c. Kết cấu OXC dựa vào chuyển mạch chia bước súng
2.2 Topo vật lý
Đặc điểm của topo vật lý đúng vai trũ chủ yếu là hoạt động kết nối sợi ở thiết bị đầu cuối là hiệu suất chủ yếu của mạng. Chỳng ảnh hưởng nhiều đến chất lượng tớn hiệu quang, hiệu suất quang, lưu lượng đưa vào lớn nhất và khả năng tồn tại của mạng.
Biểu đồ đường kớnh D đưa ra khoảng cỏch giữa hai node mạng (bước nhảy quang). Bởi vỡ đường dẫn quang càng dài thỡ chất lượng tớn hiệu càng xấu, mạng sẽ nghẽn. Như vậy topo tốt cú thể thực hiện với độ dày đặc, trong hướng này sẽ cú bậc cao (số của node), và đường kớnh nhỏ. Giới hạn lớn nhất của biểu đồ Moore đưa ra NMoore (Δ, D) độΔ lớn của một biểu đồ và đường kớnh D.
NMoore(Δ,D) = 1+Δ 1 0 − = ∑ D i (Δ-1)i = 2 2 ) 1 ( − Δ − − Δ Δ D , Δ >2 (2.1) Biểu đồ này đạt được giới hạn đú nhận biết qua biểu đồ Moore. Cú một số vụ hạn của đường kớnh 1 của biểu đồ Moore. Ngoài ra biểu đồ Moore của độ 2 và tồn tại của mọi đường kớnh . Tuy nhiờn biểu đồ Moore đường kớnh nhỏđạt tới điểm rất hiếm tăng thờm.Với D=2 chỉ cú 1 biểu đồ Moore của độ 3. Biểu đồ Moore của dường kớnh 2 và 3 khụng thể tồn tại một vài độ khỏc được loại trừ ra một cỏch hợp lý Δ =57
Hỡnh 2.3 Biểu đồ 38 đỉnh
Mục đớch của topo vật lý là phỏc họa biểu diễn ước lượng nú là bản tin xúa bỏ tuỳ ý với cụng việc về topo này với độđối xứng cao.
2.3 Định tuyến và gỏn bước súng tĩnh
Trong phần này mụ tả bài toỏn thiết lập luồng quang tĩnh SLE. Trong bài toỏn SLE, cỏc yờu cầu luồng quang được biết trước và việc định tuyến và gỏn bước súng thực hiện ngoại tuyến (off-line). Đối tượng của hàm mục tiờu là tối
thiểu số bước súng cần thiết để thiết lập một tập cỏc bước súng nào đú cho một cấu hỡnh vật lý đưa ra. Bài toỏn thay thế bài toỏn tối thiểu số bước súng trong mạng là bài toỏn với mục tiờu là cực đại số cỏc kết nối cú thể được thiết lập (tối thiểu tắc nghẽn) cho một số cỏc bước súng và cỏc yờu cầu kết nối đưa ra.
Với bài toỏn SLE với điều kiện ràng buộc bước súng liờn tục cú thểđược ỏp dụng như quy hoạch tuyến tớnh nguyờn (ILP– Integer Linear Program) trong đú hàm mục tiờu là tối thiểu lưu lượng trờn mỗi liờn kết, lần lượt nú tương ứng với tối thiểu số cỏc luồng quang qua từng liờn kết riờng biệt. Bõy giờ xõy dựng bài toỏn SLE.
- Đặt λsdw biểu diễn lưu lượng (số cỏc yờu cầu kết nối) từ nguồn s đến đớch d trờn bất kỳ bước súng w nào. Ta giả sử rằng hai hoặc nhiều hơn cỏc luồng quang cú thểđược thiết lập giữa cặp cựng nguồn- đớch nếu cần, nhưng mỗi chỳng phải dựng một bước súng riờng biệt; do đú λsdw ≤ 1.
- Đặt sdw ij
F biểu diễn lưu lượng (số cỏc yờu cầu kết nối) từ nguồn s đến đớch
d trờn liờn kết ij và bước súng w. sdw ≤1
ij
F khi một bước súng trờn một liờn kết cú thểđược gỏn chỉ cho một tuyến.
