Luận văn thạc sĩ định tuyến multicast trong mạng cáp quang

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu định tuyến multicast trong mạng cáp quang, tối ưu hiệu suất truyền dữ liệu và nâng cao chất lượng mạng.

• Tác giả: Bùi Thị Ngọc Tú
• Người hướng dẫn: TS. Lê Trọng Vĩnh
• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
• Chuyên ngành: Bảo đảm toán học cho máy tính và hệ thống tính toán
• Đề tài: Định Tuyến Multicast Trong Mạng Cáp Quang
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CÁM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG I: MẠNG CÁP QUANG – NỀN TẢNG CHO MẠNG THẾ HỆ MỚI
• 1.1. Công nghệ WDM
• 1.2. Kiến trúc mạng cáp quang
• 1.3. Các vấn đề trong mạng cáp quang
• 1.3.1. Các kiểu truyền thông trên mạng
• 1.3.2. Các yêu cầu truyền thông trên mạng
• 1.3.3. Định tuyến và gán bước sóng
• 1.3.3.1. Định tuyến
• 1.3.3.2. Gán bước sóng
• 1.3.4. Sự cần thiết của các thiết bị chuyển đổi bước sóng. Khả năng chịu lỗi
• 1.3.5. Sự công bằng
• 1.4. Mục tiêu và giới hạn của luận văn
• 2. CHƯƠNG II: ĐỊNH TUYẾN MULTICAST TRONG MẠNG CÁP QUANG
• 2.1. Các khái niệm và định nghĩa
• 2.2. Các cách tiếp cận giải bài toán
• 2.2.1. Thuật toán Member-Only
• 2.2.2. Những thiếu sót của thuật toán Member-Only
• 3. CHƯƠNG III: ÁP DỤNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN CHO ĐỊNH TUYẾN MULTICAST
• 3.1. Giải thuật di truyền
• 3.2. Ý tưởng của thuật toán di truyền
• 3.3. Các vấn đề cơ bản về thuật toán di truyền
• 3.4. Giải thuật di truyền giải bài toán
• 3.5. Các kết quả thực nghiệm và thảo luận
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về luận văn thạc sĩ định tuyến multicast trong mạng cáp quang

Luận văn thạc sĩ này tập trung vào việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp định tuyến multicast trong mạng cáp quang. Mạng cáp quang, với khả năng truyền tải dữ liệu tốc độ cao và độ tin cậy cao, đang trở thành nền tảng cho các ứng dụng truyền thông hiện đại. Định tuyến multicast là một thách thức lớn trong việc tối ưu hóa băng thông và giảm thiểu độ trễ trong mạng. Bài viết sẽ trình bày các khái niệm cơ bản về định tuyến multicast và tầm quan trọng của nó trong mạng cáp quang.

1.1. Định nghĩa và khái niệm về định tuyến multicast

Định tuyến multicast là quá trình gửi dữ liệu từ một nút nguồn đến nhiều nút đích cùng một lúc. Điều này khác với unicast, nơi dữ liệu chỉ được gửi đến một nút đích duy nhất. Trong mạng cáp quang, việc thiết lập các light-tree cho kết nối multicast là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất tối ưu và giảm thiểu tắc nghẽn.

1.2. Tầm quan trọng của mạng cáp quang trong định tuyến multicast

Mạng cáp quang cung cấp băng thông lớn và độ tin cậy cao, điều này rất cần thiết cho các ứng dụng yêu cầu truyền tải dữ liệu lớn như video trực tuyến và hội nghị truyền hình. Việc áp dụng định tuyến multicast trong mạng cáp quang giúp tiết kiệm băng thông và cải thiện hiệu suất truyền tải.

II. Các thách thức trong định tuyến multicast trong mạng cáp quang

Mặc dù mạng cáp quang mang lại nhiều lợi ích, nhưng việc định tuyến multicast vẫn gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như ràng buộc về bước sóng, tắc nghẽn mạng và khả năng chịu lỗi là những yếu tố cần được xem xét. Bài viết sẽ phân tích các thách thức này và đề xuất các giải pháp khả thi.

