Tối ưu lưu lượng trong mạng quang ghép kênh theo bước sóng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC TỐI ƯU LƯU LƯỢNG TRONG MẠNG QUANG GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mà SỐ:8 NGUYỄN TUẤN TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN VŨ THẮNG Hµ Néi 2008 NGUYỄN TUẤN TRƯỜNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TỐI ƯU LƯU LƯỢNG TRONG MẠNG QUANG GHÉP KÊNH BƯỚC SÓNG NGUYỄN TUẤN TRƯỜNG 2006 - 2008 HÀ NỘI 2008 HÀ NỘI, 2008 MỞ ĐẦU Thế kỷ 21 kỷ công nghệ thông tin Sự bùng nổ loại hình dịch vụ thơng tin, đặc biệt phát triển nhanh chóng Internet World Wide Web làm gia tăng không ngừng nhu cầu dung lượng mạng Ðiều đòi hỏi phải xây dựng phát triển mạng quang dung lượng cao Song song với việc phát triển công nghệ truyền dẫn mới, việc sử dụng hiệu nguồn tài ngun sẵn có thơng qua phương án tối ưu hóa lưu lượng mạng quang vấn đề tập trung nhiều nghiên cứu Toàn cơng việc tối ưu hóa lưu lượng mạng quang gọi “Traffic Grooming” Cấu trúc đề tài bao gồm năm chương:  Chương I: Giới thiệu tổng quan mạng quang, đồ phát triển công nghệ mạng quang sơ lược “Traffic Grooming” cần thiết  Chương II: Các chuyển mạch Grooming Chương nghiên cứu chuyển mạch Grooming hai vấn đề “Traffic Grooming” Trong sâu nghiên cứu chức năng, phân loại kiến trúc chuyển mạch Grooming  Chương III: Định tuyến gán bước sóng mạng quang Chương nghiên cứu vấn đề thứ hai “Traffic Grooming” định tuyến gán bước sóng Trong xem xét tốn định tuyến gán bước sóng hai mạng quang điển hình mạng quang diện rộng mạng quang đô thị  Chương IV: Chương trình IPSOLVE Chương giới thiệu chương trình đơn giản để tính tốn tốn định tuyến gán bước sóng mạng quang Đồng thời sử dụng chương trình để minh họa số ví dụ cụ thể Vì khn khổ giới hạn tính ứng dụng thực tế đề tài, mơ hình tốn học trình bày đề tài kết cuối khơng giải thích, chứng minh cụ thể Ðể hiểu thêm việc dẫn xuất chứng minh kết này, bạn đọc đọc thêm tài liệu tham khảo.Do tính chất phức tạp phát triển nhanh chóng cơng nghệ, đề tài “Tối ưu lưu lượng mạng quang ghép kênh theo bước sóng” khơng thể tránh khỏi thiếu sót Xin chân thành cám ơn tất ý kiến đóng góp bạn đọc để hồn thiện đề tài Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo, Tiến sĩ Nguyễn Vũ Thắng, người tận tình hướng dẫn suốt trình thực đề tài Đồng thời em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy cô giáo khoa Điện tử Viễn thông, thầy cô giáo Viện đào tạo sau đại học – Trường đại học Bách khoa Hà Nội truyền đạt kiến thức lời khuyên quý giá suốt năm học vừa qua Xin cảm ơn gia đình, bạn bè đồng nghiệp, người bên cạnh động viên suốt thời gian vừa qua Học viên: Nguyễn Tuấn Trường CÁC TỪ VIẾT TẮT A AN Acess node Nút truy cập Mạng quang chuyển mạch tự ASON động ASTN ATM Automatic Switched Transport Mạng truyền tải chuyển mạch Network tự động Asynchronous Transfer Mode Cơ chế truyền tải dị Bidirectional line-switched ring Ring chuyển mạch theo hai B BLSR hướng C CCW Couter clockwise Ngược chiều kim đồng hồ CW Clockwise Cùng chiều kim đồng hồ DBR Design based Routing Định tuyến dựa thiết kế DIR Destination initiated reservation Hạn chế khởi tạo từ đích DRWA Dynamic Routing and Wavelength Định tuyến gán