BÁO CÁO môn học môn học CÔNG NGHỆ TRUYỀN tải QUANG đề tài ĐỊNH TUYẾN và gán bước SÓNG TRONG WDM

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG CƠ SỞ TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VIỄN THƠNG II - - BÁO CÁO MÔN HỌC MÔN HỌC: CÔNG NGHỆ TRUYỀN TẢI QUANG ĐỀ TÀI: ĐỊNH TUYẾN VÀ GÁN BƯỚC SÓNG TRONG WDM Giảng viên hướng dẫn : TS Lê Quốc Cường Nhóm sinh viên thực : Đoàn Quang Vinh - N18DCVT075 Mai Phương Trâm – N18DCVT069 Trương Văn Trường – N18DCVT074 Nguyễn Hiếu Hoài – N18DCVT024 Lớp : D18CQVT01-N Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2021 Trang |1 MỤC LỤC I Giới thiệu chung: II Giới thiệu định tuyến gán bước sóng: III Sự thiết lập đường ảo (Virtual path) IV Định tuyến (Routing): 4.1 Phân loại định tuyến: 4.1.1 Định tuyến tĩnh: 4.1.2 Định tuyến động: 4.1.3 Lý thuyết đồ thị: .8 V Các thuật toán thường gặp định tuyến .11 5.1 Thuật toán định tuyến trạng thái liên kết LSA 12 5.1.1 Thuật toán Dijkstra .12 5.1.2 Bài toán đặt .13 5.1.3 Ý tưởng thuật toán 13 5.1.4 Cách thức hoạt động 13 5.1.5 Ví dụ thuật tốn Dijkstra 14 5.2 Thuật toán định tuyến vectơ khoảng cách DV 14 5.2.1 Thuật toán Bellman-Ford .15 5.2.2 Bài toán đặt .15 5.2.3 Ý tưởng thuật toán 15 5.2.4 Cách thức hoạt động 16 5.2.5 Ví dụ thuật tốn Bellman-Ford 16 5.2.6 Nhược điểm thuật toán Bellman-Ford 18 5.3 Mô Phỏng 19 5.4 Kết luận 21 VI Gán bước sóng động IP/WDM (D-RWA)[3] .22 6.1: Giải thuật Random 22 SV thực hiện: Đoàn Quang Vinh Mai Phương Trâm Trương Văn Trường Nguyễn Hiếu Hoài Trang |2 6.2: Giải thuật First-Fit(FF) 22 6.3: Giải thuật Least-Used(LU) 23 6.4: Giải thuật Most-Used(MU) 24 6.5: Giải thuật Min-Product(MP) .25 6.6: Giải thuật Least-Loaded(LL) .25 6.7:Giải thuật Max-Sum(M∑) 26 6.8: Giải thuật Relative Capacity Loss(RCL) 27 VII Gán bước sóng tĩnh IP/WDM (S-RWA) 28 7.1: Thuật toán Longest-First 28 7.2: Thuật toán Largest-First 29 VIII.Phân loại mạng quang WDM[7] 29 8.1: Mạng Single-hop(Đơn hướng) 29 8.2: Mạng Multi-hop(Song hướng) 30 IX Topo mạng 32 Khái niệm: Topology 32 a) Topo vật lý (Physical Topology) 32 b) Topo logic (Logical Topology) .32 So sánh topo vật lý topo logic: 32 X Kết luận 33 CHÚ THÍCH CÁC HÌNH: 33 CHÚ THÍCH CÁC CỤM TỪ: 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO 35 ss SV thực hiện: Đoàn Quang Vinh Mai Phương Trâm Trương Văn Trường Nguyễn Hiếu Hoài Trang |3 I Giới thiệu chung: Các công nghệ truyền tải hệ thống phân cấp kỹ thuật số đồng (SDH / SONET) Chế độ truyền không đồng (ATM) ngày bị giới hạn tốc độ không cịn đáp ứng nhu cầu dịch vụ băng thơng cao (HDTV, hội nghị truyền hình, ngân hàng điện tử, ứng dụng đa phương tiện, v.v.) Thông qua việc sử dụng cáp quang, không nhận tiềm đầy đủ phương tiện quang học Tốc độ công nghệ giới hạn vài chục Gbps so với tốc độ điện tử cao thành phần mạng, sợi quang đơn mode truyền liệu tốc độ cao Để tăng băng thông cáp quang, công nghệ ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) phát triển.