Định tuyến. Nhiệm vụ của bước này rất quan trọng, nó xác định định tuyến lưu lượng thuận hoặc ngược chiều kim đồng hồ với giả định có bộ chuyển đổi bước sóng. Bước này có thể giải cho cho kết quả gần hoặc tối ưu băng thuật toán tối di truyền (Genetic), Heuristic hoặc sử dụng thuât toán tối ưu, để xác định hướng tuyến của mỗi luồng lưu lượng.
Có hai loại phương pháp phổ biến được sử dụng để định tuyến lưu lượng cho SPRing, đó là:
• Các phương pháp Heuristic.
Heuristic thích nghi.
Heuristic không thich nghi.
• Các phương pháp tối ưu.
a) Các phương pháp định tuyến
Rất nhiều nhà nghiên cứu trước đã đề xuất vài phương pháp định tuyến tối ưu cho mạng SPRing. Ý tưởng của các phương pháp này là tối thiểu chi phí ring bằng cách tối thiểu tải trọng trên chặng có tải cao nhất, trong đó tải là tổng các lưu lượng định tuyến qua chặng đó. Hầu hết các thuật toán đều phải giải quyết vấn đề cân bằng tải trọng, đó là các luồng quang được sắp xếp trên ring sao cho sự chênh lệch về tải giữa các chặng càng nhỏ càng tốt.
Một trong những thuật toán được C.Y.Lee và S.G.Chang đề xuất và đã chỉ ra kết quả là tối ưu hoặc nhiều nhất là lớn hơn giá trị tối ưu một đơn vị (N=[LMAX/2]+1).
* Bài toán
Xét vòng ring có n nút (n cạnh/cung/chặng). Các nút được đánh số theo chiều kim đồng hồ và cạnh giữa nút I và i+1 gọi là ai. Cạnh giữa nút n và l là an. Mỗi một lưu lượng giữa hai nút là đối xứng và hai hướng. Ký hiệu:
d = (d1, d2, d3, …dm) là véc tơ lưu lượng trong đó dj là tổng số luồng của lưu lượng j
P
j+
= {as, as+1, . . .at-2, at-1} là tập các cạnh mà tải lưu lượng j giữa nút s và t (t ≤ n) theo hướng kim đồng hồ
P
j−
= {as, as+1, . . .an, an-1, . . .at+1, at} là tập các cạnh mà tải lưu lượng j giữa nút s và t(t ≤ n) ngược chiều kim đồng hồ
P là ma trận n×2m, trong đó:
x=(x1+,x1−,x2+,x2−,...,xm+,xm−) là véc tơ kết quả, trong đó:
+
j
x là số luồng của lưu lượng j được định tuyến theo chiều kim đồng hồ
−
j
x là số luồng của lưu lượng j được định tuyến ngược chiều kim đồng hồ
R là ma trận (n×2m) lưu lượng của cạnh, trong đó
+ × − = − P i j xi j i R( ,2 1) ( ,2 1) − × =P i j xj j i R( ,2 ) ( ,2 )
y=(y1,y2,...,yn) là véc tơ tải với yi là tải trên cạnh i được xác định là
i y =
∑
jR(i, j) 1 nếu aj∈ P(i, 2j-1) = 0 nếu aj ∉ 1 nếu aj∈ P(i, 2j) = 0 nếu aj ∉z(x) = maxi { yi} là tải lớn nhất trong các cạnh i ứng với kết quả x
A ={ai/ yi ≥ z(x)-1} là tập các cạnh có tải cực đại nhỏ hơn 1
Bài toán cân bằng tải có thể được biểu diễn như sau: Tối thiểu hàm mục tiêu z(x).
Thoả mãn điều kiện:
i P i j j P i j j x y x j j = +
∑
∑
+ − ∈ − ∈ + } / { } / { với i=1,2...,n j j j x d x++ −= với j=1,2,...,m + j x , − jx nguyên dương với mọi j
Hàm mục tiêu z(x) nhận được từ định tuyến +
j
x và −
j
x của mỗi lưu lượng
j sao cho tải lớn nhất là tối thiểu. Ràng buộc thứ nhất chỉ ra là tải của cạnh
i
y là tổng tất cả các lưu lượng định tuyến qua cạnh ai ở cả hai hướng (ngược / thuận chiều kim đồng hồ), ràng buộc thứ hai chỉ ra lưu lượng được định tuyến cả hai hướng phải bằng dj, còn ràng buộc thứ ba là việc tách lưu lượng theo 2 hướng phải nguyên dương.
