định tuyến multicast trong mạng cáp quang

1 §¹i häc quèc gia hµ néi TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN    Bïi thÞ ngäc tó ĐỊNH TUYẾN MULTICAST TRONG MẠNG CP QUANG Chuyên ngành: Bm toán hc cho máy tính và h thng tính toán Mã s: 60.46.35 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC GIẢNG VIÊN HƯNG DN KHOA HỌC: TS LÊ TRO ̣ NG VI ̃ NH H ni, 2011 1 LỜI CM ƠN    m xin chân thành c --i Hc Khoa Hc T Nhiên,          u kin tt cho em thc hi tài này. Em xin  c   hy     tng dn, ch bo em trong sut thi gian thc hi tài. Em i li cn quý Thy,  tn tình ging dy, trang b cho em nhng kin thc quí báu trong nh hc va qua.    em xin      các anh ch và bn bè    ng h ng viên em trong nh sut thi gian hc tp và nghiên cu. Mc dù em  gng hoàn thành lum vi và kh  cho phép, nhc chn s không tránh khi nhng thiu sót, kính mong s cm thông và tn tình ch bo ca quý Thy Cô và các bn. , 15    2 MỤC LỤC M U 4 NG CÁP QUANG  NN TNG CHO MNG TH H MI 9 I.1 Công ngh WDM 9 I.2 Kin trúc mng quang 12 I.3 Các v trong mng quang 13 I.3.1 Các kiu truyn thông trên mng 13 I.3.2 Các yêu cu truyn thông trên mng 14 nh tuyc sóng 14 I.3.4. S cn thit ca các thit b chuyc sóng. 19 I.3.5. Kh u li 21 I.3.6 S công bng 22 I.4 Mc tiêu và gii hn ca lu 23 NH TUYN MULTICAST TRONG MNG QUANG 24 II.1 Các khái ni 24 II.2 Bài toán 25 II.3 Các cách tip cn gii bài toán 26 II.3.1 Thut toán Member-Only 26 II.3.2 Nhng thiu sót ca thut toán Member-Only 28  NG GII THUT DI TRUYNH TUYN MULTICAST 34 III.1 Gii thut di truyn 34 3 III.1.1 Gii thiu 34 ng ca thut toán di truyn 35 III.1.3 Các v n v thut toán di truyn 36 III.2 Gii thut di truyn gii bài toán 43 III.3 Các kt qu thc nghim và tho lun 48 KT LUN 55 TÀI LIU THAM KHO 56 4 DANH MU ̣ C HI ̀ NH VE ̃ VA ̀ ĐÔ ̀ THI ̣ 1.1: Wavelength Division Multiplexing 11 1.2: Kin trúc mng quang 12 Hình 1.3: Broadcast 13 Hình 1.4: Multicast 13 ng ngn nht c nh 15 Hình 1.6: Mô t tuyn kt ni chính( nét lin) và tuyn thay th t). 16 nh tuyn thích nghi t n nút 2 17 Hình 1.8: S chuyc sóng 19 1.9:    20 Hình 1.10 Mng quang có s dng wavelength converter. 20 ng hp chuyc sóng. 21 Hình 1.12 : Backup multiplexing Technique 22 Hình 2.1: Mn 1 29 Hình 2.2: Mn.2 30 Hình 2.3: Mnn 3 33 Hình 3.1. Ví d ca bnh tuyn 44 Hình 3.2: S quan h ga cá th, gen và bnh tuyn 44 Hình 3.3: S lai ghép 47 t bin 48 Hình 3.5 . Topo: (a) NSF vi 14 nút và 21 links. (b) EON vi 19 nút và 35 links. 49 5 Hình 3.6: So sánh thut toán Member-Only và s ci tin 51 Hình 3.7: So sánh hit toán di truyn v thích nghi 52 Hình 3.8: So sánh hiu qu ca thut toán di truyn và Member-Only 53 6 DANH MU ̣ C KY ́ HIÊ ̣ U VA ̀ TƯ ̀ VIÊ ́ T TĂ ́ T K hiu viê ́ t tă ́ t Viê ́ t đâ ̀ y đu ̉ Giải thch ATM Asynchronous Transfer Module     EDFA Erbium Doper Fiber Amplifier        GA Genetic Algorithms Gi LU Lest Used   MC Multicast Capable  MI Multicast Incapable      MRWA Multicast Rounting and Wavelength Assgnment       n      MSpT Minimum Spanning Tree      MU Most Used   MUX Multiplexer  OCX Optical Cross Connect    RWA Rounting and Wavelength Assgnment             TaC Tap and Continue  ToC Tap or Continue   VS Visual source  WDM Wavelength Division Multiplexing  c  7 MỞ ĐẦU Cùng vi s phát trin bùng n ca mng ngày nay, nhu cu truyn thông cht ng cao, ít ln ngày càng tr nên bc thit. Nhng dch v c cung cp bi mp thông tin t n t c s dng bi hàng tri i trên th gii. S phát tri    a Internet và nhng ng dng yêu c     n hình trc tuyn, nhng cuc hi th     i mng ph   thông rng mà các m       ng ATM (asynchronous transfer mode) không th c. Nhng yêu cu này ch   ng nu mng cáp quang (optical network) còn gi là mng c s dng, vì mng