Giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên trong mạng quang WDM cấu hình ring

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG ********************* Vũ Hoàng Sơn GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ SỬ DỤNG TÀI NGUYÊN TRONG MẠNG QUANG WDM CẤU HÌNH RING Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã số: 62.52.70.05 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà nội – 2012 Luận án được hoàn thành tại: HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS. TS. Bùi Trung Hiếu 2. TS. Hoàng Ứng Huyền Phản biện 1: GS.TSKH. Đào Khắc An Phản biện 2: PGS.TS. Phùng Quốc Bảo Phản biện 3: TS. Bùi Việt Khôi Luận án được bảo vệ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông vào lúc 14 giờ 00 , ngày 06 tháng 01 năm 2012 . Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia, - Thư viện Học việ n Công nghệ Bưu chính Viễn thông. 1 MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, với sự bùng nổ của dịch vụ trên nền giao thức Internet (IP) và với sự phát triển nhảy bậc về công nghệ quang nói chung và công nghệ ghép kênh theo bước sóng (WDM) nói riêng đã cho phép cũng như thúc đẩy phát triển mạng quang thế hệ sau theo hướng tích hợp IP/quang với dung lượng lớn, cự ly xa và đặc biệt có khả năng điều khiển mềm dẻo để cung cấp các dịch vụ băng tần theo nhu cầu hay tổ chức thành các mạng riêng ảo. Phạm vi ứng dụng của WDM ngày càng mở rộng và đang được triển khai rộng rãi từ cấp mạng đường trục đến nội hạt. Những mạng WDM với những kiến trúc và cấu hình khác vẫn đang được nghiên cứu và áp dụng, mà nhiều nhất là các mạng WDM cấu hình Ring nhờ tính đơn giản, tốc độ khôi ph ục nhanh và hiệu quả về kinh tế, nhất là trong môi trường mạng đô thị (MAN) do tận dụng được cơ sở hạ tầng hiện có. Vì lý do đó các kiến trúc Ring vẫn được phát triển cho các công nghệ mạng quang tiên tiến sau này. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay trên thế giới, song song với các nghiên cứu về vật lý để khai thác băng thông cực lớn của sợi quang, các nghiên cứu về mạng quang nói chung và các nghiên cứu v ề điều khiển, quản lý tài nguyên mạng nói riêng được chú ý rất mạnh mẽ theo hướng đáp ứng yêu cầu dịch vụ và phù hợp với sự phát triển của công nghệ cũng như các điều kiện triển khai thực tế. Hướng nghiên cứu này mở ra rất nhiều vấn đề mới có ý nghĩa khoa học và thực tiễn lớn, điển hình là các vấn đề về thiế t kế và tối ưu sử dụng tài nguyên trong quá trình phát triển mạng lưới. Các nghiên cứu này cũng có ảnh hưởng lớn đến sự phát triển của lĩnh vực công nghệ quang mới và cũng nhanh chóng tạo ra các dịch vụ mới cho khách hàng. Vì vậy, nghiên cứu sinh đã chọn hướng nghiên cứu theo cách tìm kiếm và đề xuất giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên mạng để có thể áp dụng trong quá trình thiết kế và khai thác mạng quang WDM c ấu hình Ring, phù hợp với môi trường áp dụng thực tế và khả năng phát triển các dịch vụ mới trong tương lai. Mục đích nghiên cứu của luận án là nhằm xác định được ảnh hưởng đồng thời của các yếu tố về lưu lượng, topology và định tuyến đến kết quả thiết kế tối ưu mạng. Trên có sở đó xây dựng được phương pháp thiết kế và đề xuất các giải pháp tối ưu để nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên mạng. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu trong luận án là phương pháp thiết kế mạng quang WDM cấu hình Ring hai hướng có khả năng áp dụng trong môi trường mạng MAN hay Ring ảo. Cho đến nay, các nghiên cứu về vấn đề thiết kế tối ưu mạng quang WDM cấu hình Ring thường được thực hiện tuần tự theo cách tối ưu topology r ồi định tuyến và có các mục tiêu khác nhau; các kết quả đạt được nói chung chỉ là tối ưu cục bộ. Cách tiếp cận của luận án được chọn cho vấn đề tối ưu này là theo hướng tối ưu đồng thời topology với định tuyến cân bằng tải theo hàm đa mục tiêu 2 tổng chi phí hay tối thiểu tài nguyên cần sử dụng. Các giải pháp được đề xuất cho kết quả chính xác dựa trên quy hoạch tuyến tính nguyên (ILP) và cho kết quả gần đúng theo phương pháp Heuristic sẽ được sử dụng để phân tích, mô phỏng đánh giá kiểm chứng hiệu quả sử dụng tài nguyên theo cách tiếp cận này. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Các kết quả nghiên cứu đạt được trong luậ n án cho thấy phương pháp thiết kế và giải pháp tối ưu theo ILP và heuristic được đề xuất đem lại hiệu quả sử dụng tài nguyên mạng rất cao (trên 20%) so với các kết quả nghiên cứu trước đây theo cách tuần tự truyền thống. Các kết quả này có thể áp dụng cho quá trình thiết kế mạng Ring quang trong môi trường mạng đô thị. Hướng nghiên cứu này cũng có thể được phát triển cho các cấu hình khác và cũng phù hợ p với xu hướng giải quyết các vấn đề tích hợp đa lớp mạng trong mạng quang thế hệ sau theo IP/quang. Một trong những vấn đề quan trọng trong quản lý và sử dụng tài nguyên mạng quang được nghiên cứu trong luận án đó là việc phân luồng lưu lượng và thiết kế topology, đây là công việc rất có ý nghĩa không chỉ trong quá trình xây dựng và khai thác mạng mà còn trong nghiên cứu phát triển. Trong nghiên cứu, việc sử dụng các mô hình, công cụ toán học và mô phỏng tiên tiến để phân tích, đánh giá về khả năng điều khiển, quản lý tài nguyên mạng quang cũng góp phần tạo ra sự giao thoa kết hợp giữa các môn/phương pháp nghiên cứu khoa học cơ bản và nghiên cứu ứng dụng trong viễn thông nói chung và thông tin quang nói riêng. Nội dung của luận án được tổ chức thành 4 chương chính, bao gồm: Chương 1 giới thiệu tổng quan về mạng quang và vấn đề tối ưu tài nguyên trong mạ ng quang cấu hình Ring. Trong chương này đưa ra xu hướng phát triển mạng truyền tải quang và xác định hướng nghiên cứu của luận án về tối ưu tài nguyên trong mạng quang cấu hình Ring trên cơ sở khảo cứu các kết quả nghiên cứu liên quan đã được công bố. Chương 2 tập trung xây dựng bài toán tối ưu topology và định tuyến trong mạng quang WDM cấu hình Ring trên cơ sở tổng hợp những phương pháp thiết kế và phân bổ tài nguyên truy ền thống trong mạng quang nói chung và mạng cấu hình Ring nói riêng, và qua đó thấy rõ hơn tính hiệu quả về phân bổ và quản lý tài nguyên của cấu trúc mạng đang nghiên cứu. Chương 3 đề xuất giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên trong mạng quang WDM cấu hình Ring theo hướng tối ưu đồng thời topology và định tuyến sử dụng phương pháp qui hoạch nguyên (ILP) và Heuristic. Chương 4 mô tả kết quả mô phỏng giải bài toán tối ưu topology và định tuyến để đánh giá hiệu quả của các giải pháp được đề xuất ở chương 3. Phần kết luận trình bày các kết quả đã đạt được, các đóng góp mới của luận án và khuyến nghị một số vấn đề, hướng nghiên cứu mới. 