Luận án tiến sĩ toán học : Một số cơ chế điều khiển tránh tác nghẽn tại nút lõi trong mạng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

ĐẶNG THANH CHƯƠNG

PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MỘT SỐ CƠ
CHẾ ĐIỀU KHIỂN TRÁNH TẮC NGHẼN TẠI NÚT LÕI
TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ TOÁN HỌC

HÀ NỘI – 2013


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

ĐẶNG THANH CHƯƠNG

PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MỘT SỐ CƠ
CHẾ ĐIỀU KHIỂN TRÁNH TẮC NGHẼN TẠI NÚT LÕI
TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG

Chuyên ngành: BẢO ĐẢM TOÁN HỌC CHO MÁY TÍNH
VÀ HỆ THỐNG TÍNH TỐN

Mã số: 62.46.35.01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ TOÁN HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. PGS.TS Vũ Duy Lợi
2. TS Võ Viết Minh Nhật

HÀ NỘI – 2013


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu do chính tơi thực hiện.
Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa được ai cơng bố
trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Hà nội, tháng 12 năm 2013
Tác giả

Đặng Thanh Chương


LỜI CÁM ƠN
Đầu tiên, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành và sâu sắc tới Phó
giáo sư, Tiến sĩ Vũ Duy Lợi và Tiến sĩ Võ Viết Minh Nhật, những người Thầy
tâm huyết đã tận tình hướng dẫn, động viên khích lệ, giúp đỡ và dành nhiều
thời gian trao đổi, định hướng cho tơi trong q trình thực hiện Luận án. Tôi
cũng gởi lời cảm ơn chân thành đến Giáo sư, Tiến sĩ khoa học Đỗ Văn Tiến
tại Đại học Bách Khoa và Kinh tế Budapest, Hungary đã hỗ trợ, đóng góp
nhiều ý kiến quý báu liên quan đến Luận án.

Tôi xin gởi lời cám ơn chân thành tới Ban lãnh đạo Viện Công nghệ
thông tin, Viện Hàn lâm và khoa học công nghệ Việt Nam, các Thầy cơ giáo
và các Phịng liên quan của Viện, đặc biệt là các Thầy Đặng Văn Đức, Thầy
Nguyễn Văn Tam và Thầy Phạm Thanh Giang đã tạo điều kiện giúp đỡ tơi
trong suốt q trình học tập, nghiên cứu.
Con xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến những người thân yêu nhất
trong gia đình, đến hương hồn của Ba, đến Mẹ, những người suốt đời tận tụy,
hi sinh cho các con. Cám ơn Vợ và Con gái, Con trai yêu đã ủng hộ, tạo điều
kiện và giúp đỡ để Anh có thể yên tâm học tập, nghiên cứu.
Cuối cùng, xin gởi lời cám ơn đến bạn bè thân thiết, đồng nghiệp tại
Khoa CNTT, Khoa Toán, Trường Đại học Khoa học Huế đã cổ vũ, động viên
tôi trong thời gian thực hiện Luận án.


i

MỤC LỤC
MỤC LỤC........................................................................................................................................... i
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ ................................................................................................... iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT ................................................................................. v
DANH MỤC HÌNH VẼ .................................................................................................................. viii
DANH MỤC BẢNG ......................................................................................................................... xi
MỞ ĐẦU............................................................................................................................................ 1
Chương 1

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN .......................................................................................... 5
Mạng truyền dẫn quang và các công nghệ chuyển mạch quang ........................................ 5

1.1.

1.1.1.

Chuyển mạch kênh quang .......................................................................................... 6

1.1.2.

Chuyển mạch gói quang ............................................................................................. 6

1.1.3.

Chuyển mạch chùm quang ......................................................................................... 7

Mạng chuyển mạch chùm quang........................................................................................ 7

1.2.

1.2.1.

Đặc trưng chung của mạng chuyển mạch chùm quang .............................................. 7

1.2.2.

Kiến trúc mạng chuyển mạch chùm quang ................................................................ 8

1.2.3.

Cơ chế hoạt động trong mạng chuyển mạch chùm quang........................................ 11

1.2.3.1.

Tập hợp chùm....................................................................................................... 11

1.2.3.2.

Định tuyến chùm .................................................................................................. 13

1.2.3.3.

Báo hiệu chùm...................................................................................................... 14

1.2.3.4.

Lập lịch chùm....................................................................................................... 15

1.2.3.5.

Xử lý tranh chấp chùm ......................................................................................... 16

Đánh giá hiệu năng trong mạng chuyển mạch chùm quang............................................. 21

1.3.

1.3.1.

Đặt vấn đề ................................................................................................................ 21

1.3.2.

Các nghiên cứu liên quan đến Luận án .................................................................... 22

1.3.3.

Vấn đề nghiên cứu trong Luận án ............................................................................ 24

Kết luận chương ............................................................................................................... 25

1.4.

Chương 2 ĐIỀU KHIỂN TRÁNH TẮC NGHẼN BẰNG ĐỊNH TUYẾN LỆCH HƯỚNG KẾT
HỢP VỚI ĐƯỜNG TRỄ QUANG FDL ......................................................................................... 26
2.1.

Định tuyến lệch hướng dựa trên giao thức báo hiệu JET ................................................. 26

2.2.

Kiến trúc nút lõi OBS và nguyên tắc chuyển mạch ......................................................... 27

2.3.

Mơ hình phân tích cơ bản và các giả thiết ........................................................................ 29

2.3.1

Các giả thiết.............................................................................................................. 29

2.3.2

Mơ hình phân tích cơ bản ......................................................................................... 30

ii

2.4.

Mơ hình định tuyến lệch hướng khơng có ưu tiên (mơ hình DRNP) ............................... 31

2.5.

Mơ hình định tuyến lệch hướng có ưu tiên (mơ hình DRWP) ......................................... 33

2.5.1.

Lược đồ chuyển trạng thái và hệ phương trình trạng thái cân bằng ......................... 33

2.5.2.

Tính tốn xác suất tắc nghẽn .................................................................................... 35

2.5.3.

Một số kết quả phân tích .......................................................................................... 38

2.6.

Mơ hình định tuyến lệch hướng có ưu tiên với đường trễ quang FDL (mơ hình DRPF). 41

2.6.1.

Lược đồ chuyển trạng thái và hệ phương trình trạng thái cân bằng ......................... 41

2.6.2.

Tính tốn xác suất tắc nghẽn .................................................................................... 45

2.6.3.

Một số kết quả phân tích .......................................................................................... 46

2.7.

Mơ hình định tuyến lệch hướng 3 giai đoạn (mơ hình DRND) ....................................... 49

2.7.1.

Mơ hình phân tích .................................................................................................... 49

2.7.2.

Một số kết quả phân tích .......................................................................................... 54

2.8.

Kết luận chương ............................................................................................................... 56

Chương 3 ĐIỀU KHIỂN TRÁNH TẮC NGHẼN BẰNG CHUYỂN ĐỔI BƯỚC SĨNG
CĨ/KHƠNG CĨ SỰ LỆCH HƯỚNG ............................................................................................. 57
3.1.

Mơ hình và giả thiết chung............................................................................................... 57

3.2.

