ác vằn

đe này có thê dược quan tâm một cách rời rạc hoặc la t rons môi liên hệ với nhau khi iiiai quyết các bài toán trong mạng quang

a) S ự cẩ n th iế t c ủ a w avelen g th converter.

converters), thì một lightpath sẽ yêu cầu sư dụny duy nhắt một \ \ a \ cl c nu th trôn tàt ca cac link

m à n ó trái qua Điêu n à y đ ư ợ c b i ê t như là s ự ràn LI huõt ' liên l ụ c c u a b ư ớ c SÓI1L1 \ a s ự rãiiL!

buộc này làm gi ám hiệu năng sứ dụng các tài nguyên mạng Chửim ta co thê thà} rõ di cu ná> qua ví dụ dưn gián sau dây:

V í d u : ( l i a s ư c h í t n ạ t a c ó m o i l ” ( J i u i i l i i n h u h n i h \ V í / k h ò i ì ị ỉ c ú cút. II t i v c / c n Ị i l h

converters o trên m ụ mị Môi một link cú hai u ĩivclcn^ỉh /í/ u , vò 11 ■ ( riíi w r chan;.: Ill CD kri nòi giữa các cặp nút (ỉ, 4) và 3) (ìiú s u kcl nôi íỉiữa cáp I l l ' l l 11 -I) sir thinX h^hiỊKillì ihcti tỉirờníỊ (I, 3, 4) với w avelength \\I,- kữl nôi ựiữii cặp níu UI iliini: li^lil/hitlì ỉiìca tiinnii’ (2 ì 3 ) với w a v e l e n g t h I f / l ỉ á y ịỊÌỜ, %i a SU' c ó m ộ t YCU c â n k ứ i n ò i m ớ i g i ữ a m i l 11 3) R ò

r à n í* c l u h i í Ị t a k h ỏ m ị l /ì ữ t h i c l l ậ p i í i t ực kứl n ô i c h o yừit c á u u à \ h o i vi I ink i l i l cl anx Ihiit ( c á VI'0 v à u 7 i ỉ c t i i ỉ í i i i í Ị M I ’ í ỉ ì i n ^ ) , d ư ớ n” ( 1 , 2 , 4 , 3 ) t h ì k h ô n g ( ô n l ụ i m ộ t m i v c l c n a i h c h o n i l c a

c á c l i n k vì l i n k ( 3 , 4 ) v à l i n k ( 1 , 2 ) c ó h a i w a v l c n ^ l h r ò i l ụ i khác n h i i i t III I I ' , vù u l u o v Ị i m i l ’

Rõ rànu, iron ti trưÒTm hưp nàv tài nmivèn manti daiiL! còn rỏi Iihinm lai kỉiÕỊiii phuc

vụ dược nhu cầu kếl nối Bày giờ ta lại Lỉ,iá sứ mạnu CO wavelength c o r n erter tai nút số 2 Khi

dó, yêu càu kết nối giữa nút (1 3 ) trong ví dụ trên nhu hình \ ẽ 6 ilưoi J à \

F i g u r e 5 : ỈVI ạ I I q u i i i i ” lvliôfiỊ4 c ó Wii V e l c n t Ki c o i l v e r i e r

F i « u i r c 6 : IM 11II ii ( Ị Ui i Ni i \ó*i w a \ i k i i ” t h c o i ì M T l c r s

\

b) Vẩn để S u r v iv a b le

Trong thực tê, các nút mạng hoặc các liên kẽt uiữa c h ù n” boi cac optical tì her có thô hóng bởi các hiện t ượng tự nhiên Khi sự hóng hóc náy \ a \ ra các liụhlpath lien quan đèn chúng cũng sẽ bị hóng theo, và như hộ một hệ quà truyên thônu dựa tròn các liuhipath lún

c ũ n g bị c ã t v à t h ô n g t i n c ó t h ê bị m ã l m á t V ì v ạ y d ê t r á c h s ụ m ấ l m á t t h ô n Li ti n t h e o c á c h

như vậy, truyên t hông giữa hai nút mạim thường dune xãy dựim dựa trẽn hai lÍLihipath khác nhau Ví dụ, truyên t hông giữa hai núi (0 5) SC dược thict lap then hai lĨLihtpath dọc theo hai tuyên (0, 1, 4, 5) và (0, 2 3, 5) Với cách thiêt lập nhu vậy t myẽn tliõnL! ui ùa nin 0 va 5 luôn luôn dược dam bao Lý do các mạng cáp q u a t m t h u ỡ n u có độ an t o a n cao vì \ậy rat hiếm khi hai nút mạ ng hoặc hai liên kết mạng cùng honii dồ nu thài

c) Vấn de F airness

Trong một mạng má) tính da người SƯ dim li eúnu s ư d ụ n u các dịch \ ụ d 1.1 ọc 1_ LI r 1L* cap bởi hệ thông mạng thòng qua các kôl nôi vật lý khác nhau Mui kẽl nôi \ạt l\ có iliO trai qu;i nhiêu lân c huyên mạch, và mòi làn chuvcn mạch nhu \ ặ \ Liọi la mội hop Rò rà 11 li cac kcl nôi vật lý có nhiều hops sc có nmiy CO' khônti dược phục vụ bane các két noi cu lì hop hon (dỏ uk

những người (V gần Vì vậv, bài toán dặt uia là lam sao dê dam bao các niỉưừi sư dụnu ơ Líãn hay xa đều được phục vụ công b ă n ” như nhau Bài toán HLĩà\ đã dược dặt ra tứ nhiêu nam nay và đã có mọt số h ướ n g giai quyêt nhu là: Giành riêne một sỏ tai nuuyèn dò phục MI cho các kết nối ở xa Tuy nhiên, cách tiêp cận này dàn đèn việc lãne phí tài niíu_\ẻn troim I11ỘI sô thời ui an không xúy ra các kết nôi lừ xa Các tièp cận khác la (.lịnh ra các mứu dộ ưu tiên cho

c á c k ế t n ố i C á c h tiếp c ậ n n à y t r á n h đ ư ợ c s ự lãn Lĩ phi v è tai nti UNcn Ill} n h i ê n \ ì ệc d i n h ra

các mức độ ưu tiên lại là một bài toán vô cùng khó khăn Vì v ậ \ bài toan fairness trong mạn li máy tính vẫn là một vấn dề còn nhiều thách thức dối với các nha nghiên cưu \ u phát tnẽn công nghệ

