Xuất phát từ việc định tuyến trong mạng với các giải thuật khác nhau, các giải pháp khác nhau cho việc gán bước sóng và tìm đường, việc đảm bảo chất lượng dịch vụ cũng như cấp độ dịch vụ
TỔNG QUAN VỀ MẠNG IP/WDM
Giới thiệu
Ngày nay, dịch vụ sử dụng giao thức Internet (IP) ngày càng phát triển, nhưng gặp phải vấn đề về tốc độ đường truyền và dung lượng truyền tải Công nghệ Wavelength Division Multiplexed (WDM) đã ra đời để đáp ứng nhu cầu băng thông rộng cho các dịch vụ này.
Công nghệ IP over WDM đã trở thành một yếu tố quan trọng trong mạng lưới viễn thông hiện đại và tương lai, giúp khắc phục những hạn chế của mạng thuần IP Sự kết hợp giữa hai công nghệ này tạo ra một loại hình mạng mới với nhiều ưu điểm vượt trội.
Chương này sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan về mạng IP/WDM, bao gồm các thế hệ mạng WDM, giải pháp tích hợp IP/WDM, cũng như cấu trúc và mô hình liên mạng.
Cho tới nay, mạng WDM đã phát triển qua một vài các thế hệ khác nhau, sau đây xin giới thiệu một số các thế hệ của mạng WDM:
Thế hệ WDM đầu tiên được phát triển với kết nối vật lý điểm tới điểm, chủ yếu sử dụng trong mạng WAN với cấu hình tĩnh hoặc thủ công Đường truyền WDM cung cấp kết nối điểm tới điểm với tốc độ thấp, gặp phải một số vấn đề kỹ thuật như thiết kế và phát triển Laser WDM, kỹ thuật khuyếch đại quang, cùng với các giao thức truy cập và định tuyến tĩnh Trong mạng MAN, các thiết bị xen, rẽ bước sóng quang (WADM) và thiết bị đấu nối chéo quang (DXC) được sử dụng để kết nối các vòng Ring WADM, hỗ trợ cả băng thông rộng và băng thông hẹp Ứng dụng chủ yếu của hệ thống WDM thế hệ đầu tiên là trong việc quản lý chuyển mạch tín hiệu thoại và các đường truyền T1.
Thế hệ WDM thứ hai cho phép thiết lập các kết nối có hướng giữa các điểm đầu cuối trên lớp quang thông qua WSXC, với các lightpath ảo hóa trên cấu trúc vật lý của sợi quang Cấu hình các bước sóng ảo này được điều chỉnh linh hoạt theo nhu cầu sử dụng Các kỹ thuật chính của WDM thế hệ thứ hai bao gồm: xen kẽ, rẽ bước sóng quang, thiết bị đấu nối chéo, bộ biến đổi bước sóng quang tại các bộ đấu nối chéo, định tuyến động và phân bổ bước sóng, cùng với các giao diện kết nối với các mạng khác Cả hai thế hệ WDM đã được triển khai để quản lý và điều hành mạng hiệu quả.
Hiệu quả chi phí của chúng trong các mạng truyền xa đã được chấp nhận rộng dãi
Thế hệ WDM thứ ba đưa ra chuyển mạch gói quang không hướng kết nối
Trong mạng quang, các nhãn hay "header" được gắn kèm với dữ liệu và truyền cùng với gói quang, sau đó được xử lý tại các bộ chuyển mạch WDM Dựa vào tỷ số giữa thời gian xử lý "header" và thời gian xử lý toàn bộ gói tin, các bộ chuyển mạch quang WDM có thể được phân loại thành hai loại: Chuyển mạch nhãn và Chuyển mạch quang.
Switching (OLS) hoặc chuyển mạch nhóm – Optical Burst Switching (OBS) Một số ví dụ thiết bị WDM thế hệ ba là: Router quang chuyển mạch nhãn, Router quang
Gigabit, chuyển mạch quang nhanh
Thế hệ thứ nhất Thế hệ thứ 2 Thế hệ thứ 3
WDM Chuyển mạch nhóm quang Chuyển mạch gói quang Định tuyến quang
Static to Dynamic Circuits Virtual path & Store and
Hình 1.1 M ng WDM qua các th h ạ ế ệ
Khả năng tích hợp giữa mạng WDM và mạng IP là yếu tố quan trọng trong mạng WDM thế hệ thứ ba Việc kết hợp định tuyến và phân bổ bước sóng dựa trên công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS) đóng vai trò then chốt trong việc tối ưu hóa hiệu suất mạng.
Chuyển mạch nhãn đa giao thức tổng quát (Generalized MPLS) mang lại nhiều ưu điểm nổi bật so với các phương pháp chuyển mạch khác Nó tích hợp nhiều kỹ thuật phần mềm quan trọng như quản lý băng thông, cấu hình lại, khôi phục và hỗ trợ chất lượng dịch vụ, giúp tối ưu hóa hiệu suất mạng.
Chúng ta biết rằng, IP cung cấp các lớp hội tụ trên tổng thể và phổ biến trên
Lớp 3 trong giao thức IP đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp địa chỉ và khả năng tương tác, định tuyến giữa các mạng con công nghệ lớp 2 Với sự phát triển đa dạng của các dịch vụ trên nền IP, việc tối ưu hóa kỹ thuật và cơ sở hạ tầng cho IP là điều cần thiết Dưới lớp IP, công nghệ sợi quang WDM hứa hẹn mang lại dung lượng mạng lớn, hỗ trợ sự phát triển bền vững của Internet.
Công nghệ WDM sẽ trở lên hấp dẫn hơn khi giá của hệ thống WDM giảm
Với việc tiếp tục triển khai các sợi quang trên toàn thế giới và tính chắc chắn của
WDM (Wavelength Division Multiplexing) đã được phát triển trên các mạng quang không chỉ ở mạng backbone mà còn trong mạng trung tâm, mạng khu vực và mạng kết nối Mạng quang WDM không chỉ cung cấp dịch vụ kết nối điểm tới điểm trên các liên kết vật lý, mà còn mang lại tính linh hoạt cao hơn để đáp ứng các yêu cầu đa dạng.
