NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢ I PHÁP NÂNG CAO CHẤT LỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.53 MB, 138 trang )

Trang 1<div class="page_container" data-page="1">

ĐẠI HỌC HUẾ

PHẠM TRUNG ĐỨC

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ

TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

HUẾ, NĂM 2021

</div>Trang 3<div class="page_container" data-page="3">

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu do tơi thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Võ Viết Minh Nhật và TS. Đặng Thanh Chương. Những nội dung trong các cơng trình đã được cơng bố chung với các tác giả khác đã được sự chấp thuận của đồng tác giả khi đưa vào luận án. Các số liệu và kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa được công bố bởi tác giả nào trong bất kỳ cơng trình nào khác.

Nghiên cứu sinh

Phạm Trung Đức

</div>Trang 4<div class="page_container" data-page="4">

LỜI CẢM ƠN

Trước hết tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành và sâu sắc đến PGS. TS. Võ Viết Minh Nhật và TS. Đặng Thanh Chương là những người Thầy đã tận tình hướng dẫn chỉ bảo, động viên và giúp đỡ để tơi có thể hồn thành được luận án này.

Tơi xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ của Quý Thầy Cô trong Khoa Công nghệ Thông tin - Trường Đại học Khoa học Huế đã quan tâm, giúp đỡ, hướng dẫn trong suốt q trình học tập.

Tơi xin trân trọng cảm ơn Quý Lãnh đạo, Hội đồng quản trị Công ty cổ phần Bến xe Huế đã tạo điều kiện thuận lợi trong công tác để tôi có đủ thời gian hồn thành luận án này. Tôi xin cảm ơn Quý Thầy Cơ, cán bộ quản lý Phịng Đào tạo Sau đại học – Trường Đại học Khoa học Huế đã giúp đỡ tơi hồn thành kế hoạch học tập.

Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn các bạn đồng nghiệp, người thân trong gia đình ln động viên, giúp đỡ tôi về mọi mặt trong suốt quá trình nghiên cứu, học tập.

Nghiên cứu sinh

Phạm Trung Đức

</div>Trang 5<div class="page_container" data-page="5">

1.1 Giới thiệu về mạng chuyển mạch chùm quang ... 9

1.1.1Kiến trúc của mạng OBS ... 9

1.1.2So sánh về các mơ hình chuyển mạch quang ... 10

1.1.3Các hoạt động tại nút biên ... 14

1.1.4Các hoạt động tại nút lõi ... 17

1.1.5Lập lịch trong mạng OBS ... 22

1.2 Chất lượng dịch vụ trong mạng OBS ... 24

1.2.1Sự cần thiết nâng cao chất lượng dịch vụ ... 24

1.2.2Nâng cao chất lượng dịch vụ tại nút lõi ... 27

1.2.3Nâng cao chất lượng dịch vụ tại nút biên ... 30

1.3 Mục tiêu nghiên cứu của luận án ... 33

1.4 Tiểu kết chương 1 ... 34

CHƯƠNG 2.GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TẠI NÚT LÕI ... 35

</div>Trang 6<div class="page_container" data-page="6">

2.1 Điều khiển chấp nhận lập lịch hỗ trợ cung cấp chất lượng dịch vụ ... 35

2.2 Phân tích và đánh giá các mơ hình điều khiển chấp nhận ... 37

2.3.1Mơ hình dự đốn dựa trên tốc độ chùm đến ... 43

2.3.2Mơ tả thuật tốn điều khiển chấp nhận trong mơ hình ARP-SAC ... 46

2.3.3So sánh và đánh giá dựa trên mô phỏng ... 50

2.3.4Nhận xét ... 53

2.4 Phương pháp dành lại tài nguyên cho chùm ưu tiên cao ... 54

2.4.1Nguyên tắc dành lại tài nguyên cho chùm ưu tiên cao ... 54

2.4.2Mơ tả thuật tốn điều khiển chấp nhận trong mơ hình TPAC ... 55

2.4.3Phân tích mơ hình TPAC ... 56

2.4.4So sánh và đánh giá dựa trên mô phỏng ... 61

2.4.5Nhận xét ... 68

2.5 Mơ hình kết hợp TPAC và đường trễ ... 69

2.5.1Mơ tả thuật tốn iTPAC ... 70

</div>Trang 7<div class="page_container" data-page="7">

3.1.3Mơ hình cung cấp chất lượng dịch vụ OT-BLD ... 82

3.1.4So sánh và đánh giá dựa trên mô phỏng ... 84

3.2.4Giải pháp sử dụng đường trễ nhằm giảm mất mát chùm ... 95

3.2.5So sánh và đánh giá dựa trên mô phỏng ... 98

3.3 Kết hợp nút biên và nút lõi trong phân biệt chất lượng dịch vụ ... 99

3.3.1Điều chỉnh kích thước chùm dựa trên phản hồi... 99

3.3.2Mơ hình phân biệt chất lượng dịch vụ dựa trên thời gian bù đắp và độ dài chùm được điều chỉnh OT-ABLD ... 101

3.3.3So sánh và đánh giá dựa trên mô phỏng ... 103

3.3.4Nhận xét ... 107

3.4 Tiểu kết chương 3 ... 107

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN ÁN ... 109

DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ... 110

</div>Trang 8<div class="page_container" data-page="8">

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Thuật ngữ tiếng Anh Diễn giải ý nghĩa

ARP-SAC

Adaptive Rate Prediction Scheduling Admission Control

Điều khiển chấp nhận lập lịch dựa trên dự đốn tốc độ đến một cách thích nghi

BCP Burst Control Packet Gói điều khiển chùm

BF-VF Best Fit with Void Filling

(Kênh) phù hợp nhất với lấp đầy khoảng trống

BLD Burst Length-based Differentiation Phân biệt dựa trên độ dài chùm

DWDM Density Wavelength Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia bước sóng mật độ cao

DWG Dynamic Wavelength Grouping Nhóm bước sóng động

FFUC First Fit Unscheduled Channel Kênh chưa được lập lịch phù hợp đầu tiên

FFUC-VF First Fit Unscheduled Channel with Void Filling

Kênh chưa được lập lịch phù hợp đầu tiên với lấp đầy khoảng

</div>Trang 9<div class="page_container" data-page="9">

vii

Từ viết tắt Thuật ngữ tiếng Anh Diễn giải ý nghĩa

iBFVF improved Best Fit with Void Filling (kênh) phù hợp nhất với lấp đầy khoảng trống cải tiến

iTPAC improved Traffic Prediction based Admission Control

Điều kiển chấp nhận dựa trên dự đoán lưu lượng cải tiến

JET Just Enough Time Giao thức báo hiệu với thời gian đặt trước tài nguyên vừa đủ LAUC Lastest Available Unscheduled

Channel

Kênh chưa được lập lịch khả dụng gần nhất

LAUC-VF Lastest Available Unscheduled Channel with Void Filling

Kênh chưa được lập lịch khả dụng gần nhất với lấp đầy khoảng trống

LAUT Latest Available Unscheduled Time

Thời điểm chưa được lập lịch

LLAC Load-Level Admission Control

Điều khiển chấp nhận dựa trên tải

Min-EV Minimum Ending Void

Khoảng trống với kết thúc tối thiểu

NACK Negative Acknowledgement packet Gói báo nhận khơng thành cơng

O/E/O Optical/Electronic/Optical Chuyển đổi quang-điện-quang

OBS Optical Burst Switching Chuyển mạch chùm quang

</div>Trang 10<div class="page_container" data-page="10">

viii

Từ viết tắt Thuật ngữ tiếng Anh Diễn giải ý nghĩa

OCS Optical Circuit Switching Chuyển mạch kênh quang

OPS Optical Packet Switching Chuyển mạch gói quang

OT-ABLD Offset Time and Adjusted Burst

OTD Offset Time based Differentiation

Phân biệt dựa trên thời gian bù đắp

OXC Optical Cross Connect Thiết bị chuyển mạch quang

RAM Random Access Memory Bộ nhớ lưu trữ ngẫu nhiên

RED Random Early Detection Sự phát hiện sớm ngẫu nhiên

RWA Routing Wavelength Assignment Định tuyến gán bước sóng SWG Static Wavelength Grouping Nhóm bước sóng tĩnh TPAC Traffic Prediction based Admission

Control

Điều khiển chấp nhận dựa trên dự đoán lưu lượng

TW-EWMA

Time Window - Exponentially Weighted Moving Average

Trung bình dịch chuyển có trọng số dựa trên cửa sổ thời gian

WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia bước sóng

</div>Trang 11<div class="page_container" data-page="11">

CÁC KÝ HIỆU ĐƢỢC SỬ DỤNG

Lưu lượng tải đến của luồng Ngưỡng kích thước chùm tối thiểu

Kích thước hàng đợi

Độ dài chùm hoàn thành của lần tập hợp chùm hiện thời Ngưỡng độ dài chùm tối thiểu