[4] Đây công nghệ đầy hứa hẹn để sử dụng hiệu băng thông khổng lồ cáp quang Trong công nghệ ghép kênh phân chia theo bước sóng, phổ truyền dẫn liên kết sợi quang chia thành nhiều kênh suốt giao thức Nhiều kênh hoạt động đồng thời sợi quang bước sóng khác nhau, cung cấp cho kênh băng thơng tương thích với tốc độ xử lý điện tử Các kênh điều chế độc lập để phù hợp với định dạng liệu khác tốc độ bit khác cần Bằng cách sử dụng WDM mạng quang, đạt dung lượng liên kết theo thứ tự Tbps [4] II Giới thiệu định tuyến gán bước sóng: Mạng WDM phát triển nhanh chóng lớp mạng mạnh mẽ để sử dụng mạng diện rộng Các mạng bao gồm thiết bị chuyển mạch quang định tuyến tín hiệu dựa nhận dạng cổng đầu vào (tức dịch vụ có liên quan) bước sóng tín hiệu đến Mạng WDM gọi mạng định tuyến theo bước sóng sử dụng kỹ thuật định tuyến theo bước sóng Cơng tắc truy nhập cơng tắc đầu cuối cung cấp chuyển đổi điện tử sang quang ngược lại để giao tiếp mạng quang với trạm điện tử Định tuyến theo bước SV thực hiện: Đoàn Quang Vinh Mai Phương Trâm Trương Văn Trường Nguyễn Hiếu Hồi Trang |4 sóng cung cấp cho mạng khả xác định khoanh vùng luồng lưu lượng, cho phép sử dụng lại bước sóng phân đoạn rời rạc mặt không gian mạng Để truyền liệu từ nút truy cập sang nút truy cập khác, kết nối cần thiết lập lớp quang tương tự trường hợp chuyển mạch kênh mạng lưới Hoạt động thực cách xác định đường dẫn mạng kết nối nút nguồn với nút đích cách phân bổ bước sóng tự tất liên kết sợi đường dẫn Một đường dẫn toàn quang gọi đường dẫn ánh sáng, đường dẫn ánh sáng mang liệu tốc độ điện tử cao Tuy nhiên, hạn chế thực tế công nghệ truyền dẫn thiết bị quang học hạn chế số bước sóng khả dụng liên kết sợi, không đường dẫn ánh sáng thiết lập cặp nút truy cập Các nút trung gian đường dẫn định tuyến đường dẫn ánh sáng miền quang học cách sử dụng cơng tắc nhạy cảm với bước sóng Một hạn chế mạng quang định tuyến theo bước sóng hai nhiều đường ánh sáng truyền qua liên kết sợi quang phải nằm bước sóng khác để chúng khơng giao thoa với Mạng định tuyến theo bước sóng, mang liệu từ trạm truy cập sang trạm truy cập khác mà khơng có chuyển đổi quang - điện trung gian gọi mạng định tuyến theo bước sóng tồn quang Các mạng định tuyến theo bước sóng tồn quang chủ đề cơng việc chúng tơi Các mạng có số lợi ích khả đáp ứng băng thơng tăng nhanh, độ tin cậy mạng cải thiện, quản lý mạng đơn giản không phụ thuộc vào định dạng điều chế tốc độ bit Trong mạng quang định tuyến bước sóng, người sử dụng liên lạc với qua kênh thông tin quang gọi lightpath Lightpath đường tín hiệu ánh sáng từ nguồn đến đích dạng quang thông qua kết nối trung gian Khi lightpath chọn