Tối ưu lưu lượng trong mạng quang ghép kênh theo bướ sóng

Ðể hiểu thêm về việc dẫn xuất và chứng minh các kết quả này, bạn đọc có thể đọc thêm các tài liệu tham khảo.Do tính chất phức tạp cũng như sự phát triển nhanh chóng của công nghệ, đề tài

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

MÃ SỐ:8

NGUYỄN TUẤN TRƯỜNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN VŨ THẮNG

Hµ Néi 2008

MẠNG QUANG GHÉP KÊNH BƯỚC SÓNG

NGUYỄN TUẤN TRƯỜNG

dịch vụ thông tin, đặc biệt là sự phát triển nhanh chóng của Internet và World Wide Web làm gia tăng không ngừng nhu cầu về dung lượng mạng Ðiều này đòi hỏi phải xây dựng và phát triển các mạng quang mới dung lượng cao Song song với việc phát triển các công nghệ truyền dẫn mới, việc sử dụng hiệu quả các nguồn tài nguyên sẵn có thông qua phương án tối ưu hóa lưu lượng mạng quang đang là vấn đề được tập trung nhiều nghiên cứu Toàn bộ các công việc tối ưu hóa lưu lượng mạng quang đó được gọi là “Traffic Grooming”

Cấu trúc của đề tài bao gồm năm chương:

 Chương I: Giới thiệu tổng quan về mạng quang, bản đồ phát triển của công nghệ mạng quang và sơ lược về “Traffic Grooming” cũng như sự cần thiết của nó

 Chương II: Các chuyển mạch Grooming Chương này nghiên cứu về các chuyển mạch Grooming như một hai vấn đề cơ bản của “Traffic Grooming” Trong đó đi sâu nghiên cứu chức năng, phân loại và kiến trúc của chuyển mạch Grooming

 Chương III: Định tuyến và gán bước sóng trong mạng quang Chương này nghiên cứu vấn đề thứ hai trong “Traffic Grooming” là định tuyến và gán bước sóng Trong đó xem xét các bài toán định tuyến và gán bước sóng trong hai mạng quang điển hình là mạng quang diện rộng và mạng quang

đô thị

 Chương V: Chương trình IPSOLVE Chương này giới thiệu một chương Itrình đơn giản để tính toán các bài toán định tuyến và gán bước sóng trong

Vì khuôn khổ giới hạn cũng như tính ứng dụng thực tế của đề tài, các mô hình toán học được trình bày trong đề tài này đôi khi chỉ là các kết quả cuối cùng

và không được giải thích, chứng minh cụ thể Ðể hiểu thêm về việc dẫn xuất và chứng minh các kết quả này, bạn đọc có thể đọc thêm các tài liệu tham khảo.Do tính chất phức tạp cũng như sự phát triển nhanh chóng của công nghệ, đề tài

“Tối ưu lưu lượng trong mạng quang ghép kênh theo bước sóng” không thể tránh khỏi những thiếu sót Xin chân thành cám ơn tất cả các ý kiến đóng góp của các bạn đọc để hoàn thiện hơn đề tài này

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo, Tiến sĩ Nguyễn Vũ Thắng, người đã tận tình hướng dẫn trong suốt quá trình thực hiện đề tài này Đồng thời em cũng xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo khoa Điện tử Viễn thông, các thầy cô giáo Viện đào tạo sau đại học Trường đại học Bách khoa Hà – Nội đã truyền đạt những kiến thức và lời khuyên quý giá trong suốt 2 năm học vừa qua Xin cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp, những người đã luôn ở bên cạnh động viên tôi trong suốt thời gian vừa qua

Học viên: Nguyễn Tuấn Trường

AN Acess node Nút truy cập

động ASTN Automatic Switched Transport

Network

Mạng truyền tải chuyển mạch

tự động ATM Asynchronous Transfer Mode Cơ chế truyền tải dị bộ

B

BLSR Bidirectional line-switched ring Ring chuyển mạch theo hai

hướng

C

CCW Couter clockwise Ngược chiều kim đồng hồ

DTG Dynamic Traffic Grooming Traffic Grooming động

DWDM Dense Wavelength Division

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo mật

độ bước sóng

E

F

FXC Fiber Cross Connect Chuyển mạch sợi

I

ILP Integer Linear Programming Quy hoạch tuyến tính nguyên

IP Internet Protocol Giao thức Internet

M

MAN Metro Area Network Mạng metro

MPLS Multiprotocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao

thức

O

OA Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang

OADM Optical Add Drop Multiplexer Bộ tách và ghép quang OCS Optical Circuit Switching Chuyển mạch kênh quang OBS Optical burst Switching Chuyển mạch cum quang OLT Optical Line Terminal Bộ kết cuối đường quang OPS Optical Packet Switching Chuyển mạch gói quang OTN Optical Transport Network Mạng truyền tải quang

OXC Optical Cross Connect Bộ đấu chéo quang

R

RWA Routing Wavelength Assigment Định tuyến và gán bước sóng

SDH Synchronous Digital Hierachy Mạng số cận đồng bộ

SONET Synchronous optical network Mạng quang đồng bộ

SRWA Static Routing and Wavelength

Assigment

Định tuyến và gán bước sóng tĩnh

WAN Wide Area Network Mạng diện rộng

WBXC WaveBand Cross-Connect Chuyển mạch các dải bước

sóng WDM wavelength-division multiplexing Ghép kênh theo bước sóng WSXC Wavelength-selective optical

cross connect

-Chuyển mạch lựa chọn bước sóng

I 2 Hệ thống ghép bước sóng hai hướng 3

I 3 Kiến trúc node trong mạng quang định tuyến bước sóng không có

bộ biến đổi bước sóng

5

I 4 Một mạng quang WDM định tuyến bước sóng 5

I 5 Điều kiện liên tục bước sóng trên một đường dẫn 2 chặng 6

I 6 Bản đồ phát triển các công nghệ truyền dẫn quang 8

I 7 Mạng quang với 04 luồng lưu lượng được truyền tải 9

I 8 Kiến trúc của node đầu vào I không có “gom” lưu lượng 10

I 9 Kiến trúc node đầu vào I với khả năng “gom” lưu lượng 11

I.10 Sơ đồ khối cơ bản của vấn đề “Grooming” 12

II 1 OXC chuyển mạch sợi (a) OXC chuyển mạch lựa chọn bước

sóng(b) và chuyển mạch trao đổi bước sóng (c)

