3.3.1.1.1. 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 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 các cặp nút riêng được thiết lập sử dụng tuyến được xác định trước. Trong hình 27 đường ngắn nhất cố định minh hoạ từ nút 0 đến nút 2.
Cách tiếp cận để thiết lập các kết nối này rất đơn giản, tuy nhiên sự bất lợi của cách tiếp cận này là nếu tài nguyên (bước sóng) dọc theo các đường bị nghẽn, có thể có khả năng dẫn đến xác xuất nghẽn cao trong trường hợp lưu lượng động hoặc dẫn đến cần một số lượng lớn các bước sóng sử dụng trong trường hợp lưu lượng tĩnh. Định tuyến cố định cũng không thể điều khiển các tình huống có sự cố trong một hay nhiều tuyến sợi nào đó trong mạng. Để điều khiển các sự cố tuyến sợi, việc tổ chức định tuyến lại hay phải xem xét các đường lựa chọn tới đích hoặc phải có khả năng tìm thấy một tuyến động. Trong hình 27 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 tuyến sợi trong tuyến cố định.
3.3.1.1.2. Định tuyến luân phiên cố định
Một cách tiếp cận để xem xét định tuyến đa đường là định tuyến luân phiên cố định. Trong định tuyến luân phiên 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 không dùng chung bất kỳ tuyến sợi nào với tuyến đầu tiên trong bảng định tuyến 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 28 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.
Hình 28 : Tuyến chính (nét liền) và tuyến thay thế (nút chấm) từ nút 0 đến 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 có một tuyến với bước sóng gán hợp lệ. Nếu không có tuyến nào có thể dùng được từ danh sách các tuyến thay thế thì yêu cầu kết nối bị nghẽn hoặc bị huỷ. Trong hầu hết các trường hợp các bảng định tuyến tại mỗi nút được chỉ thị bằng số các 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 để tránh sự cố mạng.
3.3.1.1.3. Định tuyến thích nghi
Trong định tuyến thích nghi, một tuyến từ một nút nguồn s đến một nút đích d được lựa chọn động phụ thuộc vào trạng thái mạng. Trạng thái mạng được xác định bởi tập tất cả các kết nối hiện tại. Một loại định tuyến thích nghi là định tuyến đường chi phí ít nhất, nó là cách định tuyến tốt cho mạng có sử dụng chuyển đổi bước sóng. Với cách tiếp cận này mỗi tuyến sợi không sử dụng trong mạng có chi phí bằng 1 đơn vị, mỗi tuyến sợi được sử dụng có chi phí bằng ∞ và mỗi tuyến sợi sử dụng chuyển đổi bước sóng sẽ có chi phí là c đơn vị. Nếu chuyển đổi bước sóng không có thì c = ∞. Khi một kết nối đến, đường chi phí thấp nhất giữa nút nguồn và nút đích sẽ được xác định. Nếu có nhiều tuyến có cùng chi phí, một trong chúng sẽ được lựa chọn ngẫu nhiên. Bằng cách lựa
chọn chi phí chuyển đổi bước sóng c thích hợp, chúng ta có thể đảm bảo rằng các tuyến có chuyển đổi bước sóng chỉ được lựa chọn khi không đảm bảo rằng các đường bước sóng liên tục. Định tuyến thích nghi yêu cầu hỗ trợ mở rộng các giao thức điều khiển và quản lý để cập nhật liên tục các bảng định tuyến tại các nút. Ưu điểm của định tuyến thích nghi là có kết quả tắc nghẽn thấp hơn định tuyến cố định và định tuyến thay thế cố định. Với mạng trong hình 29 nếu các tuyến sợi (1,2) và (4,2) trong mạng bận thì thuật toán định tuyến thích nghi có thể thiết lập qua một kết nối giữa nút 0 và nút 2. Trong khi
cả hai định tuyến cố định và định tuyến thay thế cố định với các tuyến như hình 28sẽ bị nghẽn.
