Định tuyến NAN trong mạng chuyển mạch burst quang

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG






MAI TUẤN CƯỜNG



ĐỊNH TUYẾN NAN TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH BURST QUANG


Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: 60.52.70



TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI – NĂM 2013

Luận văn được hoàn thành tại:
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG


Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS BÙI TRUNG HIẾU


Phản biện 1: ……………………………………………………………………………

Phản biện 2: …………………………………………………………………………




Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu
chính Viễn thông
Vào lúc: giờ ngày tháng năm



Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

1

LỜI NÓI ĐẦU


Công nghệ viễn thông trong những năm gần đây đã và đang có những bước
phát triển rất mạnh mẽ để đáp ứng nhu cầu sử dụng ngày càng phong phú của người
dùng, đặc biệt là sự bùng nổ lưu lượng trong mạng Internet và mạng di động. Với đặc
tính truyền dẫn ưu việt, băng thông gần như vô hạn, giá thành rẻ, công nghệ truyền dẫn
quang nổi lên như là một công nghệ đầy tiềm năng cho mạng Internet thế hệ sau. Hầu
hết mạng lưới truyền dẫn trên thế thới cũng như ở Việt Nam hiện này đều đã được cáp
quang hóa. Tuy nhiên, việc sử dụng công nghệ chuyển mạch kênh như hiện tại cho
mạng truyền dẫn quang WDM bộc lộ nhược điểm về lãng phí băng thông. Do vậy, gần
đây chuyển mạch Burst quang đang nhận được nhiều sự quan tâm, với rất nhiều
nghiên cứu về khả năng áp dụng nó vào trong thực tế.
Một vấn đề quan trọng trong chuyển mạch Burst quang đó là giải quyết tranh
chấp tài nguyên giữa các Burst quang. Với yêu cầu truyền tải một lưu lượng lớn các
Burst với cơ sở hạ tầng phần cứng ở mức tối thiểu nhất thì phải có các giải pháp giải
quyết tranh chấp xung đột tài nguyên rất hiệu quả. Đã có rất nhiều các giải pháp giải
quyết tranh chấp được nghiên cứu và đưa ra trên thế giới. Trên cơ sở đó, luận văn này
sẽ đưa ra và trình bày một giải pháp giải quyết tranh chấp tài nguyên cho mạng chuyển
mạch Burst quang đó là “ Thuật toán định tuyến NAN (Next Available Neighbour)”.
Nội dung luận văn bao gồm 3 chương.
Chương 1: Tổng quan về chuyển mạch Burst quang. Chương này sẽ giới thiệu
những kiến thức cơ bản về chuyển mạch Burst quang.
Chương 2: Các cơ chế chống xung đột Burst quang. Chương này sẽ giới thiệu
các cơ chế giải quyết xung đột Burst quang đã được nghiên cứu và đề xuất.
Chương 3: Thuật toán định tuyến NAN trong chuyển mạch Burst quang.
Chương này sẽ đưa ra và trình bày về cơ chế sử dụng thuật toán định tuyến NAN để
giải quyết xung đột trong mạng chuyển mạch Burst quang.

2
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CHUYỂN MẠCH BURST QUANG
Chương này sẽ giới thiệu tổng quan mạng truyền dẫn quang, sự phát triển bùng
nổ của cáp quang trong viễn thông từ những tuyến truyền dẫn đơn lẻ thành một mạng
truyền dẫn quang và đang hướng tới một mạng toàn quang. Trong chương này cũng
giới thiệu về ba công nghệ chuyển mạch quang là chuyển mạch gói quang, chuyển
mạch kênh quang và sau đó đi sâu vào các đặc điểm, kiến trúc mạng của chuyển mạch
Burst quang.
1.1 Sự phát triển của mạng truyền dẫn quang
Như chúng ta đều biết công nghệ viễn thông đang thay đổi rất nhanh chóng
nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người.
Với băng thông gần như vô hạn, nguyên liệu chế tạo rẻ, đặc tính truyền dẫn
vượt trội, cáp quang đã nhanh chóng được sử dụng rộng khắp trên toàn thế giới không
chỉ ở mạng đường trục, mạng lõi mà cả mạng truy nhập.
Như vậy, nhu cầu về một hệ thống chuyển mạch quang để nâng cao tốc độ và
dung lượng chuyển mạch và hướng đến một mạng toàn quang là tất yếu nhằm đáp ứng
nhu cầu về băng thông ngày càng cao hiện nay.
1.2. Các công nghệ chuyển mạch quang
Cũng như chuyển mạch điện, chuyển mạch quang cũng có nhiều phương thức,
công nghệ khác nhau, trong phần này sẽ giới thiệu ba công nghệ chuyển mạch quang
đã và đang được nghiên cứu.
1.2.1.Chuyển mạch kênh quang
Trong chuyển mạch kênh quang [2], một kênh quang sẽ được thiết lập giữa một
nút nguồn và một nút đích trước khi quá trình truyền dữ liệu bắt đầu và sẽ được duy trì
đến khi quá trình truyền dữ liệu kết thúc.
1.2.2.Chuyển mạch gói quang
Trong chuyển mạch gói quang [2], thông tin được đóng thành các gói quang và
mỗi gói sẽ được gắn một tiều đề (header) chứa thông tin điều khiển. Các gói quang sẽ
được định tuyến và chuyển mạch trong miền toàn quang mà không cần phải chuyển

sang miền điện tại các nút trung gian. Việc truyền gói tin trong mạng sẽ không cần
phải thực hiện thiết lập trước kênh truyền mà gói tin sẽ được gửi ngay vào trong mạng.

3
Khi tới nút trung gian, header của gói tin được tách ra khỏi phần dữ liệu và được xử lý
để quyết định cổng đầu ra.
1.2.3.Chuyển mạch Burst quang
1.2.3.1.Giới thiệu chuyển mạch Burst
Chuyển mạch Burst quang (Optical Burst Switching: OBS) được thiết kế nhằm
kết hợp những ưu điểm của chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói. OBS không cần
đến bộ đệm quang ở các nút trung gian, trong khi cực tiểu thời gian thiết lập và cực đại
hiệu quả sử dụng băng thông kết nối.

