Tìm hiểu phương pháp nâng cao tính công bằng luồng trên mạng chuyển mạch chùm quang

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC HUẾ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

LÊ QUỐC TIN

T×m hiÓu ph-¬ng ph¸p n©ng cao
tÝnh c«ng b»ng luång trªn m¹ng
chuyÓn m¹ch chïm quang
CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÁY TÍNH
MÃ SỐ: 60.48.01.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

Huế, 2015


MỤC LỤC

Lời cam đoan
Lời cám ơn
Danh mục các chữ viết tắt
Danh mục các bảng
Danh mục các hình và đồ thị
PHẦN MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG ....... 3
1.1. Đặt vấn đề ............................................................................................................ 3
1.2. Lịch sử và kiến trúc mạng chuyển mạch chùm quang. ....................................... 3
1.2.1. Mạng quang thế hệ thứ 1 .................................................................................. 3
1.2.2. Mạng quang thế hệ thứ 2 .................................................................................. 4
1.2.3. Mạng quang thế hệ thứ 3 .................................................................................. 4

1.3. Kỹ thuật ghép kênh quang WDM ........................................................................ 5
1.3.1. Ghép kênh quang WDM là gì? ......................................................................... 5
1.3.2. Sơ đồ chức năng hệ thống WDM ..................................................................... 5
1.3.3. Phân loại hệ thống WDM. ................................................................................ 6
1.4. Kiến trúc mạng chuyển mạch chùm quang ......................................................... 7
1.4.1. Mạng chuyển mạch chùm quang là gì? ............................................................ 7
1.4.2. Kiến trúc mạng chuyển mạch chùm quang ...................................................... 8
1.4.3. Tập hợp chùm ................................................................................................... 9
1.5. Các hoạt động của mạng chuyển mạch chùm quang......................................... 12
1.5.1. Báo hiệu .......................................................................................................... 12
1.5.2. Xử lý xung đột ................................................................................................ 16
1.6. Ý nghĩa thực tiễn của mạng chuyển mạch chùm quang .................................... 19
1.7. Tiểu kết chương 1 .............................................................................................. 19


Chương 2. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO TÍNH CÔNG BẰNG
LUỒNGTRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG ................. 22
2.1. Tranh chấp và các giải pháp xử lý tranh chấp truyền thống.............................. 21
2.2. Vấn đề công bằng luồng .................................................................................... 21
2.3. Một số giải pháp đảm bảo công bằng luồng ...................................................... 25
2.3.1. Giải pháp phân bổ tài nguyên theo nhóm ....................................................... 25
2.3.2. Giải pháp ưu tiên dựa trên số hop................................................................... 29
2.3.3. Sơ đồ định tuyến thích nghi ............................................................................ 31
2.3.4. Giải pháp loại bỏ chùm ít ưu tiên ................................................................... 35
2.4. Tiểu kết chương 2 .............................................................................................. 38
Chương 3. CÀI ĐẶT MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ ..................... 39
3.1. Giới thiệu hệ mô phỏng NS và gói mô phỏng mạng OBS ................................ 39
3.1.1. Giới thiệu hệ mô phỏng NS. ........................................................................... 39
3.1.2. Gói mô phỏng mạng chuyển mạch chùm quang OBS-0.9a ........................... 43
3.2. Cài đặt, phân tích và đánh giá kết quả mô phỏng.............................................. 46

3.2.1. Môi trường mô phỏng..................................................................................... 46
3.2.2. Các kịch bản mô phỏng .................................................................................. 47
3.3. Tiểu kết chương 3 .............................................................................................. 49
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................................................ 50
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................... 51


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Từ đầy đủ

ACK

Acknowledged

CPS

Cluster-based Preemptive Scheduling

DIR

Destination initiated reservation

FCR

Forward channel reservation

FDL

Fiber Delay Line

HBP

Hop-Based Preemptive

Hop-FCR

Hop-by-hop routing using forward channel reservation

Hop-LC

Hop-by-hop routing using link connectivity

HopN-FCR

Hop-by-hop routing using neighborhood forward channel reservation

JET

Just-Enough-Time

JIT

Just-In-Time

LAUC

Lastest Available Unscheduled Channel

MGDP

Monitoring Group Drop Probability

OBS

Optical Burst Switching

OCS

Optical Circuit Switching

OPS

Optical Packet Switching

OTPS

Offset Time-based Preemptive Scheduling

OXC

Optical Cross-Connect

PRED

Prioritized Random early Dropping

PRP

Parallel Reservation Protocols

RAM

Random Access Memory

RED

Random early discard

SIR

Source initiated reservation

TDM

Time Division Multiplexing

WADM

Wavelenght Add/Drop Multiplexing

WDM

Wavelength Division Multiplexing


DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu bảng

Tên bảng

Trang

1

Xác suất rơi trung bình của hình 2.1

22

2

Các thông số được sử dụng trong sơ đồ HBP

29

3

Liệt kê giá trị của phần tử (i, j) theo toạ độ

38


DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ
Số hiệu

Tên hình vẽ

hình vẽ

Trang

1.1

Sơ đồ chức năng của hệ thống WDM

5

1.2

Hệ thống WDM đơn hướng

6

1.3

Hệ thống WDM song hướng

6

1.4

Kiến trúc của mạng chuyển mạch chùm quang

9

1.5

Tập hợp chùm và tách chùm

10

1.6

Tập hợp chùm theo ngưỡng thời gian

10

1.7

Tập hợp chùm theo ngưỡng kích thước (số gói tối đa)

