Đánh giá giải thuật định tuyến và gán bước sóng trong mạng cáp quang

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN ĐÌNH MINH ĐÁNH GIÁ GIẢI THUẬT ĐỊNH TUYẾN VÀ GÁN BƢỚC SÓNG TRONG MẠNG CÁP QUANG Chuyên ngành : Công nghệ thông tin LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC : TS TRƢƠNG DIỆU LINH Hà Nội – 2014 Lời cam đoan Tôi – Nguyễn Đình Minh - cam kết luận văn công trình nghiên cứu thân dƣới hƣớng dẫn TS.Trương Diệu Linh Các kết nêu luận văn trung thực, chép toàn văn công trình khác LỜI CẢM ƠN Với lòng kính trọng biết ơn sâu sắc, xin bày tỏ lời cảm ơn tới cô Tiến sĩ Trương Diệu Linh - người tận tâm dìu dắt, hướng dẫn, dạy kiến thức quý báu đồng thời tạo điều kiện thuận lợi để hoàn thành luận văn Xin chân thành cảm ơn thầy, cô trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, đặc biệt thầy cô Viện Công nghệ thông tin Truyền thông Đồng thời, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy cô bạn môn Truyền thông Mạng máy tính giúp đỡ, hỗ trợ suốt trình nghiên cứu thực luận văn Con xin dành lời cảm ơn sâu nặng tới bố mẹ, gia đình - người khích lệ, động viên, dìu dắt suốt đường dài Hà Nội, tháng năm 2014 Nguyễn Đình Minh Mục Lục Danh mục ký hiệu chữ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình vẽ đồ thị PHẦN MỞ ĐẦU PHẦN I ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ ĐỊNH HƯỚNG GIẢI PHÁP Chƣơng 1 Giới thiệu mạng cáp quang, toán định tuyến gán bƣớc sóng Giới thiệu mạng cáp quang Bài toán định tuyến gán bƣớc sóng 10 Định tuyến gán bƣớc sóng đảm bảo tính chịu lỗi 12 Chƣơng Bài toán đặt với luận văn 14 Chƣơng Một số phƣơng pháp giải toàn định tuyến gán bƣớc sóng 15 Các toán kinh điển 15 Các giải thuật heuristic 19 Giải toán phƣơng pháp quy hoạch tuyến tính 22 PHẦN II CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 25 Chƣơng 1 Chƣơng 2 Giải toán với giải thuật Suurballe + First Fit 25 Giải thuật 25 Môi trƣờng thử nghiệm 28 Thử nghiệm so sánh kết đạt đƣợc phƣơng pháp 29 Tạo liệu mẫu 29 Thử nghiệm chƣơng trình với liệu mẫu 31 Ƣu nhƣợc điểm phƣơng pháp 35 KẾT LUẬN 36 Tài liệu tham khảo 37 Danh mục ký hiệu chữ viết tắt Từ viết tắt WDM Từ đầy đủ Wavelength Division Muliplexing RWA Routing Wavelength Assignment OLT Optical Line Terminal OADM Optical Add – Drop Multiplexer OXC Optical Crossconnect SLE Static Lightpath Establishment DLE Dynamic Lightpath Establishment ILP Integer Lightpath Programming OPL Optimization Programming Language Danh mục bảng Bảng 1: File liệu đầu tạo liệu ngẫu nhiên 29 Bảng 2: Mẫu liệu 30 Bảng 3: Mẫu liệu 30 Bảng 4: Mẫu liệu 31 Bảng 5: File liệu đầu vào chương trình OPL 31 Bảng 6: Kết thử nghiệm mẫu .32 Bảng 7: Kết thử nghiệm Tập mẫu 33 Bảng 8: Kết thử nghiệm với mẫu 34 Bảng 9: Kết thử nghiệm với mẫu 35 Danh mục hình vẽ đồ thị Hình 1: Giải thuật suurballe 18 Hình 2: Sơ đồ giải thuật Suurballe First Fit .27 PHẦN MỞ ĐẦU Ngày với phát triển mạnh mẽ rộng khắp internet, nhiều dịch vụ đa phƣơng tiện đời đòi hỏi hạ tầng mạng phải cung cấp băng