Hình 29 : Định tuyến thích nghi từ nút 0 đến nút 2
Một dạng khác của định tuyến thích nghi là định tuyến trên luồng có nghẽn ít nhất (LCP – Least Congested Path). Giống như định tuyến thay thế, với mỗi cặp nguồn - đích, một danh sách các tuyến được lựa chọn trước. Khi có yêu cầu kết nối đến, luồng nghẽn ít nhất trong số các tuyến xác định trước được lựa chọn. Nghẽn trên một tuyến sợi được đo bằng số bước sóng có thể sử dụng.
3.3.1.1.4. Định tuyến bảo vệ
Khi thiết lập các kết nối trong một mạng định tuyến ghép bước sóng quang WDM yêu cầu cung cấp một số mức độ bảo vệ tuyến sợi và nút để tránh sai hỏng trong mạng bằng cách dự trữ một số lượng dung lượng dự phòng. Một cách tiếp cận phổ biến để bảo vệ là thiết lập 2 tuyến luồng quang phân tập mức
luồng. Một luồng gọi là luồng quang chính cho sử dụng còn một luồng kia được gọi là luồng quang dự phòng để phục hồi cho luồng quang chính bị hỏng. Cách tiếp cận này có thể được sử dụng để bảo vệ các tuyến sợi hỏng đơn trong mạng. Để bảo vệ nút sai hỏng, các đường chính và đường thay thế cũng có thể phân tập về nút.
Định tuyến thay thế cố định cung cấp một cách tiếp cận để thực hiện điều khiển bảo vệ. Bằng cách lựa chọn các đường thay thế phân tập với tuyến chính, có thể bảo vệ kết nối với bất cứ các sai hỏng tuyến sợi đơn nào bằng cách phân bổ một trong các đường thay thế là một đường hồi phục.
Trong định tuyến thích nghi các đường hồi phục nào đó để thiết lập ngay sau khi đường chính đã được thiết lập. Giao thức định tuyến có thể sử dụng để xác định đường hồi phục, với việc loại trừ một bằng cách thiết lập c =∞ nó đang được sử dụng trên đường trục chính. Viêc sử dụng tuyến thay thế để phục hồi được xác định động sau khi sai hỏng xảy ra. Sự phục hồi sẽ chỉ thành công nếu đủ các tài nguyên sử dụng trong mạng. Chú ý rằng, khi một sai hỏng xảy ra việc tìm kiếm và thiết lập động của đường phục hồi dưới cách tiếp cận hồi phục có thể mất thời gian đáng kể so với chuyển mạch trên các đường hồi phục thiết lập trước theo cách tiếp cận bảo vệ.
3.3.1.2. Phương pháp định tuyến trong mạng cấu trúc RING
Tương tự như cấu trúc Ring SDH, khi xét về tính hiệu quả sử dụng băng tần quang, hiện nay các cấu trúc Ring toàn quang có thể chia thành hai loại chủ yếu:
• Ring bảo vệ dùng chung SPRing (OMS-SPRing-Optical Multiplex Section Shared Protection Ring), tương ứng với công nghệ SDH có MS- SPRing hay Ring hai hướng (BSHR- Bidirect Shelf Healing Ring).
• Ring bảo vệ dành riêng DPRing (OCH/OMS DPRing-Dedicated Protection Ring hoặc OCH-SNCP Ring Sub-Network Conection
Protection Ring) tương ứng với công nghệ SDH là loại SNCP Ring hay Ring đơn hướng USHR.
Trong loại Ring bảo vệ dành riêng DPRing (1+1) tại lớp quang, luồng tín hiệu quang được gửi đi theo cả hai hướng của vòng Ring để bảo vệ. Nguyên tắc đơn giản để phân bổ bước sóng là: mỗi luồng quang điểm - điểm sẽ sử dụng một bước sóng riêng trên toàn Ring. Mức độ phức tạp trong thiết kế mạng với cấu trúc DPRing sẽ không nằm ở phần quang mà chủ yếu nằm ở phần giao diện quang và VC-4. Ví dụ, xác định sắp xếp logic các nút tốt nhất (cấu hình SDH) hoặc cách ghép các VC-4 vào bước sóng cần thiết.