Hình 1.3: Quá trình báo hiệu và truyền Burst trong mạng chuyển mạch Burst
quang
1.2.3.2 Kiến trúc mạng chuyển mạch Burst
Mạng chuyển mạch Burst quang bao gồm các nút chuyển mạch Burst quang
được liên kết với nhau thông qua các liên kết bằng sợi quang.
Các nút trong mạng chuyển mạch Burst quang được chia làm hai loại chính là
nút biên và nút lõi. Nút biên có chức năng tách/lập Burst, tạo bản tin điều khiển, định
tuyến, gán bước sóng, và báo hiệu. Nút lõi có chức năng chuyển mạch các Burst dữ
liệu từ cổng đầu vào tới cổng đầu ra mong muốn dựa trên thông tin từ bản tin điều
khiển mà nút biên gửi tới. Ngoài ra nút lõi còn có chức năng giải quyết tranh chấp tài
nguyên giữa các Burst nếu nó xảy ra.

4


Hình 1.4: Mạng chuyển mạch Burst quang
1.2.3.3 Thiết lập và tách Burst

Quá trình lập Burst được minh họa trong hình 1.7. Đây là quá trình xử lý việc
đóng gói từ các gói tin đầu vào thành từng Burst dữ liệu tại các nút biên trong mạng
chuyển mạch Burst quang.

Hình 1.7: Quá trình lập Burst
Hiện tại có hai phương pháp chủ yếu được sử dụng để lập Burst đó là dựa vào
thời gian ( Timer Base) và dựa vào mức ngưỡng (Threshold Base) như được mô tả ở
hình 1.8 và 1.9.

5
Hình 1.8: Lập Burst dựa trên Timer Base


Hình 1.9: Lập Burst dựa trên mức ngưỡng
Ngược lại với lập Burst là quá trình tách Burst. Đây là quá trình cũng được thực
hiện tại các nút biên đích, tại đây Burst được chuyển sang miền điện và lưu trong các
bộ đệm trước khi được tách ra thành các gói tin IP ( ATM, SONET ) như ban đầu khi
nó được đưa vào mạng OBS. Việc tách Burst cần có các thông tin ở quá trình lập Burst
ban đầu để đảm bảo các gói tin được tách ra chính xác như lúc được ghép ở đầu vào.
Quá trình tách Burst được minh họa ở Hình 1.10.
Kênh dữ liệu
Nút biên đích
3
Burst 1 Burst 2 Burst 3
21
Gói tin điều khiển
Kênh điều khiển
IP (ATM hoặc Ethernet)
IP (ATM hoặc Ethernet)

Hình 1.10: Quá trình tách Burst
1.3 Báo hiệu trong chuyển mạch Burst quang
1.3.1.Tổng quát về báo hiệu trong chuyển mạch Burst
Hệ thống báo hiệu đóng vai trò vô cùng quan trọng trong các mạng viễn thông
nói chung cũng như mạng OBS nói riêng. Nó thực hiện chức năng chuyển thông tin

6
liên quan đến thiết lập, giám sát và giải phóng cuộc gọi từ điểm này đến điểm khác hay
từ nút mạng này đến nút mạng khác.

1.3.2.Một số loại giao thức báo hiệu điển hình trong chuyển mạch Burst
Trong phần này sẽ giới thiệu bốn giao thức báo hiệu cơ bản trong mạng chuyển
mạch Burst .
1.3.2.1.Giao thức báo hiệu Tell and Go (TAG)
1.3.2.2. Giao thức báo hiệu Tell-and-Wait (TAW)
1.3.2.3.Giao thức báo hiệu Just-In-Time (JIT).
1.3.2.4.Giao thức báo hiệu Just Enough Time (JET).
1.4.Kết luận chương
Chương này đã giới thiệu một cách cơ bản và so sánh một số tính chất nổi bật
của ba công nghệ chuyển mạch quang là chuyển mạch kênh, gói và Burst. Sau đó là
phần đi sâu vào trình bày các đặc điểm của chuyển mạch Burst, kiến trúc mạng và nút
của mạng OBS để người đọc có những kiến thức cơ bản về OBS. Phần cuối của
chương trình bày khá chi tiết về các loại báo hiệu trong OBS để làm tiền đề cho
chương 2 khi đi sâu vào phân tích các giải pháp giải quyết xung đột Burst quang.

7
Chương 2: CÁC GIẢI PHÁP CHỐNG XUNG ĐỘT BURST QUANG
Để giải quyết xung đột Burst, có 4 phương pháp cơ bản thường được thực
hiện, đó là: đệm bằng bộ trễ quang, chuyển đổi bước sóng, phân đoạn Burst và định
tuyến lệch hướng.

2.1.Giải pháp sử dụng bộ đệm quang
Một phương pháp đơn giản nhất để giải quyết sự xung đột tài nguyên nói chung
trong viễn thông là sử dụng bộ đệm. Với phương thức này, tín hiệu quang sẽ được cho
chạy qua một đoạn sợi quang có chiều dài xác định để làm trễ tín hiệu trong một
khoảng thời gian xác định.
2.2.Giải pháp chuyển đổi bước sóng
Trong WDM, nhiều bước sóng được ghép cùng lúc trên một liên kết kết nối hai
chuyển mạch quang. Nhiều bước sóng có thể giảm tối thiểu số lượng xung đột. Giả sử
rằng có hai burst đều đi đến một đích và ra ở cùng ngõ ra tại cùng thời điểm. Khi đó
nếu có hai bước sóng khác nhau ở cùng trên cổng đầu ra đó thì hai burst vẫn có thể
truyền đi tiếp đến nút đích.
2.3.Giải pháp phân mảnh Burst
Một cách tiếp cận khác khi giải quyết tranh chấp tài nguyên trong mạng chuyển
mạch Burst đó là phân nhỏ Burst thành từng mảnh khi có tranh chấp và chỉ loại bỏ các
mảnh chồng lấn khi xung đột [3]. Như vậy độ phức tạp của mạng sẽ tăng lên nhưng
đổi lại việc mất dữ liệu khi xung đột xảy ra sẽ được giảm bớt do thay vì phải hủy cả
Burst thì giờ chỉ phải hủy một vài mảnh nhỏ của Burst có chống lấn với nhau.
2.4.Giải pháp định tuyến lệch hướng

Trong định tuyến lệch hướng, xung đột Burst được giải quyết bằng cách định
tuyến Burst dữ liệu sang một cổng đầu ra khác mà nó vẫn có thể đi đến được đích.
Quá trình thực hiện định tuyến lệch hướng được mô tả qua các bước sau:
Bước 1: Nút nguồn truyền đi một gói điều khiển.
Bước 2: Nút trung gian xử lí gói điều khiển và cố gắng đăng ký trước một kênh
đầu ra phù hợp cho burst theo thông tin trong bản tin điều khiển.
Bước 3: Nút nguồn truyền đi burst sau một khoảng thời gian lệch (offset).

