Định tuyến cho mạng cáp quang đa miền

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỖ QUỐC CƯỜNG ĐỊNH TUYẾN CHO MẠNG CÁP QUANG ĐA MIỀN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC XỬ LÝ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG Hà Nội – Năm 2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỖ QUỐC CƯỜNG ĐỊNH TUYẾN CHO MẠNG CÁP QUANG ĐA MIỀN Chuyên ngành : Xử lý Thông tin Truyền thông LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC XỬ LÝ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Trương Diệu Linh Hà Nội – Năm 2011 Đỗ Quốc Cường Luận văn thạc sĩ khoa học Mục lục Mục lục T 34T Các từ viết tắt T 34T Danh mục hình T 34T Lời mở đầu T 34T CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG T T 1.1 Giới thiệu thông tin quang T T 1.1.1 Sự phát triển thông tin quang 10 T T 1.1.2 Những ưu điểm hệ thống thông tin quang 11 T T 1.1.3 Cấu trúc thành phần hệ thống thơng tin quang 13 T T 1.2 Sợi quang 15 T 34T 1.2.1 Sợi dẫn quang 15 T 34T 1.2.2 Các thông số sợi quang 19 T T 1.2.2.1 Suy hao sợi quang 19 34T T 1.2.2.2 Tán sắc ánh sáng 22 34T T CHƯƠNG GIỚI THIỆU MẠNG WDM 24 T T 2.1 Nguyên lí hoạt động hệ thống WDM 26 T T 2.2 Ưu điểm hệ thống WDM 28 T T 2.3 Vấn đề tồn hệ thống WDM hướng giải tương lai 28 T T 2.4 Các thành phần hệ thống WDM 29 T T 2.4.1 Thiết bị đầu cuối OLT 29 T T 2.4.2 Bộ ghép kênh xen/rớt quang OADM 30 T T 2.4.3 Bộ khuếch đại quang 34 T T Đỗ Quốc Cường Luận văn thạc sĩ khoa học 2.4.4 Bộ kết nối chéo quang OXC 36 T T 2.4.5 Sự chuyển đổi bước sóng 39 T T CHƯƠNG ĐỊNH TUYẾN VÀ GÁN BƯỚC SÓNG TRONG MẠNG T WDM ĐA MIỀN 42 34T 3.1 Định tuyến gán bước sóng tĩnh mạng đơn miền 42 T T 3.1.1 Giới thiệu 42 T 34T 3.1.2 Giải thuật 45 T 34T 3.1.2.1 Các giải thuật Heuristic 45 34T T 3.1.2.2 Giải thuật xác sử dụng Quy hoạch tuyến tính 47 34T T 3.2 Định tuyến gán bước sóng mạng đa miền 50 T T 3.2.1 Giới thiệu 50 T 34T 3.2.2 Định tuyến mạng đa miền vấn đề thách thức 53 T T 3.2.3 Giải pháp đề xuất dựa việc định tuyến lại miền 57 T T 3.2.3.1 Ý tưởng 57 34T 34T 3.2.3.2 Giải thuật 60 34T 34T CHƯƠNG CÀI ĐẶT MÔ PHỎNG 66 T T 4.1 Công cụ 66 T 34T 4.1.1 TOMLAB/CPLEX 66 T 34T 4.1.2 MatPlan WDM 67 T 34T 4.2 Kết mô 71 T 34T 4.2.1 Cài đặt thuật tốn mơ thử nghiệm 71 T T 4.2.2 Đánh giá kết hướng phát triển 75 T T Kết luận 76 T 34T Tài liệu tham khảo 77 T 34T Đỗ Quốc Cường Luận văn thạc sĩ khoa học Các từ viết tắt A APD Avalanche Photodiode Diod tách sóng quang thác lũ AS Autonomous System Hệ thống tự trị ATM Asynchronous Transfer Mode Kiểu truyền bất đồng Border Gateway Protocol Giao thức định tuyến vùng biên Code Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo mã Distance Vector Algorithm Thuật toán Vector khoảng cách B BGP C CDM D DVA WDM mật độ cao DWDM Dense WDM E EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi có pha tạp EIGRP Enhanced IGRP Giao thức IGRP nâng cấp I IGRP Interior Gateway Routing Protocol Giao thức định tuyến bên ISDN Itegrated Servise Digital Network Mạng số tích hợp dịch vụ L IDRA Inter-Domain Routing Agent Phần tử định tuyến liên miền LED Light Emitting Diode