Ngưỡng độ dài chùm tối đa

Độ dài chùm hoàn thành của hàng đợi Số lần tập hợp chùm sau cùng nhất Số chùm trung bình đã lập lịch

Số chùm đến trong tập các chùm chưa được lập lịch

Tổng xác suất mất chùm của toàn liên kết ra Tổng xác suất mất chùm của luồng

Lỗi ước tính trung bình trong các lần tập hợp chùm Thời điểm gửi gói điều khiển

Thời điểm gửi gói điều khiển của hàng đợi

Thời điểm gửi chùm dữ liệu

Thời điểm gửi chùm dữ liệu của hàng đợi

Ngưỡng thời gian tập hợp chùm

Ngưỡng thời gian tập hợp chùm của hàng đợi

</div>Trang 12<div class="page_container" data-page="12">

Thời gian bù đắp (offset time)

Thời gian bù đắp của hàng đợi

Cửa sổ thời gian dự đoán

Số kênh bước sóng

Tổng số bước sóng của liên kết ra

Số chùm đến lập lịch Tốc độ đến của luồng

Tốc độ đến dự đoán của luồng

Tốc độ đến hiện thời của chùm

Tốc độ đến trung bình của chùm Tốc độ phục vụ trung bình

Độ dài chùm trung bình

Độ chồng lấp của chùm với các kênh bước sóng Độ chồng lấp của chùm với các kênh bước sóng Tải đến của chùm

Tải chuẩn hóa Tham số điều khiển

Cửa sổ thời gian quan sát Trọng số của

Trọng số của

</div>Trang 13<div class="page_container" data-page="13">

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Kiến trúc mạng chuyển mạch chùm quang [8] ... 9

Hình 1.2 Các hoạt động chính của nút mạng chuyển mạch chùm quang [8] ... 10

Hình 1.3 Kiến trúc chuyển mạch kênh quang [43] ... 11

Hình 1.4 Kiến trúc chuyển mạch gói quang OPS [43]... 12

Hình 1.5 Nút biên vào mạng chuyển mạch chùm quang [8] ... 15

Hình 1.6 Tập hợp và tách chùm tại nút biên mạng chuyển mạch chùm quang [43] 15 Hình 1.7 Cấu tạo nút lõi mạng chuyển mạch chùm quang [43] ... 18

Hình 1.8 Hai mơ hình đường trễ FDL: (a) kiểu truyền thẳng, (b) kiểu hồi quy ... 21

Hình 1.9 Sự khác biệt của các thuật toán lập lịch khác nhau ... 22

Hình 1.10 Sơ đồ khối tầng IP trên OBS trong ba lớp [43] ... 26

Hình 1.11 Phân lớp cung cấp QoS trong mạng OBS [45] ... 30

Hình 2.1 Một ví dụ về chủ động đánh rơi chùm ưu tiên thấp để dành tài nguyên cho chùm ưu tiên cao đến sau (b), so với kiểu lập lịch truyền thống là đến trước, phục vụ trước (a) ... 36

Hình 2.2 Ví dụ về điều khiển chấp nhận của (a) SWG và (b) DWG ... 37

Hình 2.3 Các ví dụ mơ tả cách thức hoạt động của LLAC ... 38

Hình 2.4 So sánh tỉ lệ mất chùm của lớp ưu tiên cao, thấp và tổng giữa SWG, DWG và LLAC ... 41

Hình 2.5 Băng thơng sử dụng trong hai lớp của mơ hình SWG, DWG và LLAC ... 42

Hình 2.6 Các cửa sổ quan sát gián đoạn được thực hiện trong TW-EWMA ... 45

Hình 2.7 Mơ hình hoạt động ARP-SAC ... 46

Hình 2.8 Sự thay đổi dữ liệu đến trong 50 cửa sổ ước tính đầu tiên ... 51

</div>Trang 14<div class="page_container" data-page="14">

xii

Hình 2.9 So sánh tỉ lệ mất chùm giữa các mơ hình SWG, DWG, LLAC, ARP-SAC

... 52

Hình 2.10 So sánh sự phân bổ bước sóng cho luồng chùm ưu tiên thấp ... 53

Hình 2.11 Cách thức phân bổ bước sóng trong TPAC ... 57

Hình 2.12 Lược đồ chuyển trạng thái của mơ hình ... 58

Hình 2.13 Một ví dụ về một lược đồ chuyển trạng thái với W0=4 và W1=3 ... 60

Hình 2.14 Tỉ lệ lỗi dự đốn trung bình (¯(R_E )) của lớp 0 và lớp 1 khi tải đến thay

Hình 2.18 Xác suất mất chùm theo mô phỏng và phân tích tốn học ... 68

Hình 2.19 Mơ tả cách thức sử dụng đường trễ FDL trong mơ hình iTPAC ... 69

Hình 2.20 So sánh tỉ lệ mất chùm của lớp ưu tiên thấp giữa TPAC và iTPAC trong trường hợp tỉ lệ luồng ưu tiên cao và ưu tiên thấp đến khác nhau (tổng tải chuẩn hóa 0.9)... 73

Hình 2.21 So sánh tỉ lệ mất chùm lớp ưu tiên thấp của iTPAC khi thay đổi độ dài đường trễ ... 73

Hình 2.22 So sánh tỉ lệ mất chùm lớp ưu tiên thấp của iTPAC khi sử dụng 1, 2 và 3 đường trễ với các tỉ lệ luồng ưu tiên cao và ưu tiên thấp đến khác nhau ... 75

Hình 3.1 Kiến trúc nút biên mạng OBS [70] ... 79

Hình 3.2 Một ví dụ về phân biệt QoS dựa vào thời gian bù đắp ... 81

</div>Trang 15<div class="page_container" data-page="15">

xiii

Hình 3.3 Một ví dụ về phân biệt QoS dựa vào kích thước chùm ... 81

Hình 3.4 Tập hợp chùm tại nút biên của mơ hình OT-BLD ... 82

Hình 3.5 Thiết lập thời gian bù đắp bổ sung lớn hơn độ dài chùm ưu tiên thấp sẽ giúp giảm tranh chấp giữa 2 lớp chùm ưu tiên ... 83

Hình 3.6 So sánh tỉ lệ mất chùm ưu tiên cao (a), ưu tiên thấp (b) và tổng (c) giữa các mơ hình: undiff, OTD, BLD và OT-BLD ... 85

Hình 3.7 So sánh độ trễ trung bình (µs) giữa các mơ hình: undiff, OTD, BLD và Hình 3.10 Phân bố các lớp head_overlap, LAUT_overlap và tail_overlap trong dữ liệu lập lịch khơng thành cơng ... 93

Hình 3.11 Kết quả xếp hạng các thuộc tính với CSE... 94

Hình 3.12 Kết quả xếp hạng các thuộc tính với CA ... 95

Hình 3.13 Chồng lấp LAUT (a) hay chồng lấp đầu (b) đều có thể được khắc phục nhờ thay đổi thời gian chùm đến ... 96 Hình 3.14 Mơ hình điều khiển lập lịch tại nút lõi OBS ... 97 Hình 3.15 So sánh tỉ lệ mất chùm khi có và khơng sử dụng đường trễ FDL... 98

Hình 3.16 Tỉ lệ phần trăm độ trễ trung bình tăng thêm khi sử dụng đường trễ FDL99

Hình 3.17 Cấu trúc của gói điều khiển được sử dụng trong giao thức JET ... 100 Hình 3.18 Các trường hợp một chùm đến không thể lập lịch vào một khoảng trống ... 101

Hình 3.19 Cấu trúc của gói NACK được thêm bởi 4 byte cho kích thước khoảng

</div>Trang 16<div class="page_container" data-page="16">

xiv

trống ... 102

Hình 3.20 Các mô-đun chức năng được thêm cho các nút biên vào và nút lõi để phản hồi thơng tin kích thước khoảng trống và điều chỉnh kích thước của chùm ưu tiên cao hồn thành ... 102

Hình 3.21 So sánh về tổng tỉ lệ mất chùm giữa các mơ hình undiff, OTD, BLD và OT-ABLD ... 104

Hình 3.22 So sánh tỉ lệ mất chùm giữa các mơ hình undiff, OTD, BLD và OT-ABLD ... 104

Hình 3.23 Một so sánh giữa kích thước khoảng trống và chiều dài trên 100 cửa sổ quan sát liên tiếp với hai trường hợp tải: (0,2, 0,2) và (0,4, 0,2) ... 105 Hình 3.24 Độ trễ trung bình (µs) của chùm ưu tiên cao (theo gói) ... 106 Hình 3.25 Thời gian tập hợp (μs) của hàng đợi ưu tiên cao (L(0)) thay đổi trong 100 cửa sổ quan sát thành công trong hai trường hợp tải: (0.2,0.2) và (0.4,0.2) ... 106

