Doğa Esinli Algoritmalar Kullanarak Optik Wdm Ağlarda Hataya Bağışık Sanal Topoloji Tasarlama

Abstract

Günümüzde bilgisayar ağları hayatımızın önemli bir parçası ve ihtiyaç haline gelmiştir. İstediğimiz veriye, istediğimiz anda, daha hızlı, daha güvenli ve kesintisiz olarak erişme isteğimiz aslında ağ altyapısının nasıl tasarlanacağını belirlemektedir. Kullanıcıların istekleri sürekli artarken, teknolojik gelişmelerle birlikte yeni yöntem ve algoritmalarla bu istekleri karşılamanın yolları aranmaktadır. Ağdaki aktarım hızı, aktarım ortamından doğrudan etkilenmektedir; bugün uzak mesafelere en yüksek kapasiteli ve hızlı aktarımın yapılabileceği ortam ise fiberdir. Fiber optik ağlar, fiberin üstün özelliklerini (hız, düşük bit hata oranı, elektromanyetik ortamlardan etkilenmeme, düşük işaret zayıflaması, fiziksel dayanıklılık, ucuzluk, güvenlilik, vs.) en iyi kullanacak şekilde tasarlanan ağlardır. Günümüzde dünyadaki iletişim ağ altyapısı, omurga ağlardan erişim ağlarına kadar, hızla fiber optik ağlara dönüşmektedir. Optik ağların en önemli özelliklerinden biri veri aktarım hızıdır, tek bir fiberden teorik olarak 50 Tb/s veri aktarımı yapılabileceği hesaplanmaktadır. Bugün, lider iletişim firmaları 100 Gb/s ya da 1 Tb/s hızda veri aktarımı yapacak kanalllardan bahsedebiliyorsa, bu, fiziksel altyapı optik bir omurgadan oluştuğu içindir. Dalgaboyu bölmeli çoğullama (WDM) teknolojisi sayesinde bir fiber üzerinde aynı anda kurulabilecek kanal sayısı, günümüz teknolojisiyle yüzler mertebesine çıkabilmektedir. Dalgaboyu bölmeli çoğullama teknolojisi ile, optik aktarım birbiriyle çakışmayan dalgaboyu bantlarına bölünür ve her bir dalgaboyu istenen hızda çalışan, ışıkyolu olarak adlandırılan, bir iletişim kanalını destekler. Böylece, yakın gelecek için öngörülen çok yüksek hızlara çıkmadan bile, bir fiberden herbiri birkaç on Gb/s hızda çalışan yüz dolayında ışıkyolu geçebilmektedir. Bu kadar yüksek hızlarda veri aktarımı, özellikle her bir fiberinde çok sayıda kanalın taşındığı omurga ağlarda bir konuya büyük önem kazandırmaktadır: Hataya bağışıklık. En sık rastlanan hata olan, bir fiberin, herhangi bir nedenle kesilmesi (çoğunlukla inşaat makineleri tarafından, ya da doğal afetlerce), fiber tamir edilene kadar, her saniyede birkaç terabitlik veri kaybı anlamına gelecektir. Örnek olarak 10 km uzunlukta bir fiberin kopma sıklığı 11 yılda birdir. Omurga ağlarda yüzlerce, bazen binlerce, kilometrelik fiberler döşendiği gözönüne alındığında, böyle bir hata durumu için tedbir alınmaması düşünülemez. Optik ağ üzerindeki herhangi bir fibere zarar gelmesi demek bu fiber üzerinden yönlendirilmiş olan tüm ışıkyollarının kopması demektir. Her bir ışıkyolu üzerinden yüksek miktarda (40 Gb/s) veri aktarımı yapıldığından, böyle bir zarar ciddi veri kayıplarına neden olabilir. Temel olarak fiber kopmasına karşı geliştirilen iki yaklaşım vardır. Birinci yaklaşımda fiber üzerinden geçen her bir bağlantının, yani ışıkyolunun, yedek yollarla korunmasıdır. İkinci yaklaşım ise, özellikle birçok internet uygulamasına da uygun ve yeterli olacak şekilde, ışıkyollarının oluşturduğu sanal topolojinin bağlı kalmasının sağlanmasıdır. Bu ikinci yaklaşımda herbir ışıkyoluna ayrı ayrı yedek koruma yollarının atanması yerine, sanal topolojinin korunması dikkate alınarak, üst katmanların (paket katmanları) koruma mekanizmalarının devreye girebilmesi için gereken minimum koşulların sağlanması amaçlanmaktadır. Birinci yaklaşım belirli düzeylerde garantili bir koruma sağlarken yüksek miktarda ağ kaynağının atıl durmasına neden olmakta, dolayısıyla bu kadar üst düzey koruma gerektirmeyen uygulamalar için pahalı bir çözüm sunmaktadır. Son yıllarda özellikle dikkat çeken ikinci yaklaşım ise, daha ekonomik bir yöntemle iletişimin kopmaması garantisini vermekte, ancak daha yavaş bir düzeltme sağlamaktadır. Günümüzde birçok uygulama bağlantı kopmadığı sürece paket katmanının, yeni yol bulma gibi hata düzeltme mekanizmalarının devreye girmesi için gerekli olan, dakikalar mertebesindeki gecikmelere toleranslıdır (web dolaşımı, dosya aktarımı, mesajlaşma, uzaktan erişim gibi). Bu yaklaşım