Giải thuật tối ưu là giải thuật định tuyến và gán bước sóng sao cho các kết nối được thiết lập với xác suất nghẽn không thực hiện thành công thấp, tận dụng được tốt tài nguyên của mạng.
GIỚI THIỆU
Tổng quan và động lực đề tài
Trải qua hơn một thập kỷ, cuộc cách mạng thông tin đã mang lại cho con người những lợi ích to lớn Băng thông cho các mạng truyền dữ liệu quang được nâng lên từ vài Gbps vào những năm 90 lên đến hàng chục Tbps ở những năm gần đây Tuy nhiên, nhu cầu về băng thông cho các ứng dụng hiện nay như IP, VoIP, VoD, Hosting vẫn không ngừng tăng lên Để đáp ứng nhu cầu đó, công nghệ truyền dẫn quang ghép kênh theo bước sóng WDM (Wavelength Division Multiplexing) là một giải pháp cho các mạng truyền tải dữ liệu, đặc biệt là mạng lõi (Core Network) Chức năng của WDM trong tình huống này là tạo ra các kết nối điểm-điểm quang học; các bộ chuyển mạch OXC (Optical Cross Connect) được dùng để chuyển mạch và định tuyến các kênh quang học theo từng bước sóng Mỗi sợi quang dùng công nghệ WDM có thể truyền nhiều kênh bước sóng đồng thời với tốc độ cao bằng nhau, điển hình từ 10-40 Gbps.
Hình 1.1 Mạng WDM định tuyến theo bước sóng
Trong mạng WDM định tuyến theo bước sóng, khái niệm cốt lõi là lightpath (kết nối quang) Lightpath là một kết nối toàn quang giữa hai nút mạng, không nhất thiết phải nằm ở những nút kề nhau về mặt vật lý, cho phép dữ liệu được truyền qua các nút trung gian bằng tín hiệu quang dựa trên bước sóng mang trên đường đi, từ đó không cần biến đổi quang-điện-quang Các nút trung gian có khả năng chuyển mạch theo bước sóng nhờ các bộ chuyển mạch quang OXC Để thiết lập một lightpath, cần định tuyến và gán bước sóng cho nó — tức là chọn đường đi và chọn bước sóng phù hợp để thiết lập kết nối Với một tập các yêu cầu thiết lập kết nối, bài toán tối ưu hóa quá trình thiết lập lightpath nhằm cải thiện hiệu suất mạng, tối ưu tài nguyên và thời gian tính toán được gọi là bài toán Định tuyến và gán bước sóng (Routing and Wavelength Assignment, RWA).
Trong bài toán RWA (Routing and Wavelength Assignment), tùy tính chất của các yêu cầu thiết lập lightpath, quá trình định tuyến và gán bước sóng được phân thành ba loại: Static RWA (SRWA), Traffic Incremental RWA và Dynamic RWA (DRWA) Với SRWA, khi đã cho trước tập kết nối, lời giải tối ưu mà bài toán nhắm tới thường là tối thiểu hóa việc sử dụng tài nguyên mạng, cụ thể số bước sóng cần dùng, số sợi quang cần lắp đặt, và đôi khi là tối ưu hóa bố trí các bộ chuyển đổi bước sóng tại các nút mạng nhằm tăng số lượng kết nối có thể thiết lập.
Trong trường hợp Định tuyến và gán bước sóng động (DRWA), topology mạng được cho trước và tài nguyên mạng thường không đổi, ví dụ như số bước sóng trên mỗi sợi quang, số sợi quang và vị trí các bộ WC Các yêu cầu thiết lập lightpath xuất hiện ngẫu nhiên và được giải phóng sau một khoảng thời gian nhất định Định tuyến và gán bước sóng được thực hiện mỗi khi có yêu cầu kết nối đến Vấn đề đặt ra là định tuyến và gán bước sóng sao cho tối thiểu hóa số kết nối nghẽn hoặc tối đa hóa số kết nối thành công tại một thời điểm bất kỳ.
Thông số quan trọng nhất để đánh giá so sánh giữa các giải thuật định tuyến và gán bước sóng động là xác suất nghẽn, là thông số để đánh giá khả năng không thành công trong các yêu cầu thiết lập lightpath ngẫu nhiên đến mạng xác suất nghẽnđƣợc định nghĩa nhƣ sau: b
Số kết nối không thực hiện được p = Toồng soỏ yeõu caàu keỏt noỏi (1.1)
Nhƣ vậy, một giải thuật DRWA đƣợc đánh giá là tốt hơn khi có xác suất nghẽnthấp hơn
Để đánh giá một giải thuật DRWA (Dynamic Routing and Wavelength Assignment), người ta căn cứ vào các chỉ số như Hệ số sử dụng đường truyền (Link Utilization - LU), số chặng trung bình của các lightpath sau khi được thiết lập (Average Hop-counts), mức công bằng giữa các yêu cầu thực hiện kết nối có số bước nhảy khác nhau (Fairness) và thời gian tính toán Ý tưởng dùng giải thuật di truyền cho vấn đề RWA (GA-RWA) được đề xuất bởi các tác giả trong các tài liệu [1] Giải thuật di truyền được xem là một trong những giải pháp tối ưu hóa hiệu quả và nhờ đó cho lời giải tối ưu nhanh chóng, gần đây đã được ứng dụng rộng rãi Trong tài liệu [2], các tác giả đã dùng GA để giải quyết bài toán SRWA và DRWA như một bài toán tối ưu đa mục tiêu.
Giải thuật GA-RWA dành cho mạng WDM, định tuyến theo bước sóng, có khả năng rút ngắn thời gian tính toán đáng kể Xác suất nghẽn của GA-RWA vẫn tương đương với phương pháp AUR-E (Adaptive Unconstrained Routing - Exhausted) được trình bày trong [5].
Việc sử dụng hàm thích nghi như được mô tả trong [1] khiến giải thuật thiên về chọn đường đi có số chặng tối thiểu, và do đó cân bằng tải chưa được xem xét đúng mức Để tăng tính ổn định và giảm nghẽn mạng, cần xem xét kỹ các chiến lược cân bằng tải khi quyết định đường đi Khi hai tuyến có cùng số chặng, quy tắc lựa chọn nên được xác định để cải thiện cân bằng tải, từ đó nâng cao khả năng chống nghẽn của hệ thống và cải thiện hiệu suất tổng thể.
Với những lợi thế của giải thuật di truyền như đã nêu, luận văn này đề xuất một giải pháp định tuyến và gán bước sóng cho mạng WDM dựa trên nền tảng giải thuật di truyền Giải pháp được tối ưu hóa bằng cách sử dụng một hàm thích nghi được điều chỉnh so với hàm thích nghi dùng trong giải thuật của Bisbal, nhằm tối ưu hóa đồng thời số lượng nút trên mỗi đường đi và số lượng bước sóng còn trống trên đường đi đó Hàm thích nghi mới xem xét cả độ dài và cấu trúc của đường đi cũng như khả năng cấp phát bước sóng, từ đó tìm ra tuyến đường và tập bước sóng tối ưu cho mạng WDM.
Nội dung thực hiện
Dựa trên tổng quan các công trình nghiên cứu về vấn đề định tuyến và gán bước sóng, bài viết tham khảo các giải pháp cho bài toán RWA bằng giải thuật di truyền Luận văn trình bày một thuật toán định tuyến di truyền cho Dynamic RWA, trong đó hàm thích nghi f_i được dùng để đánh giá đường đi thứ i và xem xét ảnh hưởng của số bước sóng còn lại trên toàn chặng của đường đi đó, từ đó tối ưu hóa việc phân bổ nguồn lực bước sóng và cải thiện hiệu quả mạng quang.
