D. Giao thức MPLS-BGP
2.6.1. BÀI TOÁN ĐỊNH TUYẾN
A.Định tuyến cố định
Cách tiếp cận đơn giản để định tuyến một kết nối là luôn lựa chọn một tuyến cố định như nhau cho một cặp nguồn – đích. Một ví dụ điển hình của cách tiếp cận này là định tuyến đường ngắn nhất cố định. Đường ngắn nhất tính cho mỗi cặp nguồn – đích được tính trước (offline) sử dụng thuật toán đường ngắn nhất chuẩn như Dijkstra hoặc Bell – Ford. Do đó nút mạng không cần thiết lưu giữ toàn bộ trạng thái mạng. Bất kỳ kết nối nào giữa cặp các nút riêng được thiết lập sử dụng tuyến được xác định trước. Trong hình 2.2 đường ngắn nhất cố định minh hoạ từ nút 0 đến nút 2. Cách tiếp cận này là nếu tài nguyên (bước sóng) dọc theo các đường tắc nghẽn, nó có
thể dẫn đến các xác xuất tắc nghẽn cao trong trường hợp lưu lượng động hoặc dẫn đến một số lượng lớn các bước sóng đang sử dụng trong mạng trong trường hợp lưu lượng tĩnh. Định tuyến cố định cũng không thể điều khiển các tình huống sai hỏng trong một hay nhiều các liên kết nào đó trong mạng hỏng. Để điều khiển các sai hỏng liên kết, việc tổ chức định tuyến hoặc phải xem xét các đường lựa chọn tới đích hoặc phải có khả năng tìm thấy một tuyến động. Trong hình 2.2, một yêu cầu kết nối từ nút 0 đến nút 2 sẽ bị khoá nếu một bước sóng chung không thể sử dụng trên cả hai liên kết trong tuyến cố định
HÌNH 2.2: Đường ngắn nhất cố định
B. Định tuyến thay thế cố định
Một cách tiếp cận để xem xét định tuyến là định tuyến thay thế cố định. Trong định tuyến thay thế cố định, mỗi nút trong mạng được yêu cầu duy trì một bảng định tuyến chứa danh sách chỉ thị của một số các tuyến cố định tới mỗi nút đích. Ví dụ, những nút này có thể bao gồm tuyến đầu tiên ngắn nhất, tuyến thứ hai ngắn nhất, tuyến thứ ba ngắn nhất ….. Một tuyến chính giữa một nút nguồn s và một nút đích d được định ra là tuyến đầu tiên trong danh sách các tuyến tới nút d trong bảng định tuyến tại nút s. Một tuyến thay thế giữa nút s và nút d là bất kỳ tuyến nào mà nó không dùng chung bất kỳ liên kết nào (là liên kết độc lập) với tuyến đầu tiên trong bảng định tuyến tại nút s. Thuật ngữ “tuyến thay thế“ cũng để thực hiện mô tả tất cả các tuyến (bao gồm cả tuyến chính) từ một nút nguồn tới một nút đích. Hình 2.3 mô tả tuyến kết nối nút chính (đường liền) từ nút 0 đến nút 2, và tuyến thay thế (đường chấm) từ nút 0 đến nút 2.
0
1 2
3
45 5
Hình 2.3. Tuyến chính (nét liền) và tuyến thay thế (nét chấm)
Khi một kết nối yêu cầu đến, nút nguồn thử thiết lập kết nối liên tiếp trên mỗi tuyến từ bảng định tuyến đến khi một tuyến nối mỗi bước sóng gán hợp lệ tìm thấy. Nếu không có tuyến nào có thể dùng được tìm thấy từ danh sách các tuyến thay thế thì yêu cầu kết nối bị khoá hoặc mất. Trong hầu hết các trường hợp, các bảng định tuyến tại mỗi nút được chỉ thị bằng số các đoạn liên kết sợi quang (chặng) tới đích. Như vậy đường ngắn nhất tới đích là đường đầu tiên trong bảng định tuyến. Khi có các ràng buộc về khoảng cách giữa các tuyến khác nhau, một tuyến có thể được lựa chọn ngẫu nhiên. Định tuyến thay thế cố định cung cấp điều khiển dễ dàng cho thiết lập và giải phóng các luồng quang và nó cũng có thể được sử dụng với một số mức độ lỗi chấp nhận được trên các liên kết hỏng
C. Định tuyến thích nghi dựa trên thông tin tổng thể
Phương pháp định tuyến thích nghi tăng khả năng xảy ra thiết lập kết nối bằng việc đưa vào tính toán thông tin trạng thái mạng. Với trường hợp thông tin tổng thể là có thể sử dụng thì các quyết định định tuyến có thể thực hiện với thông tin đầy đủ về mặt các bước sóng có thể sử dụng trên mỗi tuyến liên kết trong mạng. Định tuyến thích nghi dựa trên thông tin tổng thể có thể thực hiện hoặc bằng phương pháp tập trung hoặc bằng phương pháp phân tán. Có các loại định tuyến thích nghi sau đây: C.1. Định tuyến đường thay thế cố định
Định tuyến đường thay thế dựa vào tập các tuyến cố định được quyết định trước giữa nút nguồn và nút đích. Khi yêu cầu kết nối đến thì một tuyến được lựa chọn từ tập các tuyến đã quyết định trước, và luồng quang được thiết lập trên tuyến này. Tiêu chuẩn lựa chọn tuyến thường dựa trên hoặc độ dài tuyến hoặc tắc nghẽn trên tuyến.