bước sóng D DTG Assigment động Dynamic Traffic Grooming Traffic Grooming động DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing E Ghép kênh phân chia theo mật độ bước sóng EN Edge Node Nút biên EDFA Erbium Doped Fibre Amplifier Bộ khuếch đại quang Erbium Fiber Cross Connect Chuyển mạch sợi ILP Integer Linear Programming Quy hoạch tuyến tính nguyên IP Internet Protocol Giao thức Internet MAN Metro Area Network Mạng metro MH Multi Hop Đa chặng MPLS Multiprotocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao F FXC I M thức O OA Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang OADM Optical Add Drop Multiplexer Bộ tách ghép quang OCS Optical Circuit Switching Chuyển mạch kênh quang OBS Optical burst Switching Chuyển mạch cum quang OLT Optical Line Terminal Bộ kết cuối đường quang OPS Optical Packet Switching Chuyển mạch gói quang OTN Optical Transport Network Mạng truyền tải quang OXC Optical Cross Connect Bộ đấu chéo quang Routing Wavelength Assigment Định tuyến gán bước sóng R RWA S SADM SONET add/drop multiplexers Các tách ghép SONET SDH Synchronous Digital Hierachy Mạng số cận đồng SH Single Hop Đơn chặng SONET Synchronous optical network Mạng quang đồng SRWA Static Routing and Wavelength Định tuyến gán bước sóng Assigment tĩnh Time Division multiplexing Ghép kênh phân chia theo thời T TDM gian U UPSR Unidirectional Path Switched Ring chuyển mạch hướng Ring W WAN Wide Area Network Mạng diện rộng WBXC WaveBand Cross-Connect Chuyển mạch dải bước sóng WDM wavelength-division multiplexing Ghép kênh theo bước sóng WSXC Wavelength-selective optical Chuyển mạch lựa chọn bước cross-connect sóng DANH MỤC HÌNH VẼ I.1 Hệ thống ghép bước sóng hướng I.2 Hệ thống ghép bước sóng hai hướng I.3 Kiến trúc node mạng quang định tuyến bước sóng khơng có biến đổi bước sóng I.4 Một mạng quang WDM định tuyến bước sóng I.5 Điều kiện liên tục bước sóng đường dẫn chặng I.6 Bản đồ phát triển công nghệ truyền dẫn quang I.7 Mạng quang với 04 luồng lưu lượng truyền tải I.8 Kiến trúc node đầu vào I khơng có “gom” lưu lượng 10 I.9 Kiến trúc node đầu vào I với khả “gom” lưu lượng 11 I.10 Sơ đồ khối vấn đề “Grooming” 12 II.1 OXC chuyển mạch sợi (a) OXC chuyển mạch lựa chọn bước 17 sóng(b) chuyển mạch trao đổi bước sóng (c) II.2 Cấu trúc chuyển mạch kết hợp “Grooming” 18 II.3 Một chuyển mạch gói bus chia sẻ đơn giản 19 III.1 Tập hợp giải pháp khả thi cho ví dụ III.1 31 III.2 Đồ thị để tìm giải pháp tối ưu cho ví dụ III.1 31 III.3 Tồn giải pháp tối ưu cho vấn đề LP 32 III.4 Ví dụ điểm cực trị 33 III.5 LP phục hồi biên thấp cho ILP 34 III.6 Đường bao nguyên 35 III.7 Cấu trúc mạng hình 36 III.8 Cấu trúc mạng kiểu vòng hai hướng 37 III.9 Cập nhật định tuyến gán bước sóng cho Ring N node ring 38 N+2 node III.10 Ví dụ giải pháp mà lightpath vi phạm điều kiện truyền dẫn vật 40 lý III.11 Topology mạng ma trận lưu lượng cho RWA 44 III.12 Bài tốn tơ màu đồ thị 47 III.13 Gán bước sóng cho mạng node 48 III.14 Thực tô màu 48 III.15 Sau thực thực phương pháp tô màu 49 III.16 Bảo vệ chia sẻ 50 III.17 Bảo vệ liên kết chia sẻ 52 III.18 Node chuyển mạch quang có chuyển đổi bước sóng 57 III.19 Kiến trúc chuyển mạch quang không suốt với truyền