</div>Trang 17<div class="page_container" data-page="17">

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 So sánh các mơ hình chuyển mạch quang [26] ... 14

Bảng 1.2 So sánh giữa các tiếp cận xử lý tranh chấp trong mạng OBS [32] ... 20

Bảng 1.3 Tóm lược các cơ chế cung cấp/cải tiến CLDV tại các nút mạng OBS ... 32

Bảng 2.1 Ưu điểm và vấn đề chưa giải quyết các mơ hình điều khiển chấp nhận đã cơng bố ... 39

Bảng 3.1 Độ trễ trung bình (µs) của các gói tin chùm thuộc lớp ưu tiên cao ... 88

Bảng 3.2 Độ trễ trung bình (µs) các gói tin chùm thuộc lớp ưu tiên thấp ... 88

Bảng 3.3 Mơ tả dữ liệu trạng thái lập lịch được trích xuất từ các nút lõi ... 91

Bảng 3.4 Mô tả dữ liệu được chuyển đổi thành nguyên nhân lập lịch không thành công ... 92

Bảng 3.5 Độ trễ trung bình các gói tin thuộc lớp ưu tiên thấp đơn vị theo µs ... 107

</div>Trang 18<div class="page_container" data-page="18">

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài

Với sự bùng nổ các ứng dụng mạng trong những năm gần đây, truyền tải dữ liệu qua mạng trở thành một vấn đề thách thức và đang thu hút nhiều sự quan tâm. Đã có nhiều đề xuất khác nhau về phương thức truyền tải dữ liệu, từ kiểu truyền tải thông tin truyền thống qua các sợi cáp đồng, qua sóng vơ tuyến đến các sợi quang hỗ trợ truyền đa kênh, trong đó sợi quang có nhiều ưu điểm như độ suy giảm thấp, băng thông rất lớn và khả năng miễn nhiễm đối với nhiễu điện so với cáp đồng. Với những thành công vượt bậc gần đây của công nghệ ghép kênh phân chia kênh bước sóng WDM, băng thơng của mỗi sợi quang được tách thành nhiều kênh bước sóng, từ đó đã đáp ứng tốt hơn nhu cầu truyền thơng ngày càng cao của người dùng [35], [53].

Truyền thông quang, từ khi ra đời cho đến nay, đã trải qua ba thế hệ phát triển, từ những mơ hình định tuyến bước sóng WR ban đầu cung cấp các liên kết

điểm-điểm, đến thế hệ thứ hai với những đường quang (lightpath) đầu – cuối dành riêng ở

lớp quang. Trong thế hệ thứ 3, các mơ hình chuyển mạch gói quang OPS [53] được đề xuất với ý tưởng được lấy cảm hứng từ mạng chuyển mạch gói điện nhằm có thể triển khai trên các cấu trúc liên kết vòng hay lưới nhằm có thể điều chỉnh linh hoạt để đáp ứng với việc lưu lượng thay đổi. Tuy nhiên, với một số hạn chế về mặt công

nghệ, như không thể sản xuất các bộ đệm quang (tương tự bộ nhớ RAM trong mạng

điện) hay các chuyển mạch gói quang ở tốc độ nano giây, chuyển mạch gói quang OPS chưa thể trở thành hiện thực. Một giải pháp thỏa hiệp là mơ hình chuyển mạch

chùm quang OBS.

Một đặc trưng tiêu biểu của truyền thông trong mạng chuyển mạch chùm

quang OBS là phần (gói) điều khiển BCP tách rời với phần (chùm) dữ liệu DB. Nói

một cách khác, để thực hiện truyền một chùm quang, gói điều khiển được hình

thành và được gửi đi trước một khoảng thời gian bù đắp (thời gian offset). Khoảng

</div>Trang 19<div class="page_container" data-page="19">

thời gian bù đắp này cần được tính tốn sao cho đủ để đặt trước tài ngun và cấu hình các chuyển mạch tại các nút trung gian dọc theo hành trình mà chùm quang sẽ đi qua từ nút nguồn đến nút đích. Khơng chỉ tách rời về mặt thời gian, gói điều khiển BCP cũng tách rời so với chùm dữ liệu của nó về mặt khơng gian, trong đó một số kênh (bước sóng) được dành riêng cho gói điều khiển BCP, trong khi các kênh còn lại được dùng cho việc truyền chùm dữ liệu [75].

Với cách truyền tải dữ liệu như vậy, rõ ràng mạng OBS không cần đến các bộ đệm quang để lưu tạm thời các chùm dữ liệu trong khi chờ đợi việc xử lý các gói điều khiển BCP của chúng tại các nút trung gian (nút lõi) và mạng OBS cũng không yêu cầu các chuyển mạch tốc độ nano giây. Tuy nhiên, cách truyền thông này cũng đặt ra một áp lực là làm thế nào để một gói điều khiển có thể kịp đặt trước tài nguyên và cấu hình chuyển mạch thành công tại các nút lõi, đảm bảo cho việc chuyển tiếp chùm quang đi sau nó. Đó chính là nhiệm vụ của các hoạt động như đặt trước tài nguyên, lập lịch và xử lý tranh chấp [19].

Trong mạng máy tính, vấn đề nâng cao chất lượng dịch vụ (CLDV) được hiểu là khả năng đáp ứng của các dịch vụ với các mức độ chất lượng khác nhau cho các ứng dụng khác nhau [31]. Đây là vấn đề quan trọng và cần thiết đối với bất cứ mạng truyền thông nào, bao gồm cả mạng OBS. Thực tế, dữ liệu từ các mạng truy cập đến nút biên mạng OBS có thể thuộc về các lớp CLDV khác nhau, với các yêu cầu về dịch vụ truyền tải khác nhau trong mạng OBS. Do đó, việc định nghĩa các lớp dịch vụ quang tương đương với các lớp CLDV IP hoặc ATM là cần thiết [43].

Nâng cao chất lượng dịch vụ trong mạng OBS có thể diễn dịch như việc đưa ra các giải pháp hoặc cơ chế cung cấp/cải tiến CLDV tại mỗi nút biên, nút lõi hay kết hợp giữa nút biên và nút lõi, tại đó các cơ chế cung cấp/cải tiến CLDV có thể được phân chia thành hai loại: (1) cơ chế cải tiến CLDV chung, có thể định nghĩa là bất kỳ cơ chế cải thiện hiệu năng chung trên toàn mạng và cung cấp dịch vụ thỏa đáng cho người dùng cuối, và (2) đưa ra một kịch bản mới nhằm cung cấp CLDV [31].

</div>Trang 20<div class="page_container" data-page="20">

Giải pháp để nâng cao CLDV trong mạng OBS có thể thực hiện được bằng cách cung cấp sự phân biệt CLDV tại một số điểm (nút) trong mạng OBS [32]. Cụ thể, các cách tiếp cận điển hình cho các cơ chế cung cấp sự phân biệt này có thể là: phân biệt tại tầng điều khiển và tầng dữ liệu [45], tại đó các hoạt động cung cấp

phân biệt CLDV có thể là: phân biệt về thời gian bù đắp, phân biệt trong chính sách

giải quyết tranh chấp, phân biệt trong quá trình tập hợp chùm và phân biệt trong một số hoạt động lập lịch... [32]. Các mơ hình này rất cần thiết có những cơ chế điều khiển hiệu quả nhằm cung cấp sự phân biệt CLDV đã cam kết, đồng thời có thể cung cấp thêm tài nguyên cho các ứng dụng khác nhau nhằm tối ưu hóa hiệu năng truyền thơng trên tồn mạng (dựa trên u cầu về độ trễ, tỉ lệ mất mát dữ liệu và các ràng buộc về băng thông ...).

2. Động lực nghiên cứu

Hiện đã có các nghiên cứu nhằm nâng cao CLDV trong mạng OBS mà có thể phân thành 2 nhóm tiếp cận, giải pháp chính:

- Nâng cao CLDV tại nút biên;

- Nâng cao CLDV tại nút lõi;

Với nhóm giải pháp nâng cao CLDV tại nút biên, có 2 hướng tiếp cận nhằm

cung cấp sự phân biệt CLDV gồm: (1) phân biệt dựa trên thời gian bù đắp (OTD) và (2) phân biệt dựa trên kích thước chùm (BLD). Phân biệt dựa trên thời gian bù đắp

dựa trên ý tưởng chính là bổ sung thêm thời gian bù đắp vào chùm có lớp ưu tiên (QoS) cao nhằm đạt được một sự phân biệt “hoàn toàn” về mất mát dữ liệu (chùm) so với chùm có lớp QoS thấp [23], [49]. Với phân biệt dựa trên kích thước chùm, các gói tin QoS cao sẽ được tập hợp thành chùm có kích thước ngắn nhằm tăng cơ hội lập lịch vào các khoảng trống nhàn rỗi, trong khi các gói tin có QoS thấp hơn sẽ được tập hợp vào chùm có kích thước dài hơn [25], [42]. Các phương pháp phân biệt này chủ yếu sử dụng các giải thuật tập hợp chùm với các ngưỡng thời gian/độ dài khác nhau nhằm cung cấp được sự phân biệt CLDV tại nút biên vào. Một đặc điểm khác là các phương pháp này đều không yêu cầu cơ chế điều khiển chấp nhận

</div>Trang 21<div class="page_container" data-page="21">

4 [39] nhằm cung cấp CLDV tại các nút biên vào.