thông chất lƣợng dịch vụ cao Với hạn chế định, mạng cáp đồng đáp ứng đƣợc phần yêu cầu dịch vụ Mạng cáp quang (Fiber-Optic Network) đời giải đƣợc vấn đề ngày đƣợc sử dụng rộng rãi đặc biệt lĩnh vực trục đô thị Việc xây dựng hạ tầng truyền dẫn dựa tảng hạ tầng cáp quang lựa chọn bắt buộc khai thác dịch vụ băng thông rộng Việc quy hoạch nhằm khai thác tối đa hiệu đầu tƣ cáp trục có mục tiêu toán định tuyến logic gán bƣớc sóng Trong đồ án tìm hiểu giải pháp giải toán định tuyến gán bƣớc sóng tối đa topo lý cho trƣớc với tài nguyên cho mạng có khả chịu lỗi Mục tiêu đặt luận văn định tuyến gán bƣớc sóng đạt tối đa số yêu cầu đồng thời mạng có khả sống sót sau lỗi, mà đặt mục tiêu tối thiếu hóa tài nguyên sử dụng mạng Việc tối thiếu hóa tài nguyên luận văn tối thiếu hóa tổng số bƣớc sóng sử dụng cách liên kết Trong trình thực toán đã:  Tìm hiểu mạng quang học hệ toán định tuyến, gán bƣớc sóng có tính toán đến khả chịu lỗi với yêu cầu đầu vào mạng Topo lý cho trƣớc  Tìm hiều số giải pháp trƣớc để giải toán, có giải thuật kinh điển heuristic  Thử nghiệm toán với giải pháp quy hoạch tuyến tính để tìm lời giải xác  Cài đặt thử nghiệm giải pháp sử dụng giải thuật Suurballe + First Fit để giải toán  So sánh đánh giá kết thu đƣợc từ hai giải thuật Trong trình thực luận văn, lần xin cảm ơn TS Trƣơng Diệu Linh, thầy cô Viện Công nghệ thông tin truyền thông tận tình bảo hƣớng dẫn để tác giả hoàn thành luận văn Do thời gian thực luận văn không nhiều, nên có nhiều cố gắng nhƣng không tránh khỏi thiếu sót Kính mong hội đồng bạn quan tâm đến luận văn đóng góp để tác giả rút kinh nghiệm hoàn thiện luận văn Xin chân thành cảm ơn! PHẦN I ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ ĐỊNH HƢỚNG GIẢI PHÁP Chƣơng Giới thiệu mạng cáp quang, toán định tuyến gán bƣớc sóng Giới thiệu mạng cáp quang a Cáp quang mạng cáp quang Nhở kết hoạt động nghiên cứu phát triển cƣờng độ cao năm 1970, công nghệ truyền dẫn quang đƣợc sử dụng rộng rãi toàn giới Sợi quang có nhiều ƣu điểm vƣợt trội so với cáp đồng: - - Băng thông truyền dẫn lớn Sợi quang nhỏ, nhẹ, không suyên âm, dễ dàng lắp đặt Sợi quang chế tạo từ chất điện môi phi dẫn, tín hiệu truyền tín hiệu quang học nên chúng không bị chịu ảnh hƣởng từ loại nhiễu điện từ Nguyên liệu chủ yếu để sản xuất sợi quang cát chất dẻo nên kinh tế cáp đồng Giá thành sợi quang giảm nhanh công nghệ đƣợc áp dụng Độ an toàn bảo mật cao, tuổi thọ dài khả đề kháng với môi trƣờng ƣu điểm vƣợt trội tuyền dẫn sợi quang so với truyền dẫn cáp đồng Mạng quang sử dụng cáp quang môi trƣờng truyền dẫn đáp ứng nhu cầu truyền dẫn tải liệu, truy cập tốc độ cao với băng thông rộng So với dịch vụ cáp đồng cáp quang vƣợt trôi nhiều, hiệu sử dụng giá thành nói rẻ Mạng cáp quang đƣợc phát triển qua hệ thứ SONET/SDH hoạt động theo chế chuyển mạch kênh, dùng công nghệ TDM cho phép cung cấp kênh truyền dễ có băng thông cố định độ tin cậy cao Mạng quang ngày chuyển sang hệ thứ hai tín hiệu tín hiệu quang liên kết nút mạng Vì