Trong đó,fw i là số bước sóng rỗi tối thiểu trên toàn chặng của lightpath, h i là số chặng mà route đó đi qua (hop-count)
Trong luận văn, hàm thích nghi f_i được thiết kế sao cho giữa hai route có cùng số bước nhảy, route nào đang có số bước sóng rỗi nhiều hơn sẽ được chọn Cơ chế này giúp cân bằng tải trong mạng, tăng cường khả năng chống nghẽn và cải thiện hệ số sử dụng đường truyền.
Ngoài ra hàm thích nghi phải tính trong trường hợp không còn bước sóng rỗi trong route đƣợc lựa chọn thì phải tìm một sự thay thế khác.
Phạm vi bài toán
Thuật toán GA-RWA được đề xuất trong luận văn và áp dụng cho mô hình định tuyến tập trung (Centralized Routing), có nghĩa là trạng thái của mạng luôn được cập nhật và các quyết định định tuyến được thực hiện trên bình diện toàn cục Mô hình này khác biệt với định tuyến phân bố (Distributed Routing), nơi quyết định định tuyến được thực hiện cục bộ tại từng nút mạng Việc phân biệt giữa hai mô hình giúp đánh giá hiệu suất, độ tin cậy và khả năng mở rộng của hệ thống định tuyến, đồng thời tạo nền tảng cho các bài toán tối ưu hóa đường đi dựa trên thông tin toàn cục của mạng.
- Giải thuật định tuyến trong luận văn trình bày áp dụng cho mạng không bị ràng buộc điều kiện liên tục bước sóng 1 (wavelength continuity constraint) Nghĩa là có thể áp dụng vào các mạng WDM có trang bị bộ chuyển đổi bước sóng (Wavelength Converter).
Đối tƣợng khảo sát
Việc áp dụng giải thuật di truyền với hàm thích nghi mới được triển khai trên các mô hình mạng chuẩn nhằm so sánh các thuật toán định tuyến gán bước sóng, điển hình là mạng backbone NSFNet và ARPANET Thông qua các mô hình này, dữ liệu được thu thập về xác suất nghẽn, hệ số sử dụng đường truyền và số bước nhảy trung bình trên mỗi tuyến đường để đánh giá và so sánh hiệu suất của giải thuật di truyền mới với giải thuật di truyền cũ, tham khảo từ tài liệu [1].
Mô phỏng
Để mô phỏng hoạt động của một mạng quang WDM định tuyến quang theo bước sóng, luận văn sử dụng OWNS (Optical WDM Network Simulator)[7] như công cụ mô phỏng và đánh giá thực nghiệm OWNS là một công cụ mô phỏng mạng mở rộng dựa trên ns-2 nhằm bổ sung vào các thành phần quang học như node quang (WDMNode) và các sợi quang đa bước sóng (Multi-Wavelength Link) Việc áp dụng OWNS cho phép mô phỏng động lực lưu lượng, phân tích hiệu suất và thử nghiệm các cơ chế định tuyến theo bước sóng trong mạng WDM Nhờ đó, các kết quả thực nghiệm được thu thập từ OWNS cung cấp cái nhìn sâu sắc về hiệu quả quản lý tài nguyên quang và tối ưu hóa băng thông trong mạng quang định tuyến theo bước sóng.
1 Điều kiện liên tục bước sóng nghĩa là trong mạng không trang bị bộ biến đổi bước sóng trong các nút mạng
Do đó, trên một lightpath chỉ được sử dụng một bước sóng thống nhất cho tất cả các chặng
Chương 1 – Giới thiệu 5 Để thực hiện giải thuật định tuyến mới, giải thuật tính toán RWA trong luận văn và trong [1] đƣợc lập trình bằng ngôn ngữ C++/Otlcl đƣợc viết thêm vào để phân tích, so sánh, đánh giá các thông số của mạng Các giải thuật đƣợc lập trình thêm vào trong phần cấu hình giao thức định tuyến và gán bước sóng:
WDM-GA-Old (Giải thuật di truyền cũ của Bisbal trong tài liệu[1])
WDM-GA-New (Giải thuật di truyền chính sử dụng trong luận văn).
Các kết quả cần so sánh
Sau khi xây dựng hoàn thành giải thuật bằng ngôn ngữ lập trình C++/tcl cả hai giải thuật định tuyến WDM-GA-New và WDM-GA-Oldđể mô phỏng trên chương trình OWNS/ns-2 Các tham số cần mô phỏng để đánh giá hiệu quả sử dụng giải thuật mới so với giải thuật di truyền sử dụng trong [1] Với thông số cần so sánh là:
- Xác suất nghẽn: Đƣợc định nghĩa là số yêu cầu thiết lập lightpath không thành công trên tổng số yêu cầu
- Hệ số sử dụng đường truyền (Link Utilization - LU): Hệ số sử dụng đường truyền là thông số dùng để đánh giá mức độ sử dụng tài nguyên của mạng
Average Hop-count hay còn gọi là số chặng trung bình là thước đo cho số chặng mà mỗi route đi qua trong tổng số yêu cầu thiết lập lightpath trong một mô phỏng Nó được tính bằng tổng số chặng của tất cả các tuyến đường chia cho số lượng yêu cầu, phản ánh độ sâu của đường đi và ảnh hưởng đến độ trễ cũng như mức tiêu thụ tài nguyên mạng Giá trị này giúp đánh giá hiệu quả của chiến lược routing và cơ chế thiết lập lightpath, từ đó hỗ trợ tối ưu hóa phân bổ tài nguyên và so sánh các phương án thiết kế mạng quang trong môi trường mô phỏng.
CÁC THÀNH PHẦN TRONG MẠNG WDM
Tổng quan về WDM
Mạng quang (Optical Network) đã trở thành mạng truyền dẫn chính nhờ sự ổn định, băng thông cao và độ trễ thấp, phục vụ chủ yếu cho hạ tầng mạng IP, SDH, ATM và Ethernet theo mô hình một bước sóng Trong vài năm gần đây, nhu cầu thông tin bùng nổ và sự phát triển của các dịch vụ như Truyền hình theo yêu cầu (VoD), truyền hình quảng cáo (Multicast), hội nghị truyền hình và game đã thúc đẩy đáng kể nhu cầu băng thông Mạng WDM giải quyết bài toán này bằng cách truyền nhiều bước sóng trên mỗi sợi quang, là lời giải cho nhu cầu băng thông ngày càng tăng Chương này sẽ giới thiệu nguyên tắc cơ bản của mạng WDM và tổng quan các nghiên cứu gần đây cũng như những bước tiến trong lĩnh vực nâng cao băng thông truyền tải, đồng thời xem xét số bước sóng có thể được sử dụng trên mỗi sợi cáp và băng thông trên mỗi bước sóng.
Hình 2.1 Biểu đồ dự báo phát triển băng thông Ethernet[11]
Theo lý thuyết, khả năng mang thông tin trên mỗi sợi quang là vô hạn [16], nhưng thực tế cho thấy băng thông khả dụng trên sợi quang có thể đạt được khoảng 50 Tbps Điều này cho thấy sự khác biệt giữa khái niệm lý thuyết và hiệu suất thực tế của mạng quang, đồng thời nhấn mạnh vai trò của các công nghệ tối ưu hóa truyền dẫn để khai thác tối đa tiềm năng của hệ thống sợi quang.
