Bài tập lớn môn thiết kế mạng intranet đề tài một phương pháp tối ưu cho việc phân bổ tài nguyên trong mạng quang sdn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

ĐỀ TÀI : MỘT PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU CHO VIỆC PHÂNBỔ TÀI NGUYÊN TRONG MẠNG QUANG SDN

Sinh viên thực hiện: Vũ Trọng Nhân– 20198252Nguyễn Minh Châu– 20198208Bùi Công Danh– 20198211

Giáo viên hướng dẫn : TS Nguyễn Đức Toàn

3 Thuật toán Heuristic 12

3.1 Mô tả thuật toán 12

3.1.1 Phân bổ Đơn Đường Đơn Dịch Vụ 12

3.1.2 Phân-bổ Đơn-đường đi Đa-phân-dịch-vụ 15

3.1.3 Phân-bổ Đa-Đường Đi Đa-Phân-Dịch-Vụ 16

3.2 Phân tích độ phức tạp thuật toán 17

3.3 So sánh giữa các thuật toán khác nhau 21

4 Kết quả mô phỏng 24

5 Kết luận 27

Tài liệu tham khảo 28

Software-defined networks (SDN) Mạng Định Nghĩa Bởi Phần Mềm Wavelength division multiplexing

Đa Kênh Phân Tách Bước Sóng

Elastic Optical Network (EON) Mạng Quang Đàn Hồi Optical Orthogonal Frequency

Division Multiplexing (O-OFDM)

Đa Kênh Tần Số Quang Trực Giao

Routing and Spectrum Allocation Định Tuyến và Phân Bổ Phổ Spectrum fragmentation Sự Phân Mảnh Phổ

Spectrum continuity Tính Liên Tục của Phổ Spectrum consistency Tính Nhất Quán của Phổ Spectrum non-overlapping Phổ Không Chồng Lấp

Multi-path Routing (MPR) Định Tuyến Đa Lộ Trình Holding-Time-Aware (HTA) Nhận Thức Thời Gian Giữ Adaptive Modulation (AM) Điều Chế Thích Ứng Software Defined Elastic Optical

Bộ Thu Phát Biến Đổi Băng Thông

Bandwidth Variable Wavelength

Mở đầu

Sự bùng nổ của các dịch vụ đám mây và khối lượng lưu lượng thông tin lớn do các mạng cung cấp nội dung (content delivery networks) mang lại đang thúc đẩy sự tăng trưởng nhanh chóng của lưu lượng Internet hiện nay Điều này rõ ràng làm trầm trọng thêm những lo ngại về tình trạng tắc nghẽn trong các mạng truyền thông, đặc biệt là với các thành phần cốt lõi và xương sống của mạng Trong bài báo này, một mô hình lập trình tuyến tính nguyên số kết hợp định tuyến đa lộ trình, chăm sóc lưu lượng (traffic grooming) và điều chế thích ứng được xây dựng với mục tiêu tối ưu hóa là giảm thiểu sự chiếm dụng nguồn lực phổ, và một thuật toán mới được đề xuất để giải quyết vấn đề phân bổ băng thông và định tuyến nhận thức thời gian giữ trong mạng định nghĩa bởi phần mềm (SDN) kết hợp với mạng quang đàn hồi Một phương pháp phân bổ dịch vụ đơn đường dẫn đơn được sử dụng để thiết lập kết nối dịch vụ cho cả phân bổ đặt trước tức thì và phân bổ đặt trước nâng cao Nếu kỹ thuật phân bổ dịch vụ đơn đường dẫn đơn không thành công, phương pháp phân bổ nhiều dịch vụ phụ đơn đường dẫn sẽ được áp dụng Nếu nó không thành công, phương pháp phân bổ nhiều dịch vụ phụ đa lộ trình sẽ được thử Khi thiết lập một kết nối dịch vụ, phương pháp phân bổ sử dụng ít nguồn lực phổ nhất được khuyến nghị để giảm chiếm dụng nguồn lực phổ và giải phóng nguồn lực phổ càng sớm càng tốt Khi không có sự khác biệt về nguồn lực phổ, kỹ thuật phân bổ với tổng số khe thời gian bị chiếm ít nhất được chọn Kết quả của các mô phỏng cho thấy phương pháp này có thể giảm tỷ lệ chặn cũng như tăng cường việc sử dụng phổ.

1.Giới thiệu

Sự tăng trưởng mạnh mẽ của lưu lượng truy cập Internet và sự xuất hiện của các ứng dụng đòi hỏi băng thông lớn đã thúc đẩy sự phát triển của các công nghệ truyền dẫn quang học có công suất lớn Mạng Quang Đàn Hồi (EON) có những ưu điểm như tốc độ truyền dẫn cao, khả năng mở rộng mạnh mẽ và linh hoạt cao, và đã nhận được sự chú ý rộng rãi Nó sử dụng Đa phát phân tần quang trực giao (O-OFDM) để phân bổ linh hoạt tài nguyên phổ theo yêu cầu băng thông dịch vụ, nhưng việc phân bổ phổ nhỏ gọn sẽ làm cho quản lý và phân bổ tài nguyên mạng trở nên phức tạp hơn Vấn đề định tuyến và phân bổ phổ (RSA) của EON bị hạn chế bởi tính liên tục, nhất quán và không chồng chéo của phổ, và một chiến lược phân bổ không hợp lý sẽ gây ra lãng phí lớn về tài nguyên phổ Trọng tâm của RSA là giảm thiểu sự phân mảnh phổ càng nhiều càng tốt thông qua các chiến lược định tuyến và phân bổ phổ hợp lý Tiền đề để thiết kế một chiến lược định tuyến và phân bổ phổ hiệu quả là nắm bắt chính xác trạng thái mạng, sự chiếm dụng phổ và các thông tin khác Do đó, một nền tảng quản lý và điều khiển mạnh mẽ là cần thiết để quản lý trung tâm mạng Là một loại kiến trúc mạng mới, mạng định nghĩa bằng phần mềm (SDN) có những ưu điểm như kiểm soát tập trung, quản lý dễ dàng và lập trình được Mạng quang đàn hồi được định nghĩa bằng phần mềm (SD-EON) giới thiệu những ưu điểm của kiểm soát tập trung SDN trong EON, giúp giải quyết vấn đề RSA một cách tốt hơn.