vậy, mạng hệ thứ hai đƣợc gọi mạng toàn quang (hay mạng WDM) Mạng toàn quang loại bỏ trình xử lý tín hiệu điện với thiết bị chuyển đổi quang điện khỏi mạng nhờ chi phí thiết bị giảm nhiều Tuy nhiên, chi phí để triển khai mạng toàn quang lớn nhiều so với triển khai mạng cáp đồng b Công nghệ WDM Ghép kênh theo bƣớc sóng WDM (Wavelenghth Devison Multiplexing) công nghệ sợi quang truyền dẫn đồng thời nhiều tín hiệu quang với nhiều bƣớc sóng khác Ở đầu phát nhiều tín hiệu quang có bƣớc sóng khác đƣợc tổng hợp lại (ghép kênh) để truyền sợi quang Ở đầu thu tín hiệu tổ hợp đƣợc phân giải (tách kênh), khôi phục lại tín hiệu gốc Sử dụng công nghệ WDM nhằm mục đích tận dụng băng tần truyền dẫn lớn sợi quang cách truyền đồng thời nhiều kênh bƣớc sóng sợi quang Công nghệ cho phép tận dụng hữu hiệu nguồn tài nguyên băng thông rộng, nâng cao băng thông truyền dẫn toàn hệ thống, đồng thời hạ giá thành kênh dịch vụ Thực tế nghiên cứu triển khai WDM rút đƣợc ƣu nhƣợc điểm công nghệ WDM nhƣ sau: - Ƣu điểm công nghệ WDM : o Tăng băng thông truyền sợi quang tƣơng ứng với số bƣớc sóng đƣợc ghép vào để truyền sợi quang o Tính suốt - công nghệ WDM thuộc kiến trúc lớp mạng vật lý nên hỗ trợ định dạng số liệu thoại nhƣ: chuyển mạch kênh, ATM, Gigabit Ethernet, ESCON, IP o Khả mở rộng - tiến công nghệ WDM hứa hẹn tăng băng thông truyền dẫn sợi quang lên đến hàng Tbps, đáp ứng nhu cầu mở rộng mạng nhiều cấp độ khác - Nhƣợc điểm công nghệ WDM : o Vẫn chƣa khai thác hết băng tần hoạt động rộng sợi quang o Quá trình khai thác, bảo dƣỡng phức tạp gấp nhiều lần Bài toán định tuyến gán bƣớc sóng Bài toán định tuyến gán bƣớc sóng đƣợc biết đến với tên Routing and Wavelength Assignment (RWA) Vấn đề định tuyến gán bƣớc sóng đáp ứng tối đa yêu cầu đồng thời tiết kiệm chi phí có khả thích ứng với thay đổi tƣơng lai vấn đề đƣợc nghiên cứu nhiều thời gian gần 10 - Các biến  Gọi đồ thị G, có tập cung E, tập đỉnh V  Tập cung từ nút 𝛤 +(i)  Tập cung vào nút 𝛤 −(i)  Mỗi cung (có hƣớng) có tối đa W bƣớc sóng Chúng ta có biến cần xác định sau đây, s,d,i,j ∈ N 𝑁ế𝑢 𝑦ê𝑢 𝑐ầ𝑢 𝑠, 𝑑, 𝑏𝑤 𝑠𝑑 𝑑ù𝑛𝑔 𝑏ướ𝑐 𝑠ó𝑛𝑔 𝑤  𝛼𝑖𝑗𝑠𝑑𝑤 = 𝑡𝑟ê𝑛 𝑙𝑖𝑛𝑘 𝑖, 𝑗 𝑐ℎ𝑜 đườ𝑛𝑔 𝑙à𝑚 𝑣𝑖ệ𝑐 𝑁ế𝑢 𝑛𝑔ượ𝑐 𝑙ạ𝑖  𝛽𝑖𝑗𝑠𝑑𝑤 = 𝑁ế𝑢 𝑦ê𝑢 𝑐ầ𝑢 𝑠, 𝑑, 𝑏𝑤 𝑠𝑑 𝑑ù𝑛𝑔 𝑏ướ𝑐 𝑠ó𝑛𝑔 𝑤 𝑡𝑟ê𝑛 𝑙𝑖𝑛𝑘 𝑖, 𝑗 𝑐ℎ𝑜 đườ𝑛𝑔 𝑑ự 𝑝ℎò𝑛𝑔 𝑁ế𝑢 𝑛𝑔ượ𝑐 𝑙ạ𝑖  𝛼𝑖𝑗𝑠𝑑 𝑁ế𝑢 𝑦ê𝑢 𝑐ầ𝑢 𝑠, 𝑑, 𝑏𝑤 𝑠𝑑 𝑠ử 𝑑ụ𝑛𝑔 𝑙𝑖𝑛𝑘 𝑖, 𝑗 𝑐ℎ𝑜 đườ𝑛𝑔 𝑙à𝑚 𝑣𝑖ệ𝑐 = 𝑁ế𝑢 𝑛𝑔ượ𝑐 𝑙ạ𝑖  𝛽𝑖𝑗𝑠𝑑 𝑁ế𝑢 𝑦ê𝑢 𝑐ầ𝑢 𝑠, 𝑑, 𝑏𝑤 𝑠𝑑 𝑠ử 𝑑ụ𝑛𝑔 𝑙𝑖𝑛𝑘 𝑖, 𝑗 𝑐ℎ𝑜 đườ𝑛𝑔 𝑑ự 𝑝ℎò𝑛𝑔 = 𝑁ế𝑢 𝑛𝑔ượ𝑐 𝑙ạ𝑖  𝑑𝑖,𝑗 = độ dài cáp cần nút i j (cho trƣớc nhƣ tham số đầu vào) 𝑁ế𝑢 𝑦ê𝑢 𝑐ầ𝑢 𝑠, 𝑑, 𝑏𝑤 𝑠𝑑 𝑑ù𝑛𝑔 𝑏ướ𝑐 𝑠ó𝑛𝑔 𝑤 𝑐ℎ𝑜 𝑤 đườ𝑛𝑔 𝑙à𝑚 𝑣𝑖ệ𝑐  𝑙𝑠𝑑 = 𝑁ế𝑢 𝑛𝑔ượ𝑐 𝑙ạ𝑖 𝑁ế𝑢 𝑦ê𝑢 𝑐ầ𝑢 𝑠, 𝑑, 𝑏𝑤 𝑠𝑑 𝑑ù𝑛𝑔 𝑏ướ𝑐 𝑠ó𝑛𝑔 𝑤 𝑐ℎ𝑜 đườ𝑛𝑔 𝑑ự 𝑝ℎò𝑛𝑔  𝑙′𝑤 𝑠𝑑 = 𝑁ế𝑢 𝑛𝑔ượ𝑐 𝑙ạ𝑖 - Hàm mục tiêu - 𝑖,𝑗 ∈𝐸 𝑠𝑑𝑤 𝑠,𝑑,𝑤 (𝛼𝑖𝑗 + 𝛽𝑖𝑗𝑠𝑑𝑤 ) Các buộc  Rằng buộc thiết lập đƣờng làm việc cho yêu cầu ∀ 𝑠, 𝑑, 𝑏𝑤 𝑠𝑑 ∈ 𝑀 23 𝑖∈𝛤 − 𝑙 𝛼𝑖𝑙𝑠𝑑𝑤 - 𝑗 ∈𝛤 + 𝑙 𝑠𝑑𝑤 𝑠𝑑 𝑤 ∈𝑊 𝛼𝑖𝑗 = 𝑏𝑤 𝑤 𝑤 ∈𝑊 𝑙𝑠𝑑 = 𝑙𝑠𝑑 * 𝑤 𝑙𝑠𝑑 𝑛ế𝑢 𝑙 = 𝑑 𝑠𝑑𝑤 𝑤 𝛼𝑙𝑗 = −𝑙𝑠𝑑 𝑛ế𝑢 𝑙 = 𝑠 ∀ 𝑙 ∈ 𝑁, ∀𝑤 ∈ 𝑊 𝑛𝑔ượ𝑐 𝑙ạ𝑖 (1) * 𝛼𝑖𝑗𝑠𝑑 ∀(𝑖, 𝑗) ∈ 𝐸 (2) 𝑏𝑤 𝑠𝑑 (3) Rằng buộc (2) (3) đảm bảo toàn băng thông yêu cầu 𝑏𝑤 𝑠𝑑 yêu cầu phải đƣợc định tuyến hết đƣờng làm việc định tuyến tuyến đƣờng  Rằng buộc thiết lập đƣờng dự phòng cho yêu cầu ∀ 𝑠, 𝑑, 𝑏𝑤 𝑠𝑑 ∈ 𝑀 𝑖∈𝛤 − 𝑙 𝛽𝑖𝑙𝑠𝑑𝑤 - 𝑗 ∈𝛤 + 𝑙 𝑤 𝑙𝑠𝑑 𝑛ế𝑢 𝑙 = 𝑑 𝑠𝑑𝑤 𝑤 𝛽𝑙𝑗 = −𝑙𝑠𝑑 𝑛ế𝑢 𝑙 = 𝑠 ∀ 𝑙 ∈ 𝑁, ∀𝑤 ∈ 𝑊 𝑛𝑔ượ𝑐 𝑙ạ𝑖 𝑠𝑑𝑤 𝑠𝑑 * 𝛽𝑖𝑗𝑠𝑑 𝑤 ∈𝑊 𝛽𝑖𝑗 = 𝑏𝑤 𝑤 𝑠𝑑 𝑤 ∈𝑊 𝑙𝑠𝑑 = 𝑙𝑠𝑑 * 𝑏𝑤 ∀(𝑖, 𝑗) ∈ 𝐸 (4) (5) (6) Rằng buộc (5) (6) đảm bảo toàn băng thông yêu cầu 𝑏𝑤 𝑠𝑑 yêu cầu phải đƣợc định tuyến hết đƣờng dự phòng định tuyến tuyến đƣờng  Đƣờng dự phòng làm việc không dùng chung bất liên kết (i,j) 𝛼𝑖𝑗𝑠𝑑𝑤 + 𝛽𝑖𝑗𝑠𝑑𝑤 ≤ ∀(i,j) ∈ E, s,d ∈ 𝑁 (7)  Mỗi bƣớc sóng link (i,j) có hƣớng từ i đến j đƣợc dùng lần Link (i,j) (j,i) có bƣớc sóng độc lập 𝑠𝑑𝑤 + 𝑠,𝑑 𝛽𝑖𝑗𝑠𝑑𝑤 ≤ ∀𝑖, 𝑗 ∈ 𝐸, ∀𝑤 ∈ 𝑊 (8) 𝑠,𝑑 𝛼𝑖𝑗 24 PHẦN II CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC Chƣơng Giải toán với giải thuật Suurballe + First Fit Giải thuật Ý tƣởng giải thuật kết hợp Suurballe First Fit nhƣ sau, ứng với yêu cầu đầu vào (nguồn, đich, số yêu cầu bƣớc sóng), giải thuật tiến hành sử dụng thuật toán Suurballe với trọng số tỉ lệ nghịch với số bƣớc sóng dƣ liên kết Kết thu đƣợc cặp đƣờng không giao nhau, cặp đƣờng có khả gán đƣợc thành công bƣớc sóng cao Sau tìm đƣợc cặp đƣờng giải thuật tiến hành sử dụng First Fit để gán bƣớc sóng cho cặp liên kết Sau gán bƣớc sóng thành công giải thuật tiếp túc áp dụng với yêu cầu a Đầu vào kết toán - Đầu vào:  Đồ thị G(uv) đƣợc sinh từ ma trận sinh Topo ngẫu nhiên  MaxW băng thông tối đa link đồ thị  Tập yêu cầu (s,d,bw) s đỉnh nguồn, d đỉnh đích, bw số yêu cầu bƣớc sóng liên kết (s,d) - Đầu ra:  Số yêu cầu định tuyến gán bƣớc sóng thực đƣợc  Tổng số bƣớc sóng đƣợc gán toàn mạng b Chi tiết thuật toán lƣợc đồ Trong phần luận văn mô tả chi tiết thuật toán Giải thuật đƣợc chia thành bƣớc nhƣ sau:  Định tuyến: sử dụng giải thuật Suurballe có trọng số để tìm cặp đƣờng có chi phí nhỏ không giao điển nguồn đích  Gán bƣớc sóng: cặp đƣờng tìm đƣợc bƣớc định tuyến đƣợc gán bƣớc sóng giải thuật First Fit  Lặp: Quá trình đƣợc lặp duyệt hết yêu cầu ma trận thông lƣợng 25 - Mô tả rõ cách làm việc thuật toán nhƣ sau: Bƣớc khởi tạo  Nạp topo vật lý cho vào đồ thị G  Nạp danh sách yêu toán (s,d,bw) Sắp xếp yêu cầu theo thứ tự giảm dẩn số bƣớc sóng yêu cầu Mục đích nhằm định tuyến gán bƣớc sóng cho đƣờng có nhiều yêu cầu trƣớc, giúp tăng số yêu cầu định tuyến thành công đƣợc Bƣớc 1: Lựa chọn yêu cầu  Lựa chọn yêu cầu (s,d,bw) thực bƣớc Bƣớc 2: Định tuyến – xác định cặp đƣờng không giao có tổng chi phí nhỏ (trọng số cạnh = ) 𝑤 (𝑠ố 𝑏ướ𝑐 𝑠ó𝑛𝑔 𝑐ò𝑛 𝑑ư 𝑡𝑟 ê𝑛 𝑐ạ𝑛ℎ đó)  Tính toán trọng số cho đồ thị Trọng số cạnh tỉ lệ nghịch với số bƣớc sóng dƣ cạnh Nếu số bƣớc sóng dƣ cạnh nhỏ số bƣớc sóng yêu cầu trọng số đƣợc gán vô Việc giúp loại bỏ link không thỏa mãn  Sử dụng giải thuật suurballe đồ thị để tìm cặp đƣờng không giao có tổng trọng số nhỏ  Đƣờng làm việc đƣợc lựa chọn đƣờng có số cạnh qua hơn, đƣờng lại đƣờng dự phòng  Nếu không tìm đƣợc cặp đƣờng thỏa mãn chuyển đến bƣớc để tiếp tục chƣơng trình