11

1.8

Tập hợp chùm theo ngưỡng thời gian và ngưỡng độ dài chùm

11

1.9

Quá trình đặt trước tức thời và sau một thời gian trễ

15

1.10

Mô tả chuyển đổi bước sóng W1 qua W2

17

1.11

Mô tả định tuyến lệch hướng

18

2.1

Mối quan hệ giữa xác suất rơi và số hop

22

2.2

Vấn đề về vi phạm tính công bằng luồng

23

2.3

Sơ đồ khối giải thuật Offset Time-based Preemptive
Scheduling

24

2.4

Tổng số bước sóng ra khả dụng trên liên kết WDM là W

25

2.5

Sơ đồ khối giải thuật Cluster-based Preemptive Scheduling

28

(a) mô tả FCR
2.6
2.7

(b) định tuyến hop-by-hop bằng FCR
Sơ đồ tranh chấp các hops

32
36


Số hiệu

Tên hình vẽ

hình vẽ

Trang

2.8

Trường hợp tranh chấp giữa Xm và Xn

37

3.1

NS dưới góc độ người dùng

39

3.2

Phân cấp của hệ mô phỏng NS

40

3.3

Cấu trúc của NS

40

3.4

Cấu trúc các thành phần trong NS

41

3.5

Mô hình mô tả nút mạng (Unicast Node và Multicast Node)

42

3.6

Mô hình thể hiện mối liên kết trong NS

42

3.7

Mô tả liên kết và gửi gói tin trên hai nút

43

3.8

Cấu trúc nút biên

45

3.9

Cấu trúc nút lõi

45

3.10

Cấu trúc mạng xem xét

46

3.11

Hiệu quả của phương pháp xử lý tranh chấp dựa trên offsettime đới với 2 luồng tương ứng hành trình dài và ngắn

47

Hiệu của của phương pháp phân bổ bước sóng dựa trên độ dài
3.12

hành trình, khi tỉ lệ phân bổ thay đổi M1/M2 = 8/24, 16/16,
và 24/8.

48


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết đề tài.
Trong những năm gần đây, nhu cầu truyền thông ngày càng lớn với nhiều dịch vụ
mới yêu cầu băng rộng tốc độ cao và đa phương tiện. Để đáp ứng và thúc đẩy sự phát
triển của kỷ nguyên thông tin, mạng truyền thông cần phải có khả năng linh hoạt cao,
tốc độ truyền dẫn lớn, băng thông rộng, đa dịch vụ. Các nhà khoa học, các tổ chức
viễn thông, các hãng cung cấp thiết bị… đã và đang nghiên cứu phát triển và áp dụng
các giải pháp công nghệ mới băng rộng với tốc độ cao và đa phương tiện đối với mạng
viễn thông. Mạng truyền dẫn quang với những kỹ thuật truyền tin tiên tiến, là một giải

pháp hữu hiệu nhất hiện nay để đáp ứng những yêu cầu hiện tại và có thể cả trong
tương lai.
Theo sự phát triển của mạng quang, có 3 công nghệ chuyển mạch quang đã được
đề xuất: chuyển mạch kênh quang (Optical Circuit Switching - OCS), chuyển mạch
gói quang (Optical Packet Switching - OPS) và chuyển mạch chùm quang (Optical
Burst Switching - OBS). Mỗi công nghệ này đều có các ưu và nhược điểm trong đó
chuyển mạch chùm quang dung hòa được những ưu và nhược điểm của hai loại
chuyển mạch kia và là công nghệ có thể triển khai và đáp ứng được nhu cầu băng
thông trong một tương lai gần.
Trong mạng chuyển mạch chùm quang, một gói tin điều khiển được truyền đi
trước chùm dữ liệu trên một kênh điều khiển để thông báo. Một thời gian bù đắp được
tính toán tại nút nguồn, là khoảng cách truyền giữa gói điều khiển và chùm dữ liệu.
Trong thời gian bù đắp này, chùm dữ liệu vẫn được lưu điện tử tại nút nguồn trong khi
gói điều khiển được truyền đi trước để cấu hình tại mỗi nút trung gian dọc theo đường
quang. Vào cuối thời gian bù đắp, chùm dữ liệu sẽ được truyền đi và được chuyển
mạch toàn quang tại các nút trung gian. Vì không có một thông báo rõ ràng nào về kết
nối được thiết lập trước khi phát chùm, gói điều khiển có thể không đảm bảo đặt trước
thành công một kênh nào đó tại một nút dọc theo hành trình và do đó chùm có thể bị
đánh rơi. Nếu số lượng các nút trung gian trên một đường quang các lớn, xác suất để
một chùm được chuyển mạch qua các nút trung gian càng giảm. Đây chính là tính
không công bằng trong truyền thông trên mạng OBS.


2
Trong phạm vi luận văn này tôi chọn đề tài “Tìm hiểu phương pháp nâng cao
tính công bằng luồng trên mạng chuyển mạch chùm quang” để tìm hiểu và nghiên
cứu.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Tìm hiểu các kiến thức cơ bản về mạng quang và mạng OBS.
- Tìm hiểu một số phương pháp nâng cao tính công bằng trong truyền thông

trên mạng OBS.
- Cài đặt mô phỏng (trên NS2) và phân tích kết quả của phương pháp nâng cao
tính công bằng trong truyền thông trên mạng OBS.
3. Cấu trúc luận văn
Luận văn bao gồm phần mở đầu và ba chương nội dung:
Chương 1 giới thiệu mạng truyền dẫn quang và mạng chuyển mạch chùm quang,
bao gồm các khái niệm cơ bản và kiến trúc, hoạt động, ý nghĩa thực tiễn của mạng
chuyển mạch chùm quang.
Chương 2 trình bày chi tiết về công bằng trong truyền thông trên mạng OBS và
một số phương pháp nâng cao tính công bằng luồng.
Chương 3 giới thiệu hệ mô phỏng NS2, gói mô phỏng mạng chuyển mạch chùm
quang obs0.9a và cài đặt một phương pháp công bằng luồng; qua đó phân tích và đánh
giá nó với trường hợp không xét đến công bằng luồng.
Cuối cùng là phần kết luận, hướng phát triển và tài liệu tham khảo