Tài liệu tham khảo [28] đã cải thiện việc sử dụng phổ từ khía cạnh tần số, định nghĩa độ phân mảnh liên kết chuẩn và đề xuất một thuật toán RSA nhận thức về sự phân mảnh Các tài liệu [29–32] đã khảo sát ảnh hưởng của sự phân mảnh phổ đối với hiệu quả của việc truyền tải trong EONs dọc theo đường truyền đơn/đa lộ trình quang học Điều này liên quan đến việc giảm hiệu ứng phân mảnh bằng cách cập

nhật và điều khiển độ chính xác cấp phát băng thông tối thiểu một cách linh hoạt Kết quả cho thấy việc thay đổi độ chính xác băng thông dựa trên tình trạng phân mảnh đường truyền quang có thể cải thiện hiệu suất hơn so với việc sử dụng độ chính xác cố định về khả năng chặn băng thông, số lượng hành động tách đường truyền, lưu lượng thông tin, và vấn đề ràng buộc trễ nảy khác biệt về sử dụng băng thông mạng và phân phối đa lộ trình Các tài liệu [33–35] thảo luận về vấn đề RSA nhận thức về thời gian giữ (HTA-RSA), và phân loại dịch vụ thành hai loại: phân công ngay lập tức (IR) và phân công dự trữ (AR) Các dịch vụ IR bao gồm các ứng dụng thời gian thực như TV mạng tương tác và nghiên cứu khoa học điện tử Khi một yêu cầu dịch vụ đến, cần thiết lập kết nối dịch vụ ngay lập tức, và kết nối được gỡ bỏ sau khi dịch vụ kết thúc Các dịch vụ AR bao gồm ứng dụng như sao lưu dữ liệu và di chuyển dữ liệu, có thời gian bắt đầu và thời lượng cụ thể, và nguồn lực có thể được dự trữ trước Họ đã xem xét ảnh hưởng của các khe cắm tần số bị chiếm và khe cắm tần số nhàn rỗi đối với sự phân mảnh, và thiết kế một phương pháp đo lường mới về sự phân mảnh đường dẫn, tối thiểu hóa sự chênh lệch thời gian giữ có trọng số và xem xét sự phân mảnh trong cả hai lĩnh vực tần số và thời gian khi lựa chọn phương pháp phân bổ tối ưu cho yêu cầu kinh doanh Các tác giả đã đề xuất một kế hoạch tái tổ chức không phá hoại dựa trên thời gian dịch vụ, phân bổ lại nguồn lực cho các dịch vụ có thể được di chuyển song song và không xung đột với các dịch vụ khác, và sử dụng nguồn lực được giải phóng để chấp nhận các yêu cầu dịch vụ mới Để cải thiện việc sử dụng phổ, các tác giả đã thiết kế một phương pháp đo lường sự chênh lệch về thời gian, và dựa trên đó, đã đề xuất một thuật toán RSA động.

Thuật toán HTA-RSA trên có thể đảm bảo tỷ lệ chặn mạng thấp trong hầu hết các trường hợp, nhưng khi tải mạng cao, một số lượng lớn yêu cầu dịch vụ sẽ tràn vào mạng, dẫn đến tình trạng thiếu hụt tài nguyên phổ mạng Khi đó, thuật toán HTA-RSA khó có thể tìm đủ nguồn lực phổ trên một đường dẫn đơn để thiết lập kết nối

dịch vụ, làm tăng tỷ lệ chặn dịch vụ Định tuyến đa lộ trình (MPR) chia một yêu cầu dịch vụ đơn thành nhiều dịch vụ phụ, có thể được truyền trên nhiều đường dẫn, tận dụng hiệu quả nguồn lực mạng và giảm tỷ lệ chặn Tài liệu [36] đề xuất một thuật toán định tuyến, điều chế và phân bổ phổ nhận thức về phân mảnh đa lộ trình (MPFA), xem xét toàn diện cả hai lĩnh vực tần số và thời gian cho vấn đề HTA-RSA trong EON Để tránh sự can thiệp giữa các kết nối dịch vụ khác nhau, EON cần chèn băng thông bảo vệ giữa các kết nối dịch vụ MPR chia yêu cầu dịch vụ thành nhiều dịch vụ phụ để thiết lập kết nối, có thể tăng cường linh hoạt của kết nối dịch vụ và giảm nhược điểm do thiếu hụt nguồn lực phổ Tuy nhiên, mỗi dịch vụ phụ cần bảo vệ băng thông, dẫn đến lãng phí nguồn lực phổ và không thể mang thêm nhiều kết nối dịch vụ.

Chăm sóc Lưu lượng (TG) cho phép nhiều kết nối dịch vụ được thiết lập cùng một lúc trong một khối phổ liên tục, và không cần phải chèn băng thông bảo vệ giữa các kết nối dịch vụ, có thể giải quyết tốt vấn đề lãng phí nguồn lực phổ do việc chia dịch vụ neutron MPR gây ra Tài liệu tham khảo [37] đề xuất một thuật toán định tuyến đa đường động dựa trên TG, có thể phân bổ hợp lý các dịch vụ con được hình thành bởi định tuyến đa đường, cải thiện thông lượng mạng, và giảm tiêu thụ của Bộ Biến Đổi Băng Thông (BVT) Tài liệu tham khảo [38] đề xuất một mô hình lập trình tuyến tính nguyên (ILP) và thuật toán thực nghiệm dựa trên TG và MPR, có thể cải thiện sự sử dụng phổ.

