Áp dụng thuật toán di truyền trong việc thiết kế topologies ảo trong mạng cáp quang

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI t r n g đ ạ• i h ọ• c k h o a h ọ• c t ụ• n h i ê n m k ' k ‘k 'k'k'k'k'k'k TÊN ĐÈ TÀ í : ÁP DỤNG THUẬT TỐN DI TRUN TRONG VIỆC HIÉT KÉ TOPOLOGIES Ảo TRONG MẠNG CÁP QLIANC MẢ SỐ: QT-08-06 C H Ú T R Ì DÈ TÀ I : I S L Ê T R Ọ N G VĨ.MI Dr / HÀ NỌI -2 0 ĐẠI HỌC QUỎC CIA HẢ N ộ ] T RƯ Ờ NG » Ạ• I HỌC KHOA HỌC TỤ• NHIÊN • • TÊN ĐÈ TÀI ÁP DỤNG T H UẬT TOÁN 1>I TRUYẺN TRONC VIỆC THIÉT KÉ TO POLOGIES Ảo TRONG MẠNG CÁP QUANG MÃ SÓ: QT-08-06 C H Ủ T R Ì Đ Ê T À I: Ts I.ê Trọng Vĩnh C Á C C Á N B ộ T H A M GIA: CN Iỉoàng Quốc Hùng HÀ NỘI -2 0 MỤC LỤ C BÁO C Á O TÓ M T Ắ T .4 PHẢN CH ÍNH BÁ O C Á O I Lời m d ầ u ^ II Mạng cáp quang - Nen tàng cho Internet hệ kế tiêp 10 II, Công nghệ W D M 10 11.2 Kiến trúc m ạn g cáp q u a n g 12 11.3 Bái toán R W A mạng cáp q u a n i ĩ 14 11.4 M ột số vấn đề quan trọng khác m ạne q u a n g 17 III.Thiêt kẽ Topologv ảo mạntỉ quantỉ 19 III Giới thiệu c h u n g 19 111.2 Phát biểu tổng quái t o n .24 111.3 Một vài hướng tiếp cận t o n 29 IV Áp dụng thuật toán di truyên cho việc thiêt kê Topology a o 29 IV Thuật toán di truyền 29 IV.2 Ưng dụng thuậl toán di iruyên cho việc thiêt kê topology o 34 IV.2.1.6 I làm độ thích nghi IrotiL! Irướnu hợp mạnu co.'khỏim co bó chuyên dõi bước s ó n g 37 IV.2 ] I làm dộ thích niihi tron” tnrờng họp mạrm sưrvivahlc ccVkhơne có cluivèn dối bước són g 40 V Kết luận dề xuấ t 54 VI Tài liệu tham k h a o .54 PHỤ L Ụ C 56 BÁO CÁO TÓM TÁT a Tên đê tài, Ap dụng thuật toán di truvên cho việc thiêt kê topologies ao tro lie m ans cáp b M ã số QT-08-06 c C h ủ trì dề tài: Ts Lê Trọng Vĩnh (ỉ Các cán t h a m g i a : CN Hoàng Quốc Hùng e M ụ c tiêu n ộ i ( lu n " n g h iê n u: Trong vài thập kỷ qua, ảnh hưởng "mạ ng" nuàv càne rõ rệt trorm việc tò chức hộ thống máy tính Mạnu máy tính hệ thống nhìnm máy tinh độc lập kết nối \Ĩ'1 nhqu nhăm đáp ứng côn li việc chung cua tô chức Mạnu dem lại nhữim thuận tiện tronu sống như: cung câp phương tiện liên lạc, chia sc nhĩmt! tài nguyên săn có, cai tiên tin cặv cùa dịch vụ giám thiêu chi p h í , Cùng với phát triên bùng nô cua m an ” , nhu cáu truyền thơim chãi lượim cao loi băng thơng lớn ngày trị' nên thièt Những dịch \ ụ dược curm câp hời mạim nhu: truy cập thông tin từ xa thư điện tứ dược sứ dụng bới hànu triệu nmrừi trẽn thè uiới Sụ phai triên theo hàm mũ cua Internet nhũng ứng dựng veil câu bàng thông cao nhu ti'u_\ên hmh trực tuyên, nhũng hội tháo da phưưng tiện dõi hói mạng phai co băiiLỉ ihịim rộnu nia mạng băng thơng lớn trước dây nhu mạng A T M (asynchronous transfer mode) khôiiLi the đáp ứng dưực Nh ữ ng yêu cầu chí đáp ứng náu mạnti cap quang (optical network) gọi mạng quang - sử dụng, vi mạng quane cho phép truỵcn liệu \ứi tỏc dộ cao, giá thành ré, ti lộ lỗi bit thấp Trong mạng cáp quant", nút mạng (node) nòi với bưi liên két \ậ t 1\ (link) hàng sợi quaniì (fiber) Dữ liệu đirọc gưi từ mội nút many tói nút inạim khác sư dụny dường Iruyỏn vật lý trái qua nhiêu link trôn mỏi link sir dụnu kênh (channel) (mồi kênh dùng bước sóng (wavelength)) uọi la mội ìiglupcilh I ronií Irưừng họp mạn g kh ơng có thièt bị chun dơi bước sóne ( w av de nul h converters) ihỉ hước sóng cua kênh lât ca link thuộc c ù n ” liuhpath duực >CLI can la Líiơrm Diều duọc hiẻt rănsi buộc liên tục cua bước sóntí (\\a\clcniith continuity constraint) troim m n g quang Rất rõ ràng, ta ấn định lightpath hai nút mạng đê đáp ứntí yêu cầu kết nối (connection request) chúng, tạo một liên kết (link) mứi tuữa hai nút Tập hợp tất các lighpath can xác định mạng quang đê phục vụ cho till ca yêu câu kết nối nốt mạng ban đâu hình thành topoliv khác vói topolouv vật lý Topology n h gọi topology ảo (virtual topokmy) tronu mạnti qmum Bài toán xác định lightpath đế đáp ứng nhu cầu kết ụiữa cặp nút tron tỉ mạng quang cho tài nguyên mạng dược sư dụng tơi ưu (sơ hước sóng liên kết nhất) gọi toán thiết kế topology ao Bài toán thiết kế topology ao toán quan trọtm tron 12, mạim cáp quanìí bơi nỏ cho phép dỗ nâng cao hiệu qua sử dụng m ạn ” Do dó mục đích cua dê lài ỉa tập trun” imhiơn cứu khía cạnh thuật tốn dơ giai qut toán topoloey áo tron” mạn ti quan ti Các nghiên cứu trước dâv dã chí 