Chương 2 – Các Thành Phần Trong Mạng WDM 7 suy hao thấp vào khoảng 0.2 dB/km, méo tín hiệu thấp, tiêu tốn năng lƣợng thấp, sử dụng chất liệu ít, và giá thành giảm Thách thức là làm cách nào ứng dụng khả năng đó của sợi quang để đáp ứng nhu cầu thực tế
Mỗi sợi quang đơn mode có thể truyền tải lên tới 50 Tbps, gấp nhiều lần so với tốc độ hoạt động của các thiết bị điện tử hiện nay (khoảng tối đa 10 Gbps) Để tận dụng tối đa khả năng của sợi quang mà vẫn không vượt quá giới hạn của công nghệ điện tử, các hệ thống truyền dẫn được ghép nối theo trình tự và có thể là theo bước sóng (WDM - ghép kênh phân chia theo bước sóng), theo thời gian (TDM - ghép phân chia theo thời gian) hoặc theo dạng sóng/mã (CDM, trải phổ) Ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM với những ưu điểm vượt trội đã trở thành công nghệ chủ yếu để truyền tải lưu lượng lớn.
Ghép kênh phân chia theo bước sóng
Ghép kênh WDM là công nghệ cho phép các nguồn phát laser truyền đồng thời nhiều bước sóng khác nhau trên một sợi cáp quang duy nhất; mỗi tín hiệu ở các bước sóng khác nhau mang thông tin thoại, video và dữ liệu Nhờ đó, lưu lượng truyền tải được tăng lên đáng kể, lên tới hàng trăm Gbps WDM đã được phát triển và sau này có thêm DWDM (Dense WDM); nền tảng cốt lõi vẫn dựa trên nguyên lý ghép kênh WDM, với DWDM tăng mật độ kênh và băng thông trên cùng một sợi quang.
Ghép kênh phân chia bước sóng (WDM) là giải pháp cho phép giải quyết sự không tương thích về tốc độ giữa sợi quang và thiết bị điện tử bằng cách cho phép mỗi thiết bị ở đầu cuối hoạt động ở tốc độ điện tử riêng, đồng thời nhiều thiết bị có thể ghép kênh lên trên cùng một sợi quang Phổ truyền dẫn được chia thành nhiều phần nhỏ để phân chia thành nhiều kênh khác nhau mà không bị chồng lấn lên nhau Mỗi bước sóng hỗ trợ cho một kênh truyền đơn với tốc độ mong muốn, tức là tốc độ tối đa của thiết bị điện tử.
Việc cho phép nhiều kênh WDM đồng thời hoạt động trên một sợi quang cho phép tăng dung lượng truyền tải lên mức khổng lồ, tối ưu hoá băng thông và hiệu quả sử dụng cơ sở hạ tầng quang học Tuy nhiên, thách thức còn lại là thiết kế và phát triển kiến trúc mạng, cùng với giao thức và thuật toán phù hợp để tối ưu hoá hiệu suất và đảm bảo tính ổn định của hệ thống Đồng thời, các thiết bị WDM dễ sản xuất và mở rộng nhờ các thành phần bên trong hoạt động ở tốc độ tương thích với công nghệ điện tử hiện đại, tạo điều kiện thuận lợi cho triển khai mạng quang nhanh chóng và tiết kiệm chi phí.
Chương 2 – Các Thành Phần Trong Mạng WDM 8
Hình 2.2 Miền suy hao thấp của sợi quang
Ghép thêm nhiều bước sóng giúp truyền trên một sợi quang mà không tăng tốc độ truyền dẫn trên mỗi bước sóng Công nghệ WDM hiện đại mang đến giải pháp tối ưu trong điều kiện công nghệ hiện tại và vẫn giữ tốc độ xử lý của các linh kiện điện tử ở mức 10 Gbps, bảo đảm tương thích với sợi quang hiện có Thay vào đó, WDM tăng băng thông bằng cách tận dụng cửa sổ làm việc của sợi quang trong khoảng bước sóng từ 1260 nm đến 1675 nm; khoảng bước sóng này được chia thành nhiều băng sóng hoạt động như minh hoạ trên bảng 1.1 Thoạt tiên, hệ thống WDM hoạt động ở băng C (do EDFA hoạt động trong khoảng băng sóng này) Về sau, EDFA có khả năng hoạt động ở cả băng C và băng L nên hệ thống WDM hiện tại dùng EDFA có thể hoạt động ở cả băng C và băng L Nếu theo chuẩn ITU-T, xét khoảng cách giữa các kênh bước sóng là 100 GHz (đảm bảo khả năng chống xuyên nhiễu kênh trong điều kiện công nghệ hiện tại), sẽ có 32 kênh bước sóng hoạt động trên mỗi băng Như vậy, nếu vẫn giữ nguyên tốc độ bit trên mỗi kênh truyền, dùng công nghệ WDM cũng đủ làm tăng băng thông truyền trên một sợi quang lên 64 lần!
Chương 2 – Các Thành Phần Trong Mạng WDM 9
Bảng 1 Lưới phân chia các băng sóng của ITU
Băng sóng Mô tả Phạm vi bước sóng (nm)
Orginal Extended Short Conventional Long
Tổ chức ITU chia các các bước sóng ra thành một lưới Lưới này chia thành nhiều băng Băng C và L thường được dùng cho hệ thống DWDM
Hình 2.3 Khoảng cách giữa các kênh trên lưới ITU là 100Ghz.
Các thành phân trong mạng WDM
Mạng WDM (Wavelength Division Multiplexing) được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống mạng xương sống và đang được nghiên cứu, phát triển mạnh ở Mỹ và Nhật Bản Các thành phần cơ bản của một mạng WDM gồm sợi quang, nguồn laser truyền tín hiệu, bộ phát (transmitter), bộ thu (receiver) và bộ khuếch đại (amplifier) Bài viết sẽ giới thiệu chi tiết các đặc tính kỹ thuật của từng thành phần này, giúp người đọc nắm được vai trò của mỗi bộ phận và cách chúng phối hợp để tối ưu hóa hiệu suất mạng quang WDM.
Chương 2 – Các Thành Phần Trong Mạng WDM 10
Hình 2.4 Các thành phần trong mạng WDM
Nguyên thủy, mạng nền tảng của công nghệ WDM được xây dựng ở dạng kết nối điểm-điểm trước khi xuất hiện các cấu trúc mạng phức tạp Như một bước đệm, phần này trình bày nguyên tắc kết nối giữa hai nút mạng WDM và cho thấy việc mở rộng mạng cũng dựa trên cùng một nguyên lý.
Mạng điểm – điểm gồm các hệ thống OC-48 (2.5 Gbps) đến OC-192 (10 Gbps) Trong lý thuyết thông tin quang, OC-n nghĩa là Optical Channel (kênh quang) và n đại diện cho tốc độ truyền dữ liệu; OC-n được dùng thay cho tốc độ bằng n × 51.84 Mbps Như vậy, hệ thống OC cho các mức tốc độ từ OC-48 đến OC-192 cho phép truyền dữ liệu với băng thông cao từ 2.5 Gbps đến 10 Gbps.
OC-48 có tốc độ 2,5 Gbps, và tương ứng OC-192 có tốc độ 10 Gbps Ngoài ra, các hệ thống OC-768 đạt 40 Gbps và một số thiết bị liên quan đang được phát triển để mở rộng khả năng truyền tải dữ liệu trong tương lai.
