Joan Triay , Student Member, IEEE, and Cristina Cervell´o -Pastor

1. An Ant-Based Algorithm for Distributed Routing and Wavelength Assignment in Dynamic Optical Networks Joan Triay, Student Member, IEEE, and Cristina Cervell´o-Pastor 指導教授：郭文興 學生：黃仁襄

2. Abstract • 為了滿足頻寬需求，要提供更多活動、擴展性及自治性。 • 高度分散控制系統的設計和相關的演算法也是定址上的問題。 • 本篇提出利用蟻群優化演算法(ACO)，來解決在光學網路上路由和波長分配的問題。 • 主要優勢在它分散的性質，在網路失敗和流量阻塞下有高度存活性。

3. Outline • I. INTRODUCTION • II. BACKGROUND ON ACO ALGORITHMS FOR OPTICAL NETWORKS AND MOTIVATION • III. ANT COLONY ROUTING AND WAVELENGTH ASSIGNMENT FOR DYNAMIC OPTICAL NETWORKS • A. Pheromone trails: choosing the right information • B. Pheromone table • C. ACRWA algorithm • D. Initial wavelength assignment • E. State transition rule • F. Global updating rule

4. Outline • G. Local updating rule • IV. ALGORITHM IMPLEMENTATION FOR OBS • V. NUMERICAL RESULTS • A. Results on the fish-like network • B. Results on the NSFNET network • VI. CONCLUSION • REFERENCES

5. I. INTRODUCTION • 現在，在傳送資料之前，控制方會保留資源給此路徑上通訊方，即使沒有實際傳送資料也會。 • 此種沒效率的網路通常稱為Optical Circuit-Switched(OCS)。 • Optical Burst Switching (OBS)[1]和Optical PacketSwitching (OPS)[2]為提供多工能力的兩種技術。 • [1]：介紹OBS • [2]：OPS的概論 • OBS提供了波長和封包間的間隔，且它看作是OCS和OPS的中間步驟。

6. I. INTRODUCTION • 由於使用單方向訊號系統，以及缺乏有效和划算的緩衝架構，競爭就會發生，因此會產生大量的資料遺失。 • OBS和OPS跟OCS相比通道保留資源時間較短，因此網路變更動態及彈性。 • 路由和波長分配(RWA)是最具挑戰的。 • 為了使RWA避免或最小化資料遺失量以及最佳的使用網路資源，一些過去的方法使用中央化管理[3]。 • [3]：使用OBS網路架構的分析 • 一中央節點掌管並更新網路狀態，執行資源提供給其他節點，但此方法在高動態環境下顯得不實際。

7. I. INTRODUCTION • 本質上，Ant Colony Optimization(ACO)嘗試要模擬蟻群找食物的生物行為。 • 螞蟻一開始隨機漫遊，一旦找到食物，會照原路回蟻巢並遺留費洛蒙。 • 過段時間，費洛蒙蒸發會降低吸引力，與長路徑相比，短路徑更易增強費洛蒙濃度。 • 本篇貢獻： • (1)：將ACO應用在有波長限制的動態網路的RWA過程中 • (2)：擴展及適應ACO的路徑頻分方法，來有效選擇路徑。

8. II. BACKGROUND ON ACOALGORITHMS FOR OPTICALNETWORKS AND MOTIVATION • ACO演算法可以連續運行，對即時改變的適應良好。 • 已有一些基於蟻群的演算法被提出解決在WavelengthDivision Multiplexing (WDM)網路下的RWA[5][6]。 • [5, 6]：在WDM網路下的螞蟻演算法的介紹 • 到現在，只有[8]是跟OBS相關的螞蟻演算法。 • [8]：OBS下利用螞蟻驗算法的RWA • 首度利用正向及反向控制封包。 • 但此演算法用來尋找最佳路徑，沒考慮到波長選擇。 • 事實上，波長是隨機選擇，且作者假設每節點都有完全地波長轉換。

9. II. BACKGROUND ON ACOALGORITHMS FOR OPTICALNETWORKS AND MOTIVATION • 可歸納出兩個主要問題： • 當傳送數量大時，可能造成停滯 • 在不同源點及回饋封包間沒有實際聚集行為，因此使協定沒有任何分散方法的優勢。 • 多數引用的文章假設每節點波長轉換器(WC)的可用性，而不考慮成本。 • 缺乏WC會造成許多限制，所以新的資訊和演算法需要來計算往目的的下一hop。

10. III. ANT COLONY ROUTING ANDWAVELENGTHASSIGNMENT FOR DYNAMIC OPTICALNETWORKS • 本節提出的演算法，Ant Colony Routing andWavelength Assignment (ACRWA)會詳細介紹。 • 主要目的是運行全域性的光資源分配。 • ACRWA是根據Ant Colony System(ACS)演算法的[10]。 • [10]：提出ACS演算法