Khác với các giải pháp nâng cao CLDV tại nút biên, nhóm giải pháp nâng cao CLDV tại nút lõi thường nhắm đến mục tiêu cung cấp CLDV thông qua quá trình điều khiển chấp nhận lập lịch [5], [33], trong đó, việc điều khiển chấp nhận chủ yếu là ưu tiên (tài nguyên) cho lớp ưu tiên cao thơng qua việc phân bổ số bước sóng, chọn giải pháp lập lịch hoặc quyết định áp dụng các kỹ thuật xử lý tắc nghẽn.

Trong mạng OBS, nút biên và nút lõi đóng một vai trị quan trọng để nghiên cứu giải pháp nâng cao CLDV, bởi vì:

 Thứ nhất, dữ liệu từ các mạng truy cập (chẳng hạn các gói tin IP) có thể có các yêu cầu QoS khác nhau, nên dữ liệu có cùng lớp QoS thường được tập hợp vào cùng một chùm. Các chùm có cùng lớp ưu tiên sẽ hình thành nên luồng chùm QoS tương ứng, được cấp phát tài nguyên ưu tiên, được thiết

lập độ dài và thời gian bù đắp cung cấp phân biệt CLDV tương ứng. Tại

nút lõi các luồng chùm này được lập lịch và được chuyển tiếp đến nút tiếp theo dưới sự điều khiển nâng cao CLDV đã được cung cấp. Quá trình nâng cao CLDV được thực hiện lặp lại như thế tại các nút lõi tiếp theo cho đến khi các chùm truyền đến nút đích.

 Thứ hai, chỉ có nút biên mới có các bộ đệm, nên giải pháp cung cấp/cải tiến CLDV đối với các chùm thuộc các lớp ưu tiên khác nhau sẽ dễ dàng hơn.

 Thứ ba, nút lõi thường khơng có bộ đệm nên việc xử lý nâng cao CLDV ở nút lõi thường khó thực hiện. Tuy nhiên, việc điều khiển chấp nhận lập lịch và phân bổ tài nguyên cũng góp phần không nhỏ vào việc nâng cao cơ chế cung cấp và cải tiến CLDV.

Dựa vào những đặc điểm đó luận án tập trung vào việc nghiên cứu giải pháp nâng cao CLDV tại nút biên, tại nút lõi và kết hợp cả nút biên và nút lõi (xem xét trên toàn mạng).

Với các nghiên cứu về giải pháp nâng cao các cơ chế cung cấp/cải tiến QoS tại

</div>Trang 22<div class="page_container" data-page="22">

nút biên và nút lõi, một số đánh giá được tóm lược như sau:

 Với các giải pháp nâng cao CLDV tại nút lõi, các đề xuất trong [5],

[18], [21], [22], [33], [40], [55], [57] đa số sử dụng hoạt động điều khiển chấp nhận lập lịch nhằm phân bổ tài nguyên ưu tiên trên các kênh ra, đối với các trường hợp không thể lập lịch được, các phương pháp xử lý tắc nghẽn như sử dụng đường trễ, phân đoạn chùm hay chuyển đổi bước sóng ... sẽ được thực hiện. Tuy nhiên, do ưu tiên các chùm QoS cao, tỉ lệ mất chùm QoS thấp trong các đề xuất này là khá lớn, trong khi tài nguyên ưu tiên cho các chùm QoS vẫn còn nhàn rỗi. Một mơ hình điều khiển cấp phát tài nguyên linh hoạt, uyển chuyển hơn là cần thiết nhằm nâng cao cơ chế cung cấp và cải tiến CLDV của các lớp.

 Với các giải pháp nâng cao CLDV tại nút biên, các giá trị ngưỡng tập

hợp chùm (như thời gian bù đắp, kích thước chùm) thường được sử dụng

để cung cấp CLDV, nâng cao mức CLDV được yêu cầu của dữ liệu được mang bên trong [23], [25], [42], [49]. Tuy nhiên, việc phối hợp các giá trị ngưỡng này sao cho vừa đạt được phân biệt CLDV và vừa cải thiện CLDV đối với các chùm ưu tiên thấp cũng là một nhu cầu cấp thiết cần được quan tâm đến.

 Kết hợp các giải pháp nâng cao CLDV tại nút biên và lõi, sẽ giúp đạt

được việc cung cấp và cải tiến CLDV trên tồn mạng, trong đó các nút biên có “tri thức” về trạng thái tài nguyên tại các nút lõi sẽ giúp việc cung cấp CLDV cho các lớp ưu tiên sẽ hiệu quả hơn theo nghĩa giảm mất mát dữ liệu, giảm độ trễ truyền thông và tăng hiệu quả băng thơng sử dụng.

Những vấn đề nêu trên chính là động lực để luận án tập trung nghiên cứu, cải tiến và đề xuất mới các giải pháp nâng cao CLDV tại nút biên, nút lõi và kết hợp giữa nút biên và nút lõi (trên toàn mạng OBS).

3. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu của luận án là nghiên cứu và cải tiến một số giải pháp/cơ

</div>Trang 23<div class="page_container" data-page="23">

chế nâng cao CLDV trên mạng OBS nhằm nâng cao CLDV cho lớp ưu tiên cao và cải thiện hiệu quả về tỉ lệ mất mát dữ liệu, độ trễ truyền thông và sử dụng băng thông của lớp ưu tiên thấp.

Mục tiêu nghiên cứu cụ thể của luận án gồm:

 Nghiên cứu và cải tiến cơ chế điều khiển chấp nhận lập lịch nâng cao CLDV dựa vào dự đoán tốc độ chùm đến tại nút lõi nhằm nâng cao hiệu quả lập lịch đối với các chùm QoS thấp nhưng vẫn đảm bảo mức CLDV đối với các chùm QoS cao. Hiệu quả của cơ chế điều khiển chấp nhận lập lịch được đánh giá thơng qua mơ phỏng và phân tích tốn học.

 Nghiên cứu và đề xuất phương pháp phân tích dữ liệu lịch sử lập lịch nhằm xác định các nhân tố ảnh hưởng đến hiệu quả lập lịch, từ đó đề xuất giải pháp giảm mất mát dữ liệu nhằm nâng cao hiệu năng lập lịch tại nút lõi.

 Nghiên cứu và cải tiến cơ chế cung cấp phân biệt CLDV dựa trên thời gian

bù đắp và kích thước chùm tại nút biên vào. Trên cơ sở thông tin tài

nguyên khả dụng được phản hồi từ nút lõi, nút biên vào thực hiện điều chỉnh một cách linh hoạt kích thước của các chùm được sinh ra nhằm đem lại hiệu quả về băng thông sử dụng, giảm tỉ lệ mất chùm nhưng vẫn nâng cao CLDV đối với mỗi lớp ưu tiên.

4. Đối tượng và Phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Các mơ hình, giải thuật điều khiển chấp nhận và tập

hợp chùm trong mạng chuyển mạch chùm quang.

- Phạm vi nghiên cứu: Nút biên và nút lõi trong mạng chuyển mạch chùm

quang.

5. Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tổng hợp các công bố liên quan đến các

giải thuật, mơ hình, cơ chế cải tiến và cung cấp CLDV. Phân tích, đánh giá ưu và khuyết điểm của một số mơ hình đã cơng bố để làm cơ sở cho việc cải tiến hoặc đề

</div>Trang 24<div class="page_container" data-page="24">

7 xuất mới.

- Phương pháp mô phỏng, thực nghiệm: Cài đặt các giải thuật cải tiến và đề

xuất mới về mơ hình nâng cao CLDV trọng mạng chuyển mạch chùm quang. Hệ mô phỏng NS2, gói mơ phỏng Obs-0.9a tạo dữ liệu mô phỏng và các giải thuật được cài đặt bằng ngôn ngữ C++/Dev-C.

6. Cấu trúc luận án

Luận án bao gồm phần mở đầu, ba chương nội dung, phần kết luận và danh mục các tài liệu tham khảo. Cụ thể:

- Chương 1, với tên chương “Tổng quan về chất lượng dịch vụ trong mạng

chuyển mạch chùm quang”, trình bày các kiến thức cơ bản về mạng chuyển mạch

chùm quang bao gồm: lịch sử phát triển của truyền thông quang, các mơ hình chuyển mạch quang, kiến trúc mạng chuyển mạch chùm quang, các hoạt động bên trong mạng và vấn đề nâng cao CLDV trên mạng chuyển mạch chùm quang.