Tài liệu tham khảo [39–40] nghiên cứu về nhận thức thời gian tồn tại của dịch vụ trong mạng phân chia bước sóng (WDM), hỗ trợ vấn đề định tuyến và phân bổ bước sóng (RWA) của TG, và đề xuất một thuật toán cân bằng lưu lượng giao thông nhận thức thời gian giữ (HTBalancing) để cải thiện sử dụng nguồn lực của mạng So với WDM dựa trên lưới cố định, vấn đề RSA của EON phức tạp hơn Thuật toán HTA-RSA hiện tại chỉ phân bổ dịch vụ theo sự khác biệt thời gian giữ trong miền thời gian, và không thể áp dụng trực tiếp cho TG.

Tài liệu tham khảo [41] đề xuất một thuật toán cung cấp dịch vụ động trong EON với định tuyến đơn/đa đường Một số kỹ thuật cung cấp dịch vụ động sử dụng hệ thống định tuyến đơn/đa đường hỗn hợp (HSMR) Tài liệu tham khảo [42] giải thích cách thực hiện việc di chuyển dữ liệu và sao lưu hiệu quả trong mạng liên trung tâm dữ liệu (inter-DC) quang đàn hồi cho các ứng dụng big data Họ bắt đầu bằng cách mô tả ảnh hưởng của các ứng dụng big data đối với mạng liên trung tâm dữ liệu nền tảng và sau đó đưa ra khái niệm về mạng liên trung tâm dữ liệu quang đàn hồi lưới linh hoạt có thể giải quyết vấn đề này Việc di chuyển dữ liệu trong những mạng này sau đó được mô hình hóa như một vấn đề anycast động, và một

số kỹ thuật hiệu quả được trình bày Họ sử dụng phương pháp sao lưu lẫn nhau cho việc sao lưu dữ liệu trong những mạng này và khám phá cách giảm thời gian sao lưu trung tâm dữ liệu Tài liệu tham khảo [43] xem xét các cách để tối ưu hóa đặt chỗ linh hoạt (MR) cho các yêu cầu hướng dữ liệu trong EON với các yêu cầu hướng luồng Đối với mỗi yêu cầu hướng dữ liệu, cấu hình lại RSA được sử dụng để tái chế hiệu quả các mảnh phổ 2D được tạo bởi những cái hướng luồng Chúng tôi bắt đầu bằng cách phát triển một mô hình MILP cho vấn đề MR Dưới hạn chế rằng chúng ta chỉ có thể sử dụng một số lượng hạn chế các cấu hình lại RSA, mô hình MILP cố gắng tối ưu hóa tỷ lệ dữ liệu chuyển giao cho mỗi yêu cầu hướng dữ liệu Sau đó, họ đề xuất một phương pháp lập trình động (DPM) để giải quyết vấn đề MR trong thời gian đa thức Theo dữ liệu mô phỏng, DPM có thể cung cấp cùng một câu trả lời chính xác như MILP nhưng có độ phức tạp thời gian giảm đáng kể Kết quả cũng xác nhận rằng DPM có thể Vấn đề phân mảnh phổ, làm giảm hiệu quả băng thông trong mạng quang đàn hồi, được nghiên cứu trong tài liệu tham khảo [44] Nghiên cứu này trình bày các kỹ thuật định tuyến và phân bổ phổ kết hợp (RSA) để giảm phân mảnh phổ trong quá trình cung cấp đường truyền quang sau khi chia vấn đề phân mảnh hai chiều thành các vấn đề con là phân mảnh và không cân xứng Tài liệu tham khảo [45] nghiên cứu cách thực hiện RSA đa miền trong một SDEON với nhiều miền Họ phát triển một Giao Thức Liên Miền (IDP) để cho phép các bộ điều khiển OF trong các miền SD-EON khác nhau làm việc cùng nhau cho RSA đa miền, cho phép cung cấp đường truyền quang nhận thức sự cản trở bằng cách xem xét cả các lược đồ trong suốt và bán trong suốt Chúng tôi triển khai hệ thống được đề xuất, chứng minh chức năng của nó trong một bàn thử nghiệm mặt phẳng điều khiển SD-EON đa quốc gia bao gồm hai miền phân bố địa lý ở Trung Quốc và Hoa Kỳ, tương ứng, và đánh giá hiệu suất mạng về mặt độ trễ cung cấp đường truyền quang và xác suất chặn Các kỹ thuật cung cấp dịch vụ cho các yêu cầu đa điểm phát sóng đặt trước động (AR) trong mạng quang đàn hồi được nghiên cứu trong tài liệu tham khảo [46] Đầu tiên, nó trình bày nhiều phương pháp để xử lý đồng thời lịch trình dịch vụ, định tuyến và phân bổ phổ (RSA) của các yêu cầu AR đa điểm phát sóng, bao gồm cả RSA nhận thức phân mảnh hai chiều tích hợp (2D-FMA) có thể giảm phân mảnh 2D do việc cung cấp cây sáng tạo ra Các phương pháp đề xuất sau đó được trình diễn và đánh giá bằng cách sử dụng khái niệm về mạng quang đàn hồi được định nghĩa bằng phần mềm (SD-EON) sử dụng OpenFlow (OF) trong mặt phẳng điều khiển Họ tạo ra một bàn thử nghiệm mặt phẳng điều khiển SD-EON, triển khai các thuật toán và thực hiện các thí nghiệm mặt phẳng điều khiển về cung cấp đa điểm phát sóng AR động.