3

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG

1.1. Đặt vấn đề
Trong những năm gần đầy, tốc độ phát triển nhanh của Internet với sự bùng nổ
của các loại hình dịch vụ thông tin, đã làm gia tăng không ngừng nhu cầu về băng
thông mạng; trong khi việc khai thác khả năng truyền tải của cáp đồng đã đạt đến
ngưỡng giới hạn. Ðiều này đòi hỏi phải xây dựng và phát triển một công nghệ mạng
mới nhằm đáp ứng được những nhu cầu đó.
Mạng sợi quang đã được công nhận như là một giải pháp tốt nhất để đáp ứng
những yêu cầu về băng thông hiện tại của người dùng và hỗ trợ cho các dịch vụ khác
trong tương lai. Điều đó là do, theo lý thuyết mỗi sợi quang có thể hỗ trợ băng thông

lên tới 50 THz . Ngoài ra việc sản xuất cáp sợi quang có chi phí và độ lỗi bit thấp
(khoảng 10-2dB). Hơn thế, mất mát tín hiệu truyền trên sợi quang thấp hơn nhiều so
với cáp đồng vì thế rất thuật tiện trong vấn đề bảo mật mạng.
Một mạng toàn quang, trong đó dữ liệu được chuyển hoàn toàn trong miền quang
còn gói tin điều khiển được xử lý trong miền điện, là mục tiêu hướng tới trong tương
lai gần mà chúng ta có thể xây dựng được. Hiện nay các công nghệ chuyển mạch
quang đã được đề xuất như chuyển mạch kênh quang, chuyển mạch gói quang và
chuyển mạch chùm quang, trong đó mỗi công nghệ có các ưu và nhược điểm riêng.
Riêng chuyển mạch chùm quang dung hòa được những ưu và nhược điểm của hai loại
chuyển mạch kia và là công nghệ hứa hẹn trong tương lai.

1.2. Lịch sử và kiến trúc mạng chuyển mạch chùm quang.
Sự phát triển của mạng truyền dẫn quang có thể chia thành 3 giai đoạn chính:

1.2.1. Mạng quang thế hệ thứ 1
Với thế hệ mạng quang đầu tiên các cáp đồng được thay thế bởi cáp quang để
truyền dẫn. Sợi quang lúc này đã đạt được tốc độ truyền lớn hơn 10Mbps. Trong mạng


4
thế hệ này, khi tín hiệu quang đi vào một nút chuyển mạch, nó sẽ được chuyển đổi
thành tín hiệu điện, xử lí và chuyển trở lại thành tín hiệu quang trước khi ra khỏi nút
đó. Việc chuyển đổi tín hiệu tại các nút mạng cùng với tốc độ xử lí với các thành phần
điện tử nên gây trễ lớn. Vì vậy tốc độ mạng của thế hệ này có thể khắc phục bằng cách
tăng tốc độ xử lý điện tử với kỹ thuật phân chia thời gian TDM (Time Division
Multiplexing) hoặc tăng số lượng bước sóng trong các sợi quang. Mạng SONET/SDH
là ví dụ của mạng quang thế hệ đầu tiên. Xét về phương diện lớp thì mạng quang thế
hệ này tác động chủ yếu vào lớp vật lý.

1.2.2. Mạng quang thế hệ thứ 2

Mạng thế hệ này đã sử dụng kỹ thuật cho phép ghép nhiều bước sóng để có thể
truyền trên cùng một sợi quang vì vậy làm tăng băng thông truyền trên mỗi liên kết và
kỹ thuật này được gọi là kỹ thuật ghép kênh quang WDM (Wavelength Division
Multiplexing).
Ưu điểm chính của mạng quang thế hệ thứ hai so với thế hệ đầu tiên là về mặt
kỹ thuật: đó là sự kết hợp chặt chẽ về chức năng giữa chuyển mạch và định tuyến
trong miền quang và có khả năng trong suốt với khuôn dạng của tín hiệu, giao thức và
tốc độ bít. Thiết bị chuyển mạch quang của mạng quang thế hệ thứ hai là thiết bị nối
chéo quang OXC (Optical Cross-Connect). Thiết bị này có thể cấu hình để chuyển
mạch tín hiệu quang từ ngõ vào bất kỳ đến ngõ ra bất kỳ nào đó.
Kiến trúc mạng quang thế hệ này dựa trên bộ xen/ghép kênh theo bước sóng
WADM (Wavelenght Add/Drop Multiplexing), trong đó việc tách ghép lưu lượng
được thực hiện bởi WADM. WADM có thể tách một bước sóng được chọn và cho
phép các bước sóng khác còn lại đi qua. Do lưu lượng đi qua một nút là lớn hơn lưu
lượng được giữ lại tại nút đó, nên việc sử dụng WADM có thể giảm được chi phí toàn
mạng bằng cách chỉ tách những bước sóng mà nút này là đích của nó và tất cả các
bước sóng còn lại tiếp tục đi đến nút kế tiếp.

1.2.3. Mạng quang thế hệ thứ 3
Mạng quang thế hệ tiếp theo là toàn quang (All-Optical) và sử dụng chuyển mạch
gói quang. Trong mạng toàn quang, giao diện mạng - mạng đều dựa trên truyền dẫn


5
quang, còn giao diện người sử dụng - mạng chỉ sử dụng truyền dẫn quang ở phía
mạng. Tất cả các công việc như vùng đệm, chuyển mạch, định tuyến đều thực hiện
trong miền quang.