17

I 2 I Cấu trúc chuyển mạch kết hợp “Grooming” 18

II 3 Một chuyển mạch gói bus được chia sẻ đơn giản 19 III.1 Tập hợp các giải pháp khả thi cho ví dụ III.1 31 III.2 Đồ thị để tìm một giải pháp tối ưu cho ví dụ III.1 31 III 3 Tồn tại một giải pháp tối ưu cho vấn đề LP 32

III 5 LP phục hồi như một biên thấp cho ILP 34

III 8 Cấu trúc mạng kiểu vòng hai hướng 37 III 9 Cập nhật định tuyến và gán bước sóng cho Ring N node và ring

N+2 node

38

III.11 Topology mạng và ma trận lưu lượng cho RWA 44

III.15 Sau khi thực hiện thực hiện phương pháp tô màu 49

III.18 Node chuyển mạch quang có các bộ chuyển đổi bước sóng 57 III.19 Kiến trúc chuyển mạch quang không trong suốt với truyền dẫn

III.22 Thiết lập và giải phóng các liên kết 73

III.26 Các vòng chạy chính và bảo vệ cho kết nối giữa EN và AN2 81 III.27 Giải thuật Greedy không làm tối thiểu các ADM 84

IV 1 Cấu trúc mạng và ma trận lưu lượng cho phần 1 99

IV.3 Topo mạng và ma trận lưu lượng cho phần 1c 103

IV.7 Giải pháp định tuyến cho phần 2 107

IV.8 Phương pháp tô màu đồ thị cho phần 2 107

IV 9 Kết quả của thuật toán “Smallest-Last” cho phần 2 108

tuyến và gán bước sóng động trong mạng WAN:

Không mất tính tổng quát, chúng ta có thể giả sử rằng x y ≥ Để các giá trị x và

y có ý nghĩa thì phải thỏa mãn điều kiện sau đây:x y n x y n W ≥ ≥ , + − ≤ ,1 ≤ x y W , ≤

Với điều kiện này chúng ta giả sử rằng các điều kiện là có nghĩa và chỉ tập trung

Xem xét vấn đề có W thùng với x quả bóng đỏ và y quả bóng đen Giả sử rằng

chúng ta đặt x quả bóng đỏ một cách ngẫu nhiên vào W thùng sao cho không có

nhiều hơn 1 quả bóng trong mỗi thùng Tương tự với y quả bóng đen Sau đó

= Pr {n thùng với cả bóng đỏ và đen / các vị trí thùng x của bóng đỏ}

Đưa ra các vị trí thùng x của bóng đỏ, xem xét các vị trí thùng y của bóng đen

theo trật tự sắp xếp của chúng Chúng ta có thể gán mỗi vị trí y với một biểu

và y-n E Mỗi chuỗi như vậy có xác suất bằng:

y n n

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG QUANG VÀ VẤN ĐỀ

TỐI ƯU LƯU LƯỢNG TRONG MẠNG QUANG

I.1 Sự phát triển của các công nghệ truyền dẫn quang

Các hệ thống truyền dẫn sợi quang với các ưu điểm về dung lượng truyền

tải, băng thông, cự ly truyền dẫn lớn, tỷ lệ lỗi thấp, tránh được giao thoa điện

trường, khả năng bảo mật đã ngày càng được nghiên cứu phát triển và ứng

dụng rộng rãi

Cho đến hiện nay, công nghệ truyền dẫn quang đã có những bước tiến bộ

vượt bậc từ mạng quang thế hệ đầu tiên SONET/SDH đến mạng quang thế hệ

thứ hai sử dụng công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM Trong tương lai,

công nghệ truyền dẫn quang sẽ tiếp tục phát triển lên các công nghệ cao hơn như

mạng Mesh(OTN), mạng quang chuyển mạch bước sóng động (ASON), mạng

quang chuyển mạch đa lớp (ASTN) và mạng chuyển mạch gói quang Nội dung

của phần này tập trung giới thiệu một cách tổng quan về các công nghệ truyền

dẫn quang hiện tại và tương lai

I.1.1 Giới thiệu tổng quan về các công nghệ truyền dẫn quang

I.1.2.1 Ghép kênh phân chia theo bước sóng

Ghép kênh theo bước sóng (Wavelenght Division Multiplexing - WDM)

là công nghệ truyền tải trên sợi quang đã xây dựng và phát triển từ những năm

90 của thế kỷ trước WDM cho phép truyền tải các luồng thông tin số tốc độ rất

cao (theo lý thuyết dung lượng truyển tải tổng cộng có thể đến hàng chục ngàn

Gigabít/s) Nguyên lý cơ bản của công nghệ này là thực hiện truyền đồng thời

các tín hiệu quang thuộc nhiều bước sóng khác nhau trên một sợi quang Băng

tần truyền tải thích hợp của trên sợi quang được phân chia thành những bước

sóng chuẩn với khoảng cách thích hợp giữa các bước sóng (đã được chuẩn hóa

bởi tiêu chuẩn G.692 của ITU T), mỗi bước sóng có thể truyền tải một luồng

-thông tin có tốc độ lớn (chẳng hạn luồng -thông tin số tốc độ 10Gbít/s) Do đó,

công nghệ WDM cho phép xây dựng những hệ thống truyền tải thông tin quang

có dung lượng gấp nhiều lần so với hệ thống thông tin quang đơn bước sóng

Hiện tại, sản phẩm và các hệ thống truyền dẫn WDM đã được sản xuất bởi nhiều

hãng sản xuất thiết bị viễn thông và đã được triển khai trên mạng của nhiều nhà

cung cấp dịch vụ viễn thông trên thế giới

Về cơ bản thành phần quang của hệ thống WDM bao gồm một hoặc nhiều

nguồn phát (laser), một bộ ghép kênh, một hoặc nhiều bộ khuếch đại quang (ví

dụ EDFA), khối xen/rẽ (OADM), sợi quang, một bộ tách kênh và các bộ thu

tương ứng với phía phát Mỗi phần tử trên đây của hệ thống đều thực hiện những

chức năng xác định một cách chính xác Người ta chia hệ thống WDM thành hai

λ1 λ2

λn

λ λ 1, 2 N λ

• Hệ thống ghép bước sóng hai hướng: sử dụng một sợi quang chung cho cả

hai hướng truyền dẫn

Hình I 1 Hệ thống ghép bước sóng một hướng

Ưu điểm của hệ thống WDM:

• Cung cấp các hệ thống truyền tải quang có dung lượng lớn, đáp ứng được

các yêu cầu bùng nổ lưu lượng của các loại hình dịch vụ

• Nâng cao năng lực truyền dẫn các sợi quang, tận dụng khả năng truyền tải

của hệ thống cáp quang đã được xây dựng

Nhược điểm của hệ thống WDM:

• Giá thành thiết bị đắt

Qua giới thiệu tổng quan về công nghệ ghép kênh theo bước sóng cũng

như những phân tích về ưu và nhược điểm của công nghệ này, có thể thấy rằng

công nghệ WDM rất phù hợp cho những nơi mà mạng còn thiếu về tài nguyên

cáp/sợi quang, cần phải tận dung năng lực truyền tải của sợi quang và dễ dàng

trong việc nâng cấp dung lượng, thay thế hệ thống truyền tải quang hiện có.Do

đó công nghệ ghép kênh theo bước sóng – WDM chủ yếu được ứng dụng cho

những nơi mà cần dung lượng hệ thống truyền tải lớn như mạng lõi, mạng đường

trục

I.1.2.2 Mạng WDM được định tuyến theo bước sóng

Để tránh việc truyền các tín hiện không cần thiết tới các nút mạng không

yêu cầu chúng, một cơ chế định tuyến bước sóng đã được phát triển và triển

Rx1 Rx2 Rxn

khai Một số lượng lớn các phần tử mạng quang đã được phát triển bao gồm các

bộ khuếch đại băng rộng (Optical Amplifier - OA), các bộ tách/ghép quang

(Optical Add/Drop Multiplexer - OADM) và các bộ đấu chéo quang (Optical

Crossconnect - OXC) Tất cả đã hội đủ các điều kiện để có thể định tuyến dữ liệu

tới các nút tương ứng dựa trên các bước sóng của chúng Tất cả các mạng quang

triển khai dựa trên công nghệ ghép kênh theo bước sóng (WDM) và định tuyến

bước sóng đều là các giải pháp hiệu quả cho các mạng quang diện rộng (Wide

Area Network - WAN) và mạng metro quang (Metro Area Network MAN).-

Các bước sóng được định tuyến với dữ liệu được gọi là định tuyến bước

sóng và các mạng được triển khai dựa trên kỹ thuật này được gọi là mạng WDM

định tuyến theo bước sóng Những mạng như vậy, mỗi kết nối giữa một cặp nút

được gán bởi một đường và một bước sóng duy nhất Một kết nối từ một nút tới

một nút khác được thiết lập trên một bước sóng riêng biệt được gọi là một đường

quang (lightpath) Các kết nối với các đường được chia sẻ bởi một liên kết chung

được gán bởi các bước sóng khác nhau Ưu điểm nổi bật của các mạng quang

này là sự trong suốt của các giao thức và quản lý đơn giản

Trong mạng quang định tuyến bước sóng, các nút được triển khai dựa trên

các bộ đấu chéo quang thì có khả năng chuyển mạch một bước sóng riêng biệt từ

một liên kết này sang một liên kết khác Đối với một mạng quang trong suốt,

chuyển mạch của một bước sóng được thực hiện trên miền quang

Hình I.3: Kiến trúc nút trong mạng quang định tuyến bước sóng không có bộ

biến đổi bước sóng

Hình (I.3) minh họa một nút chuyển mạch quang Theo kiến trúc này, các

bước sóng tại sợi quang đầu vào sẽ được tách ra riêng biệt Sau đó các bước sóng

như nhau sẽ được chuyển mạch với nhau và được định tuyến tới các sợi quang

đầu ra dựa trên cơ chế chuyển mạch bước sóng

Hình (I.4) minh họa một mạng quang định tuyến theo bước sóng Hình vẽ chỉ ra

rằng các kết nối được thiết lập giữa các nút A và C, H tới G, B tới F, và D tới E

Các kết nối từ nút A tới C và B tới F chia sẻ cùng một liên kết Vì vậy, chúng sử

dụng các bước sóng khác nhau trên sợi quang

Hình I.4: Một mạng quang WDM định tuyến bước sóng

Trong mạng quang định tuyến bước sóng, các đường của tín hiệu được

quyết định bởi các bộ phát tín hiệu, các bước sóng được phát đi và trạng thái của

các thiết bị mạng

Ví dụ một mạng với 2 bước sóng được thể hiện ở hình (I.5)

Hình 1.5: Điều kiện liên tục bước sóng trên một đường dẫn qua 2 chặng

Mô hình có 02 bước sóng Từ nút 1 tới nút 2 sử dụng λ1và nút 2 đến nút 3

sử dụng λ2 Một kết nối yêu cầu từ nút 1 đến nút 3 bị nghẽn mặc dù các bước

sóng rỗi trên cả liên kết 1 và 2 Điều này gây bởi tính liên tục của bước sóng

nghĩa là các bước sóng như nhau phải được gán tới một kết nối trên mọi liên kết

Thay vì đó có thể sử dụng bộ biến đổi bước sóng tại nút 2 Các kết nối yêu cầu

thiết lập các lightpath sẽ có xác xuất tắc nghẽn cao hơn so với yêu cầu thiết lập