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG QUANG VÀ VẤN ĐỀ TỐI ƯU TÀI NGUYÊN TRONG MẠNG CẤU HÌNH RING 1.1. TỔNG QUAN VỀ PHÁT TRIỂN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG 1.1.1 Sự phát triển của cấu trúc và công nghệ mạng truyền tải quang Mạng truyền tải quang thế hệ sau hiện đang được phát triển theo hướng tích hợp công nghệ mạng IP và công nghệ mạng quang. Hình 1-1 cho thấy mạng truyền tải quang đa lớp đ ang dần được tổ chức tối ưu hơn, giảm thiểu các thiết bị, các lớp mạng và các giao thức trung gian để tiến tới tích hợp mạng theo hướng IP/quang trên nền kỹ thuật WDM. Xu hướng chung có thể thấy mạng IP/quang ngày càng trở nên thông minh hơn, đáp ứng động hơn theo nhu cầu như từ thiết lập kênh tĩnh đến điều khiển động, chuyển mạch kênh (OCS) hay đến chuyể n mạch chùm/gói quang (OBS/OPS) và ngày càng được phát triển từ cấu trúc đơn giản như điểm-điểm, đến Ring, Ring lai Mesh và tiến tới cấu trúc Mesh. Với khả năng tích hợp và điều khiển động, mạng quang WDM có thể cung cấp các luồng dịch vụ băng tần lớn theo nhu cầu hay các dịch vụ tiên tiến như mạng riêng ảo. Tuy nhiên, việc phát triển tới kiến trúc mạng động và Mesh hoàn toàn còn có nhiều thách thức v ề mặt công nghệ cũng như triển khai thực tế. Hình 1-1: Xu hướng phát triển mạng quang theo hướng IP/quang. Phạm vi ứng dụng của công nghệ WDM ngày càng mở rộng, từ mạng đường trục đến nay đã xâm nhập vào vùng mạng MAN để đáp ứng nhu cầu phát triển của các mạng truy nhập băng rộng (xDSL, Wimax, XG-PON,…). Trên thế giới cũng như ở Việt Nam, mạng quang hiện được triển khai phổ biến với cấu hình Ring. Dưới sức ép của cạnh tranh, các nhà khai thác mạ ng không muốn đầu tư quá nhiều vào hạ tầng mạng và đồng thời cũng yêu cầu khi nâng cấp, phát triển mạng cần duy trì tính liên tục của cấu trúc mạng. Vì vậy, các công nghệ quang mới phát triển cần kế thừa ưu điểm các công nghệ đang dùng và tận dụng cơ sở hạ tầng hiện có. 4 1.1.2 Kiến trúc và công nghệ mạng quang cấu hình Ring Mạng quang truyền tải dung lượng lớn và yêu cầu về chất lượng dịch vụ ngày càng cao và đa dạng, do đó mạng cần có khả năng cung cấp cơ chế bảo vệ hay hồi phục nhanh, tin cậy để duy trì được dịch vụ ngay cả khi có các sự cố. Kiến trúc mạng quang cấu hình Ring chia thành hai loại chính tương ứng cơ chế sử dụng tài nguyên/ b ăng thông trong bảo vệ: cơ chế bảo vệ riêng (DPRing) hay bảo vệ chia sẻ (SPRing) tài nguyên. Trong DPRing mỗi bước sóng làm việc trên Ring có một bước sóng bảo vệ riêng còn ở SPRing dung lượng bảo vệ được chia sẻ cho một vài đường làm việc. Cơ chế bảo vệ chia sẻ phức tạp hơn trong thực hiện và quản lí song nó lại tiết kiệm được tài nguyên hơn so với cơ chế bảo vệ riêng. Cơ ch ế này cho phép sử dụng lại các bước sóng hay khe thời gian trên các chặng khác nhau của Ring, do vậy thuộc tính này được gọi là cấu trúc mạng có khả năng tái sử dụng không gian. Kiến trúc Ring hai hướng hay SPRing có khả năng tái sử dụng không gian cho phép sử dụng hiệu quả băng thông hơn so với DPRing nhất là trong môi trường mạng lõi vùng đô thị. Tuy nhiên, tính hiệu quả này còn phụ thuộc vào mẫu lưu lượng, phương pháp thiết kế mạng và thuậ t toán định tuyến. Do SPRing có nhiều ưu điểm trên, nên kiến trúc này vẫn được phát triển và nghiên cứu ứng dụng cho các công nghệ truyền tải quang khác như: Ring gói tự hồi phục (RPR) theo chuẩn IEEE 802.17; Ethernet Ring (ERPS); T-MPLS Ring; OBS/OPS Ring. 1.2. PHÂN BỔ, SỬ DỤNG TÀI NGUYÊN MẠNG QUANG CẤU HÌNH RING Trong luận án này sử dụng thuật ngữ lưu lượng được hiểu như sau: Lưu lượng (traffic hay demand volume) trong mạng truyền tải là lượng nhu cầu kết nối đượ c xác định từ các dịch vụ lớp trên cần truyền tải và được đặc trưng bởi: các nút kết cuối, độ rộng băng (đơn vị dung lượng), kích cỡ và các tham số liên quan đến chất lượng. Trong mạng truyền tải quang, các kết nối có lưu lượng lớn và thường có giá trị nguyên. Đối với WDM, đơn vị lưu lượng là bước sóng. Trong mạng dịch vụ như mạng đi ện thoại, lưu lượng có bản chất thống kê và thường được đo bằng đơn vị Erlang. Tập hợp các lưu lượng giữa các nút mạng cần xét thường được biểu diễn bằng một ma trận lưu lượng. 1.2.1 Vị trí của phân bổ, sử dụng tài nguyên trong quản lý mạng Tài nguyên mạng quang nói chung có thể ở nhiều dạng khác nhau, phụ thuộc vào công nghệ và phạm vi nghiên cứu như: dung lượng h ệ thống, băng thông, sợi và các thiết bị, thành phần. Việc phân bổ, sử dụng tài nguyên hữu hạn của mạng cần đảm bảo hiệu quả, đúng thời điểm, thỏa mãn lưu lượng và giảm chi phí. Hoạt động của quản lý, sử dụng tài nguyên mạng truyền tải có mặt trong các giai đoạn phát triển, quản lý mạng và thường được chia ra 3 mức độ cơ b ản theo thời gian: 5 • Mức 1: Quản lý và xử lý luồng lưu lượng, tài nguyên ở thời gian thực hay gần thực, hay nhờ chức năng hồi phục, bảo vệ, và được phân loại như kỹ thuật lưu lượng (Traffic Enginnering - TE). Mức này có đặc trưng là: Đưa luồng lưu lượng vào chỗ có băng thông và tài nguyên khả dụng. • Mức 2: Chức năng tối ưu hoạt động mạng (Network Enginnering - NE) có thời gian m ức giờ đến ngày và có đặc trưng là: Đặt, phân bổ băng thông, tài nguyên hiện có vào chỗ có lưu lượng và • Mức 3: Chức năng qui hoạch mạng (Network Planning –NP) có thời gian mức tháng đến năm và có đặc trưng: Đặt, phân bổ băng thông, tài nguyên vào chỗ sẽ có lưu lượng. Phạm vi nghiên cứu của luận án này chủ yếu tập trung vào các vấn đề và giải pháp ứng dụng trong NE và NP; áp dụng cho các mạng WDM có cấu trúc Ring theo hướng tích h ợp mạng đa lớp và cung cấp các dịch vụ tiên tiến như mạng riêng ảo trong mạng quang thế hệ sau. 1.2.2 Khái quát những nghiên cứu đã công bố về phân bổ tài nguyên trong mạng quang cấu hình Ring Hiện có nhiều cách