1.3. Kỹ thuật ghép kênh quang WDM
1.3.1. Ghép kênh quang WDM là gì?

Ghép kênh bước sóng WDM là một công nghệ “truyền dẫn đồng thời nhiều tín
hiệu quang trên nhiều bước sóng khác nhau trong một sợi quang”. Ở đầu phát, nhiều
tín hiệu quang trên các bước sóng khác nhau được tổ hợp lại (ghép kênh) để cùng
truyền đi trên một sợi quang. Ở đầu thu, tín hiệu tổ hợp đó được phân giải (tách kênh),
khôi phục lại tín hiệu gốc rồi đưa vào các đầu cuối khác nhau.
Hệ thống WDM được phân thành DWDM (Dense WDM) và CWDM (Code
WDM). Trong DWDM có thể kết hợp trên 8 bước sóng trên mỗi sợi quang, như
CWDM thì ít hơn.

1.3.2. Sơ đồ chức năng hệ thống WDM
Theo hình 1.1 hệ thống WDM bao gồm các các chức năng thành phần như sau:

Hình 1.1. Sơ đồ chức năng của hệ thống WDM [2]
- Phát tín hiệu: Hệ thống WDM sử dụng nguồn tín hiệu Laser. Yêu cầu đối với
nguồn phát laser là phải có độ rộng phổ hẹp, bước sóng phát ra ổn định, mức công suất
phát đỉnh, độ rộng phổ, bước sóng trung tâm phải nằm trong giới hạn cho phép.
- Ghép/Tách tín hiệu: Ghép tín hiệu là sự kết hợp một số bước sóng ánh sáng
khác nhau thành một tín hiệu tổng hợp để truyền dẫn qua sợi quang. Tách tín hiệu là
phân tách luồng tín hiệu tổng hợp đó thành các bước sóng tín hiệu riêng rẽ tại mỗi
cổng đầu ra của bộ tách. Khi nói đến các bộ tách/ghép tín hiệu, ta phải xét đến các


6
tham số như khoảng cách giữa các kênh, độ rộng băng tần của các kênh bước sóng,
bước sóng trung tâm của kênh, mức xuyên âm của các kênh, suy hao…
- Truyền dẫn tín hiệu: Quá trình truyền dẫn tín hiệu trong sợi quang chịu sự ảnh
hưởng của nhiều yếu tố: suy hao quang, tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến, các vấn đề về
khuếch đại tín hiệu….
- Khuếch đại tín hiệu: Được sử dụng trong các hệ thống truyền dẫn có khoảng
cách xa nhằm đảm bảo chất lượng tín hiệu ở nơi nhận. Có ba chế độ khuếch đại tín

hiệu: khuếch đại công suất, khuếch đại đường và tiền khuếch đại.
- Thu tín hiệu: Thu tín hiệu trong các hệ thống WDM cũng sử dụng các bộ tách
sóng quang như các hệ thống thông tin quang thông thường: PIN, APD.

1.3.3. Phân loại hệ thống WDM.
Dựa vào kiết trúc cũng như hoạt động, hệ thống WDM về cơ bản được chia làm
2 loại: hệ thống đơn hướng và song hướng như minh hoạ trên hình 1.2, hình 1.3. Hệ
thống đơn hướng chỉ truyền theo một chiều trên sợi quang. Do vậy, để truyền thông tin
giữa 2 điểm cần 2 sợi quang.

Hình 1.2. Hệ thống WDM đơn hướng [2]
Hệ thống WDM song hướng, ngược lại, truyền hai chiều trên một sợi quang nên
chỉ cần một sợi quang để có thể trao đổi thông tin giữa 2 điểm.

Hình 1.3. Hệ thống WDM song hướng [2]


7
Cả 2 loại đều có những ưu và nhược điểm riêng, xét về dung lượng băng thông
truyền thì hệ thống đơn hướng có thể truyền với dung lương gấp đôi hệ thống song
hướng, nhưng ngược lại để truyền song song thì cần phải 2 sợi quang.
Về mặt thiết kế thì hệ thống song hướng khó thiết kế hơn so với hệ thống đơn
hướng. Khi có sự cố về đứt cáp thì hệ thống song hướng không cần đến cơ chế chuyển
mạch bảo vệ tự động APS (Automatic Protection Switching) vì cả hai đầu của liên kết
đều có khả năng nhận biết sự cố ngay lập tức. Ngược lại hệ thống đơn hướng phải cần
cơ chế này.

1.4. Kiến trúc mạng chuyển mạch chùm quang
1.4.1. Mạng chuyển mạch chùm quang là gì?
Khái niệm chuyển mạch chùm quang 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 không khả dụng, vì vậy không thể giữ
được dữ liệu đợi xử lý trong miền quang. Mạng chuyển mạch chùm quang được đề
xuất vào cuối năm 1990 và nó trở thành một công 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.
Mạng chuyển mạch chùm quang được xem như là một công nghệ hứa hẹn cho
mạng Internet toàn quang thế hệ kế tiếp. Nó có nhiều chức năng riêng và nhiều ưu
điểm hơn so với các kỹ thuật chuyển mạch khác. Mạng chuyển mạch chùm quang là
một giải pháp cho phép truyền tải lưu lượng trực tiếp qua mạng WDM mà không cần
bộ đệm quang. Mạng chuyển mạch chùm quang sử dụng các sơ đồ định trước một
hướng với quá trình truyền tức thời, chùm dữ liệu truyền đi sau gói điều khiển tương
ứng mà không đợi phản hồi (báo nhận) từ nút đích.
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. Tuy nhiên cho đến hiện
nay chưa có định nghĩa chung nào cho chuyển mạch chùm quang.


8
Một số đặc trưng chung của mạng chuyển mạch chùm quang như sau:
-

Tách biệt giữa kênh truyền gói điều khiển BCP (Burst Control Packet) và kênh
truyền chùm dữ liệu DB (Data Burst): 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 thông 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 không yêu cầu phải
có bộ đệm quang. Các chùm đi qua các nút trung gian mà không chịu bất kì sự
trễ nào.