Đối với Ring bảo vệ dùng chung SPRing, yêu cầu định cỡ phức tạp hơn. Nhà thiết kế phải quyết định hướng tuyến thuận/ ngược chiều kim đồng hồ cho mỗi lưu lượng và sử dụng bước sóng nhất định nào đó. Do cơ chế bảo vệ dùng chung cho phép sử dụng lại bước sóng trên các luồng quang không chồng chéo nhau, nên sẽ không có nguyên tắc thiết kế đơn giản nào. Hơn nữa nhiệm vụ phân bổ các VC-4 vào từng bước sóng sẽ làm cho bài toán phức tạp hơn trong vòng Ring có bảo vệ dùng chung. Phần này sẽ tập chung vào định tuyến và gán bước sóng cho SPRing đáp ứng yêu cầu lưu lượng luồng quang đã xác địng mà không đề cập đến vấn đề nhóm.
Đối với cấu hình Ring, mặc dù có sự khác nhau giữa hai quá trình trên nhưng cách định cỡ được thực hiện tương tự nhau. Bởi vì các bài toán con ở hai hình trên khi áp dụng cho mạng cấu hình Ring trở nên rất đơn giản nhờ cấu trúc bảo vệ vốn có của mạng Ring. Chẳng hạn vấn đề phân bổ tài nguyên dự phòng nói chung là rất khó. Nhưng trong trường hợp cấu hình Ring thì với loại DPRing mỗi kênh OCH làm việc sẽ yêu cầu kênh bảo vệ theo hướng đối diện và với cấu trúc loại SPRing thì một nửa phần bước sóng trên mỗi chặng được sử dụng cho kênh bảo vệ và nửa kia sử dụng cho kênh dự phòng. Về nguyên tắc khi có sự cố xảy ra phần bước sóng làm việc bị sự cố sẽ chuyển sang phần bảo vệ ở hướng ngược lại, do đó cần có chuyển đổi bước sóng. Tuy nhiên có thể tránh sử dụng
chuyển đổi bước sóng nhờ bố trí hai phần bước sóng dành cho làm việc và dự phòng của hai sợi bù nhau.
Ngoài ra vấn đề định cỡ cho mạng DPRing hoàn toàn giải được thông qua phương pháp tính đơn giản, bởi vì mỗi lưu lượng quang sẽ yêu cầu sử dụng một bước sóng trên mỗi chặng của Ring (cho kênh bảo vệ và làm việc). Vì vậy dễ dàng định tuyến và gán bước sóng cho DPRing trong trường hợp ma trận lưu lượng quang có bảo vệ hoàn toàn. Tuy nhiên, DPRing có thể tải các lưu lượng quang không có bảo vệ, những lưu lượng này sẽ làm cho phức tạp hơn khi định cỡ các DPRing. Đối với trường này bài toán quay về giải bài toán SPRing. Do vậy trong phần này chỉ cần tập trung về định cỡ SPRing.
3.3.1.2.1. Định tuyến trong mạng RING đơn
Trong phần này sẽ giới thiệu một số thuật toán có thể được áp dụng trong giai đoạn định tuyến. Việc áp dụng từng thuật toán cụ thể phụ thuộc vào mục đích của công việc cần giải quyết.
Nhiệm vụ của bước này cần xác 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 kết quả gần hoặc tối bằng thuật toán di truyền (Genetic), Heuristic hoặc sử dụng thuật toán tối ưu để xác định hướng tuyến của mỗi luồng lưu lượng.