Môi truyên t hông multicast sc liên quan đến một nút neuỏn và một lặp các nút dich Đưa ra một nút nguôn và một tập các nút đích, bài toán multicast là tìm một tập các liên kết

và bước sóng trên các liên kêt này đê thiết lập các kết nối từ neuôn tói tất ca các nút đích sao cho tông chi phí là nho nhât r ô n g chi phí có thẻ được định nghĩa như la tônu sỏ cac buóc sóng phải d ùn g trên mỗi liên kết

Đê tránh việc gửi riêng rẻ các ban sao tới mỗi đích, một truyền thỏim multicast

thường được thực hiện bới một cây multicast (multicast tree) với gốc la nút neuòn \ á các nhánh vươn tới tât cả các nút đích Một cây multicast như vậy được ÍÍỌÌ la liuhỉ-irce nếu có

dúng một bước sóng được ân định tới mọi liên kết Chú ý rànu nó thưưnu là khó đô xây dimtz mộl cây multcast đơn cho một truyên thông multcast vi vậy thirờntỉ một tập các liiiht-tree

( m ô i c á i đ ư ợ c â n đ ị n h m ộ t b ư ớ c s ó n g k h á c n h a u ) s ẽ đ ư ợ c x â y d ự n t í d c p h ụ c v ụ c h o m ộ t

truyền thông multicast T ậ p các light-trees dược gọi là rừng (liyht-fiircsl).

Dê hô trợ truyên thông multicast cỉưực hiên qua môi nủl l inn” mạim \\ l)M cân co

k h a n ă n g c u a v i ệ c p h â n c h i a b ư ớ c s ó n g ( l i g h l s p l i t t i n g ) M ộ t n í n x ớ i k h a n ă n Li n a \ CO t he

chuyên một tín hiệu ớ cống đến thanh nhiều tín hiệu ơ nhiêu côim ra trẽn cu mí một bước soil”

và được gọi là M u h ic a s l- t'u p u b le (MC) Bởi vi xây dựnu mội núi mạnụ với kha nãim MC' la

rât dăt, nên trong các mạniì qua ng chì có một sỏ nút mạrm chien lược la co kha nănư nas Các

nút mạng khác khôn g có kha năng MC dược gọi la MuỉtìcasỊ Incapable (MI) Các núl m.iiiL!

MI chí chuyên một tín hiệu từ công đón (Jen dúim một CÚI1U ra Một mạnii cáp quan LI nlur \ặ> dược biết như là m ạn g cáp q ua ng với kha năng chia bưóc sỏ 11 ti thưa {optical network with

sparse liiỊhl splitting) T hê m nữa, một nút MI có thè là trích - hoặc - tiẽp tục ( Tap-or- Conlinuư -ToC) hoặc trích và - tiêp lục {Tiip-ainl-Coníinuc - I aC) nưhũi ki I o(' kliònu the

vừa trích hiệu năng q u a ng từ công đên vừa chuyên tín hiệu tới côniỉ ra MỘI nút M ( ’ \ (Vi kha

năng chuyến doi bước sóng ( wavelength conversion) được gọi la nuuũn ao ( I iriiml Sourcc

VS) node bởi nỏ có khá năn ti c huyê n tin hiệu từ một công đên tói bát k\ côim ra nao su dụn Li một biárc sóim bât kỳ

B à i t o á n t h i ê t k ê t o p o l o g y a o h ô t rự m u l t c a s t la m ộ t bài t o á n ràt rât k h o I l i ộ n n a \ [ló

v ầ n l à t h á c h t h ứ c v ớ i c á c n h à k h o a h ọ c t r ê n t h ố g i ớ i v à d a n g d i m e q u a n l à m rút n h i c u

III.Thiết ké T op o lo g y ảo trong các mạng quang

III.1 Giới thiệu chung

Sụ phát triển m ạn h mẽ cua m ạn g cáp quang cúng với cong nghệ WDM doi hoi moi

tương đ ươ ng với m ộ t lightpath trong mạng Nẻu hai node dưực két nối bơi mộl liuhlpalh thì chúng có thê liên lạc trong một hop Do nhím LI iiiứi hạn vè mặt conn ntihộ nên sô bưiíc sonu

số đầu truyền và dầ u nhậ n sẵn có không du đê thiết lặp cac liiỉhtpaih uiữa tât ca các cặp node trong mạng Nế u hai node không đưực kết nối trực tiếp bơi một liiĩhtpath, nhirnn chúne lại đưực kêt nối bởi một chuỗi các lightpath thi chilli" cỏ thê liên lạc \ ớ i nhau thônti qua một

V ỉ d ụ 3 : X é t t o p o l o g y v ậ t l ý n h i r l ì i n l i 5 ( d ) ( r i a t l i i èt m ô i s ợ i LỊIIIIIIí; có t hê h a t r ụ ’ 2 h ướ c

sóng, vù tại m ôi noíỉe cicu cá một ilãii Iniycn và mọi chiu nhãn ( 'ân ih u i hìp li^lỉiỊhiih pul'll

c á c c ụ p n o d e 1 3 2 , 4 , ỉ, / v à 4 , 2 ■ I ớ i m u i CŨỊÌ n m l c n ^ u o n v ơ H i h i c i h c l ỉ k l n h i ĩ ’

két noi trực tiẻp với nhau, VII có d u y nhủi mội lỉirờii" vai lý kci nòi Ịiiữu chilli” 'la Sir iliiHỊỉ