Bƣớc 3: Gán bƣớc sóng lặp tìm kiếm  Nếu số bƣớc sóng gán cho đƣờng lớn số bƣớc sóng yêu cầu, việc định tuyến gán bƣớc sóng cho yêu cầu thành công Loại bỏ bƣớc sóng đƣợc gán cho đƣờng khỏi đồ thị Tiến hành bƣớc để duyệt yêu cầu  Nếu không thành công ta tiến hành tiếp bƣớc Bƣớc 4: Loại bỏ yêu cầu (s,d,bw) Nếu yêu cầu cần gán bƣớc sóng quay lại bƣớc Nếu không kết thúc thuật toán trả lại kết chƣơng trình Biểu diễn trực quan bƣớc thực dƣới dạng lƣu đồ nhƣ sau: 26 start File đồ thị ngẫu nhiên danh sách yêu cầu Nạp đồ thi Nạp danh sách yêu cầu Sắp xếp yêu cầu theo thứ tự giảm dần số bước sóng Lựa chọn yêu cầu (s,d,bw) Danh sách trống yes no Tính toán trọng số đồ thị thị no end Thực Suurballe no Tìm cắp đường yes Thực gán bước sóng Fist Fit Gán bước sóng thành công yes Loại bỏ bước sóng gán cho đường khỏi đồ thị, ghi kết file out.txt Hình 2: Sơ đồ giải thuật Suurballe First Fit 27 Môi trƣờng thử nghiệm Phƣơng pháp quy hoạch tuyến tính đƣợc thử nghiệm môi trƣờng Ubuntu 12, với công cụ CPLEX ngôn ngữ OPL CPLEX [1] công cụ giải toán quy hoạch tuyến tính OPL [2] (Optimization Programming Language) ngôn ngữ lập trình giúp tối ƣu hóa giải mô hình toán học OPL sử dụng cú pháp cao cấp cho mô hình toán học, với số lƣợng mã lệnh sử dụng so với ngôn ngữ lập trình thông thƣờng Nó giúp giảm bớt công sức tăng độ tin cậy ngƣời lập trình Cú pháp mạnh mẽ OPL hỗ trợ tất biểu thức cần thiết để mô hình hóa giải hiệu vấn đề toán học lập trình ràng buộc OPL có cú pháp gần với mô hình toán học, làm cho việc chuyển đổi mô hình toán học để giải máy tính thực dễ dàng OPL cho phép tách biệt mô hình liệu Với mô hình thực giải với liệu vào khác OPL ví dụ cho ngôn ngữ mô hình hóa Các ngôn ngữ khác nhƣ AMPL, Mosel GAMS …cũng ngôn ngữ thƣờng đƣợc sử dụng cho vấn đề tối ƣu hóa tuyến tính Thuật toán Suurballe + First Fit đƣợc viết ngôn ngữ C chạy hệ điều hành Ubuntu 12 28 Chƣơng Thử nghiệm so sánh kết đạt đƣợc phƣơng pháp Tạo liệu mẫu a Chƣơng trình tạo liệu mẫu Bộ liệu ngẫu nhiên đƣợc tạo thông qua chƣơng trình C với tham số:  Đầu vào: Đầu vào tham số: số đỉnh đồ thị, số bậc đỉnh, số bƣớc sóng yêu cầu (s,d,bw) nằm giới hạn băng thông cạnh (Chẳng hạn số bƣớc sóng yêu cầu khoảng 10%-30% tức bw ∈ (10% ÷ 30%) * MaxW  Đầu ra: Đầu file với cấu trúc nhƣ sau: 20 117 209 375 456 574 13 12 25 … 34 -1 -1 213 313 416 512 … 543 // đỉnh đồ thị // băng thông tối đa cạnh // nút thứ tọa độ (1,7) //nút thứ tọa độ (0,9) // nút thứ tọa độ (7,5) // nút thứ tọa độ (7,4) // có cạnh nối từ nút đến nút // có cạnh nối từ nút đến nút // có cạnh nối từ nút đến nút // hết cạnh nối // ma trận yêu cầu (s,d,bw) // ma trận yêu cầu (s,d,bw) // ma trận yêu cầu (s,d,bw) // ma trận yêu cầu (s,d,bw) Bảng 1: File liệu đầu tạo liệu ngẫu nhiên 29 b Bộ liệu mẫu - Mẫu 1: tập topo có số nút nhỏ đƣợc tạo ngẫu nhiên, bậc đỉnh 4,5,6, MaxW = 20 bƣớc sóng yêu cầu liên kết bw ∈ (10% ÷ 30% )*MaxW STT Số nút Topo1-1 Topo1- Topo1-3 Topo1-4 Topo1-5 Topo1-6 Topo1-7 Topo1-8 Topo1-9 6 7 8 Bậc đỉnh 4 5 