1'ãnu tốn thiêt kẽ lopologv ao la bai toan \ T - đ \ dú thuật tốn tìm kiếm tối ưu nên dược áp dụng để uíai qnyct nỏ I huàl toán di Iruyên (acnctic algorithm - GA) plnronu pháp tìm kiêm lỏi ưu dựa trơn k\ thuật tiên hóa tự nhiên dã áp dụnu thánh cônti tronLỉ nhiêu lĩnh \ ục nhu học má) lõi LiLI hoa lõ hợp Do vậy, sư (.hint; thuật toán cho việc thiêt kè cac lopoloey ao e Các két q u dạt đ ợ c: Đồ tài dà nghiên cứu dược van dê ban cua mạng cáp quang cũnii dẽ cập vât dê cơt u cua nó: Vân dị ihiêt kê topology ao Đây vân dê rât quan IrọiiLi dè naiTLi cao hiệu qua khai thác, ímti dụnu mạng cáp quaim thực tẽ - vân đẽ van nhiêu thách thức Kot qua cua đẻ tài tài liệu đà) du vè chiên liụre định tun irlk hiệu qua trịn mạng backbone Cụ thê nhu sau: Nghiên cứu toán thiết ke topology ao vấn dô liên quan như: \C‘U càu cho việc thiết kế topology ảo, toán CO' ban trone thiết kế topolouy ao phát biêu toán \ a vài hướng cụ thể đê tiếp cận toán Bài toán thiết kê topolog) ao la bai tốn quan trọn Lì nhai de nânu cao hiệu năn LI inarm ỉ)õ tài dã nghiên cưu nhĩniL! luroiiL! tiịp cặn irước dâ\ dó giai hài tốn Sau đỏ, chúny tỏi LỈưa I11Ộ1 cách uôp cận nu ri dí) la áp dụnu thuật loan di truyền đẽ giai qnyêl hài toán Kốl cua dề tài mớ rộng kêl qua dà dạt đưọc tù dè tái TN-07-05 cua nhỏm tác gia Cụ thê, trone dê tài TN-07-05, tác uia chi nuhiõn cửu bai loan cho trường hợp yêu cầu kết noi unicast mạng quany có rảnu buộc bước sónu I I'OIIL! dỏ lai này, chúng tơi nghiên cứu tồn cách sâu rộng tơnc qi troniỊ tnrưne hợp: • Mạng có chứa thiết bị chuyển đơi bước sóng • Các kêt nơi u câu có tính chịu lơi • u câu kết nồi multicast Ket quà cứa đề tài viết 01 báo cáo hội nghị “Mội rmhị khoa hoc trưònu dại hục khoa học tự nhiên - 2008" 01 báo đanu qua trình phan biện dè dãn Li lạp chi Khoa học Toán - Lý, Đại học Qe gia Ngồi ra, đê tài hỗ trợ dao tạo 01 cư nhân ngành Toán - I in ứng dụng, tốt nghiệp nám 2008, 01 thạc sĩ ngành Dam bao I ốn học cho máy tính hệ thơng tính tốn năm 2008 f Tình h ìn h kinli p h i dè tài - Đồ tài dược cap khoang kinh phí 20 triệu dịng - Khốn kinh phí cùa dê tài dã dưực chi tiêu theo dúni! dụ toán K H O A Q U A N LY C H U I RI l)K TÀI ( K ý ghi rõ họ tên) (Ký ị*hi rõ họ tên) TS ỉ ẽ TrọiiL! Vĩnh T R Ư Ờ N G ĐAI H O C K H O A HO C T U ' N H I Ê N SUMMARY a Title GA-based approaches for designing virtual topologies of WDM optical networks b Code: TN-07-05 b S u p e r v is o r : Dr Le Trong Vinh c Key im plententers: Bsc Hoane Quoc Hung (I Goals (ind C ontents: From the time when the A R P A N E T was conceived to the L'Lirrent-đa\ hiiih-specd net works, networking technologies have come a long way The need for error-free hiiihbandwidth communication channels have been on the rise The services provided b\ computer networks are used by millions ol people around the world I lie explosive m o u th of the Internet and bandwidth-intensive applications such as vidco-on-dcmand multimedia conl'crcncc, etc which require the uuarantee o f desirable quality o f scrvicc (OoS) levels: high-bandwidth, low latency, reasonable packet loss rate, need hiuh-handwidtli transport networks whose capacity is much beyond what current high-speed networks such us ass n chronous transfer mode (ATM) networks can provide Thus, a continuous demand tor networks o f high capacity at low cost has been seen This can be achieved with the help of optical networks, as the optical fiber provides an excellent medium fur transfer 1)1' h LIục amounts of data, (nearly 50 Tb/s) Apart from provinu such a hiiíỊL' bandwidth, optical libers have low cost( approximately $0.30 per yard), extremely low bit error rates! fraction of bits that arc received in error, typically 10-12 , compared with 1Ơ-6 in copper cable), low signal attenuation (0.2 decibels per kilometer (clB/km)) low smnal distortion low power requirement, low material use and small space requirement, as well In addition, optical libers arc more secure, compared to copper cables, from tapping and they arc also immune from interference and crosstalk Optical networks, employing wavelength division multiplcxinii (WDM), arc seen as the candidate of the iLit 111'C technology tor the next-yencration Internet In WDM optical networks, a connection is realized b\ a lmhlpath A