đ i à r n g v ậ t l ý d ó l à m d i t ờ n ạ l ỉ i i n q i i í t i i Ị ỉ c h o c á c l i ạ h l p a l h c á n f i l l ' d h í p ( l ì ũ i ì” l u m c / i n m" í hi n

quang cho liạhlpalh cần ihiêt l ậ p giữa cụp n o d e 1.3 lù / —* - - cặp Hinlc ị 2 1(1

4 —>Ị—*2 Cúc i n ’htpath I'll, / ’/, P; và dược llucl lúp n hư hình vũ Hủy ịiiờ các bưức \ó»x

Gia thiet răng t opol ogy vật lý và traffic Irung binh giữa các cặp niiuồn-dích dã cho Những đại lưạng sau đây được xem là quan trọng trong việc tối ưu kha năn” cua mạnL! khi thiết kế topology áo:

1 S ô h o p đ ư ợ c y ê u c â u đ ê đ ị n h t u y ể n m ộ t t r a f f i c t ừ n t i u ồ n t ớ i d í c h c u a nó

2 Traffic được cấp cho một lighlpath

3 Lưu l ượng traffic qua hop đơn (single-hop traffic flow )

4 Độ trễ cùa t hông điệp

Dơ đó, việc thiết kế topology ao nhầm vào bốn mục tiêu sau:

I C ực tiêu trọ n g sô trung bình cua LÚC hop T r ọ n” sô trim” bình cua các hop ia sô lightpath trung hình được truyền qua bơi một don vị traffic tro nu một mạn^ Nôu I '

2 C ực tiêu s ự tốc nạ/lẽn mạng: Sự tăe nuhõn mạng là tinh trạng traffic đuọc cap lõi da

trên bất kì l i di tpa th nào Traffic duợc câp trẽn một lightputh la sỏ lull lưonii Iralìlc

tốn*' c ô n " g i ữ a n h ữ n u c ặ p n m i ô n - d í c h SU' đụiiL! 1 i i i h t p a t h d o S ự l ã c nLihõn m ạ n L! n õ n

đ ư o c u i ữ O' m ứ c t h ấ p n h á t V i t r a f f i c l u ô n c o n h u c à u m o rộ n u n õ n \ i ộ c c u e l i e n l i n h

trạng tác iv’hcn mạnn sẽ hỗ trơ sự phát triên cua traffic troiiỊỊ tưuìiLi lai \ ICC cục ticu

t ic lichen CO the >’iam true ticp trọim sò trunt! binh cua cue hop ma những 1 LI LI luvrnL! traffic di qua Do dó hai mục tiêu náy có liên hệ chật che đôn nhau,

ỉ C h o l ố i l ỉ u c á c Ill’ll l ư ợ m : i r a i i ì c C/Iiíi n h ữ i i " h o p i h n i 1’h i r o n u p l i a p lia;, c h u phOp khui

t l r k tối da b ã n u thòim m a n II Bơi \ iộc chia so Hãnii llioiiL! cua một ÌUilp.tih chn

n hưng lưu l ượng d ữ liệu đên từ những cặp nguồn-đích khác nhau bị Líiam xiiõim Mục tiêu này liên qua n chặt chẽ với hai mục tiêu đã irình bay o irên.

4, C ực tiêu độ trê thông điệp- Thời gian cần thiết dè một thôrm điệp đi lư node ntuiõn

đen node đích của nó được gợi là độ trễ thông điệp Độ trỗ thỏtm điệp có thê dược do bang đọ trê truyên qua các lightpath và độ trễ hàng dại ơ các liiihtpath Độ trc ti'UNCii qua một hght pat h là khoáng thời gian một thỏnii diệp truvcn tư dâu na\ đên đàu kia cua lightpath đó Thông thường trong một mạim WAN độ tiv tm>ền anil lurony chu

y e u s o VƯ1 d ọ t r e h a n g d ợ i Đ ộ trê h á n g đ o i c h i c ó V n i i h ĩ a khi l ư u l u ự n i i t r u v c n trôn

mọt hg ht pat h đã đạt đôn giới hạn cua nó Độ trễ t r m ẽ n phụ thuộc ván chiẽu dài sợi

q u a n g N h ữ n g ứ n g d ụ n g y ê u c â u n h ữ n g d ị c h v ụ t h o i Lỉian t h ự c n h ạ \ c a m v o i d ộ tre

hung đợi hơn độ trc Iruyên Do dó việc cục liêu dô trô hanl; đợi la quan trụn>' lum \ iộc cục lien dọ trò triivcn V lộc cực lieu trọng sô lm n Lí bình cua cac hop hu\ linh Iran" nghẽn mạ ng eo thê giam ihièu trục ticp độ trô háiiLí dtri, vi nó phụ thuộc \ LU> tai cua lightpath

b) N h ữ n g vẩn dè c ơ ban tro n g thiết k ế topology (10

Vân dê thiêt kê t opology ao là rât kho khán vã phức tap \ ị \ ậ \ nil (hưoni: ilư./c c h u thành các vân dê nho h c n đô có thô LÙái qu_\ẽt dộc lập nim san

r C h ọ n t o p o l o g y á o ( V I S ) : B à i t o á n n à y x á c d ị n h m ộ t u > p o ] ( ) o \ a o CO t h e c h u m ộ l

t opology vật lý dã cho Nói cách khác, nó chọn ra một \ ái cặp node nuuon-đidì ma nhũng lightpath càn thiêt lập Líiữa chime dô tòi ưu một mục liêu nau do I mnii khi giai quyêt vân đè này cân phái xem xét sỏ đàu truyẽn sò Jail nhận ơ 1 1)01 mule \ a sò bưức sóng c ho môi sợi quail”