+ Lựa chọn tuyến dựa trên độ dài
Ví dụ của giải thuật định tuyến dựa trên độ dài là giải thuật K đường ngắn nhất, trong đó K đường ngắn nhất được duy trì cho mỗi cặp nguồn – đích, và các đường lựa chọn theo thứ tự chiều dài từ ngắn nhất tới dài nhất. Kết nối ngắn nhất được thử trên đường ngắn nhất. Nếu tài nguyên không thể sử dụng trên đường này thì đường ngắn nhất tiếp theo sẽ được thử.
+ Định tuyến dựa trên tắc nghẽn đường đi
Phương pháp lựa chọn tuyến dựa trên tắc nghẽn xác định tài nguyên có thể sử dụng trên mỗi đường thay thể, và chọn lựa đường mà trên đó số lượng tài nguyên lớn nhất có thể được sử dụng.
Lựa chọn tuyến đường ngắn nhất chi phí tài nguyên mạng ít hơn có thể dẫn tới tải trọng cao trên một số tuyến liên kết trong mạng. Trong khi lựa chọn đường với tắc nghẽn ít nhất dẫn tới các đường dài hơn, nhưng phân bổ tải đều hơn qua mạng.
C.2. Định tuyến không ràng buộc
Phương pháp định tuyến thich nghi khác mà sử dụng thông tin tổng thể là định tuyến không ràng buộc. Định tuyến này xem xét tất cả các đường có thể giữa một nút nguồn và một nút đích. Để lựa chọn một tuyến tối ưu, một chi phí được gán cho mỗi đường liên kết trong mạng dựa trên thông tin trạng thái mạng hiện tại, như bước sóng có thể sử dụng được trên các tuyến liên kết. Giải thuật định tuyến chi phí ít nhất sau đó được thực hiện để tìm tuyến chi phí ít nhất. Bất cứ khi nào kết nối được thiết lập hoặc giải phóng, thì thông tin trạng thái mạng phải được cập nhật.
Hai ví dụ về định tuyến không ràng buộc là định tuyến trạng thái liên kết và định tuyến vectơ khoảng cách.
+ Đinh tuyến trạng thái liên kiết
Trong phương pháp định tuyến trạng thái liên kết phân tán, mỗi nút trong mạng phải duy trì đầy đủ thông tin trạng thái mạng. Mỗi nút sau đó có thể tìm tuyến cho yêu cầu kết nối bằng phương pháp phân tán. Bất cứ khi nào trạng thái của mạng thay đổi thì tất cả các nút phải được cung cấp thông tin. Do đó, việc thiết lập hoặc giải phóng một luồng quang trong mạng có thể dẫn tới quảng bá thông tin cập nhật tới tất cả các nút trong mạng.
Nhu cầu quảng bá bản tin cập nhật có thể dẫn đến tổng chi phí điều khiển đáng kể. Hơn nữa, một nút có thể có thông tin bị lỗi thời làm cho nút thực hiện quyết định định tuyến dựa trên thông tin này không đúng.
Một số khắc phục đã được thực hiện để nâng cao các giải thuật tuyến chung ngắn nhất bằng việc sử dụng đinh tuyến trạng thái liên kết. Từ đó đã chỉ ra rằng thước đo dựa trên sử dụng chặng trung gian thấp nhất và tổng hợp của tổng số bước sóng và bước sóng có thể sử dụng cho kết quả xác xuất tắc nghẽn ít nhất.
Sau đây giới thiệu các thước đo hàm trọng được sử dụng trong mạng WDM có thể được sử dụng bằng giải thuật Dijkstra.