đường được thực hiện trong các mạng chuyển mạch điện do điều kiện liên tục

bước sóng

I.1.2.3 Chuyển mạch gói quang

Như ở trên, các thảo luận đều tập trung vào các kết nối quang được

chuyển mạch dựa trên các mạch điện Một công nghệ chuyển mạch đang được

xem xét để thay thế cho các chuyển mạch điện và được ứng dụng trong hệ thống

mạng đường trục là công nghệ chuyển mạch gói quang (OPS : Optical packet

switching) Các ưu điểm chính của OPS là tính mềm dẻo và khả năng tận dụng

băng thông hiệu quả cho phép hỗ trợ nhiều loại dịch vụ khác nhau Một công

nghệ OPS thuần, trong đó các gói mào đầu và điều khiển được thực thi trên tất cả

các miền quang vẫn còn là câu chuyện của tương lai Tuy nhiên, công nghệ OPS

với các gói mào đầu và điều khiển được xử lý điện đã trở thành hiện thực trong

nhiều nghiên cứu gần đây Một thử nghiệm OPS thực tế đã được thực hiện bởi

dự án European ACT KEOPS (KEys to Optical Packet Switching) Trong

KEOPS, các mào đầu được gửi với dữ liệu (payload) nhưng ở tốc độ bit thấp

hơn và quá trình xử lý mào đầu vẫn được thực hiện trên miền điện Điều này yêu

cầu phải bộ đệm quang tại cổng đầu vào để cho phép các mạch điện xử lý mào

đầu kết thúc công việc Tại thời điểm hiện nay, các công nghệ bộ đệm chưa thể

vượt qua một số điều kiện kỹ thuật như độ lớn và các kích thước khác nhau của

bộ đệm quang Xử lý mào đầu tại tốc độ cao cũng là một vấn đề quan trọng Vì

vậy, đây vẫn là một công nghệ của tương lai

I.1.2.4 Chuyển mạch cụm quang

Một công nghệ chuyển mạch xen kẽ khác được sử dụng để truyền tải các

lưu lượng IP một cách trực tiếp qua mạng quang ghép kênh theo bước sóng

(WDM) được biết đến là chuyển mạch cụm quang (Optical burst Switching -

OBS) Trong một mạng chuyển mạch dựa trên bước sóng, khi một đường quang

(lightpath) được thiết lập, nó sẽ được duy trì trong một thời gian dài có thể là

nhiều tháng hoặc năm Trong OBS, mục đích là thiết lập một kênh bước sóng

cho mỗi cụm đơn được truyền đi Một cụm mang một hoặc nhiều gói IP được

gán một cách linh động tới một kênh bước sóng vào lúc có yêu cầu kết nối Để

thiết lập được kết nối này, một gói điều khiển kết hợp được truyền đi thông qua

một kênh bước sóng hoặc một kênh không phải kênh quang trước khi các cụm

được truyền đi Trong cơ chế “tell and wait”, một cụm đưa vào bộ đệm trong khi

gói điều khiển được gửi đi để thiết lập các chuyển mạch và dự trữ băng thông

cho việc tạo kết nối mới Trong cơ chế “tell and go”, các cum được gửi đi ngay

lập tức sau gói điều khiển của nó mà không cần thu được thông tin phản hồi Nếu

một chuyển mạch dọc theo đường truyền không thể mang được cụm do tắc

nghẽn thì cụm đó sẽ bị rớt Trong cơ chế này, các cụm cần rất cần được lưu vào

bộ đệm của chuyển mạch cum quang cho đến khi gói điều khiển được xử lý

Ngoài ra còn hai cơ chế khác cũng có thể được sử dụng là cơ chế “just enough

time” (JET) và “just in time” (JIT) Tuy nhiên, chuyển mạch cụm quang còn

đang trong quá trình nghiên cứu và được xem xét như là một trong những công

nghệ truyền dẫn quang của tương lai Hiện tại, không có bất kỳ một mạng quang

chuyến mạch cụm nào tồn tại

I.1.2 Bản đồ xu thế phát triển của các công nghệ truyền dẫn quang

Hình 1.6: Bản đồ phát triển các công nghệ truyền dẫn quang

Hình (I.6) mô tả xu hướng phát triển của các công nghệ truyền dẫn quang

Từ công nghệ truyền dẫn quang ghép kênh theo bước sóng (WDM) đến mạng

toàn quang (Optical Transport Network - OTN), công nghệ truyền dẫn quang

tương lai sẽ là mạng chuyển mạch quang tự động (Automaticly Switching

Optical Network - ASON) và xa hơn nữa là mạng chuyển mạch cụm quang và

gói quang (OBS và OPS)

I.2 Tối ưu lưu lượng trong mạng quang

I.2.1 Tại sao cần tối ưu lưu lượng?

Trong những năm gần đây, có một trong những vấn đề được nhắc đến

nhiều nhất trong các nghiên cứu về mạng quang là vấn đề ‘‘Traffic Grooming’’

hay vấn đề tối ưu lưu lượng trong mạng quang Phần này của bài luận tập trung

vào việc nêu bật sự cần thiết của tối ưu lưu lượng trong mạng quang

Xét một mạng lõi quang truyền tải các dòng lưu lượng độc lập nhau Mỗi

dòng lưu lượng như một luồng các gói IP đi qua mạng quang thông qua các nút

OXC đầu vào và ra khỏi mạng thông qua các nút OXC đầu ra Mỗi dòng đại diện

cho một tải và có băng thông có thể là 0.1λ, 0 5λ hoặc 1 .5λ Tuy nhiên, nếu

mạng được dựa trên các chuyển mạch quang điện (OCS) mà không có khả năng

“nhóm lưu lượng”, mỗi dòng lưu lượng này sẽ phải được gán vào một số lượng

nguyên các bước sóng để truyền đi Vì thế sẽ có một phần lưu lượng trên các liên

kết không được sử dụng , gây lãng phí tài nguyên mạng

I.7

Hình ( ) mô tả một ví dụ có bốn dòng lưu lượng bắt đầu từ một nút đầu

vào I và đi qua cùng các nút A, B, C Bốn dòng lưu lượng này sẽ đi qua mạng từ

các nút khác nhau (E1 tới E4) Trong một mạng OCS, một số lượng nguyên các

mạch điện dựa trên bước sóng được gán cho mọi luồng lưu lượng Đặt mỗi dòng

lưu lượng đại diện cho một tải nhu vậy yêu cầu phải có n bước sóng cho kích

thước bộ đệm và xác suất mất gói Vì vậy để truyền tải tất cả các dòng dữ liệu từ

nút I đến nút C cần tổng cộng 4n kênh bước sóng

Hình I.7: Mạng quang với 04 luồng lưu lượng được truyền tải

Hình I.8: Kiến trúc của nút đầu vào I không có nhóm lưu lượng

Bây giờ, nếu nút I có khả năng xử lý gói, lưu lượng cần được gom lại theo

một cách nào đó để tiết kiệm băng thông Với khả năng “gom lưu lượng”, nút có

thể hợp nhất các dòng lưu lượng vào một tập các kênh bước sóng Hình (I.9)

miêu tả vấn đề này

Hình I.9: Kiến trúc nút đầu vào I với khả năng “Grooming” lưu lượng

Trong trường hợp này, tổng các bước sóng ra được yêu cầu là m và

m≤4n Qua đó có thể thấy so với trường hợp không có “khả năng gom lưu

lượng”, băng thông đã được tiết kiệm hơn Một cách tổng quát, việc băng thông

được tiết kiệm như thế nào phụ thuộc vào số dòng lưu lượng được gom, các đặc

tính thống kê của chúng, các kích thước bộ đệm và xác suất mất gói

Từ ví dụ minh họa ở trên, vấn đề tối ưu lưu lượng (Traffic Grooming)

trong mạng quang và được định nghĩa như sau:

Định nghĩa “Tối ưu lưu lượng” : là vấn đề cơ bản của mạng quang Dựa trên

các chuyển mạch được thiết kế đặc biệt (được gọi là các chuyển mạch có khả

năng gom/nhóm lưu lượng), “Tối ưu lưu lượng” bao gồm việc làm thế nào để

định tuyến các luồng lưu lượng tốc độ thấp vào các luồng tốc độ cao (bước

sóng) một cách hiệu quả nhất và làm thể nào để gán các bước sóng vào các

đường quang cụ thể một cách hợp lý nhất

Hình (I.10) chỉ ra sơ đồ thực thi “Traffic Grooming” hay tối ưu lưu lượng

trong mạng quang

Hình I.10: Sơ đồ khối cơ bản của vấn đề “Tối ưu lưu lượng”