Có hai phương pháp phổ biến được sử dụng để định tuyến lưu lượng cho SPRing đó là :
• Các phương pháp tối ưu • Các phương pháp Heuristic
− Heuristic thích nghi
− Heuristic không thích nghi a. Các phương pháp định tuyến tối ưu
Rất nhiều nhà nghiên cứu trước đã đề xuất vài phương phấp định tuyến tối ưu cho mạng SPRing. Ý tưởng cơ bản của phưong 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 giải vấn đề định tuyến 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.
b. Các phương pháp định tuyến Heuristic
Mặc dù bài toán định tuyến trên SPRing hoàn toàn có thể bằng một trong các thuật toán tối ưu ở trên, tuy nhiên một số thuật toán Heuristic cũng được sử dụng. Tại sao những nhà lập kế hoạch lại thích dùng thuật toán Heuristic thay cho cách tiếp cận tối ưu để định cỡ SPRing ? đó là vì :
− Những thuật toán này đơn giản hơn loại tối ưu mà vẫn cho kết quả tối ưu hoặc gần như tối ưu trong hầu hết các trường hợp.
− Các thuật toán này dễ dàng hơn cho việc duy trì liên tục giữa các quá trình lập qui hoạch và thiết lập luồng khai thác.
Các phương pháp Heuristic có thể được đưa vào hai nhóm, thích nghi và không thích nghi.
Các phương pháp Heuristic không thích nghi
Các thuật toán loại này tuân theo những qui tắc đơn giản và cố định khi quyết định hướng định tuyến theo từng lưu lượng một. Chúng được gọi là “không thích nghi” là vì các qui tắc định tuyến không thay đổi trong toàn bộ quá trình định tuyến. Có 3 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 ít nhất.
+ Luôn luôn định tuyến lưu lượng theo hướng có tải ít nhất
Hình 30 : Nguyên tắc định tuyến theo số chặng nhỏ nhất
Hai nguyên tắc đầu tương tự nhau: mỗi lưu lượng quang hai hướng giữa hai nút của Ring được định tuyến theo hướng hoặc là ngắn nhất hoặc là có số chặng ít nhất (hình 30). Ưu điểm chính của các nguyên tắc này là tính đơn giản. Ngoài ra chúng cũng có kết quả tốt, trong trường hợp ma trận lưu lượng quang đối xứng đều bởi vì trong trường hợp này chúng cho phép có được sự cân bằng tải tối ưu trên Ring.
Trong trường hợp Ring có số nút lẻ thì có thể xảy ra số chặng giữa hai nút là 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 có ngẫu nhiên hoặc theo hướng định trước hoặc là định tuyến theo hướng có các chặng có tải ít hơn. Một cách khác nữa đó là định tuyến lưu lượng theo một hướng như hình 30 đối với cặp nút B và D. Cách này làm giảm yêu cầu về tài nguyên khi so với thuật toán trước, bởi vì nó có xu hướng tăng sự cân bằng tải trên vòng Ring.
Mặc dù nguyên tắc tối thiểu khoảng cách/ chặng rất phù hợp đối với ma trận lưu lượng quang có dạng lưới 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 tải lớn trên Ring và khi đó cần thêm các tuyến phụ
Hình 31 : Nguyên tắc định tuyến chặng nhỏ nhất có sửa đổi Nguyên tắc tải tối thiểu:
• Mỗi lưu lượng luồng được định tuyến theo hướng có tải nhỏ nhất (tức là trên hướng có các chặng 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
Hình 32 : Nguyên tắc tải tối thiểu với các lưu lượng theo thứ tự A-C,E-D,B-C Hình 32 chỉ ra định tuyến lưu lượng quang theo nguyên tắc tải tối thiểu. Nguyên tắc này luôn luôn cố gắng giữ cân bằng tải trên Ring. Ví dụ, nếu định tuyến theo nguyên tắc tải tối thiểu với 3 lưu lượng quang theo thứ tự A-C, E-D