Gọi λia, j là số bước sóng có thể sử dụng trên tuyến liên kết và λT i, j là tổng số các bước sóng có thể trên tuyến liên kết đó. Khi đó hàm trọng dựa trên tổng số bước sóng có thể sử dụng (Total Wavelength and Avaiable – TWA) được mô tả như sau:
Gọi W i, j là hàm trọng của tuyến (i, j) . Trong TWA, W i, j được định nghĩa như sau:
W i, j = - log 1 , j λia, j ∀(i, j)∈ E 2
−1−
, j
Gọi P là xác xuất mà một bước sóng được sử dụng trên một tuyến liên kết. Nếu
λia, j và λT
i, j đã biết, p có thể được tính: P = 1 - j
j
Khi xác suất mà tất cả các bước sóng sẽ được sử dụng tại một thời điểm trong tương lai có thể được viết là pλ
ia, j . Khi đó xác xuất mà ít nhất một bước sóng có thể sử dụng được trên một liên kết trong tương lai được đưa ra bằng (1 - Pλ
ia, j ) . Với một tuyến bao gồm nhiều liên kết, mục tiêu là tối đa khả năng mà một bước sóng có thể sử dụng trong tương lai, tức là cực đại giá trị (1 - Pλ
sử dụng – log (1 - Pλ
ia, j ) như một hàm trọng tương ứng và thực hiện tối thiểu giá trị này. Đây là một hàm trọng động cho bước sóng luôn thay đổi.
Định tuyến vectơ khoảng cách
Phương pháp véc tơ khoảng cách có thể định tuyến với thông tin tổng thể. Phương pháp này không đòi hỏi mỗi nút duy trì đầy đủ thông tin trạng thái liên kết ở mỗi nút, nhưng thay vì mỗi nút lưu giữ một bảng chuyển tiếp dành riêng cho mỗi đích và mỗi bước sóng, chặng tiếp theo tới đích và khoảng cách tới đích. Phương pháp này dựa vào giải thuật Bellman- Ford phân tán để duy trì các bảng định tuyến. Giống với định tuyến trạng thái liên kết, bài toán cũng yêu cầu các nút cập nhật thông tin bảng định tuyến của chúng bất cứ khi nào một kết nối được thiết lập hoặc giải phóng. Việc cập nhật này được thực hiện bằng việc mỗi nút gửi một bản tin cập nhật định tuyến tới các nút lân cận chúng theo chu kỳ hoặc bất cứ khi nào trạng thái các tuyến liên kết lối ra của nút thay đổi. Mặc dù mỗi nút duy trì thông tin ít hơn định tuyến trạng thái liên kết và cập nhật không quảng bá tới tất cả các nút nhưng bài toán này có thể vẫn chịu mức độ chi phí điều khiển cao.
Giải thuật vectơ cũng rất hay ở chỗ, bằng một số cách nó có thể thực hiện định tuyến ràng buộc dựa trên số chặng và các loại thước đo khác nhau. Thực vậy, các giải thuật định tuyến tiêu chuẩn thường tối ưu một mục tiêu, tức là chúng có thể tối thiểu số chặng trung gian, hoặc tối thiểu loại thước đo khác nào đó nhưng không thể là cả hai. Tối ưu mục tiêu kép là nhiệm vụ phức tạp hơn và nói chung nó là một bài toán khó giải.
Giải thuật đường đi ngắn nhất Bellman-Ford được dùng cho việc tính đường đi của một thước đo tối thiểu cho tất cả các chặng trung gian. Đây là một tính chất của giải thuật Bellman – Ford mà ở h lần lặp lại của nó, nó xác định đường tối ưu giữa nguồn và đích, giữa các đường đi ở hầu hết h chặng. Tuy nhiên, bởi vì giải thuật Bellman-Ford tiến hành bằng việc tăng chặng số chặng trung gian nên nó cần cung cáp cho chặng trung gian rỗi một đường đi như một tiêu chuẩn tối ưu thứ hai. Đây có thể là một tính năng đặc biệt thú vị nếu mục tiêu là tìm đường ngắn nhất (với một thước đo cụ thể) trong khi vẫn tìm một đường “ tương đối “ ngắn, đó là đường cũng tối thiểu chặng trung gian.
Trạng thái liên kết trong bài toán RWA
Định tuyến trạng thái liên kết và véctơ khoảng cách là hai khả năng có thể xử lý toàn bộ tin tức về mạng. Tuy nhiên, việc lựa chọn cả hai giải thuật gây ra các chế độ rất khác nhau khi xem xét vấn đề RWA. Hiệu suất của hai phương pháp cho việc thiết lập luồng quang động thì trạng thái liên kết làm tốt hơn với tải trọng thấp. Định tuyến phân tán cho xác xuất tắc nghẽn thấp hơn với tải trọng cao.