Imhlpath, which consists of optical channels, or wavelengths, between two network nodes IS routed thmiiLih multiple intermediate nodes and these intermediate nodes mu_\ switch and comurt \va\elengths Inordcrtocslablishaconnectionbctwecnasouicc-dcstinatinnpair au a\ L'length and a route between the pair need to be found An algorithm used lor selecting routes and wavelengths to establish lightpaths for connection requests is known as a routine and wavelength assignment (RWAJ algorithm Many problems in W D M optical networks have RW A as a subproblem However, in this project, we only consider to the virtual topolotz\ design problem The virtual topology design has been proved to be NP-complete As a consequence, it is usually solved by heuristic algorithms As we know, genetic algorithms (GA) is a class of optimal searching strategies based on the mechanism o f biological evolution and Cl As arc able to reduce search space and also to converge to a Lỉlobal good solution of a nivon problem Therefore, GA is a promising approach to solve the virtual to[X)loL!\ design problem in WDM optical networks and our goals is to use genetic algorithm for solvme the virtual topology design problem e Results The project presented basic problems and the major problem in optical networks "virtual topology d(JSL>in pronblem” Iliis IS most important factor lor enhancmti the performance o f optical networks '1 he results o f project are a lull document lor rouliny strategies for backbone networks The project studied the virtual topology design problem and its constraints such as requirements, sub-probelms and formulation ot the problem I hen some approaches to the problem also proposed Specially, we proposed a new algorithm, which based on LicncctiL algorithm, lor solving the virtual topolony design in optical networks Build on resutls o f the TN '07-05 project, vve deeply studied the problem in main eases that more general than old ones: • Networks with spare wavelenuth converters • Survivable networks • Multicast problem The new results published in one domestic conference paper, one domestic journal paper and help us for Irainning one undergradualed and one Lỉraduatcd student ill 2008 s PHẰN CHÍNH BÁO CÁO I Lời m đầu Trong vài thập ky qua, ánh hướng cua “mạng" nyay cang rõ rệt việc tò chức hộ thống máy tính Mạng máy tính hệ thống máy tính độc lập két nơi với nhàm dáp ứng công việc chung cùa tổ chức Mạn s đem lại nhữrm thuận tiện troim sống như: cung cap phương tiện liên lạc, chia se tài nguvên sẵn có cai tiến tin eậ> cùa dịch vụ, giam thiếu chi p h í Cùng vói phát trill'll bùng nơ cua mạn lí,, nhu cẩu lru_\ơn ihơnn chắt liiọni! cao lỗi băng thơng lớn nuày cántĩ irứ nôn thiêt Những dịch vụ duoc CUITJ câp bơi mạnu nhu: truy cập thông tin từ xa, thư điện tư sử đụng bói hàn ti triệu nmrừi trơn thị tiiứi Sụ' phát triên theo hàm mũ cùa Internet nhũng ứnii dụng veil câu băng thịii” cao Irun hinlì t rực t u y ế n , n h ữ n g c u ộ c h ội t h o d a p h ư n g t i ệ n dùi hoi m n g phai có b ă n g thôiiL! rộn LI m a mạng băng thông lớn trước dày mạng ATM (asynchronous transfer mode) khõim the đáp ứng Những you câu chi đáp ứng nêu mạn li cáp quaim (optical network* gọi mạng quang - đưọc sư dựng, vi mạne quang cho phep Iruvẽn dù liêu với lỏc độ cao (gần 50 Tb/s), giá thành re (xấp xi 0.30 $/yard, yard = 0AU4ni), ti lệ lồi bit tháp (ti lệ lỗi bit cứa sợi quang 10‘12, cua cáp dồng 10‘ft) Trong mạng cáp quant’, nút mạng (node) đưọc nòi \ớ i bời liên két \ật Iv (link) băng sợi quanu (fiber) Dữ liệu gửi từ nut mạnLỉ tơi nút mạn 12 kliUL sư dụng đường truyên vật lý trai qua nhiêu link mòi link su đụn LI mộl kênh (channel) (mồi kênh dùim bước sóng (wuvelermth)) gọi ìighipa/h Troiiii tnrởng hợp mạng khơng có thiêt bị chun dơi bước soiìii (wavelength converters) thi hước sónti cua kênh tãt ca link thuộc cùna liehpalh đuọv vêu câu la uiõnu Diều dược biêt răn li, buộc liên tục cua bước sỏ 11 Li (uavelcimth cnntmuitx constraint) mạng quang Rất rõ ràtm la ân định liuhtpath hai nút mạnii dê đáp UT1LỈ \ ẽ u càu kêt nối (conncction request) giừa ehúnu chím Lì ta lạo mộl lien kêl (link) moi L2HÌU hai nút Tập hợp tất các lighpath cần xác định mạng quang đê phục vụ cho tất ca yêu câu kết noi nốt mạng ban đâu hình thành topology khác với topolơey vật lý Topology dược gọi topology ao (virtual topoloiz} ) troim marm quaim Bài toán xác định lightpath đế đáp ứng nhu câu kết nồi cáp nút ưonti mạng quang cho tài nguyên mạng sư dụnu tối ưu (sơ bước sóna liên kết nhất) đ ược gọi tốn thiết kế topology ao Bài toán thiết kế topology áo toán quan trọng mạng cáp quaniỉ bơi nỏ cho phép đê nâng cao hiệu sử dụng mạng Do mục đích cua đổ tai tập trung nưhiơn cửu khía cạnh thuật tốn dê giai toán topoloL!