- Chương 2, với tên chương “Giải pháp nâng cao chất lượng dịch vụ tại nút

lõi”, tập trung vào vấn đề chính: đề xuất một số mơ hình dự đốn tốc độ chùm đến

dựa vào điều khiển chấp nhận.

- Chương 3, với tên chương “Giải pháp nâng cao chất lượng dịch vụ tại nút

biên và kết hợp các nút”, giải quyết (3) vấn đề gồm: (1) trình bày tổng hợp các

nghiên cứu liên quan đến cơ chế cung cấp CLDV tại nút biên, (2) tìm hiểu nguyên nhân gây ra mất chùm dựa vào phân tích dữ liệu lịch sử lập lịch nhằm nâng cao hiệu năng tại nút lõi và (3) xem xét cấu trúc gói điều khiển nhằm đề xuất mơ hình cung cấp CLDV trên tồn mạng sau khi nhận được thông tin phản hồi khoảng trống tại nút lõi gửi về trong gói điều khiển để điều chỉnh giai đoạn tập hợp chùm nhằm tối ưu băng thông được sử dụng và đem lại hiệu quả trong vấn đề nâng cao CLDV.

“Kết luận và hướng phát triển của luận án” nêu những đóng góp của luận

án, hướng phát triển và những vấn đề quan tâm của tác giả.

</div>Trang 25<div class="page_container" data-page="25">

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG

Chuyển mạch chùm quang (OBS) đã được xem là mơ hình chuyển mạch gói quang khả dụng cho Internet tồn quang thế hệ mới [27], [48], nhằm đáp ứng sự gia tăng nhanh chóng về lưu lượng Internet trong một vài thập niên trở lại đây. Khái niệm chuyển mạch chùm/cụm (burst) được đưa ra đầu tiên bởi Amstutz và Kulzer [15]. OBS được phát triển nhằm mục đích thay thế cho hệ thống mạng chuyển mạch kênh quang OCS ít linh hoạt, nhưng được đánh giá là giải pháp khả dụng hơn so với chuyển mạch gói quang OPS chưa phát triển trưởng thành về mặt công nghệ. Công nghệ OBS dựa vào các tiến bộ gần đây của một số thiết bị mạng quang, như các chuyển mạch quang, bộ thu/phát quang và bộ chuyển đổi bước sóng quang [71] cùng với cơng nghệ ghép kênh bước sóng WDM. Mặc dù vẫn đang được phát triển (chưa được chuẩn hóa), nhưng mạng OBS hiện đang được coi là công nghệ mạng đạt thành tựu nhất có thể sử dụng trong Internet tồn quang ở thế hệ tiếp theo.

Có hai đặc trưng tiêu biểu của mạng OBS để đạt được ưu thế trên, đó là:

 Dữ liệu được chuyển mạch toàn quang, cụ thể sự tách biệt giữa kênh truyền gói điều khiển và kênh truyền dữ liệu về không gian và thời gian, nên khi đến tại một nút trung gian chỉ kênh điều khiển được chuyển đổi qua điện tử còn kênh dữ liệu vẫn lưu lại trong miền quang nên không chịu bất cứ sự chậm trễ nào về mặt thời gian, sự chậm trễ chỉ xảy ra trên kênh truyền gói điều khiển.

 Hạn chế chuyển đổi điện tử do số kênh dành cho gói điều khiển là ít, vì mỗi gói điều khiển chỉ mang một lượng dữ liệu hạn chế cố định và chủ yếu dành nhiều kênh truyền dữ liệu hơn để truyền các chùm dữ liệu có kích thước lớn.

Chương này sẽ giới thiệu kiến trúc của mạng OBS, so sánh OBS với các mô

</div>Trang 26<div class="page_container" data-page="26">

hình chuyển mạch khác và chỉ ra lý do vì sao OBS là khả thi cho Internet toàn quang thế hệ tiếp theo. Tiếp đó nội dung sẽ bao gồm kiến trúc và hoạt động của nút biên, nút lõi, thuật toán lập lịch trong mạng OBS. Các hoạt động tại nút lõi OBS, trong đó tập trung vào lập lịch và giải quyết tranh chấp cũng sẽ được đề cập đến. Cuối cùng là các vấn đề về nâng cao CLDV trong mạng OBS.

1.1 Giới thiệu về mạng chuyển mạch chùm quang

1.1.1 Kiến trúc của mạng OBS

Kiến trúc của mạng OBS bao gồm các nút kết nối với nhau thông qua các sợi dẫn quang có khả năng hỗ trợ ghép kênh đa bước sóng WDM. Các nút trên mạng OBS bao gồm nút biên (vào/ra) và nút lõi như mơ tả trong Hình 1.1. Nút biên vào chịu trách nhiệm tập hợp các gói dữ liệu thành các chùm và lập lịch chúng lên các kênh dữ liệu ra. Mỗi nút biên, như tên gọi của chúng, được xem là giao diện giữa miền điện tử (mạng người dùng) và miền quang (mạng OBS). Nút lõi chịu trách nhiệm chuyển mạch các chùm từ cổng vào đến cổng ra. Các thành phần của nút lõi gồm một bộ chuyển mạch quang, một đơn vị điều khiển chuyển mạch và các bộ xử lý để định tuyến và báo hiệu.

Hình 1.1 Kiến trúc mạng chuyển mạch chùm quang [8]

</div>Trang 27<div class="page_container" data-page="27">

Nút biên mạng OBS thường được trang bị bộ định tuyến IP mang giao diện OBS. Đối với mỗi chùm, sẽ có một gói điều khiển chứa thơng tin về độ dài chùm và lớp ưu tiên nhằm phục vụ cho việc đặt trước tài nguyên (bước sóng) tại mỗi nút trung gian. Ngoài ra, trong mạng OBS các gói điều khiển và dữ liệu được truyền riêng biệt trên các kênh khác nhau giúp mang lại sự linh hoạt và khả năng mở rộng. Cụ thể mỗi kênh điều khiển có thể mang nhiều gói điều khiển, được chuyển đổi O/E/O tại mỗi nút trung gian và được xử lý trong môi trường điện để cấu hình các chuyển mạch. Chùm dữ liệu theo sau gói điều khiển một khoảng thời gian bù đắp, khoảng thời gian này cần phải đủ để gói điều khiển đặt trước tài nguyên tại mỗi nút trung gian để chuyển tiếp chùm dữ liệu mà không chịu sự chờ đợi nào. Với cách truyền tải như vậy thì nút trung gian sẽ khơng cần trang bị bộ nhớ RAM [75].

Các hoạt động chính của các nút OBS sẽ được thể hiện chi tiết qua Hình 1.2.

Hình 1.2 Các hoạt động chính của nút mạng chuyển mạch chùm quang [8]

1.1.2 So sánh về các mơ hình chuyển mạch quang

Sự phát triển của cơng nghệ chuyển mạch quang có thể diễn dịch tóm lược qua cụm từ là chuyển mạch “X” quang (OXS), trong đó X = {C, P, B, L, F} tương ứng là kênh, gói, chùm, nhãn và luồng [11]. Ba mơ hình mạng chính được đề cập trong luận án để vận chuyển lưu lượng IP qua các mạng quang dựa trên WDM là mạng OCS, mạng OPS và mạng OBS, được mô tả và so sánh cụ thể trong phần này.

Với kiến trúc chuyển mạch kênh quang OCS, các nút chuyển mạch được thể

</div>Trang 28<div class="page_container" data-page="28">

hiện trong Hình 1.3 là một đường quang vật lý, có thể là tĩnh hoặc động, khi đã được thiết lập liên kết qua các nút trung gian, được gọi là chuyển mạch quang OXC. Các thiết bị này chịu trách nhiệm chuyển mạch toàn bộ dữ liệu vào được mang theo trên bước sóng tại một cổng vào nhất định đến một cổng ra khác. Trung bình, thời gian kết nối OCS trong vòng 1 phút hoặc lâu hơn, và thời gian ngắt kết nối là thường vài trăm mili giây (ms).