Tóm lại, các nghiên cứu hiện tại đã kết hợp TG và MPR, TG và HTA, và MPR và HTA lần lượt, có thể cải thiện sự sử dụng phổ đến một mức độ nhất định Tuy nhiên, sự kết hợp của TG và MPR bỏ qua HTA, có thể khiến cho nguồn tài nguyên phổ rảnh không đáp ứng được yêu cầu thời gian dịch vụ, dẫn đến việc thiết lập kết nối thất bại Sự kết hợp của TG và HTA bỏ qua MPR, có thể dẫn đến tỷ lệ chặn cao khi tải mạng lớn Sự kết hợp của MPR và HTA bỏ qua TG, có thể chiếm quá nhiều băng thông bảo vệ, do đó làm giảm sự sử dụng phổ

Vì vậy, bài viết này tận dụng lợi thế của quản lý tập trung của SDN, kết hợp các ưu điểm của MPR và TG trong SD-EON để giải quyết vấn đề HTA-RSA, và sử dụng công nghệ điều chế thích ứng (AM) để chọn mức điều chế cao nhất phù hợp với giới hạn khoảng cách truyền tải nhằm giảm bớt việc chiếm dụng tài nguyên dải phổ dựa trên tiền đề đảm bảo tốc độ truyền tải dịch vụ SD-EON bao gồm mặt phẳng dữ liệu và mặt phẳng điều khiển độc lập.

Mặt phẳng điều khiển bao gồm bộ điều khiển SDN và đại lý OpenFlow (OF-AG) Giao thức OpenFlow giao tiếp với bộ điều khiển Mặt phẳng dữ liệu bao gồm Bộ chọn bước sóng biến động băng thông (BV-WSS), Bộ định tuyến cạnh (ER), và Bộ thu phát biến động băng thông có thể chia (S-BVT) BV-WSS chuyển đổi kích thước phổ với độ nhỏ nhất của khe cắm tần số là 12,5 GHz, và chuyển đổi thích ứng các yêu cầu với các tốc độ khác nhau thành một số lượng biến đổi của FS theo khoảng cách đường dẫn và định dạng điều chế tương ứng S-BVT hỗ trợ việc cắt lát, và có thể tạo ra nhiều bộ phát để hỗ trợ các đường dẫn quang đến các nút đích khác nhau, thực hiện truyền tải đa đường Nếu ER nhận được yêu cầu dịch vụ mới không khớp với một mục nhập dòng chảy hiện có, nó được gửi đến bộ điều khiển thông qua một thông điệp Packet-In Ngoài ra, ER cũng có thể thêm, xóa và sửa đổi các mục nhập dòng chảy dựa trên thông điệp Flow-Mod SD-EON yêu cầu cả BVWSS và ER hỗ trợ giao thức OpenFlow và có thể thực hiện các hoạt động cross-connect dựa trên các mục nhập dòng chảy.

Để thực hiện SD-EON, chúng ta cần mở rộng thông điệp Packet-In và thông điệp Flow-Mod của giao thức OpenFlow Trong số đó, thông điệp Packet-In được sử dụng để gửi yêu cầu dịch vụ đến controller Do đó, các trường như tốc độ truyền, loại dịch vụ, thời gian bắt đầu truyền dịch vụ, thời gian kéo dài, v.v cần được thêm vào trong thông điệp Packet-In mở rộng Controller sẽ tính toán dựa trên các thông tin này, lấy thông tin định tuyến và phổ, cần thiết để thiết lập kết nối dịch vụ, sau đó gửi thông tin như tần số trung tâm, độ rộng phổ, chế độ điều chế và thời gian

bắt đầu truyền dịch vụ đến thiết bị tương ứng thông qua thông điệp Flow-Mod mở rộng Trong đó, tần số trung tâm là (193.1 + 0.00625x) THz, độ rộng phổ là 12.5y GHz, và x và y là số nguyên dương.

Đóng góp chính của nghiên cứu đề xuất là như sau:

• Đầu tiên, một mô hình ILP với mục tiêu tối ưu hóa là giảm thiểu sự chiếm dụng tài nguyên phổ được thiết lập.

• Thứ hai, một thuật toán đa đường RSA nhận biết thời gian (HMRSA-TG) dựa trên TG được đề xuất Thuật toán nhằm vào các dịch vụ IR và AR, sử dụng nhiều chiến lược TG, và thử nghiệm liên tiếp để thiết lập kết nối dịch vụ bằng cách sử dụng phân bổ đơn đường đơn dịch vụ, phân bổ đơn đường đa dịch vụ con và phân bổ đa đường đa dịch vụ con để thiết lập kết nối dịch vụ, và ưu tiên chọn chiếm dụng tài nguyên phổ.

• Nếu có nhiều phương pháp phân bổ chiếm dụng cùng một tài nguyên phổ,

phương pháp phân bổ có tổng số khe thời gian chiếm dụng nhỏ nhất sẽ được chọn, và tài nguyên phổ sẽ được giải phóng càng sớm càng tốt để các yêu cầu dịch vụ tiếp theo có thể thiết lập kết nối.

Cuối cùng, nền tảng mô phỏng SD-EON được xây dựng bằng cách sử dụng công cụ mô phỏng Mininet và bộ điều khiển RYU, và hiệu suất của thuật toán HMRSA-TG được mô phỏng và phân tích.

