Một số phương pháp định vị liên kết lỗi trên mạng quang (Luận văn thạc sĩ)

Một số phương pháp định vị liên kết lỗi trên mạng quang (Luận văn thạc sĩ)Một số phương pháp định vị liên kết lỗi trên mạng quang (Luận văn thạc sĩ)Một số phương pháp định vị liên kết lỗi trên mạng quang (Luận văn thạc sĩ)Một số phương pháp định vị liên kết lỗi trên mạng quang (Luận văn thạc sĩ)Một số phương pháp định vị liên kết lỗi trên mạng quang (Luận văn thạc sĩ)Một số phương pháp định vị liên kết lỗi trên mạng quang (Luận văn thạc sĩ)Một số phương pháp định vị liên kết lỗi trên mạng quang (Luận văn thạc sĩ)Một số phương pháp định vị liên kết lỗi trên mạng quang (Luận văn thạc sĩ)Một số phương pháp định vị liên kết lỗi trên mạng quang (Luận văn thạc sĩ)Một số phương pháp định vị liên kết lỗi trên mạng quang (Luận văn thạc sĩ)Một số phương pháp định vị liên kết lỗi trên mạng quang (Luận văn thạc sĩ)Một số phương pháp định vị liên kết lỗi trên mạng quang (Luận văn thạc sĩ)

1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG VŨ THỊ NAM MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ LIÊN KẾT LỖI TRÊN MẠNG QUANG Mã số: 60 48 01 01 Chuyên ngành: KHOA HỌC MÁY TÍNH LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS LÊ TRỌNG VĨNH Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn MỞ ĐẦU Trong vài thập kỷ qua, ảnh hưởng “mạng” ngày rõ rệt việc tổ chức hệ thống máy tính Mạng máy tính hệ thống máy tính độc lập kết nối với nhằm đáp ứng công việc chung tổ chức Mạng đem lại thuận tiện sống như: cung cấp phương tiện liên lạc, chia sẻ tài nguyên sẵn có, cải tiến tin cậy dịch vụ, giảm thiểu chi phí… Mạng thơng tin phát triển cách ma ̣nh mẽ cùng với sự phát triể n nhanh chóng của các công nghê ̣ quang ho ̣c, thiết bị giao tiế p liên tu ̣c phát triể n hướng đế n ma ̣ng cáp quang (AONs) Trong những ma ̣ng cáp quang WDM (phương thức ghép kênh theo bước sóng), hàng trăm bước sóng đươ ̣c tić h hợp mô ̣t sơ ̣i quang đơn Vì vâ ̣y mô ̣t sơ ̣i quang bi ̣đứt sẽ làm mấ t mát lươ ̣ng dữ liệu lớn Chính vì thế mà việc phát hiê ̣n và đinh ̣ vị lỗi nhanh chóng là mô ̣t vấn đề quan trọng trình vận hành khai thác mạng cáp quang Phát lỗi liên kế t ma ̣ng cáp quang có thể đươ ̣c thực hiê ̣n ở nhiều tầ ng khác nhau: tầ ng quang, tầ ng vật lý, tầ ng mạng,… hầ u hết phương pháp đinh ̣ tuyế n có chế phát lỗi Để đẩ y nhanh tố c đô ̣ phát hiê ̣n lỗi, người ta cũng đề xuấ t thiế t kế các tầ ng liên kết chéo (cross-layer) Tuy vậy, với kỹ thuật này thời gian phát hiê ̣n lỗi vài giây và lâu so với yêu cầ u đă ̣c trưng mạng quang Do đó người ta hướng đến việc phát lỗi tầ ng quang Nói cách khác, phương thức đã thiế t kế cho ma ̣ng cáp quang truyề n thố ng không thể áp dụng trực tiếp cho ma ̣ng cáp quang hồn toàn( AONs) Ở tầ ng quang, mơ ̣t lỡi có thể đươ ̣c phát hiê ̣n bằ ng viê ̣c đo lươ ̣ng quang, phân tích quang phổ , Điề u này