Hình 1.3 Kiến trúc chuyển mạch kênh quang [43]

Ưu điểm của mạng OCS là định tuyến bước sóng WR, tức là chính bước sóng đóng vai trò xác định cách thức đưa ra quyết định định tuyến/chuyển mạch cho đường dẫn quang. Đây là một công nghệ đã trưởng thành và đã được triển khai tại một số đơn vị cung cấp mạng đường trục đường dài và có khả năng cung cấp QoS hiệu quả cho các mạng truy cập (mạng người dùng). Mặc dù cách tiếp cận này có thể xem là một ý tưởng cải tiến so với kiến trúc điểm-điểm thế hệ đầu tiên, nhưng nó vẫn bộc lộ một số hạn chế như các kết nối với thời gian ngắn sẽ làm việc truyền dữ liệu rời rạc (sporadic) dẫn đến chi phí kiểm sốt q cao. Một đặc điểm khác của OCS là các nút trung gian hoàn toàn trong suốt đối với dữ liệu (IP, voice, ethernet…) truyền. Hơn nữa, băng thông được phân bổ trên bước sóng λ tại mọi thời điểm là không cần thiết. Trong thực tế, hầu hết các ứng dụng hiện nay chỉ cần kết nối đến bước sóng λ tại một vài thời điểm. Ngồi ra, khi mơi trường mạng có sự

</div>Trang 29<div class="page_container" data-page="29">

biến động về mật độ đến thì dữ liệu được truyền đi có thể chỉ trong vài giây hoặc ít hơn. Rõ ràng có một sự lãng phí lớn về sử dụng băng thơng trong mạng OCS.

Mạng chuyển mạch gói quang (OPS), như được mơ tả trong Hình 1.4, là một mơ hình chuyển mạch cho phép chuyển mạch và định tuyến các gói tin IP trong miền quang mà không cần một chuyển đổi nào về miền điện tử tại mỗi nút. Một nút mạng OPS có một ma trận chuyển mạch (switching fabric) có khả năng cấu hình lại đối với từng gói tin đến. Phần dữ liệu (payload) được gửi đi cùng với phần điều khiển (header) mà không cần bất kỳ thiết lập nào trước khi gửi vào mạng. Tại mỗi nút lõi, phần dữ liệu được lưu tạm trong một bộ đệm quang, trong khi phần điều khiển (header) được chuyển đổi từ quang sang điện và được xử lý trong miền điện. Dựa trên thông tin điều khiển, chuyển mạch được cấu hình để chuyển gói quang từ một cổng vào đến một cổng ra và sau đó được truyền đến nút tiếp theo ngay lập tức. Tuy nhiên, do hạn chế về mặt công nghệ hiện tại chưa sản xuất được các bộ đệm quang cũng như các bộ chuyển mạch quang tốc độ cao (mức nano giây) nên mạng OPS khó khả thi trong một tương lai gần [4].

Hình 1.4 Kiến trúc chuyển mạch gói quang OPS [43]

Chuyển mạch chùm quang (OBS), như được mô tả trong Mục 1.1.1, là một giải pháp thỏa hiệp cho hai mơ hình OCS và OPS. Một so sánh giữa ba mơ hình

</div>Trang 30<div class="page_container" data-page="30">

chuyển mạch quang OCS, OPS và OBS dựa trên năm tiêu chí: mức sử dụng băng thông, độ trễ thiết lập, tốc độ chuyển mạch, độ phức tạp xử lý và khả năng thích ứng với lưu lượng, như được khuyến cáo trong [26], [31] được mô tả chi tiết như sau:

Sử dụng băng thông: Trong mạng OCS, thiết lập đường dẫn quang cũng

giống như thiết lập mạch điện, được thiết lập tĩnh hoặc động. Thêm vào đó, tồn bộ băng thơng của mỗi đường dẫn được dành riêng cho một cặp nút nguồn - đích và băng thông không sử dụng sẽ không thể được lấy lại bởi cho các nút khác có nhu cầu gửi dữ liệu. Điều này có nghĩa là cơng nghệ OCS không cung cấp chức năng ghép kênh thống kê. Ngược lại, việc sử dụng băng thông liên kết trong mạng OPS và OBS là được cải thiện đáng kể do lưu lượng giữa các cặp nút nguồn - đích khác nhau được phép chia sẻ băng thông của liên kết, hỗ trợ ghép kênh thống kê.

Độ trễ thiết lập: Trong mạng OCS, một thông điệp báo hiệu dành riêng hai

chiều cần được trao đổi giữa mỗi cặp nguồn - đích trước khi thiết lập đường truyền tải quang đầu cuối. Điều này phát sinh độ trễ thiết lập cần thời gian dài. Mạng OPS và OBS chỉ sử dụng báo hiệu một chiều. Do đó, kiểu truyền tải không kết nối được cung cấp bởi OPS và OBS giúp làm giảm độ trễ mạng thấp hơn so với mạng OCS.

Tốc độ chuyển mạch: Trong mạng OCS, chuyển mạch kênh được thực hiện ở

mức bước sóng quang, có nghĩa là đơn vị chuyển mạch nhỏ nhất là đường quang (lightpath). Vì đường quang có thời gian sử dụng (phục vụ) tương đối dài, tốc độ chuyển mạch do đó có thể tương đối chậm. Ngược lại, trong mạng OPS, việc chuyển mạch được thực hiện ở cấp gói. Các thiết bị chuyển mạch cần thực hiện nhanh chóng chuyển các gói quang đến các cổng ra tiếp theo khi chúng đến. Do đó, khả năng chuyển mạch và đặt trước tài nguyên nhanh là điều cần thiết trong mạng OPS. Đối với mạng OBS, do đơn vị chuyển mạch là chùm lớn hơn và thời gian bù đắp được thiết lập liên quan đến việc này nên các yêu cầu chuyển mạch có thể được coi là vừa phải.

Độ phức tạp xử lý: Tiêu chí này liên quan đến mức độ chi tiết (tinh vi) của

chuyển mạch. Độ phức tạp xử lý được yêu cầu bởi các đường quang trong mạng

</div>Trang 31<div class="page_container" data-page="31">

OCS tương đối thấp khi so sánh với mạng OPS và OBS. Trong mạng OPS, vì đơn vị chuyển mạch là các gói riêng lẻ và mỗi gói có phần điều khiển cần xử lý riêng cho nên độ phức tạp sẽ khá cao. Trong mạng OBS, đơn vị chuyển mạch là chùm dữ liệu (tổng hợp từ nhiều gói riêng lẻ), nên độ phức tạp xử lý là ở giữa hai mơ hình mạng OCS và OPS.

Khả năng thích ứng lưu lượng: Mạng OPS và OBS cải thiện việc sử dụng tài

nguyên mạng bằng cách ghép kênh thống kê các luồng dữ liệu, đặc biệt phụ thuộc vào loại dữ liệu được vận chuyển qua mạng. OPS và OBS là phù hợp với lưu lượng dữ liệu truy cập dạng gói/chùm so với mạng OCS, mà ở đó việc chuyển mạch được thực hiện ở mức đơn vị bước sóng và độ trễ khá cao.

Những lợi thế của công nghệ OBS trở nên rõ ràng, đặc biệt nếu được xem xét cùng với những cải tiến cơng nghệ có thể nhìn thấy trong tương lai gần. Bảng 1.1 chứng tỏ tại sao mạng OBS thường được xem như một công nghệ kết hợp các ưu điểm của cả OCS và OPS, đồng thời tránh những hạn chế tương ứng của chúng.

Bảng 1.1 So sánh các mơ hình chuyển mạch quang [26]

Băng thơng sử dụng Thấp Cao Cao Độ trễ thiết lập Cao Thấp Thấp Tốc độ chuyển đổi Chậm Nhanh Vừa

Độ phức tạp xử lý Cao Trung bình Cao Thích ứng lưu lượng Thấp Cao Cao

1.1.3 Các hoạt động tại nút biên

Tùy thuộc vào trạng thái gửi/nhận, nút biên có thể được xem là nút vào hoặc ra. Khi hoạt động như nút biên vào, như được thể hiện trong Hình 1.5, nó chịu trách nhiệm thực hiện các chức năng: tập hợp chùm, thiết lập kết nối, ước lượng thời gian bù đắp cho gói điều khiển. Được giải thích chi tiết như sau.

Tập hợp chùm: là quá trình tập hợp các gói tin điện tử và đóng gói thành

</div>Trang 32<div class="page_container" data-page="32">

chùm dữ liệu tại nút biên vào của mạng OBS được mô tả chi tiết trong Hình 1.6. Đầu tiên, nút biên vào duy trì nhiều hàng đợi để tổng hợp dữ liệu từ mạng truy cập theo địa chỉ đích và yêu cầu phân biệt lớp QoS, sau đó tập hợp chúng từ một trong các hàng đợi này theo một thuật toán tập hợp chùm phù hợp. Một số thuật toán tập hợp chùm đã được đề xuất và thường có những thông số sau: bộ đếm thời gian (timer), kích thước chùm tối thiểu và kích thước chùm tối đa. Trong đó, bộ đếm thời gian được sử dụng bởi nút biên để quyết định khi nào tập hợp một chùm mới.