xác định, lightpath cần định tuyến gán bước sóng cho Từ đặt tốn định tuyến gán bước sóng Định tuyến vấn SV thực hiện: Đoàn Quang Vinh Mai Phương Trâm Trương Văn Trường Nguyễn Hiếu Hoài Trang |5 đề tìm đường hai node mạng để thoả mãn mục đích đó, thuật ngữ gọi để tối ưu hàm mục tiêu (cost function) Vấn đề quen thuộc quan trọng mạng Thông thường định tuyến IP sử dụng thuật tốn tìm đường Dijkstra, với hàm mục tiêu metric quen thuộc băng thông, độ trễ, chi phí tuyến, … Trong mạng quang, tìm đường hiểu theo hai khía cạnh, tìm đường vật lí mang mẫu lưu lượng yêu cầu (Routing) đưa bước sóng phù hợp để mang lưu lượng link dọc path (Wavelength Assignment) số bước sóng cho phép (bởi path gồm số fiber, mà fiber này, bạn có W sub-chanels, W bưóc sóng W lựa chọn cho yêu cầu kết nối tại) Vấn đề viết tắt RWA Khi tìm path vật lí đánh dấu bước sóng link dọc theo path đó, có đường quang, gọi lightpath (LP) Rắc rối đặt tốn RWA đưa hai điều kiện sau:  Điều kiện tính liên tục bước sóng: lightpath phải sử dụng chung bước sóng tất link dọc theo đường từ nguồn đến đích [4] Vì đường dẫn ánh sáng thực thể chuyển mạch mạng WDM định tuyến theo bước sóng nên việc thiết lập sử dụng hiệu chúng quan trọng Do đó, điều quan trọng phải đề xuất thuật toán hiệu để chọn tuyến cho kết nối yêu cầu ấn định bước sóng liên kết dọc theo tuyến III Sự thiết lập đường ảo (Virtual path) Một đường ảo xem đường ánh sáng từ nguồn đến đích Khi có u cầu gọi tạo nút, nút sử dụng giải thuật định tuyến gán bước sóng để tìm đường bước sóng cho gọi Nút gán bước sóng chọn cho gọi định tuyến đến nút Ở nút trung gian đường đi, bước sóng lightpath tới kiểm tra xem có sẵn để gán từ để tiếp hay khơng Nếu bước sóng khơng có SV thực hiện: Đồn Quang Vinh Mai Phương Trâm Trương Văn Trường Nguyễn Hiếu Hoài Trang |6 sẵn, nút có chuyển đổi bước sóng, chuyển sang bước sóng khác để định tuyến lightpath Đường vừa thiết lập gọi đường ảo, thiết lập sẵn trước liệu truyền qua Một đường vật lí bao gồm tất tuyến truyền dẫn (link) hình thành lộ trình từ nguồn đến đích, đường ảo chứa bước sóng giống khác từ nguồn đến đích Hai yêu cầu cho gọi có chung điểm đầu cuối đích nguồn có đường vật lí có đường ảo khác Hình sau hành thành lightpath Ở hai gọi tạo từ nút đường ảo cho gọi tạo thành vẽ Đối với gọi thứ nhất, nút gán bước sóng 1 gởi đến nút Giả sử nút có chuyển đổi bước sóng khơng có sẵn bước sóng 1, chuyển sang bước sóng 2 gửi đến nút Nút gán tiếp 2 có sẵn định tuyến lightpath đến nơi Bằng cách đường ảo thứ thiết lập Nếu gọi thứ hai tạo nút sau đó, đường ảo thứ hai tạo tương tự Ta thấy đường vật lí giống đường ảo khác Tổng số đường ảo thiết lập từ nguồn đến đích phụ thuộc vào số bước sóng sẵn có sợi Số đường ảo thiết lập thật phụ thuộc vào tốc độ gọi đến Các chuyển đổi bước sóng giúp thiết lập nhiều đường ảo IV Định tuyến (Routing): Định tuyến (Routing hay Routeing) trình lựa chọn xác định đường mạng máy tính để gửi gói tin thơng qua thiết bị định tuyến Để việc định tuyến trở nên hiệu việc xây dựng tiến trình định tuyến dựa vào bảng định tuyến (Routing Table) -nơi mà chứa lộ trình tốt đến đích đến khác tổ chức nhớ router trở nên vô quan trọng.