1.4.2. 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 1.4, 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 (burst), sau đó thực hiện định tuyến, ấn
định bước sóng và lập lịch cho chùm trên một kênh dữ liệu ở ngõ ra, sau đó được
truyền qua mạng chuyển mạch chùm quang và cuối cùng được tách gói tại nút biên
ngõ 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.


9

1 nút OBS
Quản lý việc
đặt trước tài
nguyên

Thời gian chuyển
mạch tính bằng
đơn vị mS -ms

Tập hợp
Burst

Burst size:Kb-Mb

Kênh điều
khiển
Kênh dữ
liệu

Liên kết WDM

out-of-band-signal

Hình 1.4. 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. Phần điện có các
module 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 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. Các hoạt động của mạng chuyển mạch chùm quang sẽ được
trình bày ngay sau đây.

1.4.3. Tập hợp chùm
Tập hợp chùm là quá trình tập hợp các gói tin điện tử và đóng gói thành chùm tại
nút biên ngõ vào của mạng chuyển mạch chùm quang. Tất cả gói đến sẽ chuyển đến
hàng đợi tùy theo đích của chúng như trình bày trong hình 1.5. Một giá trị ngưỡng
được sử dụng như một tham số giới hạn để quyết định khi nào tạo ra một chùm và gởi
chùm vào trong mạng.


10

Gói điều khiển

Burst dữ liệu

Gói điều khiển

Mạng
OBS

Burst dữ liệu

Tập hợp burst

Tách burst

Hình 1.5. Tập hợp chùm và tách chùm
Hiện nay có nhiều kỹ thuật tập hợp chùm được đề xuất trong đó hai kỹ thuật
được quan tâm nhất là tập hợp chùm dựa vào ngưỡng thời gian (timer-based) (hình
1.6) và dựa trên ngưỡng độ dài chùm (threshold-based) (hình 1.7).
Trong phương pháp tập hợp chùm dựa trên ngưỡng thời gian, một chùm được tạo
ra và gởi vào trong mạng theo chu kỳ thời gian, đúng bằng thời gian đã được định sẵn
vì vậy mà không quan tâm đến kích thước chùm dài hay ngắn. Do đó, chiều dài của
chùm biến đổi tuỳ theo tần suất đến của gói, trong những khoảng thời gian bằng nhau.
Kích thước của burst
không bằng nhau
Burst 3

Các gói đến

Bộ định thời gian
Ngưỡng thời gian

Burst 2

Burst 1

Khoảng cách giữa các
burst bằng nhau

Hình 1.6. Tập hợp chùm theo ngưỡng thời gian
Đối với phương pháp tập hợp chùm dựa trên giá trị ngưỡng độ dài chùm, một
giới hạn dựa trên số lượng tối đa gói tin chứa trong mỗi chùm. Vì vậy, những chùm
được tạo ra có kích thước cố định.

11

Kích thước của
burst bằng nhau
Burst 3

Các gói đến

Kích thước burst tối đa
(số gói tối đa)

Burst 2

Burst 1

Khoảng cách giữa các
burst không bằng nhau

Hình 1.7. Tập hợp chùm theo ngưỡng kích thước (số gói tối đa)
Vấn đề quan trọng được đặt ra ở đây là làm thế nào để chọn một giá trị ngưỡng
thời gian hoặc ngưỡng độ dài chùm tối ưu để giảm số lượng gói tin điện tử bị mất khi
xảy ra tranh chấp chùm, cũng như tăng hiệu suất sử dụng mạng chuyển mạch chùm
quang. Ta thấy rằng nếu giá trị ngưỡng thời gian quá thấp, chiều dài của chùm sẽ ngắn
và số lượng chùm di chuyển trong mạng tăng lên, dẫn đến tình trạng số lượng tranh
chấp trong mạng cao, nhưng số lương gói tin mất trung bình trong mỗi chùm lại thấp.
Thêm vào đó, số lượng chùm nhiều sẽ gây áp lực lên tốc độ xử lý các gói điều khiển
phải nhanh mới hiệu quả. Ngược lại nếu giá trị ngưỡng thời gian lớn, độ dài của chùm
tăng lên và số lượng chùm di chuyển trong mạng là giảm, do đó giảm được số lượng
tranh chấp trong mạng so với trường hợp chùm ngắn, nhưng số lượng gói tin mất trung

bình trên mỗi chùm mất là cao. Tóm lại, cần xác định độ dài chùm tối ưu để tăng hiệu
quả của một mạng chuyển mạch chùm quang.

Hình 1.8. Tập hợp chùm theo ngưỡng thời gian và ngưỡng độ dài chùm


12
Hình 1.8 mô tả ảnh hưởng của kỹ thuật tập hợp chùm dựa trên ngưỡng thời gian
và ngưỡng độ dài chùm đối với chùm sinh ra.
Trong trường hợp các gói chịu giới hạn về chất lượng dịch vụ QoS (Quality of
Service), như ràng buộc về độ trễ, giải pháp rõ ràng là tập hợp chùm theo ngưỡng thời
gian. Giá trị ngưỡng thời gian được lựa chọn dựa trên yêu cầu trễ của các gói. Còn
trong trường hợp không bắt buộc về độ trễ, việc thiết lập chùm theo ngưỡng độ dài tỏ
ra hợp lý hơn vì các chùm có kích thước cố định sẽ giúp giảm bớt khả năng mất chùm
do xung đột.
Hiện nay do lưu lượng trong mạng có thể thay đổi nên phương pháp tập hợp
chùm tốt nhất là kết hợp vừa dựa trên ngưỡng thời gian và vừa ngưỡng độ dài chùm.