Khía cạnh điều khiển đảm nhận vai trò quan trọng trong việc kiểm soát vận chuyển thông tin, đảm bảo sự sẵn sàng và khả năng tiếp cận dữ liệu Đồng thời, khía cạnh dữ liệu chịu trách nhiệm truyền tải thông tin từ người dùng và các ứng dụng Một ví dụ điển hình trong khía cạnh điều khiển dữ liệu là bộ đệm gói khiển, đóng vai trò thiết yếu trong việc phân biệt các thông điệp điều khiển và gói dữ liệu tại các bộ định tuyến, phục vụ cho yêu cầu của từng cơ chế QoS.
Hệ thống điều khiển WDM sử dụng bộ phân chia điều khiển kênh, hay mạng truyền dữ liệu (DCN), để quản lý việc vận chuyển thông tin một cách tập trung WDM áp dụng hệ thống phân cấp với khả năng mở rộng địa chỉ, cho phép gán nguồn tài nguyên hiệu quả từ mạng quang WDM sang mạng IP Bằng cách kết hợp IP với WDM, người dùng có thể xây dựng hệ thống điều khiển thống nhất, như trung tâm IP, dọc theo các mạng IP và WDM, đảm bảo khả năng tương tác trên tất cả các mức độ trong mạng quang IP và WDM Các ưu điểm của IP/WDM bao gồm khả năng tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên và cải thiện hiệu suất mạng.
Mạng quang học WDM có khả năng mở rộng địa chỉ để đáp ứng nhu cầu lưu lượng Internet ngày càng tăng, bằng cách tận dụng hạ tầng sợi quang hiện có Sự áp dụng công nghệ WDM giúp tối ưu hóa và gia tăng đáng kể hiệu suất sử dụng băng thông của sợi quang.
Hầu hết lưu lượng dữ liệu qua mạng hiện nay sử dụng giao thức IP, và gần như tất cả dữ liệu cuối của người dùng đều dựa trên IP Ngoài ra, lưu lượng thoại cũng có thể được truyền tải thông qua kỹ thuật voice-over-IP.
- IP/WDM thừa kế tất cả sự mềm dẻo và khả năng tương thích của giao thức điều khiển IP
- IP/WDM thay đổi băng thông động theo yêu cầu trong mạng cáp quang
(Cung cấp các dịch vụ đáp ứng thời gian thực)
Với sự hỗ trợ của giao thức IP, công nghệ IP/WDM sẽ tối ưu hóa hoạt động và cung cấp dịch vụ cho các nhà cung cấp thiết bị và dịch vụ.
- IP/WDM có thể thực hiện khôi phục động bằng kỹ thuật điều khiển phân bố trong mạng
Cấu trúc mạng IP/WDM
Kiến trúc tổng quát của mạng quang IP/WDM bao gồm nhiều mạng quang trong miền quang, với giao diện ENNI để báo hiệu giữa các mạng Mỗi mạng quang đơn gồm các mạng nhỏ hơn và sử dụng giao diện INNI để giao tiếp Các nút mạng quang được kết nối qua sợi quang, trong khi các mạng khách hàng như IP, ATM, SONET tương tác với mạng quang thông qua giao diện UNI Kỹ thuật chuyển mạch quang quyết định loại dịch vụ mà mạng quang có thể cung cấp cho các mạng khách hàng.
Hình 1.3 Kiế n trú c tổng quát củ a m ng quang IP/WDM ạ
Các mô hình liên mạng IP/WDM
Hiện nay có hai xu hướng xây dựng mô hình tích hợp liên mạng IP/WDM:
Xu hướng đầu tiên trong công nghệ hiện nay là mô hình xếp chồng (Overlay), hay còn gọi là mô hình khách-chủ (Client-Server) Mô hình này cho phép toàn bộ sự điều khiển được thực hiện ngay tại lớp quang, mang lại hiệu quả và tính linh hoạt cao trong việc quản lý và xử lý dữ liệu.
- Xu hướng thứ hai là mô hình ngang hàng (Peer to Peer), tức là dịch – – chuyển một phần điều khiển lên bộ định tuyến IP
Thông tin topo, báo hiệu, điều khiển
Hình 1.4 Hai cấu trúc tích hợ p m ng quang ạ
Mô hình ngang hàng chuyển giao điều khiển từ lớp quang sang lớp IP, tập trung vào kiến trúc mạng qua khía cạnh "định tuyến gói" Ngược lại, mô hình xếp chồng giữ cho điều khiển lớp quang độc lập, tạo nền tảng mở cho việc kết nối linh hoạt các loại tín hiệu, bao gồm cả IP, và xem xét kiến trúc mạng từ góc độ "chuyển mạch kênh".
Cả hai mô hình đều dự kiến phát triển mạng quang thế hệ mới với cấu trúc dạng mắt lưới và nền tảng điều khiển IP dựa trên chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS) Ứng dụng của MPLS trong mô hình xếp chồng được gọi là chuyển mạch đa giao thức tổng quát (GMPLS) Kiến trúc điều khiển GMPLS cung cấp một bộ giao thức đơn giản và hoàn thiện, tương thích với mạng IP, đáp ứng nhu cầu của mạng thế hệ mới.
Quá trình điều khiển thống nhất giữa các lớp số liệu và quang giúp đơn giản hóa quản lý mạng đa lớp và nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên qua kỹ thuật lưu lượng Giao thức định tuyến IP đóng vai trò quan trọng trong việc nhận diện topo mạng, trong khi các giao thức báo hiệu MPLS hỗ trợ thiết lập tự động Việc áp dụng các giao thức này cho điều khiển lớp quang đảm bảo tính tương thích cho các nhà sản xuất thiết bị nhờ vào các tiêu chuẩn phổ biến Do đó, xu hướng hiện nay là sử dụng IP cho cả ba khía cạnh chức năng của mạng: dữ liệu, điều khiển và quản lý.