tiếp cận khác nhau về tối ưu sử dụng tài nguyên trong thiết kế mạng quang WDM cấu hình Ring phụ thuộc vào mục tiêu tối ưu và các điều kiện cho trước khác nhau. Tuy nhiên, vẫn chưa có nghiên cứu về ảnh hưởng đồng thời của yếu tố như: lưu lượng, topology/thứ tự nút và định tuyến đến kết quả thiết kế mạng Ring hai hướng. Các nghiên cứu trước đây chỉ chủ yếu tập trung giải pháp tối ưu mạng theo cách khảo sát ảnh hưởng của từng yếu tố một và cố định các yếu tố còn lại, hoặc thực hiện tuầ n tự bằng cách chia nhỏ bài toán lớn thành hai bước và kết quả nói chung đạt được là tối ưu cục bộ: + Bước 1: Thiết kế topology của Ring - xác định số nút, thứ tự kết nối các nút trên Ring; + Bước 2: Định tuyến lưu lượng trên topology Ring sao cho tối thiểu tải cực đại trên các cạnh của Ring. Vì vậy, vấn đề tối ưu đồng thời cả hai bước 1 và 2 trong mạng truyền tải quang cấu hình Ring được nghiên cứu trong phạm vi của luận án. Cụ thể, là nghiên cứu về phương pháp thiết kế mạng quang WDM cấu hình Ring hai hướng theo cách tối ưu đồng thời topology và định tuyến cân bằng tải với hàm mục tiêu tối thiểu tải hay tổng chi phí. 1.2.3 Hướng nghiên cứu của luận án về giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên mạng quang cấu hình Ring Các bài toán thiết kế tối ưu mạng truy ền tải quang được xét trong nghiên cứu này thuộc lớp các bài toán tối ưu tổ hợp và có thể được mô hình hóa theo qui hoạch tuyến tính nguyên (ILP) hoặc hỗn hợp (MLP). Để giải quyết các bài toán tối ưu mạng, hiện có nhiều phương pháp và thuật toán tối ưu được sử dụng như: 1) Phương pháp heuristic; 2) Phương pháp qui hoạch toán học; 3) 6 Các thuật toán tìm kiếm metaheuristic; 4) Phân tích đồ thị Graph; 5) Phương pháp tổ hợp, lai các phương pháp trên. Việc lựa chọn các phương pháp nào rất quan trọng, phụ thuộc vào bài toán cụ thể, kinh nghiệm và khả năng nhạy cảm đối với từng vấn đề của người sử dụng. Dựa trên các phân tích ưu nhược điểm của các phương pháp trên, các phương pháp được lựa chọn trong luận án để giải bài toán tối ưu topology và định tuyến bao gồm: 1. Phương pháp heuristic: Theo cách tự nhiên, phương pháp này bước đầu được sử dụng để đánh giá sơ bộ theo kinh nghiệm về các giả định, bài toán mới xây dựng và cũng có thể áp dụng cho bài toán mức ở qui mô lớn sau khi có sự khảo sát về mức độ gần đúng; 2. Phương pháp giải chính tắc dựa theo quy hoạch tuyến tính nguyên (ILP): Phương pháp này cho kết quả chính xác với qui mô mạng nhất định và cho thấy rõ các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả của bài toán. CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG BÀI TOÁN TỐI ƯU TOPOLOGY VÀ ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG QUANG WDM CẤU HÌNH RING 2.1 GIỚI THIỆU Bài toán thiết kế mạng quang cấu hình Ring theo cách tối ưu đồng thời topology và định tuyến được xây dựng trên cơ sở phân tích các cách tiếp cận trong thiết kế mạng, các đặc trưng về mạng lõi quang vùng đô thị và các kết quả nghiên cứu về thiết kế mạng quang cấu hình Ring theo phương pháp truyền thống. Các thuật toán và một số kết quả thiết kế mạng quang cấu hình Ring theo phương pháp truyền thống cũng được giới thiệu và được phân tích để thấy rõ được các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả của bài toán thiết kế cũng như làm cơ sở cho việc phát triển các giải pháp được đề xuấ t ở chương sau. 2.2 PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẠNG QUANG CẤU HÌNH RING 2.2.1 Mô hình mạng truyền tải quang Mạng truyền tải quang có qui mô rất lớn và phức tạp, do đó được tổ chức theo mô hình chồng phủ đa lớp mạng và mỗi lớp mạng lại được phân tích thành một số vùng và lớp mạng con tương đối độc lập nhau theo khuyến nghị ITU-T G.805. Liên kết giữa lớp mạng được thực hi ện theo cách: mạng lớp trên sử dụng các dịch vụ kết nối, truyền tải do mạng ở lớp dưới cung cấp. Các vùng hay mạng con có thể được tổ chức theo các kiến trúc mạng cơ sở (như SPRing, DPRing, …) và kết nối giữa chúng bởi các tuyến và nút mạng. Trong mô hình mạng đa lớp này, thì topology của lớp mạng trên chính là đầu vào của ma trận lưu lượng của mạng lớp dưới và sau đó l ưu lượng được định tuyến trên topology mạng lớp dưới. 7 2.2.2 Các bước trong thiết kế mạng quang Việc thiết kế mạng quang lớn và phức tạp thường được thực hiện theo phương pháp chia nhỏ thành các giai đoạn, bài toán con tương đối độc lập và thực hiện tuần tự. Hình 2-3 minh họa các bước hay các bài toán chính trong thiết kế mạng tương ứng với các phân lớp, phân vùng trong mạng truyền tải. Tùy thuộc vào nhiệm vụ thiết kế, tối ưu mạng và bài toán c ụ thể mà hàm mục tiêu có thể là tối thiểu tổng chi phí mạng với các ràng buộc về chất lượng, kỹ thuật xác định; hay tối thiểu chiếm giữ tài nguyên mạng; hay tối đa thông lượng. Phương pháp thiết kế tuần tự và chia nhỏ thành các bài toán con độc lập tương ứng như các bước ở trên thì dễ thực hiện và tận dụng được các thuật toán đã phát triển, nhưng nói chung chỉ cho kết quả tối ưu cục bộ. Cách tiếp cận giải tích hợp là coi các bước, các bài toán con như một bài toán lớn hơn. Nói chung cách này cho kết quả tốt hơn, nhưng phức tạp hơn và khó áp dụng đối những bài toán có kích cỡ lớn, yêu cầu xử lý nhanh. Tuy nhiên, chúng cũng thường được sử dụng cho qui mô nhỏ hay để khảo sát các mô hình mới và đánh giá chính xác các thuật toán khi áp dụng trong phạm vi nhỏ. Xu hướng mạng truyền t ải quang thông minh, tích hợp đa lớp và có tương tác, do đó sẽ nảy sinh những ứng dụng mới và những yêu cầu về tích hợp cần giải quyết đồng thời. Hình 2-3: Các bước cơ bản trong thiết kế mạng. Ở Việt Nam hiện nay, việc giải bài toán chia mạng truyền tải quang thành các vùng/Ring thường được xác định theo phân cấp các thiết bị chuyển mạch, tổng đài lớp trên và phân cấp quản lý; số nút trong từng cấp này nhỏ. Vì vậy, bài toán điển hình là thiết kế hiệu quả mạng quang cấu hình Ring đơn. Phân tích giải pháp Định tuyến và Định cỡ Thông tin đầu vào Thiết kế topology Ma trận lưu lượng Vị trí nút Kết nối Phân bổ dung lượng Định tuyến kết nối Đánh giá kỹ thuật Phân tích chi phí Tối ưu lại Phạm vi nghiên cứu Kiến trúc mạng ứng cử(Ring,…) Mô hình thiết bị, chi phí Địa lý, Quản lý,… 8 Sau đây giới thiệu phương