8
Bước 4: Nếu tại nút trung gian đăng ký được kênh đầu ra phù hợp cho Burst
tức là mạng không bị nghẽn (đối với Burst đang được đăng ký) thì khi Burst đến nó sẽ

chuyển Burst sang khối thực hiện lập lịch để gán Burst lên kênh đầu ra và đi đến đích.
Nếu không đăng ký được thì chuyển sang bước 5.
Bước 5: Nút trung gian không đăng ký được kênh đầu ra theo yêu cầu của
Burst đến nên nó sẽ chuyển Burst sang xử lý định tuyến lệch hướng. Đầu tiên nó sẽ
kiểm tra Burst sắp đến đã phải áp dụng định tuyến lệch hướng quá số lần qui định
Ndmax chưa. Nếu đúng thì Burst đó sẽ bị hủy, nếu không chuyển bước 6.
Bước 6: Nút trung gian căn cứ vào thông tin địa chỉ đích của Burst để tìm
tuyến đường lệch hướng mới phù hợp. Nếu tìm được nó sẽ chuyển Burst sang tuyến
mới vừa tìm được, nếu không nó sẽ hủy Burst.

Hình 2.5: Lưu đồ định tuyến lệch hướng

9
2.5. Định tuyến lệch hướng kết hợp với phân mảnh Burst.
Để nâng cao hiệu quả giải quyết xung đột Burst chúng ta có thể kết hợp hai
giải pháp định tuyến lệch hướng và phân mảnh Burst [3]. Khi đó thay vì hủy một hay
nhiều mảnh của Burst bị xung đột, ta sẽ dịnh tuyến các mảnh đó sang một tuyến khác
mà có thể định tuyến tiếp tục nó đến đích. Việc kết hợp giữa phân mảnh Burst và định
tuyến lệch hướng làm tăng khả năng Burst đến được đích do đó làm tăng hiệu suất của
mạng.
2.6.Kết luận chương
Các giải pháp giải quyết xung đột tài nguyên trong mạng chuyển mạch Burst
quang có ảnh hưởng lớn đến chất lượng của mạng. Việc áp dụng các giải pháp khác
nhau với mức độ khác nhau có thể giúp đơn vị cung cấp dịch vụ đưa ra được các loại
dịch vụ với chất lượng dịch vụ khác nhau (QoS). Chương này đã giới thiệu năm giải
pháp cơ bản đã được nghiên cứu và đề xuất để giải quyết xung đột Burst làm tiền đề
cho việc đề xuất một giải pháp mới được giới thiệu ở chương 3.

10
Chương 3: THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN NAN (Next Available
Neighbour)
Trong chương này sẽ giới thiệu một thuật toán định tuyến khá mới là NAN
(Next Available Neighbour) được đề xuất sử dụng trong mạng chuyển mạch Burst để
giải quyết xung đột Burst quang.
3.1.Định tuyến NAN (Next Available Neighbour)
Trong trường hợp xảy ra quá tải, việc tranh chấp tài nguyên dẫn đến mất Burst
là không tránh khỏi, nhưng vấn đề là làm sao để Burst không bị hủy mà sẽ được chèn
lại vào mạng ngay sau khi tài nguyên mạng được giải phóng.
Từ ý tưởng trên một thuật toán định tuyến mới được đề xuất để xử lý việc xung
đột Burst khi tài nguyên mạng bị quá tải. Theo đó khi xung đột Burst xảy ra tại một
nút trung gian nào đó, thay vì hủy Burst nó sẽ gửi Burst đến một nút khác gần đích
nhất có thể để tiếp tục đi đến đích và nếu không có nút nào phù hợp Burst sẽ được lưu
và chèn lại vào mạng sau khi tài nguyên được giải phóng [7]. Thuật toán này là một
giải pháp bổ sung cho các giải pháp giải quyết xung đột tài nguyên của Burst và được
gọi là định tuyến NAN ( Next Available Neighbour Routing).
Thuật toán định tuyến NAN được đề xuất để giải quyết xung đột trong mạng
chuyển mạch Burst quang nhưng nó cũng có thể được ứng dụng trong nhiều loại mạng
khác nhau như IP/MPLS, OPS.
Đối với mạng OBS, định tuyến NAN hoạt động như sau: Khi một nút lõi của
mạng OBS nhận được một bản tin điều khiển (CP) yêu cầu đặt trước tài nguyên cho
một Burst sắp đến, nếu không tìm được tài nguyên phù hợp theo yêu cầu thì thay vì
gửi bản tin từ chối (NACK) trở lại nút nguồn nó sẽ tìm các nút khác bên cạnh có tài
nguyên phù hợp và tạo một bản tin NAN-CP để gửi đến nút đó nhờ tiếp nhận Burst.

Nút bên cạnh có tài nguyên phù hợp này được gọi là nút NAN. Khi Burst được truyền
đến nút lõi nó sẽ định tuyến Burst sang nút NAN. Do có tài nguyên phù hợp nhất và đã
được báo trước qua bản tin điều khiển NAN-CP nên nút NAN sẽ tiếp nhận Burst đến
và tiếp tục định tuyến Burst đó đến đích. Trong trường hợp xấu nhất là nút NAN đó
cũng xảy ra xung đột thì nó cũng sẽ không hủy Burst mà chuyển đổi O/E, lưu nó trong
bộ đệm và sẽ chèn lại Burst vào mạng ngay sau khi tài nguyên được giải phóng.

