Mô hình tối ưu giải bài toán bảo vệ mạng đa miền

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI PHẠM THỊ HƢỜNG MÔ HÌNH TỐI ƢU GIẢI BÀI TOÁN BẢO VỆ MẠNG ĐA MIỀN LUẬN VĂN THẠC SĨ: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN HÀ NỘI, NĂM 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI PHẠM THỊ HƢỜNG MÔ HÌNH TỐI ƢU GIẢI BÀI TOÁN BẢO VỆ MẠNG ĐA MIỀN Chuyên ngành: Hệ thống thông tin Mã số: 60480104 LUẬN VĂN THẠC SĨ: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS Đỗ Trung Kiên HÀ NỘI, NĂM 2017 LỜI CẢM ƠN Trước hết, em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo khoa công nghệ thông tin, trường Đại học Sư phạm Hà Nội tạo điều kiện giúp đỡ em suốt khóa học để em hoàn thành tốt luận văn Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng kính trọng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn TS Đỗ Trung Kiên tận tình hướng dẫn, bảo, động viên, trang bị kiến thức tài liệu quý báu, tạo điều kiện thuận lợi giúp em trình làm luận văn tốt nghiệp Cuối cùng, thời gian kiến thức có hạn chắn luận văn tránh khỏi thiếu sót Kính mong nhận bảo góp ý quý thầy, cô bạn Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng năm 2017 Tác giả Phạm Thị Hường LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu khoa học kết nghiên cứu cá nhân Các số liệu tài liệu trích dẫn công trình trung thực Kết nghiên cứu không trùng với công trình công bố trước Tôi chịu trách nhiệm với lời cam đoan Hà Nội, tháng năm 2017 Phạm Thị Hường MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu Khách thể đối tƣợng nghiên cứu Giả thuyết khoa học Nhiệm vụ nghiên cứu Giới hạn phạm vi nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu Đóng góp luận văn Cấu trúc luận văn CHƢƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Quá trình phát triển mạng quang 1.1.1 Mạng quang hệ thứ 1.1.2 Mạng quang hệ thứ hai 1.1.3 Mạng quang hệ thứ ba (mạng dựa ROADM) 1.2 Công nghệ mạng quang 1.2.1 Khái quát mạng quang 1.2.2 Ưu điểm nhược điểm công nghệ WDM 1.3 Các phần tử mạng quang 1.3.1 Thiết bị đầu cuối 1.3.2 Bộ khuếch đại quang 11 1.3.3 Bộ ghép kênh tách/ghép quang 12 1.3.4 Bộ kết nối chéo quang 14 1.4 Kỹ thuật sinh cột 16 1.5 Kết luận chƣơng 18 i3 CHƢƠNG 2: BẢO VỆ MẠNG QUANG ĐA MIỀN 19 2.1 Bài toán bảo vệ mạng quang 19 2.2 Phƣơng pháp bảo vệ mạng quang 22 2.2.1 Phân loại phương pháp bảo vệ 22 2.2.2 Bảo vệ riêng 24 2.2.3 Bảo vệ chia sẻ 25 2.2.4 Bảo vệ đoạn ghép kênh quang 27 2.2.5 Bảo vệ dựa liên kết 27 2.2.6 Bảo vệ dựa đường 29 2.2.7 Bảo vệ đường/liên kết 30 2.2.8 P-cycle 31 2.2.9 FIPP p-cycle 32 2.3 Mạng quang đa miền 34 2.4 Bảo vệ mạng quang đa miền 35 2.4.1 Các giải pháp gần 36 2.4.2 Các giải pháp