Chất lượng dịch vụ QoS và cấp độ dịch vụ GoS trong mạng IP WDM

Chất lượng dịch vụ QoS và cấp độ dịch vụ GoS trong mạng IP WDM Chất lượng dịch vụ QoS và cấp độ dịch vụ GoS trong mạng IP WDM Chất lượng dịch vụ QoS và cấp độ dịch vụ GoS trong mạng IP WDM luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

L Ê ĐÌNH BẰNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS NGUY ỄN THÚC HẢI

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC HÌNH VẼ 7

DANH MỤC BẢNG BIỂU 9

LỜI MỞ ĐẦU 10

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG IP/WDM 11

1.1 Giới thiệu 11

1.2 Các thế hệ mạng WDM 11

1.3 IP/WDM 13

1.4 Cấu trúc mạng IP/WDM 18

1.5 Các mô hình liên mạng IP/WDM 18

CHƯƠNG 2 ĐỊNH TUYẾN VÀ GÁN BƯỚC SÓNG TRONG MẠNG IP/WDM 22

2.1 Giới thiệu 22

2.2 Giới thiệu về định tuyến và gán bước sóng 22

2.3 Định tuyến và gán bước sóng 24

2.4 Phân loại định tuyến và gán bước sóng 25

2.4.1 Định tuyến và gán bước sóng tĩnh trong IP/WDM (S-RWA) 27

2.4.1.1 Giới thiệu bài toán 27

2.4.1.2 Vấn đề định tuyến 31

2.4.1.3 Vấn đề gán bước sóng 31

2.4.2 Định tuyến và gán bước sóng động trong IP/WDM (D-RWA) 33

2.4.2.1 Giới thiệu bài toán 33

2.4.2.2 Vấn đề định tuyến 34

2.4.2.3 Vấn đề gán bước sóng 40

2.4.3 Định tuyến nhãn - MPLS, GMPLS và MPλS 43

2.4.3.1 MPLS 43

2.4.3.2 GMPLS và MPλS 43

2.4.4 Vấn đề dành trước bước sóng trong IP/WDM 44

2.4.4.1 Phương pháp khởi tạo dành trước tại nút nguồn (SIR) 44

2.4.4.2 Phương pháp khởi tạo dành trước tại nút đích (DIR) 45

CHƯƠNG 3 CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ (QoS) TRONG MẠNG IP/WDM 48

3.1 Giới thiệu 48

3.2 Node chuyển mạch quang và bộ đệm FDL 50

3.3 Kịch bản QoS dựa trên thời gian bù với FDL 52

3.3.1 Cơ bản về OBS 52

3.3.2 Sự phân biệt của 2 lớp lưu lượng 53

3.4 Thời gian bù và độ trễ điểm đầu cuối 55

3.4.1 Ràng buộc về thời gian bù 55

3.4.2 Độ trễ trước khi truyền tải và hàng đợi 57

3.5 Phân tích 58

3.6 Kết quả mô phỏng và thảo luận 62

3.6.1 Sự khác nhau về dịch vụ và định luật bảo toàn 62

3.6.2 Vai trò của thời gian trễ tối đa trong FDL 64

3.6.3 Vai trò của thời gian bù chênh lệch 66

3.6.4 Sự ảnh hưởng của kịch bản dựa trên thời gian bù 68

3.7 Kết luận 71

CHƯƠNG 4 CẤP ĐỘ DỊCH VỤ (GoS) TRONG MẠNG IP/WDM 73

4.1 Giới thiệu 73

4.2 Sự phân biệt cấp độ dịch vụ (GoS) tĩnh với kịch bản định vị nguồn tài nguyên trong mạng IP/WDM 74

4.2.1 Giới thiệu vấn đề 74

4.2.2 Mô hình mạng và những giả định 79

4.2.3 Công thức cho sự phân biệt GoS tĩnh 80

4.2.4 Giải pháp dựa trên thuật toán Lagrange mở rộng và chức năng hướng nhỏ lẻ 83

4.2.4.1 Phân tích vấn đề dựa trên thuật toán Lagrange mở rộng 83

4.2.4.2 Giải pháp bắt nguồn từ nguồn gốc của vấn đề nhỏ 85

4.2.4.3 Cập nhật đa lớp Lagrange 86

4.2.4.4 Khởi tạo định vị nguồn tài nguyên khả thi 87

4.2.4.5 Đánh giá việc khởi tạo trong định vị nguồn tài nguyên 87

4.2.5 Sự phân biệt GoS tĩnh trong các yêu cầu giữa các node giống nhau 88

4.2.6 Sự phân biệt GoS tĩnh của các yêu cầu giữa các cặp node khác nhau 96

4.2.7 Tích hợp sự phân biệt GoS tĩnh vào mục tiêu lợi nhuận của mạng 98

4.2.8 Kết luận 103

4.3 Đánh giá hiệu suất của GoS dựa trên các chiến lược định tuyến cho mạng quang 104

4.3.1 Giới thiệu vấn đề 104

4.3.2 Cơ chế và chiến lược 105

4.3.2.1 Các cơ chế bảo lưu nguồn tài nguyên cho các yêu cầu có độ ưu tiên cao 105 4.3.2.2 Các cơ chế mà sự khác nhau của giải thuật định tuyến hoặc tập hợp các bộ định tuyến đưa ra đã được cân nhắc cho mỗi lớp của các yêu cầu 108

4.3.2.3 Các chiến lược 109

4.3.3 Môi trường mô phỏng 110

4.3.4 Kết quả 112

4.3.5 Kết luận 117

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN 119

5.1 Kết luận và đánh giá 119

5.2 Định hướng đề tài 120

TÀI LIỆU THAM KHẢO 121

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Từ gốc

HTAW Hop count and Total wavelengths and Available wavelengths-based

Weight

RWA Routing and Wavelength Assignment

DANH MỤC HÌNH VẼ.

Hình 1.1 Mạng WDM qua các thế hệ 12

Hình 1.2 Truyền gói IP dựa trên wavelength 15

Hình 1.3 Ba phương pháp có thể mạng IP/WDM (Mặt phẳng số liệu) 15

Hình 1.3 Kiến trúc tổng quát của mạng quang IP/WDM 18

Hình 1.4 Hai cấu trúc tích hợp mạng quang 19

Hình 2.1 Định tuyến trong và định tuyến ngoài 26

Hình 2.2 Yêu cầu thiết lập kết nối và đồ thị chuyển đổi tương ứng 32

Hình 2.3 Định tuyến và gán bước sóng trong D-RWA 34

Hình 2.4 Đường đi ngắn nhất cố định từ nút 0 đến nút 2 35

Hình 2.5 Định tuyến thay thế cố định 36

Hình 2.6 Bảng khoảng cách của node nguồn E 39

Hình 2.7 Phương pháp SIR 45

Hình 2.8 Phương pháp DIR (1) 46

Hình 2.9 Phương pháp DIR (2) 47

Hình 3.1 Cấu trúc của node chuyển mạch quang 51

Hình 3.2 Cấu trúc của bộ đệm FDL (a) độ trễ cố định (b) độ trễ thay đổi (c) kết hợp 51

Hình 3.3 Cô lập các lớp trong việc dành trước nguồn tài nguyên sử dụng thời gian bù 55