2.1. Ràng buộc về bước sóng trong mạng cáp quang

Trong mạng cáp quang, mỗi light-tree cần phải sử dụng cùng một bước sóng trên tất cả các liên kết. Điều này tạo ra ràng buộc về sự liên tục bước sóng, làm cho việc thiết lập light-tree cho kết nối multicast trở nên khó khăn hơn. Việc tìm kiếm các bước sóng khả dụng là một thách thức lớn.

2.2. Tắc nghẽn mạng và ảnh hưởng đến hiệu suất

Tắc nghẽn mạng có thể xảy ra khi nhiều yêu cầu multicast đồng thời được gửi đến cùng một nút. Điều này có thể dẫn đến việc giảm hiệu suất truyền tải và tăng độ trễ. Các thuật toán định tuyến cần phải được tối ưu hóa để giảm thiểu tình trạng này.

III. Phương pháp giải quyết bài toán định tuyến multicast

Để giải quyết bài toán định tuyến multicast trong mạng cáp quang, nhiều phương pháp đã được đề xuất. Các thuật toán heuristics và thuật toán di truyền là hai trong số những phương pháp hiệu quả nhất. Bài viết sẽ trình bày chi tiết về các phương pháp này và cách chúng có thể được áp dụng.

3.1. Thuật toán heuristics trong định tuyến multicast

Thuật toán heuristics thường được sử dụng để tìm kiếm các light-tree tối ưu cho kết nối multicast. Những thuật toán này giúp giảm thiểu thời gian tính toán và cải thiện hiệu suất mạng. Tuy nhiên, chúng có thể không đảm bảo tìm ra giải pháp tối ưu nhất.

3.2. Ứng dụng giải thuật di truyền trong định tuyến multicast

Giải thuật di truyền (GA) đã được chứng minh là một phương pháp hiệu quả trong việc giải quyết các bài toán tối ưu. Trong bối cảnh định tuyến multicast, GA có thể được sử dụng để tìm kiếm các light-tree tối ưu, giúp cải thiện hiệu suất mạng và giảm thiểu tắc nghẽn.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng các phương pháp định tuyến multicast trong mạng cáp quang có thể mang lại nhiều lợi ích. Các kết quả thực nghiệm cho thấy hiệu suất truyền tải được cải thiện đáng kể. Bài viết sẽ trình bày các kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn của các phương pháp này.

4.1. Kết quả thực nghiệm từ các phương pháp định tuyến

Các thử nghiệm cho thấy rằng việc sử dụng thuật toán di truyền trong định tuyến multicast giúp giảm thiểu độ trễ và tăng cường băng thông. Những kết quả này cho thấy tiềm năng lớn của các phương pháp này trong thực tế.

4.2. Ứng dụng trong các hệ thống mạng hiện đại

Các phương pháp định tuyến multicast có thể được áp dụng trong nhiều hệ thống mạng hiện đại, từ mạng viễn thông đến các ứng dụng truyền thông đa phương tiện. Việc tối ưu hóa định tuyến multicast sẽ giúp cải thiện trải nghiệm người dùng và tăng cường hiệu suất mạng.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của định tuyến multicast

Định tuyến multicast trong mạng cáp quang là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng với nhiều thách thức và cơ hội. Bài viết đã trình bày các vấn đề chính và các phương pháp giải quyết. Tương lai của định tuyến multicast hứa hẹn sẽ có nhiều tiến bộ với sự phát triển của công nghệ mạng.

5.1. Tóm tắt các vấn đề và giải pháp

Các vấn đề trong định tuyến multicast đã được phân tích và các giải pháp khả thi đã được đề xuất. Việc áp dụng các phương pháp này sẽ giúp cải thiện hiệu suất mạng cáp quang.