> Đ ị n h t u y ế n c h o l i g h t p a t h ( LPRS ): Bài loan này xác định một tuvẽn \ ật l\ chu mũi lighlpath được chọn bưi bài toán VTS ĩhònu t hưònu đướniỉ imăn nhãt (then so hop

v ậ t l ý ) d ư ọ c c h ọ n c h o m ộ t l i g h t p a t h b ở i vì n o SU' đạriLL s ỏ k ê n h t m \ ê n SOHLÌ ít h o n ( \ a

do dó s ử dụiiL! ít hãn li t hòne hơn) Độ trẻ triiỴÓn tronti một hop \ ậ i l\ cũnL' cu ihẽ được xem xét

> C h o n b u ó c s ó n ” c ho liịịhtputh ( I P WS ) : Bài toán na\ chọn bu'i'ic mmil: clio cac

l i g h t p a t h N ê u c á c n o d e k h ò i m c ỏ k h a n ă n Li c h u v ê n d õ i h ư a c s o u l : ” i c i i y n h a u phai

được s ử dụ ng trôn tât ca các kêt nôi dọc theo l u ) ôn cua lÍLihlpaíli Bât cu ỊỊÌai pliap IKIO

cho bai toán này c ũng phải xem xét sự ràn ti buộc bước sónii liên tục và so hước SOIILI sẵn có cho mồi sợi quang.

r- Đ i n h t u y ê n t r a f fi c t r ê n topology áo ( I RYT): Bài toán nav quan lam \ lộc dịnh tu \ê n

t hông điệp gi ữa những cặp nguồn-đích trẽn topolouỵ ao Nó la một phân quan trọny

c u a b a t k i c h ư ơ n g t r ì n h t h i ê t k ê t o p o l o g y á o n à o N h ĩ n i L ! t h ỏ n u s ố l a i n t ô i ư u k h a nã t i L! của mạng trình bày trong p h â n a) ở t rên phụ thuộc vào phươnt! pháp định iuyèn thÕHL! điệp qua các lightpath

VI dụ 4 Xél m a n g til rực chu Iron” hình 6 7 opoloựy vỡ/ /v íharc l/ic hicn Iranự hình 6(a)

l ù d ữ l i ệ u đ á u v à o M ọ i IKHÌC l ì t r ự c i'ici i h i ê l 1(1 c ó 2 ÍỈÚII t n i Y Ứ n VII 2 i / ũ u i i h a /1 l h i ’11 Iìi)\ c o nghĩu răng bậc vào và bậc ra cua mỏl node trong lopolo^v i l l ) cn llic cao nhà/ lú 2 Moi sui

III.2 Phát biểu tổng quát bài toán

Input: ma trận traffic, topology vặt lý sò bước soil” ma mỗi sợi 1|UU11ÌỊ có thê 1)0 tro

v à s ô đ â u t r u y c n , s ỏ d â u n h ậ n o m ò i n o d e

Output: T op ol ogy ao tôi ưu theo m ộ t thỏim sò náo dó

Các thông số tối ưu mạnu cáp LỊ II aim có thè là sô bước sóriL! cân dùnu dộ trc tru nu bình của các thôim d i ệ p Thôni: t hườ ne nuu'ò'i ta lỏi ưu topoloL!} uo theo sò bưoc MHiii (cưc ticu

s o b ư ớ c s ó n g c a n d ì m g h o ặ c c ự c đ ạ i k h a n ã i m d á p ứ n g c á c y ê u c â u k ẽ t nùi k h i s õ b ư o c s o n ”

là c ố đ ị n h ) h o ặ c d ồ n ” t h ò i t h e o c a s ố b ư ớ c s ó n u v à đ ộ trề t r u n g b i n h c u a c á c t h ô n u J lộp

Dưới đây c húng t ô i sẽ phàn tích lý thuyẽt cho bài toán thiẽt ké topology ao

(i) N h ữ n ỉ Ị ítịnh n ạ /iũ i k í h iệ u

Gọi N là số node tronu topolouy vật lý II' la so birỏv biỏng có trôn 1111)1 NHI LỊnaiiLi Dè cho

d ễ trình b à y , d ú u m ta s ứ d ụ n g c á c dinh n g h ĩ a \'à k ý h i ệ u s a u:

1 B ậ c CÍILI riOí/c m ạ n í/ T r o n i ! m ộ t to p o lo g } ao c á c n od e tưoTiL dm niL: M'l cue node

mạng các Cling tirơnu diro'Hii \'ỏ'i các liuhtpath c uc liôti kct II'IMVJ ỉ 11 ạ 11 LI ilììMii;.1

2 4

là hai chiêu (biderection) Bậc vào (in-tlegree) cua một node la số liahtpalh tới node

đó Bậc ra (ouí-degree) cùa một node la số lightpath rời node đo (trước do phai dinh

nghía la do thị có hướng thi mới cỏ khái niệm nav) Bậc vào \ a bậc ra cua một node

bị giơ] hạn t ương ứng bởi sỏ dâu nhận và số dâu trư\ẽn sần có Với mồi node vặt l\ ki

hiệu bậc vào là D p m ,bậc ra la D !'JUI Trong topolots ao bậc vào D - ! ( ' • / ) bậc ra

c h i ê u viri N h u n g v ù A c ộ t MÔI p h â n t ư / 1 iruiiLí 7 bi c u d i c n Ill'Ll [ mvnu t r a l h c 1 ru n Li

b ì n h t ừ n o d e .V đ ô n n o d e í/.