Điều khiển tắc nghẽn dựa trên chuyển đổi bước sóng khơng xét sự lệch hướng ............. 58

3.2.1.

Mơ hình với kiến trúc nút lõi SPIL giới hạn chuyển đổi bước sóng ........................ 59

3.2.2.

Mơ hình với kiến trúc nút lõi SPL giới hạn bộ chuyển đổi bước sóng .................... 72

3.3. Điều khiển tắc nghẽn kiến trúc nút lõi SPL giới hạn chuyển đổi bước sóng có hỗ trợ khả
năng lệch hướng (mơ hình SPLDF) ............................................................................................. 78
3.3.1.

Kiến trúc nút lõi và một số giả thiết bổ sung ........................................................... 78

3.3.2.

Mơ hình phân tích với giới hạn bộ chuyển đổi bước sóng ....................................... 79

3.3.3.

Mở rộng mơ hình phân tích với giới hạn vùng chuyển đổi bước sóng .................... 83

3.3.4.

Thuật tốn tính ma trận tốc độ chuyển trạng thái Q ................................................. 83

3.3.5.

Một số kết quả phân tích .......................................................................................... 87

3.4.

Kết luận chương ............................................................................................................... 90

Chương 4 CÁC MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN TRÁNH TẮC NGHẼN VỚI LƯU LƯỢNG ĐẾN LÀ
TỔNG QUÁT (GI) HAY NON-POISSON ..................................................................................... 91
4.1.

Đặt vấn đề ........................................................................................................................ 91

4.2. Mơ hình phân tích xác suất tắc nghẽn lưu lượng lệch hướng trên một cổng ra tại nút lõi
OBS với lưu lượng non-Poisson .................................................................................................. 91
4.2.1.

Một số giả thiết......................................................................................................... 92

4.2.2.

Tính xác suất tắc nghẽn với lưu lượng non-Poisson bằng phương pháp xấp xỉ ERT ..
.................................................................................................................................. 93


iii

4.2.3.

Tính xác suất tắc nghẽn với lưu lượng lệch hướng là tổng qt GI bằng mơ hình
GI/M/ω/ω ................................................................................................................................. 95
4.2.4.

Trường hợp đặc biệt với quá trình đến là quá trình Poisson ngắt ............................ 96

4.2.5.

Phân tích kết quả ...................................................................................................... 99

4.3.

Mơ hình phân tích nút lõi OBS với các q trình đến Renewal và Poisson................... 103

4.3.1.

Một số giả thiết mở rộng ........................................................................................ 103

4.3.2.

Mô hình phân tích .................................................................................................. 104

4.3.3.

Độ trễ trung bình trong các đường trễ quang FDL ................................................. 105

4.3.4.

Xác suất tắc nghẽn tại nút lõi OBS với các quá trình đến Renewal và Poisson ..... 108

4.3.5.

Phân tích kết quả .................................................................................................... 112

4.4.

Kết luận chương ............................................................................................................. 115

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..................................................................................... 116
Danh mục các cơng trình của tác giả ............................................................................................. 118
Tài liệu tham khảo.......................................................................................................................... 120


iv

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ
Thuật ngữ tiếng Anh

Thuật ngữ tiếng Việt

Burst

Chùm (quang) dữ liệu

Burst Loss Probability

Xác suất mất chùm

Blocking Probability

Xác suất tắc nghẽn

Caried traffic

Lưu lượng được mang

Deflection Routing

Định tuyến lệch hướng

Infinitesimal generator matrix

Ma trận tốc độ chuyển trạng thái tổng quát

Lightpath

Kênh quang

Loss system

Hệ thống tổn thất

Mean Delay

Độ trễ trung bình

Mean value

Giá trị kỳ vọng

Mixed loss –delay system

Hệ thống kết hợp tổn thất - trễ

Multi-dimensional traffic model

Mơ hình lưu lượng đa chiều

Offset time

Khoảng cách (thời gian) giữa gói điều khiển và
chùm dữ liệu

Overflow traffic

Lưu lượng tràn

Quality of Service

Chất lượng dich vụ

Offered traffic

Lưu lượng đến (cung cấp đến)

Renewal process

Quá trình hồi phục (đổi mới)

Traffic

Lưu lượng

Deflection Traffic

Lưu lượng lệch hướng

Non-Deflection Traffic

Lưu lượng không lệch hướng

Traffic load

Tải lưu lượng

Variance value

Giá trị phương sai


v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT
Từ viết
tắt

Ký
hiệu

Diễn giải tiếng Anh

Diễn giải tiếng Việt

AONs

All-Optical Networks

Mạng tồn quang

BCP

Burst Control Packet

Gói điều khiển chùm

CCG

Control Channel Group

Nhóm kênh điều khiển

CWC

Complete Wavelength Conversion

Chuyển đổi bước sóng hồn tồn

DB

Data Burst

Chùm dữ liệu

DRNP

Deflection Routing without Priority

Định tuyến lệch hướng không xét độ
ưu tiên

DRWP

Deflection Routing with Priority

Định tuyến lệch hướng có xét độ ưu
tiên

DRPF

Deflection Routing with Priority
and FDL

Định tuyến lệch hướng có xét độ ưu
tiên với FDL

DRND

Deflection Routing “3-stage” “no
drop”

Định tuyến lệch hướng 3 giai đoạn

DCG

Data Channel Group

Nhóm kênh dữ liệu

ERT

Equivalent Random Theory

Lý thuyết ngẫu nhiên tương đương

FCFS

First Come First Service

Đến trước phục vụ trước

FDL

Fiber Delay Line

Đường trễ quang

FWC

Full Wavelength Conversion

Chuyển đổi bước sóng với phân bố đầy
đủ

GoS

Grade of Service

Cấp độ dịch vụ

General Independent distribution
(renewal process)

Phân phối tổng quát (quá trình đến độc
lập)

GMPLS

Generalized Multiprotocol Label
Switching

Chuyển mạch nhãn đa giao thức tổng
quát

IP

Internet Protocol

Giao thức Internet

IPP

Interrupted Poisson Process

Quá trình Poisson ngắt

JET

Just Enough Time

Giao thức báo hiệu với thời gian đặt

GI


vi

trước tài nguyên vừa đủ

LAUT

Lastest Available Unscheduled
Time

Thời gian chưa lập lịch khả dụng sau
cùng nhất

LCFS

Last Come First Service

Đến sau phục vụ trước

LRWC

Limited Range Wavelength
Conversion

Chuyển đổi bước sóng với vùng
chuyển đổi có giới hạn

Limited Share-per-in-Link

Chuyển đổi bước sóng với vùng
chuyển đổi có giới hạn với kiến trúc
SPIL

Markovian (Poisson process (or
random) arrival process)

Quá trình đến Poisson

Markovian (Exponential service
time)

