đồ án kỹ thuật viễn thông Nghiên cứu tìm hiểu và đánh giá các thuật toán định tuyến và gán bước sóng trong mạng WDM

MỤC LỤC : Mở đầu …………………………………………………………… 2 I- Tôpô ảo ………………………………………………………… 4 1- Tôpô vật lí và tôpô ảo ………………………………………… 5 2- Các phương pháp chuyển mạch gói …………………………………….7 2.1- Tôpô logic trong mạng chuyển mạch gói điện …………………….7 2.2- Mạng định tuyến đổi dạng (deflection routing) …………… …8 2.3- Thiết kế khoá gói quang ……………………………………… …8 II- Chuyển đổi bước sóng ………………………………………………….9 1- Cơ bản về sự chuyển đổi bước sóng ………………………………….10 1.1- Các bộ chuyển đổi bươc sóng ……………………………… …10 1.2- Chuyển mạch …………………………………………………….11 2- Các vấn đề thiết kế , điều khiển mạng và quản lí ……………….……13 2.1- Thiết kế mạng ……………………………………………… …13 2.2- Điều khiển mạng……………………………………………… 14 2.3- Quản lí mạng…………………………………………………… 15 Trang 1 III - Phân loại và ứng dụng bài toán RWA trong phân bổ và quản lý lightpath ………………………………………………………………… 16 1- Bài toán thiết lập lightpath tĩnh …………………………………… 17 2- Định tuyến và gán bước sóng với bộ chuyển đổi bước sóng ……… 17 3- Bài toán thiết lập lightpath động ………………………………….…18 4- Phương pháp giải bài toán RWA …………………………………….20 5- Một số thuật toán gán bước sóng động ……………………… 20 5.1- First Fit ………………………………………………………….20 5.2- Longest Path …………………………………………………….21 5.3- Least Used ………………………………………………………21 5.4- Most Used …………………………………………………… 23 5.5- Min Product ……………………………………………… 24 5.5- Relative Capacity Loss ………………………………………….24 6- Giới thiệu về ILP và Load Balancing ……………………………… 27 6.1- Giới thiệu về ILP ……………………………………………….27 6.2- Giới thiệu về Adaptive Routing và Load Balancing ………… 28 1- Giới thiệu ………………………………………………… …28 2- Định tuyến thích ứng và cân bằng tải ………………….…… 29 Kết luận ………………………………………………………….……… 30 Trang 2 MỞ ĐẦU Trong thập kỷ qua, việc gia tăng nhanh chóng của các ứng dụng trên Internet, đa phương tiện, truyền hình, xử lý ảnh đã đòi hỏi băng thông ngày càng cao lên tới cỡ gigabyte với khoảng cách xa, mật độ cao, độ rủi ro thấp. Các hệ thống thông tin cáp sợi quang với thuận lợi về băng thông (tần số sóng mang cỡ 200THz), trọng lượng và kích thước nhỏ; tín hiệu về điện cách biệt về điện, không có giao thoa còng nh suy hao đường truyền thấp. Những ưu điểm đó đã được phát triển cho các ứng dụng rộng rãi trong mạng truyền dẫn hiện nay. Để tận dụng được những ưu điểm trên (đặc biệt là độ rộng băng tần của sợi quang), việc phân luồng (định tuyến) và chọn lựa (gán) bước sóng hợp lý cho tín hiệu đến - đi trên các tuyến sợi quang là công việc rất có ý nghĩa nhằm phát huy năng lực tiềm tàng của sợi trong việc tăng dung lượng đường truyền. Trên thế giới mạng WDM đã được thương mại hoá từ năm 1996. Xu thế phát triển mạng hiện nay trên thế giới và ở Việt nam là xây dựng mạng truyền tải toàn quang cho mạng NGN (Next Generation