} ao tro nu mụnu quunu Các nghiên cứu trước dã chí rànu, toán thiết ke topoluuy ao hai toan NP-dà\ đủ, thuật tốn tìm kiêm tơi ưu nên áp dụnu đẽ giai quvẽt nỏ Thuật toán di truyền (genetic algorithm - GA) phương pháp tìm kiêm tơi ưu dựa trẽn ks thuật tiên hỏa tự nhiên dã áp dung thành công nhiều lình vực hoc máy lơi ưu hoa tó hợp Do vậy, c húng tỏi sứ dụni> thuật tốn nàv cho việc thiêt kè U>pol \ ao II Mạng cáp quang - Nền tảng cho Internet hệ Mạng cáp quang hoạt dộnu dựa tượng phan xạ toàn phân SỢI quang Nó nhanh hon irụmy truyền thốnu liệu dược Iruvcn qua sợi quann dạnti cac phoỉntì cịn mạng truyền thôim liệu dược truyên qua cáp dõnti dươi đaiiLỊ cỉcciroii Photon có trọng lượng nho electron, hon photon không co su lưưnụ lác electron Mặt khác, ánh sáim có tân sơ cao nơn bước sõng ngăn với chiều dài, cáp quang truyền dược nhiều thòim tin cap dòng, t uny với dặc tính ưu việt như: cung cấp băng thơng cực lỏn chi phí ihàp, ti lệ lỗi bit cực tháp, độ nhiễu tín hiệu nhó, u câu khỏnu gian nho kha bao mật cao mạng c p q u a n g đ a n " e ô i m n t ỉ h ộ h ứ a h ẹ n c h o tưưnt!, lai v d ợ c SƯ d ụ n g r ộ n g rãi i r o n y i n ụ n x truyền thơng backbone (mạiiíỊ lì liven ỉhơng đirờng trục) 11.1 Cơng nghệ WDM Theo lý thu vét sựi q u a n ” có băn Li thỏnu cực lơn (khoanu 2? IM/.), gãp khoang l () {N-\) ■{L-ỉ) T r o n g việc l m c ủ a c h ú n g tôi, c hú ng ch ọn a = ( N - l ) - L , thoa m ãn ( * ) ỉiiá trị t h í c h n g h i F c ủ a c t h ể / đ ợ c đ ị n h n g h ĩ a n h n a h ị c h đ a o c u a C: /• = c - Lai ghép T h a o t c n y b a t t r c q u t r ì n h t i ến h o t r o n ti t ự n h i ê n D ê thực h i ện lai íỉhép hai ca c thể đ ợ c c h ọ n (gọi !à b ố m ẹ), sau m ộ t sổ n ° u y ê n (d ie m lai íihóp) dược sinh nuầu nhiên t ron g đ o n [2, n- \ ] Q u trình lai ghép sinh cá the (liọi cá the con) băng cách t y đôi hai p h â n cá thê bò m ẹ n h m ò ta iroim hình đà) T r o n i ì q u I r i n h lai y h é p , tluiặt t o n SC k h a o s át lâl c a Lac c ặ p e u t h e c u a c c c a thê t ron g m ột qu â n thê N ó băt dâu với cặp có líiá trị thích imhi cao cho đèn kích th ướ c c úa q u a n thê t ăn u «àp dơi Crossover pointer ,ÍÍ1 tf.-i ‘-1 Xr x'\ x'2 íí'i-1 $'< '| • Parents •,./ Hit in a \ c r uỊ Ị e : \\ IA I :: IW6 R Rum aswaini and K N Sivarajan, “ l)o s i” M ol O p t i c a l N e t w o r k s " i E K E J u w u a l o n S l’L ’ l I c J I Oiiical 1opologics Hi ( ' i i m i i i u t u d l i ' H i lor Y“ ! W j\dentil -i /!■: K oulv' J !■: June 1W 54 S.R M urthy and M G u n i s a m ) "Optical M ulUcasi Rouuiig c - \\ D M O p t i c a l N c i A i ’i'k' CoiiLvp iv IK-; untl A l g o r i t h m s " P r e n t i c e H a l l I n c 0 N i l a n j a n B a n c r j c e V a i b h a v M e h t a a n d Suiiatn P a n d e > I (jcnciiL M ^iiriin n i Ipt'r \,\!i s / _■-_/ - I L , l; 1942 A Sow >i v t h e R o u t i n g a n d W a v e l e n g t h A s s i g n m e n t P r o b l e m i n H U M w 'h v rti-k ', z J M ich a lcw ic/ “G enetic Algorithm s Hershberger, M, Implementation" Maxcl hì p ro c and s De l t a S [ m e t r e s = E s u l Ut k i n p r n ^ i M n i s " S Suri " F i n d i n g o f' S T A C S 2003 the k Shortest Simple I’ Jill.- Akoiuliiii 11,0 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC Tự NHIÊN KHOA TOÁN - Cơ - TIN Á P D Ụ N G T H U Ạ T T O Á N DI T R U Y É N C H O V1ẸC T H IẺ T KÉ T O P O L O G Y Ả O T R O N G M Ạ N G C Á P Q U A N G CÓ W AVELENGTH CONVERTER K H Ó A L U Ậ N T Õ T N G H I Ệ P H Ẹ OẠI IIỌC C H Í N H QUÍ N gành: T o án - Tin ứim dụrm Sinh viên: Nguyễn Công Chung Cán hướng dẫn TS Lẽ Trọng Vĩnh Khoa Toán - Cơ - Tin học Đại hoc Khoa hoc tư nhiên Hà Nôi năm 2008 ĐẠI HỌCQUỐCGIAHÀNỘI T RƯ Ờ NG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỤ• NHIÊN • • • Nguyễn Chí Cơng QUẢN LÝ LƯU LƯỢNG CHO CÁC MẠNG DỤ A TRÊN IP/WDM C h u y ê n n ° n h : D m ba o toán học cho m ) t í n h hệ i l ì õ n g tinh toan M ã sổ : C H LUẬN VĂN THẠC sĩ KHOA HỌC N G Ư Ờ I H Ư Ớ N G D Ầ N KI-IOA H Ọ C TS LẺ T R Ọ N G V ĨN H H Nội - 2008 V THIẾT KẾ TOPO AO TRONG MẠNG QUANG CÓ THIẾT BỊ CHUYẾN ĐỐI Bước SONG Lê Trọng Vĩnh Khoa Toán - Cơ - Tin học, Đại học Khoa học Tự nhiên Đại học Quốc gia Ha nội Email: vinhltifX’vnu.vn TÓM TAT: T r o n g v i ế t n a y c h ú n g tơi trình b y t ổ n g q u a n m n g q u a n g va m n g q u a n g c ó c c thiẻt bị c h u y ê n v ề v ắ n đ ề thiết ké t o p o ao t r on g đổi b c sónu Chilli!’ tỏi cũni ’ đưa p h n g p h a p m o i đ é g i a i q u y ê t b i t o n d ự a tr ê n th u ậ t t o n di t r u v ề n c ù i m v ó i c c kết q u a tlụrc n gh i ệ m đe k i ê m c h ủ n g TU K H O A : W D M o p t i c a l netw ork, Y inual Topology, Genetic Algorithms I GIỚI THIỆU Mạng cáp quang (optical network) sư dụng công nehộ W D M (wavelength division multiplexing) có thê cung câp đung lượng băng thơng to lớn lỗi với giá rc Do mạng cáp quang có thê giai yêu cầu vê bănu thòng rmàv càn>’ tăn" cùa nhiêu kiêu ứ n g d ụ n g khác d ang nối lên n h la: well aplicatmns, video on demand, multimedia conference, home broadband service 11j Chính vi mail" cáp quang dã xem c ô n g nghệ cho việc xây dựnu c c mạim hệ I l i n l i I K i ê n trúc c ù a m ộ i m n " c p q u a n u Một mạng cáp quang bao m OCXs (optical cross-connects) LĨ la níu mạng, liên kẻt với bai liên kêt cáp quan tỉ (optical link) [1], Các OCXs CO the switch tín hiệu quan tí từ liên kêt quang học vào toi liên kèt q liana học mà không cần thực chuyến đơi quanụ điện I run thỏnu íỉiừa hai nút thực thông qua kênh quang học (optical channel), dược gọi Ìig/iìpaỉh mơ ta Hình Một liyhtpath kênh quang học nối qua nhiêu kênh cáp quang vật lý đế cung cấp kết nòi hai nút Câu true lien kẻt cua liííhtpath đề đám bao truvền thơng mạnu cáp quang vật ly gọi t a / H I au topo lo.ựic mô ui I rình I roim trườn li họp khỏim có cac thiịt bị biên doi hưirc SOI1L! (wavelength converters), cùnc bước sóng ( wavel engt h) phai sư d ụ nLỊ loan lightpath Điều dược biết ỉà sụ buộc liên tục cua bươu Sony ịìị iiYclcn^lii continuity constraint) [ 1 Sự 1'ầnu buộc làm giam hiệu nâng SƯ dụng mạng vi \ ậ \ mạng cần trang bị thièt bị biòn doi binVc song 11 | Mạc LỈU \ ậy cac tlnct hị c h u y ê n đổi b ự c s ó n g đắt liên chí số nút chiến lược tronu mang trang bị va đ i eu n ay đ ợ c biet mạng cá p quang có m ột sỏ ihiêt bị chuvên đỏi b ớc s ó n g ( s pa r se w a v e l e n g t h converters) M ình (a) I opi> \ậ t K (b) li>po ao 1.1 Bài toán thi êt kê t o p o áo Bài toán thiết kê lopo áo đưực phát biêu sau: Dưa topo \ãt ly (sỏ luunư nút mạng, sô lượng liên kêl cặp nút, sô bước sótm mỏi liên kêt) ma trận lưu lượng (traffic) trun thơng trunẹ bình cặp nút nmiơn \ dích Ironi! mạníi Trun thơng hai nút ngn dích dựa liuhtpath hiẽl kè topi) ao tức cài dặt lightpath dám hao kêt nôi nút nmiỏn vu dicli cho truyên t h ô n g n y M ụ c t i ê u c ủ a v i ệ c t h i è l k ê t o p o a o l ã t ỏ i U'U h ó a h i ệ u n ă n Lí c u a m r m b a o t i õ m : Cực tiếu trọng số trung binh bước truvèn (hop): ký hiệu / ’d la Ill'll lưonu t h ô n g t i n g i ữ a n ứ t V v d v /7sij s o h o p l ii ữa s v lí t r ê n t o p o a o t r ụ n g s ỏ c u a h c truyền yêu c ầ u bời c ặ p d ược dị n h ng hĩ a /;vtI X / sd T r ọ n ” sô trunu binh cua bước truyền sơ trung bình cua trợnu sỏ bước chun dược vêu câu bui tãt ca cặp A d> Chúng ta cần cực tiếu số đại lượng vì, thứ traffic sc trai qua sò nho lần biến dổi bước sónc, nút I hai cang lì lightpath ngang qua SC c n g c c t r a f f i c t r u y ề n t h ô n g a i ĩ r a < s d > v h ệ q u a la đ ộ trê ( d e l a y ) c u a trai l 1C lại m ô i nút giám Cực tiêu tác nghẽn (congestion): Tăc nghèn dược dị nil nghĩa la lưu Itrọng lớn lightpath Luu lượng lightpath tòng cua lưu lượng cặp nguồn đích sư dụng liuhípalh Cựu tiêu tăc nghẽn sò hù Irợ gia tăn LỊ cua lưu lượng sau (trong tương lai) Cực tiêu thời gian tie: Là thời gian mà thơng điệp VOI tới đích cua \ a chinh thịi gian lan truyền sóng lightpath Trong mạniỉ cáp quaim lan trnvèn sóng la dựa sụ phan xạ loàn phân va tõc độ cua ánh sáng lớn vi dặc trưng thử ba thướng lì dược quan tàm Mặt khau dặc trung thử hai trực tiếp làm