pháp thiết kế mạng quang theo cấu trúc Ring theo cách tiếp cận tuần tự truyền thống, để làm cơ sở cho việc đề xuất bài toán thiết kế mạng quang cấu hình Ring theo cách tiếp cận tích hợp. 2.2.3 Phương pháp thiết kế mạng quang cấu hình Ring theo tiếp cận tuần tự Việc thiết kế Ring đơn thỏa mãn lưu lượng cũng như độ tin cậy và v ới mục tiêu tối thiểu tổng chi phí được thực hiện theo các bước tương ứng các bài toán con sau: Bài toán 1. Trên cơ sở ma trận tuyến kết nối cho trước C={c ij }, xác định topology của mạng có cấu hình Ring bao gồm: thứ tự/vị trí nút kết nối tạo thành Ring và các tuyến kết nối giữa chúng; Bài toán 2. Định tuyến lưu lượng trên Ring đã xác định, sao cho thỏa mãn ma trận lưu lượng D={d sd } cho trước. Bài toán 1 là tìm topology của Ring với mục tiêu thường là tổng chi phí/ cự ly giữa các nút tạo nên tuyến của Ring là nhỏ nhất. Bài toán này có dạng bài toán người du lịch (TSP) hay tìm chu trình hamilton kinh điển. Hiện có nhiều phương pháp giải theo mô hình ILP hay các thuật toán heuristic. Đối với DPRing, bài toán 2 dễ dàng xác định theo nguyên tắc định tuyến và phân bổ bước sóng đơn giản là: mỗi một lưu lượng luồng quang điểm - điểm sẽ sử dụng một b ước sóng riêng trên toàn Ring. Do đó, số bước sóng hay dung lượng tối thiểu cần thiết chính là tổng số lưu lượng chạy trên Ring. Đối với SPRing hay Ring hai hướng, bài toán 2 cần xác định tuyến đường đi cho mỗi lưu lượng trên Ring với mục tiêu tối thiểu dung lượng cực đại chiếm giữ trên các tuyến/cạnh của Ring hay còn gọi là Tải của Ring (Z). Phần sau giới thiệu bài toán này. 2.2.4 Phân bổ tài nguyên trong mạng quang cấu hình Ring WDM hai hướng 2.2.4.1 Giớ i thiệu bài toán Trong mạng WDM khi không có bộ chuyển đổi bước sóng, bài toán này bao gồm 2 phần: định tuyến và phân bổ/gán bước sóng –RWA. Phần định tuyến (R) yêu cầu xác định tuyến cho mỗi luồng lưu lượng quang và phần phân bổ bước sóng (WA) thực hiện gán bước sóng cụ thể cho mỗi luồng lưu lượng sao cho trên mỗi chặng trên tuyến đường mà nó đi qua không có 2 bước sóng trùng nhau, ràng buộc này còn gọi là tính liên tục của bước sóng. Do vậy, bài toán trở lên phức tạp hơn và đã được chứng minh là loại NP-đầy đủ. Để tránh nhầm lẫn giữa tên gọi trong chức năng định tuyến, bài toán này cũng thường gọi là phân bổ tài nguyên hay băng thông mạng. Sử dụng bộ chuyển đổi bước sóng làm tăng hiệu quả dung lượng của mạng nhưng sẽ làm tăng đáng kể chi phí của mạng. Khi có chuyển đổi bước sóng, bài toán RWA chỉ còn phầ n định tuyến (R) và cũng là chủ đề rất được quan tâm của định tuyến trong Ring SDH có hoán đổi khe thời gian. Tuỳ thuộc vào công nghệ và cách quản lý các luồng khác nhau, mà có các cách định tuyến 9 khác nhau: Định tuyến có tách hay không cho tách lưu lượng trên Ring. Lưu lượng được định tuyến tách trên Ring khi luồng lưu lượng của nó được chia làm hai phần và được định tuyến trên hai hướng của Ring. Nói chung định tuyến có tách lưu lượng cho kết quả tốt hơn khi không tách lưu lượng. Tập trung vào giải quyết vấn đề phân bổ băng thông cho Ring WDM cho các ứng dụng NE và NP, cho nên các tham số đầu vào như ma trận lưu lượng quang lớp trên và topology củ a Ring WDM lớp dưới đã xác định trước. Việc tính toán định tuyến và gán bước sóng có thể được thực hiện trước khi thiết lập cấu hình Ring để thỏa mãn nhu cầu ma trận lưu lượng và thường với mục tiêu tối thiểu số bước sóng cần sử dụng. Tương tự như đã đề cập ở trên, nói chung có hai cách tiếp cận để giải bài toán RWA trong mạng quang WDM cấu hình SPRing: - Cách 1: Giả i quyết đồng thời cả hai bài toán R và WA. Phương pháp thường được sử dụng là mô hình theo ILP và có thể sử dụng các kỹ thuật như nhánh- cận, tạo cột, làm tròn… để giải và cho kết quả tối ưu. - Cách 2: phân tách bài toán thành hai bài toán con riêng rẽ và giải tuần tự: + Bài toán định tuyến luồng lưu lượng trên Ring (R-Routing problem) và + Bài toán gán hay phân bổ bước sóng cho các luồng lưu lượng đã định tuyến (WA- Wavelength Allocation /Assignment problem). Cách 1 cho kết quả tối ưu chính xác, nhưng phứ c tạp. Cách 2 dễ giải quyết, đơn giản hơn, tận dụng được các thuật toán đã phát triển. Phần sau giới thiệu một số kết quả và phương pháp giải theo 2 bước tuần tự (cách 2) dựa trên một số kết quả nghiên cứu trước đây trên thế giới, và của tác giả đã phát triển [6], [8] và qua các thử nghiệm cũng cho thấy kết quả tối ưu trong hầu h ết các trường hợp. 2.2.4.2 Cận của bài toán Như đã nói ở trên trong trường hợp có chuyển đổi bước sóng thì bài toán RWA chỉ còn phần định tuyến (R). Vì vậy, giới hạn lời giải của bài toán RWA tối thiểu sẽ là cận dưới của bài toán khi có chuyển đổi bước sóng. Cận dưới của bài toán định tuyến theo lý thuyết Okamura-Seymour là kích cỡ của nhát cắt cực đại MaxCut trên Ring. Trong đó, kích cỡ nhát cắt được đị nh nghĩa như tổng lưu lượng không được định tuyến trên Ring do nhát cắt gây ra đi qua hai cạnh và chia Ring thành hai phần. 2.2.4.3 Phương pháp giải tuần tự Bước 1: Định tuyến lưu lượng trong Ring Trong bước này cần phải xác định tuyến lưu lượng thuận hoặc ngược chiều kim đồng hồ với giả định có bộ chuyển đổi bước sóng. Để phục vụ cho phát triển giải pháp ở chương 3, phần này của chương đã phát biểu bài toán dưới dạng các mô hình toán học theo ILP cả định tuyến tối ưu cân bằng tải có hoặc không tách lưu lượng. Các mô hình này có thể được sử dụng để giải cho kết quả tối ưu chính xác bằng giải thuật nhánh–cận nhờ các công cụ AMPL, Cplex hay Scip. 10 Bước 2: Phân bổ hay gán bước sóng Phân bổ bước sóng là một trong những đặc trưng riêng của WDM. Bài toán phân bổ bước sóng được xem là NP-đầy đủ, và có thể áp dụng một số cách giải sau: 1. Phương pháp tối ưu theo ILP. Cách này cho kết quả tối ưu chính xác tuy nhiên chỉ phù hợp khi kích cỡ bài toán nhỏ; 2. Các giải thuật Heuristic, theo đó sẽ cố gắng “điền” bước sóng theo cách tốt nhất có thể. Trong phần này của luận án đã giới thiệu một thuật toán hiệu quả đã được phát triển trong [6]. Thuật toán hai bước tuần tự kiểu như trên đã được thử trên rất nhiều mẫu lưu lượng ngẫu nhiên và hầu hết cho kết quả tối ưu toàn cục. Chẳng hạn, trong lần thử với mạng Ring 11 nút, lưu lượng giữa các cặp nút theo phân bố đều