Hình 3.4 Sự khác nhau giữa FDL và hàng đợi 62

Hình 3.5 Khả năng mất mát của các lớp 63

Hình 3.6 Tổng quan về khả năng mất mát 64

Hình 3.7 Thời gian trễ tối đa và khả năng mất mát 65

Hình 3.8 Thời gian trễ tối đa và độ trễ hàng đợi 66

Hình 3.9 Thời gian bù chênh lệch và khả năng mất mát 67

Hình 3.11 Khả năng mất mát và số lượng các lớp 69

Hình 3.12 Khả năng mất mát và số lượng các FDLs 70

Hình 3.13 Khả năng mất mát và số lượng bước sóng 71

Hình 4.2.1 Ví dụ với mạng có 6 nodes 89

Hình 4.2.2 Ví dụ với mạng có 10 nodes 90

Hình 4.2.3 Mạng Pan-European với 28 nodes và 61 links 91

Hình 4.2.4 Số lượng các cặp node bị ngắt kết nối và số lượng từ chối ở cấp độ thấp đối với việc từ chối các hình phạt của yêu cầu cấp độ thấp (trường hợp tải nặng) 93

Hình 4.2.5 Số lượng các cặp node bị ngắt kết nối và số lượng từ chối ở cấp độ thấp đối với việc từ chối các hình phạt của yêu cầu cấp độ thấp (tải trung bình) 94

Hình 4.2.6 Số lượng các cặp node bị ngắt kết nối và số lượng từ chối ở cấp độ thấp đối với việc từ chối các hình phạt của yêu cầu cấp độ thấp (trường hợp tải “nhẹ”) 95

Hình 4.2.7 Sự thỏa hiệp giữa việc chấp nhận các yêu cầu DG và RG 98

Hình 4.2.8 Sự phân bố số lượng các bước nhảy của các lightpaths 99

Hình 4.2.9 Sự thỏa hiệp giữa số bước nhảy trung bình và số lượng các yêu cầu bị từ chối 100

Hình 4.2.10 Việc sử dụng các bộ chuyển đổi tương ứng với chi phí của chúng 101

Hình 4.2.11 Tỉ lệ của việc từ chối các yêu cầu DG và RG tương ứng với chi phí của WC tăng lên 102

Hình 4.2.12 Giá trị đạt được và sự giàng buộc của hàm tối ưu hóa 103

Hình 4.3.1.Topo mạng tham khảo được sử dụng trong việc mô phỏng (PanEU) 111

Hình 4.3.2 Topo mạng tham khảo được sử dụng trong việc mô phỏng (NSF) 112

Hình 4.3.3 Sự so sánh các chiến lược trong mạng PanEU, định tuyến alt33 và 20% của mức độ lưu thông có độ ưu tiên cao có thể bị khóa trong lớp có độ ưu tiên thấp 116

Hình 4.3.4 Sự so sánh các chiến lược trong mạng PanEU, định tuyến alt33 và 20% của mức độ lưu thông có độ ưu tiên cao có thể bị khóa trong lớp có độ ưu tiên cao 117

DANH MỤC BẢNG BIỂU.

Bảng 3.1 Mức độ cô lập và sự chênh lệch về thời gian bù 56

Bảng 4.2.1.Việc gia tăng các từ chối hình phạt cho các yêu cầu từ mức thấp đến cao của cấp độ dẫn đến sự công bằng định vị nguồn tài nguyên 89

Bảng 4.2.2 Khởi tạo hình phạt trong kịch bản thứ nhất 90

Bảng 4.2.3 Khởi tạo hình phạt trong kịch bản thứ nhất 91

Bảng 4.2.4 Một ma trận lưu thông ngẫu nhiên được cho 28 nodes mạng 92

Bảng 4.2.5 Một bộ lọc cấp độ riêng biệt cho 28 nodes mạng 97

Bảng 4.3.1 Giá trị của tham số T cho tất cả các chiến lược, mạng PanEU 114

Bảng 4.3.2 Giá trị của tham số T cho tất cả các chiến lược, mạng NSF 114

Bảng 4.3.3 Những cơ chế tốt nhất 115

Bảng 4.3.4 Những cơ chế tốt nhất nếu gcap không được xem xét 115

Bảng 4.3.5 Các cơ chế nên được sử dụng với mỗi biến thể định tuyến và số lượng trường hợp cơ chế đưa ra là thành công nhất (mạng PanEU) 115

LỜI MỞ ĐẦU

Với xu thế phát triển công nghệ mạng hiện nay, sự bùng nổ của mạng quang

đã đưa đến cho chúng ta những ưu điểm vượt bậc như: tốc độ, đường truyền v.v…

Dung lượng và tốc độ của mạng quang là một trong những lợi thế đáng chú ý hiện

nay, nó đã đáp ứng được những ứng dụng yêu cầu chất lượng, dung lượng cao trên

mạng Cùng với sự phát triển của mạng IPv6 và công nghệ WDM, việc tích hợp IP

vào WDM là một xu hướng phát triển mới đáng được chú ý hiện nay, sự ra đời của

IP/WDM đòi hỏi phải có một chất lượng dịch vụ tốt hơn bên cạnh đó là khả năng

phân cấp dịch vụ Xuất phát từ việc định tuyến trong mạng với các giải thuật khác

nhau, các giải pháp khác nhau cho việc gán bước sóng và tìm đường, việc đảm bảo

chất lượng dịch vụ cũng như cấp độ dịch vụ của mạng IP/WDM là một điều rất

đáng quan tâm trong việc thiết kế và triển khai mạng Việc đáp ứng được về cả chất

lượng dịch vụ và cấp độ dịch trong mạng IP/WDM sẽ là một lợi thế rất lớn của các

nhà cung cấp dich vụ, nó có ảnh hưởng lớn đến chi phí cũng như nguồn thu nhập

Hiện nay, mạng quang IP/WDM cũng và đã đang được phát triển tại Việt

Nam, các hệ thống đường trục quang đã lắp đặt triển khai tại các thành phố lớn như

Hà Nội, Đà Nẵng và Thành phố Hồ Chí Minh Không lâu nữa hệ thống này sẽ được

phát triển và thực thi, việc đảm bảo chất lượng dịch vụ và cấp độ dịch vụ cho hệ

thống thông tin quang IP/WDM trong nước cũng rất đáng quan tâm

Dưới sự hướng dẫn của GS.TS Nguyễn Thúc Hải, luận văn của tôi tập trung

về vấn đề: “Chất lượng và cấp độ dịch vụ trong mạng IP/WDM” Luận văn được bố

cục như sau: Chương 1 giới thiệu tổng quan về mạng IP/WDM, Chương 2 trình bày

vấn đề định tuyến và gán bước sóng trong mạng, Chương 3 trình bày về chất lượng

dịch vụ và Chương 4 được dành cho vấn đề cấp độ dịch vụ, Chương 5 trình bày về

các kết luận, đánh giá đưa ra và định hướng của đề tài

C HƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG IP/WDM [2], [4], [8]

1.1 Giới thiệu

triển rộng rãi, nhưng cũng gặp phải một vấn đề lớn về tốc độ đường truyền và dung

lượng truyền tải Công nghệ Wavelength Division Multiplexed (WDM) ra đời đã

đáp ứng được yêu cầu băng thông rộng của các dịch vụ sử dụng giao thức Internet

Vì vậy IP over WDM đã phát triển và là công nghệ quan trọng được sử dụng trong

mạng lưới viễn thông ngày nay và trong tương lai, nó đã khắc phục được các hạn

chế trong mạng thuần IP, ngoài ra chúng bổ xung cho nhau để đưa đến loại hình

mạng mới có nhiều điểm ưu việt

Trong chương này sẽ giới thiệu một cách tổng quan nhất về mạng IP/WDM:

các thế hệ mạng WDM, giải pháp tích hợp IP/WDM, cấu trúc và mô hình liên mạng

IP/WDM

1.2 Các thế hệ mạng WDM

Cho tới nay, mạng WDM đã phát triển qua một vài các thế hệ khác nhau, sau

đây xin giới thiệu một số các thế hệ của mạng WDM:

Thế hệ WDM đầu tiên ra đời với các kết nối vật lý điểm tới điểm và được sử

dụng hạn chế trong mạng WAN Các mạng WAN WDM trong thế hệ này được cấu

hình tĩnh hoặc thủ công Đường truyền WDM cung cấp các kết nối điểm tới điểm

với tốc độ thấp Các vấn đề kỹ thuật chính trong WDM thế hệ này bao gồm: thiết kế

và phát triển Laser WDM và kỹ thuật khuyếch đại quang, các giao thức truy nhập

và định tuyến tĩnh Các thiết bị xen, rẽ bước sóng quang (WADM) cũng được sử

dụng trong mạng MAN Các thiết bị đấu nối chéo quang (DXC) được sử dụng để

kết nối các vòng Ring WADM, các kết nối này có thể là băng thông rộng hoặc băng

thông hẹp Ứng dụng của các hệ thống WDM thế hệ đầu tiên là: quản lý các chuyển

mạch cho tín hiệu thoại và các đường truyền T1

Thế hệ WDM thứ hai có khả năng thiết lập các kết nối có hướng cho các điểm

đầu cuối trên lớp quang bằng cách sử dụng WSXC Các lighpath này có ảo trên cấu

trúc vật lý của các sợi quang Cấu hình các bước sóng ảo này được cài đặt mềm dẻo

hơn theo yêu cầu sử dụng Kỹ thuật chính WDM thế hệ thứ hai là: xen, rẽ bước

sóng quang, các thiết bị đấu nối chéo, bộ biến đổi bước sóng quang tại các bộ đấu

nối chéo, định tuyến động và phân bổ bước sóng, các giao diện để kết nối với các

mạng khác Cả 2 thế hệ đã được triển khai trong việc nắm bắt, điều hành mạng

Hiệu quả chi phí của chúng trong các mạng truyền xa đã được chấp nhận rộng dãi

Thế hệ WDM thứ ba đưa ra chuyển mạch gói quang không hướng kết nối

Trong mạng này, các nhãn hoặc “header” được gắn kèm với dữ liệu, được truyền

cùng với gói quang và được xử lý tại các bộ chuyển mạch WDM Căn cứ vào tỷ số

của thời gian xử lý gói tin “header” và thời gian xử lý toàn bộ gói tin, các bộ chuyển

mạch quang WDM có thể chia thành hai loại: Chuyển mạch nhãn – Optical Label

số ví dụ thiết bị WDM thế hệ ba là: Router quang chuyển mạch nhãn, Router quang

Gigabit, chuyển mạch quang nhanh

Chuyển mạch kênh quang WDM

Chuyển mạch nhóm quang

Chuyển mạch gói quang

Định tuyến quang

Static to Dynamic Circuits Virtual path & Store and

Forward

Khả năng kết hợp với nhau trong vận hành giữa mạng WDM và mạng IP là

vấn đề trọng tâm trong mạng WDM thế hệ thứ ba Kết hợp định tuyến và phân bổ

bước sóng trên cơ sở chuyển mạch nhãn đa giao thức – Multi Protocol Label

Switching (MPLS) Chuyển mạch nhãn đa giao thức tổng quát (Generalized MPLS)

thể hiện nhiều ưu điểm vượt trội so với các loại chuyển mạch khác Nhiều kỹ thuật

phần mềm quan trọng như quản lý băng thông, đặt lại cấu hình, khôi phục, hỗ trợ

chất lượng dịch vụ cũng đã được thực hiện

1.3 IP/WDM

Chúng ta biết rằng, IP cung cấp các lớp hội tụ trên tổng thể và phổ biến trên

tương tác, định tuyến với các mạng con khác ở công nghệ lớp 2 Ở trên lớp IP, có

rất nhiều loại dịch vụ trên nền IP và các thiết bị đang phát triển từ trước Do đó

không tránh khỏi sự thống trị của IP, nên các kĩ thuật và cơ sở hạ tầng cần được tối

ưu hóa cho IP Phía dưới lớp IP, sử dụng sợi quang WDM là một công nghệ rất

được hứa hẹn, nó cung cấp một dung lượng mạng rất lớn cần thiết cho việc duy trì

sự phát triển của Internet

Công nghệ WDM sẽ trở lên hấp dẫn hơn khi giá của hệ thống WDM giảm

Với việc tiếp tục triển khai các sợi quang trên toàn thế giới và tính chắc chắn của

WDM, WDM dựa trên mạng quang đã được phát triển không chỉ trên mạng

backbone mà còn trong các mạng trung tâm, mạng khu vực và mạng kết nối Ngoài

ra, mạng quang WDM không hơn các dich vụ kết nối đường ống điểm tới điểm trên

liên kết vật lý, nhưng tích hợp tốt hơn với mọi cấp độ mới về tính linh hoạt của các

yêu cầu

Khía cạnh điều khiển chịu trách nhiệm kiểm soát vận chuyển thông tin để trao

đổi tiếp cận và thông tin sẵn sàng và tính toán và thiết lập đường đi chuyển đổi dữ

liệu Khía cạnh dữ liệu chịu trách nhiệm cho việc truyền dữ liệu của người dùng và

các ứng dụng lưu thông Một ví dụ trong khía cạnh điều khiển dữ liệu là bộ đệm gói

dữ liệu và chuyển tiếp IP không phân chía khía cạnh dữ liệu từ khía cạnh điều

khiển, và điều này là trong yêu cầu của từng cơ chế QoS tại các bộ định tuyến để

phân biệt các thông điệp điều khiển từ các gói dữ liệu

Một hệ thống điều khiển WDM thường sử dụng một bộ phân chia điều khiển

kênh, nó cũng được biết đến như một mạng truyền dữ liệu (DCN), để điều khiển

vận chuyển thông tin Kiểm soát mạng WDM và hệ thống quản lý được thực hiện

một cách tập trung Với khả năng mở rộng địa chỉ, WDM sử dụng một hệ thống

phân cấp Kết hợp IP với WDM nghĩa là trong khía cạnh dữ liệu nó có thể gán

nguồn tài nguyên trong mạng quang WDM chuyển tiếp tới mạng IP một cách hiệu

quả Trong khía cạnh điều khiển, người ta có thể xây dựng một một hệ thống điều

khiển thống nhất, có thể là trung tâm IP, dọc theo các mạng IP và WDM IP/WDM

định địa chỉ trên tất cả các mức độ về khả năng tương tác trong, ngoài của mạng

quang IP và mạng WDM Các ưu điểm của IP/WDM:

lượng truy cập Internet bằng cách khai thác cơ sở hạ tầng sợi hiện có Việc sử dụng

công nghệ WDM có thể tăng đáng kể việc sử dụng băng thông sợi

- Hầu hết các lưu lượng truy cập dữ liệu qua mạng là IP Gần như tất cả các dữ

liệu cuối của người dùng đều dụng sử dụng IP Thông thường lưu lượng thoại cũng

có thể được đóng gói với kỹ thuật voice-over-IP

điều khiển IP

(Cung cấp các dịch vụ đáp ứng thời gian thực)

cung cấp dịch vụ của các nhà cung cấp thiết bị, dịch vụ

trong mạng

- Đứng trên quan điểm dịch vụ, mạng IP/WDM có các ưu điểm về quản lý

chất lượng, các chính sách và các kỹ thuật dự kiến sẽ sử dụng và phát triển trong

mạng IP

Mạng IP/WDM được thiết kế để truyền lưu lượng IP trong mạng cáp quang

nhằm khai thác tối đa ưu điểm về khả năng đấu nối đa năng đối với mạng IP và

dung lượng băng thông rộng của mạng WDM

Hình 1.2 Truy ền gói IP dựa trên wavelength

IP

SONET/SDH ATM

WDM

SONET/SDH IP/MPLS

Phương pháp thứ nhất là truyền IP/ATM, sau đó qua tầng SONET/SDH và

cuối cùng đến tầng mạng quang WDM Đối với giải pháp này, WDM sử dụng công

nghệ truyền song song trên lớp vật lý Ưu điểm của giải pháp này là sử dụng ATM,

yêu cầu chất lượng dịch vụ khác nhau Một ưu điểm khác khi sử dụng ATM là tính

mềm dẻo khi cung cấp dịch vụ mạng Tuy nhiên giải pháp này rất phức tạp, quản lý

và điều khiển IP over ATM phức tạp hơn so với quản lý và điều khiển IP qua mạng

“Cell” ATM có độ dài cố định 53 byte, trong đó có 5 byte “header” và 48 byte dữ

liệu Dữ liệu được đóng gói thành các “cell” để truyền và tái hợp ở đích Lớp phụ

ATM: SAR (Phân mảnh và tái hợp) thực hiện chức năng đóng gói này Từ OC-48

trở lên thực hiện SAR rất khó khăn Lớp ATM ở giữa lớp IP và lớp WDM dường

như không cần thiết

Phương pháp thứ hai là IP/MPLS over SONET/SDH và WDM SONET/SDH

có một số ưu điểm sau:

Thứ nhất, SONET/SDH có cấu trúc tách ghép tín hiệu quang tiêu chuẩn, nhờ

đó tín hiệu tốc độ thấp có thể ghép, tách thành tín hiệu có tốc độ cao

Thứ hai, SONET/SDH cung cấp khung truyền chuẩn

Thứ ba, mạng SONET/SDH có khả năng bảo vệ, khôi phục, nhờ đó tín hiệu

được truyền trong suốt tới lớp cao hơn Mạng SONET/SDH thường sử dụng trong

cấu hình mạng Ring

Một số kịch bản bảo vệ có thể sử dụng là:

- Kịch bản “1+1” nghĩa là số liệu được truyền trên hai đường trong hai hướng

ngược nhau, tín hiệu có chất lượng tốt hơn sẽ được chọn ở đích

- Kịch bản “1:1” nghĩa là đường dự phòng tách biệt đối với đường hoạt động

Khai thác, quản lý và bảo dưỡng OAM&P là tính năng nổi bật của mạng

SONET/SDH để truyền các cảnh báo, điều khiển, các thông tin về chất lượng ở cả

mức hệ thống và mức mạng Tuy nhiên SONET/SDH mang số lượng thông tin

truyền từ đầu cuối tới đầu cuối LOH được sử dụng cho tín hiệu giữa các thiết bị

đầu cuối như các bộ tách ghép kênh OC-n (STM-n) SOH được sử dụng để thông

tin giữa các phần tử mạng lân cận như các bộ lặp Đối với tín hiệu OC-1 có tốc độ

truyền 51.84Mb/s, tải của nó là đường truyền DS-3 chỉ có tốc độ 44.736Mb/s

Phương pháp thứ ba IP/WDM sử dụng IP/MPLS trực tiếp trên WDM Đây là

giải pháp hiệu quả nhất trong ba giải pháp Tuy nhiên giải pháp này yêu cầu lớp IP

phải kiểm tra các đường truyền bảo vệ và khôi phục Nó cũng cần dạng khung đơn

giản để xử lý lỗi đường truyền Có nhiều dạng khung IP/WDM, một số công ty đã

phát triển tiêu chuẩn khung mới như Slim SONET/SDH Dạng khung này có chức

năng tương tự như SONET/SDH nhưng với kỹ thuật mới hơn khi thay thế “header”

và tương thích kích thước khung với kích thước gói Một loại khác là thực hiện

dạng khung Gigabit Ethernet, 10 Gigabit Ethernet được thiết kế đặc biệt cho hệ

thống ghép bước sóng quang mật độ cao DWDM Sử dụng dạng khung Ethernet,

kết nối Ethernet không cần thiết phải ghép tín hiệu sang dạng giao thức khác để

truyền dẫn

IP/WDM cung cấp khả năng truyền dẫn trực tiếp gói số liệu IP trên kênh

quang, giảm sự trùng lặp chức năng giữa các lớp mạng, giảm số lượng bộ phận

trung tâm dư thừa tại các lớp SDH/SONET, ATM, giảm thao tác thiết bị, dẫn đến

giảm chi phí bảo dưỡng và quản lý Do không phải qua lớp SDH và ATM nên gói

số liệu có hiệu suất truyền dẫn cao nhất, đồng nghĩa với chi phí thấp nhất Ngoài ra

còn có thể phối hợp với đặc tính lưu lượng không đối xứng của IP, tận dụng băng

tần nhằm giảm giá thành khai thác đã gián tiếp giảm chi phí cho thuê bao Đây là

một kết cấu mạng trực tiếp nhất, đơn giản nhất, kinh tế nhất, rất thích hợp cho các

mạng đường trục

Một trong những thách thức lớn nhất ngày nay đối mặt với các nhà sản xuất

chuyển mạch quang đó là phát triển các giao thức báo hiệu cho điều khiển động và

hoạt động liên mạng của lớp quang, đây cũng là vấn đề cần chuẩn hóa cấp bách

1.4 Cấu trúc mạng IP/WDM

Kiến trúc tổng quát của các mạng quang IP/ WDM thể hiện nhiều mạng quang

tồn tại trong miền quang, trong đó giao diện ENNI được sử dụng để báo hiệu giữa

các mạng quang với nhau Một mạng quang đơn bao gồm các mạng quang nhỏ hơn

và báo hiệu giữa chúng sử dụng giao diện INNI Và một mạng quang nhỏ hơn đó

gồm nhiều nút mạng quang được nối với nhau bởi sợi quang Các mạng khách hàng

như IP, ATM, SONET giao tiếp với mạng quang thông qua giao diện UNI Các kỹ

thuật chuyển mạch quang quyết định loại dịch vụ mà mạng quang có thể cung cấp

cho các mạng khách hàng Tổng quan về cấu trúc mạng IP/WDM được thể hiện như

hình sau

Optical subnetwork

Optical subnetwork

1.5 Các mô hình liên mạng IP/WDM

Hiện nay có hai xu hướng xây dựng mô hình tích hợp liên mạng IP/WDM:

hình khách-chủ (Client-Sever), tức là đặt toàn bộ sự điều khiển cho lớp

quang ở chính lớp quang

- Xu hướng thứ hai là mô hình ngang hàng (Peer – to – Peer), tức là dịch

chuyển một phần điều khiển lên bộ định tuyến IP

UNI

UNI

UNI UNI

Mô hình ngang hàng dựa trên giả thiết là việc điều khiển ở lớp quang được

chuyển sang thực hiện ở lớp IP Mô hình này xem xét kiến trúc mạng dưới quan

điểm “định tuyến gói” Trong khi đó mô hình xếp chồng dựa trên giả thiết điều

khiển lớp quang là độc lập và lớp quang tạo nên một nền mở cho nối kết động của

nhiều loại tín hiệu khác nhau bao gồm cả IP Mô hình này xem xét kiến trúc mạng

trên quan điểm “chuyển mạch kênh”

Cả hai mô hình đều giả định phát triển mạng quang thế hệ sau có tôpô dạng

mắt lưới với nền điều khiển IP dựa trên chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS)

Ứng dụng cụ thể của MPLS cho mô hình xếp chồng còn gọi là chuyển mạch đa giao

thức tổng quát (GMPLS) Kiến trúc điều khiển GMPLS cung cấp một tập các giao

thức đơn giản, hoàn thiện tương thích với mạng IP đáp ứng cho mạng thế hệ sau

Quá trình điều khiển thống nhất xuyên suốt các lớp số liệu và quang sẽ đơn giản quá

trình quản lý mạng có nhiều lớp và cải thiện hiệu quả sử dụng tài nguyên thông qua

kỹ thuật lưu lượng giữa các lớp Trong trường hợp này, các giao thức định tuyến IP

làm đòn bẩy cho việc nhận biết tôpô mạng và các giao thức báo hiệu MPLS được sử

dụng cho thiết lập tự động Ngoài ra, việc sử dụng các giao thức này cho điều khiển

lớp quang sẽ giúp các nhà sản xuất thiết bị đảm bảo tính tương thích nhờ có các tiêu

chuẩn rất phổ biến Do vậy xu hướng chung là sử dụng IP cho cả ba khía cạnh chức

năng của mạng: dữ liệu, điều khiển, và quản lý

Mặc dù các mô hình tích hợp đều sử dụng kiến trúc điều khiển theo IP, nhưng

chúng quản lý các ứng dụng khác nhau Chẳng hạn khía cạnh điều khiển quang sẽ

điều khiển quá trình thiết lập bước sóng quang động nhờ các Router ở biên Khi tại