Dựa vào cấu hỡnh mạng vật lý, một tập cỏc luồng quang và ma trận lưu lượng Λ trong đú Λsd biểu diễn số cỏc kết nối cần thiết giữa nguồn s và đớch d, bài toỏn được xõy dựng như sa
MinimizeFmax (2.2) Nghĩa là: F F i j w d s sdw ij , max , , ∀ ≥ ∑ (2.3) ≠ = = ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧− = −∑ ∑ d j j s F F sdw sdw k sdw jk i sdw ij 0 λ λ (2.4) ∑λsdw =Λsd (2.5) sdw ij F = 0, 1 (2.6) ∑ sdw ≤1 ij F (2.7)
Cỏch tiếp cận như trờn cũng cú thể sử dụng đạt được tối thiểu số bước súng yờu cầu cho một tập cỏc yờu cầu kết nối bằng cỏch thực hiện một thuật tỡm kiếm để đạt được số tối thiểu cỏc bước súng trong mạng. Với một số bước súng đó biết, cú thể ỏp dụng bài toỏn quy hoạch ILP để biết nếu cú một lời giải. Nếu
lời giải khụng tỡm ra thỡ khi đú số cỏc bước súng lớn hơn được thử. Quy trỡnh này được lặp đi lặp lại cho đến khi đạt được số cỏc bước súng nhỏ nhất.
Với bài toỏn cực đại số cỏc kết nối được thiết lập cho số cỏc bước súng cố định và tập cỏc yờu cầu kết nối đưa ra cũng cú thểđược xõy dựng như bài toỏn quy hoạch ILP:
Cỏc tham sốđược xõy dựng như sau: • Nsd: Số cỏc cặp nguồn-đớch • L: Số cỏc liờn kết
• W: Số cỏc bước súng trờn một liờn kết
• m = { mi}, i = 1, 2,...Nsd: Số cỏc kết nối thiết lập cho cặp nguồn - đớch thứ i. • ρ : Tải yờu cầu (tổng số cỏc yờu cầu kết nối được định tuyến)
• q: = { qi}, i = 1, 2,...Nsd: Phần chia của tải đến cho cặp nguồn đớch i (như vậy qi ρ = số cỏc kết nối được thiết lập cho cặp nguồn-đớch i).
• P: Tập cỏc luồng trờn một kết nối nào đú cú thểđược định tuyến
• A= (aij): ma trận P ì Nsd trong đú aij = 1 nếu luồng quang i giữa cặp nguồn-đớch j, và khỏc đi aij=0.
• B= (bij): ma trận P ì L, trong đú bij = 1 nếu liờn kết j là trờn luồng i, khỏc đi bij = 0.
• C= (Cij): ma trận định tuyến và gỏn bước súng P ì W, như vậy cij = 1 nếu bước súng j được gỏn tới luồng i, trường hợp khỏc cij = 0.
Hàm mục tiờu của bài toỏn định tuyến và gỏn bước súng xõy dựng ở đõy là cực đại số cỏc kết nối thiết lập, C0(ρ, q). Cụng thức quy hoạch ILP được xõy dựng như sau: Maximize C0 (ρ, q) =∑ = sd N i i m 1 (2.8) Điều kiện ràng buộc
mi≥ 0 nguyờn, i = 1,2,...., Nsd (2.9)
cij ∈ {0,1} i= 1,2,...,P, j=1,2,...,W (2.10) CTB ≤ 1Wì L (2.11)
m≤ 1W CTA (2.12)
mi ≤ qiρ , i = 1,2,...., Nsd (2.13) Phương trỡnh (2.7) đưa ra tổng số cỏc kết nối thiết lập trong mạng.
Phương trỡnh (2.10) đặc trưng cho một bước súng cú thể được sử dụng nhiều nhất một lần trờn một liờn kết đưa ra, trong đú 1W ì L là ma trận W ì L mà cỏc phần tử là đơn vị.
Phương trỡnh (2.11) và (2.12) đảm bảo rằng số cỏc kết nối thiết lập nhỏ hơn số cỏc kết nối yờu cầu trong đú 1w là ma trận 1 ì W trong đú cỏc phần tử là đơn vị.