giữa 0 và 5 kênh. Kết quả trung bình về yêu c ầu số bước sóng lớn nhất là 35. Trong 1000 phép thử, thuật toán phân bổ bước sóng chỉ cho kết quả không tối ưu trong 5 bước sóng. Tổn thất do thiếu bộ chuyển đổi bước sóng chỉ xấp xỉ: 5 bước sóng /(1000x35) = 0,01%. Kết quả này cũng phù hợp với kết quả trên thế giới khi thực hiện giải tối ưu chính xác theo mô hình ILP cho bài toán RWA. Thảo luận Những phân tích trên đây chỉ ra rằng trong trường hợp ma tr ận lưu lượng biết trước, thì có thể phân bổ luồng quang rất hiệu quả trong các SPRing WDM bằng các thuật toán theo cách giải hai bước. Lợi ích đem lại nhờ sử dụng các bộ chuyển đổi bước sóng rất nhỏ với các giải thuật hiệu quả. Do đó cho phép thiết kế mạng Ring với chi phí thấp hơn. Vì vậy, đây cũng là một cơ sở để chương sau đưa ra gi ải pháp cho bài toán tích hợp trong phạm vi tối ưu topology với phần định tuyến (R), không bao gồm phần gán bước sóng (W). Một mặt để giảm tính phức tạp của bài toán tích hợp nếu đưa cả phần gán bước sóng, mặt khác bài toán sẽ có phạm vi áp dụng rộng hơn, tức là có thể áp dụng cho cả các công nghệ Ring hai hướng khác mà không yêu cầu có phần gán tài nguyên hay bước sóng chẳng hạn như trong mạng WDM có chuyển đổi bước sóng. Tiế p theo sẽ giới thiệu bài toán thiết kế tối ưu topology và định tuyến theo cách tiếp cận này. 2.3 BÀI TOÁN TỐI ƯU TOPOLOGY VÀ ĐỊNH TUYẾN RING QUANG HAI HƯỚNG 2.3.1 Đặt vấn đề Phương pháp và thuật toán thiết kế mạng Ring WDM hai hướng theo cách tiếp cận tuần tự cho thấy tổng chi phí của Ring bao gồm chi phí tuyến và chi phí thiết bị. Chi phí tuyến phụ thuộc vào tổng chu trình các tuyến kết nối tạo nên Ring, còn chi phí thiết bị ph ụ thuộc vào dung lượng đường truyền của thiết bị. Việc xác định topology của Ring thường thông qua giải bài toán dạng tìm chu trình Haminton nhỏ nhất (hay bài toán người du lịch - TSP) đi qua tất cả 11 các nút có trọng số là chi phí hay cự ly của từng tuyến. Đối với mạng có chi phí đường truyền chiếm tỉ trọng lớn (đường trục hay cấp vùng) thì việc tìm chu trình nhỏ nhất theo cự ly là hợp lý. Nhưng trong môi trường mạng ảo hay mạng đô thị có khoảng cách trung bình giữa các nút ngắn (<10km), lưu lượng lớn, chi phí thiết bị chiếm tỷ trọng lớn. Do vậy, trong môi trường này, xác định topology vật lý cho mạng cấ u hình SPRing cần tính đầy đủ đến cả hai chi phí đường truyền và thiết bị. Chi phí thiết bị phụ thuộc vào dung lượng yêu cầu tối thiểu hay tải của Ring để thỏa mãn ma trận lưu lượng. Như giới thiệu ở phần trên, ngoài yếu tố về cách định tuyến, tải của Ring phụ thuộc vào mẫu lưu lượng, vị trí tương đối giữa các nút trên Ring. Hình 2-10 minh họa lưu đồ giải hai bước và ví dụ cho thấy ảnh hưởng của phương pháp định tuyến và thứ tự kết nối các nút trên Ring đến tải hay dung lượng yêu cầu tối thiểu của Ring để thỏa mãn ma trận lưu lượng D. Hình 2-10: Ví dụ về ảnh hưởng của topology và định tuyến đến kết quả thiết kế khi thực hiện theo cách giải tuầ n tự. Qua các kết quả và phân tích trên cho thấy, kết quả tối ưu của bài toán thiết kế mạng quang cấu hình Ring hai hướng phụ thuộc nhiều vào các yếu tố: ma trận lưu lượng, topology và cách định tuyến. Đến nay chưa có công trình nào phân tích ảnh hưởng đồng thời của các yếu tố: chi phí đường truyền, lưu lượng và phương pháp định tuyến đến kết quả thiết kế và cận dưới thự c tế có thể đạt được của cấu trúc Ring hai hướng. Sau đây sẽ phát biểu bài toán tối ưu đồng thời cả topology và định tuyến lưu lượng cho Ring hai hướng. 2.3.2 Phát biểu bài toán Bài toán này có thể được phát biểu dạng lời như sau: Tìm topology của Ring (xác định thứ tự kết nối các nút trên Ring) và định tuyến lưu lượng trên topology Ring thỏa mãn hàm mục tiêu nhất định, là tối thiểu tổng lưu lượng đi qua t ừng cạnh hoặc tối thiểu tổng chi phí tuyến và thiết bị. Bài toán được mô tả dưới dạng đồ thị như sau: e. Không tách lưu lượng: Z=4 Các tham số đầu ra D={d s d } Phương pháp định tuyến: cân bằng tải, có/ không tách,… Mô hình chi phí Tổng chi phí: TC = Σ x ij *c ij + c b *Z START END THIẾT KẾ TOPO TSP (c ij ) ĐỊNH TUYẾN (SPRing/ DPRing) d. Tách lưu lượng Tải của Ring (Z)=3 d s d E A B D C 2 2 2 2 4 d - s d =1 d + s d =3 E A B D C 2 2 2 2 C={c ij } a. MaxCut = 10 C A D E B 2 2 2 4 2 d s d b. MaxCut = 6 c.MaxCut = 10 C D E B A Các tham số đầu vào E A B D C 2 2 2 2 4 d s d D A C B E 2 4 2 2 x ij =1 2 TÍNH TOÁN, SO SÁNH 12 Các đầu vào: 1. Gọi topology có thể kết nối của mạng là G o = (V, E o ) là đồ thị vô hướng, trong đó V là tập N nút và E o là tập các tuyến có trọng c ij có thể thiết lập giữa tập N nút thuộc V với N= |V| ≤ 16. Trong đó c ij ≥ 0, tuyến kết nối giữa i,j không tồn tại thì c ij = ∞ 2. Ma trận lưu lượng D = {d sd }, có các phần tử d sd ≥ 0 và nguyên là lưu lượng kết nối giữa cặp nút nguồn s và đích d: s, d = 1 N. Yêu cầu đầu ra của bài toán: 1. Xác định topology mạng cấu hình Ring G l =(V, E l ) hay thứ tự kết nối các nút tạo thành Ring (chu trình kín); 2. Xác định cách định tuyến từng lưu lượng trên G l sao cho thoả mãn ma trận lưu lượng D và xác định dung lượng (hay tải) tuyến E l – là tổng lưu lượng được định tuyến đi qua E l . Dung lượng của Ring là dung lượng cực đại của E l . Mục tiêu: Hàm mục tiêu tùy thuộc vào ứng dụng, chẳng hạn tối thiểu: + Dung lượng cực đại trên các tuyến E l hay còn gọi là Tải của Ring; hoặc + Tổng chi phí bao gồm cả chi phí tuyến kết nối E l tạo thành Ring và chi phí theo dung lượng của Ring. Trong môi trường mạng Ring ảo, hàm mục tiêu thường được xét đến là tối đa thông lượng, hay tối thiểu dung lượng cần để thỏa mãn lưu lượng cho trước. Bài toán này thuộc lớp NP-đầy đủ, vì bản thân từng bài toán con là: xác định topology Ring (bài toán người du lịch TSP) và bài toán định tuyến cân bằng tải của SPRing là NP-đầy đủ. Chương sau sẽ giới thiệu các giải pháp cho bài toán này. CHƯƠNG 3. XÂY D ỰNG GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ SỬ DỤNG TÀI NGUYÊN TRONG MẠNG QUANG WDM CẤU HÌNH RING 3.1 GIỚI THIỆU Trong chương này đề xuất các giải pháp để giải tối ưu bài toán thiết kế topology và định tuyến tối ưu trên mạng quang cấu hình Ring hai hướng với hàm mục tiêu về băng thông và tổng chi phí. Cụ thể: Đề xuất 1: Giải pháp heuristic