CHƯƠNG 2. MẠNG QUANG ĐỊNH TUYẾN THEO BƯỚC SểNG
2.3. Định tuyến và gán bước sóng động
Khi yêu cầu về lưu lượng không còn là cố định, các nút biên gửi đến mạng yêu cầu thiết lập các tuyến quang tuỳ theo nhu cầu. Bởi vậy, các yêu cầu kết nối được coi là ngẫu nhiên. Tuỳ vào trạng thái của mạng tại thời điểm yêu cầu, tài nguyên khả dụng của mạng có thể đủ hoặc không đủ để thiết lập các tuyến quang tương ứng giữa các cặp nút nguồn-đích. Trạng thái của mạng bao gồm các tuyến vật lý và bước sóng đã cấp phát cho các tuyến. Trạng thái này thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian khi các tuyến quang mới được thiết lập hoặc tuyến quang cũ được giải phóng. Bởi vậy, tại mỗi thời điểm có yêu cầu, thuật toán phải được thực hiện để xác định xem liệu có thể đáp ứng được yêu cầu không và nếu có thì thực hiện việc chọn đường và cấp phát bước sóng.
Do bản chất thời gian thực của bài toán, các thuật toán RWA trong môi trường lưu lượng thay đổi phải hết sức đơn giản. Chính vì nguyên nhân kết hợp định tuyến và gán bước sóng là bài toán khó nên các thuật toán thường tìm cách tách thành 2 bài toán con: bài toán con định tuyến và bài toán con gán bước sóng. Kết quả là, phần lớn các thuật toán RWA áp dụng cho mạng định tuyến theo bước sóng thường bao gồm các bước sau:
- Tính toán số lượng các tuyến vật lý cho mỗi cặp nút nguồn-đích và sắp xếp chúng vào danh sách tuyến.
- Sắp xếp các bước sóng theo thứ tự và lập thành danh sách bước sóng.
- Bắt đầu từ tuyến và bước sóng đầu tiên trong các danh sách tương ứng, tìm kiếm tuyến và bước sóng khả dĩ cho mỗi tuyến quang yêu cầu.
Trước hết, hãy xem xét bài toán con định tuyến. Nếu sử dụng thuật toán tĩnh (static) thì các tuyến được tính toán và sắp xếp độc lập với trạng thái mạng. Với thuật toán thích nghi (adaptive), các tuyến và trật tự sắp xếp của chúng có thể khác nhau tuỳ thuộc vào trạng thái của mạng. Thuật toán tĩnh được thực thi ngoại tuyến (offline) và các tuyến tính toán được sẽ được lưu lại để sử dụng sau dẫn đến việc thiết lập các tuyến quang đã chậm lại càng chậm. Các thuật toán thích nghi được thực hiện đúng tại thời điểm yêu cầu tuyến quang và có thêm điều kiện trạng thái mạng, thời gian thiết lập tuyến do vậy cũng có thể tăng lên nhưng nhìn chung, thuật toán thích nghi cũng cải thiện được chất lượng mạng.
Số lượng đường có thể chọn để thiết lập quang tuyến cũng là một tham số quan trọng. Thuật toán định tuyến cố định là thuật toán tĩnh, theo đó, mỗi cặp nút biên nguồn-đích được gắn vào một tuyến. Kết nối không được thiết lập nếu không cấp phát được bước sóng khả dụng cho tuyến tại thời điểm yêu cầu. Đối với định tuyến thay thế-cố định, một số k > 1 tuyến đối với mỗi cặp nút nguồn đích được xác định và sắp xếp trước theo trật tự. Khi có yêu cầu, các tuyến này được kiểm tra theo thứ tự nào đó và tuyến đầu tiên có thể gán được bước sóng sẽ được sử dụng để thiết lập kênh truyền. Yêu cầu bị bác bỏ nếu không thể cấp phát được bước sóng cho cả k tuyến. Thông thường, phương pháp hay được sử dụng là xác định sẵn k tuyến, tuy nhiên, thứ tự sắp xếp các tuyến được xác định tuỳ theo trạng thái mạng tại thời điểm có yêu cầu (chẳng hạn như nghẽn nhiều nhất hoặc ít nhất).