Diod phát quang LP Lightpath Đường ánh sáng LSA Link State Algorithm Thuật toán trạng thái liên kết Đỗ Quốc Cường LTD Luận văn thạc sĩ khoa học Thiết kế topology ảo Lightpath Topology Design O OADM Optical Add/Drop Multipler Bộ ghép kênh xen/rớt quang OLT Optical Line Terminator Thiết bị đầu cuối quang OXC Optical Cross Connect Bộ kết nối chéo quang Mixed Integer Linear Program Quy hoạch tuyến tính với biến số O MILP ngun khơng ngun P PIN Positive Intrinsic Negative PCE Path Computation Element Phần tử tìm đường định tuyến RIP Routing Information Protocol Giao thức thông tin định tuyến RWA Routing & Wavelength Assignment Định tuyến gán bước sóng Semiconductor Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang bán dẫn TDM Time Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo thời gian TE Topology Egineering Cấu trúc thông tin topology Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bước sóng R S SOA T W WDM Đỗ Quốc Cường Luận văn thạc sĩ khoa học Danh mục hình Hình 1: Sự gia tăng lưu lượng liệu thoại qua năm Hình 2: Thơng tin hữu tuyến 10 Hình 3: Thơng tin quang 10 Hình 4: Cấu trúc hệ thống thơng tin quang 13 Hình 5: Cấu tạo sợi quang 16 Hình 6: Sự phản xạ khúc xạ tia sáng mặt phân cách hai môi trường 18 Hình 7: Truyền ánh sang sợi quang 19 Hình 8: Đặc tuyến suy hao sợi quang 21 Hình 9: Tán sắc sợi quang 22 Hình 1: Sự gia tăng băng thông mạng khác qua năm 24 Hình 2: Mơ hình TDM 25 Hình 3: Mơ hình WDM 25 Hình 4: Ngun lí ghép kênh phân chia theo bước sóng 26 Hình 5: Mơ hình WDM hướng (a) hai hướng (b) 27 Hình 6: OLT 29 Hình 7: Vai trò OADM mạng 32 Hình 8: Các kiến trúc OADM 33 Hình 9: EDFA 35 Hình 10: Mạng WDM định tuyến bước song OXC 37 Hình 11: Các khối chức OXC 38 Hình 12: Sự chuyển đổi bước ong 40 Hình 13: Các khả chuyển đổi bước ong 41 Hình 1: Đường ligthpath topology vật lý topology ảo 43 Hình 2: Tóm tắt giải thuật Heuristic LTD RWA 46 Hình 3: Mơ hình mạng đa miền 51 Hình 4: Ví dụ mạng đa miền 52 Hình 5: Thách thức tốn định tuyến cho mạng cáp quang đa miền 54 Hình 6: Kiến trúc định tuyến dựa IDRA mơ hình TE 56 Hình 7: Các chuẩn điều khiển mạng quang đa miền 57 Hình 8: Mạng gồm domain – đường Inter Intra domain 58 Hình 9: Domain mở rộng 59 Hình 10: Thuật toán định tuyến cho miền mở rộng 64 Hình 11: Thuật tốn định tuyến cho tất mạng 65 Hình 1: MatPlan – Cơng cụ thiết kế topology 68 Hình 2: Cơng cụ tạo ma trận yêu cầu băng thông 69 Hình 3: Cơng cụ thiết kế mạng định tuyến thông lượng 70 Hình 4: Mạng đa miền ban đầu traffic 71 U T T U U T T U U T 34T U U T T U U T 34T U U T T U U T T U U T T U U T T U U T T U U T 34T U U T 34T U U T T U U T U T T U 34T U U T T U U T U T T U 34T U U T T U U T T U U T T U U T T U U T T U U T T U U T T U U T T U U T T U U T T U U T T U U T U T T U T U U T T U U T T U U T T U U T T U U T T U U T T U Đỗ Quốc Cường Luận văn thạc sĩ khoa học Hình 5: Miền mở rộng traffic tách tương ứng 72 Hình 6: Miền mở rộng traffic tách tương ứng 72 Hình 7: Miền mở rộng traffic tách tương ứng 73 Hình 8: Miền mở rộng traffic tách tương ứng 73 Hình 9: Kết sau định tuyến lại 74 U T T U U