ilkine göre daha az ağ kaynağının atıl kalmasına neden olarak kullanıcıya daha ekonomik hizmet verilmesini sağlayacaktır. Bu çalışmada üzerinde durduğumuz hataya bağışık sanal topoloji tasarımı problemi de bu ikinci yaklaşımı benimsemektedir. Hataya bağışık sanal topoloji tasarımı problemi kendi içinde dört alt probleme ayrılmaktadır: ışıkyollarının belirlenmesi (sanal topolojiyi oluşturma), bu ışıkyollarının herhangi bir fiber kopması durumunda bile sanal topolojinin bağlı kalmasını sağlayacak sekilde fiziksel topoloji üzerinde yönlendirilmesi, dalgaboyu atanması, ve paket trafiğinin yönlendirilmesi. Bu alt problemler ayrı ayrı çözülebilir. Ancak, bunlar bağımsız problemler değildir ve bunları tek tek çözmek elde edilen çözümün kalitesinin çok düşük olmasına neden olabilir. Bununla birlikte, hataya bağışık sanal topoloji tasarımı problemi NP-karmaşıktır. Karmaşıklığı nedeniyle bu problemin, gerçek boyutlu ağlar için, klasik optimizasyon teknikleriyle kabul edilebilir zamanda çözülmesi mümkün değildir. Bu çalışmada, fiziksel topolojinin ve düğümler arası paket trafiği yoğunluğunun bilindiği durumlar için, hataya bağışık sanal topoloji tasarımı problemi bütün halinde ele alınmaktadır. Tezin ilk aşamasında, hataya bağışık sanal topoloji tasarımı probleminin alt problemi olan hataya bağışık sanal topoloji yönlendirmesi problemi ele alınmıştır. Verilen bir sanal topoloji için en az kaynak kullanarak hataya bağışık yönlendirme yapmak için iki farklı doğa-esinli algoritma önerilmektedir: evrimsel algoritmalar ve karınca kolonisi optimizasyonu. Öncelikle önerilen algoritmaların problem için uygun parametre kümesi belirlenmiş, daha sonra, algoritmaların başarımını ölçmek için, deneysel sonuçlar tamsayı doğrusal programlama (ILP) ile elde edilen sonuçlarla karşılaştırılmışır. Sonuçlar göstermektedir ki; önerdiğimiz iki algoritma da, tamsayı doğrusal programlama ile uygun bir çözüm bulunamayan büyük ölçekli ağlar için dahi, problemi çözebilmektedir. Bunun yanında, doğa-esinli algoritmalar çok daha az CPU zamanı ve hafıza kullanmaktadır. Elde edilen çözüm kalitesi ve çözüm için kullanılan CPU zamanının kabul edilebilir düzeyde olması, her iki doğa-esinli algoritmanın da gerçek boyutlu ağlar için kullanılabileceğini doğrulamaktadır. İkinci aşamada, hataya bağışık sanal topoloji tasarımı problemini bir bütün halinde çözmek için dört farklı üst-sezgisel yöntem önerilmektedir. Önerilen üst-sezgisel yöntemler alt seviyedeki sezgiselleri seçme asamasında dört farklı yöntem kullanmaktadır: evrimsel algoritmalar, benzetimli tavlama, karınca kolonisi optimizasyonu ve uyarlamalı yinelenen yapıcı arama. Deneysel sonuçlar tüm üst-sezgisel yöntemlerin hataya bağışık sanal topoloji tasarımı problemini çözmede başarılı olduğunu göstermektedir. Ancak, karınca kolonisi optimizasyonu tabanlı üst-sezgisel diğerlerine göre daha üstün sonuçlar vermektedir. Işıkyolları üzerindeki trafik akışını dengelemek için, karınca kolonisi optimizasyonu tabanlı üst-sezgisele akış deviasyonu yöntemi de eklenmiştir. Literatürde hataya bağışık sanal topoloji tasarımı problemini ele alan tüm çalışmalar çift fiber kopması durumunu gözardı etmektedir. Bu çalışmada, önerdiğimiz üst-sezgisel yöntemin başarımını hem tek hem de çift fiber kopması durumları için değerlendirdik. Önerdiğimiz yöntem çoklu fiber kopması durumları için çok kolay şekilde adapte edilebilmektedir. Tek yapılması gereken hataya bağışıklık kontrolünü yapan yordamın değiştirilmesidir. Deneysel sonuçlar göstermiştir ki, önerdiğimiz karınca kolonisi optimizasyonu tabanlı üst-sezgisel hataya bağışık sanal topoloji tasarımı problemini hem tek hem de çift fiber kopması durumları için kabul edilebilir bir sürede çözebilmektedir. Üst-sezgisel yöntemlerin hataya bağışık sanal topoloji tasarımı çözmedeki başarımını değerlendirebilmek amacıyla, karınca kolonisi optimizasyonu tabanlı üst-sezgiselle elde edilen sonuçlar, literatürde bu problem için önerilmiş başka bir yöntemle karşılaştırılmıştır. Sonuçlar üst-sezgisel yöntemlerin, çok daha az CPU zamanı kullanarak, problem için daha kaliteli çözümler verdiğini göstermektedir.