lỉiám trọng sô trung bình cua cac birơc t n ụ è n - dạc trưno t h ứ n h ủ t Vì v i c c t l i i c t k c t o p ú o t h i r i m c h i CỊUÍ.1 I1 Ui m d o n đ ụ c t i u n g t h u hui 1.2 N h ữ n g n g h i ê n c ứ u t r u ó c Bài tốn thiết kế topo áo thườn tì dược phát biêu du' 'i dạng chng trình iiỊỊUNcn Imcii tính hỗn tạp (mixed-integer linear programming)! I \ eiLii.ru chung minh la hai toan M ’đ ầ y đ u V ì v ậ y c c t h u ậ t t o n h e u r i s t i c t h u n ị Ị (.lược s u diniLi lie Liiai qu>C’l nu Il l' ll - thực tế Tdc gia [2] đa trinh bay thuạt tọan III,DA (heuristic logical topolo£\ Jcsi'Mi algorithm) vái mục đích cực tiếu hóa tắc nghẽn Y tưong chinh cac thuật toan nav l a sir dụng dường ngăn nhât cặp nguồn dich đe thiết lặp liglupalh \ a dó la điem yen cua thuạt tốn I hú' tự cặp ngn đích dược xem xet la dựa lưu lượng trung binh giưa chúng (theo thứ tự từ giam dân) Dè vượt qua diêm VCU nù\ cac tac gia [3] sư dụng thuật toán simulated annealing dê thiết ké topo ao I u\ nhien, bai báo chí quan tâm đên dạng đặc biệt cùa việc thiết kế topo ao hypercube topology Cac tac già [1] chuyên từ tốn thiêt kế topo vè dạrìL! tốn tơ màu độ thị sau dỏ áp dụng thuật tốn tơ màu đồ thị truvền thổnu V ỉệc chuvèn tư bai toan thiet ke topo ảo vê tốn tơ màu thị thực sau: Tìm đường ngắn cho các cặp nguồn va đích Xây dựng đồ thị phụ bàng cách: a Mỗi dườ ng tương ứng với lightpath tạo dinh b Hai lightpath có chung liên kết vật lý (link) tạo cunu uiữa hai dinh tương ứng với hai lighlpath đỏ Bài t oán thict kê t o p o với mục đích cực tiêu h ó a tắc nuhẽn thực chát la tirơiiL! đương với: cho ìTiột tập yêu câu kêt nôi, cài dặt liiihtpath cho tài nuuvèn m n g c â n SU' d ụ n g t ỏi t h i ê u ( d o v ậ y s è c ò n n h i ê u tài n u m ơn c h a đunLi lìcn dơ p h ụ c \ ụ c h ọ c c y ê u c â u k ê t n ô i t i ê n t r o n g t n u l a i ) | j V i ệ c c a i d ặ t c c l i g h l p a l h h a n õ i n h a i phân: (1) tìm đường di cac cặp nmiỏn vá đích cho kcl nối (2) ân (.tịnh hLI(rc sóng cho đ n g di dỏ Tỏi ưu lùi nguyên m n g la cục liêu số hước sún*-! cân SU' dụng Diêu tương đương với việc tỏ màu dô thị xây tlựnu trôn NU dụ nu số mau nhât Trong tốn tỏ màu dị thị hai dinh kc khơng dime tỏ cuim mail Jicu tương dươ ng vói việc hai lightpath khác có chunu nhát mội licn Ivẽt \ật 1} phải sử dụng hai bước sóng khác Do vậy, băng cách \ â v dựim dó thị trẽn, hai loán thiết kê topo với mục đích cực tiếu hóa lac nghẽn ỉà lươn li đưoim vái bai tốn lị màu dơ thị Cá ch tiêp cận nàv tôt nhưnẹ diêm yêu cua thuật tốn na\ cũim iiiõnti VƠI thuật tốn trình bày troim [2J dó là: ỡ bước tron lí việc \ ã \ dựnu dồ thị chunL! la dà sir dụng đường di ngăn Illicit bới tác giá Ironti |4| dã chi răn**: chi sư dụnii ilirảnu ngan nhát dê cài dặt lightpath khỏ nu đám hao xác suất tăc imhẽn la lõi thiCLi 1.3 Cá ch tiốp c ận m ó i Đe khắc phục nhược diem ciia thuật tốn trinh bàv Ĩ' trôn ikhônụ chi sư dụnii dươnu ngăn nhât cặp ngn dích), cách tụ' nhiên clnu ta sò thã\ la: phai \ct cho tất cà đ ường di moi cặp ìmn đích Gia sư chìm'! la có n u càu kêt nơi cặp có k, dường di chủim (trong topo vật lý) Nhu vậ\ chúntỊ ta phai p d ụ n g t h u ậ t t o n l ô m u đ ô t h ị c h o k \ X k ỵ X X k n d ị t hị c ỏ k í c h t l u r ứ c l a H Ill'll ( n ó quan trọng đố biốl 11 thực tế lớn) sau chọn dơ thị cỏ sỏ mau càn tô la il giái pháp tơi It'll cua tốn Rị ràim đièu nàv rât kho thục trunt! thực tế Mặt khác, thuật toán di truvcn (genetic algorithm) [ khơiiLỊ chi cho phcp giam khơng uiatn tìm kiêm mà hội tụ liên ụiai pháp tỏi ưu toan cục \ I \ ậ \ trony hai báo nàv c h ú n g SU' dụnti ill nạt toán di t m v ê n dê thicl kê cac l opo ao I huật toan cua chún g tỏi tốt h n t h uậ t t ốn dà trình bày t rong 12 t rong tlmậl n g ữ xác siu.il tăc nghẽn 1.4 rổ c h ú c củ a b o Phân lại cùa báo tỏ chức sau Mục II trinh bày thuậl toan di trmền cho việc thiết kế lopo ảo M ục III trình bày kết q thực nghiệm” Chúnc tơi dưa kết luận đề xuất hướng phát Iriến mục IV II T H U Ậ T T O Á N DI T R U Y Ẽ N C H O T H I Ế T KÊ T O P O A O 11.1 T h u ậ t toán di t r u y ề n 1huật toán di truyên [5J xây dựng dựa quv luật liến hóa sinh học ha\ phát trie 11 tự nhiên quân the sông Cậc cá thể trài qua trình phát tricn va sinh san đệ tạo cá thê cho thê hệ Trong qua trình tiến hóa nliữni: ca thơ xâu (theo tiêu chn hay cịn gọi độ thích niíhi với mơi trườn” ) bị thải N g ợ c lại, n h ữ n g c thê tôt d ợ c gi ữ lại Liên q uan đến liiai thuật di truyền co cúc khái niệm sau: - Biêu diên cá thê' Đê áp dụng thuật toán di triụcn, việc dâu tiên la phai tìm đ ợ c c c h b i ê u d i ê n c ủ a c c c thô s a o c h o m ỗi c thò h i ê n d i ễ n m ộ t LÚai p h p cua toán d a n g đ ợ c q u a n t âm - Dúnh giá dơ thích nghi: Độ thích nghi !