quang cho phép truyn d liu vi t cao (gn 50 Tb/s), giá thành r (xp x 0.30 $/yard, mt yard = 0.914m), t l li bit thp (t l li bit ca si quang là 10 12 , còn cng là 10 6 ). Trong các mng cáp quang, các nút mng (nútc ni vi nhau bi các liên kt vt lý (link) bng các si quang (fiber). Truyn thông unicast t mt nút mng ti mt nút mng khác s dng mng truyn vt lý tri qua mt hoc nhiu link và trên mi link s dng mt kênh (channel) (mi kênh dùng mc sóng (wavelength)) gi là mt lightpathng hp mng không có các thit b chuyc sóng ca các kênh trên tt c các link thuc cùng mc yêu cu là gic bi ràng buc liên tc cc sóng (wavelength continuity constraint) trong các mng quang. Khác vi truyn thông unicast, truyn thông multicast t mt nút ngun ti mt t dng mt cây (tree) tri qua nhiu link và mi link s dng mc sóng gi là light-tree. ng hp, do s rng buc liên tc cc sóng nên r xây dng mt light-tree cho mt yêu cu 8 multicast thì chúng ta s xây dng mt tp các light- h tr cho mt yêu cu kt nc gi là light-forest. Bài toán tìm light-tree tha mãn yêu cu ca mt kt ni multicast  gi là MRWA (Multicast Routing and Wavelength Assignment) - c chia thành hai bài toán con: Tc cây steiner-c sóng cho cây này. Bài toán tìm steiner-c bi. Vì vy, trong thc t, các thuc s d gii bài toán này. Mt khác, các thut toán tic bit là gii thut di truyn (GA-Genetic c chng minh bng thc nghim là hiu qu  gii các bài toán ty, mc tiêu ca lun u v bài toán nh tuyn multicast trong mng quang và áp dng gii thut di truy gii quyt nó. Không k phn m u và kt lun, ni dung lu c trình  :  gii thiu v mng cáp quang, các v chính trong  quang.   Trình bày chi tit v   nh tuyn multicast trong mng quang. ng gii thut GA cho bài toán MRWA 9 Chương I: MẠNG CÁP QUANG – NỀN TẢNG CHO MẠNG THẾ HỆ MỚI Mng cáp quang hong da trên hing phn x toàn phn trong si     ng truyn thng vì d li c truyn qua si  i dng các photon, còn trong mng truyn thng d li c truyi dng các electron. Photon có trng nh  electron   a gia các photon không có s    a các electron. Mt khác, ánh sáng có tn s    i cùng chiu dài, cáp quang truy c nhi     ng. Cùng vi nhc tính c ln, chi phí thp, t l li bít cc th nhiu tín hiu rt nh, yêu cu không gian nh, kh o mn nay m ha h     c s dng rng rãi trong mạng truyền thông backbone (mng truyng trc) [1]. I.1 Công nghệ WDM Theo lý thuyt, s     c ln (khong 25THz), gp khong 1,000 ln so vng cng ca sóng radio trên các v tinh t. Tuy nhiên do t truy cp mng ci dùng b gii hn bi t n  các nút mng (vài Gb/s). S ng v  gin này làm cho vic khai thác hng l ca mt si cáp quang mà ch dùng mt kênh truyn sóng là rt   i s dng là công ngh WDM (wavelength division multiplexing) cùng vi EDFA (erbium doped fiber amplifer)   gii quyt v này. [...]... chia thành hai bài toán nhỏ và giải độc lập: định tuyến và gán bước sóng a Định tuyến Các chiến lược định tuyến thường được phân thành ba loại: định tuyến cố định, định tuyến thay thế cố định, định tuyến thích nghi  Phương pháp định tuyến cố định ( fixed routing) Với chiến lược này, mỗi một yêu cầu kết nối unicast (mutlicast) một đường (một cây) cố định được dùng để thiết lập lightpath (light-tree)[1]... [4, 5] Do vậy, mục tiêu thứ hai của luận văn này là áp dụng giải thuật di truyền để giải quyết bài toán định tuyến multicast trên mạng quang 23 Chương II: ĐỊNH TUYẾN MULTICAST TRONG MẠNG CÁP QUANG II.1 Các khái niệm và định nghĩa Để hỗ trợ kiểu truyền thông multicast được hiệu quả, các nút mạng cần có khả năng phân chia ánh sáng (light splitting) đó là: một nút với khả năng phân chia ánh sáng... routing) ̣ ̣ Để khắc phục nhược điểm của chiến lược định tuyến cố định, người ta thường dùng chiến lược định