Phân phối mũ

MMPP

Markov Modulated Poisson Process

Quá trình Poisson điều chế bởi Markov

NFWC

Non-Full Wavelength Conversion

Chuyển đổi bước sóng với phân bố
khơng đầy đủ

OBS

Optical Burst Switching

Chuyển mạch chùm quang

OBSNs

Optical Burst Switching Networks

Mạng chuyển mạch chùm quang

OCS

Optical Circuit Switching

Chuyển mạch kênh quang

OEO

Optical-to-Electrical-to-Optical

Chuyển đổi quang-điện-quang

OPS

Optical Packet Switching

Chuyển mạch gói quang

OPSNs

Optical Packet Switching Networks

Mạng chuyển mạch gói quang

OTN

Optical Transport Network

Mạng truyền tải quang

OXC

Optical Cross Connect

Thiết bị chuyển mạch (đấu chéo) quang

PASTA

Poisson arrivals see time average

Tính chất PASTA

PSPIL

Partial Share-per-in-Link

Giới hạn số bộ chuyển đổi bước sóng
với kiến trúc SPIL

PLSPIL

Partial Limited Share-per-in-Link

Giới hạn chuyển đổi bước sóng với
kiến trúc SPIL

Partial Wavelength Converters

Giới hạn số bộ chuyển đổi bước sóng
(Chuyển đổi bước sóng với phân bố
một phần)

LSPIL

M

PWC

vii

Infinitesimal generator matrix

Ma trận tốc độ chuyển trạng thái tổng
quát

QoS

Quality of Service

Chất lượng dịch vụ

RAM

Random Access Memory

Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên

RWA

Routing and Wavelength
Allocation

Định tuyến và phân phối bước sóng

SCU

Switching Control Unit

Đơn vị điều khiển chuyển mạch

SPL

Share-per-Link

Chia s trên mỗi kết nối ra

SPLDF

Share-per-Link Deflection

Mơ hình SPL hỗ trợ sự lệch hướng

SPIL

Share-per-in-Link

Chia s trên mỗi kết nối vào

SPN

Share-per-Node

Chia s trên toàn nút lõi

TE

Traffic Engineering

Kỹ thuật lưu lượng

WC

Wavelength Converters

Bộ chuyển đổi bước sóng

WDM

Wavelength Division Multiplexing

Kỹ thuật ghép kênh bước sóng

WR

Wavelength Router

Bộ định tuyến bước sóng

WRNs

Wavelength-Routed Networks

Mạng định tuyến bước sóng

Q


viii

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Sự phát triển của mạng quang ............................................................................... 5
Hình 1.2. Kiến trúc của mạng chuyển mạch chùm quang ..................................................... 9
Hình 1.3. Kiến trúc nút biên vào mạng OBS ....................................................................... 10
Hình 1.4. Kiến trúc nút lõi OBS ........................................................................................... 10
Hình 1.5. Tập hợp và phân tách chùm ................................................................................. 11
Hình 1.6. Tập hợp chùm theo ngưỡng thời gian .................................................................. 12
Hình 1.7. Tập hợp chùm theo ngưỡng kích thước (số gói tối đa) ........................................ 12
Hình 1.8. Tập hợp chùm theo ngưỡng thời gian và ngưỡng độ dài chùm ........................... 12
Hình 1.9. Ví dụ về giao thức đặt trước tài nguyên JET ....................................................... 15
Hình 1.10. Mơ tả định tuyến lệch hướng ............................................................................. 17
Hình 1.11. Làm trễ chùm bằng đường trễ quang FDL ........................................................ 18
Hình 1.12. Mơ tả chuyển đổi bước sóng λ1 qua λ 2 .............................................................. 19
Hình 2.1. Mơ hình mạng OBS với nút lõi C có tranh chấp ở một cổng ra .......................... 26
Hình 2.2. Giao thức báo hiệu JET với định tuyến lệch hướng ............................................ 27
Hình 2.3. Nút lõi kiến trúc SPL (share-per-link) với CWC và FDL truyền thẳng ............... 28
Hình 2.4. Nút lõi kiến trúc share-per-link (SPL) với CWC và FDL hồi quy ....................... 28
Hình 2.5. Mơ hình phân tích cơ bản tại nút lõi OBS ........................................................... 31
Hình 2.6. Lược đồ chuyển trạng thái tại nút lõi OBS khơng x t QoS (mơ hình D NP)...... 32
Hình 2.7. Lược đồ chuyển trạng thái tại nút lõi OBS với QoS (mơ hình DRWP) ............... 34
Hình 2.8. Xác suất tắc nghẽn các chùm lệch hướng tương ứng với mơ hình D NP và
D WP, ω = 16, ωS = 6 ........................................................................................................ 38
Hình 2.9. Xác suất tắc nghẽn các chùm lệch hướng tương ứng với mơ hình D WP, ω = 16,
ωS= 6, 8, 10, 12.................................................................................................................... 39
Hình 2.10. Xác suất tắc nghẽn trung bình của giai đoạn cuối cùng trong mơ hình
(B3_
) và mơ hình đề xuất D WP (PBII_DRWP), ω=16, ωS = 12, k = 4, n = 1 .............. 40
Hình 2.11. Mơ hình 2 giai đoạn với FDL có x t QoS (mơ hình D PF) .............................. 41
Hình 2.12. Lược đồ chuyển trạng thái tại nút lõi OBS với QoS tại giai đoạn 2 - mơ hình

DRPF ................................................................................................................................... 42
Hình 2.13. Xác suất tắc nghẽn của lưu lượng lệch hướng tại giai đoạn 2 mơ hình D PF so
sánh với mơ hình trong 19 vs β ......................................................................................... 47
Hình 2.14. Xác suất tắc nghẽn tại giai đoạn 2 – so sánh giữa mơ hình D PF và mơ hình
D WP (ρ2=0.7ρ) vs β .......................................................................................................... 47
Hình 2.15. Xác suất tắc nghẽn luồng lệch hướng tại giai đoạn 2 mơ hình D PF - so sánh
(2.1 ) với (2.1 a) vs β .......................................................................................................... 48
Hình 2.16. Xác suất tắc nghẽn tại giai đoạn 2 mơ hình D PF - so sánh (2.1 ) với (2.19) vs
β ........................................................................................................................................... 49
Hình 2.17. Mơ hình phân tích với 3 giai đoạn (mơ hình D ND) ........................................ 50
Hình 2.18. Lược đồ chuyển trạng thái ở giai đoạn 3 - mơ hình DRND .............................. 51
Hình 2.19. Xác suất tắc nghẽn chùm trung bình PBDRND_d (PB_D ND_d) và PBd_pevac vs β
............................................................................................................................................. 54
Hình 2.20. Tổng xác suất tắc nghẽn chùm trung bình PBDRND (PB_D ND) và PBa_pevac vs β
............................................................................................................................................. 55
Hình 2.21. Tổng xác suất tắc nghẽn chùm trung bình PBDRND_0.3 (PB_DRND_0.3),
PBDRND_0.4 (PB_ DRND _0.4) và PBDRND_0.5 (PB_ D ND _0. ) vs β .................................. 55
Hình 3.1. Nút lõi OBS kiến trúc SPIL với các bộ chuyển đổi bước sóng ............................ 59


ix

Hình 3.2. Lược đồ chuyển trạng thái Markov 1-chiều tại nút lõi OBS kiến trúc SPIL ....... 59
Hình 3.3. Sự phân phối của các bước sóng đang sử dụng và sự tương ứng của số tập vùng
chuyển đổi bị chiếm giữ hồn tồn (biểu hiện bởi b). Trong ví dụ trên, ω = 8, r = 3, và k =
5.(a) b = 0; (b) b = 2 ({3, 4, 5}, {4, 5, 6}); (c) b = 1 ({7, 8, 1}); (d) b = 3 ({3, 4, 5}, {4, 5,
6}, {5, 6, 7}) ......................................................................................................................... 62
Hình 3.4. Khơng có tắc nghẽn với trường hợp số bước sóng bận nhỏ hơn giá trị vùng
chuyển đổi (ω = , r = và k = 4) ...................................................................................... 62
Hình 3.5. Xác suất tắc nghẽn trong mơ hình PSPIL với trường hợp (ω=16; C=0,4, ,16) vs