Router xảy ra tắc nghẽn thì hệ thống quản lý mạng hay chính Router sẽ yêu cầu

thiết lập luồng quang động Sau đó các chuyển mạch quang sẽ tạo kênh quang mới

để đáp ứng nhu cầu của Router Vì vậy, thiết lập bước sóng động có thể thích nghi

được với nhu cầu lưu lượng

Với mô hình xếp chồng thì cho phép mỗi router giao tiếp trực tiếp với mạng

quang thông qua giao diện UNI Giao diện giữa các mạng con được thực hiện thông

qua giao diện NNI Mô hình giao diện UNI tương tự như mô hình trong mạng

chuyển mạch kênh truyền thống như mạng ISDN Trong mô hình này, mỗi mạng

con sẽ được triển khai độc lập, nhờ đó cho phép các nhà khai thác mạng đưa các

công nghệ mới mà không bị giàng buộc của các công nghệ cũ Các nhà khai thác

còn có thể sử dụng được các cơ sở hạ tầng kế thừa hiện có Quan trọng hơn là các

nhà khai thác có thể thực hiện được tính tương thích trong tương lai gần nhờ các

giao diện UNI và NNI

Với mô hình ngang hàng cũng hỗ trợ cho thiết lập luồng động bằng cách sử

dụng các luồng đầu cuối ở biên mạng quang và cho phép quản lý chúng từ xa Mô

hình ngang hàng giả định rằng các Router điều khiển lớp mạng quang Mối quan hệ

giữa IP Router và OXC là bình đẳng về mặt điều khiển Vì vậy về mặt báo hiệu và

định tuyến sẽ không có sự phân biệt nào giữa UNI, NNI và giao diện giữa các

Router Trong mô hình này cần một khối lượng lớn thông tin trạng thái và điều

khiển chuyển qua lại giữa lớp IP và quang Do đó sẽ khó hơn cho việc kết nối trong

Mỗi mô hình có ưu điểm riêng, đặc biệt mô hình xếp chồng có ưu điểm nổi

trội là khả năng tương thích dễ dàng Về kiến trúc thì mô hình xếp chồng trực tiếp

và đơn giản hơn Với kiến trúc ngang hàng cần có thêm các thông tin giữa lớp IP và

quang để quản lý các luồng đầu cuối chuyển lên luồng quang Khối lượng lớn thông

tin trạng thái và điều khiển này bao gồm sự truyền thông trực tiếp giữa các Router

biên của mạng quang và sự truyền thông tin trong bản thân mạng quang

Mô hình xếp chồng cho phép đổi mới tại lớp quang độc lập với lớp IP trong

khi vẫn cung cấp khả năng kết nối tương thích cần thiết cho các dịch vụ nhanh mà

vẫn duy trì tính toàn vẹn thông tin của nhà khai thác mạng quang Tuy nhiên, mô

hình ngang hàng cho phép tích hợp hoàn toàn IP/WDM tạo nên mạng Internet

quang thống nhất Do đó việc sử dụng và quản lý mạng trở nên hiệu quả hơn, phù

hợp với các ISP hơn Ngoài ra mô hình ngang hàng gần hơn với xu hướng chuyển

mạch gói quang trong tương lai

C HƯƠNG 2 ĐỊNH TUYẾN VÀ GÁN BƯỚC SÓNG TRONG

MẠNG IP/WDM [2], [3], [4], [8]

2.1 Giới thiệu

Trong mạng quang, định tuyến bước sóng sử dụng liên lạc với nhau qua các

kênh thông tin quang được gọi là các lightpath Lightpath là một đường đi của tín

hiệu ánh sáng từ nguồn đến đích dưới dạng quang thông qua các kết nối trung gian

Một lightpath có thể kéo dài qua nhiều tuyến truyền dẫn để cung cấp một kết nối

chuyển mạch giữa hai node mà có thể chứa một luồng lưu lượng lớn giữa chúng

Khi các lightpath thực hiện việc mang thông tin từ một node nguồn đến một

node đích nào đó thì nó cần được định tuyến và gán bước sóng Định tuyến và gán

bước sóng cho lightpath là vấn đề hết sức quan trọng và xảy ra thường xuyên trong

mạng

Chương này sẽ trình bày về việc định tuyến và gán bước sóng cho các

lightpath, các thuật toán thực hiện định tuyến và các phương pháp gán bước sóng

trong mạng IP/WDM

2.2 Giới thiệu về định tuyến và gán bước sóng

Khi một lightpath được chọn và xác định, mỗi lightpath cần được định tuyến

và gán bước sóng cho nó Từ đó đặt ra bài toán định tuyến và gán bước sóng

Định tuyến là vấn đề tìm đường giữa hai node bất kì trong mạng để thoả mãn

một mục đích nào đó, thuật ngữ gọi là để tối ưu hàm mục tiêu Vấn đề này rất quen

thuộc và rất quan trọng trong mạng Thông thường định tuyến trong IP sử dụng

thuật toán tìm đường Dijkstra, với hàm mục tiêu là các ma trận quen thuộc như

băng thông, độ trễ, chi phí tuyến …

Trong mạng quang, tìm đường được hiểu theo hai khía cạnh, đó là tìm đường

vật lí mang được mẫu lưu lượng yêu cầu (Routing) và đưa ra bước sóng phù hợp để

trong số các bước sóng cho phép, vấn đề này được viết tắt RWA Khi tìm được một

đường dẫn vật lí và đánh dấu bước sóng trên các liên kết dọc theo đường dẫn đó, thì

chúng ta có một đường quang, còn gọi là lightpath (LP) Vấn đề đặt ra đối với bài

toán RWA là hai điều kiện sau:

Điều kiện tính liên tục bước sóng: một lightpath phải sử dụng cùng một bước

sóng trên tất cả các liên kết dọc theo đường đi của nó từ nguồn đến đích

Điều kiện tính riêng biệt về bước sóng: tất cả các lightpath sử dụng cùng một

liên kết phải được gán các bước sóng riêng biệt Vấn đề xảy ra khi các bước sóng

trên hai liên kết kế cận khác nhau, lúc đó cần dùng đến bộ chuyển đổi bước sóng

Các giải thuật luôn tìm cách giảm thiểu chi phí này

Bài toán RWA có thể đưa ra như sau: cho một số hữu hạn các lightpath được

thiết lập trên mạng và một số giới hạn các bước sóng Ta phải xác định đường đi

cho mỗi lightpath và xác định số bước sóng nên được gán cho cho các lightpath này