Hình 1.5 Nút biên vào mạng chuyển mạch chùm quang [8]

Hình 1.6 Tập hợp và tách chùm tại nút biên mạng chuyển mạch chùm quang [43]

</div>Trang 33<div class="page_container" data-page="33">

Các thơng số kích thước chùm tối thiểu và tối đa xác định độ dài chùm được tập hợp. Những thông số kể trên cần được thiết lập kỹ lưỡng, bởi vì độ dài của chùm dài sẽ chiếm giữ tài nguyên mạng trong những khoảng thời gian dài, dễ gây mất dữ liệu, trong khi chùm độ dài ngắn gây ra sự gia tăng số lượng các gói điều khiển lưu thông trong mạng.

Hoạt động tập hợp chùm cịn gây ảnh hưởng đến vấn đề cơng bằng (fairness) đối với các luồng dữ liệu trong mạng OBS, đặc biệt là trong môi trường có phân biệt CLDV [1], [65], [66], [67]. Những vấn đề công bằng được quan tâm trong hoạt động tập hợp chùm bao gồm công bằng độ trễ và công bằng thông lượng. Các tác giả trong [1], [65], [66], [67] đã đề xuất một số giải pháp nhằm đồng thời vừa nâng cao hiệu năng tập hợp chùm, vừa đảm bảo công bằng cho các luồng ưu tiên cao và ưu tiên thấp khi được tập hợp

Các cơ chế thiết lập kết nối: để truyền tải chùm trên đường đi qua các nút lõi,

một kết nối tạm thời cần được thiết lập giữa một cặp nút biên vào - ra. Theo đó, việc phân bổ và điều chỉnh tài nguyên mạng cần thiết cho việc truyền tải chùm được thực hiện bao gồm ba thành phần chính [61]: (1) báo hiệu, dùng để thiết lập kết nối cho chùm; (2) định tuyến, sử dụng để quyết định đường đi của chùm trên mạng; (3) cấp phát bước sóng, xác định số bước sóng cụ thể để truyền chùm.

Báo hiệu: là một chức năng rất quan trọng trong mạng OBS, được dùng để

thiết lập một kết nối giữa cặp nút biên nguồn - đích trong mạng OBS đối với một chùm được tập hợp. Có hai loại báo hiệu: đặt trước tài nguyên một chiều hoặc đặt trước tài nguyên hai chiều (đầu - cuối).

Định tuyến: là quá trình chọn đường đi dọc theo tuyến đường đã chọn để gửi

dữ liệu. Do đó, là một chức năng quan trọng ảnh hưởng đến hiệu năng mạng và được thực hiện theo ba cách khác nhau: (1) định tuyến từ nút này sang nút khác (hop-by-hop); (2) dựa vào giao thức định tuyến chuyển mạch nhãn đa giao thức suy rộng GMPLS và (3) sử dụng thiết lập tính tốn trước.

Cấp phát bước sóng: dọc theo tuyến đường đã chọn, mỗi liên kết phải được

</div>Trang 34<div class="page_container" data-page="34">

gán một bước sóng mà trên đó các chùm được mang. Trong mạng OBS, cấp phát bước sóng có và khơng có chuyển đổi bước sóng tại các nút trung gian là có thể. Theo đó chuyển đổi bước sóng có thể là cố định, có phạm vi giới hạn, phạm vi không giới hạn hoặc được phân bố thưa thớt [46].

Ước lượng thời gian bù đắp: như đã đề cập, việc truyền gói điều khiển diễn ra

trước khi truyền tải chùm dữ liệu với mục đích là đặt trước tài nguyên để chuyển tiếp tại mỗi nút trung gian mà không cần sử dụng bộ đệm hoặc xử lý nào [30]. Do đó, việc ước tính và thiết lập thời gian bù đắp phù hợp là rất quan trọng cho hiệu năng mạng. Lý tưởng nhất, việc ước tính thời gian bù đắp nên được dựa trên số lượng các nút OBS đi qua và thời gian xử lý thiết lập chuyển mạch tại mỗi nút. Tuy nhiên trong thực tế, số lượng các nút trung gian có thể không được biết đối với nút biên vào (nguồn). Hơn nữa, mức độ tắc nghẽn hiện tại trong mạng OBS cũng cần phải tính đến trong ước tính thời gian bù đắp để đạt được một xác suất mất chùm có thể chấp nhận được. Nếu thời gian ước tính khơng chính xác thì có thể dẫn đến gia tăng tình trạng mất chùm. Vì vậy, việc ước tính thời gian bù đắp trong mạng OBS là rất quan trọng để đạt được sử dụng tài nguyên cao và tỉ lệ mất chùm thấp.

1.1.4 Các hoạt động tại nút lõi

Các nút trung gian (nút lõi) nằm trong lõi mạng OBS, nơi thực hiện việc chuyển tiếp chùm dữ liệu một cách trong suốt (xem Hình 1.7). Nút lõi thực hiện hai chức năng chính sau: lập lịch tài nguyên và xử lý tranh chấp chùm.

Lập lịch tài nguyên: việc đặt trước tài nguyên tại nút lõi là nhằm đảm bảo các

chùm không bị ảnh hưởng trong việc chuyển mạch và truyền từ cổng vào đến cổng ra. Có được quá trình trên là do gói điều khiển chứa thơng tin về chùm tương ứng, bao gồm: thời gian bù đắp và kích thước chùm. Dựa trên thơng tin này, các nút lõi lập lịch tài nguyên bên trong các bộ chuyển mạch sao cho chùm có thể được chuyển tiếp qua chúng một cách thơng suốt. Mục đích chính của việc lập lịch này là cực tiểu hóa các “khoảng hở” ( ) trên mỗi kênh, trong đó khoảng hở là khoảng thời gian giữa bắt đầu chùm đến chưa được lập lịch và kết thúc của chùm đã được lập

</div>Trang 35<div class="page_container" data-page="35">

lịch trên cùng bước sóng ra. Lập lịch kênh trong mạng OBS khác với lập lịch trong mạng IP truyền thống. Trong mạng IP, mỗi nút trung gian lưu tạm các gói tin trong các bộ đệm điện tử và lập lịch cho chúng trên cổng ra mong muốn [17]. Trong OBS, mỗi khi chùm đến tại một nút lõi, nó phải được chuyển tiếp ngay đến nút tiếp theo mà không hề có lưu tạm. Trong luận án này, giả thiết rằng mỗi nút lõi OBS đều được hỗ trợ chuyển đổi bước sóng hồn tồn, một chùm đến trên một bước sóng đều có thể được chuyển đổi sang bất kỳ bước sóng nào để phục vụ cho quá trình điều khiển chấp nhận lập lịch.

Hình 1.7 Cấu tạo nút lõi mạng chuyển mạch chùm quang [43]

Các kênh ra khả dụng cho việc lập lịch cần duy trì thời điểm chưa lập lịch khả dụng gần nhất và các khoảng trống ( ), là khoảng băng thông nhàn rỗi giữa hai chùm đã được lập lịch liên tiếp, trên mọi kênh dữ liệu ra. Dựa trên các thơng tin này, khi có một chùm đến, một thuật toán sẽ được gọi để thực hiện lập lịch cho chùm này. Các thuật tốn lập lịch có thể được phân thành 2 loại: lấp đầy

</div>Trang 36<div class="page_container" data-page="36">

khoảng trống và không lấp đầy khoảng trống. Các thuật toán chủ yếu khác nhau ở kiểu và số lượng thơng tin trạng thái được duy trì trên mỗi kênh tại mỗi cổng ra của một nút. Cũng cần lưu ý rằng, việc lựa chọn thuật toán lập lịch cũng phụ thuộc vào thuật toán tập hợp chùm được sử dụng tại nút biên vào, vì thơng tin mà gói điều khiển có thể cung cấp phụ thuộc vào thuật toán tập hợp chùm đã tạo ra chùm này.

Xử lý tranh chấp: mạng OBS cung cấp truyền tải khơng kết nối thơng qua các

kênh bước sóng hỗ trợ ghép kênh thống kê. Trong điều kiện trên, hồn tồn có thể có các chùm tranh chấp nhau tại các nút trung gian. Điều này có thể xảy ra bởi vì các yêu cầu kết nối được thực hiện bởi nút biên vào thường sử dụng các giao thức đặt chỗ một chiều JET [50], trong đó các chùm dữ liệu được truyền đi mà khơng có sự chắc chắn rằng các tài nguyên dọc theo tuyến đường sẽ được đặt trước thành cơng. Vì vậy, tranh chấp xảy ra khi một chùm đến tại một nút lõi nếu tất cả tài nguyên ở đây đang bận hoặc nếu hai hay nhiều chùm đến đồng thời tranh chấp cùng một tài nguyên. Mất chùm là một vấn đề quan trọng vì nó có tác động đáng kể đến bất kỳ ứng dụng đầu-cuối nào đang chạy ở lớp trên và làm giảm hiệu năng tổng thể trên toàn mạng. Hơn nữa, tranh chấp là nguyên nhân chính gây ra mất mát và xử lý tranh chấp là một trong những mục tiêu chính được thiết kế trong mạng OBS. Giải pháp để tránh tranh chấp chùm là chùm nào gây ra tranh chấp thì “lệch hướng” chùm đó. Điều này có thể thực hiện bằng các kỹ thuật lệch hướng về mặt thời gian, không gian, bước sóng hoặc kết hợp các kỹ thuật này. Trên thực tế, thời gian, khơng gian và bước sóng là độc lập, bất kỳ kỹ thuật từ miền nào cũng có thể kết hợp với nhau, dẫn đến một số lượng đáng kể các kỹ thuật xử lý tranh chấp khác nhau ra đời.