5.2. Triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu về định tuyến multicast sẽ tiếp tục phát triển với sự xuất hiện của các công nghệ mới. Các nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc tối ưu hóa hơn nữa các thuật toán và cải thiện khả năng chịu lỗi trong mạng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Mạng cáp quang hiện nay đóng vai trò nền tảng cho các mạng thế hệ mới với khả năng truyền tải dữ liệu tốc độ cao, băng thông lớn và tỉ lệ lỗi bit cực thấp. Theo ước tính, mạng cáp quang có thể truyền dữ liệu với tốc độ lên đến gần 50 Tb/s, trong khi chi phí sử dụng sợi quang chỉ khoảng 0.30 USD/yard, thấp hơn nhiều so với các công nghệ truyền thống. Tuy nhiên, việc định tuyến và gán bước sóng trong mạng cáp quang, đặc biệt là định tuyến multicast, vẫn là một bài toán phức tạp do các ràng buộc liên tục về bước sóng và khả năng phân chia ánh sáng hạn chế của các nút mạng.

Luận văn tập trung nghiên cứu bài toán định tuyến multicast trong mạng cáp quang với mục tiêu giảm thiểu xác suất tắc nghẽn mạng, nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên mạng. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các mạng cáp quang có khả năng phân chia bước sóng thưa, với các yêu cầu truyền thông multicast động tuân theo quá trình Poisson. Thời gian nghiên cứu dựa trên các mô phỏng với các topo mạng thực tế như NSF (14 nút, 21 liên kết) và EON (19 nút, 35 liên kết).

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất mạng cáp quang, góp phần nâng cao chất lượng dịch vụ truyền thông đa phương tiện, truyền hình trực tuyến và các ứng dụng yêu cầu băng thông lớn. Các chỉ số đánh giá chính bao gồm xác suất tắc nghẽn, số bước sóng sử dụng và khả năng phục vụ các nút đích trong yêu cầu multicast.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Mạng cáp quang và công nghệ WDM (Wavelength Division Multiplexing): WDM cho phép ghép nhiều kênh quang trên một sợi quang đơn mode, tăng dung lượng truyền tải mà không cần tăng tốc độ bit hay số lượng sợi. Công nghệ EDFA hỗ trợ khuếch đại đồng thời các bước sóng, giảm thiểu suy hao tín hiệu.

• Bài toán định tuyến và gán bước sóng (RWA) trong mạng quang: Đây là bài toán NP đầy đủ, thường được chia thành hai bài toán con: tìm đường đi (định tuyến) và gán bước sóng. Định tuyến multicast mở rộng bài toán unicast, yêu cầu xây dựng các cây multicast (light-tree hoặc light-forest) thỏa mãn ràng buộc bước sóng liên tục.

• Thuật toán Member-Only: Thuật toán heuristic dựa trên việc xây dựng cây multicast bằng cách mở rộng từ nút nguồn đến các nút đích theo thứ tự ưu tiên các nút MC (Multicast-Capable), VS (Virtual Source) và MI (Multicast-Incapable). Thuật toán này có ưu điểm về thời gian thực hiện nhưng tồn tại các hạn chế trong việc tối ưu hóa cây multicast.

• Giải thuật di truyền (Genetic Algorithm - GA): Thuật toán tiến hóa mô phỏng quá trình chọn lọc tự nhiên, lai ghép và đột biến để tìm lời giải tối ưu cho các bài toán tổ hợp phức tạp. GA được áp dụng để cải tiến bài toán định tuyến multicast, vượt qua các hạn chế của thuật toán Member-Only.

Các khái niệm chính bao gồm: nút MC, MI, VS; lightpath, light-tree, light-forest; ràng buộc liên tục bước sóng; hàm đo độ thích nghi trong GA; các thao tác lai ghép, đột biến và chọn lọc.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu chủ yếu là các mô hình mạng cáp quang thực tế (topo NSF và EON) cùng các yêu cầu truyền thông multicast được sinh ngẫu nhiên theo phân phối Poisson. Cỡ mẫu mô phỏng gồm 14 và 19 nút mạng với số lượng liên kết tương ứng 21 và 35.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Xây dựng và cải tiến thuật toán Member-Only dựa trên các ví dụ minh họa để nhận diện và khắc phục các hạn chế.

• Áp dụng giải thuật di truyền với biểu diễn cá thể là chuỗi các số nguyên tương ứng với các đường đi trong bảng định tuyến, sử dụng hàm đo độ thích nghi kết hợp giữa số bước sóng sử dụng và số nút đích không được phục vụ.

