TÌM HIỂU một số kỹ THUẬT kết hợp ĐỊNH TUYẾN LỆCH HƯỚNG VÀ TRUYỀN LẠI CHÙM TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG

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

VŨ THIÊN HƯƠNG

TÌM HIỂU MỘT SỐ KỸ THUẬT KẾT HỢP
ĐỊNH TUYẾN LỆCH HƯỚNG
VÀ TRUYỀN LẠI CHÙM TRONG MẠNG
CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG

CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÁY TÍNH
MÃ SỐ: 60.48.01.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. ĐẶNG THANH CHƯƠNG

Thừa Thiên Huế, 2016
1


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan
Đây là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi. Các số liệu, trích dẫn,
kết quả thực nghiệm và cài đặt được trình bày trong luận văn là trung thực và có
nguồn gốc rõ ràng.
Huế, tháng 7 năm 2016
Học viên

Vũ Thiên Hương


Lời Cảm Ơn
Hoàn thành luận văn này, tôi xin chân thành cám
ơn Thầy giáo TS. Đặng Thanh Chương, Khoa Công
nghệ thông tin - Đại học Khoa học Huế, đã tận tình
hướng dẫn trong suốt quá trình thực hiện đề tài.
Xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ về mọi mặt
của Ban Giám hiệu, Phòng Quản lý sau đại học, Khoa
Công nghệ Thông tin - Trường Đại học Khoa học - Đại
học Huế cùng quý Thầy Cô đã tham gia giảng dạy
trong suốt quá trình học tập.
Xin chân thành cám ơn Ban Giám hiệu, Quý Thầy
Cô giáo trong Khoa Công nghệ thông tin - Trường Đại
học Khoa học - Đại học Huế đã quan tâm, động viên
và tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành luận văn.
Cảm ơn tất cả bạn bè, đồng nghiệp và người thân
đã động viên, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này.
Huế, tháng 7 năm
2016
Học viên

Vũ Thiên Hương


KẾT LUẬN
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC……………………………………………………………………………

DANH MỤC CÁC BẢNG


DANH MỤC CÁC HÌNH
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ACK
AHDR
AON
BCP
BHP
BLP
BLR
CBR
CPDR
DB
DP
DR
DWDM
FDL
FTP
GMPLS
HDR
IP
JIT
JET
LAN
LAUC
LAUC-VF

LHDR
NACK
NS
NSF

Acknowledged (Gói tin xác nhận)
Adaptive Hybrid Deflection Routing (Định tuyến lệch hướng lai
thích nghi)
All-Optical Network (Mạng toàn quang)
Burst Control Packet (Gói điều khiển chùm)
Burst Header Packet (Gói tiêu đề chùm)
Burst Loss Probability (Xác suất mất chùm)
Burst Loss Rate (Tỉ lệ mất chùm)
Constant Bit Rate (Tốc độ bit cố định)
Combined Probability Deflected and Retransmission (Kết hợp xác
suất lệch hướng và truyền lại)
Data Burst (Chùm dữ liệu)
Dropping Probability (Xác suất rơi chùm)
Deflection Routing (Định tuyến lệch hướng)
Density Wavelength Division Multiplexing (Ghép kênh phân chia
bước sóng dày đặc)
Fiber Delay Line (Đường trễ quang)
File Transmission Protocol (Giao thức truyền tập tin)
Generalized Multi-Protocol Label Switching (Chuyển mạch nhãn
đa giao thức tổng quát)
Hybrid Deflection Routing (Định tuyến lệch hướng lai)
Internet Protocol (Giao thức Internet)
Just In Time (Đặt trước tài nguyên ngay tức thì)
Just Enough Time (Đặt trước tài nguyên sau khoảng trễ)
Local Area Network (Mạng cục bộ)

Latest Available Unscheduled Channel (Kênh lập lịch khả dụng
gần nhất)
Latest Available Unscheduled Channel with void filling (Kênh lập
lịch khả dụng gần nhất với lấp đầy khoảng trống)
Limited Hybrid Deflection Routing (Định tuyến lệch hướng lai
dựa trên số hop)
Not Acknowledged (Gói tin không xác nhận)
Network Simulator (Bộ mô phỏng mạng)
National Science Foundation