đươ ̣c thực hiê ̣n bởi mô ̣t thiế t bi ̣ quang đă ̣c biê ̣t đươ ̣c go ̣i là tra ̣m kiể m soát (monitor) Phương pháp kiể m soát dựa kênh sử du ̣ng mỗi kênh bước sóng của mô ̣t liên kế t mô ̣t tra ̣m kiể m soát Điều yêu cầu nhiều trạm kiểm Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn soát Phương thức kiể m soát liên kế t là khái niê ̣m tố t hơn, vẫn yêu cầ u mỗi liên kết tra ̣m kiể m soát Để giảm thiể u số lươ ̣ng trạm kiể m soát cầ n thiế t phải có, tác giả đưa khái niê ̣m monitoring-cycle (m-cycle), m-tree, m-trail Ý tưởng cách tiếp cận này là: Đối với: m - cycle tìm tâ ̣p M m-cycle {c1, c2,… cM} cho tập này bao phủ tấ t cả các liên kết mạng, và gán cho mỡi m-cycle mơ ̣t trạm kiểm sốt Mỗi liên kết có thể bao phủ bởi nhiề u m-cycle Nế u mô ̣t liên kế t bi ̣lỗi nó sẽ gây mỗi mã cảnh báo tấ t cả m-cycle bao phủ lên liên kế t này Đối với m-tree cần diot laser thường đủ để theo dõi tất mạng Diot laser đặt nút truyền tín hiệu giám sát hướng liên kết gọi "ngọn cây" (head of the tree) Tại nút dọc theo liên kết đầu vào, tín hiệu giám sát bị dừng chuyển tiếp qua liên kết nhất, nhân gửi qua hai hay nhiều liên kết Đối với m-trail: Cho nút giám sát MN ={MN0, , MNn}, cần thiết kế giải pháp m-trail với số lượng nhỏ bước sóng cần cho việc giám sát, mỡi MN thực nhanh định vị rõ liên kết lỗi dựa tín hiệu báo động quang thu cách cục Trên sở ý tưởng trên, có nhiề u thuâ ̣t toán xây dựng các m-cycle, m-tree, mtrail để phát hiê ̣n và đinh ̣ vi ̣ lỡi Luận văn tìm hiểu th ̣t toán xây dựng các m-cycle, m-tree, m-trail với đô ̣ dài nhỏ nhấ t nhằ m nhanh chóng phát hiê ̣n lỗi ở tầ ng quang Bố cu ̣c vủa luâ ̣n văn được trình bày sau: Chương 1: Mạng cáp quang Giới thiệu tổng quan mạng quang, kiến trúc mạng quang vấn đề mạng quang Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Chương 2: Một số phương pháp đinh vị liên kết lỗi mạng quang Trình bày phương pháp định vị liên kết lỗi mạng quang, phát biể u toán, thuật toán xây dựng m- cycle, m - trail, m - tree Chương 3: Kết thực nghiệm Thực nghiệm thuâ ̣t toán M2-CYCLE Chương trình minh họa kết thực nghiệm, đánh giá, nhận xét Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn CHƯƠNG – MẠNG CÁP QUANG 1.1 Giới thiệu chung Mạng cáp quang hoạt động dựa tượng phản xạ toàn phần sợi quang Nó nhanh mạng truyền thống liệu truyền qua sợi quang dạng photon, mạng truyền thống liệu truyền qua cáp đồng dạng electron Photon có lượng nhỏ electron, photon khơng có tương tác electron Mặt khác, ánh sáng có tần số cao nên bước sóng ngắn hơn, đó với chiều dài, cáp quang truyền nhiều thông tin cáp đồng Cùng với đặc tính ưu việt như: cung cấp băng thơng cực lớn, chi phí thấp, tỉ lệ lỡi bít cực thấp, độ nhiễu tín hiệu nhỏ, u cầu khơng gian nhỏ, khả bảo mật cao…, mạng cáp quang công nghệ hứa hẹn cho tương lai sử dụng rộng rãi mạng truyền thông backbone (mạng truyền thông