β ........................................................................................................................................... 66
Hình 3.6. Xác suất tắc nghẽn trong mơ hình PSPIL với trường hợp (ω=10, 16; C=4) vs β
............................................................................................................................................. 66
Hình 3.7. Xác suất tắc nghẽn trong mơ hình LSPIL với trường hợp (ω = 1 ; r = 3, 7, 11,
1 ) vs β ................................................................................................................................. 67
Hình 3.8. Xác suất tắc nghẽn trong mơ hình LSPIL với trường hợp (ω = 1 , 31; r = 9) vs β
............................................................................................................................................. 68
Hình 3.9. So sánh xác suất tắc nghẽn trong mơ hình PSPIL với c = ω, trong mơ hình
LSPIL với r = ω, trong mơ hình PLSPIL và mơ phỏng với C = ω, r = ω (ω=1 ; C = 1 ;
r=1 ) vs β............................................................................................................................. 68
Hình 3.10. So sánh xác suất tắc nghẽn trong mơ hình PLSPIL với C = ω, r < ω và xác suất
tắc nghẽn trong mơ hình LSPIL với r < ω (ω = 1 ; r = 3) vs β .......................................... 69
Hình 3.11. Xác suất tắc nghẽn trong mơ hình PLSPIL với r = ω, C < ω và trong mơ hình
PSPIL với C < ω (ω = 16;C = ) vs β ................................................................................. 69
Hình 3.12. Xác suất tắc nghẽn trong mơ hình PLSPIL với trường hợp ω thay đổi, r và C
không đổi (r < ω, C < ω) (ω =1 , 21, 31; r= ; C=6) vs β ................................................. 70
Hình 3.13. Xác suất tắc nghẽn trong mơ hình PLSPIL với trường hợp ω và C không đổi (C
< ω), r thay đổi (r < ω) (ω = 1 ; r = 7, 10; 13, C = 10) vs β ............................................ 70
Hình 3.14. Xác suất tắc nghẽn trong mơ hình PLSPIL với trường hợp ω và r không đổi (r
< ω), C thay đổi (C < ω) (ω = 1 ; r = 7; C = 13, 10, 4) vs β ............................................ 71
Hình 3.15. So sánh kết quả phân tích với kết quả mơ phỏng ứng với mơ hình PLSPIL đề
xuất....................................................................................................................................... 71
Hình 3.16. Nút lõi OBS kiến trúc SPL với các bộ chuyển đổi bước sóng ............................ 72
Hình 3.17. Lược đồ chuyển trạng thái 2-chiều với mơ hình kiến trúc nút lõi SPL .............. 73
Hình 3.18. Sơ đồ chuyển trạng thái đối với trạng thái ( ,c) ............................................... 74
Hình 3.19. Kiến trúc nút lõi OBS với hỗ trợ khả năng lệch hướng ..................................... 78
Hình 3.20. Sơ đồ chuyển trạng thái đối với trạng thái ( 1,c1; w2,c2) .................................. 79
Hình 3.21. Lược đồ chuyển trạng thái ứng với mơ hình SPLDF ......................................... 81
Hình 3.22. Xác suất tắc nghẽn với ω=3, C=2 và p= 0,0. ,0.7,1 , τk=1 vs β ...................... 88
Hình 3.23. Xác suất tắc nghẽn theo p với β=0.4 và β=0. .................................................. 88

Hình 3.24. Xác suất tắc nghẽn - phân tích và mơ phỏng ..................................................... 89
Hình 3.25. Xác suất tắc nghẽn theo p với ω=3; C=1,2,3; τk=1 vs β=0. ........................... 89
Hình 4.1. Phương pháp E T với lưu lượng non-Poisson .................................................... 94
Hình 4.2. Mơ tả q trình lưu lượng lệch hướng từ cổng 1 sang cổng 2 theo quá trình IPP
............................................................................................................................................. 97
Hình 4.3. Lược đồ chuyển trạng thái tại cổng ra 2 (ứng với quá trình đến IPP) ................ 97
Hình 4.4. Xác suất tắc nghẽn lưu lượng lệch hướng tại cổng ra 2 nút lõi OBS với ω cố
định, p thay đổi .................................................................................................................. 100


x

Hình 4.5. Xác suất tắc nghẽn nghẽn lưu lượng lệch hướng tại cổng ra 2 nút lõi OBS với ω
thay đổi, K = 10 ................................................................................................................. 101
Hình 4.6. Xác suất tắc nghẽn lưu lượng lệch hướng tại cổng ra 2 nút lõi OBS với K thay
đổi, ω = 12 ....................................................................................................................... 101
Hình 4.7. Xác suất tắc nghẽn nghẽn lưu lượng lệch hướng tại cổng ra 2 nút lõi OBS – so
sánh giữa phân tích và mơ phỏng ...................................................................................... 102
Hình 4.8. Lưu đồ tính xác suất tắc nghẽn theo mơ hình phân tích cơ bản với trường hợp kết
hợp lưu lượng GI và Poisson ............................................................................................. 104
Hình 4.9. Mơ hình GI/M/L/L với các FDL (giai đoạn 1) ................................................... 106
Hình 4.10. Phương pháp E T với lưu lượng tràn bên trong các FDL .............................. 107
Hình 4.11. Phương pháp E T ứng với kết hợp 2 luồng lưu lượng GI và Poisson ............ 110
Hình 4.12. Xác suất tắc nghẽn tại giai đoạn 2 vs β ........................................................... 112
Hình 4.13. Xác suất tắc nghẽn giai đoạn 2 - theo phương pháp E T và GI vs β .............. 112
Hình 4.14. Xác suất tắc nghẽn của luồng lệnh hướng tại giai đoạn 2 vs β ....................... 113
Hình 4.15. Độ trễ trung bình của luồng lệnh hướng trong dãy FDL vs β ......................... 113
Hình 4.16. Xác suất tắc nghẽn giữa lưu lượng GI và lưu lượng Poisson vs β .................. 114
Hình 4.17. Xác suất tắc nghẽn với luồng lệnh hướng là Poisson – so sánh với mơ hình
D NP vs β .......................................................................................................................... 114