để đạt được số lightpath có thể thiết lập là lớn nhất Mặc dù những lightpath có

đường đi ngắn nhất có vẻ tối ưu hơn, nhưng đôi khi ta đành phải loại bỏ sự lựa chọn

này để nhiều lightpath hơn có thể thiết lập Vì thế các giải thuật thường cho phép

nhiều đường đi thay phiên nhau đối với mỗi lightpath được thiết lập

Các lightpath mà không thể được thiết lập vì những ràng buộc về đường đi và

bước sóng được gọi là nghẽn, do vậy vấn đề tối ưu mạng tương ứng hạn chế đến

mức thấp nhất xác xuất tắc nghẽn này

Khi hai lightpath mà chúng có tuyến truyền dẫn trùng nhau thì chúng sẽ không

được gán cùng một bước sóng Thông thường một lightpath hoạt động với cùng một

bước sóng trên những sợi quang mà nó đi qua Trường hợp này ta nói rằng lightpath

thoã mãn sự ràng buộc về tính liên tục bước sóng Tuy nhiên nếu một nút chuyển

mạch/định tuyến được trang bị với một bộ chuyển đổi bước sóng thì điều kiện ràng

buộc về tính liên tục bước sóng không còn nữa, lightpath này có thể chuyển sang

nhiều bước sóng khác nhau trên đường đi từ nguồn đến đích của nó

Mạng lõi được mô hình bằng một đồ thị G(E,V) với E là tập các cạnh và V

là tập các đỉnh Với mỗi cặp node bất kì S-D trong mạng (và tương ứng trong đồ

thị), tồn tại một tập các đường đi vật lí có thể giữa chúng (mỗi path bao gồm một số

fiber hay liên kết, cạnh trung gian), kí hiệu: R Tập các đường đi này có thể tìm theo

một giải thuật tìm đường phổ biến như Dijkstra, Prim hay Mentor với một hàm mục

tiêu tuỳ chọn

2.3 Định tuyến và gán bước sóng

thuật được thiết lập từ trước để chọn một cổng ra và bước sóng tương ứng Sự lựa

chọn bước sóng đóng vai trò quan trọng đối với xác suất tắc nghẽn có thể xảy ra

trong mạng Vì vậy một RWA phải tìm ra đường đi cho yêu cầu thiết lập lightpath

và thực hiện gán bước sóng sao cho tối thiểu hoá xác suất tắc nghẽn Chức năng này

có tầm quan trọng trong việc thiết kế mạng quang

Bài toán RWA được chia làm hai loại như sau:

cầu về lightpath được biết trước, tất cả mọi đường đi và bước sóng gán cho các

lightpath đã được thiết lập cố định từ trước Khi có yêu cầu đến, một đường đi và

bước sóng đã chỉ định từ trước đó được gán cho yêu cầu tương ứng đó Vì vậy, qui

trình định tuyến và gán bước sóng là cố định, không thay đổi theo thời gian Với

loại này, công việc thực hiện không phức tạp, nó đơn giản là gán một đường đi nào

đó cho lightpath Mục đích của phương pháp này là tăng cực đại toàn bộ dung

lượng của mạng, tức là có thể thiết lập đồng thời số lightpath là lớn nhất Đây là bài

toán trong mạng không có sự chuyển đổi bước sóng

định tuyến bước sóng, các yêu cầu về lightpath đi đến theo một qui trình riêng biệt

và thời gian chiếm bởi các yêu cầu này cũng theo một qui luật riêng Với dạng lưu

lượng mạng thay đổi thì cần có một giải thuật động để định tuyến các lightpath qua

những đường đi khác nhau dựa vào sự tắc nghẽn trên các tuyến truyền dẫn Từ đó

giải thuật cho bài toán RWA động được đưa ra, nó dựa vào trạng thái hiện thời của

mạng để xác định đường đi cho mỗi yêu cầu thiết lập lightpath Một kết nối bị

nghẽn nếu không tồn tại đường đi nào có thể dùng để mang các bước sóng hiện

thời

Một trong những thách thức để giải quyết bài toán định tuyến và gán bước

sóng với lưu lượng mạng thay đổi là phát triển các giải thuật và giao thức để thiết

lập các lightpath, nhằm hạn chế đến mức thấp nhất xác suất tắc nghẽn trong mạng,

nâng cao hiệu suất sử dụng tài nguyên và cải thiện hiệu năng tổng thể của Một

phương pháp đơn giản là dựa vào giải thuật tìm đường đi bị nghẽn ít nhất để thiết

lập các lightpath động Trong giải thuật này, một lightpath được thiết lập trên đường

đi ít bị nghẽn nhất từ tập các lightpath khác nhau giữa cặp nguồn – đích và bước

sóng thích hợp

2.4 Phân loại định tuyến và gán bước sóng

Có nhiều cách phân loại định tuyến, có thể đưa ra một số loại định tuyến như:

Dựa vào chức năng thích nghi với trạng thái hiện thời của mạng để phân loại

thành: định tuyến tĩnh và định tuyến động

Định tuyến tĩnh: với định tuyến tĩnh, đường dẫn được chọn trước cho mỗi cặp

nguồn – đích của các node trong mạng Các giải thuật định tuyến với chi phí tối

thiểu có thể được sử dụng Định tuyến tĩnh được sử dụng hầu hết trong các mạng

truyền thống, trong định tuyến này mục đích chủ yếu là làm giảm các hệ thống

chuyển mạch phải đi qua với yêu cầu kết nối đường dài Kĩ thuật định tuyến tĩnh

bộc lộ một số nhược điểm như: quyết định định tuyến tĩnh không dựa trên sự đánh

giá lưu lượng và topo mạng hiện thời; các bộ định tuyến không phát hiện ra các bộ

định tuyến mới, chúng chỉ có thể chuyển thông tin đến tới các các bộ định tuyến

được chỉ định trước của nhà quản lí mạng

Định tuyến động: định tuyến động lựa chọn tuyến dựa trên thông tin trạng thái

hiện thời của mạng Thông tin trạng thái có thể đo hoặc dự đoán và tuyến đường có

thể thay đổi khi topo mạng thay đổi hoặc lưu lượng mạng thay đổi Định tuyến động

thể hiện tính linh hoạt và dễ dàng mở rộng mạng

Dựa vào phạm vi định tuyến, ta phân loại thành: định tuyến trong và định

tuyến ngoài

Định tuyến trong: định tuyến xảy ra bên trong một hệ thống độc lập (AS –

Autonomous System), các giao thức thường dùng là RIP, IGRP, OSPF, EIGRP …

Định tuyến ngoài: định tuyến xảy ra giữa các hệ thống độc lập (AS), liên quan

tới dịch vụ của nhà cung cấp mạng sử dụng giao thức định tuyến ngoài rộng và

2.4.1 Định tuyến và gán bước sóng tĩnh trong IP/WDM (S-RWA)

2.4.1.1 Giới thiệu bài toán

Bài toán định tuyến và gán bước sóng tĩnh S-RWA hay còn được gọi là bài

toán thiết lập lightpath tĩnh (SLE – Static Lightpath Establishment) được khái quát

như sau:

Đặc điểm:

định các yêu cầu kết nối

sự thay đổi chỉ diễn ra trong khoảng thời gian dài (như trong các mạng

đường trục)

từng kết nối, không phụ thuộc vào sự thay đổi thông tin trạng thái đang diễn

ra trên mạng Khi đường dẫn và bước sóng đã được xác định, các bộ OXC tại

các nút mạng được lập trình để thiết lập các lightpath đã được chỉ định trước

Mục tiêu:

một tập kết nối cho trước

Sau đây ta sẽ xét đến mô hình toán của bài toán S-RWA Ứng với mỗi mục

tiêu trong hai mục tiêu ở trên, ta có một mô hình toán riêng

Trước hết ta xét các phương trình toán của mô hình nhằm thỏa mục tiêu tối

thiểu số lượng bước sóng sử dụng trên một liên kết

- Đặt λsdw là lưu lượng (hay số yêu cầu kết nối) từ một nút nguồn s đến một

nút đích d sử dụng bước sóng w Ta giả sử rằng có thể có hai hay nhiều hơn

các lightpath cần thiết lập giữa mỗi cặp nút, nhưng mỗi lightpath phải sử

dụng một bước sóng riêng Do đó λsdw≤ 1

nút đích d đi qua tuyến ij và sử dụng bước sóng w Tương tự, ta cũng có

lightpath

lượng Λ trong đó mỗi phần tử Λsd chỉ số kết nối cần thiết lập giữa nguồn s

và đích d

Mục tiêu: tối thiểu hóa Fmax sao cho :

max

, ,

sdw ij

s d

∑

Cách tiếp cận này được sử dụng để đạt được số lượng bước sóng cần dùng nhỏ

nhất Hoặc với một tập bước sóng cho trước, ta có thể giải mô hình này xem thử có

tìm được lời giải không Nếu không tìm được lời giải thì thử lại với một tập bước

sóng lớn hơn, và lặp lại đến khi số bước sóng nhỏ nhất được tìm thấy

Với mục tiêu thứ hai ta cũng có thể có mô hình toán như sau:

Trường hợp không có bộ chuyển đổi bước sóng:

nguồn-đích i

được thiết lập cho mỗi cặp nút nguồn đích i

1

( , )

sd

N i i

- C0(ρ,q) là số kết nối được thiết lập trong mạng Bất phương trình CTB ≤

1WxL có nghĩa là một bước sóng chỉ được dùng tối đa một lần trong một

liên kết 1WxL là ma trận W x L trong đó các phần tử đều bằng 1 Bất

lập phải nhỏ hơn yêu cầu kết nối 1W là ma trận 1 x W trong đó các phần

tử đều bằng 1

Trường hợp có bộ chuyển đổi bước sóng:

Trong mạng IP/WDM định tuyến theo bước sóng, ràng buộc về tính liên tục

bước sóng có thể được loại bỏ nếu như ta có sử dụng các bộ chuyển đổi bước sóng

để chuyển dữ liệu đến trên một bước sóng ở một liên kết thành một bước sóng khác

tại một nút trung gian trước khi chuyển tiếp đến các liên kết kế tiếp Các mạng định

tuyến theo bước sóng như vậy được gọi là wavelength-convertible networks Một

lightpath trong mạng này có thể sử dụng các bước sóng khác nhau dọc theo đường

đi Như đã đề cập, sự chuyển đổi bước sóng làm cải thiện hiệu suất của mạng bằng

việc giải quyết vấn đề xung đột bước sóng giữa các lightpath Thông thường, với

một giải thuật định tuyến cho sẵn, sự chuyển đổi bước sóng cung cấp một giới hạn

dưới về xác suất tắc nghẽn có thể đạt được ứng với một giải thuật gán bước sóng

Sau đây là mô hình toán của bài toán S-RWA khi bỏ đi các ràng buộc về tính liên

tục bước sóng:

Mục tiêu: tối thiểu hóa Fmax

Sao cho:

max , ,

- Fij sdwlà lưu lượng (hay số yêu cầu kết nối) từ một nút nguồn s đến một nút

đích d đi qua tuyến ij và sử dụng bước sóng w

Thông thường bài toán S-RWA được chia thành hai vấn đề riêng rẽ: vấn đề

định tuyến và vấn đề gán bước sóng

2.4.1.2 Vấn đề định tuyến

Vấn đề định tuyến trong S-RWA được thực hiện theo lối truyền thống Những

yêu cầu kết nối thường được gán một đường ngắn nhất nối hai điểm đầu cuối (sử

dụng các thuật toán tìm đường đi ngắn nhất thông dụng như Dijkstra hay Floyd) Vì

những đường đi dài hơn thì sử dụng nhiều tài nguyên mạng và thường mang lại một

hiệu suất thấp hơn Trong trường hợp, nếu có nhiều đường ngắn nhất giữa hai điểm

thì việc chọn đường sẽ mang tính ngẫu nhiên Thông thường, cấu hình tối ưu thu

được bằng cách chọn các đường ngắn nhất, tuy nhiên không nhất thiết kết nối nào

cũng là đường ngắn nhất

2.4.1.3 Vấn đề gán bước sóng

Xét mạng định tuyến theo bước sóng không có khả năng chuyển đổi bước

sóng Nét đặc trưng của mạng IP/WDM là không cho phép hai kết nối sử dụng bước

sóng giống nhau dùng chung một đường Khi các tuyến đã được cố định thì việc

còn lại là gán bước sóng khả thi cho chúng sao cho số lượng bước sóng được sử

dụng trên mạng là nhỏ nhất để có thể thỏa mãn các yêu cầu công nghệ về số lượng

bước sóng tối đa trên một sợi quang

Bài toán gán bước sóng tĩnh trong một mạng liên tục bước sóng tương đương

với bài toán tô màu cho các nút của một đồ thị và được thực hiện bằng cách xây

dựng một đồ thị G(V,E), trong đó V là tập các đỉnh, E là tập các cạnh Theo đó, bài

toán gán bước sóng tĩnh được mô hình hóa như sau:

bằng một đỉnh trong đồ thị G và tồn tại một cạnh vô hướng giữa hai đỉnh

trong đồ thị G nếu các lightpath tương ứng cùng đi qua một liên kết sợi

quang vật lý

màu giống nhau và số màu sử dụng là ít nhất

Hình 2.2 minh họa cách chuyển từ một bài toán gán bước sóng thành một bài

toán tô màu đồ thị Giả sử có 5 lightpath cần thiết lập là (0, 5), (0, 2), (1, 3), (4, 3),

và (4, 5) Lightpath (0, 5) và (0, 2) cùng đi qua liên kết vật lý (0,1) vì thế có một

cạnh nối 2 đỉnh (0,5) và (0,2)

Các thuật toán tô màu đồ thị sẽ thực hiện việc tô màu cho các đỉnh V(G) =

{v1, v2… vn} của đồ thị G theo một thứ tự nào đó Các thuật toán này gồm ba bước

(0,5)

Hình 2.2 Yêu c ầu thiết lập kết nối và đồ thị chuyển đổi tương ứng

Có rất nhiều thuật toán tô màu đồ thị khác nhau và việc chọn lựa giải thuật nào

để sử dụng là tùy thuộc vào quyết định của nhà quản lý dựa trên đặc điểm của

mạng Một số phương pháp tô màu thông dụng hay được sử dụng như: Thuật toán

Longest-First, Thuật toán Largest-First

2.4.2 Định tuyến và gán bước sóng động trong IP/WDM (D-RWA)

2.4.2.1 Giới thiệu bài toán

Trong bài toán định tuyến và gán bước sóng động D-RWA hay còn được gọi

là bài toán thiết lập lightpath động (DLE – Dynamic Lightpath Establishment), ta

xem xét lưu lượng mạng là động

Việc định tuyến và gán bước sóng phụ thuộc vào trạng thái của mạng ở thời

điểm yêu cầu kết nối xảy ra Mỗi khi có yêu cầu kết nối xuất hiện, các thuật toán

D-RWA phải thực hiện để xem xét liệu tài nguyên mạng có đủ để đáp ứng yêu cầu kết

nối đó hay không? Nếu có thể thì thực hiện quá trình định tuyến và gán bước sóng

tại các nút trung gian cần thiết để thiết lập lightpath Còn nếu một yêu cầu kết nối

không được đáp ứng do thiếu tài nguyên thì xem như bị nghẽn Khi quá trình liên

lạc kết thúc, kết nối được giải phóng Vì vậy, bước sóng đã sử dụng có thể được sử

dụng lại cho một kết nối khác Như vậy, ta thấy định tuyến động tận dụng bước

sóng tốt hơn Về mặt kinh tế, điều này sẽ đem lại lợi nhuận nhiều hơn cho các nhà

kinh doanh mạng, gián tiếp giảm chi phí cho các thuê bao

Bài toán D-RWA có thể được khái quát như sau:

Đặc điểm:

thời gian nào đó

và phải được thực hiện mỗi khi có yêu cầu kết nối xuất hiện

Mục tiêu:

thành công lightpath hay tối thiểu hóa số yêu cầu bị nghẽn.Vì nhu cầu

phải đáp ứng nhanh với sự thay đổi của mạng, các giải thuật D-RWA đòi

hỏi phải đơn giản, độ phức tạp tính toán càng nhỏ càng tốt Việc kết hợp

giữa định tuyến và gán bước sóng là rất khó để giải quyết cùng một lúc

a) Định tuyến cố định (Fixed Routing)

Phương pháp đơn giản nhất để định tuyến một kết nối là luôn chọn cùng một

tuyến cố định cho một cặp nút nguồn – đích cho trước Một trong những ví dụ như

thế là định tuyến tìm đường đi ngắn nhất cố định (Fixed Shortest-Path Routing)

Đường đi ngắn nhất cho một cặp nút được tính off-line, sử dụng các thuật toán tìm

đường ngắn nhất thông dụng như Dijkstra hay Bellman-Ford Bất kì kết nối nào

giữa một cặp nút cụ thể đều được thiết lập bằng cách sử dụng đường đi được xác

định trước Hình 2.4 minh họa đường đi ngắn nhất cố định từ nút 0 đến nút 2

Phương pháp định tuyến này rất đơn giản nhưng có nhược điểm là nếu nguồn tài

nguyên (bước sóng) dọc theo đường đi đã được sử dụng hết sẽ dẫn đến xác suất tắc

nghẽn cao trong trường hợp lưu lượng động, hoặc có thể dẫn đến số lượng bước

sóng được sử dụng rất lớn trong trường hợp lưu lượng tĩnh Ngoài ra, định tuyến cố

định cũng không thể xử lý các tình huống lỗi khi một hay nhiều liên kết trong mạng

bị hỏng Để xử lý trường hợp liên kết trong mạng bị hỏng, việc định tuyến cần phải

xét đến các đường đi thay thế hoặc phải có khả năng tìm ra một tuyến mới một cách

linh động Ví dụ trong hình 2.4, tất cả các yêu cầu từ nút 0 đến nút 2 sẽ bị tắc nghẽn

nếu có một trong hai liên kết (0,1), (1,2) bị hỏng

Trong các thuật toán tìm đường ngắn nhất, người ta quan tâm nhiều đến chi

phí hay còn gọi là trọng số (weight) của liên kết giữa các nút Tùy theo cách các

trọng số này được tính toán như thế nào mà người ta có các quan điểm khác nhau về

đường ngắn nhất Một số cách tính trọng số dựa trên đặc điểm và trạng thái của

mạng thường được áp dụng như:

base Weight)

- Hàm trọng số dựa trên số bước sóng có sẵn và số chặng (HAW – Hop

count and Avaiable wavelengths base Weight)

wavelengths and Available wavelength-based Weight)

có (HTAW – Hop count and Total wavelengths and Available

Phương pháp định tuyến này cải tiến hơn định tuyến cố định bằng cách tìm

nhiều đường đi giữa một cặp nút nguồn-đích Trong phương pháp này, mỗi nút

trong mạng phải duy trì một bảng định tuyến chứa danh sách có thứ tự K đường đi

cố định đến mỗi nút đích Ví dụ thứ tự trong danh sách có thể được sắp xếp theo

đường đi ngắn nhất thứ nhất, đường đi ngắn nhất thứ hai, thứ ba v.v… Đường đi

ngắn nhất thứ nhất sẽ được chọn làm đường đi chính thức giữa một cặp nút

nguồn-đích, trong khi các đường còn lại được xem là các đường đi phụ hay các đường thay

thế Một đường đi thay thế giữa nút nguồn và đích là đường đi mà không chia sẻ bất

kì một liên kết vật lý nào với đường đi ngắn nhất chính thức Hình 2.5 minh họa

một đường đi thay thế giữa nút 0 và nút 2 Đường đi chính thức (liền nét) và đường

thay thế (nét đứt) từ nút 0 đến nút 2

Định tuyến thay thế cố định đơn giản trong việc điều khiển thiết lập và xóa bỏ

các đường quang và có thể được sử dụng để cung cấp một khả năng chịu đựng sự

đứt liên kết trong mạng ở một mức độ nào đó Một ưu điểm khác trong định tuyến

thay thế cố định là làm giảm đáng kể xác suất tắc nghẽn so với định tuyến cố định

Ramamurthy chứng minh rằng: “với một mạng chỉ cần hai đường đi thay thế cho

mỗi cặp nút thì xác suất tắc nghẽn sẽ thấp hơn đáng kể so với trường hợp tại mỗi

nút có bộ chuyển đổi bước sóng đầy đủ nhưng sử dụng định tuyến cố định”

Định tuyến thích nghi sử dụng thông tin trạng thái mạng tại thời điểm yêu cầu

kết nối đến, do đó làm tăng khả năng thực hiện thành công việc thiết lập một kết

nối Dựa vào tính chất thông tin về trạng thái mạng được sử dụng, định tuyến thích

nghi được chia làm hai loại: định tuyến thích nghi dựa trên thông tin tổng thể và

định tuyến thích nghi dựa trên thông tin cục bộ

Các quyết định định tuyến dựa trên thông tin tổng thể thường cho lời giải tối

ưu nhất Tuy nhiên, thông tin cần được cập nhật thường xuyên và lượng thông tin

cập nhật thường rất lớn Khi lưu lượng trong mạng quang ngày càng tăng và đến

một lúc nào đó sẽ bị đột biến thì tại lớp quang, yêu cầu về việc ghép kênh và tính

linh hoạt cũng phải ở mức độ cao hơn Vì thế bản chất việc thiết lập đường quang

cũng trở nên động hơn, số lượng yêu cầu kết nối nhiều hơn và các đường quang

được duy trì trong khoảng thời gian ngắn hơn Trong trường hợp này, việc duy trì,

cập nhật thông tin tổng thể là rất khó khăn Cách giải quyết nghiêng về thực hiện

định tuyến thích nghi dựa trên thông tin cục bộ Ưu điểm của việc dùng thông tin

cục bộ là các nút không cần phải duy trì một lượng lớn thông tin về trạng thái mạng

Sau đây ta sẽ xem xét lần lượt hai loại định tuyến đó, và các giải thuật định tuyến

thuộc hai loại đó

Định tuyến thích nghi dựa trên thông tin tổng thể:

pháp định tuyến này, mỗi nút mạng phải duy trì toàn bộ thông tin trạng

thái mạng

tuyến này cũng giống như định tuyến thay thế cố định đã nói ở trên Tuy

nhiên, ở đây, trạng thái mạng được cập nhật thường xuyên và danh sách

các đường ngắn nhất cũng vậy

Định tuyến thích nghi dựa trên thông tin cục bộ:

pháp này không yêu cầu mỗi nút duy trì toàn bộ thông tin trạng thái liên

kết của mọi nút trong mạng Thay vào đó, mỗi nút có một bảng khoảng

cách Mỗi bảng khoảng cách của một nút có một hàng cho mỗi đích đến

trong mạng và một cột cho các nút có liên kết trực tiếp với nút đó Gọi

DX(Y,Z) là một phần tử trong bảng khoảng cách của nút X DX(Y,Z)

chính là chi phí để đi từ nút X đến nút đích Y qua nút Z Gọi c(X,Z) là chi

phí đi từ nút X đến nút “láng giềng” Z DX(Y,Z) được tính theo công thức

sau: DX(Y,Z) = c(X,Z) + minW{ DZ(Y,W)} Hình 2.6 minh họa một bảng

khoảng cách của nút E trong mạng nằm kế bên Các phần tử được khoanh

tròn chính là chi phí nhỏ nhất để đi đến nút đích Như vậy từ bảng khoảng

cách, ta có thể dễ dàng suy ra bảng chuyển tiếp (fowarding table), trong đó

chỉ rõ cần sử dụng liên kết ngõ ra nào để đến được một nút đích tương ứng