2.4 Định tuyến và gỏn bước súng với bộ chuyển đổi bước súng
Trong mạng định tuyến ghộp bước súng WDM, điều kiện ràng buộc bước súng liờn tục cú thể được loại ra nếu cú thể sử dụng bộ chuyển đổi bước súng (Wavelength Converter – WC) để chuyển đổi số liệu đến trờn một bước súng ở một liờn kết thành bước súng khỏc tại một nỳt trung gian trước khi truyền nú tới liờn kết tiếp theo. Cỏc mạng định tuyến bước súng với khả năng này được gọi là cỏc mạng hoỏn đổi bước súng. Nếu một bộ chuyển đổi bước súng cung cấp khả năng để chuyển đổi bất cứ bước súng nào thành bất cứ bước súng khỏc gọi là cú dải chuyển đổi đầy đủ, và nếu cú một bộ chuyển đổi bước súng cho mỗi liờn kết sợi quang trong mỗi nỳt của mạng, khi đú mạng được gọi là cú khả năng chuyển đổi bước súng đầy đủ. Một mạng hoỏn đổi bước súng với khả năng chuyển đổi bước súng đầy đủ tại mỗi nỳt là tương tương với một mạng điện thoại chuyển mạch kờnh; như vậy khi đú chỉ cũn tớnh bài toỏn định tuyến.
Chỳ ý rằng một luồng quang đơn trong một mạng hoỏn đổi bước súng cú thể sử dụng một bước súng khỏc dọc theo mỗi kiờn kết trong cỏc luồng của nú. Như vậy việc chuyển đổi bước súng cú thể cải thiện hiệu suất trong mạng do nú giải quyết được cỏc xung đột cỏc luồng quang. Thụng thường với một kế hoạch định tuyến, việc chuyển đổi bước súng cung cấp một giới hạn xỏc suất nghẽn cú thể đạt được thấp cho bài toỏn gỏn bước súng. Sau đõy xõy dựng bài toỏn RWA cú sử dụng chuyển đổi bước súng:
Đặt λsdlà lưu lượng từ bất kỳ nguồn s nào đến bất kỳ đớch d nào (số cỏc yờu cầu kết nối).
Đặt sd ij
F là lưu lượng từ nguồn s đến đớch d trờn liờn kết ij.
Cụng thức tớnh cho bài toỏn RWA cú chuyển đổi bước súng nghĩa là khụng cú điều kiện ràng buộc bước súng được xõy dụng là:
Minimize Fmax
∑ ∀ ≥ d s sd ij ij F F , max (2.14) ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ ≠ = = − = −∑ ∑ 0 j d j s F F sd sd k sd jk i sd ij λ λ (2.15) Trong nhiều trường hợp, chuyển đổi bước súng đầy đủ trong mạng khụng thể thực hiện và thực tế cũng khụng cần thiết do chi phớ cao. Nú cú thể hoặc là một tập con cỏc nỳt cho phộp chuyển đổi bước súng (một bộ chuyển đổi bước súng được dựng chung trờn nhiều liờn kết sợi) hoặc là nỳt dựng cỏc bộ chuyển đổi mà nú chỉ cú thể chuyển đổi một dải giới hạn cỏc bước súng. Cỏc bộ chuyển đổi bước súng cú thể sử dụng trong mạng theo 3 hỡnh thức sau:
1. Các bộ chuyển đổi b−ớc sóng đặt rải rác trong mạng: Khi cỏc bộ chuyển đổi bước súng cũn đắt, về mặt kinh tế nú khụng thể trang bị ở tất cả cỏc nỳt trong mạng WDM. Do đú cú thểđặt bộ chuyển đổi rải rỏc (chỉ cú một số nỳt chuyển mạch trong mạng cú thể chuyển đổi).
2. Dùng chung các bộ chuyển đổi: Ngay cả trong số cỏc chuyển mạch cú khả năng chuyển đổi bước súng, nú khụng thể chi phớ hiệu quảđể thiết lập tất cả cỏc cổng lối ra của một chuyển mạch với khả năng này. Việc thiết kế kiến trỳc nỳt chuyển mạch đó được đưa ra nú cho phộp dựng chung cỏc bộ chuyển đổi bước súng theo cỏc tớn hiệu khỏc nhau tại một chuyển mạch. 3. Chuyển đổi b−ớc sóng giới hạn: Các bộ chuyển đổi b−ớc sóng toàn quang
dựa trên trộn 4 sóng chỉ cung cấp một dải giới hạn khả năng chuyển đổi b−ớc sóng. Nếu dải đ−ợc giới hạn tới k, thì một đầu vào b−ớc sóng λ1 chỉ có thể đ−ợc chuyển đổi từ b−ớc sóng λmax(1−k w), đến λmax(1+k w), trong đó w là số các b−ớc sóng trong hệ thống.
