Định tuyến multicast và gán bước sóng trong mạng quang WDM với phương pháp giới hạn các sự phân phối

TRẦN QUỐC TUẤN BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -* TRẦN QUỐC TUẤN Xử lý thông tin & truyền thông ĐỊNH TUYẾN MULTICAST VÀ GÁN BƯỚC SÓNG TRONG MẠNG QUANG WDM VỚI PHƯƠNG PHÁP GIỚI HẠN CÁC SỰ PHÂN PHỐI LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH: XỬ LÝ THƠNG TIN & TRUYỀN THƠNG Khóa: 2007 2009 Hà nội 2009 Hà Nội, 2009 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -*** - TRẦN QUỐC TUẤN ĐỊNH TUYẾN MULTICAST VÀ GÁN BƯỚC SÓNG TRONG MẠNG QUANG WDM VỚI PHƯƠNG PHÁP GIỚI HẠN CÁC SỰ PHÂN PHỐI LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH: XỬ LÝ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGÔ HỒNG SƠN HÀ NỘI 2009 LỜI CẢM ƠN Trước hết xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới TS Ngơ Hồng Sơn, thầy giáo hướng dẫn khoa học, người nhiệt tình hướng dẫn, bảo đưa đóng góp q báu để tơi hồn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo, cô giáo công tác Khoa Công nghệ thông tin, Đại học Bách Khoa Hà Nội trang bị cho kiến thức suốt thời gian học tập Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn anh, chị đồng nghiệp tạo điều kiện giúp đỡ tơi q trình thực luận văn Hà nội ngày 21 tháng 11 năm 2009 Sinh viên thực Trần Quốc Tuấn Luận văn Cao học chuyên ngành Xử lý thông tin truyền thông 2007 - 2009 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU MỞ ĐẦU Giới thiệu chung Công nghệ multicast mạng WDM Mục tiêu phạm vi luận văn Kết luận văn 10 Nội dung luận văn .10 CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH TUYẾN MULTICAST VÀ GÁN BƯỚC SÓNG TRÊN MẠNG QUANG WDM 11 1.1 Giới thiệu mạng quang học WDM 11 1.1.1 Sự phát triển WDM 11 1.1.2 Phân loại hệ thống WDM 13 1.1.3 Sơ đồ chức hệ thống WDM 16 1.1.4 Các phần tử mạng WDM 18 1.1.5 Ưu nhược điểm công nghệ WDM 24 1.2 Giới thiệu chung multicast 26 1.2.1 Các mơ hình truyền thông mạng 26 2.2.2 So sánh phương thức truyền 27 2.2.3 Đặc điểm multicast 27 2.2.4 Các vấn đề định tuyến multicast 28 1.3 Định tuyến gán bước sóng 34 1.3.1 Các phương pháp định tuyến toán SLE 36 1.3.2 Các phương pháp gán bước sóng toán SLE 40 Luận văn Cao học chuyên ngành Xử lý thông tin truyền thông 2007 - 2009 CHƯƠNG II: ĐỊNH TUYẾN MULTICAST VÀ GÁN BƯỚC SÓNG TRÊN MẠNG QUANG WDM VỚI PHƯƠNG PHÁP GIỚI HẠN CÁC SỰ PHÂN PHỐI 44 2.1 Các khái niệm 44 2.1.1 Khái niệm Light–Tree: Optical Multicasting 44 2.1.2 Cây Steiner 47 2.1.3 Cây Light-Trees cho truyền thông Multicast 48 2.2 Vấn đề định tuyến multicast gán bước sóng mạng WDM 49 2.2.1 Tổng quan vấn đề 49 2.2.2 Khả multicast với chuyển mạch quang 53 2.2.3 Multicast mạng WDM single-hop 56 2.2.4 Multicast toàn quang mạng WDM diện rộng 60 2.2.5 Gán bước sóng 63 2.3 Định tuyến multicast gán bước