11
Cũng tương tự như trong định tuyến lệch đường ( Deflection routing), trong
định tuyến NAN cũng phải sử dụng một bộ đếm hoặc một phương pháp nào đó để tính
được thời gian mà Burst đã được đưa vào quá trình định tuyến NAN. Khi tính được
thông tin này của Burst ta sẽ tránh được việc Burst sẽ bị chèn đi chèn lại liên tục vào
trong mạng mà vẫn không đến được đích hoặc Burst sẽ bị lặp vòng trong mạng bằng
cách tính toán và đặt ra một ngưỡng thời gian Burst được thực hiện định tuyến NAN,
nếu quá thời gian này mà vẫn chưa đến được đích thì nó sẽ bị hủy.
Trong thuật toán định tuyến NAN thì việc quan trọng nhất là tìm được nút bên
cạnh có tài nguyên phù hợp nhất để tiếp tục định tuyến Burst đến đích. Để đảm bảo nút
bên cạnh là tối ưu nhất sẽ phải dựa trên việc kết hợp một số giá trị như : nút có vị trí
gần nút đích nhất, nút có băng thông rộng nhất đến nút đích, nút có thời gian bận ít
nhất .v.v. Thực hiện kết hợp các thông tin trên sẽ làm tăng độ phức tạp của mạng lên
đáng kể do sẽ phải thêm các modul xử lý, rồi tăng thời gian trễ của gói tin nhưng bù lại
xác suất mất Burst sẽ giảm đáng kể. Trong một số trường hợp cụ thể việc lựa chọn nút
bên cạnh có thể được thực hiện theo một quá trình ngẫu nhiên để giảm thiểu sự phức
tạp của hệ thống.


Hình 3.1 : Định tuyến NAN trong mạng OBS
Hình 3.1 mô tả quá trình định tuyến NAN trong mạng OBS, khi nút 2 và nút 3
định tuyến một Burst tới nút 6 tại cùng một thời điểm nhưng lại cùng sử dụng đường
link từ nút 5 đến nút 6. Như vậy nếu bình thường không áp dụng các giải pháp giải

12
quyết tranh chấp thì nút 5 sẽ hủy một Burst và chỉ cho 1 Burst định tuyến qua nút 5
đến nút 6. Nhưng khi sử dụng định tuyến NAN để giải quyết tranh chấp thì quá trình
sẽ diễn ra như sau: Khi nút 5 nhận được yêu cầu thiết lập cấu hình chuyển mạch tại
cùng một thời điểm cho Burst 2 và Burst 3 cùng đến nút 6 qua đường link 5-6, nó sẽ
thực hiện cấu hình trường chuyển mạch để cho 1 Burst (ở đây là Burst 2) chuyển đến
nút 6, đồng thời nó cũng sẽ lập một bản tin NAN CP để gửi đến nút 4 là nút bên cạnh
gần nhất có tài nguyên phù hợp để định tuyến Burst 3 qua nút 4 đến nút 6. Tuy nhiên
nếu nút 4 cũng xảy ra tranh chấp khi Burst 3 truyền đến thì nó sẽ lưu Burst 3 vào bộ
đệm và sẽ chèn lại vào mạng ngay sau khi tài nguyên được giải phóng.
Trong trường hợp ở trên, nút 4 đóng vai trò là nút NAN nhưng không mang
tính chất cố định, mà bất cứ nút nào trong mạng OBS cũng có thể là nút NAN nếu tại
một thời điểm nào đó nó có tài nguyên phù hợp và nhận được yêu cầu định tuyến “hộ”
cho các nút bên cạnh đang bị xung đột tài nguyên. Do đó trong một trường hợp khác,
khi nút 4 xảy ra tranh chấp tài nguyên nó cũng có thể gửi một bản tin NAN CP sang
nút 5 để nhờ định tuyến “hộ” và lúc này nút 5 lại đóng vai trò một nút NAN.
Khi thực hiện định tuyến NAN, Burst sẽ bị trễ đi một khoảng thời gian do phải
đi vòng sang đường khác và có thể phải lưu trong bộ đệm điện. Tuy nhiên nếu so với
trễ của việc phải truyền lại Burst từ đầu thì nó vẫn nhỏ hơn nhiều. Sau đây ta sẽ xét
thời gian trễ của cả hai trường hợp khi không sử dụng và khi sử dụng định tuyến
NAN.
Trường hợp thứ nhất, giả sử trong mạng OBS có một Burst sau khi đã truyền
qua k nút trung gian đến một nút trung gian tiếp theo thì xảy ra xung đột tài nguyên và
nó bị hủy. Nút trung gian thực hiện hủy Burst sẽ gửi bản tin NACK quay trở lại nút
biên đầu vào để yêu cầu phát lại Burst. Sau khi nhận được bản tin NACK từ nút trung
gian, nút biên sẽ xử lý và lập bản tin điều khiển mới và chuyển đổi E/O Burst lưu trong
bộ đệm điện để truyền lại vào mạng sau khi truyền bản tin điều khiển. Giả sử sau khi
truyền lại thì Burst trên đến được đích, khi đó tổng thời gian trễ của cả quá trình từ lúc
Burst bị hủy đến lúc Burst được truyền lại và đến được đích sẽ là:

T
D1
= T
NACK
+ hT
CP
+ T
E/O
+ T
S-D
Trong đó:

13
T
D1
: Là thời gian trễ của Burst từ lúc bị hủy đến lúc truyền lại và đến được
đích
T
NACK
: Thời gian truyền bản tin NACK qua k nút về nút nguồn
T
NACK
= kT
CP
+ T
NAN-S

kT
CP
: Thời gian xử lý bản tin NACK tại k nút

T
NAN-S
: Thời gian truyền bản tin NACK trên đường truyền qua k nút
h.T
CP
: Thời gian lệch (offset time) khi truyền lại Burst
T
E/O
: Thời gian chuyển Burst từ miền điện sang miền quang
T
S-D
: Thời gian truyền lại Burst từ nút nguồn đến nút đích
Như vậy ta có:
T
D1
= (h + k)T
CP
+ T
NAN-S
+ T
E/O
+ T
S-D
Trong trường hợp thứ hai, tại nút trung gian xảy ra xung đột tài nguyên áp dụng
phương pháp định tuyến NAN để giải quyết tranh chấp thì nó sẽ định tuyến Burst
xung đột sang một nút bên cạnh để tiếp tục định tuyến nó đến đích. Giả sử trong
trường hợp xấu nhất nút bên cạnh cũng bận nó sẽ lưu Burst vào bộ đệm rồi chèn lại
vào mạng ngay sau đó để định tuyến nó đến đích khi tài nguyên đã giải phóng. Khi đó
tổng thời gian trễ của Burst khi đến đích sẽ là:
T