dẫn 63 WDM III.20 Kiến trúc chuyển mạch quang suốt với mạng WAN định 65 tuyến bước sóng III.21 Q trình “Birth-death” số lượng bước sóng rỗi liên 67 kết j III.22 Thiết lập giải phóng liên kết 73 III.23 Cấu trúc Ring UPSR CW CCW 78 III.24 Cấu trúc Ring BLSR 79 III.25 Mạng MAN điển hình 79 III.26 Các vịng chạy bảo vệ cho kết nối EN AN2 81 III.27 Giải thuật Greedy không làm tối thiểu ADM 84 IV.1 Cấu trúc mạng ma trận lưu lượng cho phần 99 IV.2 Giải pháp cho phần 1.b 103 IV.3 Topo mạng ma trận lưu lượng cho phần 1c 103 IV.4 Giải pháp cho phần 1c – hình V.3 104 IV.5 Trường hợp ma trận lưu lượng thứ hai phần 1c 104 IV.6 Giải pháp cho phần 1c – hình V.5 105 IV.7 Giải pháp định tuyến cho phần 107 IV.8 Phương pháp tô màu đồ thị cho phần 107 IV.9 Kết thuật toán Smallest-Last cho phn 108 Tài liệu tham khảo xếp riêng theo ngôn ngữ (Việt, Anh, Pháp, Đức, Nga, Trung, Nhật ) Các tài liệu tiếng nước phải giữ nguyên văn, không phiên âm, không dịch, kể tài liệu tiếng Trung Quốc, Nhật (đối với tài liệu ngôn ngữ người biết thêm phần dịch tiếng Việt kèm theo tài liệu) Tài liệu tham khảo xếp theo thứ tự ABC họ tên tác giả luận văn theo thông lệ nước: Tác giả người nước ngoài: xếp thứ tự ABC theo họ Tác giả người Việt Nam: xếp thứ tự ABC theo tên giữ nguyên thứ tự thông thường tên người Việt Nam, không đảo tên lên trước họ Tài liệu tên tác giả xếp theo thứ tự ABC từ đầu tên quan ban hành báo cáo hay ấn phẩm, ví dụ: Tổng cục Thống kê xếp vào vần T, Bộ Giáo dục Đào tạo xếp vào vần B, v.v Tài liệu tham khảo sách, luận văn, báo cáo phải ghi đầy đủ thông tin sau: tên tác giả quan ban hành (không có dấu ngăn cách) (năm xuất bản), (đặt ngoặc đơn, dấu phẩy sau ngoặc đơn) tên sách, luận văn báo cáo, (in nghiêng, dấu phẩy cuối tên) nhà xuất bản, (dấu phẩy cuối tên nhà xuất bản) nơi xuất (dấu chấm kết thúc tài liệu tham khảo) Tài liệu tham khảo báo tạp chí, sách phải ghi đầy đủ thông tin sau: tên tác giả (không có dấu ngăn cách) (năm công bố), (đặt ngoặc đơn, dấu phẩy sau ngoặc đơn) tên báo, (đặt ngoặc kép, không in nghiêng, dấu phẩy cuối tên) tên tạp chí tên sách, (in nghiêng, dấu phẩy cuối tên) tập (không có dấu ngăn cách) (số), (đặt ngoặc đơn, dấu phẩy sau ngoặc đơn) số trang (gạch ngang hai chữ số, dấu chấm kết thúc) Cần ý chi tiết trình bày nêu Nếu tài liệu dài dòng nên trình bày cho từ dòng thứ hai lùi vào so với dòng thứ 1cm để phần tài liệu tham khảo rõ ràng dễ theo dõi Dưới ví dụ cách trình bày trang tài liệu tham khảo: tài liệu tham khảo Tiếng Việt Quách Ngọc Ân (1992), Nhìn lại hai năm phát triển lúa lai, Di truyền học ứng dụng, 98(1), tr.10-16 Bộ Nông nghiệp & PTNT (1996), Báo cáo tổng kết năm (1992 1996) phát triển lúa lai, Hà Nội Nguyễn Hữu Đống, Đào Thanh Bằng, Lâm Quang Dụ, Phan Đức Trực (1997), Đột biến Cơ sở lý luận ứng dụng, NXB Nông nghiệp, Hà Nội Nguyễn Thị Gấm (1996), Phát đánh giá số dòng bất dục đực cảm ứng nhiệt độ, Luận văn thạc sĩ khoa học Nông nghiƯp, ViƯn Khoa häc kü tht N«ng nghiƯp ViƯt Nam, Hà Nội Võ Thị Kim Huệ (2000), Nghiên cứu chẩn đoán điều trị bệnh , Luận án Tiến sĩ Y khoa, Trường Đại học Y Hà Nội, Hà Néi TiÕng Anh 10 Anderson J.E (1985), The Relative Inefficiency of Quota, The Chesse Case, American