theo cách tuần tự đó là tối ưu topology theo hàm trọng có tính đến ảnh hưởng củ a lưu lượng, từ đó có ảnh hưởng đến kết quả của định tuyến cân bằng tải; Đề xuất 2: Giải pháp tích hợp tối ưu đồng thời topology và định tuyến cân bằng tải thông qua việc đề xuất các mô hình toán học theo qui hoạch tuyến tính nguyên ILP. 13 Chương 4 sẽ giới thiệu kết quả mô phỏng đánh giá các giải pháp này. 3.2 ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ TOPOLOGY VÀ ĐỊNH TUYẾN THEO TIẾP CẬN TUẦN TỰ Phương pháp này dựa theo cách tiếp cận hai bước truyền thống là: giải bài toán xác định topology tối ưu cho Ring theo TSP(x) với hàm trọng x, tiếp theo giải bài toán định tuyến lưu lượng, phân bổ tài nguyên trên topology đã xác định như lưu đồ Hình 3-1. Ý tưởng của ph ương pháp này là bằng cách xây dựng hàm trọng x phù hợp cho bài toán xác định topology sẽ làm thay đổi vị trí tương đối các nút trong ma trận lưu lượng trên Ring từ đó có ảnh hưởng đến kết quả định tuyến lưu lượng trên Ring. Hình 3-1: Lưu đồ phương pháp thiết kế dựa trên hàm trọng. 3.2.1 Phương pháp hàm trọng Giả sử cần xác định topology Ring đơn của N nút, với đầu vào: Tậ p các tuyến kết nối giữa các nút là C={c ij } – ma trận các chi phí đường truyền (hay cự ly) và ma trận lưu lượng luồng quang D= {d ij }. Việc lựa chọn hàm trọng x cần tính đến ảnh hưởng cả chi phí đường truyền c ij và chi phí thiết bị tại các nút hay cần tính đến yếu tố tác động của lưu lượng d ij lên dung lượng thiết bị. Giả sử giải bài toán TSP theo các hàm trọng x ta có tổng chu trình là L=TSP(x)= ∑x i,i+1 , với i=N, thì i+1 trùng 1, còn thứ tự các nút trong Ring được xác định theo TSP(x) với biến là x. Xét đến một số phương án hàm trọng x được đề xuất: • Phương án 1: Hàm trọng x= c ij tương ứng lời giải TSP(c ij ) có tổng chi phí đường truyền C 1 là nhỏ nhất và là phương án thường hay sử dụng trong thiết kế truyền thống. Gọi tổng lưu lượng trên Ring là D 0 = ∑d ij , thì C 1 /D 0 là chi phí đường truyền trung bình của một đơn vị lưu lượng; Nhập đầu vào Thiết kế các Topo Ring tối ưu: TSP theo các hàm trọng: (c ij ), (-d ij ), (c ij -k×C 1 /D 0 ×d ij ) Bắt đầu Định tuyến và định cỡ dung lượng Ring Tính tổng chi phí, phân tích giải pháp Kết thúc So sánh ? N Y 14 • Phương án 2: Hàm trọng x= -d ij tương ứng lời giải TSP(-d ij ) {có thể sử dụng TSP(1/d ij )} đây là trường hợp thuận lợi cho SPRing về mặt lưu lượng: cặp lưu lượng có số luồng lớn sẽ có số chặng nhỏ nhất là 1 (liền kề), các cặp nút có lưu lượng nhỏ sẽ có số chặng lớn, từ đó có thể coi MaxCut là nhỏ nhất. Trường hợp này không tính đến chi phí đường truyền c ij khi xác định topology. • Phương án 2’: Hàm trọng x= d ij tương ứng lời giải TSP(d ij ) - đây là trường hợp bất lợi nhất cho SPRing: cặp lưu lượng có số luồng lớn sẽ có số chặng lớn nhất, các cặp nút liền kề sẽ có lưu lượng nhỏ dẫn đến MaxCut là lớn nhất- đây có thể coi là cận trên; • Phương án 3: Hàm trọng x= c ij -k×(C 1 /D 0 )×d ij , với k là hệ số chỉ mức độ quan trọng của phần lưu lượng (chi phí thiết bị) so với chi phí đường truyền. Với hàm trọng này, lời giải TSP(c ij - k x (C 1 /D 0 ) x d ij ) sẽ bao gồm cả chi phí đường truyền và lợi ích từ các cạnh có luồng lớn và sẽ cải thiện hơn về mặt MaxCut của phương án 1. Với k=0, thì TSP(x)= TSP(c ij ), C 3 =C 1 và Z 3 =Z 1 ; với k >>1, thì TSP(x)= TSP(–d ij ), C 3 =C 2 và Z 3 =Z 2 ; nếu k<< -1, thì TSP(x)= TSP(d ij ), C 3 =C 2’ và Z 3 =Z 2’ . Có thể nhận thấy với hệ số k ≥ 0 phương án 3 cho kết quả trung gian giữa phương án 1 và phương án 2 về mặt chi phí tuyến C và về yêu cầu dung lượng Z. Tức là C 1 ≤ C 3 ≤ C 2 và Z 1 ≥ Z 3 ≥ Z 2 . 3.3 ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH ILP ĐỂ GIẢI ĐỒNG THỜI BÀI TOÁN THIẾT KẾ TOPOLOGY VÀ ĐỊNH TUYẾN Phần này đề xuất cách giải đồng thời bài toán thiết kế topology và định tuyến tối ưu cân bằng tải có/không tách lưu lượng trong mạng Ring quang hai hướng bằng cách sử dụng mô hình toán học theo ILP có các modul tương ứng với các yêu cầu cần xác định về: topology, định tuyến và hàm mục tiêu. 3.3.1 Mô hình ILP cho bài toán thiết kế topology tích hợp với đị nh tuyến tối ưu trong mạng Ring có tách lưu lượng a. Ràng buộc xác định topology Ring Vấn đề này có dạng của bài toán người du lịch (TSP) và có thể được mô hình bằng hệ các ràng buộc theo các cách khác nhau, cụ thể trong luận án sử dụng theo các ràng buộc sau: Gọi x ij là biến lựa chọn tuyến giữa nút i, j = {1, 0}, x ij = 1 nếu có tuyến kết nối giữa nút i và j tạo lên cạnh của Ring, và x ij =0 khi không có tuyến kết nối giữa nút i và j. Σ i x ij =1, với ∀ i = 1, ,N (3-1) Σ j x ij =1, với ∀ j = 1, , N (3-2) Hai ràng buộc này yêu cầu mỗi nút chỉ có 2 tuyến kết nối đến và đi. u i ≤ N - 1 - (N- 2)* x 1i ; với ∀ i ≥ 2; (3-3) u i ≥ 1 + (N - 2) * x i1 ; với ∀ i ≥ 2; (3-4) Hai ràng buộc này để loại khả năng tạo thành các Ring con. 15 x ij ∈ {0,1}, u i ≥ 0 cho ∀ i, j = 1, , N; (3-5) x ij là các biến nhị phân và u i là số các nút đã đi qua đến khi gặp nút i. b. Ràng buộc xác định cách định tuyến có tách lưu lượng trên Ring Gọi f sd ij là phần lưu lượng giữa nguồn s và d định tuyến trên tuyến i, j : s, d, i, j = 1 N. f sd ij nguyên ≥ 0 và ≤ d sd (3-6) Ràng buộc này cho phép định tuyến tách lưu lượng trên 2 hướng. Σ j f sd ij - Σ j f sd ji = 0 , với ∀ s, d, i = 1 N: s<d, i ≠ s, i ≠ d (3-7) Σ j f sd ij - Σ j f sd ji = d sd , với mọi s, d, i = 1 N: s <d, s=i (3-8) Σ j f sd ij - Σ j f sd ji = -d sd , với ∀ s, d, i = 1 N: s <d, d=i (3-9) Đây là các ràng buộc về định tuyến của lưu lượng d sd trên các tuyến i, j với các điều kiện bảo toàn là: tổng lưu lượng vào một nút trung gian bằng tổng lưu lượng đi ra nút, ngoại trừ nút nguồn s và nút đích d tương ứng với ràng buộc (3-8) và (3-9). (x ij + x ji )* d sd ≥ f sd ij , với ∀ i, j, s, d = 1 N: s < d, i ≠ j (3-10) Đây là ràng buộc lưu lượng d sd được định tuyến trên link (i, j) hay (j, i) đối xứng. Gọi tổng dung lượng trên các tuyến i, j là Z ij , ta có: Z ij = Σ sd (f sd ij +f sd ji ) , với ∀ i, j: i ≠ j và s <d (3-11) c. Hàm mục tiêu Có thể xây dựng nhiều hàm mục tiêu khác nhau như sau: - Tối thiểu về mặt dung lượng tải trên cạnh Ring: Minimize {maximize (Z ij )}, với ∀ i, j (3-12) Đây là hàm