Network- Mạng thế hệ sau) dựa trên công nghệ WDM. Những nỗ lực phi thường về công nghệ truyền dẫn quang trong đó tập trung vào việc nghiên cứu các vấn đề công nghệ mạng WDM trên thế giới hiện nay đang dần đáp ứng được nhu cầu phát triển mạng tất yếu của mạng. Có nhiều vấn đề cần phải giải quyết trong mạng WDM nhằm ngày càng hoàn thiện đặc tính mạng. Trong các vấn đề đó, định tuyến và gán bước sóng trong mạng WDM được coi là một trong những kỹ thuật hấp dẫn nhất và rất có ý nghĩa. Một mặt, kỹ thuật này cho phép xây dựng được mạng truyền dẫn quang linh hoạt và bảo đảm thông suốt các lưu lượng Trang 3 tín hiện lớn. Mặt khác nó cho phép tận dụng băng tần sợi quang trong khi vẫn đơn giản hoá được rất nhiều cấu trúc mạng. Điều đó có tác động lớn tới việc xây dưụng, khai thác và bảo dưỡng mạng rất có hiệu quả sau này. Nh vậy, với một cấu trúc vật lý đơn giản bằng các phương pháp định tuyến và gán bước sóng trong cấu trúc mạng WDM sẽ cho ta truyền được lưu lượng cao và mang lại hiệu quả sử dụng băng tần cũng nh chất lượng dịch vụ. Với ý nghĩa đó công việc nghiên cứu tìm hiểu và đánh giá các thuật toán định tuyến và gán bước sóng trong mạng WDM được tiến hành là rất cần thiết, đặc biệt là khi xu thế mạng NGN yêu cầu việc cấp phát tài nguyên quang. Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng trong các mạng quang đã được phát triển nhanh, nó đã đáp ứng các yêu cầu về băng tần của người sử dụng mạng. Trong mạng định tuyến theo bước sóng, người sử dụng này thông tin với người khác qua các kênh quang, các kênh này được xem như các lightpath Trong trường hợp không sử dụng bộ chuyển đổi bước sóng, một lightpath chiếm cùng bước sóng trên tất cả các tuyến sợi mà nó đi qua. Yêu cầu này gọi là điều kiện ràng buộc về bước sóng liên tục. Chúng ta giả sử rằng mỗi chuyển mạch quang được nối tới một nút truy nhập nh là một nút. Khi đưa ra một tập kết nối (ma trận lưu lượng lightpath ), bài toán thiết lập các lightpath yêu cầu xác định tuyến và bước sóng cho mỗi kết nối được gọi là bài toán định tuyến và gán bước sóng (RWA- routing and wavelength Assignment). Bài toán RWA có nhiều ứng dụng khác nhau trong các giai đoạn xây dựng, khai thác và quản lý mạng quang. Và trong mỗi một ứng dụng cụ thể bài toán có các đặc trưng và ràng buộc riêng. Do giới hạn của công nghệ hiện nay, nên qui hoạch mạng WDM cần tính đến các ràng buộc về tham số vật lý, nh: bộ chuyển đổi bước sóng khó thực hiện, độ dài trong suốt mạng bị giới hạn (suy hao, tán sắc, nhiễu ). Nói chung, đứng Trang 4 trên góc độ của nhà qui hoạch mạng, thì ràng buộc quan trọng nhất đó giới hạn khả năng chuyển đổi bước sóng của thiết bị hiện nay. Còn các ràng buộc về giới hạn vật lý khác (như số bộ khuyếch đại, khoảch cách lớn cho phép ) của thiết bị thường do tiêu chuẩn, đặc tính của hệ thống qui định theo các mã ứng