1.5. Các hoạt động của mạng chuyển mạch chùm quang.
1.5.1. Báo hiệu
Trong mạng chuyển mạch chùm quang, khi một chùm được gửi tới một nút lõi,
tiến trình báo hiệu được thực hiện trước để đặt trước tài nguyên và cấu hình cho bộ
chuyển mạch quang tại mỗi nút đó sao cho phù hợp với chùm dữ liệu tương ứng. Tiến
trình báo hiệu trong mạng chuyển mạch chùm quang được thực hiện bởi các gói điều
khiển và các gói này được truyền độc lập với các chùm dữ liệu.
Có nhiều phương thức báo hiệu khác nhau tùy thuộc vào cách thực hiện và thời
gian mà tài nguyên dọc theo đường đi được đặt trước cho chùm. Chúng ta có thể phân
các loại phương thức báo hiệu như sau:
- Theo hướng: đặt trước tài nguyên một chiều, hai chiều hay kết hợp.
- Theo vị trí: đặt trước bắt đầu từ nguồn, từ đích hoặc từ nút trung gian.

- Khi tài nguyên không sẳn sàng: đặt trước bền vững hay không bền vững.
- Theo thời gian: đặt trước tài nguyên tức thời hoặc sau một khoảng thời gian
trễ.
- Giải phóng tài nguyên: Tường minh hoặc ngầm định.
- Theo cách tính toán: Tập trung hoặc phân tán.
A. Báo hiệu một chiều, hai chiều hay hỗn hợp
Đối với sơ đồ báo hiệu một chiều, nút nguồn gửi đi một gói điều khiển yêu cầu
mỗi nút trên cùng một tuyến cấp phát tài nguyên cần thiết cho chùm dữ liệu và cấu


13
hình chuyển mạch quang tương ứng. Sau đó nguồn sẽ gửi chùm dữ liệu đi mà không
cần chờ tín hiệu ACK từ nút trung gian hay nút đích trả lời về. Vì không cần tín hiệu
ACK nên chùm dữ liệu có thể gửi đi sớm hơn và giảm độ trễ truyền dẫn đầu – cuối
(end-to-end).
Sơ đồ báo hiệu hai chiều cũng tương tự như báo hiệu một chiều tuy nhiên nút
nguồn chờ nhận được tín hiệu ACK phản hồi sau đó mới quyết định có truyền chùm đi
hay không. Như vậy, nếu việc đặt trước tài nguyên và cấu hình chuyển mạch quang
thành công, chùm dữ liệu được gửi đi; Ngược lại, nếu bất kỳ nút trung gian nào đó
không thể điều tiết được tài nguyên thì tại nút trung gian này sẽ có một thông báo tắc
nghẽn được gửi trở lại nguồn để báo rằng việc đặt trước thất bại và nút nguồn sẽ hủy
bỏ các liên kết đã đặt trước được thiết lập trước đó trên đường đi tương ứng. Báo hiệu
hai chiều tăng độ trễ truyền dẫn đầu – cuối.
Phương pháp báo hiệu kết hợp đưa ra giải pháp cân bằng giữa báo hiệu một chiều
và hai chiều, đây là phương pháp dự phòng bộ phận. Trong phương pháp báo hiệu kết
hợp, việc đặt trước từ nút nguồn tới các nút trung gian trên tuyến được xác nhận bằng
tín hiệu ACK, trong khi việc dành riêng từ nút trung gian tới đích sẽ không được xác
nhận. Vị trí của nút được chỉ định làm nút trung gian sẽ quyết định khả năng mất hay
độ trễ của chùm dữ liệu. Nếu nút trung gian được chọn gần với nguồn thì hoạt động
của mạng sẽ giống như việc báo hiệu một chiều, và nếu nút trung gian gần về phía

đích thì hoạt động giống như việc báo hiệu hai chiều.
B. Đặt trước tài nguyên bắt đầu từ nguồn, từ đích hoặc từ nút trung gian
Đặt trước từ nguồn (source initiated reservation - SIR): Tài nguyên được cấp
phát cùng hướng báo hiệu khi gói điều khiển đi từ nguồn về đích. Nếu quá trình đặt
trước thành công từ nguồn đến đích, một tín hiệu ACK được gửi ngược từ đích về
nguồn chỉ định bước sóng dành riêng mà chùm dữ liệu sẽ được truyền đi.
Đặt trước từ đích (destination initiated reservation - DIR): Nguồn gửi một yêu
cầu đặt trước tài nguyên đến nút đích, yêu cầu này sẽ lựa chọn các bước sóng phù hợp
với thông tin trên mỗi liên kết cùng hướng, Dựa trên sự lựa chọn thông tin, nút đích sẽ
chọn một bước sóng phù hợp (nếu như nó tồn tại) tương ứng với khoảng thời gian và


14
gửi yêu cầu dành riêng trở về nút nguồn, yêu cầu dành riêng sẽ được chuyển qua các
nút trung gian, dành riêng này sẽ được chọn một bước sóng để giữ cho hết thời gian
quy định.
Nguyên nhân chính gây ra tắc nghẽn (hoặc mất dữ liệu) trong SIR vì thiếu tài
nguyên rỗi, trong khi đó đối với DIR việc mất dữ liệu vì thông tin hết hạn.
Dành riêng tại nút trung gian (intermediate node initiated reservation- INI):
đặc trưng dành riêng tài nguyên của nó giống như DIR từ nguồn đến một vài nút trung
gian, và giống như SIR từ nút trung gian đến nút đích.
Nhìn chung, để giảm sự mất dữ liệu tại các nút trong hướng thuận, SIR dựa trên
sự dành riêng nhiều hơn một bước sóng cho đến khi tới đích và giải phóng những dành
riêng không cần thiết đối với hướng ngược lại. Cách tiếp cận này có thể dẫn đến việc
là làm giảm hiệu năng vì đã phong tỏa hết hướng thuận và thiếu hụt ở nguồn. Ngược
lại, DIR dựa trên kỹ thuật chỉ lựa chọn những thông tin sẵn sàng của tất cả các nút
trung gian và dựa trên những thông tin đó mà lựa chọn bước sóng.
C. Đặt trước bền vững (Persistent) hay không bền vững (Non-persistent)
Việc đặt trước tài nguyên tại một nút có thể bị tắc nghẽn tạm thời; kỹ thuật báo
hiệu do đó có thể hoặc chờ đợi cho đến khi hết tắc nghẽn (Persistent) hoặc thông báo