đường trục) 1.2 Công nghệ WDM Xác định lỗi nhiệm vụ quan trọng việc đạt khả tồn mạng all-optical WDM (phân chia đa hợp bước sóng) Để đảm bảo chất lượng cho người sử dụng dịch vụ (Qos) yêu cầu, thời gian dừng dịch vụ lỗi nên giảm đến mức tối thiểu để tránh liệu lớn Trong lỗi kế hoạch sống sót phụ thuộc, điều đó cấp bách mà lỡi xác định cách kịp thời, kết nối dịch vụ bị phá vỡ định tuyến lại để bỏ qua thành phần lỗi Để giảm thiểu thời gian xác định lỡi, chương trình giám sát lỡi quang học xem xét để tránh tín hiệu phức tạp Mục đích xác định lỗi liên kết nhanh rõ ràng nhất, lúc giảm thiểu đến mức thấp thời gian ước tính cho mỡi lỡi liên kết tài nguyên giám sát yêu cầu Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Theo lý thuyết, sợi quang có băng thông cực lớn (khoảng 25THz), gấp khoảng 1000 lần so với băng thơng tổng cộng sóng radio vệ tinh trái đất Tuy nhiên tốc độ truy cập mạng người dùng bị giới hạn tốc độ điện nút mạng (vài Gb/s ) Sự không tương đồng băng thông quang điện làm cho việc khai thác hết băng thông khổng lồ sợi cáp quang mà dùng kềnh truyền song khó khăn Rất may cho người sử dụng công nghệ WDM (wavelength division multiplexing ) với EDFA (erbium doped fiber amplifer ) đời giải vấn đề WDM phương thức ghép kênh quang theo bước sóng Thơng thường tuyến thông tin quang điểm nối điểm, mỗi sợi quang cho tia laser với bước sóng ánh sáng truyền qua, đầu thu, tách sóng quang tương ứng sẽ nhận tín hiệu từ sợi Mỡi sóng laser mang số tín hiệu điện với phổ định Từ năm 1980, công nghệ sợi quang có nhiều tiến nên phương thức ghép kênh quang theo bước sóng ứng dụng mạng viễn thông đường trục quốc tế Ở đây, WDM cho phép ta tăng dung lượng kênh mà không cần tăng tốc độ bít đường truyền khơng dùng thêm sợi dẫn quang Nó cho phép khai thác cách đơn giản kinh tế lượng thông tin vào sợi quang đơn (sợi quang cho chùm laser truyền qua lõi nó, sợi quang đa chế độ nhiều chùm laser truyền qua lõi nó góc khác ) cự ly dài tăng độ mềm dẻo cấu trúc phân phối Những đường truyền dẫn thử nghiệm đạt tốc độ lưu lượng 160Gbit/s phân phối kênh ghép theo bước sóng Hơn nữa, ghép kênh theo bước sóng WDM khơng giảm bớt ảnh hưởng tán sắc mà chống tổn hao phân cực Các hệ thống tin quang đại có sử dụng khuếch đại quang để ghép nhiều kênh theo WDM Nếu với lưu lượng 2,5Gbit/s, ghép theo WDM từ đến 16 luồng ta thực đường thông tin quang với lưu lượng 20Gbit/s đến 40Gbit/s sợi đơn mà dùng lại cá thiết bị ghép kênh phân kênh Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn có Nói cách khác, WDM cho phép tăng tích số lưu lượng nhân với cự ly sợi quang 1.3 Một số khái niệm mạng cáp quang 1.3.1 Định tuyến gán bước sóng Trong mạng cáp quang, kết nối thực lightpath Thuật tốn để chọn tuyến (path) bước sóng (wavelength) cho việc thiết lập lightpath gọi thuật tốn định tuyến ấn định bước sóng (RWA) u cầu kết nối (hay lưu