Mặc dù các mô hình tích hợp đều dựa trên kiến trúc điều khiển theo IP, nhưng chúng lại quản lý các ứng dụng khác nhau Ví dụ, khía cạnh điều khiển quang thực hiện việc thiết lập bước sóng quang động thông qua các Router ở biên.
Khi router gặp tắc nghẽn, hệ thống quản lý mạng hoặc chính router sẽ yêu cầu thiết lập luồng quang động Các chuyển mạch quang sau đó sẽ tạo ra kênh quang mới để đáp ứng nhu cầu của router Do đó, thiết bị bù lắp sóng động cần phải thích nghi để phù hợp với yêu cầu lưu lượng.
Mô hình xếp chồng cho phép các router giao tiếp trực tiếp với mạng quang thông qua giao diện UNI, trong khi giao diện NNI kết nối các mạng con UNI tương tự như mô hình trong mạng chuyển mạch kênh truyền thống như ISDN, cho phép triển khai độc lập các mạng con Điều này giúp nhà khai thác mạng áp dụng công nghệ mới mà không bị ràng buộc bởi công nghệ cũ, đồng thời tận dụng cơ sở hạ tầng kế thừa hiện có Quan trọng hơn, mô hình này đảm bảo tính tương thích trong tương lai giữa giao diện UNI và NNI.
Mô hình ngang hàng hỗ trợ thiết lập luồng dữ liệu đồng bằng cách sử dụng các đầu cuối ở biên mạng quang và cho phép quản lý từ xa Trong mô hình này, các Router điều khiển lớp mạng quang, tạo ra mối quan hệ bình đẳng giữa IP Router và OXC về mặt điều khiển Do đó, không có sự phân biệt trong báo hiệu và định tuyến giữa UNI, NNI và các giao diện khác.
Router trong mô hình này yêu cầu một lượng lớn thông tin trạng thái và điều khiển giữa lớp IP và quang Điều này tạo ra thách thức trong việc kết nối trong môi trường nhiều nhà khai thác, so với mô hình xếp chồng.
Mô hình xếp chồng có ưu điểm nổi bật về khả năng tương thích dễ dàng, với kiến trúc trực tiếp đơn giản hơn Trong khi đó, kiến trúc ngang hàng yêu cầu
Mô hình xếp chồng cho phép đổi mới lớp quang độc lập với lớp IP, cung cấp khả năng kết nối tương thích cho các dịch vụ nhanh mà vẫn duy trì tính toàn vẹn thông tin của nhà khai thác mạng quang Trong khi đó, mô hình ngang hàng tích hợp hoàn toàn IP/WDM, tạo ra mạng Internet quang thống nhất, giúp việc sử dụng và quản lý mạng trở nên hiệu quả hơn, phù hợp với các ISP Hơn nữa, mô hình ngang hàng còn gần gũi với xu hướng chuyển mạch gói quang trong tương lai.
ĐỊNH TUYẾN VÀ GÁN BƯỚC SÓNG TRONG MẠNG IP/WDM
Giớ i thi u 22 ệ 2.2 Giớ i thi u v nh tuy n và gán bước sóng 22 ệề địế 2.3 Đị nh tuy n ế và gán bướ c sóng
Trong mạng quang định tuyến bước sóng, các kênh thông tin quang được kết nối với nhau thông qua các lightpath Lightpath là đường truyền tín hiệu ánh sáng từ nguồn đến đích, sử dụng quang thông qua các kết nối trung gian.
Một lightpath có khả năng kéo dài qua nhiều tuyến truyền dẫn, tạo ra kết nối chuyển mạch giữa hai node, cho phép truyền tải luồng lưu lượng lớn giữa chúng.
Khi các lightpath truyền tải thông tin từ một node nguồn đến một node đích, việc định tuyến và gán bước sóng là rất quan trọng Quá trình này không chỉ cần thiết mà còn diễn ra thường xuyên trong các mạng.
Chương này sẽ tập trung vào việc định tuyến và gán bước sóng cho các lightpath, đồng thời trình bày các thuật toán định tuyến và phương pháp gán bước sóng trong mạng IP/WDM.
2.2 Giới thiệu về định tuyến và gán bước sóng
Khi một lightpath được chọn, nó cần được định tuyến và gán bước sóng, dẫn đến bài toán định tuyến và gán bước sóng Định tuyến là quá trình tìm đường giữa hai node trong mạng nhằm tối ưu hóa một mục tiêu cụ thể Vấn đề này rất quan trọng trong mạng, thường sử dụng thuật toán Dijkstra trong định tuyến IP, với các hàm mục tiêu như băng thông, độ trễ và chi phí tuyến.
Trong mạng quang, việc tìm đường bao gồm hai khía cạnh chính: tìm đường vật lý để mang lưu lượng yêu cầu (Routing) và xác định bước sóng phù hợp cho mỗi liên kết dọc theo các đường dẫn (Wavelength Assignment), được viết tắt là RWA Khi xác định được một đường dẫn vật lý và gán bước sóng cho các liên kết, chúng ta có một đường quang, hay còn gọi là lightpath (LP) Bài toán RWA đặt ra hai điều kiện quan trọng: thứ nhất, điều kiện tính liên tục bước sóng, yêu cầu rằng một lightpath phải sử dụng cùng một bước sóng trên tất cả các liên kết; thứ hai, điều kiện tính riêng biệt về bước sóng, yêu cầu rằng tất cả các lightpath sử dụng cùng một liên kết phải được gán các bước sóng khác nhau Vấn đề phức tạp hơn khi các bước sóng trên hai liên kết kế cận không giống nhau, dẫn đến việc cần sử dụng bộ chuyển đổi bước sóng.
Các giải thuật luôn tìm cách giảm thiểu chi phí này
Bài toán RWA yêu cầu xác định đường đi và số bước sóng cho một số lightpath trên mạng nhằm tối đa hóa số lượng lightpath có thể thiết lập Mặc dù các lightpath với đường đi ngắn nhất có vẻ là lựa chọn tối ưu, nhưng việc loại bỏ chúng đôi khi cần thiết để tăng số lượng lightpath Do đó, các giải thuật thường cho phép sử dụng nhiều đường đi thay phiên cho mỗi lightpath.