2.3.1 Bộ ghép kênh xen rớt bước sóng
Hình 2.5 Bộ ghép kênh xen rớt bước sóng
Chương 2 – Các Thành Phần Trong Mạng WDM 11
2.3.2 Bộ chuyển mạch quang Để có một mạng WDM với các sợi quang đa bước sóng kết nối với nhau, cần có các thiết bị chuyển mạch quang tương ứng Các thiết bị này được phân làm ba loại:
- Chuyển mạch hình sao thụ động (Passive Star)
- Bộ định tuyến thụ động (Passive Router)
- Chuyển mạch chủ động (Active Switch)
A Chuyển mạch hình sao thụ động
Thiết bị chuyển mạch quang kiểu broadcast là một hệ thống phân phối tín hiệu quang theo chế độ phát quảng bá, nơi tín hiệu bước sóng đến từ một sợi quang được chia ra thành nhiều hướng với công suất bằng nhau và đồng thời xuất hiện ở mọi cổng ra với cùng một bước sóng Ví dụ trong hình 1.4, tín hiệu bước sóng λ1 từ sợi quang vào tại cổng 1 và tín hiệu λ4 từ sợi quang vào tại cổng 4 được phát quảng bá đến tất cả các cổng ra Xung đột tín hiệu có thể xảy ra nếu hai hay nhiều sợi quang vào cùng lúc hoạt động ở cùng một bước sóng trùng nhau Vì vậy mạng chuyển mạch sao thụ động kích thước NxN có thể đồng thời thực hiện được N kết nối đi qua nó.
Hình 2.6 Chuyển mạch hình sao thụ động
Chương 2 – Các Thành Phần Trong Mạng WDM 12
B Bộ đinh tuyến thụ động
Một bộ định tuyến thụ động (Passive Router) trước hết tách các bước sóng riêng rẽ từ một sợi mang tín hiệu thành nhiều thành phần bước sóng và sau đó kết nối chúng với các ngõ ra tương ứng Quá trình này giúp tối ưu hóa việc phân chia tín hiệu và giảm nhiễu trong mạng, đồng thời cho phép điều phối tín hiệu đến từng ngõ ra một cách chính xác Như trong hình 1.5, các bước sóng được phân tách thành các thành phần riêng biệt, mỗi thành phần được liên kết với một ngõ ra tương ứng để duy trì chất lượng tín hiệu.
Các bộ dẫn quang được thiết kế để đưa các bước sóng tới các ngõ ra tương ứng 1, 2, 3, 4, nhờ đó các bước sóng có thể được tái sử dụng, nghĩa là các bước sóng trùng nhau có thể đồng thời đi qua nhiều sợi khác nhau một cách riêng biệt Một bước sóng từ một sợi ở ngõ vào sẽ được chuyển mạch sang một ngõ ra dựa trên ma trận định tuyến đặc trưng của bộ dẫn đường; ma trận này phụ thuộc vào các liên kết nội giữa các tầng DEMUX và MUX và là cố định, không thể thay đổi Các bộ dẫn ngoài thị trường được gọi là bộ dẫn Latins, bộ dẫn lưới (WGRs) và bộ dẫn bước sóng (WRs) Giả sử có nhiều bước sóng hoạt động trên một sợi quang, một bộ dẫn kích thước NxN có thể thực hiện chuyển mạch N^2 kết nối đồng thời đi qua nó, nhưng nó không phổ biến bằng trường hợp chuyển mạch hình sao thụ động.
Hình 2.7 Bộ định tuyến thụ động 4x4
Chương 2 – Các Thành Phần Trong Mạng WDM 13
Hệ thống quang học cho phép tái sử dụng bước sóng và có thể duy trì đồng thời đến N^2 kết nối đi qua nó Tuy nhiên, ưu điểm nổi bật của nó so với bộ dẫn thụ động là ma trận định tuyến có thể được cấu hình lại theo yêu cầu tại từng thời điểm nhờ các bộ điều khiển điện tử Chuyển mạch thụ động không cần nguồn cấp và chỉ phân chia ánh sáng đi qua, trong khi chuyển mạch chủ động cần nguồn cấp và cung cấp khả năng định tuyến linh hoạt Chuyển mạch chủ động thường được gọi với các tên như WRS (Wavelength Routing Switch), WSXC (Wavelength Selective Crossconnect) hoặc ngắn gọn là Crossconnect.
Hình 2.8 Bộ chuyển mạch 4x4 chủ động
Trong các mạng tốc độ cao, sợi quang là môi trường truyền dẫn lý tưởng nhờ khả năng truyền tín hiệu tốt và băng thông rộng Tuy vậy, ánh sáng truyền trong sợi quang có sự suy hao của công suất tín hiệu không đồng đều trên các bước sóng; mỗi bước sóng sẽ gặp mức mất mát khác nhau, ảnh hưởng tới hiệu suất và thiết kế hệ thống.
Chương 2 – Các Thành Phần Trong Mạng WDM 14
Hình 2.9 Suy hao bước sóng trong sợi quang
Trong sợi quang, hai miền suy hao thấp nhất là quanh 1300 nm và 1550 nm Ở khoảng 1300 nm, suy hao quang khoảng 0.5 dB/km và băng thông tương ứng khoảng 25 THz; tại tâm 1550 nm, suy hao khoảng 0.2 dB/km và băng thông cũng khoảng 25 THz Ghép hai khoảng băng tần này lại ta được tổng băng thông khoảng 50 THz Ảnh hưởng lớn nhất đến suy hao sợi quang là hiệu ứng Rayleigh scattering, trong khi suy hao đỉnh tại vùng 1400 nm chủ yếu do các ion hydroxyl OH− không thuần khiết trong sợi quang Các nguyên nhân khác gây suy hao trên đường truyền có thể kể đến sự tán xạ của vật liệu và hiện tượng bức xạ.
Việc sử dụng khoảng suy hao quang thấp cho truyền dữ liệu cho phép giảm sự phụ thuộc vào các bộ khuếch đại quang trong mạng, nhờ vào suy hao thấp cho phép tín hiệu duy trì chất lượng ở những khoảng cách dài Trên thực tế, có những hệ thống có thể truyền tín hiệu lên tới hàng trăm km mà không cần đến bộ khuếch đại quang Bên cạnh băng thông lớn, suy hao thấp còn đi kèm với tỷ lệ lỗi bit (BER) rất thấp; BER của sợi quang thường ở dưới mức 10^-11 Đường kính sợi quang nhỏ giúp lắp đặt dễ dàng trong các tòa nhà và mạng cục bộ, trong khi sợi quang lại rất dẻo, ít vỡ và không bị ăn mòn bởi môi trường Truyền dẫn bằng sợi quang cũng ít bị nhiễu liên ký tự so với truyền dẫn điện từ Thêm vào đó, sợi quang được sản xuất từ silica chất lượng cao và các lớp màng bảo vệ, mang lại độ bền và khả năng chịu nhiệt, điện môi và môi trường lâu dài.
