Nguyễn Khắc Ân - Khóa luận tốt nghiệp (1)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP
Đề tài

THUẬT TOÁN TỐI ƯU GIẢI BÀI TOÁN BẢO VỆ
TRONG MẠNG QUANG EON
G IẢN G VIÊN H Ư Ớ N G D ẪN :
SIN H VIÊN T H Ự C H IỆN :

T S . Đ Ỗ T R U N G KIÊN
N G U YỄN KH ẮC ÂN

Hà Nội, ngày 24 tháng 4 năm 2021


NỘI DUNG TRÌNH BÀY
1. Tổng quan về mạng quang và mạng quang EON

2. Bài toán bảo vệ trong mạng quang
3. Phương pháp đề xuất

4. Kết quả thực nghiệm
5. Kết luận và hướng phát triển

2


NỘI DUNG TRÌNH BÀY
1. Tổng quan về mạng quang và mạng quang EON

2. Bài toán bảo vệ trong mạng quang
3. Phương pháp đề xuất

4. Kết quả thực nghiệm
5. Kết luận và hướng phát triển

3


TỔNG QUAN VỀ MẠNG QUANG
❑ Mạng quang là gì ?
▪ Là mạng kết nối các máy tính, thiết bị mạng
với nhau bằng các sợi quang.

▪ Sợi quang về bản chất là sợi thủy tinh
trong suốt truyền tín hiệu dưới dạng ánh
sáng (tín hiệu quang).

Hình 1.1: Sợi cáp quang

4


TỔNG QUAN VỀ MẠNG QUANG
❑ Một số ưu điểm của mạng quang
▪ Tốc độ cao
▪ Truyền tín hiệu đi xa
▪ Suy hao tín hiệu thấp

▪ Khơng bị ảnh hưởng bởi điện từ trường
▪ Tiết kiệm năng lượng

Hình 1.2: Hệ thống mạng quang thế giới

=> Hiện tại, mạng quang vẫn đang là mạng xương sống trên thế giới

5


GIỚI THIỆU VỀ MẠNG QUANG EON
❑ Là công nghệ mạng quang mới
❑ Ưu điểm

▪ Truyền tải quang linh hoạt
▪ Sử dụng phổ tần hiệu quả.

▪ Hỗ trợ nhiều loại dịch vụ tốc độ cao
▪ Tiết kiệm băng thông
❑ Nhược điểm
▪ Khó khăn trong thiết kế mạng

Hình 1.3: Mạng quang EON

6


NỘI DUNG TRÌNH BÀY
1. Tổng quan về mạng quang và mạng quang EON

2. Bài toán bảo vệ trong mạng quang
3. Phương pháp đề xuất

4. Kết quả thực nghiệm
5. Kết luận và hướng phát triển

7


BẢO VỆ MẠNG
❑ Là một phương thức hồi phục mạng
▪ Sử dụng các tài nguyên bảo vệ được cấp phát trước.
▪ Truyền lưu lượng tải hoạt động trên kênh bị ảnh hưởng bởi sự cố.
▪ Đảm bảo khả năng duy trì của mạng.
Nguồn

Đích
Đường hoạt động
Đường bảo vệ

Hình 2.1. Bảo vệ đường đi trong cấu hình Mesh
8


BÀI TOÁN BẢO VỆ MẠNG QUANG WDM
❑ Đầu vào
▪

Đồ thị mạng WDM: G(V, A).

▪

Tập số lượng các yêu cầu cần bảo vệ R , mỗi yêu cầu r ∈ R đòi hỏi
lưu lượng trên mỗi liên kết sau khi định tuyến là lvu.

▪

Tập các bước sóng λ trong mạng WDM.

❑ Đầu ra
▪

Tập các đường bảo vệ cho các đường làm việc.

❑ Ràng buộc
▪

Hình 2.2. Bảo vệ trong mạng WDM

Đảm bảo tất cả các lưu lượng trong các liên kết đều được bảo vệ.

❑ Hàm mục tiêu
▪

Sử dụng tối thiểu băng thông trong mạng.

▪

Bảo vệ được tối đa các đường làm việc trong mạng WDM.
9

MỘT SỐ KỸ THUẬT BẢO VỆ MẠNG QUANG WDM
❑ Bảo vệ liên kết
▪ Bảo vệ liên kết bị lỗi trong mạng

❑ Bảo vệ đường đi

Hình 2.3. Bảo vệ liên kết

▪ Bảo vệ đường dẫn chứa liên kết bị lỗi trong mạng

❑ Bảo vệ p-cycle
▪ P-cycle sử dụng cấu trúc bảo vệ dạng vịng trịn

Hình 2.4. Bảo vệ đường đi

▪ Thời gian khơi phục ngắn
▪ Lưu lượng dự phịng được chia sẻ cao
Hình 2.5. Bảo vệ p-cycle
10


BÀI TOÁN BẢO VỆ MẠNG QUANG EON
❑ Đầu vào
▪ Đồ thị mạng EON: G(V, A)
▪ Tập số lượng các yêu cầu cần bảo vệ R , mỗi yêu cầu r ∈ R đòi hỏi lưu lượng trên mỗi liên kết
sau khi định tuyến là lvu.
▪ Tập hợp các số lượng phổ có sẵn kí hiệu là B.

❑ Dữ liệu đầu ra của bài toán
▪ Tập hợp các đường bảo vệ trong mạng.

11


BÀI TOÁN BẢO VỆ MẠNG QUANG EON
❑ Ràng buộc
▪ Số lượng phổ tối đa được sử dụng không được vượt quá |B|.