Các lightpath không thể thiết lập do ràng buộc về đường đi và bước sóng được gọi là nghẽn Do đó, việc tối ưu hóa mạng cần được thực hiện để giảm thiểu xác suất tắc nghẽn ở mức thấp nhất.
Khi hai lightpath có tuyến truyền dẫn trùng nhau, chúng không thể được gán cùng một bước sóng Thông thường, một lightpath hoạt động với cùng một bước sóng trên các sợi quang mà nó đi qua, và trong trường hợp này, lightpath được coi là thoả mãn sự ràng buộc về tính liên tục bước sóng Tuy nhiên, nếu một nút chuyển mạch hoặc định tuyến được trang bị bộ chuyển đổi bước sóng, điều kiện này sẽ không còn nữa, cho phép lightpath chuyển sang nhiều bước sóng khác nhau trên đường đi từ nguồn đến đích.
Mạng lõi được mô hình hóa bằng đồ thị G(E,V), trong đó E là tập các cạnh và V là tập các đỉnh Đối với mỗi cặp node S-D trong mạng, có một tập hợp các đường đi vật lý giữa chúng, ký hiệu là R Các đường đi này có thể được xác định thông qua các thuật toán tìm đường phổ biến như Dijkstra, Prim hoặc Mentor, với một hàm mục tiêu tùy chọn.
2.3 Định tuyế n và gán bước sóng
Khi có yêu cầu, bộ định tuyến và gán bước sóng (RWA) cần áp dụng thuật toán đã được thiết lập để lựa chọn cổng ra và bước sóng tương ứng Việc chọn bước sóng là rất quan trọng vì nó ảnh hưởng đến xác suất tắc nghẽn trong mạng Do đó, RWA phải xác định đường đi cho yêu cầu thiết lập lightpath và thực hiện gán bước sóng nhằm giảm thiểu xác suất tắc nghẽn Chức năng này đóng vai trò then chốt trong thiết kế mạng quang.
Bài toán RWA được chia làm hai loại như sau:
RWA đối với lưu lượng mạng cố định (static traffic) liên quan đến việc xác định trước các yêu cầu về lightpath, với tất cả đường đi và bước sóng đã được thiết lập cố định Khi có yêu cầu, đường đi và bước sóng đã chỉ định sẽ được gán cho yêu cầu đó, dẫn đến quy trình định tuyến và gán bước sóng không thay đổi theo thời gian Phương pháp này đơn giản, chỉ cần gán một đường đi cho lightpath, nhằm tối đa hóa dung lượng toàn bộ mạng và cho phép thiết lập đồng thời số lượng lightpath lớn nhất Đây là một bài toán trong mạng không có sự chuyển đổi bước sóng.
RWA đối với lưu lượng mạng thay đổi trong mạng quang định tuyến bước sóng yêu cầu một giải thuật động để định tuyến các lightpath qua những đường đi khác nhau, dựa vào sự tắc nghẽn trên các tuyến truyền dẫn Giải thuật này xác định đường đi cho mỗi yêu cầu thiết lập lightpath dựa vào trạng thái hiện tại của mạng Một kết nối sẽ bị nghẽn khi không còn đường đi nào khả dụng để mang các bước sóng hiện tại.
Một trong những thách thức trong việc giải quyết bài toán định tuyến và gán bước sóng với lưu lượng mạng thay đổi là phát triển các giải thuật và giao thức thiết lập lightpath Mục tiêu là giảm thiểu xác suất tắc nghẽn trong mạng, nâng cao hiệu suất sử dụng tài nguyên và cải thiện hiệu năng tổng thể Một phương pháp đơn giản là sử dụng giải thuật tìm đường đi ít bị nghẽn nhất để thiết lập các lightpath động, trong đó lightpath được thiết lập trên đường đi ít bị nghẽn nhất từ tập hợp các lightpath khác nhau giữa cặp nguồn đích và bước sóng phù hợp.
2.4 Phân loạ ị i đ nh tuyế n và gán bước sóng
Có nhiều cách phân loại định tuyến, có thể đưa ra một số loại định tuyến như:
Định tuyến trong mạng được phân loại thành hai loại chính: định tuyến tĩnh và định tuyến động Định tuyến tĩnh là phương pháp mà đường dẫn giữa các cặp nguồn – đích được xác định trước, thường sử dụng các thuật toán tối thiểu hóa chi phí, chủ yếu nhằm giảm thiểu số lượng hệ thống chuyển mạch trong mạng truyền thống Tuy nhiên, định tuyến tĩnh có nhược điểm là không phản ánh được tình trạng lưu lượng và topo mạng hiện tại, khiến cho các bộ định tuyến chỉ có thể chuyển tiếp thông tin đến các bộ định tuyến đã được chỉ định trước Ngược lại, định tuyến động lựa chọn tuyến đường dựa trên thông tin trạng thái hiện tại của mạng, cho phép điều chỉnh khi topo hoặc lưu lượng mạng thay đổi, từ đó thể hiện tính linh hoạt và khả năng mở rộng dễ dàng cho mạng.
Phân loại đị nh tuy ến và gán bước sóng
The static routing and wavelength assignment problem (S-RWA), also known as static lightpath establishment (SLE), is characterized by the need to efficiently configure lightpaths in optical networks This problem involves optimizing the allocation of wavelengths to ensure effective data transmission while minimizing interference and maximizing resource utilization.
- Cho trước tôpô vật lý (các nút mạng và các liên kết vật lý)
- Cho trước tập các yêu cầu kết nối hoặc ma trận lưu lượng tĩnh để từ đó xác định các yêu cầu kết nối
Trong bài toán S-RWA, lightpath và bước sóng được xác định trước cho từng kết nối, không chịu ảnh hưởng bởi sự thay đổi thông tin trạng thái trên mạng Sau khi đường dẫn và bước sóng được thiết lập, các bộ OXC tại các nút mạng sẽ được lập trình để thiết lập các lightpath đã được chỉ định trước.