Chương 2 – Các Thành Phần Trong Mạng WDM 15 vật liệu rẻ và có sẵn trên trái đất, không nhƣ các loại dây kim loại hay đồng chẳng hạn, làm ngày càng cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên
A Truyền dẫn trong sợi quang
Sợi quang căn bản là một sợi thủy tinh, hoạt động nhƣ là một ống dẫn sóng Một ống dẫn sóng vật lý là một đường đi cho phép các sóng điện từ di chuyển trong đó, cũng nhƣ ánh sáng Do đặc tính phản xạ toàn phần, ánh sáng có thể truyền trong sợi quang với cự ly dài mà suy hao rất thấp Hình 2.4 thể hiện mối tương quan về kích thước của 2 loại quang được sử dụng phổ biến nhất hiện nay, đó là sợi đơn mode (single mode) và sợi đa mode (multi mode). Ánh sáng truyền trong chân không với vận tốc vào khoảng C vac 3x10 8 m/s Ánh sáng có thể truyền trong môi trường trong suốt nhưng tốc độ sẽ thấp hơn tốc độ truyền trong chân không Gọi C mat là tốc độ truyền ánh sáng trong môi trường nào đó Tỉ lệ giữa vận tốc truyền ánh sáng trong chân không và trong chất liệu đƣợc gọi là hệ số khúc xạ (n), đƣợc cho bởi vac mat mat n C
Một mode trong sợi quang tương ứng với nhiều đường đi trong đó sóng có thể lan truyền qua một sợi quang Chúng có thể được xem là sóngđứng trong môi trường truyền dẫn của sợi quang Hơn nữa, mode sóng tương ứng với lời giải của phương trình truyền sóng theo định luật Maxwell với điều kiện biên là đƣợc quy đinh bởi ống dẫn sóng sợi quang
Chương 2 – Các Thành Phần Trong Mạng WDM 16 m
Sơn phủ lõi Sơn phủ lõi
Sợi đa mode Sợi đơn mode
Hình 2.10 Sợi đa mode và sợi đơn mode
ĐỊNH TUYẾN VÀ GÁN BƯỚC SÓNG TRONG MẠNG WDM
Bài toán định tuyến và gán bước sóng
Trong mạng WRON (Wavelength Routed Optical Network), các nút mạng là các Optical Cross-Connects (OXCs) định tuyến theo bước sóng và được nối với nhau bởi các sợi quang (links) Mạng này cho phép thiết lập các kênh ghép phân chia theo bước sóng (WDM), hay còn gọi là các kết nối quang (lightpaths) giữa các cặp nút Việc thiết lập kết nối quang giữa hai nút nguồn-đích s-d đặt ra nhiều bài toán tối ưu hóa đường đi và tài nguyên mạng như số bước sóng, số sợi quang và số chặng Từ đó bài toán định tuyến và gán bước sóng (RWA) được nêu ra và có nhiều giải pháp thực tiễn được công bố nhằm tối ưu hóa kết quả Một bài toán RWA lớn thường được chia ra thành nhiều bài toán con, có thể giải độc lập và hiệu quả nhờ các kỹ thuật xấp xỉ.
Mạng định tuyến theo bước sóng được sử dụng chủ yếu cho mạng xương sống ở quy mô địa lý rộng, từ mức quốc gia đến toàn cầu Tại các trạm truy nhập và các nút mạng, kiến trúc và hoạt động của mạng xương sống được nối liền với mạng ngoài thông qua các thiết bị chuyển quang thích hợp, đảm bảo truyền tải dữ liệu nhanh và ổn định Việc ứng dụng công nghệ bước sóng cho phép tối ưu hoá băng thông, giảm độ trễ và tăng khả năng mở rộng cho toàn hệ thống mạng, đồng thời duy trì tính liên tục và đồng bộ giữa các điểm kết nối trên phạm vi rộng.
Chương 3 – Định tuyến và gán bước sóng trong mạng WDM 24 mạch/ định tuyến theo bước sóng Như hình vẽ minh họa, một trạm truy cập trong ngữ cảnh này không chỉ là thiết bị đầu cuối, mà còn tập trung hoạt động của các đầu cuối – kể cả khi đƣợc gán vào từ những vùng hay các mạng con khác – vì vậy, hoạt động tập trung tại bộ phát gần với giới hạntối đa của tốc độ truyền dẫn điện trong một kênh bước sóng
Trong thực tế, nhiều thiết bị nhiều cạnh (multiple egde device), nhƣ Bộ định tuyến
IP và bộ chuyển mạch ATM có thể tự nối vào cùng một node mạng chuyển mạch/định tuyến, và tập hợp các thiết bị cạnh này được hiểu là các trạm truy cập Nhằm mục đích mô hình hóa, một node chuyển mạch/định tuyến và các trạm kết nối mà nó hỗ trợ được xem xét như là các đơn vị tích hợp và được gọi là node.
Trong mạng quang, một trạm truy cập truyền dữ liệu tới trạm khác thông qua các kênh quang phân chia theo bước sóng, được gọi là các lightpath hay kết nối quang Khái niệm kết nối quang và khái niệm kết nối (connection) có thể coi là tương đương, bởi vì để thiết lập một kết nối giữa nguồn và đích, ta cần thiết lập một lightpath giữa chúng.
Một kết nối quang có thể được mở rộng qua nhiều liên kết quang, nghĩa là một kết nối chuyển mạch giữa hai nút có thể mang một luồng tải lớn mặc dù khoảng cách giữa hai nút vượt quá khoảng cách vật lý của sợi quang Việc ghép nối này cho phép tối ưu hoá băng thông và khả năng chịu tải của mạng ở phạm vi rộng Mỗi nút trung gian sẽ thiết lập và vận hành chuyển mạch quang để hỗ trợ việc thiết lập kết nối quang, đảm bảo đường dẫn được duy trì và dữ liệu được chuyển tiếp mượt mà qua toàn bộ tuyến đường Cấu trúc này giúp mạng đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất và độ ổn định khi truyền tải dữ liệu trên nhiều liên kết quang.
Trong một mạng gồm N nút, nếu mỗi nút được trang bị N-1 bộ thu phát (gồm nguồn phát lazer và bộ lọc nhận) và có đủ bước sóng trên tất cả các sợi quang, mọi cặp nút có thể được kết nối trực tiếp bằng liên kết quang và không còn phải giải quyết các vấn đề mạng phức tạp Tuy nhiên, khi kích thước mạng thay đổi, chi phí cho các bộ thu phát tăng lên và chúng chỉ được lắp đặt tại một số nút, khiến số kênh truyền WDM trên mỗi sợi quang bị giới hạn; tuy vậy giới hạn này có thể được cải thiện nhờ tiến bộ công nghệ và các đột phá trong tương lai Do đó, chỉ một số kết nối quang giới hạn có thể được thiết lập trên mạng tùy thuộc vào phân bổ bộ thu phát và khả năng cấp phát kênh truyền.
Trong một tập các kết nối quang được chọn và xác định, ta cần định tuyến cho các kết nối quang mạng và gán bước sóng cho từng liên kết Quá trình này được gọi là định tuyến và gán bước sóng (RWA - Routing and Wavelength Assignment) của mạng quang Nói cách khác, RWA là bài toán tối ưu hóa đồng thời xác định tuyến và lựa chọn bước sóng nhằm đảm bảo các kết nối quang hoạt động hiệu quả, giảm nhiễu và tăng băng thông có sẵn.
Trong thiết kế và vận hành mạng WDM, bài toán Routing and Wavelength Assignment (RWA) được quan tâm hàng đầu vì nó phản ánh trực tiếp hiệu suất hoạt động của mạng Như đã trình bày, trong một mạng WDM không có trang bị bộ chuyển đổi bước sóng tại các nút, bài toán RWA buộc phải xem xét ràng buộc về sự liên tục bước sóng (wavelength-continuity constraint) khi có yêu cầu thiết lập kết nối quang giữa hai cặp nguồn đích Đây là yếu tố quyết định cách phân bổ kênh và đảm bảo kết nối quang được thiết lập thành công trên toàn tuyến đường.
Chương 3 – Định tuyến và gán bước sóng trong mạng WDM 25 s-d thì một bước sóng duy nhất được sử dụng đi qua tất cả các chặng Trong việc thiết lập kết nối, nếu không còn bước sóng nào trống cho việc thiết lập kết nối thì kết nối bị nghẽn (block) Có nhiều giải thuật cho vấn đề định tuyến và gán bước sóng đã được công bố, kể cả không tính đến sự ràng buộc về sự liên tục bước sóng.