• So sánh hiệu năng thuật toán GA với thuật toán Member-Only qua các chỉ số xác suất tắc nghẽn, số bước sóng sử dụng và khả năng phục vụ nút đích.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng thời gian thực hiện mô phỏng và phân tích kết quả trên các topo mạng, với các bước chính: xây dựng mô hình, phát triển thuật toán, thực hiện mô phỏng, phân tích và thảo luận kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả thuật toán cải tiến Member-Only: Qua các ví dụ minh họa, thuật toán cải tiến bằng cách xét lại thứ tự các nút đích gần cây multicast nhất và điều chỉnh ngưỡng tạo nhánh mới giúp giảm tổng giá trị cây multicast từ 13 xuống 12 trong một trường hợp cụ thể, tương đương giảm khoảng 7.7%. Tuy nhiên, thuật toán này vẫn chưa khắc phục hoàn toàn nhược điểm của phương pháp source-based.

2. Hiệu năng thuật toán di truyền (GA): Mô phỏng trên topo NSF và EON cho thấy GA giảm xác suất tắc nghẽn mạng đáng kể so với Member-Only, với mức giảm khoảng 15-20% khi tỷ lệ đến yêu cầu tăng. Số bước sóng sử dụng cũng được tối ưu hơn, giảm trung bình 10% so với thuật toán truyền thống.

3. Khả năng phục vụ nút đích: GA cải thiện tỷ lệ phục vụ các nút đích trong yêu cầu multicast, giảm số nút không được phục vụ (r(i)) xuống dưới 5% trong khi Member-Only có thể lên đến 12% trong các kịch bản tải cao.

4. Độ phức tạp và thời gian thực hiện: Thuật toán GA có độ phức tạp cao hơn, tuy nhiên với kích thước quần thể và số thế hệ hợp lý (ví dụ P=50, G=100), thời gian chạy vẫn nằm trong giới hạn chấp nhận được cho các ứng dụng thực tế.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện hiệu năng của GA là do khả năng tìm kiếm toàn cục và khai thác đa dạng các giải pháp, không bị giới hạn bởi các đường đi ngắn nhất cố định như trong Member-Only. Hàm đo độ thích nghi kết hợp giữa số bước sóng và số nút đích không được phục vụ giúp GA cân bằng tốt giữa chi phí tài nguyên và khả năng phục vụ.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả này phù hợp với báo cáo của ngành về hiệu quả của thuật toán tiến hóa trong các bài toán tối ưu mạng quang. Việc mô phỏng trên các topo mạng thực tế giúp đảm bảo tính ứng dụng và khả năng mở rộng của giải pháp.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh xác suất tắc nghẽn theo tỷ lệ đến yêu cầu, bảng so sánh số bước sóng sử dụng và tỷ lệ phục vụ nút đích giữa hai thuật toán, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả cải tiến.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai thuật toán di truyền trong hệ thống định tuyến mạng cáp quang: Động từ hành động: Áp dụng; Target metric: Giảm xác suất tắc nghẽn và tối ưu sử dụng bước sóng; Timeline: 6-12 tháng; Chủ thể thực hiện: Các nhà phát triển mạng và nhà cung cấp thiết bị mạng.

2. Tăng cường trang bị thiết bị chuyển đổi bước sóng tại các nút chiến lược: Động từ hành động: Đầu tư; Target metric: Giảm ràng buộc liên tục bước sóng, tăng khả năng phục vụ; Timeline: 12-24 tháng; Chủ thể thực hiện: Nhà mạng và các nhà đầu tư hạ tầng.

3. Phát triển phần mềm quản lý mạng tích hợp thuật toán GA: Động từ hành động: Phát triển; Target metric: Tự động hóa định tuyến multicast, nâng cao hiệu quả vận hành; Timeline: 9-15 tháng; Chủ thể thực hiện: Các công ty phần mềm và trung tâm nghiên cứu.

4. Đào tạo và nâng cao năng lực cho kỹ sư mạng về thuật toán tiến hóa và mạng quang: Động từ hành động: Tổ chức đào tạo; Target metric: Nâng cao chất lượng vận hành và bảo trì mạng; Timeline: liên tục; Chủ thể thực hiện: Các trường đại học, viện nghiên cứu và doanh nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành công nghệ thông tin, viễn thông: Giúp hiểu sâu về bài toán định tuyến multicast trong mạng cáp quang và ứng dụng thuật toán tiến hóa.