- Tối thiểu hóa số bước sóng cần sử dụng
- Hoặc tối đa số kết nối có thể thiết lập ứng với một số lượng bước sóng và một tập kết nối cho trước
Trong bài viết này, chúng ta sẽ phân tích mô hình toán học của bài toán S RWA Mỗi mục tiêu trong hai mục tiêu đã nêu sẽ tương ứng với một mô hình toán học riêng biệt.
Trước h t ta xét các phương trình toán c a mô hình nhằm thỏa m c tiêu tế ủ ụ ối thiểu số lượng bư c sóng sử dớ ụng trên một liên kết.
Đặt λ sdw là lưu lượng từ nút nguồn s đến nút đích d sử dụng bước sóng w Có thể có nhiều lightpath cần thiết lập giữa mỗi cặp nút, nhưng mỗi lightpath phải sử dụng một bước sóng riêng, do đó λsdw không vượt quá 1.
Lưu lượng từ nút nguồn s đến nút đích d qua tuyến ij và sử dụng bước sóng w được ký hiệu là F_ij^w.
Fij sdw ≤ 1 vì một bước sóng trên một liên kết chỉ được phép gán cho một lightpath
Chọn một tôpô mạng vật lý, xác định một tập hợp các bước sóng và thiết lập ma trận lưu lượng Λ, trong đó mỗi phần tử Λsd thể hiện chỉ số kết nối cần thiết giữa nguồn s và đích d.
- Bài toán S-RWA có thể được công thức hóa như sau:
Mục tiêu: tối thiểu hóa Fmax sao cho : max
0( ) sdw sdw sdw ij jk sdw i k s j
Cách tiếp cận này nhằm tối ưu hóa số lượng bước sóng cần thiết, bắt đầu với một tập bước sóng cho trước để giải mô hình Nếu không tìm thấy lời giải, ta sẽ mở rộng tập bước sóng và tiếp tục lặp lại quá trình cho đến khi xác định được số bước sóng nhỏ nhất.
Với mục tiêu thứ hai ta cũng có thể có mô hình toán như sau:
Trường hợp không có bộ chuyển đổi bước sóng:
- N sd: số lượng cặp nút nguồn đích.-
- L: số liên kết có trong mạng
- W: số bước sóng có thể có trên một liên kết
- m = {m i}, i = 1, 2, …, Nsd: số kết nối được thiết lập cho mỗi cặp nguồn- đích i
- ρ: tải yêu cầu (số yêu cầu kết nối)
- q = {q i}, i = 1, 2, …, Nsd : tỉ lệ tải được đáp ứng Như vậy qiρ = số kết nối được thiết lập cho mỗi cặp nút nguồn đích i
- P: tập các đường mà một kết nối có thể được định tuyến trên đó
- a = (a ij): là một ma trận P x Nsd trong đó aij= 1 nếu đường nằm giữa cặp i nguồn - đích i và a ij = 0 trong trường hợp ngược lại.
- b = (b ij): là một ma trận P x L trong đó bij= 1 nếu liên kết j nằm trên đường i, và bij = 0 trong trường hợp ngược lại
- c = (c ij): ma trận định tuyến và gán bước sóng P x W, trong đó c ij = 1 nếu bước sóng j được gán vào đường i, ngược lại thì c ij = 0.
- Mục tiêu: cực đại hóa 0
- C 0(ρ,q) là số kết nối được thiết lập trong mạng Bất phương trình CTB ≤
1WxL là một thuật ngữ chỉ ra rằng một bước sóng chỉ được sử dụng một lần trong một liên kết, với ma trận W x L có tất cả các phần tử bằng 1 Bất phương trình m ≤ 1WCTA và mi ≤ qiρ đảm bảo rằng số lượng kết nối thiết lập không vượt quá yêu cầu kết nối Ma trận 1W là ma trận 1 x W, trong đó tất cả các phần tử cũng đều bằng 1.
Trường hợp có bộ chuyển đổi bước sóng:
Trong mạng IP/WDM định tuyến theo bước sóng, việc sử dụng bộ chuyển đổi bước sóng cho phép loại bỏ ràng buộc về tính liên tục của bước sóng, giúp chuyển dữ liệu từ một bước sóng trên một liên kết sang bước sóng khác tại nút trung gian Các mạng này được gọi là mạng chuyển đổi bước sóng (wavelength convertible networks), cho phép một lightpath sử dụng các bước sóng khác nhau dọc theo đường đi Sự chuyển đổi bước sóng cải thiện hiệu suất mạng bằng cách giải quyết vấn đề xung đột bước sóng giữa các lightpath Thêm vào đó, với một thuật toán định tuyến có sẵn, sự chuyển đổi bước sóng cung cấp giới hạn dưới về xác suất tắc nghẽn có thể đạt được tương ứng với một thuật toán gán bước sóng.
Sau đây là mô hình toán của bài toán S-RWA khi bỏ đi các ràng buộc về tính liên tục bước sóng:
Mục tiêu: tối thiểu hóa Fmax
0( ) sdw ij s d w sdw sdw sdw ij jk sdw i k
- Trong đó λ sdw là lưu lượng (hay số yêu cầu kết nối) từ một nút nguồn s đến một nút đích d sử dụng bước sóng w
- F ij sdw là lưu lượng (hay số yêu cầu kết nối) từ một nút nguồn s đến một nút đích d đi qua tuyến ij và sử dụng bước sóng w
Thông thường bài toán S-RWA được chia thành hai vấn đề riêng rẽ: vấn đề định tuyến và vấn đề gánbước sóng
Vấn đề định tuyến trong S RWA thường được thực hiện theo cách truyền thống, trong đó các yêu cầu kết nối thường được gán một đường ngắn nhất giữa hai điểm đầu cuối, sử dụng các thuật toán tìm đường đi ngắn nhất như Dijkstra hoặc Floyd Việc chọn đường ngắn nhất là quan trọng vì các đường dài hơn tiêu tốn nhiều tài nguyên mạng và thường mang lại hiệu suất thấp hơn Khi có nhiều đường ngắn nhất giữa hai điểm, việc chọn đường thường mang tính ngẫu nhiên Mặc dù cấu hình tối ưu thường đạt được bằng cách chọn các đường ngắn nhất, không phải tất cả các kết nối đều phải là đường ngắn nhất.