I.2.2 Các vấn đề chính của “Tối ưu lưu lượng”

Qua định nghĩa trong phần (I.2.1) có thể nhận thấy , hai vấn đề chính của

“Tối ưu lưu lượng” trong mạng quang là:

1 Chuyển mạch hỗ trợ khả năng gom lưu lượng (Groom Switching)

2 Vấn đề định tuyến và gán bước sóng trong mạng quang (Routing and

Wavelength Assignment – RWA)

I.2.2.1 Chuyển mạch hỗ trợ khả năng gom lưu lượng

Các chuyển mạch hỗ trợ khả năng gom lưu lượng được coi như kiến trúc

phần cứng của “Tối ưu lưu lượng” cung cấp khả năng chuyển mạch các đường

quang, tách và ghép các lớp dịch vụ đầu cuối và cấu hình cấu trúc (topology)

mạng quang Các chuyển mạch hỗ trợ khả năng gom lưu lượng cũng thực hiện

các chức năng quản lý băng thông, sắp xếp hiệu quả các bước sóng và khôi phục

mạng ở mức độ bước sóng

I.2.2.2 Vấn đề định tuyến và gán bước sóng

Định tuyến và gán bước sóng (Routing and Wavelength Assignment –

RWA) là một trong hai vấn đề cơ bản của “Tối ưu lưu lượng” trong mạng quang

Nếu các chuyển mạch hỗ trợ khả năng gom lưu lượng đươc coi như các phần

cứng của “Tối ưu lưu lượng” thì RWA là phần mềm của nó RWA liên quan đến

các thuật toán, các phương pháp để tìm ra tập hợp các đường đi hợp lý giữa các

nút trên mạng quang (định tuyến Routing) và gán các bước sóng khả thi cho –

chúng sao cho số lượng bước sóng được sử dụng trên mạng là nhỏ nhất để có thể

thỏa mãn các yêu cầu công nghệ về số lượng bước sóng tối đa trên một sợi

quang Vì vậy RWA bao gồm hai vấn đề chính:

• Định tuyến (Routing)

• Gán bước sóng (Wavelength Assignment)

a Định tuyến

Vấn đề định tuyến trong mạng quang quyết định làm thế nào để định tuyến

lưu lượng yêu cầu và các dòng lưu lượng tốc độ thấp vào trong một dòng lưu

lượng tốc độ cao một cách hiệu quả nhất (dòng lưu lượng tốc độ cao có thể là

một hoặc một vài bước sóng)

b Gán bước sóng

Vấn đề gán bước sóng lại quyết định làm thế nào để gán các bước sóng cụ

thể vào các đường quang trong điều kiện liên tục của bước sóng và các điều kiện

giới hạn khác của mạng quang

I.3 Kết luận chương

Chương này đã giới thiệu tổng quan về các công nghệ và xu hướng phát

triển của hệ thống mạng truyền dẫn quang, sơ lược về vấn đề “Tối ưu lưu lượng”

trong mạng quang, các vấn đề chính của “Tối ưu lưu lượng” Trong đó đề cấp

đến việc tại sao lại cần “Tối ưu lưu lượng” và các vấn đề kỹ thuật liên quan

Chương tiếp theo sẽ trình bày chi tiết về chuyển mạch hỗ trợ khả năng gom lưu

lượng như là một trong hai vấn đề cơ bản của “Tối ưu lưu lượng ”

CHƯƠNG II: CHUYỂN MẠCH HỖ TRỢ KHẢ NĂNG GOM

LƯU LƯỢNG TRONG MẠNG QUANG

II.1 Chuyển mạch hỗ trợ khả năng gom lưu lượng

II.1.1 Định nghĩa

Chuyển mạch hỗ trợ khả năng gom lưu lượng được đề cấp đến trong phần

này thực chất là thiết bị đấu chéo quang có khả năng gom lưu lượng Với việc

xác định như vậy sẽ giới hạn được định nghĩa của chuyển mạch Grooming cho

phù hợp với các thiết bị viễn thông và công nghệ chế tạo chuyển mạch hiện nay

Theo đó, chuyển mạch hỗ trợ khả năng gom lưu lượng được định nghĩa như sau:

Chuyển mạch hỗ trợ khả năng gom lưu lượng: là một modul cung cấp khả năng

nhóm và định tuyến lưu lượng trong các thiết bị đấu chéo quang

Như vậy nội dung của phần này sẽ tập trung xem xét các vấn đề sau của

thiết bị đấu chéo quang:

1 Chức năng của thiết bị đấu chéo quang trong mạng quang

2 Phân loại thiết bị đấu chéo quang

3 Kiến trúc của thiết bị đấu chéo quang hỗ trợ khả năng “gom lưu lượng”

II.1.2 Thiết bị đấu chéo quang

Các thiết bị đấu chéo quang (Optcal CrossConnect-OXC là các thành )

phần nổi bật của mạng quang cung cấp khả năng chuyển mạch các đường quang,

tách và ghép các lớp dịch vụ đầu cuối và cấu hình cấu trúc (topology) mạng

quang

Một số chức năng của OXC hiện nay:

• Quản lý băng tần và kết nối để cung cấp kết nối cho các kênh thuê riêng và

kết nối của các kênh quang (hỗ trợ cho tải SDH), cung cấp chức năng xen/rẽ

bước sóng

• Sắp xếp hiệu quả bước sóng để tận dụng tốt hơn cơ sở hạ tầng đã có

• Phát triển từ từ các dịch vụ 10Gbit/s đến 40Gbit/s, đem lại một chi phí thấp

cho mạng

• Bảo vệ và khôi phục mạng ở mức bước sóng

• Định tuyến và liên kết ở mức bước sóng

II.1.3 Phân loại thiết bị đấu chéo quang

Có nhiều cách để phân loại các thiết bị đấu chéo quang Tuy nhiên phổ

biến nhất vẫn là cách phân loại các thiết bị OXC theo dung lượng chuyển mạch

của chúng Theo cách này, các OXC được phân thành bốn loại:

II 1.3.1 OXC chuyển mạch sợi

Các nối chéo chuyển mạch sợi (Fiber Cross Connet - FXC) thực hiện

chuyển mạch tất cả kênh bước sóng từ một sợi đầu vào tới một sợi đầu ra, nó

hoạt động như một bảng đấu sợi tự động FXC là kiểu chuyển mạch ít phức tạp

nhất trong số hai kiểu còn lại (do đó cũng rẻ hơn) Trong một số phần mạng mà

việc bảo vệ chống đứt sợi là vấn đề chính thì FXC có thể là một giải pháp hợp lý

Chúng tận dụng tối đa các công nghệ quang hiện tại Chúng có thể cung cấp các

khả năng khôi phục và dự phòng đơn giản nhưng lại không linh hoạt (nhằm hỗ

trợ các dịch vụ bước sóng điểm-điểm mới)