2.5 Định tuyến và gỏn bước súng động
Trong cỏc mạng định tuyến quang WDM trong mụi trường lưu lượng động, kỹ thuật gỏn bước súng yờu cầu để thiết lập và giải phúng cỏc kết nối quang. Khi cú một yờu cầu kết nối, kỹ thuật gỏn bước súng phải cú khả năng lựa chọn một tuyến, gỏn một bước súng cho kết nối và đặt cấu hỡnh cỏc chuyển mạch quang thớch hợp trong mạng.
Để giảm thiểu xỏc suất nghẽn, cú thể trang bị cho cỏc nỳt mạng với cỏc bộ chuyển đổi bước súng (Wavelength Converter) để giải quyết xung đột bước
súng. Đặc biệt, khi truyền tin gặp xung đột bước súng trờn một chặng, cú thể sử dụng một bộ WC để chuyển đổi bước súng của nú sang một bước súng khỏc.
Trong mạng WDM phải chịu thờm những ràng buộc trong việc gỏn bước súng, nếu một nỳt định tuyến được trang bị một bộ chuyển đổi bước súng, thỡ sau đú sự ràng buộc bước súng liờn tiếp mất đi và bài toỏn định tuyến giống với những mạng chuyển mạch kờnh thụng thường ở đú chỉ cú một hệ số giới hạn là số kờnh truyền khả thi trong mỗi liờn kết. Tuy nhiờn, nếu một luồng quang làm việc ở cựng một bước súng truy nhập tất cả cỏc tuyến sợi mà nú truyền, định tuyến và gỏn bước súng (RWA) phải đỏp ứng được điều kiện ràng buộc liờn tục bước súng. Sự ràng buộc này dẫn tới việc sử dụng khụng hiệu quả cỏc kờnh quang và dẫn đến làm tăng xỏc suất nghẽn. Vớ dụ, một yờu cầu cú thể phải loại bỏ mặc dự một tuyến đó cú nhưng với bước súng lại khụng khả thi trong tất cả cỏc liờn kết dọc theo đường của nú. Bởi vậy, bài toỏn RWA trở nờn cấp bỏch trong cỏc mạng định tuyến WDM ở đú mục tiờu là làm tối đa số lượng dữ liệu đưa vào bằng việc tối ưu húa cỏc luồng quang và cỏc bước súng được phõn bổ đểđưa ra một mụ hỡnh lưu lượng.
Cỏc thuật toỏn RWA động được đặc trưng bởi một số tham số và thước đo điển hỡnh phự hợp với mụi trường lưu lượng động. Trong đú cỏc yờu cầu kết nối đến và đi khỏi mạng xuất hiện từng yờu cầu một, theo một cỏch ngẫu nhiờn. Thước đo đặc tớnh được sử dụng thường rơi và một trong 3 loại sau đõy:
+ Số bước súng yờu cầu;
+ Xỏc suất tắc nghẽn kết nối (số lượng lưu lượng đưa vào) được tớnh bằng tỷ số giữa những kết nối bị tắc nghẽn một trờn tổng số cỏc kết nối đến hoặc đi;
+ Số lượng cỏc tài nguyờn sợi quang được nắm giữ tại cỏc nỳt định tuyến (chi phớ sợi quang).