2.Mô hình hóa vấn đề RSA đa đường dựa trên thời gian dựa trên lưu lượng giao thông

Mạng SD-EON bao gồm mặt phẳng dữ liệu độc lập và mặt phẳng điều khiển, trong đó, mặt phẳng điều khiển được tạo thành từ bộ điều khiển SDN và đại lý

OpenFlow (OF-AG) Mỗi OF-AG sử dụng giao thức OpenFlow mở rộng để giao tiếp với bộ điều khiển Mặt phẳng dữ liệu bao gồm Bộ Chọn Bước Sóng Biến Đổi Băng Thông (BV-WSS), Bộ Định Tuyến Biên (ER) và Bộ Biến Đổi Băng Thông Biến Đổi Có Thể Chia Nhỏ (S-BVT) BV-WSS chuyển đổi kích thước phổ với độ chính xác khe cắm tần số là 12.5 GHz và chuyển đổi linh hoạt các yêu cầu với tỷ lệ khác nhau thành một số lượng biến đổi của FS dựa trên khoảng cách đường đi và định dạng điều chế tương ứng S-BVT hỗ trợ việc chia nhỏ và có thể tạo ra nhiều sóng mang để hỗ trợ đường truyền quang đến các nút đích khác nhau, thực hiện truyền dẫn đa đường Nếu ER nhận được yêu cầu dịch vụ mới không khớp với mục nhập luồng hiện có, nó được gửi đến bộ điều khiển qua thông điệp Packet-In Ngoài ra, ER cũng có thể thêm, xóa và sửa đổi mục nhập luồng dựa trên thông điệp

Flow-Mod SD-EON yêu cầu cả BVWSS và ER hỗ trợ giao thức OpenFlow và có thể thực hiện các thao tác chéo dựa trên mục nhập luồng.

Để thực hiện SD-EON, cần mở rộng thông điệp Packet-In và thông điệp Flow-Mod của giao thức OpenFlow Trong đó, thông điệp Packet-In được sử dụng để gửi yêu cầu dịch vụ đến bộ điều khiển Do đó, cần phải thêm các trường như tỷ lệ truyền, loại dịch vụ, thời gian bắt đầu truyền dịch vụ, thời lượng, vv vào thông điệp Packet-In mở rộng Bộ điều khiển tính toán dựa trên những thông tin này, lấy thông tin định tuyến và phổ cần thiết để thiết lập kết nối dịch vụ và sau đó gửi thông tin như tần số trung tâm, chiều rộng phổ, chế độ điều chế và thời gian bắt đầu truyền dịch vụ đến thiết bị tương ứng thông qua thông điệp Flow-Mod mở rộng Thiết bị chuyển mạch quang Trong đó, tần số trung tâm là (193.1 +

0.00625x) THz, và chiều rộng phổ là 12.5y GHz, trong đó × và y là các số nguyên dương.

Topo mặt phẳng dữ liệu SD-EON có thể được biểu diễn dưới dạng đồ thị hướng G(V, E), trong đó V là tập hợp các nút chuyển mạng (OFAG + BVWSS hoặc OF-AG + ER), E là tập hợp các đường truyền quang hai chiều, đường truyền l(u, v) ∈ E, trong đó u, v ∈ V N = |V|, L = |E| là tổng số nút và đường truyền trong mạng, tương ứng Nguồn lực phổ của mỗi đường truyền được chia thành F khe cắm phổ (FS) trong miền tần số và T khe cắm thời gian (TS) trong miền thời gian Mỗi TS có cùng độ dài thời gian τ (phút), và tỷ lệ truyền hỗ trợ bởi mỗi FS liên quan đến mức độ điều chế được sử dụng Các tỷ lệ được hỗ trợ bởi các mức độ điều chế khác nhau và mối quan hệ tương ứng với khoảng cách truyền được hiển thị trong Bảng 1 [12] Trong đó, BPSK là điều chế dịch pha nhị phân, QPSK là điều chế dịch pha tứ phân, 16 QAM là điều chế biên độ tứ phân thập lục phân, và mạng hỗ trợ cả dịch vụ IR và AR Đối với bất kỳ nút s, d nào, sử dụng thuật toán định tuyến K [47] để tính toán K đường đi có khoảng cách ngắn nhất pksd, lưu trữ dưới dạng tập hợp đường đi ứng viên trong tập P = {psdk},s, d ∈ N, k = 1, 2, ⋯,K Gọi yêu cầu dịch vụ đến thứ i làri(sri, dri, wri, pri, bri, hri)∈ φ, trong đó φ = {r1,r2, ⋯,r|φ|} là toàn bộ không gian dịch vụ, sri, dri ∈ N là nút nguồn và nút đích của yêu cầu dịch vụ, wri là tỷ lệ truyền của yêu cầu dịch vụ (tính bằng Gbit/s), vàpri là loại dịch vụ pri = 0 hoặc 1 tương ứng đại diện cho dịch vụ IR hoặc AR.bri và hri là thời gian bắt đầu và thời lượng của yêu cầu dịch vụ tương ứng Đối với dịch vụ IR, bri = 0; đối với dịch vụ AR, bri là một thời điểm cụ thể (thời điểm bắt đầu của một TS nhất định) Nếu ri được phân rã thành

m yêu cầu dịch vụ con, thì rji là yêu cầu dịch vụ con thứ j (j = 1, 2, ⋯, m) Đối với yêu cầu dịch vụ đến ri, kết hợp với ưu điểm củaMPR, TG và HTA, chọn các đường đi ứng viên K tương ứng psidiktừ P theo nút nguồn và nút đích của nó, k = 1,2, ⋯,K,và cố gắng sử dụng đường đi đơn lẻ tương ứng Phân bổ dịch vụ đơn, phân bổ đa dịch vụ con đường đi đơn và phân bổ đa dịch vụ con đa đường để thiết lập các kết nối dịch vụ Bốn chiến lược liên quan đến việc thiết lập kết nối kinh doanh như sau

1 Sử dụng đường truyền quang hiện tại giữa nút nguồn và nút đích để thiết lập kết nối dịch vụ Như hình 1 (a), có một đường truyền quang giữa các nút i và k, và các yêu cầu dịch vụ mới đến giữa các nút i và k được định hướng đến đường truyền quang này.