mục tiêu tối thiểu dung lượng tải lớn nhất trên các cạnh nối nút i, j. - Tối thiểu tổng chi phí tuyến: Minimize {C = Σ ij c ij * x ij } (3-13) Khi đó bài toán trở về TSP(c ij ) cổ điển và định tuyến tối ưu. - Tối đa lưu lượng trên các cạnh liền kề của Ring theo TSP(-d ij ): Minimize {Z = Σ ij (-d ij * x ij )} (3-14) Đây chính là cách giải Heuristic theo phương án 2 đã được đề xuất ở phần “3.2.1 Phương pháp hàm trọng”. - Tối thiểu hàm đa mục tiêu gồm cả chi phí tuyến và chi phí theo dung lượng: Minimize {TC = Σ ij c ij * x ij + c b * Max (Z ij )} (3-15) Trong đó c b là chi phí cho một đơn vị băng thông của Ring. Tuy nhiên, cần có giá trị phù hợp tương đối với chi phí c ij . Nếu c b nhỏ hay bằng 0 thì (3-15) trở thành (3-13), còn c b đủ lớn so với c ij thì (3-15) trở thành (3-12). Nếu c b <<-1 thì (3-15) trở thành (3-14). Bài toán trên thuộc loại ILP vì có các ràng buộc và hàm mục tiêu tuyến tính, và có các biến nhị phân, nguyên. Bài toán TSP có ràng buộc từ (3-1 đến 16 3-5) là thuộc loại NP-đầy đủ, do đó bài toán (3-15) với các ràng buộc (3-1) đến (3-11) cũng là thuộc loại NP-đầy đủ. Không gian lời giải của bài toán phụ thuộc vào tổng số các biến x ij , f sd ij với các phần tử d sd ≠0 và các hệ phương trình ràng buộc. Tuy nhiên, do số nút trong thực tế triển khai là nhỏ và số lưu lượng d sd ≠0 không nhiều, do đó có thể giải trực tiếp bài toán này bằng giải thuật Nhánh-Cận trong thời gian cho phép. Bài toán (3-12) với các ràng buộc (3-1) đến (3-11) có hàm mục tiêu là tối thiểu về mặt dung lượng tải, phù hợp với môi trường mạng MAN, trong đó có chi phí thiết bị chiếm tỉ trọng lớn hơn nhiều chi phí tuyến, hoặc trong khi thiết lập mạng Ring ảo trên mạng WDM. 3.3.2 Mô hình ILP cho bài toán thiết kế topology tích hợp với định tuy ến tối ưu trong mạng Ring không tách nhu cầu lưu lượng Tương tự như mô hình ILP trên điểm khác biệt chủ yếu của mô hình này là các ràng buộc về định tuyến có tách lưu lượng. Do đó, ta cũng có các hàm mục tiêu và ràng buộc về xác định topology như mô hình trên, ngoại trừ ràng buộc về định tuyến không tách lưu lượng. a. Hàm mục tiêu Có thể chọn một trong các hàm mục tiêu như (3-12), (3-13), (3-14) và (3-15). b. Ràng buộc về xác định topology Các ràng bu ộc tương tự như (3-1) đến (3-5). c. Ràng buộc xác định cách định tuyến không tách lưu lượng trên Ring f sd ij nhị phân = 1 hoặc 0 (3-16) Ràng buộc này thể hiện trên tuyến i, j có hoặc không có luồng d sd đi qua, tức là không cho phép định tuyến tách lưu lượng trên 2 hướng Ring. Σ j f sd ij - Σ j f sd ji = 0 , với ∀ s, d, i = 1 N: s<d, i ≠ s, i ≠ d (3-17) Σ j f sd ij - Σ j f sd ji = 1, với ∀ s, d, i = 1 N: s<d, s=i (3-18) Σ j f sd ij - Σ j f sd ji = -1, với ∀ s, d, i = 1 N: s<d, d=i (3-19) (x ij + x ji ) ≥ f sd ij với ∀ i, j, s, d = 1 N: s < d, i ≠ j (3-20) Z ij = Σ sd (f sd ij +f sd ji ).d sd với ∀ i, j: i ≠ j và s <d (3-21) Các ràng buộc (3-17) đến (3-21) cũng có ý nghĩa tương tự như ràng buộc (3-7) đến (3-11) tương ứng. 17 CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG GIẢI BÀI TOÁN TỐI ƯU TOPOLOGY VÀ ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG QUANG CẤU HÌNH RING 4.1 GIỚI THIỆU Để đánh giá kiểm chứng các giải pháp đã đề xuất ở chương 3, trong chương này sẽ giới thiệu một số kết quả tính toán mô phỏng, với mục tiêu: + Đánh giá so sánh tương đối với các kết quả tương tự trên thế giới; + Đánh giá hiệu năng củ a các giải pháp để từ đó xác định miền áp dụng; + Khảo sát một số nhân tố ảnh hưởng đến kết quả bài toán. 4.2 THIẾT LẬP MÔ PHỎNG Sử dụng các giả định, thiết lập và tính toán các tham số đánh giá tương tự như các kết quả đã thực hiện trên thế giới về tối ưu topology cấu hình Ring hai hướng. Cụ thể như sau: a. Tham số đầu vào cho m ỗi mẫu: • Ma trận lưu lượng D={d sd } và ma trận chi phí tuyến C= {c ij } đều có mẫu dạng lưới ngẫu nhiên với mỗi phần tử có giá trị ngẫu nhiên theo phân bố đều từ 0 – 16; b. Số lượng mẫu mô phỏng được thực hiện: • Để giảm sự thăng giáng của các kết quả mô phỏng, các tác giả trên thế giới đã thử nghiệm trên số mẫu 100 và 50 tương ứng. Để tăng độ chính xác, chúng tôi đã thực hiện mô phỏng cho mỗi loạ i Ring có số nút N= 4 7, và 8 tương ứng với số mẫu là 1000 và 100. Với số nút N=9, do thời gian tính toán lớn, nên số mẫu được thực hiện là 5. c. Cách thực hiện mô phỏng: • Để đánh giá và so sánh chính xác giữa các giải pháp tuần tự và tích hợp, luận án sử dụng các mô hình theo ILP để giải cho kết quả chính xác, cụ thể là: 1. Mô hình ILP cho bài toán giải đồng thời tối ưu topology và định tuyến có tách lưu lượng và không tách lưu lượ ng, theo hàm mục tiêu (3-12) và các hệ phương trình ràng buộc tương ứng. 2. Mô hình ILP cho bài tóan TSP theo các hàm trọng c ij và –d ij tương ứng với hàm mục tiêu theo biểu thức (3-13) và (3-14) cùng các hệ phương trình ràng buộc tương ứng; 3. Mô hình ILP cho bài toán định tuyến tối ưu cân bằng tải có tách và không tách lưu lượng như đã giới thiệu trong mục 2.2.4.3 chương 2; • Sử dụng ngôn ngữ AMPL để mã hóa các mô hình trên. Sử dụng bộ công cụ thương mại Cplex 9.0 và phần mềm không thương mại Scip với giải thuật nhánh – cận để giải tối ưu các mô hình ILP trên và tính toán so sánh giữa các giải pháp. • Môi trường mô phỏng: Pentium IV, 3 Ghz, Windows XP II. 18 • Để so sánh với các mô hình mô phỏng tương tự trên thế giới, hàm mục tiêu tối thiểu băng thông cực đại hay tải của Ring được áp dụng. Với mỗi mẫu lưu lượng, thực hiện theo 3 phương án sau: 1. Phương án 1: Giải pháp tích hợp tối ưu topology và định tuyến tối ưu có tách lưu lượng và không tách lưu lượng theo hàm mục tiêu (3-12) và các hệ ràng buộc tương ứng. 2. Phương án 2: Gi ải pháp hàm trọng theo tiếp cận tuần tự: Xác định topology Ring tối ưu với các hàm trọng tối đa tổng lưu lượng giữa các cạnh liền kề theo hàm mục tiêu (3-14); rồi định tuyến tối ưu cân bằng tải có tách và không tách lưu lượng trên topology đã xác định; 3. Phương án 3: topology của Ring được xác định theo thứ tự ngẫu nhiên, rồi định tuyến tối ưu cân bằng tải tương ứng có tách và không tách lưu lượng. • Các giá trị dung lượng hay tải của Ring và tổng chi phí của mỗi phương án được tính toán và so sánh cho mỗi mẫu mô phỏng. • Tham số so