D2
= nT
NAN
+ T
O/E/O
+ T
NAN-D

Trong đó:
T
D2
: Là thời gian trễ từ lúc được định tuyến NAN đến lúc đến được đích
nT
NAN
: Thời gian xử lý bản tin điều khiển qua n nút từ nút NAN đến nút đích
T
O/E/O
: Thời gian trễ chuyển đổi qua bộ đệm điện.
T
NAN-D
: Thời gian truyền Burst từ nút NAN đến nút đích.
Ta thấy rằng với T
CP
≈ T
NAN
≈ T
O/E
trong khi đó h+k > n, T
S-D
> T

NAN-D
thì
T
D2
< T
D1
, còn trong trường hợp nút NAN gần đích thì h+k >> n và T
S-D
+ T
NAN-S
>>
T
NAN-D
thì T
D2
<< T
D1
tức là ở trường hợp nào thì trễ gây ra do việc định tuyến NAN
cũng nhỏ hơn so với việc truyền lại Burst từ nút nguồn. Tuy nhiên đây không phải là

14
mục tiêu chính của định tuyến NAN mà mục đích quan trọng nhất của nó là giải quyết
xung đột tài nguyên trong mang OBS một cách triệt để và hiệu quả. Chúng ta có thể dễ
dàng nhận thấy rằng so với định tuyến lệch đường (Deflection routing) thì định tuyến
NAN là sự tiếp nối và giải quyết triệt để vấn đề mà định tuyến lệch hướng không giải
quyết được. Đổi lại chúng ta phải bổ sung bộ nhớ cho các nút chuyển mạch Burst và
nâng cao khả năng xử lý của các nút mạng.
Một vấn đề nữa cần lưu ý trong việc thực hiện định tuyến NAN là thời gian lệch
Offset times. Do thời điểm Burst được truyền vào mạng chưa dự tính được sẽ có xung
đột tài nguyên ở đâu và khi nào nên thời gian offset times chỉ được dự tính vừa đủ để

đi đến đích mà không tính những lúc mà có thể có xung đột xảy ra và Burst sẽ phải
định tuyến theo hướng khác. Nếu không chỉnh lại được thời gian này thì đến thời điểm
nào đó khi bản tin điều khiển đến một nút nhưng chưa kịp xử lý xong và trường
chuyển mạch cũng chưa sẵn sàng để truyền Burst mà Burst đã được truyền tới. Trong
trường hợp này Burst sẽ bị hủy vì chưa kịp cấu hình đầu ra cho Burst. Trong định
tuyến lệch hướng để xử lý thời gian lệch offset times không đủ thì sẽ phải bổ sung bộ
trễ quang (FDL) tại các nút mạng, nếu các Burst được định tuyến lệch hướng thì sẽ
phải được định tuyến chạy qua các bộ trễ quang để bù thời gian trễ do đi theo hướng
khác xa hơn. Tuy nhiên trong định tuyến NAN, do đã có các bộ đệm điện tại mỗi nút
nên khi cần bù thời gian trễ này các Burst sẽ được lưu vào trong bộ đệm điện.
Qua việc trình bày về định tuyến NAN ở trên ta có thể thấy một số ưu điểm của
định tuyến NAN trong mạng OBS như sau:
- Giải quyết được triệt để hơn vấn đề xung đột tài nguyên trong mạng OBS
- Do các Burst có thể được lưu tại các nút trung gian rồi được truyền tiếp đến
đích nên việc truyền Burst từ nguồn tới đích có thể chia thành một vài chặng nhỏ hơn
và việc tìm đường cho từng chặng nhỏ cũng dễ dàng hơn, dẫn đến tỷ lệ mất Burst giảm
đáng kể.
- Burst có thể được lưu đệm tại các nút một thời gian cũng làm cho việc điều
tiết lưu lượng mạng và xử lý tranh chấp tài nguyên của các nút được chủ động và mềm
dẻo hơn.

15
3.2. Xây dựng lưu đồ giải thuật cho định tuyến NAN
3.2.1.Quá trình truyền Burst qua mạng sử dụng định tuyến NAN để tránh
xung đột.
Trong mạng OBS khi một nút nguồn muốn gửi đi một Burst trước tiên nó phải
gửi một bản tin điều khiển để đăng ký trước tài nguyên. Trong bản tin điều khiển sẽ
chứa các thông tin cần thiết cho việc đăng ký bước sóng cho Burst như: Địa chỉ nút
đích, bước sóng truyền, độ dài Burst, tốc độ truyền Burst. Tại nút trung gian, khi nhận
được bản tin điều khiển từ nút nguồn gửi tới nó sẽ tiến hành đọc thông tin trong bản tin

điều khiển và xem có thể đáp ứng yêu cầu truyền Burst sắp đến không. Để làm được
việc này, nút trung gian sẽ áp dụng các giải thuật lập lịch để gán Burst vào một kênh
dữ liệu liên kết đầu ra phù hợp. Dựa vào thông tin được cung cấp trong bản tin điều
khiển, bộ lập lịch kênh biết được thời gian đến và thời gian kết thúc của Burst. Cùng
với đó, bộ lập lịch luôn được cập nhật thông tin về thời điểm chưa lập lịch khả dụng
muộn nhất (LAUT), các khoảng trễ (gap) và các khoảng trống (Void) trên mỗi kênh dữ
liệu đầu ra. Căn cứ vào các thông số này và các giải thuật lập lịch được áp dụng nút
trung gian sẽ biết được có bước sóng nào phù hợp với Burst sắp được truyền tới hay
không. Các giải thuật lập lịch được áp dụng phải đáp ứng được yêu cầu lập lịch được
càng nhiều Burst càng tốt trên cùng một kênh bước sóng đầu ra nhằm tối ưu hóa lưu
lượng và giảm tổn thất Burst. Nếu không tìm được tài nguyên bước sóng phù hợp cho
Burst, tức là không thực hiện được việc lập lịch thì mạng ở trạng thái bị xung đột tài
nguyên hay bị nghẽn, lúc này nút trung gian sẽ chuyển Burst sang khối xử lý định
tuyến NAN.
A. Khối lập lịch kênh, tìm kênh bước sóng đầu ra phù hợp cho Burst.
Để thực hiện các giải thuật về lập lịch Burst, khối xử lý cần phải có các thông
số sau:
Chiều dài burst: L
b

BR: Tốc độ bít
Trên tuyến đầu vào có F sợi quang được ký hiệu là f, khi đó f = 1,2,3…F.
Trên mỗi sợi quang đều có W bước sóng giống nhau (λ
o
, λ
1
, λ
2
…. λ
W-1)

.
Burst cần được lập lịch được truyền trên bước sóng λ
i
và có thời điểm đến là t.