[12] SV thực hiện: Đoàn Quang Vinh Mai Phương Trâm Trương Văn Trường Nguyễn Hiếu Hoài Trang |7 Định tuyến thành phần thiếu mạng viễn thông Nhu cầu nâng cao hiệu năng, dịch vụ thay đổi công nghệ mạng yếu tố thúc đẩy phát triển định tuyến mạng [12] 4.1 Phân loại định tuyến: 4.1.1 Định tuyến tĩnh: Mạng viễn thông truyền thống hầu hết xây dựng dựa theo mơ hình phân cấp, mơ hình cho phép sử dụng định tuyến tĩnh qui mô lớn Định tuyến tĩnh dựa theo phương thức thủ công người quản trị khai báo thông tin định tuyến cho thiết bị định tuyến.[12] Ưu điểm +Sử dụng băng thơng +Khơng tiêu tốn tài ngun để tính tốn phân tích gói tin +Dễ triển khai, cấu hình +Bảo mật tốt Nhược điểm +Khơng có khả tự động cập nhật +Cấu hình thủ cơng mạng thay đổi +Khả mở rộng kém, phù hợp với mơ hình nhỏ Ưu nhược điểm Định tuyến tĩnh [13] Sử dụng định tuyến tĩnh khi: + Đường truyền có băng thơng thấp + Người quản trị cần kiểm soát kết nối hệ thống + Hệ thống có tuyến kết nối + Dùng làm đường dự phòng đường kết nối dùng giao thức định tuyến động Phương thức triển khai: có phương thức: +Next hop: thơng tin chuyển đén Router trước đến đích +Exit interface: thông tin đưa cổng trước đến đích 4.1.2 Định tuyến động: SV thực hiện: Đoàn Quang Vinh Mai Phương Trâm Trương Văn Trường Nguyễn Hiếu Hoài Trang |8 Ở hệ thống mạng nhỏ, bảng định tuyến cấu hình thủ cơng, hệ thống mạng lớn hơn, phức tạp thay đổi liên tục nên việc xây dựng theo phương thức thủ cơng khó khăn Để ngăn mạng bị lỗi nghẽn, dựa vào thông tin giao thức định tuyến cung cấp xây dựng bảng định tuyến cách tự động gọi định tuyến động.[12] Ưu điểm Nhược điểm +Tự động cập nhật thông tin bảng +Tiêu tốn băng thông định tuyến có thay đổi +Yêu cầu xử lý hệ thống cao so +Tự tính tốn đưa tuyến với định tuyến tĩnh đường tốt +Đơn giản việc cấu hình Ưu nhược điểm Định tuyến tĩnh [13] Định tuyến động chia thành loại: +Các giao thức định tuyến ngoài: EGP (Exterior Gateway Protocol)  Với giao thức tiêu biểu BGP (Border Gateway Protocol): dùng để chạy router thuộc AS khác nhau, phục vụ trao đổi thông tin định tuyến AS (Autonomous System-tập hợp router chung sách định tuyến)[12] +Các giao thức định tuyến trong: IGP (Interior Gateway Protocol): loại định tuyến chạy router nằm bên AS  Gồm giao thức tieu biểu như: RIP, OSPF giao thức chuẩn quốc tế EIGRP giao thức chạy Cisco *RIP (Routing Information Protocol): giao thức định tuyến vector khoảng cách *OSPF (Open Shortest Path First): giao thức định tuyến link-state *EIGRP (Enhanced Interior Gateway Routing Protocol) [12] 4.1.3 Lý thuyết đồ thị: SV thực hiện: Đoàn Quang Vinh Mai Phương Trâm Trương Văn Trường Nguyễn Hiếu Hoài Trang |9 Đồ thị cấu trúc toán học tạo thành từ tập hợp đỉnh cạnh Đồ thị biểu diễn tập hợp đối tượng (đỉnh) kết nối với số liên kết (cạnh).