dụng; do vậy khi sử dụng các thiết bị phù hợp với phạm vi ứng dụng thì để đơn giản trong quá trình định cỡ mạng có thể bỏ qua các ràng buộc loại này. Trang 5 I-TÔPÔ ẢO : Tôpô ảo , là chuyển mạch gói , bao gồm tập các lightpaths toàn quang (all-optical lightpaths ) được đưa ra để khai thác mối liên quan mặt mạnh của cả quang lẫn điện , nghĩa là các gói có thể truyền xa tới mức có thể (as far as possible ) trên cùng một bước sóng trong miền quang (khi không có chuyển đổi bước sóng trên lighpath) Bình thường , tôpô của mạng định tuyến bước sóng có thể là mạng lưới (mesh) bất kì . Nó bao gồm các nodes nối chéo bước sóng nối liền với nhau bởi các links sợi quang . Mạng cung cấp các lightpaths giữa các cặp nodes mạng . Lightpath đơn giản là ống dẫn (pipe) băng thông cao , mang dữ liệu có thể lên tới hàng gigabít trên giây . Nó được thấy rõ qua việc cấp phát bước sóng trên path giữa 2 nodes . Rõ ràng , ta không thể phân phối cùng 1 bước sóng cho 2 lightpath có cùng chung 1 link vật lí . Mỗi link chỉ có thể hỗ trợ 1 số bước sóng nhất định do những ràng buộc về công nghệ và giá thành thiết bị . Số bước sóng điển hình hiện nay là khoảng 4 tới 32 nhưng có thể tăng nhanh theo thời gian do công nghệ ngày càng được cải thiện . Vấn đề thiết kế tôpô ảo tối ưu có thể được chia thành 4 bài toán nhỏ : 1. Xác định tôpô ảo tốt nghĩa là máy phát của nút nên được kết nối với trực tiếp với máy thu của nút 2. Định tuyến các lightpath qua tôpô vật lí 3. Phân bổ bước sóng tối ưu cho các lightpath khác nhau 4. Định tuyến các gói lưu lượng trên tôpô ảo Trang 6 Líp quang cung cấp các lightpath cho các lớp mạng cao hơn . Để cung cấp thêm các khả năng cho líp quang , một vài đặc tính có giá trị được đưa ra dưới đây :  Trong suốt : Trong suốt đề cập tới sự thật là lightpath có thể mang dữ liệu tại các tốc độ khác nhau , các giao thức khác nhau , …, có thể hỗ trợ các lớp quang khác nhau một cách đồng thời (1 vài lightpath có thể mang dữ liệu SONET trong khi các lightpath khác có thể mang các cells ATM trực tiếp với các tốc độ khác nhau)  Sử dụng lại bước sóng : Mặc dù số bước sóng khả dụng là hạn chế , mạng vẫn có thể cung cấp các dung lượng lớn bởi sự sử dụng lại bước sóng trong mạng . Bởi vậy số lightpath mà mạng hỗ trợ lớn hơn số bước sóng khả dụng .  Sù tin cậy : Mạng được cấu hình sao cho khi có lỗi xảy ra , các lightpath có thể được tái định tuyến qua các paths thay thế một cách tự động . Điều này đưa đến mức độ tin cậy cao trong mạng .  Tôpô ảo : Tôpô ảo bao là graph bao gồm các nodes mạng với cạnh giữa 2 nodes nếu có lightpath giữa chúng .  