16
LAUTi là thời điểm chưa lập lịch khả dụng muộn nhất của kênh bước sóng thứ
i trên mỗi sợi quang F trong khoảng thời gian xử lý .
Si,j và Ei,j là các thời điểm bắt đầu và kết thúc của burst dữ liệu đã được lập
lịch
thứ j trên kênh bước sóng thứ i, cho các giải thuật điền khoảng trống.
Gapi: là sự sai khác về thời gian giữa t và LAUTi đối với các thuật toán không
điền khoảng trống và là sự sai khác về thời gian giữa t và Ei,j của burst được lập lịch
trước đó với các thuật toán điền khoảng trống. Nếu t = Ei,j hoặc t= LAUT
i
, thì Gapi =
0 tức là ở thời điểm đó kênh truyền bận đối với Burst cần lập lịch tại thời điểm t.
Thông tin về khoảng trễ “gap” là hữu ích để lựa chọn một kênh bước sóng thích hợp
trong trường hợp có nhiều hơn một kênh rỗi.
* Giải thuật FFUC
Đây là giải thuật thuộc loại không điền khoảng trống. Thuật toán FFUC lưu giữ
thời điểm chưa lập lịch muộn nhất (LAUT) của tất cả các kênh bước sóng trên tất cả
các sợi quang f đầu ra. Khi nhận được bản tin điều khiển yêu cầu lập lịch cho Burst
được gửi đến trên kênh bước sóng λ
i
, giải thuật FFUC sẽ tìm kiếm tất cả các sợi quang
f theo thứ tự và chọn kênh bước sóng λ
i
khả dụng đầu tiên để lập lịch cho Burst [3].
Hình 3.2: Giải thuật FFUC và LAUC

17
* Giải thuật LAUC
Thuật toán LAUC về cơ bản thực hiện tương tự như thuật toán FFUC, nó cũng
duy trì giá trị của LAUT trên tất cả các kênh bước sóng nhưng trong quá trình tìm
kiếm kênh bước sóng thích hợp thay vì sắp xếp burst dữ liệu trên kênh bước sóng thích
hợp đầu tiên tìm được, giải thuật này lựa chọn kênh có LAUT gần với thời điểm đến
của burst dữ liệu nhất. Giải thuật LAUC cũng được mô tả trên hình 3.2. Trên các sợi
quang f1 và f2 đều có kênh bước sóng phù hợp vì thời điểm Burst đến nằm sau các
LAUT của bước sóng λ
i
trên hai sợi quang này. Nếu như thuật toán FFUC được sử
dụng thì kênh sợi quang f1 được lựa chọn. Tuy nhiên, với thuật toán LAUC còn quan
tâm đến khoảng thời gian giữa t và LAUT của mỗi kênh bước sóng, nó sẽ chọn kênh
nào có khoảng thời gian này nhỏ nhất; điều này làm tăng hiệu quả sử dụng kênh truyền
so với FFUC [3]. Chúng ta thấy rằng Gap 1 > Gap 2 do đó burst sẽ được sắp xếp trên
kênh f2.
Giải thuật cho LAUC được mô tả như sau:
Bước 1: Khởi tạo kênh f = 1, gapmin = 100s, C
n
= 0 (C
n
là biến số lưu chỉ số
của sợi quang f được chọn để lập lịch cho Burst đến thứ n);
Bước 2: Cho f chạy từ 1 đến F để tìm giá trị LAUT
i
của bước sóng λ
i
lần lượt
trên các sợi quang đầu ra, bắt đầu từ sợi quang f=0 . Tại kênh bước sóng λ

i
của mỗi sợi
quang f tiến hành kiểm tra giá trị LAUTi so với thời điểm đến t của Burst cần được
lập lịch. Nếu LAUT
i
< t, tức gapi = t - LAUT
i
>0 chuyển sang bước 3. Nếu không lặp
lại quá trình với sợi quang f +1 cho đến khi f = F+1 thì chuyển bước 4.
Bước 3: So sánh gapi với gapmin. Nếu gapmin > gapi, thì gán gapmin = gapi ,
gán C
n
= f và quay lại bước 2 để tìm tiếp kênh khác. Ngược lại thì giữ nguyên các
thông số khác và quay lại bước 2 với f = f +1.
Bước 4: Khi f = F+1 quá trình tìm kiếm kết thúc, kiểm tra chỉ số C
n
. Nếu C
n
=0
tức không tìm thấy kênh bước sóng λ
i
nào trên tất cả các sợi quang f phù hợp cho
Burst sắp đến và khi đó sẽ chuyển Burst sang khối xử lý định tuyến NAN. Nếu C
n
= f ,
tức đã tìm được kênh λi trên sợi quang f = C
n
có tài nguyên phù hợp để lập lịch cho
Burst và đây là kênh có gap nhỏ nhất.