2. Kỹ sư và chuyên gia vận hành mạng cáp quang: Cung cấp giải pháp tối ưu hóa định tuyến và gán bước sóng, nâng cao hiệu quả mạng.

3. Nhà quản lý và hoạch định chính sách viễn thông: Hỗ trợ ra quyết định đầu tư hạ tầng mạng và phát triển công nghệ mới.

4. Các công ty phát triển phần mềm mạng và thiết bị viễn thông: Là cơ sở để phát triển các sản phẩm quản lý mạng tích hợp thuật toán tối ưu.

Mỗi nhóm đối tượng có thể áp dụng kiến thức từ luận văn để cải tiến công nghệ, nâng cao hiệu suất mạng và đáp ứng nhu cầu truyền thông đa phương tiện ngày càng tăng.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao định tuyến multicast trong mạng cáp quang lại phức tạp hơn unicast?
   Định tuyến multicast yêu cầu xây dựng cây multicast (light-tree) để truyền dữ liệu từ một nguồn đến nhiều đích, đồng thời phải tuân thủ ràng buộc liên tục bước sóng trên toàn bộ cây. Điều này làm tăng độ phức tạp so với unicast chỉ truyền giữa hai nút.

2. Giải thuật di truyền giúp gì trong bài toán định tuyến multicast?
   GA cung cấp khả năng tìm kiếm toàn cục, khai thác đa dạng các giải pháp và tối ưu đồng thời nhiều tiêu chí như số bước sóng sử dụng và khả năng phục vụ nút đích, giúp giảm xác suất tắc nghẽn và nâng cao hiệu quả mạng.

3. Các tham số chính trong thuật toán GA là gì và ảnh hưởng thế nào?
   Các tham số gồm kích thước quần thể (P), số thế hệ (G), xác suất lai ghép (pc) và xác suất đột biến (pm). Chúng ảnh hưởng đến khả năng hội tụ và đa dạng giải pháp; lựa chọn hợp lý giúp cân bằng giữa hiệu quả và thời gian tính toán.

4. Có thể áp dụng thuật toán GA cho các mạng lớn hơn không?
   Có thể, tuy nhiên cần điều chỉnh tham số và tối ưu hóa thuật toán để đảm bảo thời gian thực thi hợp lý. Ngoài ra, việc phân vùng mạng và xử lý song song có thể hỗ trợ mở rộng.

5. Làm thế nào để giảm thiểu xác suất tắc nghẽn trong mạng cáp quang?
   Ngoài việc tối ưu định tuyến và gán bước sóng bằng thuật toán GA, việc trang bị thiết bị chuyển đổi bước sóng, sử dụng các chiến lược định tuyến thích nghi và tăng cường khả năng phân chia ánh sáng cũng góp phần giảm tắc nghẽn.

Kết luận

• Mạng cáp quang với công nghệ WDM và EDFA là nền tảng quan trọng cho truyền thông băng thông cao, nhưng bài toán định tuyến multicast vẫn còn nhiều thách thức do ràng buộc bước sóng và khả năng phân chia ánh sáng hạn chế.

• Thuật toán Member-Only tuy đơn giản và hiệu quả về thời gian nhưng tồn tại các hạn chế trong tối ưu hóa cây multicast, dẫn đến sử dụng tài nguyên không hiệu quả.

• Giải thuật di truyền được áp dụng thành công để cải thiện hiệu quả định tuyến multicast, giảm xác suất tắc nghẽn và nâng cao khả năng phục vụ các nút đích.

• Kết quả mô phỏng trên các topo mạng thực tế cho thấy GA vượt trội hơn so với thuật toán truyền thống về nhiều chỉ số hiệu năng.

• Đề xuất triển khai thuật toán GA trong thực tế, kết hợp với đầu tư thiết bị chuyển đổi bước sóng và đào tạo nhân lực để nâng cao hiệu quả mạng cáp quang.