xác 37 2.5 Kết luận chƣơng 37 CHƢƠNG 3: LỜI GIẢI CHO BÀI TOÁN BẢO VỆ MẠNG ĐA MIỀN 39 3.1 Bài toán bảo vệ mạng quang 39 3.1.1 Định nghĩa ký hiệu 39 3.1.2 Giải pháp bảo vệ mạng đa miền 41 3.1.3 Mạng tích hợp ảo 42 3.2 Đề xuất mô hình toán học 44 3.2.1 Xác định cấu hình biến 44 3.2.2 Mô hình tập trung 45 3.3 Lời giải mô hình quy hoạch tuyến tính nguyên 46 ii4 3.3.1 Bài toán 47 3.3.2 Sơ đồ thuật toán 48 3.4 Kết thực nghiệm 50 3.4.1 Mạng tập liệu 50 3.4.2 Đánh giá hiệu – chất lượng lời giải 51 3.4.3 Đánh giá hiệu – đặc trưng lời giải 52 3.5 Kết luận chƣơng 54 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt ATM CWDM DLP DSF DWDM EDFA FIPP IP ITU - T MPLS OADM OLT OMS OPL OSC OTN OXC PLC PS Tiếng anh Tiếng việt Kiểu truyền bất đồng Ghép kênh phân chia Coarse WDM bước sóng mật độ thấp Bảo vệ liên kết dành Dedicated Link Protection riêng Dispersion-shifted Single-mode Sợi quang đơn mode dịch optical Fibre cable tán sắc Ghép kênh phân chia Dense WDM bước sóng mật độ cao Khuếch đại quang sợi có Erbium Doped Fiber Amplifier pha tạp Erbium Bảo vệ đường không Failure Independent Path Protecting phụ thuộc vào lỗi Internet Protocol Giao thức internet International Telecommunication Tiêu chuẩn viễn thông Union-Telecommunication thuộc Tổ chức Viễn Standardization Sector thông quốc tế Chuyển mạch nhãn đa Multi-Protocol Label Switching giao thức Bộ ghép kênh tách/ghép Optical Add/Drop Multipler quang Optical Line Terminator Thiết bị đầu cuối quang Optical Multiplex Section Lớp ghép kênh quang Optimization Programming Language Ngôn ngữ lập trình tối ưu Optical Supervisory Channel Kênh giám sát quang Optical Transport Network Mạng truyền tải quang Optical Cross Connects Bộ kết nối chéo quang Plannar Lightwave Circuit Bộ chia quang Splitter Power Bộ chia nguồn Asynchronous Transfer Mode 6iv Từ viết tắt ROADM SDH SLP SONET SPP Tiếng anh Tiếng việt Reconfigurable Optical Add/Drop Multipler Synchronous Digital Hierarchy Shared Link Protection Synchronous Optical Networking Shared Path Protection Tái cấu hình ghép kênh tách/ghép quang Hệ phân cấp số đồng Bảo vệ liên kết chia sẻ Mạng quang đồng Bảo vệ đường chia sẻ Ghép kênh phân chia bước sóng Chuyển đổi bước sóng có chọn lọc WDM Wavelength Division Multiplexing WSS Wavelength Selective Switching v7 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Tập yêu cầu 51 Bảng 3.2 Đánh giá lời giải đề xuất 52 Bảng 3.3 Số lượng cấu hình sinh 52 Bảng 3.4 Số lượng cấu hình chọn 53 vi8 3.2 Đề xuất mô hình toán học Trong mục này, trình bày mô hình toán học để xác định p-cycle FIPP p-cycle cho việc bảo vệ đường làm việc Mô hình toán học xây dựng dựa cấu hình 3.2.1 Xác định cấu hình biến