lượng) mạng tĩnh động Đối với lưu lượng mạng tĩnh, yêu cầu kết nối thường biết trước Lưu lượng mạng xác định theo cặp nguồn-đích dựa đánh giá chiều dài liên kết chúng Chúng ta cần chọn tuyến bước sóng cho tất nhu cầu đáp ứng với số bước sóng cần sử dụng nhất, cực đại số nhu cầu thỏa mãn với số bước sóng cố định Vấn đề nằm toán thiết lập lightpath tĩnh (SLE) Bài toán SLE chứng minh NP đầy đủ, thuật toán giải gần với thời gian đa thức thường sử dụng Khi nhu cầu lưu lượng mạng động, yêu cầu kết nối mạng ngẫu nhiên Các lightpath thiết lập tồn khoảng thời gian có hạn Khi nhu cầu lưu lượng mạng thay đổi thành phần đó mạng bị hỏng, số lightpath tồn bị loại bỏ, số lightpath thiết lập để phù hợp với thay đổi đó Khơng giống tốn RWA tĩnh, lời giải cho toán RWA động tính tốn đơn giản, u cầu cần xử lý trực tuyến Thuật toán RWA động thực đơn giản thuật toán RWA tĩnh khơng biết u cầu kết nối tương lai, tất yêu cầu kết nối biết trước thuật toán RWA tĩnh Thuật toán RWA động xử lý yêu cầu kết nối hoàn toàn theo thứ tự mà chúng đến, thuật tốn RWA tĩnh Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn xử lý yêu cầu đó theo thứ tự định vài thuật toán heuristic Các thuật toán Heuristic gán bước sóng cho tuyến theo trật tự khơng tăng chiều dài hop chúng (hop bước truyền, nút mạng kết nối trực tiếp với lightpath tạo nên hop), kết nối có số hop lớn thường khó tìm bước sóng rỡi tồn tuyến so với kết nối có số hop nhỏ Ví dụ sau sẽ chứng minh cho vấn đề nói Ví dụ: Xét mạng với nút bước sóng w0 w1 hình 1.3 Cần thiết lập lightpath cặp nút ,,, Giả thiết yêu cầu đến theo thứ tự Một thuật toán RWA động thiết lập lightpath p0, p1, p2 cho yêu cầu đến hình 1.4(a) Thuật tốn sử dụng bước sóng rỗi cho tuyến chọn Các lightpath p0, p1 sử dụng w0, p2 sử dụng w1 Khơng có lightpath thiết lập nút nút 2, tuyến nút khơng đảm bảo liên tục bước sóng Một thuật tốn RWA tĩnh thiết lập lightpath q0, q1, q2 q3 cho cặp nút hình 1.1(b) Thuật tốn xét kết nối thứ tự không tăng chiều dài hop, bước sóng rỗi gán cho kết nối Ở cặp nút xét theo thứ tự ,,, Hình 1.1: Các lightpath thiết lập với a) RWA động b) RWA tĩnh Bài tốn RWA tốn NP-đầy đủ, để giải nó người ta thường chia thành hai toán con: Định tuyến ấn định bước sóng Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Có phương pháp định tuyến quan trọng: định tuyến cố định (fixed routing), định tuyến luân phiên (fixed alternate routing), định tuyến đầy đủ (exhaust routing) Phương pháp định tuyến cố định chọn tuyến cặp nút, thông thường tuyến đó tuyến ngắn cặp nút Phương pháp định tuyến luân phiên dùng hai hay nhiều tuyến cặp nút Những tuyến tìm theo thứ tự định trước, thường theo thứ tự không tăng chiều dài hop chúng Phương pháp định tuyến đầy đủ tìm kiếm tất tuyến cặp nút chọn tuyến ngắn (cái mà ấn định wavelength) theo trạng thái mạng Phương pháp định tuyến đầy đủ có tính khả thi