18
Gap i > 0 ?
Gapmin > Gap i ?
Chuyển Burst
sang định tuyến
NAN
Đúng
Đúng
Sai
Sai
f = 1
C
n
= 0
Gapmin = 100 s
λ
i
thuộc sợi quang f = C
n
là kênh được chọn để lập
lịch cho Burst
f = F+1 ?
Đúng
Sai
C
n
= 0 ?
f = f +1
f = f +1

C
n
= f
Gapmin = Gap i
f = f +1
Đúng
sai
LAUC
Ghi chú:
Gap i = t - LAUT i

Hình 3.3: Lưu đồ giải thuật cho LAUC
* Giải thuật FFUC-VF
Đây là giải thuật thuộc loại điền khoảng trống, thay vì lưu giữ giá trị LAUT bộ
lập lịch sẽ lưu thời điểm bắt đầu Sij và kết thúc Eij của mỗi Burst đã được lập lịch trên
mọi kênh bước sóng của các sợi quang đầu ra. Khi có bản tin điều khiển đến yêu cầu
lập lịch cho Burst được truyền đến trên kênh bước sóng λi, giải thuật FFUC-VF sẽ căn
cứ vào các giá trị Sij, Eij của các Burst đã được lập lịch của kênh bước sóng λi trên tất
cả các sợi quang đầu ra và giá trị bắt đầu S
B
, kết thúc E
B
của Burst cần lập lịch để tìm

19
khoảng trống phù hợp, nếu tìm được kênh bước sóng λi của sợi quang nào có khoảng
trống khả dụng đầu tiên nó sẽ chọn kênh λi trên sợi quang đó để lập lịch cho Burst [3].
* Giải thuật LAUC-VF
Tương tự như giải thuật FFUC-VF, LAUC-VF sẽ tìm kiếm tất các kênh bước
sóng λi trên tất cả các sợi quang đầu ra để tìm ra các kênh có khoảng trống phù hợp,

sau đó nó sẽ xem kênh bước sóng λi của sợi quang F nào có khoảng trống từ thời điểm
đến của Burst cần lập lịch với thời điểm kết thúc của Burst đã được lập lịch trước đó là
nhỏ nhất thì sẽ chọn kênh đó để lập lịch cho Burst [3].


Hình 3.4. Giải thuật FFUC-VF và LAUC-VF
Sau khi áp dụng các phương pháp, giải thuật để lập lịch kênh đầu ra cho Burst
mà không thành công thì nút trung gian sẽ không hủy Burst mà chuyển nó sang phần
xử lý định tuyến NAN.
B. Khối thực hiện chuyển mạch cho Burst ( OSW)
Nếu việc đăng ký bước sóng đầu ra cho Burst thành công thì sau một khoảng
thời gian bù (offset time), Burst được truyền đến và nó sẽ được chuyển sang khối thực

20
hiện chuyển mạch (OSW). Khối này thực hiện chức năng gán Burst lên bước sóng đầu
ra để đi đến đích theo lịch đã được đặt trước từ bộ lập lịch chuyển sang.
C. Khối kiểm tra trạng thái định tuyến
Như đã trình bày ở những phần trên, đối với mạng áp dụng cơ chế giải quyết
xung đột kiểu lệch hướng để đảm bảo rằng các Burst không bị định tuyến vòng lặp đi
lặp lại trong mạng hoặc bị trễ quá lâu trong mạng so với yêu cầu thì phải có cơ chế
kiểm soát số lần hoặc thời gian Burst đã được áp dụng định tuyến để tránh xung đột.
D. Khối bộ nhớ đệm
Khi Burst được chuyển vào bộ nhớ đệm nó sẽ được chuyển đổi O/E để lưu vào
bộ nhớ trong miền điện. Đây là bộ nhớ điện dạng RAM, sao cho khi các Burst bị xung
đột sẽ được lưu trữ tạm thời và có thể được đọc ra bất cứ lúc nào khi tài nguyên trong
mạng được giải phóng. Tùy theo dung lượng truyền dẫn và tình trạng của mạng mà ta
có thể cung cấp dung lượng bộ nhớ cho phù hợp.
Việc đọc Burst dữ liệu từ bộ nhớ đệm điện ra và chèn vào mạng có thể được
thực hiện theo cơ chế tuần tự theo chu kỳ không căn cứ vào tình trạng của mạng hoặc
chỉ được đọc ra khi mạng có tài nguyên phù hợp.

E. Khối định tuyến NAN
Khi nhận được yêu cầu định tuyến một Burst sang một nút bên cạnh trên một
tuyến khác để đi đến đích, khối định tuyến NAN sẽ căn cứ vào địa chỉ nút đích cần đến
của Burst và các thông tin về khoảng cách, dung lượng, tỷ lệ chiếm dụng kênh
truyền… giữa các nút mạng từ nguồn tới đích để tìm tuyến phù hợp nhất có thể và
truyền Burst sang tuyến đó đến đích.
Để thực hiện việc tìm tuyến đường khác phù hợp nhất có thể để thay thế tuyến
chính đang bị xung đột cần phải thực hiện qua hai giai đoạn sau.
Thứ nhất là phải tìm được một danh sách các tuyến đường có thể thay thế được
tuyến chính để đi đến nút đích và sắp xếp chúng theo một thứ tự ưu tiên nhất định nào
đó. Ví dụ như sắp xếp theo thứ tự các tuyến có chiều dài từ ngắn nhất đến dài nhất,
hoặc sắp xếp các tuyến theo thứ tự tăng dần về tỷ lệ chiếm dụng kênh truyền.v.v.

21
Thứ hai là tiến hành tìm lần lượt trên các tuyến đã sắp xếp ở trên xem có kênh
bước sóng nào phù hợp với Burst không. Việc tìm kiếm này sẽ được thực hiện theo
một trong các thuật toán lập lịch kênh. Theo đó nút hiện tại sẽ thực hiện lập lịch kênh
lần lượt đến các nút đầu tiên của các tuyến được sắp xếp ở trên. Nếu tìm được kênh
bước sóng nào phù hợp nó sẽ định tuyến Burst theo tuyến vào bước sóng rỗi vừa tìm
được để đi đến đích. Khi đó nút đầu tiên trên tuyến mà Burst được định tuyến sang
được gói là nút NAN.
Sau đây ta sẽ xét chi tiết từng giai đoạn vừa đề cập ở trên.
Đối với giai đoạn thứ nhất, nếu ta chọn thông số chiều dài tuyến đường làm
thông số ưu tiên trong việc tìm tuyến đường thay thế thì việc tính toán và tạo ra bảng
danh sách các tuyến đường theo thứ tự độ dài tăng dần từ một nút đến một nút đích
nào đó có thể được thực hiện trước và được lưu sẵn trong bộ nhớ của mỗi nút. Bởi vì
thông số chiều dài tuyến là cố định và đã có số liệu chính xác ngay từ lúc xây dựng
mạng. Tuy nhiên tùy theo tính chất dịch vụ của mạng mà ta có thế sử dụng một số
thông số khác làm tiêu chí ưu tiên lựa chọn tuyến đường thay thế mà tiêu chí đó không
mang tính chất cố định mà có thể thay đổi theo thời gian tùy vào tình trạng hoạt động