sóng mạng quang WDM với phương pháp giới hạn phân phối (Limited Drop-offs) 64 2.3.1 Giới thiệu toán 64 2.3.2 Điều kiện toán 67 2.3.3 Giải pháp tối ưu cho k-MTR với k =3 72 2.3.5 Gán bước sóng cho multi-tree 74 CHƯƠNG III: MÔ PHỎNG THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 77 3.1 Mô thử nghiệm 77 3.1.1 Ma trận biểu diễn đồ thị 77 3.1.2 Mơ hình mơ 77 3.1.3 Cài đặt mô 80 3.1.4 Kết mô 81 3.2 Phân tích đánh giá .81 KẾT LUẬN 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO 84 TÓM TẮT LUẬN VĂN .86 ABSTRACT .87 Luận văn Cao học chuyên ngành Xử lý thông tin truyền thông 2007 - 2009 DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu Viết đầy đủ viết tắt ATM Asynchronous Transfer Module Giải thích Chế độ truyền không đồng DEMUX Demultiplexer Giải ghép kênh DVMRP Distance Vector Multicast Giao thức định tuyến phát đa Routing Protocol phương theo vectơ khoảng cách DWDM Desen Walength Division Ghép kênh phân chia theo Multiplexing bước sóng mật độ cao EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Khuếch đại sợi pha tạp erbium FWM Four – Wave Mixing Trộn bốn bước sóng ILP Integer Linear Program Quy hoạch tuyến tính nguyên ISDN Integrated Service Digital Mạng số liên kết dịch vụ Network LAN Local Area Network Mạng cục MOD Modulation Điều chế MUX Multiplexer Ghép kênh OADM Optical add-drop multiplexer Bộ tách ghép kênh quang OCX Optical Cross Connect Kết nối chéo quang OTN Optical Transport Network Mạng truyền tải quang PIM Protocol Independent Multicast Giao thức multicast độc lập RDF Reverse Path Forwarding Thuật tốn tìm đường đảo ngược RWA Routing and Wavelength Định tuyến gán bước sóng Assignment Luận văn Cao học chuyên ngành Xử lý thông tin truyền thông 2007 - 2009 SDH Synchronous Phân cấp đồng số SONET Synchronous optical networking Đồng kết nối mạng quang TDM Time Division Multiplexing Ghép kênh phân chia thời gian VPN Vitual Private Network Mạng riêng ảo WAN Wide Area Network Mạng diện rộng WCA Wavelength Conveter Awave Bộ chuyển đổi bước sóng WDM Wavelength Division Ghép kênh phân chia bước Multiplexing sóng Luận văn Cao học chuyên ngành Xử lý thông tin truyền thơng 2007 - 2009 DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1- Sự phát triển hệ thống WDM 11 Hình 1.2- Mạng WDM định tuyến bước sóng 12 Hình 1.3 Sơ đồ truyền dẫn hai chiều hai sợi quang 14 Hình 1.4 Sơ đồ truyền dẫn hai chiều sợi quang 15 Hình 1.5: Sơ đồ chức hệ thống WDM 17 Hình 1.6: Sơ đồ khối đầu cuối đường quang (OLT) 18 Hình 1.7: Sơ đồ khối khuếch đại đường dây quang 20 Hình 1.8: Bộ xen rẽ quang OADM 21 Hình 1.9: Bộ xen rẽ quang sử dụng cách tử Bragg 21 Hình 1.10: Sơ đồ OADM điều khiển 22 Hình 1.11- Mơ hình mạng có sử dụng OXC 23 Hình 1.12: Mơ hình broadcast 26 Hình 1.13: Mơ hình multicast 27 Hình 1.14: Giao thức PIM - SM 