xi

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1. Ma trận tổng quát Q (nSDRWP × nSDRWP) - mơ hình DRWP ................................ 37
Bảng 2.2. Xác suất tắc nghẽn trung bình của 2 mơ hình DRNP và DRWP khi ωS = ω ...... 39
Bảng 2.3. Xác suất tắc nghẽn của lưu lượng lệch hướng tại giai đoạn 2 - mơ hình DRWP với ω = 16, ωS = 6, ρ2 = 0.3ρ ................................................................................................ 40
Bảng 2.4. Ma trận Q - Mơ hình DRPF................................................................................. 44
Bảng 2.5. Ma trận Q(0) - Mơ hình DRPF ............................................................................. 44
Bảng 2.6. Xác suất tắc nghẽn tại giai đoạn 2 - mơ hình DRPF - so sánh với trong [19] khi
ωS = ω = 16 vs β................................................................................................................... 48
Bảng 3.1. Ma trận tổng quát Q (nS × nS ) - Mơ hình SPL-PWC .......................................... 76
Bảng 3.2. Quy luật chuyển đổi giữa chỉ số i trong ma trận Q và các trạng thái (w1,c1;w2,c2)
............................................................................................................................................. 84
Bảng 3.3. Ma trận tổng quát Q ((nS*nS) x (nS*nS)).............................................................. 84
Bảng 3.4. Ma trận QQJj (0 ≤ j ≤ C) có kich thước ((ω+1-j)*nS) x (ω+1-j)*nS)) ................. 85
Bảng 3.5. Ma trận QQ (0 ≤ j ≤ C) có kich thước (nS x nS) .................................................. 85
Bảng 3.6. Ma trận Bj2 (0 ≤ j ≤ C-1) có kích thước ((ω + 1 – j)*nS x (ω – j)*nS) ................. 86
Bảng 3.7. Xác suất tắc nghẽn với ω=4, C=2, r thay đổi ...................................................... 90
Bảng 4.1. Xác suất tắc nghẽn của lưu lượng lệch hướng tính theo phương pháp ERT ..... 100
Bảng 4.2. Xác suất tắc nghẽn của lưu lượng lệch hướng tính theo các phương trình (4.21)
và (4.27) ............................................................................................................................. 102


1

MỞ ĐẦU
1. Dẫn nhập
Tốc độ phát triển nhanh của Internet những năm gần đây cộng với sự bùng nổ

của các loại hình dịch vụ thơng tin, làm gia tăng khơng ngừng nhu cầu về băng
thơng mạng. Ðiều này địi hỏi phải xây dựng và phát triển những công nghệ truyền
thông có dung lượng băng thơng cao. Kỹ thuật truyền dẫn quang được xem là một
công nghệ hứa hẹn bởi tốc độ truyền dữ liệu nhanh, khả năng băng thông tiềm năng
lớn và mức độ lỗi tín hiệu nhỏ. Với một số thành tựu đạt được hiện nay của kỹ thuật
ghép kênh bước sóng WDM, mạng truyền dẫn quang đã trở thành là một giải pháp
hoàn hảo đáp ứng với xu hướng bùng nổ nhu cầu băng thông trên Internet hiện nay.
Lịch sử phát triển của mạng truyền dẫn quang đã trải qua các giai đoạn, từ
mạng chuyển mạch kênh quang OCS, chuyển mạch chùm quang OBS và chuyển
mạch gói quang OPS. Thực tế, mơ hình chuyển mạch gói quang OPS là mục tiêu
hướng đến của các nhà phát triển mạng quang, tuy nhiên nó chưa thể trở thành hiện
thực bởi hạn chế của công nghệ quang hiện nay là không thể sản xuất được các bộ
đệm quang (tương tự như bộ nhớ RAM điện tử) cần sử dụng trong mô hình mạng
chuyển mạch gói OPS. Một thỏa hiệp hiện nay là mơ hình mạng chuyển mạch chùm
OBS, bởi nó dung hịa được các ưu điểm của mơ hình chuyển mạch kênh OCS và
mơ hình chuyển mạch gói OPS. Hơn nữa mạng OBS không yêu cầu các bộ đệm
quang và do đó trong suốt với tầng điều khiển.
Có thể nói các nhóm tác giả Harry Perros (và các đồng sự) và C. Qiao (và các
đồng sự) là hai trong những người đầu tiên đề xuất mơ hình mạng chuyển mạch
chùm quang OBS với bài báo lần lượt trong [63] và [73], được xem là cơ sở cho các
nghiên cứu sau này. Xuất phát từ các ý tưởng trong các bài báo này, rất nhiều vấn
đề đã được đặt ra và nghiên cứu trong mạng OBS, như các bài toán về tập hợp
chùm [20][36][48][59][60][77], các bài toán về lập lịch [29][37][41-43][53][70],
các bài toán về báo hiệu [18][34][57], các bài toán về giải quyết tranh chấp (tắc
nghẽn) [13][16][19][28][30][31][38][46][56][58][69][71-72], hay các bài toán về
QoS [16][17][54]… Trên thế giới, nhiều luận án tiến sĩ về mạng chuyển mạch chùm
quang OBS cũng đã được hoàn thành [14] [25][35][47][55][62][68], trong đó có các
luận án liên quan đến vấn đề giải quyết tắc nghẽn trong mạng OBS, như luận án của
tác giả Hailong Li trong [39] nghiên cứu một số phương pháp chuyển đổi bước
sóng, luận án của tác giả J.Lambert trong [33] nghiên cứu một số phương pháp sử

dụng đường trễ quang FDL, luận án của tác giả Daniele Tafani năm 2012 [25]


2

nghiên cứu phương pháp FDL và chuyển đổi bước sóng sử dụng lý thuyết tràn, hay
một số nghiên cứu kênh tràn của tác giả Pratibha Menon trong [55]…
Với tốc độ giao tiếp và nhu cầu sử dụng băng thông mạng ngày càng cao như
hiện nay thì vấn đề đặt ra là làm thế nào để tăng tốc độ truyền tin, lượng thơng tin
có thể truyền tải nhanh nhất mà khơng xảy ra tình trạng tắc nghẽn. Vì vậy, tắc
nghẽn chùm được xem là một vấn đề thách thức trong mạng chuyển mạch chùm
quang. Sự tắc nghẽn chùm trong mạng OBS có thể xảy ra khi hai hay nhiều chùm từ
các cổng vào khác nhau cố gắng đi ra trên cùng một cổng ra tại cùng một thời điểm.
Nếu với mạng IP, một vùng đệm điện tử RAM sẽ được sử dụng để lưu tạm thời các
gói tin IP có độ ưu tiên thấp hơn và sau đó được truyền đi khi cổng ra tương ứng
rỗi. Tuy nhiên, công nghệ quang hiện nay không cho phép tạo ra các bộ đệm quang
tương tự như vậy và do đó, chùm quang có độ ưu tiên thấp hơn sẽ bị loại bỏ. Các
giải pháp cho việc xử lý tắc nghẽn hiện nay trên mạng OBS là: hoặc sử dụng đường
trễ quang FDL để làm trễ chùm quang có độ ưu tiên thấp hơn [2125][33][65][71][76]; hoặc thực hiện chuyển đổi bước sóng đối với một trong hai
chùm quang tranh chấp này [13][28][38][39][46][49][51][56][58]; hoặc định tuyến
chùm quang có độ ưu tiên thấp hơn đến một cổng ra rỗi khác và sau đó truyền đi
theo một đường truyền khác để đến đích (gọi là định tuyến lệch hướng)
[15][19][28][61]; hoặc phân đoạn chùm [54][69]. Nhiều hướng tiếp cận riêng l
cũng như kết hợp các giải pháp này cũng đã được nghiên cứu và đề xuất
[15][19][28][29][58][72][74]. Trong Luận án này, chúng tôi tập trung nghiên cứu,
xây dựng các mơ hình tốn học nhằm mơ hình hóa các cơ chế điều khiển tránh
tắc nghẽn tại nút lõi mạng OBS với các kiến trúc nút lõi khác nhau; trên cơ sở đó
đánh giá hiệu năng nút lõi mạng thơng qua các độ đo hiệu năng phù hợp, như xác
suất tắc nghẽn (hay xác suất mất chùm), độ trễ chùm.
Các mô hình phân tích trong Luận án tập trung thực hiện tại nút lõi OBS với