Định tuyến và gán bước sóng tĩnh
Bài toán SRWA, hay còn gọi là bài toán thiết lập lightpath tĩnh (Static Lightpath Establishment - SLE), xem các yêu cầu thiết lập kết nối quang là đã biết trước hoàn toàn Trong bài toán SLE, vấn đề định tuyến và gán bước sóng có thể được tính toán trước khi đưa tải vào mạng, nhằm tối ưu hóa quá trình thiết lập Mục tiêu điển hình là tối thiểu hóa số bước sóng cần thiết để thiết lập một tập các kết nối quang cho trước trên một topology mạng vật lý đã cho Song song với việc tối ưu hóa việc sử dụng bước sóng, một vấn đề quan trọng khác là tối đa hóa số kết nối có thể thiết lập để giảm thiểu nghẽn cho một tập bước sóng và một tập yêu cầu kết nối nhất định.
Trong SLE, với ràng buộc liên tục bước sóng, bài toán được khung dưới dạng ILP nhị phân nhằm tối thiểu hóa số luồng trên mỗi liên kết, tức là giảm số kết nối quang đi qua một liên kết nhất định Gọi λ_sdw là lưu lượng yêu cầu từ nguồn s đến đích d trên bước sóng w Có thể thiết lập nhiều kết nối cho cùng một cặp nguồn–đích nếu cần, nhưng mỗi kết nối phải tuân thủ đặc trưng của bước sóng, do đó λ_sdw ≤ 1 Gọi F_ij_sdw là lưu lượng trên liên kết ij cho các kết nối từ s đến d sử dụng bước sóng w; F_ij_sdw ≤ 1 vì một bước sóng chỉ được gán cho một đường đi duy nhất Với một sơ đồ mạng vật lý, một tập các bước sóng và ma trận lưu lượng Λ, trong đó Λ_sd cho biết số kết nối cần thiết giữa s và d, bài toán được phát biểu dưới dạng ILP nhằm tối thiểu hóa tổng số luồng hoạt động trên các liên kết và đảm bảo mọi yêu cầu được đáp ứng bằng cách phân bổ bước sóng và đường đi phù hợp theo các ràng buộc cân bằng và giới hạn của phần cứng mạng.
3.2.1 Bài toán tối thiểu hóa số bước sóng cần thiết
Chương 3 – Định tuyến và gán bước sóng trong mạng WDM 26 sdw sdw sdw ij jk sdw i k neáu s=j
Đề bài này xác định số bước sóng tối thiểu cần thiết cho một tập các yêu cầu kết nối trong mạng Cho trước một số bước sóng, chúng ta có thể áp dụng dạng IPL để tìm lời giải Nếu không tìm thấy lời giải, số lượng bước sóng lớn hơn có thể được thử thêm vào Quy trình này lặp lại cho đến khi số lượng bước sóng thấp nhất được tìm thấy Bài toán như trên được gọi là bài toán NP-đầy đủ Phần sau sẽ đưa ra dạng đơn giản hơn của bài toán để có thể giải bằng cách giảm kích thước bài toán.
3.2.2 Bài toán cực đại hóa số kết nối có thể thực hiện đƣợc
Thêm một vấn đề nữa là tối đa hóa số lượng kết nối được thiết lập Cho trước một tập các bước sóng cố định và một tập các yêu cầu có thể được công thức hóa dưới dạng IPL, nhằm xác định cách nối các cặp nguồn – đích sao cho mọi yêu cầu được đáp ứng với các ràng buộc về bước sóng, tối đa hóa tổng số kết nối thiết lập và đảm bảo tính khả thi của giải pháp theo mô hình IPL.
N sd là sốcặp đích nguồn yêu cầu
W Số bước sóng trên mỗi link
i , 1,2, , sd m m i N Số các kết nối đƣợc thiết lập cho cặp nguồn-đích thứi
- :tảiyêu cầu(tổng sốyêu cầukếtnối đƣợc định tuyến)
q = {q_i}, i = 1, 2, …, N biểu diễn lượng tải đến cho mỗi cặp nguồn–đích thứ i Trong đó q_i là số kết nối được thiết lập cho cặp nguồn–đích thứ i; tham số này chỉ áp dụng cho tải tĩnh, còn đối với tải động thì cách tính sẽ thay đổi tùy theo đặc tính của luồng tải.
- P: tậpcác đường mà mộtkếtnối có thểđược định tuyến trên đó
Chương 3 – Định tuyến và gán bước sóng trong mạng WDM 27
- A=(aij):làmộtmatrậnPxNsdtrongđóaij=1nếuđường i nằmgiữacặpnguồn-đích j và ngƣợc lại thìaij=0
- B=(bij): là mộtmatrậnPxLtrongđóbij= 1nếu liênkết j nằm trênđường thứ j,vàbij= 0 nếutrái lại
PxW,trongđócij=1nếubước sóng j đượcgán vào đườngi, trường hợp khác thì cij= 0
Phương trình (3.6) tính tổng số các kết nối trong mạng
Phương trình (3.9) chính là điều kiện một bước sóng có thể được sử dụng một lần tại một link nào đó, với ma trận 1 WxL có kích thước WxL mà các thành phần là các đơn vị
Phương trình (3.10), (3.11) là điều kiện để đảm bảo rằng số kết nối được thiết lập luôn nhỏ hơn số kết nối được yêu cầu, trong đó ma trận 1 W là ma trận kích thước 1xW gồm các đơn vị
3.2.3 Trường hợp có bộ chuyển đổi bước sóng
Trong một mạng định tuyến theo bước sóng WRON, có thể bỏ qua điều kiện liên tục bước sóng nếu ta có dùng bộ chuyển đổi bước sóng ở các node mạng để chuyển đổi dữ liệu đang chạy trên một bước sóng ở sợi này chuyển thành dữ liệu đến tại một sợi khác với bước sóng khác nhau tại một node trung gian nào đó trước khi chuyển tới link kế tiếp Đó là một lựa chọn nhằm làm tăng độ mềm dẽo, và khả
Chương 3 – Định tuyến và gán bước sóng trong mạng WDM 28 năng chịu tải của mạng và được gọi là chuyển đổi bước sóng Mạng WRON thường đƣợc gọi là mạng wavelength-convertible network Nếu một bộ chuyển đổi có khả năng chuyển đổi từ bất kỳ bước sóng nào của sợi này sang bất kỳ sợi nào của bước sóng khác, bộ chuyển đổi nhƣ vậy đƣợc gọi là chuyển đổi toàn tầm (full-range capacity) và trong mạng có thể chuyển đổi tất cả các bước sóng được trang bị tại mỗi node thì cũng tương đương với mạng điện thoại được chuyển mạch mạch; do đó, định tuyến sẽ là vấn đề cần giải quyết, còn vấn đề gán bước sóng không quan trọng nữa
Trong một mạng, một lightpath đơn được trang bị bộ biến đổi bước sóng có thể dùng các bước sóng khác nhau trên các chặng đi qua Chính vì vậy, bộ chuyển đổi quang tăng cường năng lực của mạng và nâng cao hiệu quả nhờ giải quyết xung đột giữa các lightpath Thông thường, trong một tình huống định tuyến, chuyển đổi bước sóng giúp giảm xác suất nghẽn cho một trường hợp gán bước sóng cụ thể.
Trong bài toán mạng này, sd là lưu lượng (số yêu cầu kết nối) từ nguồn s đến đích d Gọi F_ij^sd_w là lưu lượng từ nguồn s đến đích d trên liên kết ij ở băng thông hoặc bước sóng w Dạng bài toán không bị ràng buộc bởi điều kiện liên tục bước sóng có thể được phát biểu như một bài toán tối ưu lưu lượng: mục tiêu là phân bổ và tối đa hóa lưu lượng từ s tới d qua các liên kết ij, đồng thời đảm bảo cân bằng lưu lượng tại mỗi nút, giới hạn tối đa trên từng liên kết và đáp ứng các yêu cầu kết nối s→d Các ràng buộc cơ bản bao gồm điều kiện cân bằng tại nút, giới hạn cho lưu lượng trên mỗi liên kết và khả năng cấp phát lưu lượng theo đường đi giữa các nút nhằm tối ưu hóa hiệu suất mạng và chất lượng dịch vụ.