sánh giữa các phương án với cùng số liệu đầu vào là mức độ cải thiện (hay độ lợi) tương đối về mặt dung lượng PI (%) giữa hai phương án được định nghĩa theo công thức sau: + So sánh giữa phương án 1 so với phương án 2 : PI O-H = (Z H - Z O )/ Z O (%) (4-1) Với Z O , Z H là giá trị tải của Ring tương ứng với phương án 1 và 2. + Giữa phương án 1 so với phương án 3: PI O-R = (Z R – Z O )/ Z O (%) (4-2) Trong đó Z O , Z R là giá trị tải của Ring tương ứng với phương án 1 và 3. • Tương ứng với mỗi loại Ring có số nút nhất định, thực hiện tính toán các giá trị thống kê trên số mẫu mô phỏng để so sánh và đánh giá, bao gồm các thông số sau: Giá trị trung bình của thời gian giải mô hình ILP bằng giải thuật nhánh- cận cho kết quả tối ưu chính xác của phương án 1; Giá trị trung bình PI(%); Khoảng tin cậy CI(%) của giá trị trung bình PI(%) với độ tin cậy 95%; Tần suất xuất hiện (%) tương ứng với một dải PI(%) nhất định là tỷ số giữa số mẫu có PI(%) thuộc dải đó trên tổng số mẫu mô phỏng. 4.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TỐI ƯU TOPOLOGY VỚI ĐỊNH TUYẾN CÓ TÁCH NHU CẦU Các kết quả nhận được cho các giải pháp 1, 2 và 3 đều cho kết quả tối ưu tuyệt đối. Ngoài ra, giai đoạn đầ u chưa có điều kiện tiếp cận Cplex, chúng tôi cũng thử nghiệm giải bài toán trên phần mềm không thương mại Scip và sau này khi có điều kiện chạy trên Cplex, so sánh cho thấy kết quả giống nhau, ngoại trừ khi số nút tăng thời gian xử lý của Cplex nhanh hơn Scip. Hình 4-3 biểu diễn các đồ thị về giá trị trung bình của thời gian tính toán và PI(%) giữa các phương án 1 với phương án 2 và phương án 1 với phương [...]... nhất là trong môi trường mạng đô thị hoặc khi thiết kế Ring ảo chạy trên WDM 24 KẾT LUẬN Ở Việt Nam nói riêng, trên thế giới nói chung, mạng truyền tải quang được triển khai phổ biến với cấu hình Ring, cả trước đây, hiện nay và trong mạng thế hệ tiếp theo (NGN) Theo hướng tìm kiếm giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên trong mạng truyền tải quang, luận án này là kết quả nghiên cứu góp phần giải. .. đạt được trong quá trình thực hiện luận án, trong thời gian tới nghiên cứu của nghiên cứu sinh vẫn sẽ chủ yếu theo hướng nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên trong mạng truyền tải quang Trong một vài năm trước mắt, tiếp tục một số nghiên cứu theo hướng mở rộng áp dụng bài toán tích hợp tối ưu topology và định tuyến bước sóng cho mạng quang WDM với các điều kiện và cấu hình khác, cụ thể: + Giải bài... tải cho mạng quang WDM cấu hình Ring; • Phát triển phương pháp giải bài toán tối ưu đồng thời topology và định tuyến cân bằng tải bằng sử dụng phương pháp theo quy hoạch tuyến tính nguyên (ILP) và phương pháp heuristic hàm trọng đơn giản; • Thực hiện mô phỏng để kiểm chứng; • Đưa ra kiến nghị áp dụng phương pháp thiết kế đề xuất cho các mạng quang HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Trên cơ sở những kết quả đã... đó là tối ưu cấu trúc (topology) và định tuyến bước sóng trong mạng truyền tải quang nhiều kênh ghép theo bước sóng (WDM) có cấu hình Ring phổ biến hiện nay và cấu hình mắt lưới (Mesh) trong tương lai Ngoài tổng hợp những nội dung lý luận để làm sáng tỏ cho những giải pháp đề xuất, luận án có những đóng góp mới : • Phát triển phương pháp thiết kế tối ưu mới thông qua việc xây dựng và giải bài toán... xác giữa các giải pháp - là một trong những kết quả đạt được mà các nghiên cứu tương tự trước đây chưa chỉ rõ 2 Thời gian tính toán của giải pháp tích hợp theo ILP tăng nhanh theo hàm mũ; N < 10 cho kết quả tối ưu có thể áp dụng trong thiết kế mạng quang trong thực tế (N=9, thời gian ~ 10 h) Vì số biến và ràng buộc phụ thuộc vào số nút N và số phần tử trong ma trận lưu lượng khác 0, do đó trong thực... ảnh hưởng đến kết quả định tuyến tối ưu 4.4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TỐI ƯU TOPOLOGY VỚI ĐỊNH TUYẾN KHÔNG TÁCH LƯU LƯỢNG Thực hiện mô phỏng giải bài toán tối ưu topology cấu hình Ring và định tuyến tối ưu không tách lưu lượng cũng được thực hiện với cùng số liệu đầu vào tương tự như trên Để đánh giá hiệu quả của các giải pháp đề xuất, các kết quả theo phương án 1, 2 và 3 tương ứng các giải pháp cũng được tính... phương pháp Heuristic hàm trọng xấp xỉ với kết quả chính xác theo ILP với tần suất xuất hiện cao, do đó có thể áp dụng phương pháp heuristic với số nút lớn Giải pháp hàm trọng này khá đơn giản dễ tận dụng các thuật toán đã có và có thể nghiên cứu mở rộng cho cấu hình khác 5 Phân tích ảnh hưởng của cách định tuyến có tách và không tách lưu lượng đến kết quả tối ưu: Với cùng mẫu lưu lượng lời giải của... thiện chi phí thiết bị trong tổng chi phí là 80% x 26%= 20,8% Nếu chi phí tuyến trong trường hợp đó mà tăng lên 20% thì phần đóng góp của chi phí tuyến là: 20% x (-20%) = -4% Mức độ cải thiện về tổng chi phí sẽ là: 20,8% - 4 % = 16,8% Do đó, phương pháp thiết kế mạng quang cấu hình Ring khi tối ưu đồng thời cả topology và định tuyến nói chung sẽ đem lại hiệu quả cao hơn so với phương pháp thiết kế tuần... bài toán nhóm lưu lượng (Traffic grooming) trong mạng với mục tiêu tối thiểu số thiết bị và có khả năng thay đổi thứ tự nút trên Ring Về lâu dài, nghiên cứu sinh sẽ tiếp tục những nghiên cứu phát triển theo hướng chuyên sâu vào mạng truyền tải quang thế hệ tiếp theo (mạng quang đa bước sóng, chuyển mạch quang, cấu hình hỗn hợp và có sự tương tác giữa các lớp mạng) Những vấn đề nghiên cứu cụ thể là cùng... và định tuyến tối ưu Ring quang hai hướng trong mạng quang thế hệ sau với cách tiếp cận ILP, Kỷ yếu hội thảo khoa học Quốc gia lần thứ tư về Nghiên cứu, Phát triển và Ứng dụng công nghệ Thông tin và Truyền thôngICT.rda’08, Hà nội 8-9/8/2008, trang 321-327 [3] Vũ Hoàng Sơn, Bùi Trung Hiếu, Hoàng Ứng Huyền (2008), Giải pháp bảo vệ và định tuyến vòng gói tự hồi phục ảo trên mạng quang thế hệ sau, Kỷ yếu . D ỰNG GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ SỬ DỤNG TÀI NGUYÊN TRONG MẠNG QUANG WDM CẤU HÌNH RING 3.1 GIỚI THIỆU Trong chương này đề xuất các giải pháp để giải. giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên trong mạng quang WDM cấu hình Ring theo hướng tối ưu đồng thời topology và định tuyến sử dụng phương pháp