2.4.1.3 Vấn đề gán bước sóng
Mạng định tuyến theo bước sóng không hỗ trợ chuyển đổi bước sóng, với đặc điểm nổi bật của mạng IP/WDM là không cho phép hai kết nối chung một bước sóng trên cùng một đường Khi các tuyến đã được xác định, nhiệm vụ tiếp theo là gán bước sóng khả thi cho chúng, nhằm tối ưu hóa số lượng bước sóng sử dụng trên mạng, đảm bảo đáp ứng yêu cầu công nghệ về số lượng bước sóng tối đa trên mỗi sợi quang.
Bài toán gán bước sóng tĩnh trong mạng liên tục có thể được coi là bài toán tô màu cho các nút của đồ thị Để thực hiện điều này, chúng ta xây dựng một đồ thị G(V,E), với V đại diện cho tập các đỉnh và E là tập các cạnh Bài toán gán bước sóng tĩnh được mô hình hóa dựa trên cấu trúc của đồ thị này.
Trong đồ thị G(V,E), mỗi lightpath trong hệ thống được biểu diễn bằng một đỉnh, và giữa hai đỉnh sẽ có một cạnh vô hướng nếu các lightpath tương ứng chia sẻ cùng một liên kết sợi quang vật lý.
- Tô màu cho các đỉnh của đồ thị G sao cho không có hai đỉnh kế cận nào có màu giống nhau và số màu sử dụng là ít nhất
Hình 2.2 minh họa quá trình chuyển đổi từ bài toán gán bước sóng sang bài toán tô màu đồ thị Trong ví dụ này, có 5 lightpath cần thiết lập: (0, 5), (0, 2), (1, 3), (4, 3) và (4, 5) Hai lightpath (0, 5) và (0, 2) đều đi qua liên kết vật lý (0, 1), dẫn đến việc hình thành một cạnh nối giữa hai đỉnh (0, 5) và (0, 2).
Kịch bản QoS dựa trên thời gian bù với FDL
Trước khi đi sâu vào kịch bản QoS dựa trên thời gian bù, chúng ta cần xem xét cách thức quản lý nguồn tài nguyên của bước sóng và bộ đệm FDL trong hệ thống OBS không có khả năng QoS, khi không có sự phân lớp lưu lượng ưu tiên Tại bộ định tuyến nguồn biên, thời gian bù "cơ sở" được tính toán dựa trên tổng thời gian xử lý cho một gói điều khiển, bao gồm thời gian di chuyển đến bộ định tuyến biên đích Ý tưởng chính là gói điều khiển sẽ được gửi đi trước để đảm bảo hiệu suất tối ưu.
Trong thời gian bù, các gói IP sẽ được lưu trữ trong bộ đệm tại router biên nguồn Sau khi gói điều khiển được xử lý tại mỗi điểm trung gian của OSN để thiết lập các đường dẫn quang, các gói "burst" sẽ được truyền qua trước khi cấu hình OSN hoàn tất việc thiết lập đường dẫn.
Độ ưu tiên của "burs, mt" sẽ được xác định cùng với thời gian bù "extra" Các gói điều khiển chứa tổng thời gian bù, bao gồm thời gian "bù cơ sở" và thời gian bù "extra", cũng như thông tin như địa chỉ đích và khoảng thời gian burst Tại mỗi node trung gian OSN, gói điều khiển sẽ xử lý và dành riêng một bước sóng trong liên kết đầu ra bằng cách sử dụng độ trễ dành riêng (DR), dựa trên sự thiết đặt từ thời gian burst cho đến khi burst ra khỏi và khoảng thời gian burst.
Nếu không có bước sóng sẵn sàng, burst sẽ bị chặn và FDL sẽ được đảm bảo bằng cách sử dụng DR Trong OBS, khi mọi bước sóng đã được dành trước, thời gian chặn các burst có thể xác định dễ dàng Dựa vào thời gian chặn, các FDL với độ dài thích hợp sẽ được bảo lưu Nếu thời gian chặn lớn hơn thời gian trễ tối đa B, không có FDL nào được bảo lưu và burst sẽ bị loại bỏ mà không lãng phí bộ đệm Để thuận tiện, thời gian bù “cơ sở” được giả định là không đáng kể so với thời gian bù “extra” và sẽ được đề cập đơn giản là thời gian bù sau này.
3.3.2 Sự phân biệt của 2 l p l u lớ ư ượng
Trong phần này, chúng ta sẽ khám phá khả năng QoS trong mạng WDM với sự ưu tiên OBS, phân chia thành hai lớp lưu lượng khác nhau, lớp 1 và lớp 0, trong đó lớp 1 có độ ưu tiên cao hơn Số lượng lớp lưu lượng có thể được mở rộng lên n, với n lớn hơn 2, trong các phần tiếp theo Để làm rõ hơn về kịch bản QoS dựa trên thời gian bù, chúng ta sẽ phân biệt giữa hai luận điểm khác nhau liên quan đến việc đặt trước nguồn tài nguyên, bao gồm bước sóng và các yếu tố khác.
FDLs (luận điểm lớp) có hai loại: một là tác động từ các yêu cầu bên trong cùng một lớp, và hai là tác động từ các yêu cầu của các lớp khác nhau Kịch bản QoS của chúng ta tập trung vào việc cô lập lớp 1 khỏi lớp 0, và trong phần thảo luận tiếp theo, chúng ta sẽ chú trọng vào việc giải quyết luận điểm lớp nội thông qua việc sử dụng thời gian bù.