2 Thiết lập kết nối dịch vụ giữa nút nguồn và nút đích bằng cách sử dụng đường truyền quang hiện tại và đường truyền quang mới tạo Như hình 1 (b), có một đường truyền quang giữa các nút i và j, và các yêu cầu dịch vụ mới đến giữa các nút i và k được định hướng đến đường truyền quang hiện tại giữa các nút i và j, sau đó tạo một đường truyền quang mới giữa các nút j và k.

3 Định hướng yêu cầu dịch vụ đến nhiều đường truyền quang hiện tại giữa nút nguồn và nút đích Như hình 1 (c), có một đường truyền quang giữa các nút i và j, các nút j và k, tương ứng, kết nối các nút i và k Các yêu cầu dịch vụ mới đến được định hướng đến đường truyền quang đã thiết lập giữa i và j tại nút i, sau đó đường truyền quang giữa các nút j và k được định hướng sau khi đạt đến nút j.

4 Thiết lập kết nối kinh doanh bằng cách sử dụng một đường truyền quang mới giữa nút nguồn và nút đích Như hình 1 (d), một đường truyền quang được thiết lập trực tiếp giữa nút nguồn i và nút đích k cho yêu cầu dịch vụ mới đến.

Hình 1 Minh họa về việc thiết lập kết nối quang học (a) sử dụng các đường dẫn quang học hiện có; (b) sử dụng đường dẫn quang học mới tạo; (c) kết nối trực tiếp đến nhiều đường dẫn quang học hiện có; (d) thiết lập một đường dẫn quang học mới giữa nút nguồn và nút đích.

Để mô tả mô hình toán học của vấn đề RSA đa đường dẫn nhận biết thời gian dựa trên TG, một tham số được giới thiệu: một số nguyên dương θ = 104, được sử dụng để xác định liệu phổ có chồng lắp hay không Kết nối công việc đã thiết lập re của TG có thể được thực hiện với kết nối công việc ri Thời gian bắt đầu và kết thúc của ri là ts ,ri,te, ri (số nguyên dương) Thời gian bắt đầu và kết thúc của re là ts ,ri,te, ℜ

(số nguyên dương) ri ,re là các khe thời gian tần số bắt đầu fri, fre (số nguyên dương) Các khe thời gian kết thúc là fe, ri,ri của ri (số nguyên dương) rilà mức điều chế mri và mri = 1, 2, 4 tương ứng với BPSK, QPSK và 16QAM rithực sự được phân bổ các khe thời gian bắt đầu và kết thúc ta,u,v s,ri, ta,u,v e,ri (số nguyên dương) khi l(u,v) ∈ E Số lượng khe tần số Nri và Nre cần thiết cho rivà re (số nguyên dương) Biến nhị phân δt , fU ,V ,rinếu khe tần số f trên liên kết l(u, v) ∈ E được

richiếm trong khe thời gian t, thì δt , fU ,V ,rif = 1, nếu không, δt , fU ,V ,ri= 0 Các biến nhị phân pt ,fU ,V ,ri, nếu khe tần số f trên liên kết l(u, v) ∈ psdk được richiếm trong bất kỳ khe thời gian nào, thì pt ,fU ,V ,ri, = 1, nếu không, pt ,fU ,V ,ri, = 0 Các biến nhị phân ξsri,u,, sri,u,, nếu nút nguồn sri của ri là nút u ∈ N, thì ξsri,u,, sri,u,, nếu không, ξsri,u,, sri,u, = 0 Các biến nhị phân ξsri,u,, dri,u,, nếu nút điểm đến dri của ri là nút u ∈ N, thì ξsri,u,, dri,u,, nếu không, ξsri,u,, dri,u, = 0 Biến nhị phân Xri, nếu ri đang được xử lý, thì Xri, nếu không, Xri Biến nhị phân Mrimri, nếu ri sử dụng định dạng điều chế mri, thì Mrimri = 1, nếu không,

Mrimri = 0 Biến nhị phân yriPksd❑, nếu kết nối kinh doanh của ri đi qua đường dẫn Pksd thì

yriPk =1 , nếu không thì yriPk =0 Biến nhị phân ZU , Vri đại diện cho việc nếu kết nối dịch vụ của riđi qua liên kết l(u, v) ∈ E, thì ZU , Vri = 1, nếu không thì ZU , Vri = 0 Biến nhị phân Wri,re đại diện cho việc nếu rivà ređi qua cùng một liên kết, thì Wri,re = 1, nếu không thì Wri,re = 0.Biến nhị phân Uri,re đại diện cho việc nếu ri và re đi qua cùng một liên kết và số slot phổ bắt đầu của ri nhỏ hơn số slot phổ bắt đầu của re, thì Uri,re = 1, nếu không thì Uri,re = 0.Trong mô hình hóa, việc tối thiểu hóa sử dụng tài nguyên phổ được xem là mục tiêu tối ưu hóa.

1) Điều kiện ràng buộc của RSA bao gồm

Phương trình (2) đảm bảo số lượng các khe tần số (FSs) được phân bổ cho các yêu cầu dịch vụ sẽ không vượt quá tổng số FSs trong liên kết Phương trình (3) là điều kiện bảo tồn dòng chảy Phương trình (4) đảm bảo rằng đường dẫn không có deadlock Phương trình (5) và (6) đảm bảo rằng phổ sẽ không được phân bổ chồng chéo, và (7) là ràng buộc liên tục của phổ Nghĩa là, các khe tần số được chiếm bởi các liên kết khác nhau được kết nối với cùng một đường dẫn là giống nhau.