Trong phần lớn các trường hợp, tuyến quang dự kiến sử dụng được sắp xếp theo thứ tự tăng dần của chiều dài tuyến. Chiều dài tuyến thường được định nghĩa là tổng của trọng số gán cho mỗi liên kết vật lý trên tuyến. Bởi vì các trọng số được gán một cách tuỳ tiện nên các tiêu chí lựa chọn tuyến là rất đa dạng. Chẳng hạn, đối với thuật toán định tuyến thay thế-cố định, trọng số của mỗi liên kết có thể bằng 1 hoặc bằng chiều dài của liên kết vật lý. Ở trường hợp thứ nhất, danh sách các tuyến sẽ bao gồm k tuyến có số chặng nhỏ nhất, còn trong trường hợp thứ 2, danh sách này bao gồm k tuyến có độ dài nhỏ nhất (với độ dài được định nghĩa như là chiều dài địa lý). Ở thuật toán thích nghi, trọng số của liên kết có thể phản ánh tải của liên kết, hoặc mức độ “nhiễu” của liên kết (nghĩa là số tuyến quang hoạt động đang sử dụng chung liên kết). Bằng cách gán trọng số nhỏ cho các liên kết có tải thấp nhất, các tuyến có số kênh rỗi càng lớn càng được xếp ở trên cùng của danh sách, đây là nguyên lý của thuật toán định tuyến tải thấp nhất (least- loaded). Các tuyến bị nghẽn sẽ được coi là “dài hơn” và bị xếp dần xuống cuối danh sách và điều này cho phép tránh được hiện tượng nghẽn cổ chai trên mạng.
Tiếp theo, việc cần giải quyết bây giờ là bài toán con gán bước sóng, tương tự như trên, các bước sóng cũng được sắp xếp vào danh sách theo trật tự. Để gán cho một tuyến quang, các bước sóng được kiểm tra theo thứ tự trong danh sách để tìm ra bước sóng rỗi gán cho tuyến. Ở đây cần phân biệt 2 trường hợp tĩnh và thích
nghi. Ở trường hợp tĩnh, thứ tự của bước sóng là cố định (chẳng hạn danh sách được sắp xếp theo giá trị bước sóng). Ý tưởng của các thuật toán trong trường hợp này (chẳng hạn thuật toán first-fit) là sắp xếp bước sóng theo thứ tự bước sóng có xác suất khả dụng cao ở phía trên, các bước sóng đã sử dụng cho xuống dưới.
Trong trường hợp thích nghi, thứ tự của bước sóng thường dưa trên mức độ sử dụng. Mức độ sử dụng có thể được định nghĩa hoặc là số liên kết trong mạng được gán bước sóng đó, hoặc là số kết nối tích cực đang sử dụng bước sóng đó.
Thuật toán max-used sắp xếp các bước sóng theo thứ tự giảm dần về mức độ sử dụng (nghĩa là các bước sóng sử dụng nhiều được xếp lên trước). Mục đích chính của thuật toán này là để tái sử dụng các bước sóng tích cực càng nhiều càng tốt trước khi thử kiểm tra bước sóng khác. Ngược lại, phương thức min-used sắp xếp bước sóng theo thứ tự mức độ sử dụng tăng dần. Thuật toán này cho phép cân bằng tải giữa các bước sóng khả dụng. Tuy nhiên, gán theo kiểu min-used có xu hướng “phân mảnh” độ khả dụng của bước sóng.
Thuật toán max-used và min-used yêu cầu phải có thông tin toàn cục mạng để tính toán mức độ sử dụng của mỗi bước sóng. Tuy nhiên, điều này lại không cần thiết khi áp dụng thuật toán first-fit do thuật toán này không cần sắp xếp bước sóng theo thời gian thực và do vậy nó giảm được đáng kể thời gian tính toán khi so sánh với 2 thuật toán kia. Một thuật toán thích nghi khác không sử dụng các thông tin toàn cục mạng là gán bước sóng ngẫu nhiên. Ở thuật toán này, đối với mỗi tuyến cụ thể, trước hết cần xác định tập các bước sóng có thể cấp phát. Sau đó chọn ngẫu nhiên một bước sóng trong tập bước sóng đã xác định để gán cho tuyến.
Cần chú ý rằng trong các mạng mà toàn bộ nút OXC của nó có trang bị thiết bị biến đổi bước sóng thì bài toán gán bước sóng trở nên không còn ý nghĩa bởi vì tuyến quang có thể được thiết lập miễn là tồn tại ít nhất một bước sóng khả dụng trên mỗi liên kết của tuyến và các bước sóng khác nhau có thể sử dụng trên các liên kết khác nhau của tuyến. Thứ tự gán bước sóng cũng không còn quan trọng nữa. Nói cách khác, chỉ khi sử dụng bộ biến đổi thưa thì mới cần áp dụng các thuật toán lựa chọn bước sóng cho các liên kết của tuyến kết nối giữa nút OXC nguồn và đích có trang bị thiết bị chuyển đổi bước sóng. Trong trường hợp này, việc áp dụng các thuật toán lựa chọn bước sóng cho các tuyến toàn trình đã đề cập ở trên để gán bước sóng cho mỗi segment của tuyến giữa các OXC là hoàn toàn hợp lý.