Sự phục vụ cho lớp 1 cần được ưu tiên cao hơn trong việc dự trữ nguồn tài nguyên bước sóng và FDLs Thời gian bù “extra” ký hiệu là t₁₀ được áp dụng cho lớp lưu lượng 1, không bao gồm lớp lưu lượng 0 (với t₀₀ = 0) Để đơn giản hóa, ta xem xét trường hợp với bước sóng đơn và FDL đơn, cho phép biến độ trễ từ 0 đến B Hình 3.3 minh họa lý do tại sao t₀₁ có thể tạo ra một lớp yêu cầu ưu tiên cao hơn lớp yêu cầu 0 khi tài nguyên được đặt trước Cụ thể, thời gian đến của lớp yêu cầu i được xác định bởi req(i), và thời gian bắt đầu phục vụ chiều dài burst được xác định bởi l₁(i) (với i=0).
1) Và chúng ta có: t 1 s = t 1 a+ t 1 0 và t 0 s =t 0 a (với t 0 0=0)
Khi yêu cầu req(0) đến tại thời điểm t0a, dữ liệu bước sóng chỉ được sử dụng bởi một "burst" đến sớm nhất, nhưng "burst" này đã bị trễ một khoảng thời gian t0b Nếu t0b nhỏ hơn B, các FDL sẽ được dành riêng cho lớp burst 0 từ t0s đến t0s+l0 Sau đó, tại thời điểm t1a, yêu cầu req(1) cố gắng dự trữ bước sóng cho "burst" lớp 1 Yêu cầu req(1) sẽ thành công trong việc bảo lưu bước sóng nếu thời gian bù t10 đủ lâu để t1s lớn hơn t0a cộng với t0b và l0 Điều đáng chú ý là req(1) đến sớm hơn req(0), vì vậy req(1) sẽ thành công trong việc bảo lưu bước sóng, trong khi req(0) sẽ không được thực hiện Điều này cho thấy lớp 1 có thể được cô lập khỏi lớp 0 thông qua việc dành trước bước sóng nhờ vào thời gian bù.
Hình 3.3 (b) minh họa sự cô lập các lớp trong việc dành trước sử dụng “FDL” bằng thời gian bù Chúng ta giả định rằng req(0) đã đặt trước các FDL, nhưng do t1 0 không đủ lâu (t1 s = t1 a + t1 0 < t0 a + t0 b + l0), req(1) sẽ khóa các bước sóng được dự trữ và cần bảo lưu FDL để trì hoãn các burst ở lớp 1 Nếu t1 0 đủ dài để có t1 s = t1 a + t1 0 > t0 a + l1, req(1) sẽ bảo lưu thành công FDL, cho phép đoạn đầu của burst lớp 1 nhập vào phần sau của burst lớp 0 Ngược lại, req(1) sẽ không thành công và burst lớp 1 sẽ bị bỏ đi.
Lưu ý rằng: req (1) đến đầu tiên, nó có thể bảo lưu FDL, nhưng req (0) sẽ bị chặn
(hoặc là khi t 1 a < t 0 a < t 1 s nhưng t 0 1+l0> t 1 s, hoặc khi t 1 s0) là sự chênh lệch thời gian bù giữa lớp j và lớp i, với t ij = t i 0 – t j 0, trong đó 0 j và không có công thức cụ thể Giả sử rằng lớp i tạo ra các burst với tỉ lệ phân phối tương ứng có giá trị trung bình là λi và tỉ lệ phân phối dịch vụ có giá trị trung bình là μi.
= 1/Li Cường độ lưu thông của lớp i được đưa ra bởi ρi= λi/ (μi.k) = ri/k với ri= λi/ μi, và cường độ tổng lưu thông là: ρ = i
Để đơn giản hóa, chúng ta xem xét một Mạng Tín hiệu Quang (OSN) như được minh họa trong hình 3.1, tập trung vào việc cung cấp đầu ra của liên kết với k bước sóng và một bộ đệm FDL đơn chứa N FDL.
Xuất phát từ cận trên và cận dưới của khả năng mất mát trong phân lớp OBS
Trong phân lớp OBS, giới hạn trên của khả năng mất mát pbu xảy ra khi không có bộ đệm FDL, tức là B=0 Giới hạn này được xác định bởi công thức Erlang (M/M/k/k), trong đó r = ρ.k.
Cận dưới được xác định bằng cách giả định rằng sự chọn lựa có 1 bộ đệm
FDL có thể được mô hình hóa theo dạng M/M/k/D, trong đó D là một tham số đã được xác định Cụ thể, N là số lượng FDL vật lý trong bộ đệm FDL, được thể hiện rõ trong hình minh họa.
Khi số lượng của FDL ảo đạt d = N.k, số lượng tối đa các burst trong quá trình lựa chọn (bao gồm cả gói đã được chuyển và đang chờ) là D = k + d + k + k.N Theo mô hình MM/k/D, cận dưới của khả năng mất mát pbl được xác định như sau.
Chúng ta đã xác định cận trên và cận dưới khả năng mất mát của lớp i trong độ ưu tiên OBS, được phân biệt bởi pbl i và pbu i, với i=n-1, n 0 Giả định rằng lớp i đã hoàn toàn bị cô lập từ lớp (i-1), tức là R-i,i-1 = 1.0, và luật bảo toàn được áp dụng, cho thấy hiệu suất tổng thể của mạng vẫn không thay đổi bất kể số lượng các lớp và mức độ cô lập Cường độ lưu thông từ lớp (n-1) của lớp j được biểu thị bởi ρ n-1,j = ∑ i j n = − 1 ρ i Do sự cô lập, lưu thông từ lớp có độ ưu tiên thấp (lớp (j-1) tới lớp 0) không ảnh hưởng đến khả năng mất mát của các lớp có độ ưu tiên cao hơn (lớp (n-1) tới lớp j) Khả năng mất mát trung bình trên lớp (n-1) thông qua lớp j, được xác định bởi pb n-1,j, chỉ phụ thuộc vào cường độ lưu thông từ lớp (n-1) thông qua lớp j Theo luật bảo toàn, có thể áp dụng các công thức (3.2) và (3.3) để thu được cận trên và cận dưới là pb n-1,j u = B(k,pn-1,j) và pb n-1,j l = PB(k,pn-1,j,D) tương ứng.