tắc nghẽn ngay lập tức (Non-persistent). Trong cách tiếp cận bền vững, gói điều khiển
chờ cho đến khi tài nguyên rỗi và chọn bước sóng sao cho việc mất dữ liệu nhỏ nhất.
Trong trường hợp này, giả định mỗi nút biên và lõi đều có bộ đệm (buffer) dành riêng
để “lưu” tạm thời chùm đến. Trong cách tiếp cận không bền vững, ràng buộc là độ trễ
(thời gian trễ đầu-cuối nhỏ nhất); vì vậy yêu cầu tài nguyên là thất bại nếu không có
giải pháp giải quyết tranh chấp phù hợp.
D. Đặt trước tức thời hay đặt trước sau một thời gian trễ
Như mô tả ở hình 1.9, dựa trên khoảng cách giữa gói điều khiển và chùm đến, kỹ
thuật báo hiệu có thể thực hiện đặt trước tài nguyên tức thời hoặc sau một khoảng thời
gian trễ. Trong kỹ thuật đặt trước tức thời, kênh (tài nguyên) sẽ được dành riêng ngay
lập tức khi gói điều khiển đến các nút. Ngược lại đối với kỹ thuật đặt trước sau khoảng
thời gian trễ, các kênh được đặt chổ dựa trên thời gian thực tế của chùm dữ liệu đến tại
nút đó.


15

Gói điều khiển

Burst dữ liệu
Thời gian Offset

Dành trước tức thời

Dành trước có trễ

REL
Giải phóng tường minh

Giải phóng ẩn

Thời gian

Hình 1.9. Quá trình đặt trước tức thời và sau một thời gian trễ
Để sử dụng kỹ thuật đặt trước sau khoảng thời gian trễ, gói điều khiển phải được
gửi đi trước chùm dữ liệu một khoảng thời gian offset. Ví dụ của đặt trước tức thời là
giao thức JIT (Just-In-Time), trong khi giao thức JET (Just-Enough-Time) dùng kỹ
thuật đặt trước sau khoảng thời gian trễ. Nhìn chung đặt trước tức thời đơn giản và có
thể thực hiện ngay lập tức nhưng dễ tạo ra tắc nghẽn lớn, ảnh hưởng đến hiệu quả sử
dụng băng thông trên toàn mạng. Ngược lại đặt trước sau khoảng thời gian trễ giải
quyết được tình trạng trên một cách hiệu quả.
E. Giải phóng tài nguyên tường minh hoặc ngầm định
Giải phóng tài nguyên có thể thực hiện bằng hai cách đó là giải phóng ngầm định
và giải phóng tường minh. Trong đó kỹ thuật giải phóng tường minh, một gói điều
khiển riêng biệt theo sau chùm dữ liệu từ nguồn đến đích để giải phóng hoặc kết thúc
việc sử dụng tài nguyên đã được đặt trước. Ngược lại kỹ thuật giải phóng ngầm định
thì gói điều khiển (BHP) phải mang thêm thông tin như là độ dài khối dữ liệu và độ
lệch thời gian giữa gói điều khiển và chùm dữ liệu để tại nút đó biết được thời gian để
giải phóng tài nguyên dành trước. Đối với hai cách giải phóng tài nguyên đặt trước
trên thì giải phóng tài nguyên tường minh phức tạp, chiếm dụng băng thông và làm
tăng số lượng gói thông báo ở trong mạng.
F. Kỹ thuật báo hiệu tập trung hay phân tán.
Trong kỹ thuật báo hiệu tập trung một máy chủ chuyên dụng chịu trách nhiệm
thiết lập các thông số như định tuyến, cấp phát bước sóng cho chùm dữ liệu đối với tất
cả các cặp nút trên mạng. Trong kỹ thuật báo hiệu phân tán, mỗi nút mạng có một bộ
lập lịch gán một kênh ra cho mỗi gói tin điều khiển đến theo kiểu phân tán. Kỹ thuật
phân tán thích hợp cho những mạng quang lớn và dữ liệu dưới dạng chùm, ngược lại
kỹ thuật tập trung chỉ thích hợp những mạng nhỏ có lưu lượng ít.