Năng lực của thuật toán RWA động thường được tính theo xác suất nghẽn, nghĩa là xác suất tuyến không thể được thiết lập do thiếu tài nguyên (thiếu dung lượng liên kết hoặc bước sóng). Tuy nhiên, thậm chí ngay cả trong trường hợp mạng có cấu hình đơn giản (chẳng hạn cấu hình ring) hoặc định tuyến đơn giản (chẳng hạn định tuyến cố định) thì việc tính toán xác suất nghẽn trong mạng WDM vẫn hết sức phức tạp. Trong các mạng, chẳng hạn mạng có cấu hình lưới tuỳ ý và/hoặc sử dụng các thuật toán định tuyến thay thế hoặc thích nghi thì bài toán sẽ trở nên đặc biệt khó.
Mặc dù quan trọng nhưng xác suất nghẽn trung bình (tính toán trên tất cả các yêu cầu kết nối) không phải lúc nào cũng phản ánh được ảnh hưởng của một thuật toán RWA động nào đó đến các khía cạnh khác của mạng, đặc biệt là mức độ công bằng (fairness). Khái niệm công bằng để chỉ sự khác nhau về xác suất không thể cung cấp các kết nối giữa các cặp nút nguồn đích, sao cho mức độ khác nhau càng ít thì sự công bằng càng cao. Nhìn chung, bất kỳ mạng nào cũng có tính chất các tuyến dài hơn thì có xác suất nghẽn lớn hơn so với các tuyến ngắn.
Hệ quả là mức độ công bằng có thể được định lượng bằng cách định nghĩa hệ số bất công (unfairness factor) là tỉ số giữa xác suất nghẽn trên tuyến dài nhất so với xác suất nghẽn trên tuyến ngắn nhất đối với thuật toán RWA đã cho. Tuỳ thuộc vào cấu hình mạng và thuật toán RWA mà tính chất này có thể dẫn đến hiệu ứng phân tầng và kết quả là các kết nối giữa các cặp nút có khoảng cách lớn bị “đối xử” không công bằng: từ chối chấp nhận kết nối có khoảng cách lớn sẽ để lại nhiều tài nguyên cho tuyến ngắn và vì vậy các kết nối trong mạng sẽ có xu hướng ngắn dần hơn. Các tuyến ngắn “phân mảnh” độ khả dụng của bước sóng và bởi vậy, bài toán về mức độ công bằng và không công bằng sẽ dễ dàng nhận ra hơn trong mạng không sử dụng bộ biến đổi bước sóng bởi vì tìm tuyến dài thoả mãn ràng buộc về tính liên tục của bước sóng thì khó hơn nhiều so với bài toán không có ràng buộc này.
Rất nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để xác định ảnh hưởng của các tham số khác nhau đến xác suất nghẽn và độ công bằng và người ta đã chứng minh được rằng:
- Việc chuyển đổi bước sóng ảnh hưởng đáng kể đến mức độ công bằng: Các mạng có sử dụng bộ chuyển đổi tại tất cả các OXC thường có hệ số công bằng cao hơn so với các mạng không sử dụng bộ chuyển đổi mặc dù mức độ cải thiện hoàn toàn không dễ nhận ra. Người ta cũng chứng minh rằng sử dụng bộ chuyển đổi với tỷ lệ thấp (thường là 20 đến 30% số lượng OXC) là đủ để đạt được mức độ công bằng hiệu quả nhất.
- Định tuyến thay thế có thể cải thiện đáng kể hiệu quả mạng xét về cả khía cạnh xác suất nghẽn và mức độ công bằng. Trên thực tế, xác định khoảng vài ba tuyến thay thế cho mỗi kết nối trong một số trường hợp (tuỳ thuộc vào cấu hình mạng cụ thể) có thể đạt được hiệu quả nhất (xét theo khía cạnh xác suất nghẽn và mức độ công bằng) giống như có sử dụng bộ chuyển đổi bước sóng hoàn toàn tại mỗi OXC và sử dụng định tuyến cố định.
- Chính sách cấp phát bước sóng cũng đóng vai trò quan trọng, đặc biệt là xét về mức độ công bằng. Thuật toán ngẫu nhiên và min-reuse có xu hướng
“phân mảnh” mức độ khả dụng của tài nguyên bước sóng dẫn đến hệ số bất công lớn (trong đó min-reuse là trường hợp xấu nhất). Nói cách khác, thuật toán max-reuse đạt được hiệu quả cao nhất xét về mức độ công bằng.