2) Điều kiện ràng buộc của chuyển hướng đa đường bao gồm

Phương trình (8) đảm bảo rằng mỗi dịch vụ con của ri sẽ không được chia nhỏ hơn nữa, tức là, để đảm bảo rằng mỗi dịch vụ con được kết nối với một đường truyền đơn Phương trình (9) đảm bảo rằng mỗi kết nối dịch vụ con sử dụng một định dạng điều chế duy nhất.

3 Thuật toán Heuristic

Đối với bài toán ILP được đề cập ở trên, rất phức tạp khi giải quyết trên quy mô lớn của mạng và không đáp ứng được yêu cầu về việc kết nối dịch vụ yêu cầu đến động Vì vậy, một thuật toán heuristic được đề xuất với tên là HMRSA-TG Thuật toán này có thể được chia thành ba giai đoạn: phân bổ dịch vụ trên một đường đi duy nhất, phân bổ nhiều phân-dịch-vụ trên một đường đi duy nhất và phân bổ nhiều đường đi với nhiều phân-dịch-vụ.

Khi mỗi phân-dịch-vụ cần phải phân bổ băng thông bảo vệ, hai giai đoạn sau chiếm nhiều băng thông bảo vệ hơn so với việc chỉ có một đường đi duy nhất phục vụ một dịch vụ Để tiết kiệm tài nguyên phổ, giai đoạn đầu tiên được thử trước, và nếu không thành công, giai đoạn thứ hai và thứ ba sẽ được thực hiện Việc phân bổ nhiều đường đi có thể dẫn đến thời gian khác nhau khi các phân-dịch-vụ đến địa chỉ đích Do đó, địa chỉ đích cần cấu hình thêm bộ đệm để lưu trữ dữ liệu và sắp xếp lại nó.

Sau khi giai đoạn đầu tiên thất bại, dịch vụ được chia thành các phân-dịch-vụ và các phân-dịch-vụ này được phân bổ trong các khối phổ trống khác nhau trên một đường đi duy nhất Nếu không thành công, gia nhập giai đoạn thứ ba, chọn cùng số lượng đường đi như số lượng phân-dịch-vụ từ các đường đi thay thế và cố gắng phân bổ các phân-dịch-vụ vào các đường đi khác nhau.

Trước khi mô tả chi tiết về thuật toán, giới thiệu về các tham số: sau khi thiết lập kết nối kinh doanh cho ri, kết nối kinh doanh đó ở trong Tổng số khe thời gian được chiếm bởi mỗi liên kết trên (số nguyên dương) Các biến nhị phân ,

nếu khe tần số f trên liên kết l(u,v) trống trong khe thời gian t, thì = 1, ngược lại, = 0 Giá trị

của trước và sau khi thiết lập kết nối kinh doanh là (biến giá trị nhị phân) Ma trận , với các phần tử là sự chiếm dụng phổ của liên kết l(u,v) Ma trận , với các phần tử là sự chiếm dụng phổ của đường đi

Trên liên kết l(u,v), số khe tần số là (số nguyên dương) Tổng số khe tần số (số nguyên dương) được chiếm bởi dịch vụ hoặc phân-dịch-vụ

trên đường đi psdk được phân bổ trong khối phổ [b,e] Tổng số khe tần số

(số thực dương) được chiếm bởi tất cả các phân-dịch-vụ được phân bổ trong đường đi khi phân-bổ nhiều phân-dịch-vụ trên một đường đi duy nhất Tổng số khe tần số C (số thực dương) được chiếm bởi khi tất cả các phân-dịch-vụ được phân bổ vào các đường đi khác nhau trong quá trình bổ nhiều đường đi nhiều phân-dịch-vụ.

3.1 Mô tả thuật toán

3.1.1 Phân bổ Đơn Đường Đơn Dịch Vụ

1) Đối với yêu cầu dịch vụ đến ri, lựa chọn P = { } làm đường đi thay thế dựa trên nút nguồn và nút đích Đối với mỗi đường đi thay thế (k = 1, 2, ⋯, K), chọn định dạng điều chế tối ưu dựa trên độ dài vật lý của nó để giảm thiểu số khe tần số bị chiếm bởi yêu cầu dịch vụ Số khe tần số Nri cần thiết cho ri trên

có thể được biểu diễn như sau:

(10) Trong công thức, [ ] là hàm làm tròn, là băng thông của mỗi khe tần số, và b là băng thông tương ứng với tỷ lệ truyền tải dịch vụ wri sử dụng định dạng điều chế tối ưu [11].

2) Xây dựng một ma trận dựa trên sự chiếm dụng phổ của mỗi liên kết l(u, v) ∈ trên , và sử dụng điều này làm cơ sở để xác nhận các khe tần số liên tục trống trên đường đi Ma trận có thể được biểu diễn như sau:

Phổ chiếm dụng trên đường đi có thể được biểu diễn như sau:

3) Đối với mỗi phương pháp xử lý đường đi : Theo [ ]

, xác định tất cả các phương pháp phân bổ khả thi của ri thỏa mãn các ràng buộc dưới đường đi hiện tại Đối với tất cả các phương pháp phân bổ khả thi trên đường

đi hiện tại, trước hết, tính toán số khe tần số bị chiếm bởi của tất cả các liên kết dưới các phương pháp phân bổ khác nhau của ri.

Sau đó, tính toán tổng số khe tần số bị chiếm bởi ri trên đường đi hiện tại như sau:

Tiếp theo, chọn phương pháp phân bổ có nhỏ nhất làm phương pháp phân bổ ứng cử của đường đi hiện tại Nếu không có phương pháp phân bổ khả thi cho đường

đi hiện tại, đường đi tiếp theo sẽ được xử lý

Nếu ri không thể được phân bổ trên tất cả các đường đi, tiến vào phân-bổ đa-phân-dịch-vụ trên một đường đi duy nhất Ngược lại, chọn đường đi có b,e nhỏ nhất từ tất cả các phương pháp phân bổ khả thi và phương pháp phân bổ tương ứng để thiết lập kết nối dịch vụ.