một hoặc nhiều cổng ra với nhiều kiến trúc khác nhau theo các tài nguyên nút mạng
như bộ chuyển đổi bước sóng WC hay các đường trễ quang FDL. Luận án tập trung
vào nghiên cứu ba vấn đề chính, ứng với ba bài tốn mà chúng tơi đã đặt ra từ ban
đầu:
Bài tốn 1. Đề xuất, cải tiến mơ hình tốn học phân tích ảnh hưởng của định
tuyến lệch hướng kết hợp với đường trễ quang FDL.
Bài tốn 2. Đề xuất, cải tiến mơ hình kết hợp định tuyến lệch hướng với các
khả năng chuyển đổi bước sóng, có tính đến các tham số ràng buộc, như khả năng


3

chuyển đổi bước sóng hồn tồn (full), chuyển đổi bước sóng từng phần (partial),
hay giới hạn vùng chuyển đổi bước sóng (limited).
Bài tốn 3. Mở rộng một mơ hình trong bài tốn 1 với trường hợp lưu lượng
đến là khơng Poisson (lưu lượng tổng quát
hay quá trình đến Renewal).

2. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu của Luận án là nghiên cứu xây dựng các mơ hình tốn học (dựa trên
lý thuyết hàng đợi – mơ hình Markov và non-Markov) nhằm mơ hình hố một số cơ
chế điều khiển tránh tắc nghẽn tại nút lõi mạng chuyển mạch chùm quang. Từ đó,
phân tích, đánh giá, so sánh hiệu quả hoạt động của các cơ chế điều khiển tránh tắc
nghẽn đề xuất dựa trên xác suất mất chùm (xác suất tắc nghẽn) tại mỗi nút lõi OBS,
với các cơ chế đã được đề xuất trước đây.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của Luận án là mơ hình nút lõi OBS với các kiến trúc
khác nhau với các phân bố khác nhau của các bộ chuyển đổi bước sóng và các
đường trễ quang FDL.

Phạm vi nghiên cứu của Luận án tập trung vào các bài toán điều khiển tránh
tắc nghẽn tại nút lõi OBS dựa trên các phương pháp truyền thống là chuyển đổi
bước sóng, sử dụng đường trễ quang FDL và định tuyến lệch hướng. Ngoài ra, Luận
án cũng nghiên cứu áp dụng phương pháp xây dựng ma trận tốc độ chuyển trạng
thái ứng với các mơ hình đề xuất.

4. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu chính của Luận án là phương pháp mơ hình hóa giải
tích. Theo đó, một số mơ hình hàng đợi Markov [10][51][39][64][66-67][75] sẽ
được áp dụng, so sánh với các kết quả đã được cơng bố trước đây và mở rộng với
mơ hình non-Markov trong trường hợp đơn giản [8-12][44-45][50]. Trong một số
trường hợp, phương pháp mơ phỏng (cho các mơ hình hàng đợi tại nút lõi) [10]
cũng sẽ được áp dụng để kiểm chứng kết quả tính tốn của phương pháp phân tích,
từ đó khẳng định tính đúng đắn của kết quả nghiên cứu.

5. Cấu trúc luận án
Ngoài phần Mở đầu và Kết luận, Luận án bao gồm bốn chương nội dung.
Chương 1 trình bày các khái niệm cơ bản về mạng chuyển mạch chùm quang, các
hướng tiếp cận nghiên cứu của các tác giả trước đây, cũng như các hướng mở rộng
mà chúng tôi sẽ thực hiện trong Luận án. Các đóng góp chính của Luận án được
trình bày trong Chương 2, Chương 3 và Chương 4, bao gồm đề xuất một số mơ hình


4

phân tích các cơ chế điều khiển tránh tắc nghẽn trong mạng OBS trên cơ sở cải tiến
một số mô hình đã được nghiên cứu trước đây.
Chương 2 trình bày các kết quả nghiên cứu các mơ hình phân tích trong
trường hợp sử dụng định tuyến lệch hướng với sự hỗ trợ của các đường trễ quang
FDL [3][5][26]. Trên cơ sở các mơ hình phân tích được cơng bố [13][19][28][58],

chúng tơi thực hiện cải tiến, đề xuất mơ hình mới nhằm nâng cao hiệu năng tại nút
lõi mạng.
Chương 3 trình bày các mơ hình phân tích với chuyển đổi bước sóng (full,
partial, limited) với có/khơng khả năng định tuyến lệch hướng [1][2][27]. Ngoài ra,
trong Chương 3 cũng đề xuất một số thuật toán xây dựng ma trận tốc độ trạng thái
Q ứng với mỗi mơ hình nhằm tính các xác suất trạng thái cân bằng [1][27].
Phương pháp phân tích chính trong Chương 2 và Chương 3 là sử dụng các mơ
hình chuỗi Markov một chiều (one-dimensional) và đa chiều (two-dimensional và
four-dimensional), tức là xem xét các lưu lượng đến tại nút lõi đều tuân theo phân
phối Poisson. Việc mở rộng với các trường hợp non-Markov (ứng với lưu lượng
tổng quát ) sẽ được xem xét trong Chương 4 trên cơ sở một số mơ hình đã được
phân tích trong Chương 2 và Chương 3. Theo đó, chúng tơi xem xét lưu lượng đến
là lưu lượng tổng quát
(quá trình Renewal) [6], cũng như phân tích với trường
hợp kết hợp cả hai luồng lưu lượng Poisson và lưu lượng
(non-Poisson) [7]. Mơ
hình phân tích khi đó khơng cịn hồn tồn là mơ hình Markov và phương pháp
được sử dụng là các phương pháp xấp xỉ
và phương pháp xấp xỉ
[7]. Kết
quả phân tích trong trường hợp này (lưu lượng ) cũng được so sánh với kết quả
trong mơ hình ứng với tất cả đều là lưu lượng Poisson để đánh giá tính đúng của mơ
hình mở rộng.
Cuối cùng, phần kết luận nêu những đóng góp của Luận án, hướng phát triển
và những vấn đề quan tâm của tác giả.