của mạng và được cập nhật cho từng nút mạng trong quá trình hoạt động. Ví dụ ở đây
nếu ta chọn tiêu chí tỷ lệ chiếm dụng kênh truyền làm tiêu chí lựa chọn ưu tiên thì các
nút mạng sẽ cần được cập nhật các thông số này thường xuyên để tính toán và đưa ra
danh sách các tuyến đường thay thế phù hợp nhất.
Đối với giai đoạn thứ hai, căn cứ vào danh sách các tuyến đường thay thế đã
được tính toán và sắp xếp sẵn theo một thứ tự ưu tiến nhất định, nút NAN sẽ thực hiện
quá trình lập lịch kênh cho Burst lần lượt trên từng kênh đầu ra của từng tuyến theo
thứ tự ưu tiên để tìm kênh đầu ra phù hợp cho Burst. Do các tuyến đã được sắp xếp
theo thứ tự ưu tiên nên khi tìm thấy kênh đầu tiên nào phù hợp thì quá trình tìm sẽ kết
thúc và tuyến nào vừa tìm được kênh rỗi sẽ được chọn làm tuyến thay thế để truyền
Burst tới đích. Việc thực hiện lập lịch kênh có thể được thực hiện theo nhiều giải thuật
khác nhau, ở đây ta sẽ chọn giải thuật LAUC để thực hiện việc lập lịch cho Burst trên
các tuyến đường thay thế. Quá trình lập lịch sẽ được thực hiện qua các bước sau:
Giả sử ta có một danh sách gồm M các tuyến đường thay thế được ký hiệu là K,
khi đó K =1,2 M.

22
Trên mỗi tuyến có F sợi quang được ký hiệu là f, khi đó f = 1,2,…F.
Trên mỗi sợi quang đều có W bước sóng giống nhau (λ
o
, λ
1
, λ
2
…. λ
W-1)
.
Burst cần được lập lịch được truyền trên bước sóng λ
i
và có thời điểm đến là t.

Bước 1: Khởi tạo tuyến K = 1, kênh sợi quang f = 1, gapmin = 100s, C
n
= 0 (C
n
là biến số lưu chỉ số của sợi quang f được chọn để lập lịch cho Burst đến thứ n);
Bước 2: Cho K chạy từ đến M để thực hiện lập lịch lần lượt trên các tuyến bắt
đầu từ tuyến 1.
Bước 3: Cho f chạy từ 1 đến F để tìm giá trị LAUT
i
của bước sóng λ
i
lần lượt
trên các kênh sợi quang đầu ra của tuyến số 0. Tại kênh bước sóng λ
i
của sợi quang f
tiến hành kiểm tra giá trị LAUTi so với thời điểm đến t của Burst cần được lập lịch.
Nếu LAUT
if
< t, tức gapif = t - LAUT
if
>0 chuyển sang bước 4. Nếu không lặp lại quá
trình với kênh sợi quang f+1 cho đến khi f = f+1 thì chuyển bước 5.
Bước 4: So sánh gapif với gapmin. Nếu gapmin > gapif, thì gán gapmin = gapif
, gán C = f và quay lại bước 3 để tìm tiếp kênh khác. Ngược lại thì giữ nguyên các
thông số khác và quay lại bước 3 với f = f +1.
Bước 5: Khi f = F+1 quá trình tìm kiếm trên tuyến K=1 kết thúc, kiểm tra chỉ số
C
n
. Nếu C
n

= f , tức đã tìm được kênh bước sóng λi trên sợi quang f = C
n
để lập lịch
cho Burst và đây là kênh có gap nhỏ nhất trên tuyến K , khi đó quá trình tìm kiếm kết
thúc, kênh bước sóng λi của sợi quang f = C
n
trên tuyến K là kênh thay thế được chọn
để định tuyến Burst đến đích. Nếu C
n
= 0 tức không có sợi quang nào có kênh bước
sóng λ
i
phù hợp cho Burst trên tuyến K = 1 và quay lại bước 2 để tìm tiếp trên tuyến K
=K+1. Đến khi K = M+1 thì chuyển bước 6.
Bước 6: Khi K=M+1 tức không tìm được sợi quang nào có bước sóng λ
i
phù
hợp cho Burst trên toàn bộ các tuyến K. Do vậy Burst sẽ buộc phải lưu vào bộ đệm
điện để chờ khi có tài nguyên phù hợp sẽ lại được chèn lại vào mạng.
Từ các bước trên ta có sơ đồ giải thuật định tuyến NAN như sau:



23
Gap if > 0 ?
Gapmin > Gap i ?
Đúng
Đúng
Sai
Sai

K = 1
f = 1
C
n
= 0
Gapmin = 100 s
λ
i
thuộc sợi quang f=C
n
là
kênh được chọn trên tuyến
K để lập lịch cho Burst
f = F+1 ?
Đúng
Sai
C
n
= 0 ?
f = f +1
f = f +1
C
n
= f
Gapmin = Gap if
f = f +1
Đúng
sai
Ghi chú:
Gap if = t - LAUT if

K = M +1?
K = K +1
Đúng
Sai
Không tìm được kênh đầu
ra cho Burst Lưu Burst
vào bộ đệm chờ được
chèn lại vào mạng khi có
tài nguyên phù hợp

Hình 3.6: Định tuyến NAN sử dụng giải thuật LAUC
Như đã đề cập ở trên, tùy theo tính chất dịch vụ hay hiện trạng của mạng mà ta
có thể lựa chọn các thông số khác để làm tiêu chí tìm tuyến đường thay thế cho Burst
bị xung đột sao cho tỷ lệ mất Burst là tối thiểu nhất. Hoặc cũng có thể kết hợp nhiều
yếu tố với nhau tại các giai đoạn khác nhau để tìm đường thay thế sao cho hiệu quả
nhất. Sau khi thực hiện tìm tuyến đường lệch hướng phù hợp và nếu tìm được kênh