[15] Kí hiệu G = (V,E) Với V tập hợp đỉnh E tập hợp cạnh Để phân biệt loại đồ thị khác ta dựa vào kiểu đồ thị số lượng cạnh nối hai đỉnh đồ thị Đồ thị vơ hướng: đồ thị khơng có hướng cạnh liên kết đỉnh đồ thị.[14] a Đơn đồ thị vơ hướng: đồ thị cạnh tương ứng với cặp đỉnh G=(V,E)[14] Với V tập đỉnh, E tập cạnh cặp khơng có thứ tự V1 V3 V2 (Hình 1a) Trong Hình 1a, ta có: V = {V1, V2, V3} Và E = {(V1,V2), (V2,V3), (V3, V1)} Vì vơ hướng nên E viết là: E= {(V2,V1), (V3,V2), (V1,V3)} b Đa đồ thị vô hướng: đồ thị có hai (hoặc nhiều) cạnh nối với cặp đỉnh G=(V,E)[14] Với V tập đỉnh E tập cạnh cặp khơng có thứ tự V1 SV thực hiện: Đoàn Quang Vinhe2 Mai Phương Trâm V2 e1 Trương Văn Trường Nguyễn Hiếu Hoài V3 T r a n g | 21 Kết mô phỏng: Đường ngắn từ đỉnh A đến đỉnh lại The cost from A to A is Path : A The cost from A to B is Path : A > B The cost from A to C is Path : A > C The cost from A to D is Path : A > C > F > B The cost from A to E is Path : A > C > E The cost from A to F is Path : A > C > E > F Hình sau cho ta thấy kết mô đường tht tốn qua có node Hình 5.11: Kết mơ thuật tốn Dijkstra 5.4 Kết luận Tóm lại hai thuật toán Dijkstra Bellman-Ford hoạt động điều kiện tĩnh topo mạng chi phí định tuyến hai chung kết Khi có thay đổi node mạng thuật tốn cố gắng bám theo thay đổi để tính tốn lại đường nhiên, chi phí định tuyến phụ thuộc vào lưu lượng, tức lại phụ thuộc vào đường dẫn chọn với đáp ứng làm cho mạng không ổn định Định tuyến trạng thái liên kết SV thực hiện: Đoàn Quang Vinh Mai Phương Trâm Định tuyến vector khoảng cách Trương Văn Trường Nguyễn Hiếu Hoài T r a n g | 22 Phức tạp Đơn giản dễ cài đặt Hiểu cấu hình mạng Lấy liệu cấu hình mạng từ thơng tích lũy tất LSA tin bảng định tuyến láng giềng Mỗi router làm việc độc Mỗi router xách định đường tốt lập để tính đường ngắn nhất cộng giá trị tới mạng đích đo, thường số hop mà nhận thơng tin định tuyến chuyển từ router tới router Chỉ cập nhật có thay đổi Cập nhật thơng tin định tuyến cấu hình mạng cách định kỳ Chỉ gửi thông tin cập nhập Thông điệp cập nhật thông tin đinh cần thiết, túc gửi thay tuyến lớn, chép toàn đổi mà bảng định tuyến Thông tin định tuyến gửi cho Thông tin định tuyến trao đổi với tất router cách láng giềng cách broastcast flooding Bảng 4.2 Bảng tóm tắt LS DV [2] VI Gán bước sóng động IP/WDM (D-RWA)[3] 6.1: Giải thuật Random - Là giải thuật gán bước sóng đơn giản nhất, theo nút nguồn tìm kiếm tất bước sóng để xác định tập