à kha nâng phù hợp cua cá thó (uiai p h p ) d ô i v i m ô i t r n g ( b i t o n ) V i ệ c x â y d ự n n đ ộ t h í c h n e hi CÙI1 L? la m ộ t b ứ c q u a n Irọiig thuật toán di truyền I)ê đánh giá dỏ thích ìmhi cua cá the ii'iai lliuật di Iruyên sử dụng hàm đo gọi Fitness Function - L a i qhứp: [ q u t r ì n h t o r a c t h ô m i d ự a t r ò n n h i ê u c a t h ê d ã c ú Liọi kì c c c a thê cha-mẹ Hai cá thê dược tạo băng cách hốn dơi i;cn lừ ca thơ cha 111C - D Ộ I h i ê n : L q u t r ì n h t o r a c t h ê m i t m ộ t c t h ê b a n d â u h a n LI c c h tlui) d o i số gcn - Chọn lục vù thay thê: Chọn lọc thav thẻ (cũim dược biêt nhu rcpmdikiion I la q u t r ì n h c h ọ n n h ữ n g c t h e t q u â n t h ê h i ệ n t ại d ê t o r a t h e h ộ s a u c u a I1 Ó I mi!L! L11 trinh diễn thai cá thô xâu, giữ lại nlũmi: ca thê iùl Nhỡn Lí c.ằ the có dộ thích nghi lớn h a n b a n u v i d ộ t h í c h nulii t iõ u c h u â n s ò L Ỉ ọ r u, iũ lại \ a l i ộ thích nghi cá thê qn the hồn thiện sau nhièu thơ hộ - Điếu kiện c/ìmv: Thuật tốn di truyền trinh ngãu nhiên, nôn không the đám báo chắn thuật toán di truyền dừng sail hữu hạn bước Vi dô dam bao t h u ậ t t o n d i t r u y ề n SC k ế t t h ú c , n g i d ù n g t h n g p h a i đ ị n h n g h ĩ a e l i ê u k i ệ n d n g c h o thuật toán 11.2 T h i ế t kế t o p o ã o d ự a t h u ậ t tốn di truyền Như trinh bày ó' trẽn, thuật (ốn di truyền khơng chi giam khơng gian lìm ki Om cua Ixn toán mà cỏn cho phép hội tụ dên L!,iai pháp tỏi ưu loàn cục Phan lặp trung trinh Ixụ thuật toán di truyền cho toán thiết kê topo ao mạnỊỊ cap quaiiíỊ Đc áp dụng thuật toán di truyền cho toán thiẽt kê topo ao ehuny tỏi LỈàu llòn \a_\ dựng routing lcih/i' R cho mỏi nút mạnc cho Lỉiữa nút tỏi mỏi n Lit eon lại co k đường di chúniĩ (A tham sỏ thièt kê) Dê cỏ dược routing luhk' R chúny tỏi ap dụng thuật tốn k-shostcst path í6 J Khi dỏ thuật tốn di truyền lIươu thict kè sau: Riêu diên cua cá thê: D p d ụ n i> t h u ậ t t o n di t r u y ề n c h o b i t o n t h ĩ ê t k õ t o p o a o l i ê n h n h m ã h o a CUL' c c t h e n h u s a u M ỗ i c t h ô lủ m ộ t \ c c t o ' , Ịj,ọi s o l u t i o n \Ó'1 k í c h t h u u c lì t h a n h p h a n i n số yêu cầu két nối) với má trị sỏ nguyên Irony khoang tư I 1■A Ị I K la so cue dường di ‘úữa cặp níu bất kỳ) cho thành phần solutionịịị lightpath cho >éu câu kết nối i sử dụng đườ ng có thứ tự (có số hiệu la uiá In) soỉìiiionc/ìỊ tronLỉ routing table Khới tạo CỊuủn thê ban đâu: Sinh p (P tham sô thiêt kc) cá thê ban đâu cách nuẫu nhiên Mỏi ca the dược sinh n g ẫ u n h i ên b ă n g c c h si nh n gẫu nhi ên n lần số nmi yẽn tro nu kh oang từ den K lân sinh thứ i (í-1 n) tương ứng với thành phân suìmionịi] cua cá thị" H àm đo độ lhích nghi (Fitness Functions)- Độ thích nghi cua ca thè la sổ bưoc sóng mà lời giải tương úng với cá phai dùng Phép toán lui ghép: Sư dụng phép toán lai ghép diêm Sinh ngẫu nhiên so nguyên Ả: khoang từ [2 /7-1Ị k dược gọi diêm lai lỉhép chia mồi cá thẻ dược chọn đê lai ghép (gọi cha mẹ) thành hai phần Hai cá thê dược sinh bãim cách hoán đơi phân thứ hai (tính từ diêm lai ghép) cua các thê cha mẹ, Quá trinh lai ghép thực với cập có thề cua ca thơ vói sãc xuất lai ghép p L (pc tham số thiết kế) Phép toán đột biên: Sinh ngầu nhiên số nmiỴÔn k truim khoang tu | l /;| \ a k gọi diêm dột biên Sinh ngẫu nhiẽn so n u m ê n / thav thồ cho phàn tu soiuoiiưnịk] Quá trình dột hiên dược thực với cá thê vải mội sác \uãt dội hiên la />M (/>,,, tham số thiết kế) C h ọ n lọ c c ú thứ ch o th ê hệ tic/y I ' cá thê c ó đ ộ t hích nụhi c a o nhat tmnL! ca c ù a t h ế hệ t r c , c c c thô tlirợc s inh bơi q u a tr inh lai Líhcpva dột h ten sc d i m e lua chọn cho the hệ kẽ tiêp D iề u k iệ n c/ừn^: T h u ậ l t o n SC d n u s a i l ( ì t h ê h ệ ( ( l t h a m s o i h i c t k é ) ht ui c L’U I n trung binh vồ độ thích nghi cua cá thê khỏng tha) dõi Tóm lại, mã giã cua thuật toán di Iruvèn cho việc thiêt kê lopo an đuirc \iói II11II Bắt đ ầ u a t 0: b Khơi tạo quần thè ban đầu P( t ): c Tính dộ thích nuhi cho cú thè thuộc P(l); d T r o n g k lìi (điều kiện dừng chưa thoa m ã n ) lập i ii Kct thúc; I.