Today, computer networking has become an integral part of our daily life. The steady increase in user demands of high speed and high bandwidth networks causes researchers to seek out new methods and algorithms to meet these demands. The transmission speed in the network is directly affected by the transmission medium. The most effective medium to transmit data is the fiber. Optical networks are designed for the best usage of the superior properties of the fiber, e.g. high speed, high bandwidth, low bit error rate, low attenuation, physical strength, cheapness, etc. The world's communication network infrastructure, from backbone networks to access networks, is consistently turning into optical networks. One of the most important properties of the optical networks is the data transmission rate (up to 50 Tb/s on a single fiber). Today, with the help of the wavelength division multiplexing (WDM) technology, hundreds of channels can be built on a single fiber. WDM is a technology in which the optical transmission is split into a number of non-overlapping wavelength bands, with each wavelength supporting a single communication channel operating at the desired rate. Since multiple WDM channels, also called lightpaths, can coexist on a single fiber, the huge fiber bandwidth can be utilized. Any damage to a physical link (fiber) on the network causes all the lightpaths routed through this link to be broken. Since huge data transmission (40 Gb/s) over each of these lightpaths is possible, such a damage results in a serious amount of data loss. Two different approaches can be used in order to avoid this situation: 1. Survivability on the physical layer, 2. Survivability on the virtual layer. The first approach is the problem of designing a backup link/path for each link/path of the optical layer. The second approach is the problem of designing the optical layer such that the optical layer remains connected in the event of a single or multiple link failure. While the first approach provides faster protection for time-critical applications (such as, IP phone, telemedicine) by reserving more resources, the second approach, i.e. the survivable virtual topology design, which has attracted a lot of attention in recent years, aims to protect connections using less resources. The problem that will be studied in this project is to develop methods for survivable virtual topology design, that enables effective usage of the resources. Survivable virtual topology design consists of four subproblems: determining a set of lightpaths (forming the virtual topology), routing these lightpaths on the physical topology (routing and wavelength assignment (RWA) problem), so that any single fiber cut does not disconnect the virtual topology (survivable virtual topology mapping), assigning wavelengths, and routing the packet traffic. Each of these subproblems can be solved separately. However, they are not independent problems and solving them one by one may degrade the quality of the final result considerably. Furthermore, the survivable virtual topology design is known to be NP-complete. Because of its complexity, it is not possible to solve the problem optimally in an acceptable amount of time using classical optimization techniques, for real-life sized networks. In this thesis, we solve the survivable virtual topology design problem as a whole, where the physical topology and the packet traffic intensities between nodes are given. In the first phase, we propose two different nature inspired heuristics to find a survivable mapping of a given virtual topology with minimum resource usage. Evolutionary algorithms and ant colony optimization algorithms are applied to the problem. To assess the performance of the proposed algorithms, we compare the experimental results with those obtained through integer linear programming. The results show that both of our algorithms can solve the problem even for large-scale network topologies for which a feasible solution cannot be found using integer linear programming. Moreover, the CPU time and the memory used by the nature inspired heuristics is much lower. In the second phase, we propose four different hyper-heuristic approaches to solve the survivable virtual topology design problem as a whole. Each hyper-heuristic approach is based on a different category of nature inspired heuristics: evolutionary algorithms, ant colony optimization, simulated annealing, and adaptive iterated constructive search. Experimental results show that, all proposed hyper-heuristic approaches are successful in designing survivable virtual topologies. Furthermore, the ant colony optimization based hyper-heuristic outperforms the others. To balance the traffic flow over lightpaths, we adapt a flow-deviation method to the ant colony optimization based hyper-heuristic approach. We explore the performance of our hyper-heuristic approach for both single and double-link failures. The proposed approach can be applied to the multiple-link failure problem instances by only changing the survivability control routine. The experimental results show that our approach can solve the problem for both single-link and double-link failures in a reasonable amount of time. To evaluate the quality of the HH approach solutions, we compare these results with the results obtained using tabu search approach. The results show that HH approach outperforms tabu search approach both in solution quality and CPU time.