16

1.5.2. Xử lý xung đột
Trong mạng chuyển mạch chùm quang, cũng như các mạng chuyển mạch gói
khác, tồn tại khả năng một chùm có thể tranh chấp với một chùm khác tại một nút. Sự
tranh chấp sẽ xảy ra nếu nhiều chùm đến từ nhiều cổng vào khác nhau được định trước
cho cùng một cổng ra tại cùng thời điểm. Điển hình của việc giải quyết tranh chấp
trong các mạng chuyển mạch gói điện tử truyền thống được quản lý thông qua bộ đệm,
tuy nhiên trong lĩnh vực quang, việc sử dụng bộ đệm tại các nút đang gặp khó khăn.
Để giải quyết tình trạng tranh chấp và việc mất chùm một số phương pháp cơ bản
được trình bày ngay sau đây.
A. Sử dụng các đường dây trễ (FDL)
Sử dụng các đường dây trễ nhằm cố gắng làm trì hoãn thời gian ra của chùm cho
đến khi một kênh nào đó rỗi. Trong các mạng chuyển mạch gói điện tử truyền thống
được thực thi bằng cách lưu trữ các gói trong các bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên RAM
(Random Access Memory). Tuy nhiên, bộ đệm như RAM không thực sự hiện hữu
trong lĩnh vực mạng quang. Do đó, các đường trễ FDL có thể được sử dụng để làm trễ
các chùm ra trong một khoảng thời gian xác định. Phương pháp này mang lại khả năng
mất mát chùm thấp hơn, nhưng nó không đảm bảo thứ tự các chùm một cách chính
xác.
B. Chuyển đổi bước sóng
Quá trình chuyển đổi bước sóng là quá trình chuyển đổi bước sóng của một kênh
vào thành một bước sóng khác trên một kênh ra. Các bộ chuyển đổi bước sóng là các
thiết bị mà chúng chuyển đổi một tín hiệu của bước sóng vào thành một bước sóng ra
khác. Với cách này cho phép tăng khả năng sử dùng lại các bước sóng hiệu quả hơn,
tức là cùng một bước sóng có thể được tái sử dụng về mặt không gian để mang các kết
nối khác nhau trên các sợi khác nhau trong mạng.
Trong mạng chuyển mạch chùm quang có sử dụng phương pháp chuyển đổi bước
sóng, tranh chấp sẽ được giảm nhờ việc tạo ra nhiều bước sóng trên một kết nối; Một
chùm bị xung đột có thể được chuyển mạch đến bất kì bước sóng rỗi nào tại đầu ra. Bên
cạnh đó, trong khi quá trình chuyển đổi bước sóng quang đã được chứng minh trong môi

17
trường thí nghiệm, thì kỹ thuật này chưa hẳn đã hoàn thiện, và miền chuyển đổi hiện
hữu bị giới hạn. Do đó sự phân loại quá trình chuyển đổi bước sóng là như sau:
-

Chuyển đổi hoàn toàn: bất kì một bước sóng vào nào cũng có thể được chuyển

đổi thành một bước sóng ra khác.
-

Chuyển đổi có giới hạn: bước sóng chuyển đổi bị giới hạn vì thế không phải tất

cả các kênh đầu vào đều có thể được nối đến các kênh đầu ra.
-

Chuyển đổi cố định: một kênh đầu vào có thể được nối với một hay nhiều kênh

đầu ra đã được xác định trước.
-

Chuyển đổi rời rạc: mạng có thể chứa các node có khả năng chuyển đổi hoàn

toàn, giới hạn, cố định hay không chuyển đổi bước sóng.

A

W1

B

W2
W1
W1

C

E

D

Hình 1.10. Mô tả chuyển đổi bước sóng W1 qua W2
C. Định tuyến lệch hướng
Định tuyến lệch hướng là một phương pháp giải quyết tắc nghẽn bằng việc định
tuyến một chùm tranh chấp đến một cổng ra khác so với cổng ra theo dự kiến. Trong
định tuyến lệch hướng, một chùm được lệch hướng sẽ làm đường truyền tới đích dài
hơn, dẫn tới làm tăng độ trễ và giảm chất lượng tín hiệu. Hơn nữa, nó có thể dẫn đến
chùm có khả năng lặp vô hạn trong mạng và nó sẽ dẫn tới tắt nghẽn. Vì vậy cần có các
cơ chế để thực hiện ngăn chặn độ dài đường đi quá mức.
Một vấn đề khác khi các chùm lệch hướng là duy trì các thời gian offset
(offsettime) thích hợp giữa gói điều khiển và dữ liệu của chùm lệch hướng. Khi chùm
bị lệch hướng phải đi ngang qua một đường đi lớn hơn là chùm không bị lệch hướng,


18
có thể tại một thời điểm nào đó, thời gian offset lúc đầu sẽ không đủ để gói điều khiển
xử lý và cấu hình trước khi chùm dữ liệu đến. Để loại trừ các vấn đề liên quan tới thời
gian offset không đủ, một số chính sách khác nhau có thể được thực hiện. Một cách
tiếp cận đơn giản là loại bỏ chùm nếu thời gian offset là không đủ. Các cách tiếp cận
dùng bộ đếm và bộ đo thời gian cũng có thể phát hiện và giới hạn số độ dài (số hop)
mà một chùm đi qua. Các cách tiếp cận bộ đệm sử dụng các đường trễ fiber (FDL)

cũng có thể được áp dụng; tuy nhiên các cách tiếp cận như vậy làm tăng độ phức tạp
của lớp quang.
Có hai biến thể của thuật toán định tuyến lệch hướng:
Định tuyến lệch hướng với thuật toán định tuyến luân phiên (deflection routing
with alternate routing algorithm) trong đó chùm quang chọn đường đi đến nút khác
theo trình tự của một chuỗi các đường dẫn đã được định trước. Nếu tất cả các cổng đầu
ra tương ứng của các tuyến định trước này đều bận thì chùm sẽ bị hủy bỏ. Trễ đầu cuối
trong mạng được tính bằng trễ của tuyến được định trước với số lượng nút trung gian
lớn nhất.
- Định tuyến lệch hướng ngẫu nhiên (random deflection routing) trong đó chùm
chọn một trong các cổng ra đã cho một cách ngẫu nhiên. Nếu nút trung gian có số
lượng cổng ra và vào bằng nhau thì thuật toán này hoàn toàn không bị mất chùm do
chùm luôn tìm được đường ra rỗi, đây là ưu điểm chính của thuật toán này. Trong
phương pháp này, trễ trên đường truyền phụ thuộc vào tải của mạng.

A

B
TỪ
A
Đ

E

ẾN
E

C

TỪ C ĐẾN E

D

Hình 1.11. Mô tả định tuyến lệch hướng