II.1.3.2 OXC các dải bước sóng

Chuyển mạch các dải bước sóng (Wavelength-Band Cross-Connect –

WBXC) các dòng dữ liệu chia sẻ cùng điểm cuối và có các bước sóng kề nhau

được nhóm vào cùng một dải và được chuyển mạch cùng nhau

II.1.3 3 OXC lựa chọn bước sóng

Chuyển mạch lựa chọn bước sóng (Wavelength –selective optical cross

conncet – WSXC chuyển mạch một nhóm các kênh bước sóng từ một sợi đầu )

vào sợi đầu ra Về mặt chức năng thì chúng yêu cầu giải ghép (theo tần số) hiệu

đến thành bước sóng ban đầu của chúng WSXC còn có tính linh hoạt trong việc

khôi phục dịch vụ Các kênh bước thể được bảo vệ riêng biệt nhờ cơ chế bảo vệ

mesh, ring hoặc kết hợp

II.1.3.4 OXC trao đổi bước sóng

Chuyển mạch trao đổi bước sóng (WIXC) hoàn toàn giống như WSXC mô

tả trên nhưng có thêm khả năng chuyển đổi hoặc thay đổi tần số (hoặc bước

sóng) của kênh từ tần số này đến tần số khác Đặc tính này làm giảm xác suất

không được định tuyến từ sợi đầu vào đến sợi đầu ra do sự cạnh tranh bước sóng

WIXC có tính linh hoạt cao nhất trong việc khôi phục và dự phòng dịch vụ

Các bộ chuyển đổi bước sóng sẽ ngày càng trở lên hữu dụng hơn trong

tương lai để làm tăng cường khả năng chống nghẽn cho các chuyển mạch quang

Hình II.1: OXC chuyển mạch sợi (a) OXC chuyển mạch lựa chọn bước sóng(b)

và chuyển mạch trao đổi bước sóng (c)

II.1.4 Kiến trúc của thiết bị đấu chéo quang hỗ trợ khả năng gom lưu lượng

Hình (II.2) minh họa cấu trúc được đơn giản hóa của một hệ thống chuyển

mạch quang kết hợp với khả năng gom lưu lượng Bộ chuyển mạch quang bao

gồm:

• Bộ kết cuối đường quang (Optical Line Terminal - OLT)

• Chuyển mạch Fabric và chuyển mạch gom lưu lượng

Hình I 2I : Cấu trúc chuyển mạch kết hợp gom lưu lượng

II.1.4.1 Bộ kết cuối đường quang

Bộ kết cuối đường quang (Optical Line Terminal - OLT) được sử dụng

trong các hệ thống truyền dẫn ghép kênh theo bước sóng điểm điểm.– Tại đầu

vào, các kênh bước sóng được ghép vào cung một sợi quang Tại đầu ra, các

bước sóng được tách riêng và được biến đổi sang miền điện để phân phối hoặc đi

qua các OLT khác Thông thường, một bộ kết cuối đường quang bao gồm các

bộ biến đổi bước sóng (transponder), một bộ ghép và tách kênh và các bộ khuếch

đại quang Ngoài ra, các OLT còn có thể được thêm vào các kênh giám sát quang

để phục vụ mục đích vận hành và điều khiển mạng

II.1.4.2 Chuyển mạch Fabric

Chuyển mạch Fabric phần trung tâm (core) của hệ thống chuyển mạch

Các thiết bị chuyển mạch quang được kết nối trong với nhau bằng nhiều phương

pháp để hình thành lên các kết cấu chuyển mạch đơn hoặc phức Các kết nối bên

trong này có thể được dựa trên các kiến trúc Clos, Tree hoặc một vài kiến trúc

khác

II.1.4.3 Chuyển mạch gom lưu lượng

Các chuyển mạch gom lưu lượng có thể được chế tạo theo một vài kiến trúc

a Kiến trúc chung bus

Hình (II.3) là một ví dụ về một chuyển mạch chung bus đơn giản nhất

Hình II.3: Một chuyển mạch gói chung bus đơn giảnMột gói tới từ một giao diện nào đó sẽ được đưa vào bộ nhớ và được CPU

đọc các mào đầu để quyết định xem nó sẽ được chuyển tới giao diện nào Cấu

trúc này giống như cấu trúc của các bộ định tuyến (Router) trong các hệ thống

mạng Kiến trúc chung bus có ưu điểm là đơn giản Tuy nhiên nhược điểm của

nó là bị giới hạn bởi băng thông và tính mềm dẻo Vì khi hoạt động trong chế độ

không nghẽn, giả sử chuyển mạch cho N cổng đầu vào thì bus phải có tốc độ

hoạt động bằng N lần tốc độ truyền dẫn của cổng

b Kiến trúc vòng (Ring)

Một kiến trúc khác cũng hay được sử dụng là kiến trúc vòng Bus được đặt

thành một vòng Mỗi cổng có một giao diện tới vòng Tất cả các cổng đầu vào

chia sẻ chung một vòng và sử dụng cơ chế tranh chấp Kiến trúc này nhìn có thể

thấy tương tự như kiến trúc chung bus tuy nhiên kiến trúc vòng có thể hỗ trợ

truyền dẫn đồng thời Vì vậy băng thông của các cổng cao hơn kiến trúc chung

bus

c Kiến trúc chuyển mach Crossbar

Cấu trúc crossbar là cấu trúc của loại chuyển mạch không nghẽn theo

nghĩa rộng (wide-sense) Ðể kết nối từ ngõ vào i đến ngõ ra j, đường dẫn được

chọn sẽ đi qua các phần tử chuyển mạch 2x2 trên hàng i cho đến khi nó đi đến

cột j, sau đó đi qua các phần tử chuyển mạch trên cột j cho đến khi nó đi đến ngõ