Cấu hình p-cycle: Mỗi cấu hình kết hợp p-cycle tập liên kết bảo vệ p-cycle Cho C tập toàn cấu hình p-cycle tiềm mạng ảo GVirtual với C biểu thị e nằm chu trình c, nằm bắt chéo chu trình c, mà ̅ c khả bảo vệ cung cấp p-cycle c cho liên kết e, số ̅ ∈ Mỗi e ngược lại Tương tự vậy, tham e nằm chu trình c, ngược lại Cấu hình FIPP p-cycle: Mỗi cấu hình bao gồm FIPP p-cycle tập yêu cầu miền mà bảo vệ Gọi Fd toàn cấu hình FIPP p-cycle miền d Với f với ∈ Fd biểu diễn vector xác định số đường bảo vệ cung cấp FIPP p-cycle kết hợp với f cho yêu cầu kết nối k Tương tự tham số ̅ với ̅ e nằm chu trình kết hợp với cấu hình f, ngược lại Cấu hình đƣờng đi: Chỉ sử dụng mô hình tập trung Trong đó, cạnh ảo ∈ , cấu hình kết hợp cạnh ảo e’ với tập đường vật lý ký hiệu với liên kết vật lý e ánh xạ tới đường p, ngược lại Các biến: Có ba biến xác định số lượng cấu hình sử dụng: z C số lượng sử dụng cấu hình p-cycle c, zf số lượng sử dụng cấu hình FIPP p44 cycle f, zP số lượng băng thông sử dụng cho liên kết ảo e đường vật lý p ∈ P 3.2.2 Mô hình tập trung Trong mô hình tập trung, giả sử biết thông tin toàn mạng Hàm mục tiêu nhằm tối thiểu đòi hỏi băng thông để bảo vệ tất yêu cầu Dung lượng dự trữ cho bảo vệ tương ứng với tổng đòi hỏi băng thông p-cycle FIPP p-cycle ánh xạ liên kết ảo Hàm mục tiêu sau: ∑ ∈ ∑ ∈ ∑ ̅ ∑ ∈ (3.2) ∈ Các ràng buộc: ∑ ∈ ∈ (3.3) ∑ ∈ ∈ (3.4) ∑ ∈ ∈ (3.5) ∑ ∈ ∑ ∑ ∈ ̅ ̅ ∑ ∈ ∈ ∈ ∈ ∈ (3.6) ∈ ∈ (3.7) ∈ (3.8) ∈ ∈ ∈ ∈ ∈ ∈ ∈ ∈ ∈ (3.9) (3.10) (3.11) Ràng buộc (3.3) đảm bảo đường làm việc liên kết bảo vệ p-cycle chống lại lỗi đơn Ràng buộc (3.4) đảm bảo FIPP p-cycle bảo vệ yêu cầu miền Ràng buộc (3.5) đảm bảo liên kết ảo e thuộc p-cycle ánh xạ đường vật lý Ràng buộc (3.6) đảm bảo băng thông đủ đáp ứng cho FIPP p-cycle liên kết Ràng buộc (3.7) đảm bảo số 45 lượng băng thông liên kết đủ để cung cấp cho đường vật lý tương ứng với liên kết ảo không vượt dung lượng cung cấp Trong mô hình này, ràng buộc (3.6) (3.7) đảm bảo băng thông liên kết e miền chia sẻ FIPP p-cycle đường vật lý ánh xạ liên kết ảo Các chia sẻ mô tả hình 3.5 gồm FIPP pcycle (FIPP1, FIPP2) đường vật lý (P1, P2), gán với số nguyên cho biết dung lượng đòi hỏi qua liên kết e nối nút v1 v2 FIPP p-cycle đòi hỏi đơn vị dung lượng liên kết ảo cần đơn vị dung lượng cho liên kết ảo e với đường vật lý tương ứng Vì vậy, dung lượng đòi hỏi liên kết (v 1, v2) đơn vị dung lượng FIPP1 P1 v1 v2 P2 FIPP2 Hình 3.5 Chia sẻ băng thông 3.3 Lời giải mô hình quy hoạch tuyến tính nguyên Để giải mô hình ILP, liệt kê tất cấu hình tiềm pcycle, FIPP p-cycle đường bên Mặc dù công việc dễ thực không mở rộng cho toán lớn Cấu hình mô hình ILP phân rã cách tự nhiên cho phép giải kỹ thuật