Tuy nhiên, khuyết điểm cơ bản của giải thuật vectơ khoảng cách là ở chỗ chúng không phù hợp nhiều bằng giải thuật liên kết khi xem xét vấn đề xử lý lưu lượng. Đặc biệt, ưu điểm chính của giải thuật trạng thái liên kết là mỗi nút có một tin tức tổng thể về mạng. Điều này làm cho nó dễ dàng tìm các tuyến rõ ràng từ một nút nguồn tới một nút đích, do vậy tăng xác xuất mắc lỗi hơn cho mạng. Ví dụ có thể tăng khả năng khôi phục khi các nút đầy tin về mạng.
Mặc dù bài toán định tuyến dựa trên tin tức tổng thể phải giải quyết nhiệm vụ duy trì một số lượng lớn thông tin trạng thái đang thay đổi liên tiếp, nhưng bài toán này thường thực hiện các quyết định tuyến tối ưu nhất nếu thông tin trạng thái là mới nhất. Do vậy, bài toán dựa trên thông tin tổng thể có thể rất phù hợp cho các mạng mà trong đó luồng quang là khá tĩnh và không thay đổi nhiều theo thời gian.
D. Định tuyến thích nghi dựa trên thông tin cục bộ
Ưu điểm của thông tin cục bộ là các nút không phải duy trì một số lượng lớn thông tin trạng thái; tuy nhiên, các quyết đinh định tuyến có khuynh hướng kém tối ưu hơn so với trường hợp thông tin tổng thể. Hai ví dụ về bài toán định tuyến thích nghi dựa trên thông tin cục bộ là định tuyến thay thế với thông tin cục bộ và định tuyến lệch.
D.1. Định tuyến thay thế dựa trên thông tin cục bộ
Trong khi các bài toán định tuyến thay thế thường dựa trên thông tin tổng thể thì khác với hiện nay chỉ dùng thông tin cục bộ. Trong bài toán định tuyến thay thế tắc nghẽn ít nhất, việc lựa chọn một tuyến được xác định bởi bước sóng có thể sử dụng dọc theo tuyến thay thế. Hai bài toán khác nhau được xem xét: Trường hợp trong đó thông tin bước sóng có thể sử dụng được biết đến dọc theo toàn bộ tuyến, và trường hợp đó chỉ có thông tin
bước sóng là có thể sử dụng được biết đến dọc theo toàn bộ tuyến, và trường hợp trong đó chỉ có thông tin cục bộ là có thể sử dụng.
+ Nhận biết bước sóng đầu cuối - đầu cuối
Trong phương pháp đầu tiên, thực thể thực hiện định tuyến nhận thấy thông tin bước sóng có thể sử dụng cho tất cả các tuyến liên kết trong các đường thay thế. Trong trường hợp này, tuyến được chọn là tuyến có bước sóng lớn nhất có thể sử dụng dọc theo toàn bộ các tuyến liên kết trong đường đi của nó. Ví dụ như, trong hình 2.4, nếu hai tuyến thay thế từ nút nguồn A tới nút đích D được xem xét với các bước sóng có thể sử dụng như được chỉ trên mỗi tuyến liên kết, thì hai bước sóng (λ1 và λ3 ) là có thể sử dụng dọc theo toàn bộ độ dài của tuyến 1, trong khi chỉ một bước sóng (λ2 ) là có thể sử dụng dọc toàn bộ chiều dài tuyến 2; do vậy tuyến 1 sẽ được lựa chọn.
Hình 2.4: Định tuyến thay thế
+ Nhận biết bước sóng từng phần
Phưong án dựa trên thông tin cục bộ là kết hợp thông tin bước sóng có thể sử dụng chỉ dọc k chặng ngắn nhất của mỗi đường. Tuyến sau đó được lựa chọn dựa trên loại đường bị tắc nghẽn ít nhất dọc theo k chặng ngắn nhất của nó. Trong hình 2.4, nếu k =2 thì tuyến 2 sẽ được lựa chọn, do nó có ba bước sóng có thể sử dụng trên hai tuyến liên kết ngắn nhất ( λ1
, λ2 , và λ4 ), trong khi tuyến 1 chỉ có hai bước sóng có thể sử dụng trên hai tuyến liên kết ngắn nhất ( λ1 và λ3 ).
Mặc dù thông tin cục bộ có thể cung cấp một sự đánh giá tốt về tắc nghẽn dọc theo đường đi nhưng nó không đảm bảo bước sóng đặc trưng là
Tuyến 2 Tuyến 1 A B C D E F
tuyến, một kết nối vẫn sẽ bị tắc nghẽn do thiếu các bước sóng có thể sử dụng.
D.2. Định tuyến lệch
Một phương pháp khác cho định tuyến thích nghi với thông tin hạn chế là định tuyến lệch, hoặc định tuyến liên kết thay thế. Bài toán định tuyến