= ∑ = tương ứng Một lần nữa, theo định luật bảo toàn chúng ta có:
Bây giờ, chúng ta có thể thu được mỗi pb i u và pb i l bằng cách bắt đầu từ các lớp có độ ưu tiên cao nhất, ví dụ, i=n-1 Khi lớp (n-1) có độ ưu tiên cao nhất và hoàn thành sự cô lập từ các lớp khác, cận trên là pb n-1 u=B(k,ρn-1), giống như (3.2), trong khi cận dưới là pb n-1 l=PB(k,ρn-1,D), giống như (3.3) Để thu được cận trên cho lớp.
(n-2) chúng ta có pb n-1,n-2 u = B(k,ρn-1,n-2) và pb n-1,n-2 u = n i n − 1 2 c pb i u i
∑ = − theo (3.4) Bằng cách cân bằng 2 vế chúng ta có:
= − Tương tự theo (3.5) chúng ta có thể xác định cận dưới là:
= − Thủ tục này có thể được áp dụng lặp lại nhiều lần Tổng quát, cận trên của khả năng mất mát được đưa ra cho lớp j, với 0 ≤ j n-≤ 2 là.
Và cận dưới tương ứng là:
Trước khi thảo luận về kết quả mô phỏng, cần lưu ý rằng FDL không thể được mô phỏng chính xác như hàng đợi Hàng đợi trong mô hình M/M/k/D có khả năng lưu trữ bất kỳ burst nào, bất kể thời gian bị chặn, trong khi FDL sẽ bỏ qua burst nếu thời gian bị chặn dài hơn B Tăng giá trị B có thể giảm độ chênh lệch giữa hai cận, nhưng thời gian để một FDL chuyển sang trạng thái sẵn sàng có thể khác với thời gian mà hàng đợi trong mô hình M/M/k/D trở thành sẵn sàng.
Giả sử burst I chỉ có sẵn với bước sóng như hình 4 (a) khi burst II (hoặc III) đến, và một chuỗi 3 FDL dự trữ như hình 4 (b) hoặc (c) Trong mô hình M/M/k/D, hàng đợi 3 sẽ sẵn sàng ngay khi burst I hoàn tất việc chuyển giao bước sóng cho burst II (hoặc III).
III) Tuy nhiên, FDL chiếm giữ burst II hoặc III trở nên sẵn sàng ngay phần cuối tại burst của II đi vào FDL Mặt khác, thời gian để FDL trở lên sẵn sàng tùy thuộc vào độ dài của burst II (hoặc III) và có thể muộn (hoặc sớm) hơn một thời hàng đợi trở thành sẵn sàng như trong hình 4(b) hoặc (c) Do đó, nếu độ dài trung bì3 nh của burst là dài hơn thời gian bị chặn, mô hình M/M/k/D có xu hướng dự đoán thấp hơn về khả năng bị chặn hơn là nhận được từ mô phỏng của FDL Trường hợp như vậy giống như việc xảy ra khi thời gian trễ lớn nhất của B là tương đối ngắn so với chiều dài trung bình của burst, và/hoặc khi số lượng bước sóng k là nhỏ, trong khi kết quả là một thời gian trung bình tương đối dài Mặt khác, nếu độ dài trung bình của burst là ngắn hơn thời gian bị chặn trung bình, sự mô phỏng khả năng chặn có thể thấp hơn dự đoán bởi mô hình M/M/k/D, và trường hợp như vậy giống như khi xảy ra với B là tương đối dài so với độ dài trung bình của burst, và/hoặc khi k là lớn, trong khi kết quả là một thời gian chặn tương đối ngắn
Hình 3.4 S khác nhau gi ự ữa FDL và hàng đợi.
Kết quả mô phỏng và thảo luận
Myungsik Yoo và Chunming Qiao đã thực hiện mô phỏng với hai mô hình lưu thông: Poisson và tương quan Kết quả mô phỏng cho thấy mô hình lưu thông Poisson phù hợp với các phân tích trước đó, cho thấy lợi ích về khả năng mất mát và độ trễ hàng đợi thấp hơn so với mô hình lưu thông tương quan Để mô phỏng lưu thông tương quan, họ đã sử dụng phân phối Pareto và phân phối mũ để tạo ra thời gian đến của các burst tương ứng.
Mô hình mạng trong phần mô phỏng này bao gồm một mạng OSN đơn với k bước sóng và một bộ đệm FDL chứa N FDL Để đảm bảo tính tổng quát, giả định rằng tất cả các lớp đều tạo ra lưu lượng bằng nhau (ρ0 = ρ1 = … = ρn-1 = ρ/n) Hơn nữa, giả định rằng tất cả các lớp có độ dài burst trung bình bằng nhau.
(Ln-1=Ln-2=…L0=L), và tất cả các thời gian bù chênh lệch là bằng nhau (tn-1,n-2 = tn-
Ma trận hiệu suất thể hiện khả năng mất mát các burst và độ trễ hàng đợi dựa vào mật độ lưu lượng ρ, thời gian trễ tối đa B, thời gian bù chênh lệch tdiff, số lượng FDLs N, số lượng lớp n và số lượng bước sóng k.
3.6.1 Sự khác nhau về ị d ch vụ và định luậ ảt b o toàn.
Hình 3.5 trình bày kết quả mô phỏng khả năng mất mát, thể hiện mối quan hệ giữa mật độ lưu lượng với các tham số n=4, k=1, N=3 (d=3), B = 3L, và tdiff= 3L+B Qua việc so sánh khả năng mất mát của các lớp từ 0-3, chúng ta có thể nhận thấy sự khác biệt trong mức độ ưu tiên.
OBS cho phép quản lý khả năng mất mát trung bình trong các lớp dịch vụ khác nhau Sử dụng thời gian bù, lớp 2 và lớp 3 có xác suất mất mát thấp hơn so với các lớp khác, trong khi lớp 0 và lớp 1 có xác suất mất mát cao hơn do độ ưu tiên thấp hơn.
Hình 3.5 Khả năng mất mát củ a các l p ớ
Độ mất mát trung bình cho sự thay đổi của thời gian bù chênh lệch tdiff được thể hiện trong hình 3.6 Khi mật độ lưu lượng thấp (ρ