Tiếp theo, nghiên cứu có thể mở rộng áp dụng thuật toán GA cho các bài toán định tuyến đa lớp và tích hợp với các công nghệ mạng mới như mạng quang linh hoạt (elastic optical networks). Độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng và phát triển thêm các giải pháp tối ưu dựa trên nền tảng này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương I: MẠNG CÁP QUANG – NỀN TẢNG CHO MẠNG THẾ HỆ MỚI Mạng cáp quang hoạt động dựa trên hiện tượng phản xạ toàn phần trong sợi quang. Nó nhanh hơn mạng truyền thống vì dữ liệu được truyền qua sợi quang dưới dạng các photon, còn trong mạng truyền thống dữ liệu được truyền qua cáp đồng dưới dạng các electron. Photon có trọng lượng nhỏ hơn electron, và hơn nữa giữa các photon không có sự tương tác như giữa các electron. Mặt khác, ánh sáng có tần số cao hơn nên bước sóng cũng ngắn hơn, do đó với cùng chiều dài, cáp quang truyền được nhiều thông tin hơn cáp đồng.

Cùng với những đặc tính ưu việt như: cung cấp băng thông cực lớn, chi phí thấp, tỉ lệ lỗi bít cực thấp, độ nhiễu tín hiệu rất nhỏ, yêu cầu không gian nhỏ, khả năng bảo mật cao…, hiện nay mạng cáp quang đang là công nghệ hứa hẹn cho tương lai và được sử dụng rộng rãi trong mạng truyền thông backbone (mạng truyền thông đường trục) [1].1 Công nghệ WDM Theo lý thuyết, sợi quang có băng thông cực lớn (khoảng 25THz), gấp khoảng 1,000 lần so với băng thông tổng cộng của sóng radio trên các vệ tinh trái đất. Tuy nhiên do tốc độ truy cập mạng của người dùng bị giới hạn bởi tốc độ điện ở các nút mạng (vài Gb/s). Sự không tương đồng về băng thông giữa quang và điện này làm cho việc khai thác hết băng thông khổng lồ của một sợi cáp quang mà chỉ dùng một kênh truyền sóng là rất khó khăn. Rất may cho người sử dụng là công nghệ WDM (wavelength division multiplexing) cùng với EDFA (erbium doped fiber amplifer) ra đời đã giải quyết vấn đề này.

9 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] WDM là phương thức ghép kênh quang theo bước sóng. Thông thường trong tuyến thông tin quang điểm nối điểm, mỗi một sợi quang cho một tia laser với một bước sóng ánh sáng truyền qua, tại đầu thu, bộ tách sóng quang tương ứng sẽ nhận tín hiệu từ sợi này. Mỗi một sóng laser mang một số tín hiệu điện với một phổ nhất định. Từ những năm 1980, công nghệ sợi quang có nhiều tiến bộ nên phương thức ghép kênh quang theo bước sóng được ứng dụng trong mạng viễn thông đường trục và quốc tế.

Ở đây, WDM cho phép ta tăng dung lượng kênh mà không cần tăng tốc độ bit của đường truyền và cũng không dùng thêm sợi dẫn quang. Nó cho phép khai thác một cách đơn giản và kinh tế lượng thông tin vào một sợi quang đơn mode (sợi quang chỉ cho một chùm laser truyền qua lõi của nó, còn sợi quang đa chế độ thì cho nhiều chùm laser truyền qua lõi của nó dưới các góc khác nhau) trên cự ly dài và tăng độ mềm dẻo của cấu trúc phân phối. Những đường truyền dẫn thử nghiệm đã đạt được tốc độ lưu lượng 160Gbit/s phân phối trên 8 kênh ghép theo bước sóng. Hơn nữa, ghép theo WDM không chỉ giảm bớt ảnh hưởng của tán sắc mà còn chống được tổn hao do phân cực.

Các hệ thống thông tin quang hiện đại có sử dụng bộ khuếch đại quang để ghép nhiều kênh theo WDM. Nếu với lưu lượng là 2,5Gbit/s, ghép theo WDM từ 8 đến 16 luồng thì ta thực hiện được một đường thông tin quang với lưu lượng là 20Gbit/s đến 40Gbit/s trên một sợi đơn mode mà vẫn dùng lại được các thiết bị ghép kênh và phân kênh hiện có. Nói một cách khác, WDM cho phép tăng tích số lưu lượng nhân với cự ly trên một sợi quang.1 minh họa cấu hình của hệ thống WDM. Trong đó các tín hiệu quang từ các nguồn có các bước sóng khác nhau W0, W1, W2 và W3 được ghép lại nhờ bộ ghép kênh MUX.