6 (bw/MaxW)*100% Số yêu cầu 10-30 10-30 10-30 10-30 10-30 10-30 10-30 10-30 10-30 19 32 64 67 94 81 89 105 107 Bảng 2: Mẫu liệu - Mẫu 2: Tập topo có số nút nhỏ đƣợc tạo ngẫu nhiên, bậc đỉnh 4,5,6, MaxW =20 bƣớc sóng yêu cầu liên kết bw ∈ bw ∈ (20% ÷ 60% )*MaxW STT Topo2-1 Topo2-2 Số nút Bậc đỉnh (bw/MaxW)*100% 20-40 40-60 Số yêu cầu 35 106 Bảng 3: Mẫu liệu - Mầu 3: Tập toppo có số nút 100 đƣợc tạo ngẫu nhiên, số bậc định 5, MaxW = 200 bƣớc sóng yêu cầu liên kết bw ∈ bw ∈ (1% ÷ 5% )*MaxW STT Số nút Topo3- 100 Bậc đỉnh 30 (bw/MaxW)*100% Số yêu cầu 1-5 411 Bảng 4: Mẫu liệu Thử nghiệm chƣơng trình với liệu mẫu Chƣơng trình C viết cho giải thuật Suurballe + First Fit sử dụng file liệu đầu vào trực tiếp txt đƣợc tạo từ sinh topo ngẫu nhiên với giải pháp quy hoạch tuyến tính phải thực convert sang file dat tool convert có sẵn  Đầu vào file liệu đƣợc tạo từ chƣơng trình tạo topo ngẫu nhiên  Đầu file theo cấu trúc nhƣ sau: Nnode = 5; // số nút đồ thị m = 20; // Băng thông tối đa liên kết MaxW // SD chưa yêu cầu (s,d) từ đỉnh nguồn s đên đích d SD= {,,,,,,,< 4,3>,,}; //Bw chưa yêu cầu tương ứng liên kết SD // băng thông yêu cầu bw tập yêu cầu (s,d,bw) Bw = [ 3 2 2 ]; // D ma trận khoảng cách đỉnh đồ thị //D[i,j] = nghĩa liên kết từ i đến j D=[ [0.00 1.41 6.32 5.00 7.21 ] [1.41 0.00 7.07 5.39 7.62 ] [6.32 7.07 0.00 2.24 2.00 ] [5.00 0.00 0.00 0.00 2.24 ] [7.21 7.62 2.00 2.24 0.00 ] ]; Bảng 5: File liệu đầu vào chương trình OPL 31 a Kết thử nghiệm với mẫu Giải pháp QHTT Stt Topo1-1 Topo1-2 Topo1-3 Topo1-4 Topo1-5 Topo1-6 Topo1-7 Topo1-8 Topo1-9 Số nút Bậc (bw/M axW)* 100% 6 7 8 4 5 6 10-30 10-30 10-30 10-30 10-30 10-30 10-30 10-30 10-30 Tổng số (%)số Tổng số bƣớc yêu cầu yêu cầu sóng sử thực dụng đƣợc 19 32 64 67 94 81 89 105 107 57 100 211 227 310 257 278 345 356 100 100 100 100 100 100 100 100 100 Suurball + First Fit Tổng số (%)số bƣớc yêu cầu sóng sử thực dụng đƣợc 57 100 208 223 312 257 278 353 358 Bảng 6: Kết thử nghiệm mẫu - Chi tiết yêu cầu kết chạy giải thuật ứng với Tập mẫu  Kết chi tiết Chú giải kết thu đƣợc từ giải pháp quy hoạch tuyến tính: | 10 | | 10 | // đƣờng từ đỉnh đến đỉnh // đƣờng xuất phát từ đỉnh qua đỉnh với bƣớc sóng 7,10 | sử dụng bƣớc sóng // từ đỉnh tiếp đến đỉnh với bƣớc sóng 7,10 | sử dụng bƣớc sóng Giải pháp quy hoạch tuyến tính Giải thuật Suurballe + First Fit | 10 | | 10 | sdbw : 2,3,6 // yêu cầu (s,d,bw) light-path1:( 3) _w :( 0) light-path2:( 3) _w :( 0) 32 100 100 96.88 89.55 97.84 100 100 100 100 21|47|2 | 19 | | 19 | | 10 16 | 41|69|2 31|16|2 43|16|2 | 11 12 13 17 | | 11 12 13 17 | | 16 20 | | 13 18 20 | | 14 18 19 | 4 | 14 18 19 | | 15 16 | 3 | 15 16 | | 20 | Tổng số bƣớc sóng: 57 sdbw : 4,2,4 light-path1:( 2) _w :( 6) light-path2:( 2) _w :( 0) sdbw : 3,4,3 light-path1:( 4) _w :( 6) light-path2:( 4) _w :( 4) sdbw : 4,1,2 light-path1:( 1) _w :( 7) light-path2:( 1) _w :( 10 9) sdbw : 3,1,2 light-path1:( 1) _w :( 0) light-path2:( 1) _w :( 6) sdbw : 2,1,2 light-path1:( 1) _w :( 