T T U U T T U U T U T T U T U Đỗ Quốc Cường Luận văn thạc sĩ khoa học Lời mở đầu Hệ thống thông tin quang đời với ưu điểm vượt trội áp dụng rộng rãi mạng lưới thơng tin tồn cầu Hiện nay, hệ thống thơng tin quang truyền dẫn tất tín hiệu dịch vụ băng hẹp, băng rộng đáp ứng yêu cầu mạng số tích hợp dịch vụ ISDN Vì thế, hệ thống thông tin quang mũi đột phá tốc độ truyền dẫn cấu hình linh hoạt cho dịch vụ viễn thông cấp cao Thiết kế mạng WDM toán quan trọng quan tâm nghiên cứu rộng rãi Trong định tuyến gán bước sóng (RWA) cho Ligthpath vấn đề then chốt Chúng ta có tốn định tuyến tĩnh (offline mode) nhằm đưa thiết kế ban đầu cho mạng, toán định tuyến động (online mode ) định tuyến có u cầu băng thơng xuất mạng hoạt động Có nhiều giải thuật cho tốn định tuyến gán bước sóng tĩnh miền đơn [1][5], nhiên giải pháp lại không áp dụng ngữ cảnh đa miền (multi-domain network) Mạng đa miền có đặc trưng miền trao đổi thông tin với cách hạn chế nhằm đảm bảo tính mở rộng (scalability) tính riêng tư miền Vì mạng khơng tồn trung tâm có thơng tin đầy đủ tồn mạng Các tốn RWA cho mạng đa miền trở nên vô phức tạp thiếu thơng tin đầy đủ tồn cục Các giải pháp định tuyến cho mạng đơn miền thường địi hỏi thơng tin đầy đủ khó áp dụng cho mạng đa miền Nhìn chung, mạng sau thời gian vận hành thường khơng cịn tối ưu so với thiết kế ban đầu ma trận thông lượng vào mạng thay đổi, với mạng đa miền Các miền mạng đa miền có ứng xử “ích kỷ” có xu hướng muốn tổ chức lại thông lượng cho tối ưu cho mạng lại ảnh hưởng đến mạng xung quanh Vì cần thiết có mơ hình tối ưu hóa lại thơng Đỗ Quốc Cường Luận văn thạc sĩ khoa học lượng miền tương tác với miền khác cho quyền lợi miền đáp ứng mức độ định Đó mục tiêu đề tài Trong luận văn này, tác giả đề xuất giải pháp định tuyến lại mạng đa miền dựa ý tưởng định tuyến lại miền kết nối liên miền nó, chúng gọi miền mở rộng Giải pháp định tuyến sử dụng RWA tĩnh, hay nói cách khác, tìm cách xếp lại thơng lượng miền mở rộng Thuật toán tiến hành cài đặt mô thử nghiệm công cụ MatPlan WDM sử dụng giải thuật quy hoạch tuyến tính (MILP) cho tốn RWA Luận văn viết chương với nội dung sau: Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin quang Chương 2: Giới thiệu mạng WDM Chương 3: Định tuyến gán bước sóng mạng WDM đa miền Chương 4: Cài đặt mô Đỗ Quốc Cường Luận văn thạc sĩ khoa học Như sau sử dụng hai thuật tốn ta có miền mở rộng N’ i = R R (L’ i , V’ i ), tập yêu cầu băng thông T’ i , tập ligthpath (tách từ mạng toàn cục) R R R R R R LP’ i , Virtual Topology : VT’ i = { N’ i , T’ i , LP’ i }, giá trị hàm mục tiêu C’ i = R R R R R R R R R R R R Cost(VT’ i ) R R • Giải thuật định tuyến lại miền mở rộng  Bước : Xét miền mở rộng N’ i , định tuyến lại cho miền R R thuật toán RWA: LP’ i Re-RWA = Re-RWA(N’ i , T’ i ) , xác định lại Virtual R RP P R R R R Topology : VT’ i Re-RWA = { N’ i , T’ i , LP’ i Re-RWA } , tính lại giá trị hàm mục R RP P R R R R R RP P tiêu sau định tuyến C’ i Re-RWA = Cost(VT i Re-RWA) R RP P R RP P  Bước : So sánh giá trị hàm mục tiêu trước sau định tuyến lại: Nếu C’ i Re-RWA ≤ C’ i có nghĩa giải