3 Mil trận IIop: Ma trận hop định rõ sỏ hop vật K tỏi tia ma một liiihlpath Líiũa mòl cặp

n o d e c ỏ t h ê c ó M a t r ận h o p I f la m ộ t m a Irân 2 c h i ê u Vớ i Y l i à i m \ à \ c ộ t MỘI phLìiì

tứ h p trong / / hiẽu diễn sô hop vật ly cỏ the cho phcp lí mộl liuhlpalh til node / dcn

node /'

4 Biển chi thị li^hl/Hith: Biên này được sir china dẽ xác dinh liộn co một liĩihlpalh ụiữa một cặp node hay khỏnu Giá trị biên chi thị Imhtpatlì r băiiLí 1 nêu co mội Imhtpaih

từ node /' den node / Nmrợc lại I’,J băng 0 () đâ\ la dã uia thiẽt răng cú nhiêu Iiliât

một liqhtpath ííiữa một cặp node

5 Biền chi thị L i^h lp n th - hước sóiìíị: Biên nav đưọv MI dụng dẽ \ ac định iiộu ill múi

l i h t p a t h v ớ i m ộ t b ư ớ c s ó i m u i ữ a m ộ t c ặ p n o d e h a \ k h o n g ( i i a trị c u a b i ò n [ÌLíhipalh-

buức són" P U U là 1 licit có một liehtpath tu node I đen node / \ u 11(1 dưoc ỊỊLÌ11 bimc

6 Biến chi thị liên kê í: Bien nav dưực sư dụng dê xác dinh liệu co một I lẽn kct giữa mụ!

c ặ p n o d e t r o n 11 t o p o l o i i N \ ậ l U' l i a \ kliôiiLỉ Ciia trị c u a b i c n c h i ihị l i e n kc t r hãtiLỊ 1

n ế u c ó m ộ t l i ê n kết v ậ t Iv tù' n o d e X J e n n o d e /I N g ư ọ c lai g i a 11Ị c u a / ( |

7 B i ê n c h i t h ị Ỉ Ã g h t p a t h - b ư ớ c s ó n g - l i é n k é t: B i ế n n à y đ ư ợ c s ư d ụ i m đ è x á c đ ị n h l i ệ u c o

m ộ t lightpath với một bước sóng cụ thê giữa một cặp node sư dụnti một liên kẽt vát 1\

cụ thê hay không Giá trị cua biên này p \ 't w la 1 nếu cỏ một liuhlpath tư node I đòn

n o d e j và n ó s ử d ụ n g b ư ớ c sóng w trên m ột licn kết vật K từ node V đốn node V

Ng ượ c lại P*"'IW nhận giá trị 0.

8 Độ trê truyên cua liên kêt: Độ trễ truyẻn qua một liên két vật ly tư node V đôn node 1

đ ư ợ c x á c đ ị n h b ơ i b i ế n c/x > D ợ t r ễ t r u y ề n q u a m ộ t li Lĩ ht p a t h c o t h ê d ư ợ c d o b a n Li đ ộ

trễ truyền q ua n hững liên kết vật lý cấu thành liuhtpath do

9 K h o a n g cá c h h op ào: Khoang cách hop ao (hay khoanti cách hop) tư node ! Jen node /, kí hiệu là h Ki là so hop (ao) từ node / dến node ị trên topoloLiy LIU.

10 Lưu lư ợ ng Liịỉh/palh: Tông số traiììc dược cấp trên một Imhtpath Ui nodu I (Jen node /

lighlputh từ node i đốn node j đirực kí hiệu la f ' '

Hàm mục tiêu: Mini miz e han.

2 Cực liêu s ự n g h è n niạnự- Kí hiệu /„MV là lưu lượng cục dại trôn mọi lidupath ( lia irị

cùa f„n,s được tính như sau:

Ị làm mục tiêu : Mini mize /

3 C h o t ồ i LỈU Ill'll l ư ợ n g t r a f f i c I/Ita ììhừny, h o p tio'ir. So trai lie dime many Irony I11ỘI hop

(áo), kí hiệu là l,inK/,, được tinh nhu sau:

4 Cực tiêu độ trê th ô n g điệp: Độ trễ của một thông điệp LỈms;< có thè dược cực tiêu bănu

việc cực tiểu độ trễ truyền qua lightpath ựlp) và độ trễ hang đợi (ĩ nhữníi liylìtpath (c/f )

Độ trê t ruyên dụ có thê được tính như sau:

Nê u c là khá năng của một lightpath, thi độ trễ hang dựi d q co thè diroc linh như sau:

Hàm m ục tiêu : Mi ni mi ze {í/,, + dq)

c) N hững ràng buộc của bùi toán

Dưới dây là một sô ràng buộc cỏ thê dược sứ dụnụ tronu thiết kỏ topokm\ ao

dưới dây, giá thiẽt răng bậc ra cua mọi node là giốnií nhau, va bậc \ à o cua mọi node

nhữnti giỏi hạn bậc cho riêng lừng node

2 Vê lưu hrợníỊ traffic: N h ữ n g ràn tí buộc lưu lượnu traffic ạăn liên với traffic được định

tuyến qua các lightpath t r o n g topolouv ao Rànư buộc (8) diẻn ta Iralììc đươc cáp tròn

một lightpath là tôntí sô traffic được câp cho litihlpahl do từ mọi cặp node Lim lượnt:

traffic cực đại đirạc dinh rmhĩa bởi ràn tỉ buộc (9) Th àn h phân cưa traffic dược cáp

trên một lightpath bcri một cặp node cùng lăm là b ãn a sỏ lưu luọnư traffic L!ÌLÌa cặp

node dó Lưu lưựtm traffic cho một cặp node có thê được chia ra n h i ê u dinrnii d ẫ n

khác nhau trên lopolou} ao Nhữim lý lẽ nà\ d u ọc thè hiện h o i rán ụ hiiũc (ì III Sụ

biến dối lưu l ượng traffic ở nhĩnm node cuôi cua mót liíihtputh dirọc hi õ LI iJicn hi vi

ràni’ buộc (11) Mỗi thành phàn traffic trên một lÌLihlpath mửa một cặp nude

1 l ê sô bậc au: s ỏ d â u nhận v à s ô đ â u t r u v ê n ơ m ộ t n o d e q u v d ị n h b ậ c x á o ao (//■„.) \ u ,) và