Cách tiếp cận để xử lý tranh chấp bằng cách sử dụng mỗi một trong ba miền đề cập ở trên có thể gồm: bộ đệm quang (miền thời gian), định tuyến lệch hướng (miền không gian) và chuyển đổi bước sóng (miền bước sóng), cụ thể:

- Bước sóng: một chùm tranh chấp trên một bước sóng nào đó có thể truyền

trên một bước sóng khác thơng qua việc chuyển đổi bước sóng.

- Khơng gian: một chùm tranh chấp có thể gửi đến một cổng ra khác, sau đó

định tuyến trên một tuyến đường khác để đến đích [13].

</div>Trang 37<div class="page_container" data-page="37">

- Thời gian: bằng cách đi qua một đường trễ quang FDL, chùm tranh chấp có

thể trì hoãn việc ra cổng ra trong một khoảng thời gian [13], [50].

Nếu chùm tranh chấp không thể lệch hướng, do thiếu bước sóng cung cấp ở cổng ra hay đường trễ quang FDL không khả dụng, thì việc mất dữ liệu là khơng thể tránh khỏi. Cụ thể đây là cơ chế đánh rơi chùm theo chủ định (đối với những chùm ưu tiên thấp). Ngồi ra, cơ chế này cịn cho phép một chùm chiếm quyền ưu tiên của một chùm khác dựa trên mức độ ưu tiên hoặc đặc điểm luồng đến. Một giải pháp khác nhằm giảm mất mát dữ liệu là phân đoạn chùm [68], [69], ở đó phần chùm chồng lấp sẽ bị loại bỏ, trong khi phần chùm không chồng lấp được lập lịch để đi đến nút tiếp theo. Bảng 1.2 so sánh các phương pháp xử lý tranh chấp.

Bảng 1.2 So sánh giữa các tiếp cận xử lý tranh chấp trong mạng OBS [32]

Phương pháp

Chuyển đổi bước

Phương pháp này tương đối đơn giản và các công nghệ hỗ

Có 2 kiến trúc đường trễ FDL đã được đề xuất trong mạng OBS [14]: truyền thẳng (feed-forward) hay hồi quy (feed-back). Cụ thể, như mô tả trong Hình 1.8a các FDL được đặt tại các cổng ra và chỉ được sử dụng bởi các chùm đến cổng ra đó, trong khi các FDL hồi quy được đặt tại nút lõi và các chùm đến trên cổng vào bất kỳ đều có thể sử dụng nếu chúng khả dụng (Hình 1.8b). Trong luận án này, sử dụng kiểu đường trễ truyền thẳng do tính đơn giản về cài đặt và điều khiển của chúng.

</div>Trang 38<div class="page_container" data-page="38">

Không giống như các phương pháp xử lý tranh chấp nêu trên được xem là các phương pháp thụ động, người ta còn sử dụng phương pháp chủ động để giải quyết vấn đề, bằng cách thống kê tỉ lệ mất chùm trên các bước sóng khác nhau và sắp xếp chúng theo các mức độ ưu tiên khác nhau. Các chùm đến có mức độ ưu tiên cao sẽ được đưa vào bước sóng ưu tiên cao và ngược lại. Tuy nhiên, phương pháp này chỉ có thể thực hiện tại nút biên nếu khơng tiến hành chuyển đổi bước sóng.

(a)

(b)

Hình 1.8 Hai mơ hình đường trễ FDL: (a) kiểu truyền thẳng, (b) kiểu hồi quy

</div>Trang 39<div class="page_container" data-page="39">

1.1.5 Lập lịch trong mạng OBS

Lập lịch trong mạng OBS là một hoạt động quan trọng có tác động chính đối với hiệu năng truyền thơng qua mạng OBS. Lập lịch được thực hiện tại nút biên và nút lõi. Tuy nhiên do nút biên được trang bị các bộ đệm cho các chùm sau khi tập hợp nên việc lập lịch có thể được điều khiển dễ dàng bởi một mơ hình dựa trên bộ đệm nào đó nếu có xung đột xảy ra. Tại nút lõi, do khơng có bộ đệm, một chùm đến sẽ bị đánh rơi nếu khơng tìm thấy tài nguyên phù hợp để lập lịch nó. Luận án này tập trung vào vấn đề lập lịch tại các nút lõi.

Hình 1.9 Sự khác biệt của các thuật toán lập lịch khác nhau

Việc lập lịch lên một kênh ra tại một cổng ra của một nút lõi được mơ tả như Hình 1.9. Một chùm đến, được đặc trưng bởi cặp đại lượng: thời điểm đến ( ) và độ dài chùm ( ), một giải thuật lập lịch sẽ được gọi để tìm kiếm băng thông nhàn rỗi trên các kênh ra khả dụng cho việc lập lịch chùm này. Băng thông nhàn rỗi là phần băng thông của một kênh ra mà chưa bị chiếm dụng bởi một chùm khác trước đó. Giả sử tại cổng ra có trang bị các bộ chuyển đổi đầy đủ, một chùm đến trên một bước sóng nào đó có thể được chuyển đổi thành một bước sóng bất kỳ tương ứng với kênh ra có băng thơng nhàn rỗi. Trong trường hợp cổng ra chỉ được trang bị các bộ chuyển đổi bước sóng giới hạn, miền chuyển đổi bước sóng cho

</div>Trang 40<div class="page_container" data-page="40">

chùm đến sẽ bị thu hẹp; đặc biệt khi khơng có bộ chuyển đổi nào được trang bị, chùm đến chỉ được xem xét lập lịch trên kênh có cùng bước sóng với nó. Đặt giả thiết cổng ra được trang bị các bộ chuyển đổi bước sóng đầy đủ.

Mỗi kênh ra duy trì một giá trị , là thời điểm sau cùng nhất của băng thông khả dụng chưa được sử dụng. Tuy nhiên, như mơ tả trong Hình 1.9, các khoảng trống ( ), khoảng băng thông nhàn rỗi được tạo ra giữa 2 chùm được lập lịch liên tiếp, thực tế là khá phổ biến trên mỗi kênh ra, nên một chùm đến có thể được xem xét để lập lịch vào các khoảng trống này. Mơ hình lập lịch này được gọi là lập lịch lấp đầy khoảng trống. Như vậy, mỗi kênh ra, ngoài việc duy trì giá trị , thông tin về các khoảng trống: thời điểm bắt đầu ( ) và kết thúc ( ), cũng phải được duy trì. Thực tế, mỗi kênh chỉ cần duy trì thơng tin khoảng trống sau cùng nhất [44].

Dựa vào cách thức khai thác băng thông nêu trên, có 2 loại thuật tốn lập lịch được xem xét cho một chùm đến: lập lịch không lấp đầy khoảng trống, như FFUC, LAUC [25] và lập lịch lấp đầy khoảng trống, FFUC-VF, LAUC-VF [29], Min-EV [41], BF-VF [47].

Như mô tả ở Hình 1.9, các thuật tốn lập lịch không lấp đầy khoảng trống (FFUC và LAUC) bỏ qua thông tin khoảng trống và chỉ so sánh thời điểm đến của chùm đến ( ) và của mỗi kênh ra. Nếu , chùm đến sẽ được lập

lịch lên kênh thứ của cổng ra. Sự khác biệt của FFUC và LAUC là trong khi FFUC chọn kênh khả dụng đầu tiên đáp ứng điều kiện lập lịch trên (Hình 1.9a), thì LAUC sẽ chọn kênh có khoảng hở ( ) nhỏ nhất (Hình 1.9b). Khoảng hở là khoảng cách từ thời điểm đến của chùm đến tới . Mơ hình LAUC có độ phức tạp lớn hơn FFUC vì phải duyệt qua tất cả các kênh đển chọn kênh có khoảng hở bé nhất.

Với các thuật toán lập lịch lấp đầy khoảng trống, nếu , tiến trình

lấp đầy khoảng trống sẽ được kích hoạt. FFUC-VF sẽ tìm khoảng trống phù hợp đầu tiên ( và , trong đó độ dài khoảng trống

</div>