thuật khơng tìm phương R RP P R R án tối ưu mạng Trong trường hợp ngược lại ta tìm phương án xếp lại băng thông cho mạng N’ i R R • Giải thuật định tuyến lại cho toàn mạng  Bước : Duyệt tất miền mở rộng N’ i , định tuyến lại cho R R miền LP’ i Re-RWA = Re-RWA(N’ i , T’ i ) , xác định lại Virtual Topology : R RP P R R R R VT’ i Re-RWA = { N’ i , T’ i , LP’ i Re-RWA } , tính lại giá trị hàm mục tiêu C’ i Re-RWA R RP P R R R R R RP P R RP P = Cost(VT i Re-RWA) ( Định tuyến lại miền riêng lẻ ) R RP P  Bước : So sánh tổng giá trị hàm mục tiêu trước sau định tuyến lại: So sánh S = Σ i=1 M(C’i ) SRe-RWA = Σ i=1 M(C’ i Re-RWA) , S ≥ SRe-RWA có R R R R P P R R R RP P P P nghĩa giải thuật khơng tìm phương án tối ưu mạng Nếu ngược lại, ta tiến hành đánh giá độ đồng thông lượng đường kết nối liên miền miền  Bước : Đánh giá độ đồng thông lượng kết nối liên miền : Duyệt tất kết nối liên miền l s,d INTER , xác định miền i,j mà nút R RP P nguồn đích kết nối thuộc ( s thuộc i , d thuộc j ) So sánh băng 63 Đỗ Quốc Cường Luận văn thạc sĩ khoa học thông mà liên kết mang miền : T i (l s,d INTER) T j (l s,d INTER) Nếu R R R RP P R R R RP P hai giá trị băng cho kết nối liên miền, kết giải thuật tối ưu Ta tóm tắt thuật toán lưu đồ sau : Bắt đầu từ mạng đa miền toàn cục, tách thành miền mở rộng (bao gồm miền cục bộ, kết nối liên miền nút thuộc miền khác nằm kết nối này) VT’i = { N’i , T’i , LP’i } C’i = Cost(VT’i) Định tuyến lại miền mở rộng sử dụng RWA VT’iRe-RWA = { N’i , T’i , LP’iRe-RWA } C’iRe-RWA = Cost(VTiRe-RWA) So sánh giá trị hàm mục tiêu trước sau định tuyến: C’iRe-RWA No < C’i ? Yes Kết thúc Hình 10: Thuật tốn định tuyến cho miền mở rộng 64 Đỗ Quốc Cường Luận văn thạc sĩ khoa học Bắt đầu từ mạng đa miền toàn cục, tách thành miền mở rộng (bao gồm miền cục bộ, kết nối liên miền nút thuộc miền khác nằm kết nối này) VT’i = { N’i , T’i , LP’i } C’i = Cost(VT’i) S= Σi=1 M(C’i) Định tuyến lại miền mở rộng sử dụng RWA VT’iRe-RWA = { N’i , T’i , LP’iRe-RWA } C’iRe-RWA = Cost(VTiRe-RWA) SRe-RWA = Σi=1 M(C’iRe-RWA) So sánh tổng giá trị hàm mục tiêu trước sau định tuyến: Re-RWA S No < S? Yes So sánh băng thông kết nối liên miền hai miền: Ti(ls,dINTER) = Tj(ls,dINTER)? INTER Với ls,d No Yes Kết thúc Hình 11: Thuật toán định tuyến cho tất mạng 65 Đỗ Quốc Cường Luận văn thạc sĩ khoa học CHƯƠNG CÀI ĐẶT MÔ PHỎNG Để thực giải thuật trên, chương trình mơ sử dụng cơng cụ MATPLAN WDM thuật tốn RWA sử dụng MILP Cơng cụ giải toán MILP TOMLAB/CPLEX Xin giới thiệu qua công cụ 4.1 Cơng cụ 4.1.1 TOMLAB/CPLEX Hiện có nhiều cơng cụ để giải tốn Quy hoạch tuyến tính, bật Cplex Symphony Đồ án sử dụng Cplex Tomlab Optimization phân phối • Giới thiệu TOMLAB/CPLEX o Được phát triển Robert E Bixby phân phối sản phẩm thương mại vào năm 1988 Cplex Optimization Inc., sau ILOG mua lại năm 1997 ILOG sau lại mua lại IBM năm 2009 Cplex tiếp tục phát triển IBM o Có thể giải tốn quy hoạch tuyến tính lớn o TOMLAB/CPLEX phiên Cplex TOMLAB Optimization đóng gói để sử dụng MATLAB o TOMLAB/CPLEX giải tốn sau : Tối thiểu hóa hàm mục tiêu : c'x Thỏa mãn ràng buộc nghiệm : x_L