V /

Vê bưức sóng N h ữ n g ràng buộc bước sóng gán liên với việc gán bước -Sỏnu cho các

lightpath Điêu kiện (12) được sứ dụng đê đám bao rărm birớc sóng dưọc SU' dụnu hoi một lightpath là duy nhất Diều kiện liên tục bước sóng dược diễn la bới rarm buộc (13) Rà ng buộc này dám bao răng trên mọi liên kêt mà liuhtpath truvên qua các bước sóng là uiông nhau Ràng buộc (14) diên tã răng một lightpath có the su dụtiíi tỏi (.la một bước sóng trên một liên két Nói cách khác 2 lÍLíhtpath kliỏnti the sir dun<j cung

m ộ t b n ỏ c s ó n g t r ê n m ộ t l i ê n k ế t S ự b i ế n d ỏ i c u a n h ữ n u b ư ớ c s ỏ i m O' n h ữ i m n o d e e m u

của liên kêt vật lý trên một lightpath được diên ta boi ràn lí buộc (15) ơ node hat dâu

c ủ a m ộ t l i g h t p a t h k h ô n g t ôn tại bât c ứ m ộ t liê n k ê t v ậ t lý đi và o n à o co c u n LI bư('rc

s óng vói lightpath đỏ Ở node kỏt thúc cùa một liiíhtpath k h ô n g tôn tại n h ữ n g HỦI! kừì vật lý đi ru có cùng birớc sóng với liíihtpath đó ơ những node Irung gi an cua một lightpath, s ố l i ê n k ê í v ậ t l ý v à o v à s ô l i ê n k ê í v ụ t l ý r a b ă n g n h a u v ó i m ỏ i b ư ớ c SÓI1LÍ

được gán cho lightpath

4 R à n g buộc hop: Ràng buộc dưới đây đàm bao răng sỏ liên kèt vật 1\ mà liuhlpatli

truyền qua tối đa là hang giá trị được xác định bơi ma trận hop vật iý II”

x.y

5 N h ữ n g r à n g b u ộ c g iá trị biên: Những ràng buộc dưới đây dam bao rănu lưu lượim

trên mộ t lightpath, kru lượng trên một lightpath tiiữu một cặp node và lưu lượne traffic cực đại là n hững số không âm

Như dã nói (í (rèn hài (oan tliièt kc topi iluL!\ a<- ki 11ÌỘI bai li I Ỉ- h’ > a I’!'-,' ' a r M.I : •

rát n h i ê u n g h i ê n CLI'II \ ồ n l i ừ i m plitroiiL; p h á p UM ƯU d l l ' '.an <-J0 • I

dụnii nhũ 11 Lĩ phuo ii ” pliap li'UNcn ihi'iiii nham 11111 ì- 'tj í''i u- UM' a n : ■ ;1 I I 1phương pháp 1_Ị LI \ h(>:_ii'lì 111 lòn Iinl'1 SmiLỉ ill' tin lì phiic LI| V •• lí! •>' 1!- ' - li C'!ii;tinh loan klucn ého nliũìiL; I'hiii'11'j phnp na\ klu'HiJ cull kil l ilii i ’K : I T L.ÍL pihii-iiL i'ii.ir

ỉ i u n - u ì i n y K p h ư t a i " Ị'hÚỊ> iỉiiii l ỉ n ụ i i J i ! ì ' K \ c n ( ( r Ci k ' f w

L!iai l Ị U A cl \ lì 11 lie 1 Kt \ .

I ỉíli: J||'

IV Áp dụng th u ậ t toán di truyền cho việc th iết kế Topology ảo

IV.1 Thuật toán di truyền.

ti) Gió i thiệu

Tr on g thời đại m á y tính điện tứ hiện nay thi việc giai quycl các hái toán tỏi ưu lá mối quan tâm hàng đâu của các nhà khoa học trong mọi lĩnh vục đới sõnu xã hội IroriLi nhiêu thập kỷ qua, các nhà khoa học đã không ngừng nghiên cứu và hụ đà dưa ra rãt nhiêu mai pháp cho bài toán tôi ưu, đặc biệt la các bài toán tìm kiêm tỏi ưu Tuy nhiên íiiai pháp nao cũng tôn tại n hữn g khó khăn nhât định và lời giãi cua bài toán không phai lúc nào cũim la tồi

ưu nhât Thuật toán di truyên xuât hiện vào khoang năm 1975 đã khác phục được những nhưực đi êm lớn cúa nh ững thuật toán trước đó Thuật toán di t ru \ ên dưạc COI lá một cònn cụ tốt nhất để giải quyết những vấn đề trong lĩnh vực tim kiếm và tối ƯU tỏ hợp