ra j Do đó, các phần tử chuyển mạch trên đường dẫn này ở hàng i và cột j phải

được đặt ở các vị trí thích hợp để có thể tạo ra kết nối này Theo quy tắc định

tuyến kết nối như trên thì khối chuyển mạch sẽ không bị nghẽn và không yêu cầu

phải định tuyến lại các kết nối đang tồn tại

Tóm lại, một cấu trúc crossbar n(n cần phải có n2 phần tử chuyển mạch 2x2

Chiều dài đường dẫn ngắn nhất là 1 và chiều dài đường dẫn dài nhất là 2n-1, và

đây là một trong những nhược điểm chính của cấu trúc crossbar Chuyển mạch

này luôn tồn tại các điểm nối chéo nhau

II.2 Kết luận chương

Chương này đã giới thiệu chi tiết về chuyển mạch Grooming trong mạng

quang Trong đó đã đề cập tới thiết bị đấu chéo quang OXC như là một thành

phần cơ bản nhất của mạng quang và các chuyển mạch gom lưu lượng được coi

như những modun tích hợp trong các thiết bị này Chương tiếp theo sẽ xem xét

vấn đề cơ bản thứ hai của “Tối ưu lưu lượng” là định tuyến và gán bước sóng

(RWA) Nếu các chuyển mạch có khả năng gom lưu lượng được coi như phần

cứng của “Tối ưu lưu lượng” thì định tuyến và gán bước sóng được coi như phần

mềm của “Tối ưu lưu lượng”

CHƯƠNG III: ĐỊNH TUYẾN VÀ GÁN BƯỚC SÓNG TRONG

MẠNG QUANG GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG

III.1 Giới thiệu

Hiện có ba kỹ thuật chuyển mạch quang: chuyển mạch kênh quang (OCS

–Optical Circuit Switching), chuyển mạch gói quang (OPS –Optical Packet

Switching), chuyển mạch khối quang (OBS – Optical Burst Switching), ứng với

mỗi loại chuyển mạch sẽ có một số kỹ thuật định tuyến và chọn bước sóng Tuy

nhiên các kỹ thuật chuyển mạch gói quang và khối quang là các công nghệ

chuyển mạch của tương lai nên phần này chỉ đề cập đến chuyển mạch kênh

quang (Optical Curcit Switching – OCS), bài toán định tuyến và chọn bước sóng

chỉ giới hạn cho mạng OCS Trong mạng OCS có sử dụng khái niệm lightpath

dùng để chỉ kênh bước sóng nối nút nguồn với nút đích thông qua các nút trung

gian Các dữ liệu muốn truyền từ nút này đến nút khác trong mạng chuyển mạch

kênh quang thì cần thiết lập lightpath trước

III.1.1 Lightpath

III.1.1.1 Định nghĩa

Một đường truyền dẫn đi qua các chuyển mạch điện tại các nút trung gian

gọi là một “Lightpath”.Có thể hiểu “lightpath” như các liên kết “logic” Một tập

hợp các lightpath hình thành lên một topology ảo của mạng hay còn được gọi là

topology logic

III.1.1.2 Các điều kiện thiết lập lightpath

Quá trình thiết lập lightpath cần thỏa hai ràng buộc:

• Ràng buộc v tính liên t c bư c sóng (Wavelength-Continuity Constraint): ề ụ ớ

những k t nế ối chia sẻ chung m t s i ph i s d ng nh ng bư c sóng khác ộ ợ ả ử ụ ữ ớ

nhau

• Ràng buộc v s gán kênh tách bi t nhau (Distinct Channel Assignment ề ự ệ

Constraint): mỗ ế ối k t n i ph i s d ng cùng mả ử ụ ột bước sóng dọc theo tuyến c a ủ

nó

III.1.2 Các bài toán định tuyế n và gán bư c sóng ớ

Cho một tập các yêu cầu kết nối, để thiết lập được các kết nối quang, trước

hết chúng ta cần tìm một đường đi “tốt nhất” giữa hai nút đầu cuối (bài toán định

tuyến – Routing) Sau đó, ta cần xác định chọn bước sóng nào để thiết lập

lightpath (bài toán gán bước sóng Wavelength Assignment) Có hai loại yêu cầu

kết nối tiêu biểu là yêu cầu tĩnh và yêu cầu động Để thiết lập các lightpath với

mỗi loại yêu cầu này, có hai loại bài toán định tuyến và gán bước sóng tĩnh

(static – RWA) và động (Dynamic-RWA)

III.1.2 1 Bài toán định tuyến và gán bước sóng tĩnh

Bài toán Định tuyến và gán bước sóng tĩnh S RWA hay còn được gọi là

-bài toán Thiết lập lightpath tĩnh (SLE Static Lightpath Establishment) được –

khái quát như sau:

- Cho trước tôpô vật lý, tức là các nút mạng và các liên kết vật lý được cho trước

- Cho trước tập các yêu cầu kết nối hoặc ma trận lưu lượng tĩnh để từ đó xác

định các yêu cầu kết nối

- Thích hợp cho dạng trạng thái lưu lượng được biết trước và có tính ổn định, sự

thay đổi chỉ diễn ra trong khoảng thời gian dài (như trong các mạng đường trục)

Trong bài toán S-RWA, đường dẫn và bước sóng được xác định trước cho

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

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

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

Mục tiêu:

- 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

Với công nghệ hiện tại, ta luôn có một giới hạn trên về số lượng bước

sóng có thể có trong một sợi quang (hay liên kết) Và nếu giải pháp tìm được sử

dụng nhiều bước sóng hơn giới hạn này thì xem như không khả thi trong thực tế

Vì vậy việc giải bài toán S RWA cũng sẽ trả lời câu hỏi liệu tôpô vật lý hiện tại

-có thể đáp ứng được yêu cầu lưu lượng đó hay không Nếu không thì ta phải

thêm vào mạng các liên kết mới Thông thường bài toán S-RWA được chia

thành hai bài toán riêng rẽ: bài toán định tuyến và bài toán gán bước sóng

III.1.2.2 Bài toán định tuyến và gán bước sóng động

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

-gọi là bài toán thiết lập lightpath động (DLE– Dynamic Lightpath

Establishment), ta xem xét lưu lượng mạng là động Các yêu cầu kết nối xuất

hiện một cách ngẫu nhiên tùy theo nhu cầu liên lạc giữa các nút mạng Các kết

nối này được yêu cầu tồn tại trong một khoảng thời gian cũng ngẫu nhiên Vì

thế, các lightpath không chỉ được thiết lập động mà còn phải được giải phóng

động

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

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

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

yêu cầu kết nối đó hay không Nếu có thể thì thực hiện quá trình định tuyến và

gán bước sóng tại các nút trung gian cần thiết để thiết lập lightpath Còn nếu một

yêu cầu kết nối không được đáp ứng do thiếu tài nguyên thì xem như bị nghẽn

Khi quá trình liên lạc kết thúc, kết nối được giải phóng và vì vậy, bước

sóng đã sử dụng có thể được sử dụng lại cho một kết nối khác Như vậy ta thấy

định tuyến động tận dụng bước sóng tốt hơn Về mặt kinh tế, điều này sẽ đem lại

lợi nhuận nhiều hơn cho các nhà kinh doanh mạng, gián tiếp giảm chi phí cho

- Việc định tuyến và gán bước sóng phụ thuộc vào trạng thái mạng hiện tại và

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

Mục tiêu:

- Tận dụng hiệu quả tài nguyên mạng để cực đại hóa xác suất thiết lập thành

công lightpath hay tối thiểu hóa số yêu cầu bị nghẽn

Vì nhu cầu phải đáp ứng nhanh với sự thay đổi của mạng, các giải thuật

D-RWA đòi hỏi phải đơn giản, độ phức tạp tính toán càng nhỏ càng tốt Việc kết

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

đó, thông thường bài toán D-RWA cũng được chia thành 2 bài toán riêng rẽ: bài

toán định tuyến và bài toán gán bước sóng

Trong phạm vi của đề tài vấn đề RWA được xem xét như một vấn đề tối

ưu hóa trong mạng quang Xét bài toán với hai hệ thống mạng quang phổ biến

hiện nay:

• Mạng quang diện rộng (Optical Wide Area Network- WAN)

• Mạng quang biên hay mạng quang đô thị (Optical Metro Area Network -

MAN)

I 2 II Định tuyến và gán bước sóng trong mạng quang diện rộng

Mạng quang diện rộng (Wide Area Network – WAN) là hệ thống mạng

được trải ra trên một khu vực địa lý lớn hoặc kết nối nhiều khu vực địa lý nhỏ và

hỗ trợ khả năng truyền tải lưu lượng lớn Vì lý do này, các mạng WAN có thể

được sử dụng như những mạng đường trục hay liên tỉnh lớn Phần này sẽ xem

xét một cách chi tiết hai bài toán “định tuyến và gán bước sóng tĩnh - SRWA” và

“định tuyến và gán bước sóng động DRWA” trong các mạng quang diện rộng

-III.2.1 Định tuyến và gán bước sóng tĩnh trong mạng quang diện rộng

III.2.1.1 Bài toán định tuyến và gán bước sóng tĩnh tổn g quát trong mạng

diện rộng

Trong hầu hết các trường hợp thực tế, luôn luôn tồn tại một cơ sở hạ tầng

của một hệ thống mạng quang và nó sẽ quyết định topo vật lý của mạng quang

Giả sử rằng hệ thống mạng quang đã biết trước topo vật lý Hai nút mạng

cạnh nhau trên topo đó được kết nối với nhau bằng hai sợi quang Lưu lượng

được truyền dẫn trên mạng quang thông qua các sợi quang sẵn có Tuy nhiên

trong tương lai lưu lượng truyền dẫn sẽ tăng nhanh và kết nối giữa hai nút cạnh

nhau yêu cầu nhiều hơn hai sợi quang

Giả sử rằng lưu lượng truyền dẫn giữa hai sợi quang là tĩnh và là bội số

của một bước sóng Việc giả sử lưu lượng truyền dẫn là tĩnh làm cho việc xử lý

trở lên đơn giản hơn và cũng phù hợp với đại đa số các hệ thống mạng quang

đang hoạt động hiện nay Tuy nhiên trong tương lai gần, khi mà các ứng dụng

đầu cuối Gigabit Ethernet trở lên phổ biến hơn thì việc giả sử lưu lượng truyền

dẫn là tĩnh sẽ không còn hợp lý nữa

Đưa vào các nhu cầu dung lượng truyền dẫn là tĩnh, mục tiêu cần đạt được

là gán được dung lượng của bước sóng trên các sợi quang khác nhau một cách

hợp lý nhất Đây chính là bài toán định tuyến và gán bước sóng tĩnh”

Vấn đề Static RWA được coi như một vấn đề tối ưu mạng quang Một

cách tổng quát nhất, một vấn đề tối ưu bao gồm :

• Các tham số đầu vào

• Các biến cần phải tối ưu

• Các điều kiện rằng buộc

Kết quả cuối cùng là hàm mục tiêu hoặc là được làm cực đại hoặc được

• ε: Tập hợp các liên hết trực tiếp (mỗi liên kết trực tiếp là một sợi quang)

• e(i, j) : liên lết từ nút I đến nút j (e)

• ε ( ,.) j : tập hợp các liên kêt đi ra khỏi nút j

• ε(., )j : Tập hợp các liên kết đến nút j

• S : tập hợp các cặp nguồn đích mà có lưu lượng đi qua–

• s(i,j): cặp s d với - nút nguồn i và nút đích j (s)

Các tham số lưu lượng:

• ts : nhu cầu lưu lượng cho cặp nút s-d (có thể là vài bước sóng)

Các biến:

f w chỉ được định nghĩa khi e và s tồn tại ví dụ e ∈

ε và s ∈S)

• w

s

f ∈ {0,1,2,…}: luồng lưu lượng cho cặp s-d (s) trên bước sóng λw

Các điều kiện ràng buộc:

Không có sự đụng độ các bước sóng trên tất cả các liên kết:

Trong lý thuyết tối ưu, một vài giải pháp có thể thỏa mãn tất cả các điều

kiện rằng buộc kể trên được gọi là giải pháp khả thi Việc lựu chọn hàm mục tiêu

không phải là duy nhất tùy thuộc vào mục đích của định tuyến và gán bước sóng

tĩnh Xét đến mục tiêu cơ bản nhất của định tuyến và gán bước sóng tĩnh là tối đa

hóa số lượng liên kết có thể thiết lập được hay tối thiểu hóa số lượng bước sóng

sử dụng trên một liên kết Để tối đa hóa số liên kết có thể thiết lập được, chúng

ta định nghĩa biến fmax để biểu thị số liên kết cực đại Hàm mục tiêu và các điều

kiện rằng buộc được chỉ ra dưới đây:

Hàm mục tiêu:

Tối thiểu hóa fmax

Các điều kiện rằng buộc được thêm vào từ định nghĩa f m ax

Toàn bộ vấn đề tối ưu của SRWA với mục tiêu là tối ưu hóa số liên kết

cực đại (số liên kết thiết lập được) thể hiện trong các phương trình toán dưới

đây:

SRWA (tối đa số kết nối có thể thiết lập được)

Tối thiểu hóa fmax

Có thể nhận thấy vấn đề tối ưu (III.1) là một dạng của quy hoạch tuyến

tính nguyên bởi vì các biến là các giá trị nguyên và các điều kiện rằng buộc là

tuyến tính Do đó để giải quyết vấn đề trên có thể áp dụng các phương pháp tính