4) light-path2:( 1) _w :( 11 8) Số lightpath yêu cầu :19 Số lightpath thực là: 19 Đạt: 100.00 % Tổng số bƣớc sóng: 57 Bảng 7: Kết thử nghiệm Tập mẫu - So sánh khả đáp ứng yêu cầu giải thuật Suurballe + Fisrt Fit Mẫu giải thuật Suurballe + Fist Fit đáp ứng tốt yêu cầu đặt > 90 % tổng số yêu cầu Trong giải pháp Quy hoạch tuyến tính đáp ứng đƣợc toàn yêu cầu mẫu - So sánh hàm mục tiêu Nếu bỏ qua topo 1-3, 1-4, 1-5 không đáp ứng hết yêu cầu ta tính tỉ lệ hàm mục tiêu hai phƣơng pháp theo công thức: 33 𝑇ổ𝑛𝑔 𝑠ố 𝑏ướ𝑐 𝑠ó𝑛𝑔 𝑠ử 𝑑ụ𝑛𝑔 𝑐ủ𝑎 𝑡ấ𝑡 𝑐ả 𝑐á𝑐 𝑡𝑜𝑝𝑜 𝑡𝑟𝑜𝑛𝑔 𝑔𝑖ả𝑖 𝑝ℎá𝑝 𝑞𝑢𝑦 ℎ𝑜ạ𝑐ℎ 𝑡𝑢𝑦 ế𝑛 𝑡í𝑛ℎ 𝑇ổ𝑛𝑔 𝑠ố 𝑏ướ𝑐 𝑠ó𝑛𝑔 𝑠ử 𝑑ụ𝑛𝑔 𝑐ủ𝑎 𝑡ấ𝑡 𝑐ả 𝑐á𝑐 𝑡𝑜𝑝𝑜 𝑡𝑟𝑜𝑛𝑔 𝑔𝑖ả𝑖 𝑡ℎ𝑢ậ𝑡 𝑠𝑢𝑢𝑟𝑏𝑎𝑙𝑙𝑒 +𝐹𝑖𝑟𝑠𝑡 𝐹𝑖𝑡 * 100% = 99,28% Giải thuật heuristic tập trung vào việc cố gắng đáp ứng đƣợc tốt yêu cầu đầu mà chƣa hƣớng vào tối thiểu hàm mục tiêu Do với topo có số nút nhỏ (topo 1-1, Topo1-2) hàm mục tiệu đạt kết cao với giải pháp quy hoạch tuyến tính Tổng số bƣớc sóng giải thuật Suurballe + First Fit nhỏ giải pháp Quy hoạc tuyến tính không đáp ứng đƣợc hết yêu cầu (topo 1-3,1-4,15) b Kết thu đƣợc với mẫu Giải pháp QHTT Stt Tập Tập Số nút Bậc (bw/Max W)*100 % 20-40 40-60 Tổng số (%)số Tổng số bƣớc yêu cầu yêu cầu sóng sử thực dụng đƣợc 35 106 105 234 Suurball + First Fit Tổng số (%)số bƣớc yêu cầu sóng sử thực dụng đƣợc 100 85 78 141 74,29 51.89 Bảng 8: Kết thử nghiệm với mẫu - So sánh khả đáp ứng yêu cầu giải thuật Suurballe + First Fit Với mẫu liệu tăng số yêu cầu bƣớc sóng yêu cầu liên kết giải thuật Suurballe + First đáp ứng đƣợc đƣợc số yêu cầu giảm xuống Với Tập liệu 74,29% tập liệu 40,57% - So sánh hàm mục tiêu Tỉ lệ hàm mục tiêu hai phƣơng pháp đƣợc tính cho mẫu 2: 𝑇ổ𝑛𝑔 𝑠ố 𝑏ướ𝑐 𝑠ó𝑛𝑔 𝑠ử 𝑑ụ𝑛𝑔 𝑡𝑟 ê𝑛 𝑡ấ𝑡 𝑐ả 𝑐á𝑐 𝑡𝑜𝑝𝑜 𝑡𝑟𝑜𝑛𝑔 𝑔𝑖ả𝑖 𝑝ℎá𝑝 𝑞𝑢𝑦 ℎ𝑜ạ𝑐ℎ 𝑡𝑢𝑦 ế𝑛 𝑡í𝑛ℎ 𝑇ổ𝑛𝑔 𝑠ố 𝑏ướ𝑐 𝑠ó𝑛𝑔 𝑠ử 𝑑ụ𝑛𝑔 𝑡𝑟 ê𝑛 𝑡ấ𝑡 𝑐ả 𝑐á𝑐 𝑡𝑜𝑝𝑜 𝑡𝑟𝑜𝑛𝑔 𝑔𝑖ả𝑖 𝑡ℎ𝑢ậ𝑡 𝑠𝑢𝑢𝑟𝑏𝑎𝑙𝑙𝑒 +𝐹𝑖𝑟𝑠𝑡 𝐹𝑖𝑡 34 * 100% = 64,60% Với mẫu có số lƣợng yêu cầu bƣớc sóng liên kết bw lớn hàm mục tiêu giải pháp heuristic thấp c Kết thu đƣợc với mẫu Khi tiến hành thử nghiệm với mẫu áp dụng với giải thuật Suurballe + Fisrt Fit áp dụng Phƣơng pháp Quy hoạch tuyến tính với mẫu thời gian tính toán lâu STT Số nút Topo 3-1 100 số (%)số yêu Số yêu Tổng Bậc (bw/MaxW)* thực cầu sử bƣớc sóng cầu đỉnh 100% đƣợc dụng 1-5 411 1597 100 Bảng 9: Kết thử nghiệm với mẫu Với mẫu 3, giải thuật Suurballe + First Fit đáp ứng đƣợc tốt yêu cầu đặt thời gian tính toán giải thuật ngắn vòng vài phút Ƣu nhƣợc điểm phƣơng pháp a Giải pháp QHTT - Ƣu điểm: phƣơng pháp cho lời giải tối ƣu - Nhƣợc điểm: Yêu cầu tính toán lớn, nên topo đầu vào lớn đòi hỏi khối lƣợng tính toán cao b Giải thuật Suurballe + First Fit - Ƣu điểm: giải thuật chạy tốt với nhƣng topo có số yêu cầu (s,d,bw) với bw < 30%maxW nhƣ mẫu Đồng thời giải thuật có ƣu điểm thời gian tính toán nhanh topo có số lƣợng nút lớn nhƣ mẫu - Nhƣợc điểm: lời giải giải thuật chƣa tối ƣu, bỏ xót nhiều trƣờng hợp, với đồ thị có yêu cầu đầu vào (s,d,bw) với bw > 30% MaxW 35 KẾT LUẬN Với nội dung đồ án gồm chƣơng bao gồm tìm hiểu