Thỏa điều kiện: ax , sdw m ij s d
0 sdw sdw sdw ij jk sdw i k khi i=j
Trong nhiều trường hợp, chuyển đổi bước sóng toàn phần trong mạng quang không được ưa chuộng do chi phí cao và hiệu quả chưa tối ưu Tuy nhiên, tại một số nút mạng vẫn có thể thực hiện chuyển đổi bước sóng, hoặc sử dụng một bộ chuyển đổi được chia sẻ trên nhiều sợi quang, hoặc nút có thể cung cấp bộ biến đổi với giới hạn một phạm vi bước sóng nhất định Vấn đề này liên quan đến thiết kế mạng định tuyến bước sóng với giới hạn số chuyển đổi bước sóng Việc tối ưu hóa số lượng và phạm vi chuyển đổi có thể mang lại cân bằng giữa chi phí và hiệu suất mạng quang.
- Bố trí số bộ chuyển đổi bước sóng thưa thớt trong mạng
Chương 3 – Định tuyến và gán bước sóng trong mạng WDM 29
Trong mạng WDM, bộ chuyển đổi bước sóng vẫn có mức giá cao nên việc trang bị tại mọi nút mạng là không kinh tế; do đó chỉ một số bộ chuyển đổi được lắp đặt để tối ưu chi phí và hiệu quả khai thác Hiệu quả của việc sử dụng bộ chuyển đổi bước sóng đã được xem xét trong nhiều bài báo, và một câu hỏi nổi lên là bộ chuyển đổi nên được đặt ở đâu để đạt hiệu quả tối đa: chỉ tại vài nút hay gần như toàn mạng? Các nghiên cứu thực nghiệm về bố trí các bộ chuyển đổi bước sóng đã được quan tâm, với các giải thuật nhằm tối ưu hóa vị trí và số lượng bộ chuyển đổi, cân bằng giữa chi phí và hiệu suất mạng Những nỗ lực này cho thấy mục tiêu là tìm ra phương án bố trí tối ưu giúp nâng cao chất lượng dịch vụ trong mạng quang, đồng thời giữ mức đầu tư hợp lý.
Trong mạng quang có khả năng chuyển đổi bước sóng, thiết kế tất cả các ngõ ra của một bộ chuyển mạch với khả năng chuyển đổi bước sóng sẽ không tối ưu về hiệu suất Hiệu suất của mạng sẽ bão hòa khi số bộ chuyển đổi trong bộ chuyển mạch vượt quá một ngưỡng nhất định Đây là vấn đề cần được định lượng dựa trên ngưỡng của thuật toán định tuyến được sử dụng và xác suất nghẽn kỳ vọng.
- Chuyển đổi bước sóng giới hạn
Hiện tượng trộn bốn bước sóng trong các bộ chuyển đổi bước sóng làm cho giới hạn sự chuyển đổi bước sóng Nếu một tầm bị giới hạn trong k, và bước sóng vào i chỉ có thể chuyển đổi từ bước sóng max( i k ,1) đến min( i k ,1) với w là số bước sóng trong hệ thống (đƣợc đánh số từ 1 đến W) các phân tích cho thấy với điều kiện nào đó, chuyển đổi bước sóng có thể được cung cấp tại node có dùng kỹ thuật chuyển đổi quang điện.
Định tuyến và gán bước sóng động
Mặc dù kết hợp vấn đề định tuyến và gán bước sóng là một vấn đề khó, có thể đơn giản hóa vấn đề làm 2 nhánh riêng biệt đó là: định tuyến và gán bước sóng Trong phần này, tập trung các giải phápđịnh tuyến cho các yêu cầu kết nối Có 3 kỹ thuật thường dùng để thực hiện định tuyến: Định tuyến cố định, Định tuyến cố định thay thế, và Định tuyến thích nghi
A Định tuyến cố định (Fixed Routing) Để định tuyến cho một yêu cầu thiết lập kết nối quang bất kỳ cho một cặp node nguồn-đích, người ta dùng định tuyến cố định trước khi gán bước sóng Giải thuật Dijkstra’s hoặc giải thuật Bellman-Ford thường được sử dụng để xác định đường đi từ nguồn đến đích tối ưu nhất, việc còn lại chỉ là gán bước sóng sao cho không gặp trường hợp xung đột bước sóng Các cặp đích nguồn được tính sẵn từ trước (offline) Như vậy, với một yêu cầu thiết lập kết nối bất kỳ, luôn có một đường đi
Chương 3 – Định tuyến và gán bước sóng trong mạng WDM 30 định sẵn, vấn đề gán bước sóng không bị xung đột thường được giải quyết bằng giải thuật First Fit
Hình 3.2 Định tuyến cố định Ưu điểm của phương pháp này là tính toán đơn giản, nhanh
Nhược điểm của phương pháp định tuyến này là nó chỉ áp dụng cho một cặp nguồn-đích duy nhất và chỉ có một tuyến đường cố định được xác định trước Do đó, xác suất nghẽn mạng rất cao và phương pháp này không tận dụng được tối đa khả năng của mạng.
B Định tuyến cố định thay thế (Fixed-Alternate routing) Đây là một giải pháp định tuyến có xem xét đến một số các đường đi giữa nguồn và đích Mỗi node sẽ duy trì một bảng định tuyến gồm một số có thứ tự các đường đi được định trước đến từng node đích Một đường đi chính từ nguồn s đến node đích d được gọi là đường thứ nhất, tập các đường còn lại (alternate) là các đường đi từ s đến d nhưng không chứa bất kỳ liên kết (link) nào của đường chính (link-disjoint)
Hình 3.3 Định tuyến cố định thay thế
Chương 3 – Định tuyến và gán bước sóng trong mạng WDM 31 khi có một yêu cầu kết nối giữa cặp node nguồn-đích, node nguồn sẽ thử thiết lập kết nối trên mỗi đường đi cho đến khi một bước sóng hợp lệ được chọn lựa ra, nếu không tìm được một bước sóng nào thì yêu cầu thiết lập này không thành công, còn đƣợc gọi là nghẽn Ưu điểm của phương pháp định tuyến và gán bước sóng này khá đơn giản để thiết lập kết nối cũng như giải phóng kết nối So với phương pháp định tuyến cố định thì nó giảm xác suất nghẽnhơn, tăng tổng số liên kết có thể thực hiện đƣợc
C Định tuyến thích nghi (Adaptive routing)
Trong định tuyến thích nghi, đường đi từ nguồn đến đích được chọn tự động dựa trên trạng thái hiện tại của mạng, tức là tập các liên kết đang được sử dụng Một dạng định tuyến thích nghi phổ biến là định tuyến theo chi phí ngắn nhất (shortest-cost-path), rất phù hợp với mạng WDM có bộ chuyển đổi bước sóng Trong phương pháp này, các liên kết chưa dùng được gán giá trị cost bằng 1, liên kết đang dùng có cost là c và những kết nối dùng bộ chuyển đổi bước sóng được gán cost là ∞, nhằm điều chỉnh thứ tự ưu tiên giữa đường đi có và không có biến đổi bước sóng Khi có một yêu cầu kết nối, đường đi có chi phí thấp nhất được chọn và nếu có nhiều đường đi cùng chi phí, một đường được chọn ngẫu nhiên Việc chọn giá trị c phù hợp giúp đảm bảo sau khi các đường sử dụng một bước sóng đã bị loại bỏ thì các đường có biến đổi bước sóng mới được ưu tiên xem xét Trong định tuyến thích nghi với chi phí thấp nhất, một kết nối có thể bị chặn khi không còn đường đi từ nguồn đến đích Định tuyến thích nghi đòi hỏi sự hỗ trợ mở rộng của các giao thức quản lý và điều khiển để liên tục cập nhật bảng định tuyến tại các nút mạng Ví dụ với một mạng cho trước, khi các liên kết bị bận, định tuyến thích nghi có thể thiết lập một kết nối linh hoạt giữa các nút, trong khi các hình thức định tuyến cố định có thể không thực hiện được kết nối này.