Để giải bài toán này Lee và Chang đề xuất thuật toán sau:
• Bước 1: khởi tạo
x := (d1,0,d2,0, . . .,dm,0); Tính toán y, z(x),A; đặt i :=1;
• Bước 2: kiểm tra điều kiện i≤n: nếu sai thì kết thúc
Tạo danh sách các lưu lượng bắt nguồn từ nút i và sắp xếp theo thứ tự giảm dần của giá trị +
j
P , tức là luồng lưu lượng có số cạnh/chặng giảm dần.
Gọi lưu lượng j:=lưu lượng đầu tiên trong danh sách của nút i
• Bước 3: lặp lại với bước này với điều kiện +
j
P
⊃
A(tức là xét các luồng jmà được định tuyến đi qua tất cả các cạnh có tải cực đại).Đặt { } − = + + − + ∈ − 2 ) ( min , min : k Pj z x yk j j j x x x
Đặt { } + = − + − − ∈ − 2 ) ( min , min : k Pj z x yk j j j x x
x ; (chia luồng lưu lượng j sao cho
mỗi hướng có tải tương tự nhau) Tính toán lại y, z(x), A
Chọn lưu lượng j:=lưu lượng tiếp theo trong danh sách
• Bước bốn: đặt i:=i+1 rồi thực hiện bước hai.
Theo ông Chang và Lee đã chỉ ra, lời giải là tối ưu hoặc nhiều nhất là lớn
hơn tối ưu một đơn vị.
Thuật toán: Y Y Y Bắt đầu
Sắp xếp dsd theo thứ tự tăng của s và d; j
>n
:=định tuyến các lưu lượng bắt đầu từ nút i; Đánh giá tải y=(y1, y2,…,yn );
Xác định tập A; Kết thúc drq: đi qua tất cả các cạnh thuộc A
)
(
)
(x
*
z x
z <
x:= x*; Chọn drq có số cạnh lớn nhất; x*:=định tuyến drq theo hướng ngược lại;Đánh giá tải y=(y1, y2,…,yn ); Xác định lại tập A:
b) Các phương pháp định tuyến Heuristic
Mặc dù bài toán định tuyến trên SPRing hoàn toàn có thể giải bằng một trong các thuật toán tối ưu ở trên, tuy nhiên một số thuật toán Heuristic cũng được sử dụng. Các thuật toán này có một số đặc điểm:
• Đơn giản hơn loại tối ưu mà vẫn cho kết quả tối ưu hoặc gần tối ưu trong hầu hết các trường hợp.
• Dễ dàng hơn cho việc duy trì liên tục giữa các quá trình lập qui hoạch và thiết lập luồng trong khai thác
Các phương pháp Heuristic có thể được đưa thành hai nhóm, thích nghi và không thích nghi.
*Các phương pháp định tuyến Heuristic không thích nghi
Các thuật toán này tuân theo những qui tắc đơn giản và cố định khi quyết định hướng định tuyến thưo từng một lưu lượng một. Chúng được gọi là không thích nghi là bởi vì các qui tắc định tuyến là không thay đổi trong toàn bộ quá trình định tuyến. Có ba kiểu qui tắc định tuyến cơ bản sau:
• Luôn luôn định tuyến lưu lượng theo hướng có khoảng cách nhỏ nhất
• Luôn luôn định tuyến lưu lượng theo hướng có số chặng it nhất
• Luôn luôn định tuyến lưu lượng theo hướng có tải ít nhất
Trong ba nguyên tắc định tuyến trên thì hai phương pháp đầu là tương tự nhau: mỗi lưu lượng quang hai hướng giữa hai nút của ring được định tuyến theo hướng hoặc là ngắn nhất hoặc có số chặng ít nhất. Ưu điểm chính của các nguyên tắc này là tính đơn giản, ngoài ra chúng cung cho kết quả rất tốt.