Trong trường hợp lưu lượng động, mục tiờu là thiết lập cỏc luồng quang và gỏn cỏc bước súng theo cỏch tối thiểu tắc nghẽn kết nối, hoặc làm cho số kết nối được thiết lập trong mạng là lớn nhất tại mọi thời điểm. Đõy là bài toỏn thiết lập luồng quang động (DLE - Dynamic Lightpath Establishment). Một số phương phỏp heuristic điển hỡnh được đề xuất cho bài toỏn này là: Thuật toỏn gỏn bước súng ngẫu nhiờn (Random), thuật toỏn gỏn bước súng theo thứ tự bước súng (FF - First Fit), thuật toỏn gỏn bước súng theo chiều dài luồng quang cũn lại đầu tiờn dài nhất (LF - Longest First), thuật toỏn gỏn bước súng dựa trờn bước súng sử dụng ớt nhất (LU - Least used), thuật toỏn gỏn bước súng theo số
bước súng sử dụng nhiều nhất (MU - Most Used), thuật toỏn gỏn bước súng theo tớch số nhỏ nhất (MP - Min-Product), thuật toỏn gỏn bước súng dựa trờn tải ớt nhất (LL - Least Loaded), thuật toỏn gỏn bước súng dựa trờn tổng dung lượng lớn nhất (M∑ - Max-Sum), thuật toỏn gỏn bước súng dựa trờn tổn thất dung lượng tương đối (RCL - Relative Capacity Loss), gỏn bước súng đặt trước (Rsv- Wavelength Reservation), gỏn bước súng dựa trờn ngưỡng bảo vệ (Thr - Protecting Threshold).
Chương III
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH TUYẾN VÀ GÁN BƯỚC SểNG TRONG MẠNG QUANG WDM
3.1 Phương phỏp định tuyến
Phương phỏp định tuyến núi chung cú thể phõn làm 2 loại cốđịnh và thớch nghi cú sử dụng thụng tin trạng thỏi mạng lưới dưới dạng toàn cục hoặc cục bộ. Sau đõy sẽ giới thiệu một số tiếp cận điển hỡnh giải bài toỏn định tuyến trong mạng WDM và kỹ thuật tớnh hàm trọng thớch nghi được sử dụng trong cỏc thuật toỏn định tuyến.
3.1.1 Phương phỏp định tuyến trong mạng MESH
3.1.1.1 Định tuyến cốđịnh
Cỏch tiếp cận đơn giản để định tuyến một kết nối là luụn lựa chọn một tuyến cố định như nhau cho một cặp nguồn đớch. Một vớ dụ điển hỡnh của cỏch tiếp cận này là định tuyến đường ngắn nhất cố định. Đường ngắn nhất tớnh cho mỗi cặp nguồn đớch được tớnh trước (ofline) sử dụng thuật toỏn đường ngắn chuẩn như Dijkstra hoặc Bell-Ford. Do đú nỳt mạng khụng cần thiết lưu giữ toàn bộ trạng thỏi mạng. Bất kỳ kết nối nào giữa cỏc cặp nỳt riờng được thiết lập sử dụng tuyến được xỏc định trước. Trong hỡnh 3.1 đường ngắn nhất cốđịnh minh hoạ từ nỳt 0 đến nỳt 2.
Hỡnh 3.1 Đường ngắn nhất cố định
Cỏch tiếp cận để thiết lập cỏc kết nối này rất đơn giản, tuy nhiờn sự bất lợi của cỏch tiếp cận này là nếu tài nguyờn (bước súng) dọc theo cỏc đường bị nghẽn, cú thể cú khả năng dẫn đến xỏc xuất nghẽn cao trong trường hợp lưu
0
1 2
3
lượng động hoặc dẫn đến cần một số lượng lớn cỏc bước súng sử dụng trong trường hợp lưu lượng tĩnh. Định tuyến cố định cũng khụng thể điều khiển cỏc tỡnh huống cú sự cố trong một hay nhiều tuyến sợi nào đú trong mạng. Để điều khiển cỏc sự cố tuyến sợi, việc tổ chức định tuyến lại hay phải xem xột cỏc đường lựa chọn tới đớch hoặc phải cú khả năng tỡm thấy một tuyến động. Trong
hỡnh3.1 một yờu cầu kết nối từ nỳt 0 đến nỳt 2 sẽ bị khoỏ nếu một bước súng chung khụng thể sử dụng trờn cả hai tuyến sợi trong tuyến cốđịnh.
3.1.1.2 Định tuyến luõn phiờn cốđịnh
Một cỏch tiếp cận để xem xột định tuyến đa đường là định tuyến luõn phiờn cố định. Trong định tuyến luõn phiờn cố định, mỗi nỳt trong mạng được