5

Chương 1

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
1.1. Mạng truyền dẫn quang và các công nghệ chuyển mạch
quang

Phương thức truyền tải quang

Xu thế phát triển mạng hiện nay trên thế giới và ở Việt Nam là xây dựng
mạng truyền tải quang OTN cho Internet thế hệ mới dựa trên công nghệ WDM.
Những nỗ lực phi thường về công nghệ truyền dẫn quang trong đó tập trung vào
việc nghiên cứu các vấn đề cơng nghệ mạng WDM trên thế giới hiện nay đang dần
đáp ứng được nhu cầu phát triển tất yếu của mạng. Có nhiều vấn đề cần phải giải
quyết trong mạng OTN nhằm ngày càng hoàn thiện các chức năng của mạng. Trong
các vấn đề đó, chuyển mạch quang trong mạng OTN được coi là những hướng đi
hấp dẫn và có ý nghĩa. Một mặt, kỹ thuật này cho phép xây dựng được mạng truyền
dẫn quang linh hoạt và bảo đảm thông suốt các lưu lượng tín hiện lớn. Mặt khác nó
cho phép nâng cao tính thơng minh cho lớp quang trong khi vẫn đơn giản hoá được
rất nhiều cấu trúc mạng. Điều đó có tác động lớn tới việc xây dựng, khai thác và
bảo dưỡng mạng có hiệu quả sau này. Về nguyên lý, một mạng chuyển mạch thực
hiện chuyển lưu lượng từ một cổng vào hoặc kết nối lưu lượng trên một khối
chuyển mạch tới một cổng ra. Hệ thống chuyển mạch quang là một hệ thống chuyển
mạch cho phép các tín hiệu bên trong các sợi quang hay các mạch quang tích hợp
được chuyển mạch có lựa chọn từ một mạch này tới một mạch khác. Sự phát triển
của mạng quang WDM có thể được phân loại như Hình 1.1 [32][63][73].
Mạng chuyển mạch gói quang
Mạng lưới chuyển mạch chùm quang
Mạng vòng chuyển mạch chùm quang

AONs

Mạng lưới định tuyến bước sóng

Mạng vịng định tuyến bước sóng
Mạng WDM điểm-điểm

u cầu OEO

Thời gian

Hình 1.1. Sự phát triển của mạng quang


6

Các mạng quang WDM hiện nay chủ yếu là các kết nối điểm-đến-điểm (pointto-point), mà ở đó việc chuyển đổi quang-điện-quang (OEO) được thực hiện tại mỗi
chặng (hop). Tuy nhiên, việc thiết kế WDM trong tương lai sẽ hội tụ đến các mạng
tồn quang (AONs), mà ở đó dữ liệu truyền đi hoàn toàn trong miền quang. Việc
loại bỏ chuyển đổi OEO trong AONs cho phép tạo ra tốc độ truyền dẫn lớn chưa
từng thấy. Các AONs có thể được phân loại thành mạng định tuyến bước sóng
(WRNs), mạng chuyển mạch chùm quang (OBSNs), hay mạng chuyển mạch gói
(OPSNs). Ngồi ra, mỗi bước phát triển quang bắt đầu với thiết kế mạng vòng
(ring) đơn giản trước khi hoạt động trên các cấu trúc hình thái (topo) lưới (mesh)
phổ biến hơn.
1.1.1. Chuyển mạch kênh quang
Chuyển mạch kênh quang được thực hiện trong mạng định tuyến bước sóng
thực hiện thiết lập các bước sóng tồn quang giữa hai nút mạng. Sự thiết lập các
luồng quang bao gồm một số bước thực hiện: cấu hình tài ngun, định tuyến, gán
bước sóng, báo hiệu và đặt trước tài nguyên. Sự phát triển của AON bắt đầu với
chuyển mạch kênh quang, còn được biết đến là mạng định tuyến bước sóng WRNs,
trong đó q trình hoạt động bao gồm việc thiết lập các kênh, được gọi là kênh
quang (lightpaths), giữa các nút của mạng. Ràng buộc chính của WRNs, điển hình
của tất cả các giao tiếp quang, là giới hạn số bước sóng trên mỗi sợi quang. Ví dụ,

trong một WRN lớn, vấn đề khan hiếm số bước sóng có thể tạo nên một vấn đề là
không thể tạo ra mạng lưới trọn vẹn các kênh quang giữa tất cả các người sử dụng
đầu-cuối. Vì vậy, với mỗi hình thái WRN, những người thiết kế mạng phải giải
quyết được bài toán NP-đầy đủ, là bài tốn định tuyến và phân phối bước sóng
(RWA) của các kênh quang để thỏa mãn một cách tối ưu các yêu cầu kết nối của
người sử dụng. Giao thức báo hiệu (signaling) được đề nghị đối với WRNs là
GMPLS.
1.1.2. Chuyển mạch gói quang
Về ngun tắc, chuyển mạch gói tồn quang là dựa trên gói điều khiển được
thực hiện trong miền quang, tuy nhiên phải trong nhiều năm nữa mới thực hiện
được. Trong thời điểm hiện nay, chuyển mạch gói quang sử dụng điều khiển điện tử
để xử lý gói điều khiển. Trong chuyển mạch gói quang, tiêu đề hoặc nhãn được đọc
và so sánh với một bảng định tuyến. Phần dữ liệu sau đó sẽ được định tuyến tới


7

cổng ra tương ứng với một nhãn mới (trao đổi nhãn). Điều quan trọng là phần dữ
liệu được truyền trong suốt qua chuyển mạch quang.
Trong OPSNs, phần dữ liệu và thông tin điều khiển là được truyền trên cùng
kênh (in-band). Thơng tin điều khiển được rút trích và xử lý trong miền điện tại mỗi
nút. Đây là kiến trúc có tính triển vọng bởi nó đã được biết đến trên thực tế là mạng
chuyển mạch gói điện tử, đặc trưng bởi thơng lượng cao và dễ dàng thích ứng với
sự tắc nghẽn hay bị lỗi. Tuy nhiên, vấn đề của OPSNs đó là thiếu các bộ đệm quang
do giới hạn về mặt công nghệ.
1.1.3. Chuyển mạch chùm quang
Trong chuyển mạch chùm quang (OBS), dữ liệu truyền tải trong các đơn vị có
kích thước khác nhau, được gọi là chùm (burst) [63][73]. Bởi vì tính biến thiên lớn
trong suốt thời gian tồn tại của các chùm, mạng OBS có thể được xem là trung gian
giữa OPSNs và WRNs. Điều đó có nghĩa là, khi thời gian tồn tại của tất cả các

chùm là rất ngắn, bằng thời gian tồn tại của một gói quang, OBSN có thể được xem
tương tự như một OPSN. Mặt khác, khi khi thời gian tồn tại của tất cả các chùm là
vơ cùng lớn (có thể kéo dài một vài tháng), thì OBSN có thể được xem tương tự là
WRN. Trong OBS, có sự phân tách mạnh giữa cách bố trí kênh điều khiển và dữ
liệu, cho phép có thể điều khiển mạng linh động và đạt hiệu quả cao. Hơn nữa, bản
chất động (dynamic) của nó dẫn đến khả năng thích nghi của mạng cao, làm cho nó
hồn tồn phù hợp với sự truyền dẫn của lưu lượng chùm.