Trong trường hợp ring có số nút là lẻ thì có thể xảy ra số chặng giữa hai nút như nhau, do vậy nguyên tắc số chặng ít nhất không thể quyết định được hướng tuyến cho các nút này. Trong trường hợp này hướng định tuyến có thể chọn ngẫu nhiên hoặc theo hướng định trước hoặc là định tuyến theo hướng có các chặng có tải ít hơn.
Mặc dù các nguyên tắc tối thiểu khoảng cách/chặng rất phù hợp đối với ma trận lưu lượng quang có dạng Mesh hoàn toàn, nhưng chúng lại không phù hợp trong trường hợp tổng quát. Sự phân bố lưu lượng loại này thể hiện sự mất cân bằng tải lớn trên ring và khi đó cần thêm các tuyến phụ.
Nguyên tắc tải tối thiểu:
• Mỗi lưu lượng luôn luôn định tuyến thưo hướng có tải nhỏ nhất (nghĩa là trên hướng có các chặng có tải nhỏ hơn)
• Lưu lượng hai hướng được định tuyến trên cùng một phía của ring (trên hai sợi khác nhau)
• Khi mà cả hai phía của ring có cùng độ tải, thì hướng có số chặng ngắn nhất được chọn
Trong nguyên tắc này luôn cố gắng giữ cân bằng tải trên ring. Nguyên tắc này rất nhạy cảm với thứ tự chọn luồng để định tuyến và yêu cầu tài nguyên cao hơn nhiều so với kết quả tối ưu khi mà có các “cụm” lưu lượng quang giữa cùng cặp nút được định tuyến theo các cụm khác. Thực ra các lưu lượng quang có thể được định tuyến theo các hướng luân phiên (tức là, ban đầu là thuận chiều kim đồng hồ, tiếp ngược, thuận, ngược…) và có xu hướng là cùng yêu cầc về tài nguyên như DPRimg. Vấn đề xác định thứ tự định tuyến tối ưu các lưu lượng đã được xem như là NP - đầy đủ. Giải pháp có lẽ đơn giản, hiệu quả theo Heuristic để giải quyết bài toán này, là ngăn không cho xuất hiện các “cụm” lưu lượng quang bằng cách trộn các thứ tự các lưu lượng trước khi định tuyến. Theo cách này có thể nhận được:
• Tiết kiệm tài nguyên mạng so với DPRing cho các mẫu lưu lượng quang nói chung
• Sự tiết kiệm này có thể cao hơn nếu sử dụng các kỹ thuật trộn “thông minh” thứ tự các luồng được xét trong định tuyến
Kỹ thuật trộn “thông minh” trước hết phải tránh các “cụm” lưu lượng quang và có hướng ưu tiên định tuyến các luồng quang dài nhất (tức là các lưu lượng giữa các cặp nút có khoảng cách chặng cao hơn).
**Các phương pháp định tuyến Heuristic thích nghi
Các thuật toán này tuân theo nguyên tắc đơn giản cố định để quyết định hướng định tuyến từng luồng quang một, trừ khi có sự kiện thiếu tài nguyên. Sự kiện này cho phép thay đổi chính sách định tuyến. Các thuật toán này được gọi là “thích nghi” bởi vì nguyên tắc định tuyến của chúng có thay đổi trong quá trình định tuyến .
Nguyên tắc định tuyến thích nghi điển hình đó là chọn tuyến có hướng
chặng tối thiểu, ngoại trừ khi chúng ta gặp phải thiếu tài nguyên trên ring.
Điều này có nghĩa là thông tin về các bước sóng còn cho phép sử dụng trên
mỗi chặng của mỗi ring cần xác định trước khi thực hiện quyết định định
tuyến của luồng quang. Vì thông tin này chỉ có thể có sau khi quá trình phân
bổ bước sóng, do đó chúng ta phải ghép hai chức năng định tuyến và gán
bước sóng. Thuật toán thích nghi được đề xuất có bản chất kế thừa tính chất
phụ thuộc vào thứ tự lưu lượng được định tuyến như thuật toán tải tối thiểu
không thích nghi. Cách xử lý tương tự về trộn thứ tự luồng quang như đề xuất
ở trên cũng có thể áp dụng ở đây.