ựa chọn P'(t) tù P(t-1): ill I iíhóp P'(t) dè nhạn dược Ọ(t): iv I)ộl biền IICII P'(l) đc nhận ckrực R(t) : V e t -t+ ; n é t lặ p : Chọn lọc tù l’( t-l ) u Q(t) u R(t) dô nhận dược P(1) : Chú ý ràng, thuật tốn di truyền trình này, để tính độ thích nghi thi chunta phải có thuật tốn gán bước sóng (wavelength assignment alsorithm-NVA) cho đường chọn tương ứng với cặp nguồn va đích Mặt khác tác àia tron[1] hiệu qua thuật toán WA khơng anh hương hiệu năn ù m a i í theo thuạt ngữ vê xác suât tãc nghẽn đôi với thuật toán định tuvén (routin'*' al gorithm) Do v ậy t r o n g t huật t o án c hú n g s ứ d ụ n g thuật toan First-Fit Jc -an cac bước sóng III K É T Q U Ả T H Ự C N G H I Ệ M Các kêt thử nghiệm trình bày kết trung bình cua 20 lần chạy thư nhiệm độc lập Chương tình mơ phịng thực bầniỉ ngơn nuừ C - - cha\ trẽn ma\ tinh đơn có vi xử lý Intel P e n i v 2.7 Ghz, RAM 1Gb Trong cac thi nghiẹm cua chúng tôi, tham sõ p L p,„ dược thict lặp theo khuyên cao chung cuéi thuạt toan di truycn đo lọ Pc = 0.02 p m 0.6 [5| c hun1' tịi lắ\ / ’ —50 (kích thước qn thê) G - 50 (sô thê hệ tỏi da trinh tiỏn hoá) Topo vật lý sử dụng NSF hình VỚI 14 nút 20 link Chúng chon K Z (moi cap nút có dường chúng dược lưu routing lah/e): HìIIh NSF Topology, rhuật tốn dược dùng đê so sánh hiệu với thuật toan cua HLDA [2], Kịch bán mô nhu sau: Giá sư sô veil cầu kết nối la 50, 60, 70, 80, 90) Với mơi giá trị cua n, ehúníí lơi sinh n»ẫu nhièn n Dữ liệu giữ nguyên cho tảt ca mơ phong troim bái đuợc chí bảng Sô kêt nôi Sỏ bước sỏnt> càn sư dụnu với Lỉiai phap dua bơi thuật toán ML DA Genetic Algorithm j ] 5 Iìáng 1: So sánh hiệu quà cua thúậl to n \ -f 50 60 70 80 90 chuni! la thuật n (ỉá\ uiá trị cặp 11» Lion \a đích Kèt qua mỏ phonii Kêt s o sánh t r o n g b a n u c h í r õ r n g r ã n u t h u ậ t t o a n c u a c h ú n L ỉ t ỏ i luôn sứ dụng tài nguyên hệ thôim hon (hoặc báim) thuật toán I|[.[)A Diêu na\ co nuhĩa la với tài nguyên cho trước, thuật toán cua chÍ 1nti tơi dua Lỉiai pháp LỈir thua b nhiêu tài nguyên hệ thống hon thuật toán HL DA phục vụ dưọc nhi cu hon yêu cầu kết nối tương lai Nói cách khác, xác suât tăc nghẽn cua hệ ihỏim sir dụng thuật tốn chúng tơi nhỏ xác suất tac nghẽn sư dụniỉ thuật toan HLDA Lý để có điều thuật tốn cua chúng tơi tìm kiếm Liiai pìiap tối ưu không gian giải pháp lớn gấp 8" lần thuật toán I ILDA IV K É T L U Ậ T V À H Ư Ớ N G P H Á T TR I ÉN Trong báo này, chúng tơi trình bây thuật tốn dựa trịn thuật toan di trun cho tốn thiêt kê topo áo mạng cáp quan ti Thuật toán dirợc dè \uàt dà dua topo ảo tốt thuật tốn truvên thơn ti ĨILDA Điêu dã dược kicm chime bàng thư nghiệm Tuy vậy, báo chưa quan tâm đôn uiá mạn” cap quuim trang bị thiết bị b i ế n đổi bước s ó n g vài nút m n g c hi ên lược tinh chịu loi trunu mạng cáp quang Đây phan việc nghiên cứu tiêp tục tuong lai LỜI C A M Ơ N Tác giá xin cám ơn chân thành hơ trợ kính phí cua đê tai nghiên cứu khoa học câp Oại học Quôc gia Mà nội nám 2008 mã sỏ QT-08-06 TÀI LIỆU T H A M KI IẢO I || c s l< M u r t l ụ and M ( j u m s a i m , "I lp tiL ll M iilh c is l k n u u i v j - \ \ l ) \ l c J p n c ; i I Nict\v 11! k t - p i IK '.I:'II and A lg o rith m s ” I ’r c n lic c t l a l l Inc 2002 [2 | R R iim a s w iim i and K N S iv u ịiin , "D e s ig n ul I LUJK.I! I o p o lo L 'iL ^ N e t w o r k s * ' I E E E h m n u t l u n S i - l c c u - í l l r c u III < ' o m m i m u m i n u s VI>I [31 B M u k h crjcc ỉ ) WDM (Jplical Networks." [IỊ R Ram us wanii //'/:/>, i( A/ [5 s lí;ưiei'|LV a n lI R; i ni a i mi r l h> , and A IIJ'I K.N l< ' M "R mi li nt ! M Im p le m c n L ilio n ’ M uxol Ill I'ro t R n ii i L - il and r M - m i i L 11 ' Vrm 111-1,1i n ; Mil I Ill) PII ()S w a v c l c 11 y ll I < )|>|]L,|I s ID -S ’1 pp pi'll i l l - l ' l ' l K i l iiL'iu.uk- A1-/1IÍ'/A.v/Lf- vol V pp -IXVÕ0I) / M i c I i ; ; ì l ' \ mc / ' < ici K- ti c Al g o r i t h m; , ‘ ! >111.1 S l r u c l r c s J I I c r s l i b c r i i c r I