32 Hình 1.15: Định tuyến cố định từ nút tới nút 36 Hình 1.16: Định tuyến luân phiên cố định 37 Hình 1.17: Định tuyến thích nghi từ nút tới nút 39 Hình 1.18: Yêu cầu thiết lập kết nối đồ thị chuyển đổi tương ứng 42 Hình 2.1: Topology NSFNET 46 Hình 2.2: Các đường dẫn ảo bao gồm light-tree bao gồm node nguồn UT, node đích NE, TX IL 46 Hình 2.3: Mạng node với light-tree (đường nét đậm) 48 Hình 2.4: Một chuyển mạch chia chuyển cách sử dụng 1xM cổng chuyển quang (G) 1x2 chuyển mạch 52 Hình 2.5: Ba mơ hình multicast (a) MSW (b) MSDW (c) MAW 55 Hình 2.6: Mơ hình topology hình 57 Luận văn Cao học chuyên ngành Xử lý thông tin truyền thông 2007 - 2009 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: So sánh giá mạng multicast WDM đa trang thái crossbar mơ hình khác (CB: crossbar, MS: đa trạng thái) 56 Bảng 3.1: Topology mạng NSFnet 78 Bảng 3.2: Topology mạng sinh ngẫu nhiên 79 Bảng 3.3 Kết mô với mạng NSFnet 81 Bảng 3.4 Kết mô với mạng ngẫu nhiên 81 Luận văn Cao học chuyên ngành Xử lý thông tin truyền thông 2007 - 2009 MỞ ĐẦU Giới thiệu chung Trong năm cuối kỷ 20, đầu kỷ 21, công nghệ truyền thơng, tin học có bước phát triển mạnh mẽ, có ảnh hưởng sâu sắc đến đời sống kinh tế xã hội Sự phát triển làm thay đổi hẳn cách sống, cách làm việc người đưa loài người sang kỷ nguyên – kỷ nguyên kinh tế trí thức Để đáp ứng vai trị động lực thúc đẩy phát triển kỷ nguyên thông tin, thời gian qua công nghệ điện tử - viễn thông – tin học phát triển vũ bão tạo nên nhiều thay đổi kinh tế nói chung thân ngành Viễn thơng nói riêng Mặt khác, cơng nghệ truyền dẫn quang ghép kênh phân chia theo bước sóng – WDM (Wavelength Division Multiplexing) đời với ưu điểm vượt trội chất lượng truyền dẫn cao, đặc biệt băng thông rộng/tốc độ lớn (tới hàng ngàn Terabit) cách mạng không công nghệ truyền dẫn mà giải pháp phát triển mạng viễn thơng Nó giúp cho khả tổ chức mạng trở nên đơn giản, tính hiệu kinh tế chất lượng dịch vụ cao so với giải pháp tích hợp dịch vụ cách truyền dẫn độc lập dịch vụ bước sóng khác Tuy nhiên, đời WDM với ưu điểm vượt trội băng thông khiến ta lãng phí nguồn tài nguyên quý giá Khi luồng âm thanh, hình ảnh cần truyền tới máy tính nằm phân tán Internet, lưu lượng phải gửi theo cách hiệu nhất, nghĩa dùng băng thơng tốt Multicast công nghệ tiêu chuẩn tiêu biểu cho phép truyền dẫn đa điểm-đa điểm hội nghị truyền hình, truyền dẫn điểm-đa điểm quảng bá âm thanh, video Internet Truyền thông Multicast đời cải tiến đáng kể yếu điểm hai mơ hình truyền thơng Unicast Broadcast Việc triển khai multicast WDM mang lại kết tốt, cho phép xây dựng mô Luận văn Cao học chuyên ngành Xử lý thông tin truyền thông 2007 - 2009 73 (B6) Đưa kết RB(s, D; k) := {T0, T1, Tm-1} Bởi bước B1 đồ thị bổ trợ Ga đồ thị hoàn chỉnh hàm trọng số định nghĩa dựa vào cạnh thỏa