Chuyển mạch kênh : Các lightpaths cung cấp bởi lớp quang có thể được cài đặt và tháo gỡ theo yêu cầu . Chúng gần giống nh trong mạng chuyển mạch kênh trừ tốc độ cài đặt và gỡ bỏ thấp hơn nhiều tốc độ trong mạng thoại với các kênh thoại 1 - TÔPÔ VẬT LÍ VÀ TÔPÔ ẢO Trang 7 Hình 1 : Ví dụ mạng truyền dẫn quang định tuyến bước sóng Kết cấu của mạng truyền dẫn quang định tuyến bước sóng bao gồm một tập hợp điểm nút và một nhóm tập hợp đường kết nối quang điểm nối điểm nh hình 1. Kết cấu điểm nút chia làm 2 phần : phần bộ kiện quang là do một cặp bộ ghép/tách kênh bước sóng , ma trận khoá quang tạo thành khoá định tuyến bước sóng WRS , nó có thể chọn một số kênh quang nào đó thông qua điểm nút này , một số kênh khác ở ghép đường hoặc tách đường tại chỗ ; Đối với mạng quang truyền số liệu gói , bộ kiện điện là thiết bị định tuyến gói , nó thông qua một số lượng máy thu/phát kết nối vào bộ kiện quang của điểm nút . Do điểm nút không có chức năng biến đổi bước sóng , cho nên cần phân phối cho mỗi kênh quang cùng một bước sóng nh nhau . Tôpô vật lí của mạng ghép kênh bước sóng là kết cấu do điểm nút định tuyến và đường kết nối ghép kênh tạo yhành mạng kết nối vật lí nh đường liền nét trong hình 1 . Kết cấu cụ thể mạng điểm nút nh hình 2 . Dùng khái niệm kênh quang , có thể xây dựng tôpô ảo của mạng , thực hiện một vùng đệm giữa tôpô vật lí với yêu cầu thông tin dịch vụ của điểm nút . Đường Trang 8 §iÓm nót b íc sãng chän ® êng WRS A C B D Sîi quang Kªnh quang chấm chấm trong hình một biểu thị kết cấu tôpô ảo của mạng . Sự khác nhau giữa tôppô vật lí và tôpô ảo là : 1. Tôpô vật lí hướng về kết nối vật lí của điểm nút , tôpô ảo hướng về kết nối logic của điểm nút . 2. Trên mô hình lớp mạng truyền dẫn , tôpô vật lí nằm ở môi chất truyền dẫn , tôpô ảo nằm ở lớp kênh . 3. Điểm nút định tuyến trong tôpô vật lí được xem như là mô hình bộ kiện quang trong điểm nút mạng chuyển mạch bước sóng . Cạnh là sợi quangđường kết nối , điểm nút nối vào tôpô ảo xem như sự trừu tượngcủa bộ kiện điện trong điểm nút mạng chuyển mạch bước sóng , cạnh là kênh quang 4. Trong tôpô vật lí , mức độ vật lí của điểm nút do số lượng điểm nút có đường kết nối với điểm nút này và số lượng đầu dây của khoá định tuyến quyết định .Trong tôpô ảo , độ ra lôgic và độ vào lôgic của điểm nút do số lượng máy phát xạ quang/ số máy thu và số lượng đầu dây của khoá điện quyết định . 5. Kết cấu tôpô ảo có thể khác tôpô vật lí của mạng , nhưng thực hiện một tôpô ảo phải đem nó lồng vào trong tôpô vật lí . 6. Thiết kế tôpô vật lí là chọn phương án thích hợp nhất về chi phí xây dựng , hiệu qủa và lợi Ých tổng thể với tiền đề đảm bảo tính năng truyền dẫn của mạng , trên cơ sở các vị trí điểm nút và những bộ kiện có thể dùng được . Thiết kế tôpô là trên cơ sở các vị trí điểm nút , xây dựng phương án kết cấu sao cho tính năng truyền tin tức của tôpô là tốt nhất Tư tưởng chia kết cấu của mạng ghép kênh bước sóng ra thành tôpô vật lí và tôpô đã làm đơn giản quá trình thiết kế mạng , làm cho nhà thiết kế có thể thiết kế ra hình thức kết cấu mạng tốt nhất trong các