sở lý thuyết, toán định tuyến gán bƣớc sóng, với giải thuật để giải toán, sau thử nghiệm toán với giải pháp quy hoạch tuyến tính, đồng thời thực cài đặt giải thuật Suurballe + First Fit, sau so sánh đánh giá với giải thuật cho lời giải tối ƣu Quy hoạch tuyến tính - Về mặt lý thuyết: Luận văn tìm hiều giới thiệu chung toán định tuyến gán bƣớc sóng mạng cáp quang nhƣ phƣơng pháp giải toán - Về giải pháp mô hình quy hoạch tuyến tính, luận văn dừng lại việc thử nghiệm giải thuật không tiến hành cài đặt Việc thử nghiệm giúp đánh giá so sánh với giải thuật Suurballe + First Fit - Về cài đặt giải thuật Suurballe + First Fit, hoàn thành tiến hành thử nghiệm với liệu mẫu1, 2, Từ so sánh kết với giải pháp xác quy hoạch tuyến tính Tuy nhiên để luận văn hoàn thiện cần phải mở rộng giải thuật việc kết hợp việc tìm đƣờng gán bƣớc sóng cách uyển chuyển nhƣ đem lại lời giải tối ƣu trƣớc Trong trình thực luận văn, chắn thân không tránh khỏi đƣợc nhƣng thiếu sót kiến thức nhƣ trình bày nội dung Tôi mong muốn nhận đƣợc đóng góp từ Hội đồng ngƣời quan tâm để luận văn tiếp tục đƣợc hoàn thiện mở rộng 36 Tài liệu tham khảo [1] CPLEX http://www-01.ibm.com/software/websphere/products/optimization/ [2] Optimization Programming Language (OPL) - http://pic.dhe.ibm.com/infocenter/cosinfoc/v12r4/index.jsp?topic=%2Filog.odms.ie help%2FOPL_Studio%2Fmaps%2Fgroupings_Eclipse_and_Xplatform%2Fps_opl_ Language_1.html [3] J.W.Suurballe, R.E.Tarjan A Quick Method for Finding Shortest Pairs of Disjoint Paths [4] Kamalesh V.N, S K Srivatsa, Topological Design of Minimum Cost Survivable Computer Communication Networks: Bipartite Graph Method, (IJCSIS) International Journal of Computer Science and Information Security, Vol 3, No 1, 2009 [5] Shengli Yuan and Jason P.Jue, “Dynamic lightpath protection in WDM mesh networks under wavelength-continuity and risk-disjoint constraints”, IEEE Globecom Conference, November 29–December 3,.2004 [6] Keqin Li, “Heuristic Algorithms for Routing and Wavelength Assignment in WDM Optical Networks”, Parallel and Distributed Processing, 2008 IPDPS 2008 IEEE International Symposium, pp – 8, 14-18 April 2008 [7] Nina Skorin-Kapov, “Heuristic Algorithms for the Routing and Wavelength Assignment of Scheduled Lightpath Demands in Optical Networks”, Selected Areas in Communications, IEEE Journal, pp 1231 - 1240 , Oct 2003 37 ... ĐỀ VÀ ĐỊNH HƯỚNG GIẢI PHÁP Chƣơng 1 Giới thiệu mạng cáp quang, toán định tuyến gán bƣớc sóng Giới thiệu mạng cáp quang Bài toán định tuyến gán bƣớc sóng 10 Định tuyến. .. gồm thành phần định tuyến gán bƣớc sóng:  Định tuyến - nhiệm vụ định tuyến xác định đƣờng nguồn đích hay nhiều cặp yêu cầu  Gán bƣớc sóng - nhiệm vụ gán bƣớc sóng xác định bƣớc sóng phù hợp cho... thành cảm ơn! PHẦN I ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ ĐỊNH HƢỚNG GIẢI PHÁP Chƣơng Giới thiệu mạng cáp quang, toán định tuyến gán bƣớc sóng Giới thiệu mạng cáp quang a Cáp quang mạng cáp quang Nhở kết hoạt động nghiên