mãn bất đẳng thức tam giác, bước phương pháp Christonfide thực để xây dựng mạch Hamilton Ga Bổ đề sau có trực tiếp từ kết biết trước Christonfide Bổ đề 1: Với kết nối multicast G, mạch Hamilton Hc Ga tạo (B1-2) có giá nhiều 3/2 lần mạch Hamilton tối thiểu Ga Chúng ta chứng minh thuật tốn B đảm bảo hiệu trường hợp xấu Cho kết nối multicast , đặt Ropt(s, D; k) k-routing tối ưu c(Ropt(s, D; k)) giá Bổ đề 2: Đặt di’ node đích vệt Ti điểm gần với s Khi Chứng minh: Cho k-MTR tối ưu Ropt(s, D; k) có T1*, T2*, TN* với Ti k-drop N ≥ m Xây dựng đồ thị bổ trợ trọng số B(X, Y) với X = {Ti | i = 0, 1, , m – 1} Y = {Ti*| i = 1, , N} Tồn cạnh (Ti, Tj*) B(X, Y) Ti Tj* có α ≥ node đích trọng số cạnh w(Ti, Ti*) = α Bây ta chứng minh B(X, Y) đối sánh hoàn toàn cho Ti độc lập với cạnh đối sánh Giả thiết tồn tập Xo thuộc X cho tập láng giềng X0 Y0 thuộc Y, bao gồm đỉnh kề với vài đỉnh X0 thỏa mãn điều kiện |Y0| ≤ |X0| - Do Ti gán với nhiều k node đích Ti gán vào xác Luận văn Cao học chuyên ngành Xử lý thông tin truyền thông 2007 - 2009 74 k-drop tối ưu, tổng trọng số cạnh độc lập với Ti lớn k Với Tj* có kết tương tự Với X’ thuộc X Y’ thuộc Y coi w(X’) w(Y’) tổng trọng số cạnh Ti thuộc X’ Tj* thuộc Y’ Khi w(Y’) ≤ k|Y’|, suy w(X0) ≤ w(Y0) ≤ k(Y0) Hơn nữa, ta có w(X \ X0) ≤ k|X \ X0| = k(m - |X0|) Từ ta suy |D| = w(X0) + w(X \ X0) ≤ k(Y0) + k(m - |X0| ≤ k(m – 1) < |D| Do đó, tồn đối sánh, không làm mát nhiều xác, ta coi đối sánh M = {(Ti, Ti*)|i}, điều có nghĩa với i tồn node đích định Ti Ti* Do đó, giá Ti* khơng nhỏ giá đường dẫn ngắn từ s tới node đích định thơng thường, mà với định nghĩa di’ ví dụ c(Ti*) ≥ c(pG(s, di’) Từ ta có điều phải chứng minh Định lý 2: Cho kết nối multicast k ≥3 Thuật toán B tạo k-MTR RB(s, D; k) thời gian O(|D||V|2) với giá nhiều lần thời gian tối ưu để tạo k-MTR Ropt(s, D; k) Hệ 1: Với trường hợp k = 2, có thuật tốn thời gian đa thức tạo k-MTR với giá nhiều lần thời gian để tạo k-MTR tối ưu Steiner tối thiểu D ∪ {s} 2.3.5 Gán bước sóng cho multi-tree Với tốn gán bước sóng tĩnh, luồng quang tuyến biết trước cần gán bước sóng cho luồng quang cho Luận văn Cao học chuyên ngành Xử lý thông tin truyền thông 2007 - 2009 75 luồng quang tuyến sợi đưa bước sóng khác Gán bước sóng đặc trưng riêng WDM xem khó Ta chuyển tốn tơ màu đồ thị Đây tốn kinh điển có số thuật tốn giải hữu hiệu Bài tốn gán bước sóng tĩnh rút gọn thành tốn tơ màu đồ thị (SGC – Sequential Graph Coloring), toán NP đầy đủ Đưa tập luồng quang tuyến chúng, xây đựng đồ thị G (V,E) chẳng hạn luồng quang tượng trưng nút đồ thị G Nếu hai luồng quang qua tuyến sợi vật lý chung vẽ cạnh gián tiếp hai nút Như nút màu đồ thị phải thoả mãn hai nút lân cận không màu Bằng cách giải tốn theo cách giảm bớt số bước sóng cần sử dụng Ở phần này, coi việc làm cách để gán bước