điều kiện khác nhau và Trang 9 hướng về mục tiêu khác nhau . Vấn đề thiết kế tôpô ảo của mạng gói thể hiện đặc biệt tính linh hoạt của kết cấu mạng ghép kênh bước sóng . Trong mạng ghép kênh bước sóng dùng để truyền dịch vụ gói , thông tin gói giữa các điểm nút có thể đi qua mét hay nhiều kênh quang , gọi là định tuyến gói tin tức trên tôpô ảo . Thiết kế kết cấu tôpô ảo , định tuyến và phân phối bước sóng trên tôpô vật lí và quá trình định tuyến gói đều gọi chung là thiết kế tối ưu tôpô ảo của mạng . Xác định kết cấu tôpô ảo tốt nhất của mạng và phương án định tuyến , có thể triệt để lợi dụng số lượng có hạn các máy thu phát quang và tài nguyên bước sóng khả dụng , giảm tối đa các thao tác lưu giữ và chuyển phát trên miền điện của điểm nút , làm cho chỉ tiêu tính năng của mạng được tối ưu . Tóm lại , tôpô ảo có thể khắc phục được mâu thuẫn tồn tại trên mục tiêu và hiệu quả giữa nhu cầu dịch vụ và thiết kế mạng vật lí , có khả năng thích nghi lớn với sự biến đổi nhu cầu dịch vụ , hơn nữa còn có thể tiết kiệm tài nguyên mạng . Trang 10 [...]... khụng cú lu lng no c xem xột trong tng lai nh tuyn ti u núi chung s ti u v chi phớ Trong thc t cú th khụng cn thit trin khai, nõng cp thờm h thng nh nh tuyn ti thiu s bc súng ch nm trong dung lng ca h thng c Trng hp tnh ph bin khi nh c v thit k mng WDM trong một giai on nht nh Trong trng hp ny bi toỏn RWA c gi l thit lp lightpath tnh (SLEStatic Lightpath Establishment), hay trong quỏ trỡnh nh c mng bi... t trong mng l bit trc ban u Mc ớch l ti a tng thụng lng trong mng ngha tng s lightpaths c thit lp ng thi trong mng Biờn trờn trong lu lng mang theo trờn mi bc súng t c (i vi mng cú hay khụng cú chuyn i bc súng ) bng cỏch gim bt qui hoch tuyn tớnh nguyờn tng ng Mt vi phng phỏp da trờn heuristics c xut cho vic gii bi toỏn RWA tnh trong mng khụng cú chuyn i bc súng 2.3-QUN L MNG Cỏc vn ny sinh trong. .. congested path ) cho thit lp lightpath ng Trong thut toỏn LCP , lightpath c nh tuyn trờn path ít nghn nht trong tp cỏc paths thay th (alternate paths ) gia cp ngun ớch Vic phõn phi bc súng trờn path ny l bc súng u tiờn t do trong tt c cỏc links trờn path ny , ú cỏc bc súng c ỏnh s tu ý Cú th thy c rng , khi nghn trong mch tng , s bc súng cn trong trng hp ng s nhiu hn trong trng hp tnh Trog trng hp tnh... quang trong mi nỳt ca mng, khi ú mng c gi l cú kh nng chuyn i bc súng y Mt mng hoỏn i bc súng vi kh nng chuyn i bc súng y ti mi nỳt l tng tng vi mt mng in thoi chuyn mch kờnh hay mng WDM; nh vy khi ú ch cũn tớnh bi toỏn nh tuyn Chú ý rng mt lightpath n trong mt mng hoỏn i bc súng cú th s dng mt bc súng khỏc dc theo mi kiờn kt trong cỏc lung ca nú Nh vy vic chuyn i bc súng cú th ci thin hiu sut trong. .. gian v cú th l khú cú th t c trong mng din rng Cỏc mụ phng cho thy thut toỏn nh tuyn LCP l s la chn phự hp cho nh tuyn