▪ Đảm bảo tính liên tục và tính liền kề của quang phổ.
▪ Phân bố các bộ điều chế một cách thích hợp.

▪ Đảm bảo tất cả lưu lượng trên các liên kết đều được bảo vệ.

❑ Hàm mục tiêu
▪ Tối thiểu hóa số lượng phổ sử dụng.
▪ Tối thiểu hóa mức tiêu thụ năng lượng trong các thiết bị của mạng.
12


NGHIÊN CỨU TRƯỚC ĐÂY
❑ Trong bài báo “Routing and Protection in Flexible Optical Networks” được
phát hành năm 2018, tác giả Min Ju đã đề xuất
Tập các cấu hình p-cycle
có thể trên đồ thị

▪ Bài toán mới với hàm mục tiêu tối thiểu
hóa năng lượng.
▪ Sử dụng mơ hình p-cycle để bảo vệ các

đường làm việc trong mạng EON
▪ Sử dụng phương pháp gần đúng để sinh

ra tập con các cấu hình p-cycle

Tập con các cấu hình p-cycle
sinh ra bằng phương pháp gần
đúng (thuật toán tham lam)

13


NỘI DUNG TRÌNH BÀY
1. Tổng quan về mạng quang và mạng quang EON

2. Bài toán bảo vệ trong mạng quang
3. Phương pháp đề xuất

4. Kết quả thực nghiệm
5. Kết luận và hướng phát triển

14


THUẬT TỐN SINH CỘT

Tập các cấu hình p-cycle
có thể trên đồ thị

Tập con các cấu hình p-cycle

sinh ra bởi phương pháp chính
xác (thuật tốn sinh cột)

Hình 3.1. Sơ đồ thuật toán sinh cột

15


BÀI TỐN CHÍNH (MP_EON)
❑ Mục tiêu
▪ Lựa chọn các p-cycle trong tập các p-cycle tiềm năng để bảo vệ các liên kết trong đồ thị mạng sao
cho tối thiểu hóa hàm mục tiêu

❑ Hàm mục tiêu

mức tiêu thụ năng lượng

số lượng phổ sử dụng

16


BÀI TỐN CHÍNH (MP_EON)
❑ Ràng buộc
▪ Ràng buộc (8) - (10) phân bổ thứ tự phổ cho mỗi p-cycle.

▪ Ràng buộc (11) xác định chỉ số tb – là số lượng tối đa các phổ được sử dụng
▪ Ràng buộc (12) - (14) đảm bảo tính liên tục quang phổ dọc theo các liên kết trong một p-cycle.

17

BÀI TỐN CHÍNH (MP_EON)
❑ Ràng buộc
▪ Ràng buộc (15) - (17) cho biết khả năng bảo vệ trên liên kết a của p-cycle i sử dụng bộ điều chế m

▪ Ràng buộc (18) đảm bảo lưu lượng tối đa của một BVT là 400 Gb/s
▪ Ràng buộc (19) đảm bảo tất cả lưu lượng trên các liên kết đều được bảo vệ.

18


BÀI TOÁN CON (PP_EON)
❑ Mục tiêu
▪ Sinh ra các cấu hình p-cycle tiềm năng trong mạng

❑ Hàm mục tiêu

19


BÀI TOÁN CON (PP_EON)
❑ Các ràng buộc
▪ Ràng buộc (21) – (25) sinh ra các cấu hình p-cycle tiềm năng.

20


BÀI TOÁN CON (PP_EON)
❑ Các ràng buộc

▪ Ràng buộc (26), (27) dùng để phân bố bộ điều chế thích hợp cho các p-cycle.

▪ Ràng buộc (28), (29) dùng để xác định xem liên kết nào được chu trình bảo vệ.

21


NỘI DUNG TRÌNH BÀY
1. Tổng quan về mạng quang và mạng quang EON

2. Bài toán bảo vệ trong mạng quang
3. Phương pháp đề xuất

4. Kết quả thực nghiệm
5. Kết luận và hướng phát triển

22


MẠNG VÀ TẬP DỮ LIỆU
❑ Mạng thực nghiệm
▪

Tiến hành thực nghiệm trên mạng thực tế NSFNET.

▪

Mạng NSFNET gồm 14 nút và 44 liên kết có hướng và có bậc trung bình tại mỗi đỉnh là 3.1.

▪

Số lượng yêu cầu cần bảo vệ được thực hiện lần lượt là 5 đến 44.

❑ Cách xây dựng bộ dữ liệu
▪

Xây dựng 10 bộ dữ liệu, bộ dữ liệu trước và sau
hơn kém nhau 2 đến 5 yêu cầu.

▪

Lưu lượng được bảo vệ trên mỗi liên kết được
sinh ngẫu nhiên trong khoảng [0, 50].
Hình 4.1 Mạng NSFNET
23


ĐÁNH GIÁ THỰC NGHIỆM
GAP

ZLP

Z*

ZILP

Trong đó:
Z*: Lời giải tối ưu của bài tốn
ZLP : Lời giải nới lỏng tuyến tính (cận dưới) của thuật toán
ZILP : Lời giải nguyên của thuật toán (lời giải nguyên)

GAP: Sai số giữa ZLP và ZILP , GAP = (ZILP – ZLP)/ ZLP

Hình 4.2. Kết quả thực nghiệm trên mạng NFSNET
24


NỘI DUNG TRÌNH BÀY
1. Tổng quan về mạng quang và mạng quang EON

2. Bài toán bảo vệ trong mạng quang EON
3. Phương pháp đề xuất

4. Kết quả thực nghiệm
5. Kết luận và hướng phát triển

25