sóng cho k-drop cho gán với bước sóng riêng biệt chúng chia sẻ với kết nối chung Vấn đề làm giảm xuống thành vấn đề tô màu đồ thị sau: Xây dựng đồ thị G’(V’, E’) cho V’ tập k-drop có cạnh khơng trực tiếp E’ node V’ đồ thị G’ k-drop tương ứng chia sẻ kết nối vật lý chung G(V, E) Vì tốn tơ màu đồ thị tốn NP-khó khơng có giải thuật thời gian đa thức có tỉ lệ hiệu xấp xỉ, với lập luận tốn tơ màu đồ thị xây đựng sau: - Dựng đồ thị phụ G(V,E) luồng quang hệ thống biểu diễn nút đồ thị G, có cạnh không hướng Luận văn Cao học chuyên ngành Xử lý thông tin truyền thông 2007 - 2009 76 hai nút đồ thị G luồng quang tương ứng qua tuyến sợi vật lý chung - Tô màu node đồ thị G cho khơng có hai nút kề có màu Thuật tốn C: Thuật tốn gán bước sóng (C1) Xây dựng đồ thị G’(V’, E’) (C2) Chọn đỉnh V’ có bậc thấp (C3) Chọn tập lớn đỉnh V’ không liền kề với đỉnh chọn khơng có cạnh cặp đỉnh tập (C4) Gán bước sóng cho đỉnh tập loại bỏ chúng khỏi V’ (C5) Lặp lại bước (C2-4) đỉnh V’ gán bước sóng Định lý 3: Cho k-MTR R(s, D; k) có m k-drop, thuật tốn C gán bước sóng cho R(s, D; k) thời gian O(m2|V|3) Chứng minh: Ở bước C1, đồ thị G’(V’,E’) có xây dựng khoảng thời gian O(m2|V|2), Ti có nhiểu (|V| - 1) cạnh Trong bước lặp C2-5, tất đỉnh V’ gán màu, đỉnh gán màu chúng không kề với Chọn đỉnh có bậc thấp tìm tập lớn hồn thành cách kiểm tra tập đỉnh V’ Do thuật toán C hồn thành việc gán bước sóng khoảng thời gian O(m2|V|3) Luận văn Cao học chuyên ngành Xử lý thông tin truyền thông 2007 - 2009 77 CHƯƠNG III: MÔ PHỎNG THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 3.1 Mô thử nghiệm 3.1.1 Ma trận biểu diễn đồ thị Giả sử G = (V, E) đồ thị cho có nhiều cung liên thuộc hai đỉnh vi vj Ma trận kề hay ma trận liên thuộc đỉnh đỉnh ma trận vuông A = (aij) cấp n x n với phần tử 1: c → (vi , v j ) ∈ E  aij = 0 → i = j m → ( v , v ) ∉ E i j  Ở đây, ta ký hiệu m đỉnh vi vj khơng có đường nối trực tiếp Ký hiệu tương đương với vô cùng, c số nguyên không âm, biểu diễn trọng số vi vj Với giả thiết toán, đồ thị vô hướng, ma trận kề đơn đồ thị định nghĩa cách xem cạnh (vi, vj) tương ứng cung (vi, vj) (vi, vj) Ở toán xét, ma trận kề đối xứng 3.1.2 Mơ hình mơ 3.1.2.1 Topology mạng NSFnet Mơ hình thứ mạng NSFnet Mạng bao gồm 14 node mô 14 bang nước Mỹ Giá đường dẫn nối bang mạng khoảng cách lái xe bang (Xem hình 2.1) Luận văn Cao học chuyên ngành Xử lý thông tin truyền thơng 2007 - 2009 78 Với giả thiết, ta có ma trận biểu diễn mạng NSFnet sau m m m m m m m m m m 10 m m m m m m m m m m m 10 m m m m m m m m m m m m m m m m m 13 m m m m m m m 4 m m m m m m m m m m m m m m m m m m m m 12 m m m m m m m 12 m 16 m m m m m m m m m m m m m m m m m m 2 m m m m 13 m m m m m m m m m m m m m m m m m m m m m m m m m m m m m m m m m m m m m m m m m m m m m m m m m m Bảng 3.1: Topology