bước sóng rỗi đường xác định trước Sau đó, chọn bước sóng ngẫu nhiên để gán bước sóng cho lightpath - Khi có yêu cầu đến nút, nút xác định bước sóng rỗi( tức hiệu lực) chọn ngẫu nhiên bước sóng λ i bước sóng để gán cho yêu cầu Các bước sóng rỗi nút xác định cách loại bỏ bước sóng sử dụng khỏi danh sách bước sóng cịn rỗi; gọi kết thúc thì bước sóng λ i loại khỏi danh sách bước sóng bận trở lại danh sách bước sóng rỗi ban đầu - Phép gán phân phối lưu lượng cách tùy ý SV thực hiện: Đoàn Quang Vinh Mai Phương Trâm Trương Văn Trường Nguyễn Hiếu Hoài T r a n g | 23 - Phương pháp khơng địi hỏi thơng tin toàn trạng thai mạng thực gán bước sóng Trong trường hợp thiếu thơng tin tinh trạng bước sóng mạng phương pháp dẫn đến kết cân số lượng bước sóng sử dụng xác suất nghẽn thấp 6.2: Giải thuật First-Fit(FF) - Trong giải thuật này, tất bước sóng đanh số thự tự Trong tất bước sóng rỗi, bước sóng đánh số từ thấp đến cao theo thứ tự ưu tiên chọn, tức bước sóng chọn bước sóng có giá trị thấp - Cũng tương tự Giải thuật Random, giải thuật không yêu cầu thông tin trạng thái mạng Giải thuật có chi phí tính tốn khơng cần phải duyệt qua tất bước sóng tuyến mạng Nhìn chung giải thuật FF tốt Random có đầy đủ tin trạng thai mạng, nhiên, trường hợp hạn chế cập nhật khơng kịp thời việc cấp phát bước sóng Random lại tốt -Hạn chế giải thuật bước sóng có số nhỏ sử dụng nhiều, bước sóng cao dùng đến khơng Hình 6.2: Ví dụ Giải thuật First-Fit Ta có hình vẽ thứ tự liên kết đặt vào bước sóng SV thực hiện: Đồn Quang Vinh Mai Phương Trâm Trương Văn Trường Nguyễn Hiếu Hoài T r a n g | 24 6.3: Giải thuật Least-Used(LU) - Giải thuật chọn bước sóng mà bước sóng sử dụng mạng Mục đích cân tải tất bước sóng Giải thuật địi hỏi thơng tin trạng thái mạng để tìm bước sóng sử dụng Tuy nhiên phương pháp phải tốn cho chi phí lưu trữ tính tốn Hình 6.3: Ví dụ Giải thuật Least-Uesd Cho toán trên, giả sử cần thiết lập kết nối {4,5} Ta thấy W1 sử dụng liên kết, W2 sử dụng liên kết W3 sử dụng liên kết Vậy nên chọn W2 để phù hợp với giải thuật LU 6.4: Giải thuật Most-Used(MU) - Là giải thuật ngược với Least-used, tìm chọn bước sóng sử dụng nhiều mạng Giải thuật phải địi hỏi thơng tin trạng thái mạng để tìm bước sóng sử dụng nhiều Nó tốn chi phí tương tự phép gán Least- used, nhiên thực tốt so với giải thuật Least- used SV thực hiện: Đoàn Quang Vinh Mai Phương Trâm Trương Văn Trường Nguyễn Hiếu Hoài T r a n g | 25 Hình 6.4: Ví dụ Giải thuật Most-Used Cũng với tốn trên, ta chọn W3 sử dụng nhiều liên kết (3 liên kết) 6.5: Giải thuật Min-Product(MP) - Giải thuật đưa chủ yếu cho mạng đa sợi Nó tương đương với giải thuật FF Mục đích cố gắng gán bước sóng vào sợi quang nhằm hạn chế số lượng sợi sử dụng mạng - Để thực việc này, giải thuật MP tính tích Dljcho bước sóng j(1≤ ∏ l∈ π j