Bộ ghép MUX phải đảm bảo ít suy hao và không cho sự xuyên nhiễu giữa các luồng. Các luồng tín hiệu sau khi ghép được truyền trên một sợi quang tới phía thu. Trên một tuyến đường có cự ly dài thì 10 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] chùm sóng quang được khuếch đại nhờ các bộ khuếch đại. Bộ chia luồng DEM tại đầu thu sẽ tách các sóng quang W0, W1, W2 và W3 và khôi phục lại tín hiệu điện tương ứng với từng bước sóng như phía phát.

W0 W0 Optical Optical Multiplexer Demultiplexer W1 W1 W0 W1 W2 W3 MUX Bộ khuếch đại DEM W2 Optical Fiber W2 W3 W3 Hình 1.1: Wavelength Division Multiplexing Kĩ thuật EDFA được sử dụng để điều chỉnh, khuếch đại đồng thời tất cả các bước sóng mà không phải quan tâm đến tỉ lệ bit của chúng. Trước khi kĩ thuật này ra đời, sự suy hao trong sợi quang sau khoảng 10km được bù đắp lại bởi một máy tái sinh. Khi đó các tín hiệu quang phải được chuyển đổi sang tín hiệu điện để xử lý rồi lại phải chuyển đổi ngược lại. Khó khăn chủ yếu là máy tái sinh chỉ làm việc được với một tỉ lệ bit cố định.

Bộ khuếch đại EDFA bao gồm một vài đồng hồ đo sợi quang và một máy lade dùng để khuếch đại các tín hiệu quang. 11 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.2 Kiến trúc mạng quang Một mạng cáp quang bao gồm các nút OCXs được kết nối với nhau bởi những liên kết điểm tới điểm theo một topo bất kỳ như hình 1. Mỗi nút cuối (liên kết với người dùng) kết nối tới một nút định tuyến thông qua một liên kết quang. Tập hợp những nút cuối gắn với một nút định tuyến tạo nên một nút mạng.

Mỗi nút có các đầu truyền và các đầu nhận tương ứng để gửi dữ liệu vào trong mạng và nhận dữ liệu từ mạng về. B C 1 OCX OCX 1 2 1 A OCX OCX F 1 2 OCX OCX 2 D E Hình 1.2: Kiến trúc mạng cáp quang Các thông điệp được gửi từ nút này đến nút khác thông qua một lightpath. Một lightpath là một đường dẫn quang được thiết lập giữa hai nút và ấn định cho các bước sóng trên toàn bộ đường dẫn quang đó. Trong trường hợp mạng không có sự biến đổi các bước sóng (wavelength conversion) thì các bước sóng trên toàn bộ các liên kết của đường dẫn được yêu cầu là giống nhau.

Điều này được biết đến như là ràng buộc về sự liên tục bước sóng (wavelength continuty constraint). Một điều hiển nhiên là hai lightpaths không được gán cùng một bước sóng trên cùng một liên kết (link). 12 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.3 Các vấn đề trong mạng cáp quang I.1 Các kiểu truyền thông trên mạng Cũng giống như trong các mạng truyền thống, các yêu cầu truyền thông giữa các nút trong mạng quang gồm các kiểu sau:  Unicast: Truyền thông loại này cho phép các gói tin được gửi từ một nút nguồn đến một nút đích. Một kết nối cho yêu cầu unicast cho phép thiết bị gửi dữ liệu đến một nơi nhận duy nhất  Broadcast: Các gói tin được gửi từ một nút (nút nguồn) đến tất cả các nút còn lại trong mạng.3: Broadcast  Multicast: Các gói được gửi từ một nút nguồn s đến một nhóm các nút đích D.4: Multicast Rõ ràng, định tuyến multicast là trường hợp tổng quát nhất: |D| = 1 sẽ tương ứng với unicast, |D| = n-1 (n là số nút mạng) tương ứng với broadcast.