S ự t ìm k i ê m đ ã băt đ â u đ ư ợ c sừ d ụ n g rộng rãi và phô biến trong các ch ươn LI trình tiến

hóa Giữa nă m 1980, thuậl toán di truyền đã bắt đầu đưực ứnti dụrm tronií hàn ti loạt nhữnLi vấn đề lớn từ những ý t ường toán học trừu tượng đến nhửniz kết qua khoa học như sự đièu khiên dòng chảy, n h ữ n g khuôn mẫu, sự phân lớp và sự tối ưu cẩu trúc Ban dầu nhữim ửnu dụng này phần lớn chi mang tính chấl lý thuyết Tuy nhiên, khi khối hrợrm tim kicm liên tục được tăng lên, thi thuật toán di truyên càng hưóng tới nhĩrnu khu vực tôt hơn Khôi krone cua

sự tìm kiếm được c u n g cap bởi sự phát triền nhanh theo hám mũ cua má\ lính \ à sự phái tricn của Internet N gà y nay các chương trình tiên hỏa là một lĩnh \ ực rãi duực ưa chuộng vú thuật toán di truvên dã uiái qnyẽl dược những van do thườni! quan tàm tmnu lĩnh \ ục imhiên cứu có sự thay dôi n h ư sụ Uự háo trước cua thị Irircmg chứim khoan, tro nu, \ ĩệc lập kê hoạch, lĩnh vực hóa sinh, sinh học phân tứ và sức mạnh cua nó dã dược clunm minh băn Lí các thanh quá mà các lĩnh vực ứng dụng dã dạt thrive

b) Ỷ tưởng cùa th u ật toán (li truyền

Thuật toán di truyên đuực xây dựni> dựa trên quy luật tiùn hoa sinh học hu\ plial 111C11

tự nhiên cùa một quần thổ sonu Các cá the trai qua một qua trinh phát triên vú sinh san lie lạo

ra những cá thê mới cho thê hệ tiốp theo Trong quá trinh tănu Irianm va phát tricn nlũmư ca

thế x ấ u ( t h e o m ộ t t i ê u c h u â n n à o đ ó h a y c ò n g ọ i lù d ộ t hí c h niihi với m õ i ư ư o n i ! ) NÕ bị d a o

thái ngược lại n h ữn g củ thê tỏt sẽ đưục giữ lại (đâ\ chính la qua trinh chọn lọc) \ a dươL' lai ghép (quá trình lai ghép) đê tạo ra những cá thê mói cho thê hộ sau Những cá thè mới duyc sinh ra ma ng những tính trạng cua cá thê cha-mẹ (còn gọi là hiện tượng di truyôn) Nhũnư ca thẻ dược giữ lại cỏ độ thích nuhi khác nhau và quá trinh lai nhép dược thực hiện hoan loan ngẫu nhiên giữa các cá thê trong quần thò Các cá thê dưực tạo ra trong qua trinh lai ưhcp co thê sẽ xáy ra hiện t ư ợ ng đột biên và tạo ra n hùng cá thè khác với cá the cha-mẹ Cá the na\

có thế tốt hơn hoặc xẩu hơn cá thè cha-mẹ Di truyền và đột biên la hai ctí chò co \ai tro nhu

n h a u t r o n g q u á t r ì n h t i ế n h ó a , m ặ c d ù h i ệ n l ư ợ n g đ ộ t b i ê n x a y ra v ơ i MIC s u à i n h o h o n n i ê u s o

vái xác suất cua hiện lưựnu di Iruvên Và quá trình lai uhép và chọn lọc lá hai qua trinh cu bàn xuyên suốt quá trinh tiến hóa tụ nhiên

T h u ậ t t oá n di t r u y ề n c ũ n tỉ, n h ư các thnậl t oán tiên hóa noi cliLiim được h mh thanh trẽn

quan niệm cho lẳng CỊiiá trình ticn hóa là quá trình hoàn hao Iihãl \ 1 ụt no dã maiiij tính tỏ 1 ưu [5J Thế hiện ơ chỗ cá thê sau dược sinh ra bao giò' cĩine lỏt hơn hoàn hao hon ca thũ cha-

mẹ c hủng có kha nă ng thích nghi với sự thay đôi của mỏi trường cao hơn ca thè cha-mọ 111} nhicn, không phai là tất cá, vần có một hoặc một sô cá thê cua thẻ hệ trưức tòt hơn cac ca thò

ơ thế hè sau Vì vậy Irong khi sứ dụng thuật toán di truvên c hung ta cân phai Ill'Ll lại nhừnư

cá thò tốt nhất cua mồi thố hệ trai qua một số thế hệ (lãn lặp) nhài ctịnh chung la dem so sanh

n h ữ n g c á t h ê t ố t n h ấ t c u a n h ũ n ụ t h ô h ệ v ớ i n h a u v à c h ọ n ra m ó t c a t h e tõl n l i al trotiL! s o CLIC c a

thò dó Đó c hính là lời giai tôi ưu cho bài toán

Thuật toan di Iruyỏn sư dụn g nhiều thuật rmữ cua Iiganli smh hoc nhu clmn lọc lai ghép dột biến gen nhiễm săc thè Thônu tliLiừnu một cá the mang nhiêu nhiõiiì sác the

N

nhưng dề đơn gián ta chi coi môi cá thể mang một nhiêm săc thê và bộ mã aen cua nó maim đặc tính cùa cá thể, mỗi nhi ễm sắc thể là một lời giai cúa bài toán.

c) Các vấn đề cơ bản về thuật toán di truyền

pháp thích hợp cho các bài toán tôi ưu tô hợp Giải thuật di truycn là một phân rmành cua Liiai thuật tiến hóa vận dụng các nguyê n lý của tiên hỏa như di truyên đột bicn, chon lọc tụ nhiên

và trao đồi chéo

Giải thuật di truyên t hường được ứng dụng nhâm sư dụnu rmõn ntíừ may linh dô mỏ phóng quá trinh tiến hóa của một tập hợp những đại diện trừu tưạno (eọi lá nhiễm sác thè) cua các giái pháp có thể (gọi là những cá the) cho bài toán tòi ưu hóa vân dè Tập hợp nà> sẽ tiến triên theo h ướ ng c họn lọc những giải pháp tôt hưn