mạng NSFnet 3.1.2.2 Topology mạng ngẫu nhiên Mơ hình thứ sinh ngẫu nhiên số node khoảng cách node (thỏa mãn điều kiện ma trận kề biểu diễn đồ thị) Khoảng cách node số nguyên không âm Luận văn Cao học chuyên ngành Xử lý thông tin truyền thông 2007 - 2009 79 m m m m m m 1 m m m m m 6 m m m m m m m m m m m m m m m m m 7 m m m m 6 m m m m m m m m m m m m m m m m m m m m m m m 8 m m m m m m m m m m m m m m m Bảng 3.2: Topology mạng sinh ngẫu nhiên 3.1.2.3 Q trình mơ Đầu vào thuật toán lấy từ tệp, topology mạng NFSnet node cố định Ở topology mạng ngẫu nhiên node sinh ngẫu nhiên thỏa mãn điều kiện ma trận kề biểu diễn đồ thị Các kết nối multicast sinh ngẫu nhiên Nguồn s node đích D lấy ngẫu nhiên từ node mạng - Để xác định thuật tốn k-MTR làm giảm bớt giá mạng Ta sử dụng Steiner thước đo hiệu Cây Steiner tối ưu kết nối multicast trương hợp k vô hạn (một Steiner bao gồm tất node đích) Việc xây dựng Steiner tốn NP-khó, ta sử dụng thuật tốn xấp xỉ sau: + Xây dựng đồ thị Ga với tập đỉnh {s} ∪ D cạnh (u, v) Ga đường dẫn ngắn cặp đỉnh u, v đồ thị gốc G Luận văn Cao học chuyên ngành Xử lý thông tin truyền thông 2007 - 2009 80 + Xây dựng khung nhỏ Tmin Ga + Cây Steiner Ts xây dựng với cạnh cạnh Tmin tương ứng với cạnh ngắn G - Để thấy hiệu thuật toán việc giảm số lượng bước sóng sử dụng ta sử dụng mơ hình lightpath (trong trường hợp k = 1) thước đo độ hiệu Trong mơ hình lightpath, định tuyến kết nối multicast lightpath, với lightpath nguồn node đích Đường dẫn ngắn nguồn đích đơn giản lightpath Ở đây, giả lập giá mạng số lượng bước sóng sử dụng phụ thuộc vào số lượng node đích (k = 2), kết thực qua 50 lần thay đổi giá trị mô 3.1.3 Cài đặt mô Chương trình mơ có tên kMTR.exe (có mã nguồn kèm theo) Các file liệu đầu vào chương trình lưu dạng text đặt thư mục với chương trình mơ Các file liệu mô tả topology mạng đặt tên dataXX.txt định dạng sau: - Dòng 1: số node mạng - Các dòng tiếp theo: Ma trận biểu diễn đồ thị File mơ tả mơ tả mơ hình mơ có tên input.txt định dạng sau: - Dịng 1: node nguồn _ số node đích - Dòng 2: node định phân phối liệu Luận văn Cao học chuyên ngành Xử lý thông tin truyền thông 2007 - 2009 81 3.1.4 Kết mô Bảng 3.3 kết mạng NSFnet với giá mạng bước sóng sử dụng thuật toán k-MTR, Steiner tree lightpath-tree Số node đích 10 k-MTR 11 16 25 29 46 64 69 87 91 Steiner Tree 11 16 20 24 32 37 55 56 58 Lightpath-tree 11 16 25 38 54 72 96 114 136 Bảng 3.3 Kết mô với mạng NSFnet Bảng 3.4 kết mô mạng ngẫu nhiên thuật toán sinh với thuật toán k-MTR, Steiner Tree Lightpath-tree Số node đích 10 k-MTR 10 18 22 29 37 46 53 Steiner Tree 13 19 25 32 36 43 Lightpath-tree 13 21 27 34 45 54 62 Bảng 3.4 Kết mô với mạng ngẫu nhiên 3.2 Phân tích đánh giá Theo kết thu được, ta có nhận xét sau: - Thuật tốn cài đặt chương trình chạy nhanh (