ng ca cỏc lightpaths bi cỏc thuc tớnh n gin v kh nng thớch nghi ca nú Trong cỏc mng nh tuyn quang WDM trong mụi trng lu lng ng Khi cú mt yờu cu kt ni, k thut RWA phi cú kh nng la chn mt tuyn, gỏn mt bc súng cho kt ni v t cu hỡnh cỏc chuyn mch quang thớch hp trong mng gim thiu xỏc sut... s dng ít nht trong mng bng cỏch th cõn bng ti gia tt c cỏc bc súng Vớ d, trng thỏi s dng hin ti ca h thng c ch ra trong hỡnh sau (ng nột lin biu th bc súng trờn tuyn si ang c s dng bi mt kt ni, cỏc vựng khụng k biu th bc súng cú th s dng trờn cỏc tuyn si ny): 3 2 1 1 Trang 32 2 3 4 5 6 Hỡnh 3.1 Trng thỏi ban u ca mng Bc súng 1 c s dng trong 3 tuyn, 2 c s dng trong 1 tuyn, v 3 c s dng trong 2 tuyn Bõy... - MINPRODUCT) Thut toỏn ny c s dng trong mng a si; trong mng n si MP tr thnh FF Mc ớch ca MP l tp hp cỏc bc súng thnh cỏc si, sau ú ti thiu s si trong mng Hot ng ca thut toỏn nh sau: Ly mt vớ d, chỳng ta cn gỏn mt bc súng cho mt yờu cu kt ni riờng bit n Thut toỏn MP s xem xột mi bc súng (trong s nhng bc súng kh thi) v tớnh s si quang ang mang bc súng ú mi tuyn si trong lung quang, Dlj S cỏc si quang...Khoá bớc sóng chọn đờng WRS 12 Khoá quang 1 12 12 12 Khoá quang 1 12 12 Bộ định tuyến Hỡnh 2 :Kt cu im nỳt nh tuyn bc súng 2 - CC PHNG PHP CHUYN MCH GểI Phn ny cp qua v cỏc phng phỏp chuyn mch gúi trong thit k mng quang Cỏc thit k ny cú th phõn thnh 2 phng phỏp khỏc bit : (1) truyn dn quang qua cỏc lightpaths... khin v qun lớ mng trong cỏc mng con bng vic cho phộp cỏc phõn phi bc súng linh hot bờn trong mi mng con Nh trong hỡnh 5 cho thy , cỏc qun tr mng 1 , 2 v 3 qun lớ cỏc mng con ca h v cú th s dng chuyn i bc súng cho vic liờn lc gia cỏc mng con Trang 22 Subnetwork 2 2 Subnetwork 1 1 Subnetwork 3 3 Hỡnh 5 : Chuyn i bc súng cho qun lớ mng phõn tỏn Trang 23 III - PHN LOI V NG DNG BI TON RWA TRONG PHN B V QUN... ti cỏc im nodes trung gian Hin nay phng phỏp trc thớch hp hn bi s khú khn trong vic xõy dng cỏc khoỏ chuyn mch gúi quang ph thuc vo thiu ht b nh quang 2.1 TễPễ LễGIC TRONG MNG CHUYN MCH GểI IN Tp cỏc lightpaths c s dng nh l tụpụ o qua ú mng chuyn mch gúi cú th c gn vo Bi toỏn thit lp tụpụ o ti u trong mng chuyn mch da trờn WDM , tụpụ vt lớ cho trc , da trờn cng lu Trang 11 lng qua cỏc nodes Mc . Với ý nghĩa đó công việc nghiên cứu tìm hiểu và đánh giá các thuật toán định tuyến và gán bước sóng trong mạng WDM được tiến hành là rất cần thiết, đặc biệt là khi xu thế mạng NGN yêu cầu việc cấp. ), bài toán thiết lập các lightpath yêu cầu xác định tuyến và bước sóng cho mỗi kết nối được gọi là bài toán định tuyến và gán bước sóng (RWA- routing and wavelength Assignment). Bài toán RWA có. phát triển mạng tất yếu của mạng. Có nhiều vấn đề cần phải giải quyết trong mạng WDM nhằm ngày càng hoàn thiện đặc tính mạng. Trong các vấn đề đó, định tuyến và gán bước sóng trong mạng WDM được