Liên quan đến giải thuật di truyền có các khai niệm sau:

- S ự dìêit diên của cú thê (encoding mechanism)

Đe áp dụng d ượ c thuật t oán di truvẽn thi việc đâu tiên la phai tìm đirợe cách biêu diòn của các cá the sao cho mỗi cá the biếu diễn một giãi pháp cua bài toán dang dược quan làm

Có rất nhiều các dạng biếu diễn khác nhau như biêu diễn nhị phân, biêu dicn nmiyẽn biêu diễn bằng m a trận, Các thuật toán di truyèn han dâu đêu sư đ ụ n ” biêu dièn nhị phàn, trong

đỏ một cá thố lá một xâu bít 0 và I I uy nhiên khi thuậl toán di truyền dã được áp dụng dò

g i á i n h i ề u h à i t o á n t r o n g n h i ê u l ĩ n h v ụ c k h á c n h a u , c á c h b i ê u đ i c n nhị p h â n d ù i khi LŨụ

t o á n c ố t h ể l ự a c h ọ n c á c c á c h b i ê u d i ễ n c h o p h ù h ợ p n h á t v á i c h ú n g

- D ành ạiá độ thích nghi (illness lunction)

Đ ộ t h íc h n g h i là k h a n ă n g phù h ọ p c u a m ỗ i cá the (Liiai p lia p ) đỏi \ó'i m õ i inrcrnu (ha!

Đẻ đ án h giá d ư ợ c độ t h í ch nghi cu a các cá thê giai thuật di t ruvòn su dụng một ham do LỊỌÍ là

- Lai ghép ( cr os sover operator)

Là quá trình tạo ra cá thê mới dựa tròn nhiêu cá thô dã có gọi la cúc ca thè chu-mc

■I- Lai ghép đ on đi ểm (single-point crossover): Lai ghép don đièm dược mõ ta nhu

sau:

1 C h ọ n n g ẫ u n h i ê n h a i c á t h ê t r o n n q u ầ n t h e b à n g c á c p h i n v n n p h a p c h o n l ọ c ( l i a SƯ'

cá thổ cu a c h a m ẹ có m gen

2 T ạ o m ộ t s ố n u ẫ u n h i ê n t r o n ti k h o a n g tù' 2 đ ô n /77- 1 s ô n à } s ẽ d ư ợ c Liọi l á d i õ n i lai.

Đi ề m lai chiu c á c c h u ồ i cá the c h a m ẹ ra t hánh hai n h ó m chuỗi a m dài m va m : I ỉai chuôi

cá thê con mới sẽ lá nil f h r b : và 11121 và m;i t m 12

V D ư a hai cá t he mớ i nà> vào q uầ n the đc t h am gia các q u a trinh tiên hoa liep ilico

Vỉ d u : giả s ử ta cỏ 2 cá thỏ A và B như sau:

C á thể B Già sử đièm lai là k=5.

-+ Lai g h é p đ a đi êm ( m u l t i- p o i nt crossover): Lai ghép da di êm là dạ nu tôn LL quát cua

lai ghép đưn di cm và được mò tả nhu sau:

1 Chọn n g â u n h i ê n h a i c á thê t r o n g q u â n t h ô b ă n u c á c phiroTiLi p h á p c h ọ n l ọ c Ciia SU'

cá thê của cha mẹ cỏ m gen

2 Chọn n h i ê u diêm lai íihỏp: Á:I kn km 1)1 diêm lai iihcp nn\ sẽ chia doạn mã uencủa cha-mẹ ra t hành m H đoạn

3 Hai các thê mới đưực tạo ra băng cách ghép các doạn cua hai bò LiiMi chu mẹ viri

n h a u t h e o q u y t ă c : c á c ( l o ạ n ở vị trí l é d ư ợ c g i ữ n g u y ê n , c á c đ o ạ n ớ \ ị tri c h ầ n J u n e o i l m e n

hóa cho nhau n hư trong lai ghép dơn diêm

4 Đ ư a hai cá thê m ớ i này vào q u â n thê dê tham LÙa các LỊULÌ trinh tiên hoa licp t he o.

Vj_du: giả sử có hai cá t hế A và B được chọn lọc theo một p h u u n g pháp chọn lọc

the) Quá trình dược lien hành như sau:

Chọn cặp cá thố từ quần thể hiện tại

Sinh ngẫu nhiên một số hữu ty r tronií khoang |(L 1J.

N ê u r < p c c h ọ n đ i ê m lai g h é p b ă n g c á c h t ạ o m ũ i s o r m ẫ u n h i ê n k \ cVi I : k - ilõ dai

xác định cúa xâu

Thực hiện hiện lai ghép

- ĐỘI bicn (mut ati on operator)

L à q u á t rìn h tạo ra c á thê mỏi lừ m ột cá thê ban đàu b à n li e a ch tha\ d õ i m ột số 'icn

cùa nó Nêu sử dụim biêu diễn nhị phàn thì phép dột bièl tlurờim su (.lụnli la bit llippmu nghĩa tà nêu gen là 1 thì được đôi thành 0 và ntiược lại

Ví d u : ta chọn k= 3 là vị trí thay dôi khi dó ta có

Tương tự n hư q u á trình lai ghép, quá trình đột bien cũne được thực hiện với một xác

sau:

1 Chọn một cá thê tronu quân thô

2 Sinh ngầu nhiên một sò hữu tý r trong khoang 10 1 |.

3. Nêu r < p m Ch ọ n điẻm đ ộ t b i c n h ă n g c á c h t ạ o m ộ t sô i m à u n h i ê n Ả \ ứ i 1 k ■ d ô

dài xác dinh của xâu