cao hai phương pháp nó lại u cầu tính tốn phức tạp Tương tự phương pháp định tuyến cố định u cầu tính tốn đơn giản phương pháp định tuyến chọn lọc, tính khả thi lại thấp Phương pháp ấn định bước sóng chia thành bốn loại: bước sóng sử dụng nhiều (most used), bước sóng sử dụng (least used), thứ tự bước sóng cố định (fixed oder) thứ tự bước sóng ngẫu nhiên (random oder) Trong phương pháp thứ nhất, bước sóng tìm theo thứ tự khơng tăng khả tận dụng mạng Các lightpath nhóm lại để có nhiều bước sóng sẵn sàng cho yêu cầu kết nối sau Trong phương pháp thứ hai, bước sóng tìm theo thứ tự khơng tăng khả tận dụng mạng Phương pháp ấn định bước sóng cho lightpath để khác bước sóng chúng nhiều Ý tưởng yêu cầu tìm tuyến ngắn với bước sóng rỡi nó Phương pháp thứ ba ấn định bước sóng theo thứ tự cố định Mỗi bước sóng gán số, bước sóng với số thấp kiểm tra Trong phương pháp thứ tư, bước sóng gán theo thứ tự ngẫu nhiên Theo tài liệu báo cáo khoa học, với thuật toán định tuyến, hiệu phương pháp ấn định bước sóng Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 10 1.3.2 Sự cần thiết wavelength converter Nếu khơng có thiết bị chuyển đổi bước sóng (wavelength converters), lightpath sẽ u cầu sử dụng wavelength tất liên kết mà trải qua Điều biết ràng buộc liên tục bước sóng Và buộc làm giảm hiệu sử dụng tài nguyên mạng Chúng ta thấy rõ điều qua ví dụ đơn giản sau đây: w1& w0 w0 w1 w1 w0 w1 w0 Hình 1.2: Mạng quang khơng có wavelength converter Ví dụ: Giả sử có mạng quang hình 1.2 khơng có wavelength converters mạng Mỗi liên kết có hai wavelength w0 w1 Giả sử có kết nối cặp nút (1, 4) (2, 3) Giả sử kết nối cặp nút (1,4) sử dụng lightpath theo đường (1, 3, 4) với wavelength w0 Kết nối cặp nút (2, 3) sử dụng lightpath theo đường (2, 1, 3) với wavelength w1 Bây giờ, giả sử có yêu cầu kết nối nút (1, 3) Rõ ràng thiết lập kết nối cho yêu cầu vì: Liên kết (1,3) bận (cả w0 w1 sử dụng), đường (1,2,4,3) khơng tồn wavelength cho tất liên kết liên kết (3,4) liên kết (1,2) có hai wavlength rỗi lại khác w0 w1 tương ứng Rõ ràng, trường hợp tài ngun mạng rỡi lại không phục vụ nhu cầu kết nối Bây ta lại giả sử mạng có wavelength converter nút số Khi đó, yêu cầu kết nối nút (1, 3) ví dụ hình vẽ 1.3 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn ... 1: Mạng cáp quang Giới thiệu tổng quan mạng quang, kiến trúc mạng quang vấn đề mạng quang Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Chương 2: Một số phương pháp đinh vị liên kết. .. pháp đinh vị liên kết lỗi mạng quang Trình bày phương pháp định vị liên kết lỗi mạng quang, phát biể u toán, thuật toán xây dựng m- cycle, m - trail, m - tree Chương 3: Kết thực nghiệm Thực... mạng Phương pháp định tuyến đầy đủ có tính khả thi cao hai phương pháp nó lại u cầu tính tốn phức tạp Tương tự phương pháp định tuyến cố định u cầu tính tốn đơn giản phương pháp định tuyến chọn