11. A. Pheromone trails: choosing the right information • 費洛蒙濃度τ： • 擁擠程度：用來測量競爭數量。 • 路徑長度：短路徑表示較少配置資源在訊號傳遞，就有更多資源給其他傳送。 • 可取值η：給螞蟻關於吸引力或可取性的啟發資訊 • f(x)：節點n到節點j最短路徑的長度

12. B. Pheromone table • 空間複雜度：O(V2W)

13. C. ACRWA algorithm • ACRWA協定由兩個演算法組成

14. C. ACRWA algorithm

15. C. ACRWA algorithm • 無向圖G=(V, E, W) • 整個複雜度為O(VW + 2V2)

16. D. Initial wavelength assignment • 當節點有新資料傳遞的詢問時，RWA就會執行。 • 目標不止計算可能的最佳出口，且選擇最佳波長。 • λ：波長 • μ：下一節點 • β：權重參數

17. E. State transition rule • 狀態轉換規則是根據ACO的規則，它是pseudo-random-proportional action rule[10]。 • r ～ U(0, 1)，r0∈ [0, 1]

18. E. State transition rule

19. F. Global updating rule • 全域性更新規則是由回饋螞蟻來執行。 • 回饋螞蟻沿正向螞蟻的路徑回到源點，並沿路更新。 • 與ACS相比，這邊所有的回饋螞蟻用來增強或減弱費洛蒙濃度。 • ρ1：蒸發參數

20. F. Global updating rule • ， • ：返回螞蟻到當前節點的路徑長度 • ：當前節點的最短路徑 • ω：衰弱常數

21. G. Local updating rule • 主要使隨後的螞蟻執行多樣化的搜尋，並有可能找到更佳的解。 • 本地更新只在成功交換後執行，且在將螞蟻往下傳送之前。 • α1：權重參數 • φ ：衰弱參數

22. IV. ALGORITHM IMPLEMENTATION FOR OBS • OBS是高度動態，由於每個burst做的保留，從不同來源的流量可分享通道大小。 • 在邊緣網路，將封包組裝成較大的資料單位，各種組裝方式都有可能，有基於時間或是大小的方式。 • burst的傳送的延遲由一補償時間而定，通常決定於burst路線長度。 • 這期間，burst控制封包(BCP)被傳送，並在中間點以電子形式被處理。

23. IV. ALGORITHM IMPLEMENTATION FOR OBS

24. IV. ALGORITHM IMPLEMENTATION FOR OBS • 當補償時間一過，burst隨即傳送和交換，不用確認資源是否被BCP保留。 • 目前OBS的螞蟻演算法，正向螞蟻加入了BCP，回饋螞蟻加入了新的確認控制封包(BCP-ACK)。 • BCP-ACK只用來確認burst的傳送是正還負。 • ACRWA中，下個burst傳送點的計算是一個hop接一個hop。

25. IV. ALGORITHM IMPLEMENTATION FOR OBS • 路徑可能比預期還長，很難計算最佳的補償時間，來減少端對端延遲以及避免burst遺失。 • 為有足夠時間交換，和控制保留資源，在每節點上即將來的burst會延遲，其方法為Fiber Delay Line(FDL) • 對於連結的評估，壅塞程度和burst的競爭次數，與波長的可得性相比來的較好。

26. V. NUMERICAL RESULTS

27. V. NUMERICAL RESULTS • 另三種RWA協定： • shortest path routing with random wavelength selection(SR) • random path routing and wavelength assignment(RR) • shortest path routing with first-fit Traffic Engineeringwavelengthselection(FFTE) • 波長傳送：10Gbps • 控制封包處理時間：10μs • 矩陣交換時間：5 μs • 最初的burst詢問時間：1 μs

28. V. NUMERICAL RESULTS • 平均封包大小：485bytes • Burst大小：100,000bytes • 將burst大小設小，網路運作在高動態的環境下，ACRWA的動態特性才會較詳細地評估。 • 魚狀網路用重複的方式收集結果，而NSFNET則用批量平均法。

29. A. Results on the fish-like network

30. A. Results on the fish-like network

31. A. Results on the fish-like network

32. B. Results on the NSFNET network

33. B. Results on the NSFNET network

34. VI. CONCLUSION • 未來光纖網路需要更動態、可擴展性、強健、自治性的能力。 • 本篇，ACRWA已成功改善在高動態下路由和波長過程的效能。 • 演算法考慮到路徑長和雍塞來更新費洛蒙路徑。 • 且ACRWA有許多參數，可依照不同情況來調整以達好的效能。

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