4) Nếu có nhiều ứng cử viên có cùng , sau đó dựa vào:

Tính toán các khe thời gian bắt đầu và kết thúc thực tế của ri trên tất cả các liên kết của đường đi tương ứng với cùng một phương pháp ứng cử viên của , sau đó dựa vào:

Tính toán tổng số khe thời gian thực tế bị chiếm bởi dưới mỗi phương pháp phân bổ, và chọn đường đi có nhỏ nhất và phương pháp phân bổ tương ứng để thiết lập kết nối dịch vụ Nếu có nhiều phương pháp phân bổ, phương pháp phân

bổ có số khe tần số kết thúc nhỏ nhất được chọn để thiết lập kết nối dịch vụ Sau khi thiết lập kết nối kinh doanh cho , cập nhật [

Sơ đồ luồng của việc phân bổ đơn đường đi đơn dịch vụ trong giai đoạn đầu tiên được hiển thị trong Hình 2.

3.1.2 Phân-bổ Đơn-đường đi Đa-phân-dịch-vụ

1 Nếu dịch vụ bị chặn ở giai đoạn đầu tiên, chia thành m

sub-dịch vụ, và các phương pháp phân chia sub-dịch vụ có thể được biểu diễn như sau:

Trong công thức, w1, w2 và w3 là ba tỷ lệ truyền tải được hỗ trợ bởi phân-dịch-vụ tương ứng, và w1 > w2 > w3, và n1, n2 và n3 là các số nguyên Đầu tiên, các tổ hợp khác nhau của n1, n2 và n3 được sắp xếp theo thứ tự giảm dần dựa trên n1 Nếu n1 giống nhau, sắp xếp giảm dần dựa trên n2 Sau khi sắp xếp, đầu tiên chọn

tổ hợp đầu tiên làm phương pháp chia kinh doanh, tức là m bằng tổng của n1, n2 và n3 trong tổ hợp đầu tiên Nếu m > K, dịch vụ bị chặn Nếu không, tiếp tục xử lý dịch vụ.

Phương pháp xử lý của đường đi thay thế : Đối với mỗi phân-dịch-vụ , chọn phương pháp phân bổ tối ưu của đường đi hiện tại dựa trên phương pháp phân-bổ đơn-đường đi đơn-dịch-vụ lần lượt, và thu được Nếu không có phương pháp phân bổ khả thi cho một phân-dịch-vụ của đường đi hiện tại, xử lý đường đi tiếp theo Nếu không thể thiết lập kết nối thành công trên tất cả các đường đi, tiến vào giai đoạn thứ ba của phân-bổ đa-đường đi đa-phân-dịch-vụ; nếu không, đối với các đường đi có thể phân bổ thành công tất cả các phân-dịch-vụ, tính toán tất cả các phân-dịch-vụ được phân bổ cho đường đi theo Công thức (19) Tổng số khe tần số bị chiếm khi , và chọn đường đi có chỉ số k nhỏ nhất và phương pháp phân bổ tương ứng để thiết lập kết nối dịch vụ.

3 Nếu có nhiều phương pháp ứng cử viên có cùng , số khe tần số thực tế bị chiếm bởi mỗi phương pháp phân bổ có thể được biểu diễn như sau:

Chọn đường đi có nhỏ nhất và phương pháp phân bổ tương ứng để thiết lập kết nối dịch vụ Nếu có nhiều phương pháp phân bổ, chọn phương pháp phân bổ có số khe tần số kết thúc nhỏ nhất để thiết lập kết nối dịch vụ, và cập nhật sau khi thiết lập kết nối dịch vụ cho tất cả các Sơ đồ luồng của việc phân-bổ đơn-đường đi đa-phân-dịch-vụ trong giai đoạn thứ hai được hiển thị trong Hình 3 3.1.3 Phân-bổ Đa-Đường Đi Đa-Phân-Dịch-Vụ

Chia kinh doanh thành m phân-khởi tạo theo phương pháp chia được xác định trong giai đoạn thứ hai, sau đó chọn m đường đi đầu tiên từ các đường đi thay thế P = { } để sắp xếp, và thu được tập hoán vị của các đường đi

Đối với mỗi sắp xếp, cố gắng gán phân-dịch-vụ cho theo một mối tương ứng một-một, và thiết lập kết nối cho mỗi phân-dịch-vụ bằng cách sử dụng phương pháp phân-bổ đơn-đường đi đơn-dịch-vụ để thu được phương pháp phân bổ tối ưu của mỗi phân-dịch-vụ và tương ứng Nếu không thể được phân bổ thành công trên đường đi tương ứng , sắp xếp đường đi tiếp theo Nếu các phân-dịch-vụ không thể được phân bổ thành công cho tất cả các sắp xếp đường đi, yêu cầu dịch vụ bị chặn Ngược lại, đối với tất cả các phương pháp phân bổ khả thi, tính toán tổng số khe tần số C được chiếm bởi tất cả các phân-dịch-vụ được phân bổ cho các đường đi khác nhau, có thể được biểu diễn như sau:

Chọn phương pháp phân bổ có C nhỏ nhất để thiết lập kết nối trên đường đi tương ứng cho mỗi phân-dịch-vụ Sau khi kết nối kinh doanh được thiết lập thành công, cập nhật ; nếu không, yêu cầu kinh doanh bị chặn Sơ đồ luồng của việc phân-bổ đa-đường đi đa-phân-dịch-vụ trong giai đoạn thứ ba được hiển thị trong Hình 4.

3.2 Phân tích độ phức tạp thuật toán

Hình vẽ dưới đây mô tả sơ đồ của thuật toán HMRSA-TG được đề xuất, chi tiết các bước và quyết định trong quá trình thực hiện