Chương 3 – Định tuyến và gán bước sóng trong mạng WDM 32
Hình 3.4 Định tuyến thích nghi
Một dạng định tuyến thích nghi khác là định tuyến đường đi nghẽn ít nhất (Least- Congested Path, LCP) Tương tự như định tuyến thích nghi, với mỗi cặp nguồn–đích, một chuỗi các đường đi đã được lựa chọn trước sẽ được xem xét Nghẽn trên một liên kết được định nghĩa là số bước sóng còn lại trên liên kết đó; các liên kết có số bước sóng còn lại ít hơn được xem là nghẽn hơn Nghẽn trên một đường đi được tính bằng liên kết nghẽn nhất trên đường đó Một đường đi thay thế được ưu tiên hơn đường đi ngắn nhất nếu nó giảm nghẽn, và hệ thống sẽ dùng LCP để chọn đường đi Hệ thống sẽ ưu tiên định tuyến đường đi ngắn nhất trước, sau đó LCP sẽ hoạt động tốt hơn so với chỉ sử dụng LCP một mình.
Một bất lợi khác của LCP là độ phức tạp tính toán Trong quá trình chọn đường đi ít nghẽn nhất, mọi liên kết trên các đường ứng viên đều được kiểm tra, làm tăng đáng kể chi phí tính toán Một biến thể của LCP được trình bày trong [5] chỉ kiểm tra k liên kết đầu tiên trên mỗi đường đi (thông tin nguồn lân cận); với k = 2, biến thể này có thể hoạt động tương tự như định tuyến cố định thay thế.
D Một số giải thuật tìm đường đi ngắn nhất theo trọng số
Phần này trình bày hai giải thuật tìm đường nổi tiếng nhất: giải thuật Dijkstra cho trường hợp mạng có chi phí không âm và giải thuật Bellman–Ford cho trường hợp tổng quát có thể có chi phí âm hoặc chu trình âm Giải thuật Dijkstra xác định đường đi ngắn nhất từ một đỉnh nguồn đến các đỉnh khác bằng cách liên tục chọn đỉnh có chi phí nhỏ nhất chưa được xử lý và cập nhật chi phí đường đi cho các đỉnh kề, phù hợp với trọng số không âm Trong khi đó, giải thuật Bellman–Ford cho phép xử lý mạng có trọng số âm và có thể phát hiện chu trình âm, thực hiện việc tính đường đi ngắn nhất từ nguồn đến mọi đỉnh bằng cách lặp lại qua tất cả các cạnh và cập nhật chi phí đường đi cho từng đỉnh, ngay cả khi có cạnh âm.
- Đồ thị G(V, E) trong đó V là tập đỉnh, E là tập cạnh có trọng số không âm
Chương 3 – Định tuyến và gán bước sóng trong mạng WDM 33
Cần tính: Đường đi ngắn nhất từ đỉnh nguồn S đến tất cả các đỉnh còn lại
D i : đường đi ngắn nhất từ node nguồn S đến node i tại bước chạy hiện hành của giải thuật
M: tập các đỉnh đã xét tại bước chạy hiện hành của giải thuật d ij : trọng số trên cạnh nối từ node i đến node j d ij = 0 nếu i trùngj d ij =E ij nếu i khác j
- Bước 2: Cập nhật đường đi ngắn nhất:
Chọn đỉnh N V sao cho: D N = min {D l }i V\M
- Bước 3: lặp lại bước 2 cho đến khi M=V
D j sẽ là đường đi ngắn nhất từ node nguồn S đến node j Độ phức tạp của giải thuật Dijkstra’s
- Theo nhƣ trên thì độ phức tạp tính toán của giải thuật là:O(|V| 2 )
- Nếu sử dụng danh sách kề thì độ phức tạp của giải thuật sẽ là:O(|V|+|E|lg|V|) b) Giải thuật Bellman Ford
- Đồ thị G(V, E) trong đó V là tập đỉnh, E là tập cạnh có trọng số
Chương 3 – Định tuyến và gán bước sóng trong mạng WDM 34
Trong một đồ thị có chu trình âm, không tồn tại đường đi ngắn nhất từ đỉnh nguồn S đến tất cả các đỉnh còn lại, vì tổng trọng số có thể giảm vô hạn khi lặp lại chu trình âm Vì vậy, khi cần tìm đường đi ngắn nhất từ S tới mọi đỉnh, ta phải kiểm tra sự xuất hiện của chu trình âm và xử lý phù hợp Nếu đồ thị không chứa chu trình âm hoặc chu trình âm không ảnh hưởng đến các đỉnh liên quan tới S, ta có thể xác định đường đi ngắn nhất từ đỉnh S tới tất cả các đỉnh bằng các thuật toán thích hợp, ví dụ Bellman-Ford hay Dijkstra với các trọng số không âm, đồng thời có thể phát hiện các đỉnh bị ảnh hưởng bởi chu trình âm.
Ký hiệu D(h) i : đường đi ngắn nhất từ node nguồn S đến node i có tối đa h đoạn
(link) d ij : trọng số trên cạnh nối từ node i đến node j d ij = 0 nếu i trùng j d ij = E ij nếu i khác j
(đường đi ngắn nhất từ S đến N có tối đa 1 đoạn)
- Bước 2: cập nhật đường đi ngắn nhất
- Bước 3: lặp lại bước 2 cho đến khi không có đường đi mới nào ngắn hơn đƣợc tìm thấy thì dừng
D(h) N sẽ là đường đi ngắn nhất từ node nguồn S đến node N Độ phức tạp của giải thuật Bellman Fort Độ phức tạp của giải thuật là: O(|V| 3 )
Vấn đề gán bước sóng tĩnh xử lý tập hợp các lightpath sao cho trên cùng một sợi quang không có hai lightpath nào dùng cùng một bước sóng Giải pháp phổ biến cho bài toán này dựa trên mô hình đồ thị và kỹ thuật tô màu đồ thị (graph coloring), trong đó mỗi lightpath được biểu diễn như một đỉnh và hai đỉnh kề nhau tương ứng với việc hai lightpath chồng lấn về bước sóng trên cùng một sợi quang Đối với mô hình yêu cầu thiết lập lightpath động, gán bước sóng động thường được thực hiện bằng các phương pháp thực nghiệm (heuristics) nhằm kiểm chứng tính tối ưu và hiệu suất thực thi trong môi trường mạng thay đổi liên tục.
Với mỗi đường đi đã được chọn trước cho mỗi kết nối, gọi số các lightpath đi qua mỗi sợi quang vật lý gọi là độ tập trung lưu lượng của chặng quang vật lý đó Bước
Chương 3 – Định tuyến và gán bước sóng trong mạng WDM 35 sóng phải đƣợc gán cho mỗi lightpath sao cho bấtkỳ hai lightpath chạy trên cùng chặng quang vật lý thì phải được gán các bước sóng khác nhau