Economic Review, 75(1),pp 178-90 11.Borkakati R P., Virmani S S (1997), Genetics of thermosensitive genic male sterility in Rice, Euphytica 88, pp 1-7 12.Boulding K E (1955), Economics Analysis, Hamish Hamilton, London 13.Burton G W (1998), “Cytoplasmic male-sterility in pearl millet (pennisetum glaucum L.)”, Agronomic Journal 50, pp 230-231 14.Central Statistical Oraganisation (1995), Statistical Year Book, Beijing 15.FAO (1971), Agricultural Commodity Projections (1970-1980), Vol II Rome 16.Institute of Economics (1988), Analysis of Expenditure Pattern of Urban Households in Vietnam, Departement of Economics, Economic Research Report, Hanoi MÉu vá ®Üa CD luận văn thạc sĩ khoa học Traffic grooming mạng quang ghép kênh theo bước sóng ngành : Kỹ THUậT §IƯN Tư m· sè:23.04.3898 Ngun tn tr­êng Hµ Néi 2008 Trung tâm đào tạo sau đại học A PH LC III.1 Trong phụ lục chứng minh biểu thức (III.16) phần định tuyến gán bước sóng động mạng WAN:  β ( x, y, n), if x ≥ y ≥ n, x + y − n ≤ W ,0 ≤ x, y ≤ W  = pn ( x, y )  β ( y, x, n), if y ≥ x ≥ n, x + y − n ≤ W ,0 ≤ x, y ≤ W 0, otherwise  (III.16) Trong đó:  y  n x − i +  n W − x − i +1  β ( x, y , n ) =    ∏ ∏ n W − i +  W − n − i +     =i =i  Khơng tính tổng qt, giả sử x ≥ y Để giá trị x y có ý nghĩa phải thỏa mãn điều kiện sau đây: x ≥ y ≥ n, x + y − n ≤ W ,1 ≤ x, y ≤ W Với điều kiện giả sử điều kiện có nghĩa tập trung vào phân bố:  y   n x − i +   y −n W − x − i +  pn ( x, y, n) =    ∏  ∏ W − n − i +1 W − i +  = i  n   i = Xem xét vấn đề có W thùng với x bóng đỏ y bóng đen Giả sử đặt x bóng đỏ cách ngẫu nhiên vào W thùng cho nhiều bóng thùng Tương tự với y bóng đen Sau pn ( x, y ) xác suất có xác n thùng có hai bóng (đỏ đen) Vì viết: pn ( x, y ) = Pr { n thùng với bóng đỏ đen} = Pr {n thùng với bóng đỏ đen / vị trí thùng x bóng đỏ} Đưa vị trí thùng x bóng đỏ, xem xét vị trí thùng y bóng đen theo trật tự xếp chúng Chúng ta gán vị trí y với biểu tượng S (Same) thùng tương ứng chứa bóng đỏ gán E  y (empty) trường hợp khác Có   chuỗi gán với nS n  y-n E Mỗi chuỗi có xác suất bằng:  n x − i +   y −n W − x − i +   ∏ W − i +1 ∏ W − n − i +1 =  i 1=  i  Vì ta thiết lập công thức (III.16) B Phụ lục IV B1 Bảng IV.3: Part – Wavelengths CONSTRAINTS fmax s-d pair Variables Values Cost coef Integer fiber 12 21 24 42 46 64 56 65 35 53 13 31 34 43 14 f^124_1 0 1 14 f^124_2 0 1 14 f^124_3 0 1 14 f^134_1 0 1 14 f^134_2 0 1 14 f^134_3 1 1 23 f^213_1 0 1 23 f^213_2 0 1 23 f^213_3 0 1 23 f^243_1 0 1 23 f^243_2 1 1 23 f^243_3 0 1 26 f^246_1 1 1 26 f^246_2 0 1 26 f^246_3 0 1 26 f^24356_1 0 1 1 26 f^24356_2 0 1 1 26 f^24356_3 0 1 1 31 f^31_1 1 31 f^31_2 0 1 31 f^31_3 0 31 f^3421_1 0 1 1 31 f^3421_2 0 1 1 31 f^3421_3 0 1 1 42 f^42_1 1 42 f^42_2 0 1 42 f^42_3 0 1 42 f^4312_1 0 1 1 42 f^4312_2 0 1 1 42 f^4312_3 0 1 1 45 f^435_1 1 1 1 45 f^435_2 0 1 45 f^435_3 0 1 45 f^465_1 0 1 45 f^465_2 0 1 45 f^465_3 0 1 53 f^53_1 1 53 f^53_2 0 1 53 f^53_3 0 1 53 f^5643_1 0 1 1 53 f^5643_2 0 1 1 53 f^5643_3 0 1 1 62 f^642_1 0 1 62 f^642_2 1 1 62 f^642_3 0 1 62 f^65342_1 0 1 1 62 f^65342_2 0 1 1 62 f^65342_3 0 1 1 64 f^64_1 1 64 f^64_2 0 1 64 f^64_3 0 1 64 f^6534_1 0 1 1 64 f^6534_2 0 1 1 64 f^6534_3 0 1 1 fmax 1 -1