1.2. Mạng chuyển mạch chùm quang
1.2.1. Đặc trưng chung của mạng chuyển mạch chùm quang
Khái niệm chuyển mạch chùm đã được đề xuất vào năm 1980. Tuy nhiên, kỹ
thuật này không thành công trong mạng chuyển mạch điện tử do nhu cầu và tính
phức tạp so với kỹ thuật chuyển mạch gói. Trong mạng quang có sự khác biệt lớn
giữa khả năng truyền dẫn quang và khả năng xử lý điện tử; thêm vào đó khả năng
sử dụng các bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên trong miền quang là khơng khả dụng, vì
vậy khơng thể giữ được dữ liệu để đợi xử lý trong miền quang. Mạng chuyển mạch
chùm quang được đề xuất vào cuối năm 1990 và trở thành một cơng nghệ hứa hẹn
có thể tận dụng được những ưu điểm của mạng chuyển mạch kênh quang và mạng
chuyển mạch gói quang để tránh được những bất lợi về kỹ thuật trong thời gian này.
Chuyển mạch chùm quang OBS trên mạng WDM đã được xem như là một
công nghệ đầy triển vọng đối với mạng Internet thế hệ tiếp theo, bởi vì nó có nhiều


8

lợi thế hấp dẫn như tốc độ nhanh và hiệu suất khai thác băng thông cao hơn nhiều
so với những mơ hình chuyển mạch kênh quang khác [63][73]. Tại nút biên vào của
mạng OBS, dữ liệu vào (chẳng hạn các luồng IP) có cùng đích đến (và cùng lớp
dịch vụ QoS) được tập hợp trong một chùm quang dữ liệu, được lập lịch và được
gởi vào bên trong mạng OBS theo sau một gói điều khiển chùm quang BCP một

khoảng thời gian offset. Khoảng thời gian offset này được tính tốn sao cho gói điều
khiển có thể kịp đặt trước và cấu hình các tài nguyên tại các nút mà chùm quang dữ
liệu sẽ đi qua. Bằng cách đó, mạng OBS đã loại bỏ được yêu cầu cần sử dụng các
bộ đệm quang, một trong những hạn chế mà công nghệ quang hiện nay chưa thể
vượt qua được. Tại các nút lõi bên trong mạng OBS, chùm quang đơn giản được
chuyển tiếp (forward) theo hướng đến nút đích như đã cấu hình. Khi đến nút biên
ra, các luồng IP sẽ được khôi phục lại từ chùm quang dữ liệu này.
Thực chất, mạng chuyển mạch chùm quang xem xét lớp quang đơn thuần như
một phương tiện truyền thông trong suốt cho các ứng dụng. Một số đặc trưng chung
của mạng chuyển mạch chùm quang như sau:
– Tách biệt giữa kênh truyền gói điều khiển BCP và kênh truyền chùm dữ liệu
DB: gói điều khiển được truyền trên một kênh riêng biệt.
– Sự dành riêng một chiều: tài nguyên được cấp phát theo kiêu dành riêng
một chiều, nghĩa là nút nguồn không cần đợi thơng tin phản hồi từ nút đích trước
khi nó bắt đầu truyền chùm.
– Độ dài chùm thay đổi được: kích thước của chùm có thể thay đổi được theo
yêu cầu.
– Không cần bộ đệm quang: nút trung gian trong mạng quang khơng u cầu
phải có bộ đệm quang. Các chùm đi qua các nút trung gian mà không chịu bất kì sự
trễ nào.
1.2.2. Kiến trúc mạng chuyển mạch chùm quang
Một mạng chuyển mạch chùm quang bao gồm các nút chuyển mạch chùm
quang kết nối với nhau thông qua các sợi cáp quang. Mỗi sợi quang có khả năng hỗ
trợ các kênh đa bước sóng. Như được trình bày ở Hình 1.2, các nút trên mạng
chuyển mạch chùm quang có hai kiểu: nút biên và nút lõi. Nút biên được xem như
là giao diện giữa miền điện tử và miền quang. Nút biên có thể là nút biên vào hoặc
là nút biên ra. Nút biên vào thực hiện tập hợp các gói điện tử (chẳng hạn các gói IP)
có cùng đích thành một đơn vị truyền dẫn lớn gọi là chùm quang, sau đó thực hiện
định tuyến, ấn định bước sóng và lập lịch cho chùm trên một kênh dữ liệu ở ngõ ra,

9

sau đó được truyền qua mạng chuyển mạch chùm quang và cuối cùng được tách gói
tại nút biên ra. Nút lõi được xem như là một ma trận chuyển mạch và là một đơn vị
chuyển mạch có trách nhiệm chuyển tiếp các chùm dữ liệu đến nút khác.

Hình 1.2. Kiến trúc của mạng chuyển mạch chùm quang

Một nút OBS bao gồm cả 2 phần: quang và điện. Phần quang là các bộ
ghép/tách bước sóng (multiplexer/demultiplexer) và chuyển mạch quang (optical
cross-connect). Phần điện có các mơ-đun vào/ra, điều khiển định tuyến và lập lịch.
Đơn vị chuyển mạch quang điều khiển các chùm dữ liệu từ một cổng vào và ra một
cổng tương ứng với đích đến của chúng.
Khi một nút biên vào chuẩn bị truyền một chùm dữ liệu, nó sẽ gửi một gói
điều khiển đi trên một bước sóng riêng tới nút lõi. Gói điều khiển thực hiện việc báo
hiệu, cấu hình các chuyển mạch tại nút lõi để chuyển chùm từ cổng vào đến cổng ra
và giải quyết xung đột nếu xảy ra. Kiến trúc tổng quát một nút biên vào và nút lõi
OBS được chỉ ra ở Hình 1.3 và Hình 1.4, một cách tương ứng.
Nút biên vào (Hình 1.3) có chức năng sắp xếp các gói tin đến và tập hợp
chúng thành các chùm. Kiến trúc nút biên bao gồm mô-đun định tuyến, bộ tập hợp
chùm và bộ lập lịch. Mô-đun định tuyến lựa chọn cổng ra thích hợp cho mỗi gói tin
và gởi mỗi gói tin đến mô-đun tập hợp chùm tương ứng. Trong mô-đun tập hợp
chùm, có các hàng đợi gói tin riêng tương ứng với mỗi loại lớp lưu lượng. Bộ tập
hợp tạo ra chùm dựa trên một kỹ thuật tập hợp chùm nào đó và truyền chùm đến


10

cổng ra dự kiến. Tại nút biên ra, bộ phân tách chùm sẽ tách chùm thành các gói tin

và gởi chúng đến lớp mạng cao hơn [32].

Hình 1.3. Kiến trúc nút biên vào mạng OBS

Một nút lõi OBS (Hình 1.4) bao gồm một thiết bị chuyển mạch quang (OXC)
và đơn vị điều khiển chuyển mạch (SCU) [25].

Hình 1.4. Kiến trúc nút lõi OBS

Đơn vị SCU tạo ra và duy trì một bảng chuyển tiếp và chịu trách nhiệm cho
việc cấu hình OXC [32]. Ngay khi SCU nhận được gói điều khiển chùm (BCP), nó