sinh cột để tìm lời giải tối ưu cho mô hình nới lỏng tuyến tính đảm bảo cho toán với kích thước lớn Sinh cột kỹ thuật 46 tiếng để giải toán tối ưu lớn cách hiệu [2] Kỹ thuật sử dụng toán ban đầu phân rã thành toán toán con, toán tương ứng với tập ràng buộc đơn giản Bài toán tương ứng với tập ràng buộc phức tạp thể toàn thuộc tính hệ số ma trận ràng buộc Bài toán tối ưu hóa chi phí cho tập ràng buộc phức tạp Kết cho cột cấu hình mà thêm vào toán làm gia tăng giá trị hàm mục tiêu trả kết tìm thấy cấu hình thỏa mãn Đầu tiên, sử dụng thuật toán sinh cột tìm lời giải tối ưu cho toán nới lỏng tuyến tính toán ban đầu, sau thiết kế thuật toán để thu lời giải ̃ nguyên cho độ lệch tối ưu , (trong tối ưu toán nới lỏng tuyến tính ̃ giá trị lời giải nguyên thuật toán đề xuất) nhỏ Các mô hình tối ưu mô hình tập trung tương ứng với toán ba toán khác 3.3.1 Bài toán 3.3.1.1 Bài toán p-cycle Được biểu thị PP(c) với c ∈ C, giảm chi phí hàm mục tiêu REDCOSTc phụ thuộc vào biến đối ngẫu kết hợp với ràng buộc (3.3) (3.5) là: REDCOSTc   eE INTER xe   eE (2se  xe )ueCYCLE   (3.30) xeueVIRTUAL  eE INTER VIRTUAL Với xe = liên kết e hỗ trợ tìm chu trình cấu hình c, ngược lại; se = liên kết e bảo vệ cấu hình c, ngược lại Hệ số: =2 ̅ 3.3.1.2 Bài toán FIPP p-cycle Biểu thị PP(f; d) với f ϵ Fd; d ϵ D, giảm chi phí hàm mục tiêu REDCOSTfd, thể biến đối ngẫu với ràng buộc (3.4) (3.6) sau: 47 , liên quan  (s k kK d  x (3.31) e eEd eEd Với xe = liên kết e thuộc FIPP p-cycle liên quan tới cấu hình e, sκ = k bảo vệ, wκ = k bảo vệ nằm bắt chéo chu trình kết hợp với f Cột hệ số kết hợp với f; d sau ̅ rút sau: 3.3.1.3 Bài toán sinh đường Được biểu thị PP(p; e’; d) với p ϵ Pe’; e’ ϵ ; d ϵ D giảm chi phí hàm mục tiêu REDCOSTe’pd, thể biến đối ngẫu ràng buộc (3.5) (3.7):  e (3.32) eEd Các ràng buộc:  e  v  e  e  oe  ∈ ∈ Với e   e  de  e ∈ (3.33) 1 (3.34) , e∈ (3.35) ∈ (3.36) = liên kết vật lý e nằm đường p, dv = đường p qua nút v Ràng buộc (3.33) đảm bảo tất nút đường vật lý p yêu cầu phải có hai lỗi liên kết Ràng buộc (3.34) tạo đường vật lý để ánh xạ liên kết ảo e’ 3.3.2 Sơ đồ thuật toán Giả sử đường làm việc tính toán cho tất yêu cầu trong, yêu cầu đường làm việc miền Các yêu cầu phân rã thành liên kết đoạn miền Thuật toán bắt đầu với tập cột khởi tạo ban đầu, với yêu cầu liên kết liên kết ngoài, định nghĩa toán giới hạn (Restricted Master Problem – RMP) với số ràng buộc 48 Bài toán PP(p-cycle) - PP(c) Biến: xe, se, yv Đầu ra: , 𝛼̅𝑒𝑐 Giá trị đối ngẫu Bài toán giới hạn P-cycle FIPP Path zc zf zp PP(PIPP)d - PP(f,d) Giá trị đối ngẫu Biến: sk, wk, xe, yv Đầu : , 𝛽𝑒̅ 𝑐 Giá trị đối ngẫu PP(Path)e’ - PP(p,e’,d) Biến: , yv Đầu ra: Đúng Chi phí suy giảm