tuyến luân phiên cố định Trong định tuyến luân phiên cố định, với mỗi một kết nối chúng ta không sử dụng một đường (một cây) cố định như trong định tuyến cố định mà dùng nhiều đường (cây) cố định để thiết lập lightpath cho chúng Có nghĩa là khi yêu cầu kết nối đến, chúng ta có thể tìm các bước... hạn của luận văn Như đã trình bày ở trên, có rất nhiều vấn đề quan trọng trong mạng quang Tuy nhiên, bài toán định tuyến và gán bước sóng vẫn là bài toán quan trọng nhất Hơn nữa, định tuyến multicast sẽ là trường hợp tổng quát nhất trong các kiểu truyền thông Vì vậy, khóa luận này sẽ tập trung tìm hiểu về bài toán định tuyến multicast Mặt khác, các thuật toán tiến hóa, đặc biệt là giải thuật di... Một mạng cáp quang bao gồm các nút OCXs được kết nối với nhau bởi những liên kết điểm tới điểm theo một topo bất kỳ như hình 1.2 Mỗi nút cuối (liên kết với người dùng) kết nối tới một nút định tuyến thông qua một liên kết quang Tập hợp những nút cuối gắn với một nút định tuyến tạo nên một nút mạng Mỗi nút có các đầu truyền và các đầu nhận tương ứng để gửi dữ liệu vào trong mạng và nhận dữ liệu từ mạng. .. với dạng tĩnh là yêu cầu về thời gian thực hiện nhanh I.3.3 Định tuyến và gán bước sóng Trong mạng cáp quang, một kết nối unicast (multicast) được thực hiện bởi một lightpath (light-forest) Thuật toán để chọn tuyến (path hoặc tree) và gán bước sóng (wavelength) cho việc thiết lập các lightpath được gọi là thuật toán định tuyến và ấn định bước sóng RWA (MRWA) Bài toán RWA (MRWA) là bài toán NP... đến giữa nút 0 và 2 Trạng thái hiện thời của mạng là liên kết 1-2, 4-2 không thể sử dụng được nữa Nếu dùng chiến lược định tuyến cố định và định tuyến luân phiên (k=2) ở trên, kết nối này sẽ bị block Tuy nhiên với chiến lược định tuyến thích nghi, kết nối này vẫn có thể thực hiện được thông qua tuyến 0->5->4->3->2 như hình 1.7 dưới đây 16 Hình 1.7: Định tuyến thích nghi từ nút 0 đến nút 2 Ưu điể m... mạng Để khắc phục nhược điểm này, người ta thường dùng chiến lược định tuyến thích nghi dưới đây  Phương pháp định tuyến thích nghi (adaptive routing) Trong định tuyến thích nghi, với mỗi cặp nút nguồn s và nút đích d, không một đường (cây) cố định nào được chọn trước cho nó Khi yêu cầu kết nối đến, thuật toán sẽ tìm đường đi ngắn nhất giữa s và d (tập D)có bước sóng rỗi dựa trên trạng thái mạng. .. đến tất cả các nút còn lại trong mạng Hình 1.3: Broadcast  Multicast: Các gói được gửi từ một nút nguồn s đến một nhóm các nút đích D Hình 1.4: Multicast Rõ ràng, định tuyến multicast là trường hợp tổng quát nhất: |D| = 1 sẽ tương ứng với unicast, |D| = n-1 (n là số nút mạng) tương ứng với broadcast 13 I.3.2 Các yêu cầu truyền thông trên mạng Yêu cầu truyền thông trên mạng có hai dạng: Dạng tĩnh... thức ghép kênh quang theo bước sóng Thông thường trong tuyến thông tin quang điểm nối điểm, mỗi một sợi quang cho một tia laser với một bước sóng ánh sáng truyền qua, tại đầu thu, bộ tách sóng quang tương ứng sẽ nhận tín hiệu từ sợi này Mỗi một sóng laser mang một số tín hiệu điện với một phổ nhất định Từ những năm 1980, công nghệ sợi quang có nhiều tiến bộ nên phương thức ghép kênh quang theo bước .  gii thiu v mng cáp quang, các v chính trong  quang.   Trình bày chi tit v   nh tuyn multicast trong mng quang. ng gii thut. thut GA cho bài toán MRWA 9 Chương I: MẠNG CÁP QUANG – NỀN TẢNG CHO MẠNG THẾ HỆ MỚI Mng cáp quang hong da trên hing phn x toàn phn trong si     ng. hµ néi TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN    Bïi thÞ ngäc tó ĐỊNH TUYẾN MULTICAST TRONG MẠNG CP QUANG Chuyên ngành: Bm toán hc cho máy tính và h thng tính toán