13 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.2 Các yêu cầu truyền thông trên mạng Yêu cầu truyền thông trên mạng có hai dạng: Dạng tĩnh (static): Còn gọi là off-line, trong đó một tập các yêu cầu kết nối đã được biết trước và mục tiêu là thiết lập các kết nối để thỏa mãn yêu cầu này với chi phí thấp nhất. Vì bài toán là off-line, nên các thuật toán cho dạng này không quan tâm nhiều về thời gian thực hiện mà quan tâm nhiều đến độ chính xác. Dạng động (dynamic): Còn gọi là on-line, trong đó các yêu cầu kết nối đến và rời khỏi mạng một cách ngẫu nhiên nào đó. Do các yêu cầu là on-line, nên các thuật toán cho dạng này khác với dạng tĩnh là yêu cầu về thời gian thực hiện nhanh.3 Định tuyến và gán bước sóng Trong mạng cáp quang, một kết nối unicast (multicast) được thực hiện bởi một lightpath (light-forest).

Thuật toán để chọn tuyến (path hoặc tree) và gán bước sóng (wavelength) cho việc thiết lập các lightpath được gọi là thuật toán định tuyến và ấn định bước sóng RWA (MRWA). Bài toán RWA (MRWA) là bài toán NP đầy đủ nên thường được chia thành hai bài toán nhỏ và giải độc lập: định tuyến và gán bước sóng. Định tuyến Các chiến lược định tuyến thường được phân thành ba loại: định tuyến cố định, định tuyến thay thế cố định, định tuyến thích nghi.  Phương pháp định tuyến cố định ( fixed routing) Với chiến lược này, mỗi một yêu cầu kết nối unicast (mutlicast) một đường (một cây) cố định được dùng để thiết lập lightpath (light-tree)[1] cho chúng.

Có nghĩa là, khi yêu cầu kết nối đến, chúng ta chỉ tìm các bước sóng trên 14 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] đường hay cây này để thiết lập lightpath. Nếu tìm được bước sóng rỗi, kết nối được thiết lập (thiết lập được lightpath (light-tree)), ngược lại kết nối này bị block. Thông thường đường đi ngắn nhất giữa nút nguồn và đích (hoặc cây steiner-tree) được dùng làm đường (cây) cố định đó. Ưu điểm của chiến lược này là đơn giản, nhược điểm của nó là xác suất tắc nghẽn cao.

Ví dụ: Đường định tuyến cho kết nối unicast từ nút 0 đến nút 2 sẽ sử dụng đường đi ngắn nhất 0->1->2 như hình 1.5: Đường ngắn nhất cố định  Đinh ̣ tuyế n luân phiên cố đinh ̣ (fixed alternate routing) Để khắc phục nhược điểm của chiến lược định tuyến cố định, người ta thường dùng chiến lược định tuyến luân phiên cố định. Trong định tuyến luân phiên cố định, với mỗi một kết nối chúng ta không sử dụng một đường (một cây) cố định như trong định tuyến cố định mà dùng nhiều đường (cây) cố định để thiết lập lightpath cho chúng. Có nghĩa là khi yêu cầu kết nối đến, chúng ta có thể tìm các bước sóng trên tất cả các đường (cây) này để thiết lập lightpath (light-tree). Thông thường k đường đi ngắn nhất giữa nút nguồn và đích (tính offline theo thuật toán kshostest paths) được dùng làm các đường cố định đó.

Ví dụ: Với chiến lược định tuyến thay thế và k = 2, yêu cầu kết nối từ nút 0 đến nút 2 có thể sử dụng hai đường 0->1->2 và 0->5->4-> 2 như hình 1. 15 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.6: Mô tả tuyến kết nối chính( nét liền) và tuyến thay thế (nét đứt). Ưu điểm của chiến lược này là giảm được xác suất tắc nghẽn đáng kể so với chiến lược định tuyến cố định và cài đặt cũng khá đơn giản. Tuy nhiên, chiến lược này cũng chưa tốt bởi nó không quan tâm đến trạng thái hiện thời của mạng.