OBS
OCS
OPS
OTN
PDR
PRT
PR
QoS
RWA
SP
TCP
UDP
WDM
WR

Optical Burst Switching (Mạng chuyển mạch chùm quang)
Optical Circuit Switching (Mạng chuyển mạch kênh quang)
Optical Packet Switching (Mạng chuyển mạch gói quang)
Optical Transmission Network (Mạng truyền tải quang)

Pure Deflection Routing (Thuần định tuyến lệch hướng)
Pure Retransmission (Thuần truyền lại)
Primary Route (Lộ trình chính)
Quality of Service (Chất lượng dịch vụ)
Routing and Wavelength Assignment (Định tuyến và cấp phát
bước sóng)
Shortest Path (Đường đi ngắn nhất)
Transmission Control Protocol (Giao thức điều khiển truyền tải)
User Data Protocol (Giao thức gói người dùng)
Wavelength Division Multiplexing (Kỹ thuật ghép kênh phân chia
bước sóng)
Wavelength Router (Bộ định tuyến bước sóng)


MỞ ĐẦU


Lý do chọn đề tài
Hiện nay, các dịch vụ Internet ngày càng được phát triển rộng rãi và yêu

cầu băng thông ngày càng cao. Kỹ thuật ghép kênh phân chia bước sóng
Wavelength Division Multiplexing (WDM) ra đời nhằm mục đích đáp ứng yêu cầu
này. Đây cũng chính là công nghệ quan trọng được sử dụng trong mạng hiện nay
và tương lai. Có nhiều vấn đề cần phải giải quyết trong mạng quang nhằm ngày
càng hoàn thiện kiến trúc mạng. Trong các vấn đề đó, việc nghiên cứu mạng
chuyển mạch chùm quang Optical Burst Switching (OBS) được coi là những
hướng đi hấp dẫn nhất và rất có ý nghĩa. Bởi vì mạng chuyển mạch chùm quang
OBS là sự kết hợp các ưu điểm của các công nghệ chuyển mạch trước đó: công
nghệ chuyển mạch kênh quang và chuyển mạch gói quang nhằm cố gắng loại bỏ
các nhược điểm của các công nghệ này trong mạng WDM. Hiện nay, OBS được

xem như công nghệ hứa hẹn nhất cho mạng Internet quang thế hệ sau Next
Generation Network (NGN) [1].
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 thông
tin có thể được truyền tải nhanh nhất mà không xảy ra tình trạng tắc nghẽn. Vì vậy,
tình trạng tắc nghẽn chùm được xem là một vấn đề thách thức trong mạng chuyển
mạch chùm quang OBS. Sự tắc nghẽn chùm có thể xuất hiện khi hai chùm từ hai
cổng vào khác nhau cố gắng đi ra trên cùng một cổng ra tại cùng một thời điểm.
Nếu với mạng Internet Protocol (IP), một vùng đệm Random Access Memory
(RAM) sẽ được sử dụng để lưu tạm thời các gói tin IP có độ ưu tiên thấp hơn và sau
đó sẽ được truyền đi khi cổng ra tương ứng rảnh 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 bộ đệm Fiber Delay Line (FDL) để làm
trễ chùm quang có độ ưu tiên thấp hơn [1][11]; hoặc thực hiện chuyển đổi bước
sóng đối với một trong hai chùm quang dữ liệu tranh chấp này [1][11]; hoặc định
8


tuyến chùm quang dữ liệu có độ ưu tiên thấp hơn đến một cổng ra khác và sau đó
truyền đi theo một đường truyền khác để đến đích. Kỹ thuật xử lý tranh chấp thứ ba
này có tên gọi là kỹ thuật định tuyến lệch hướng. Định tuyến lệch hướng thường
không được ưu tiên trong các mạng chuyển mạch gói điện tử vì khả năng lặp lại và
truyền gói không theo thứ tự. Tuy nhiên cần thiết phải cài đặt kỹ thuật định tuyến
lệch hướng trong các mạng sợi quang chuyển mạch chùm, nơi mà khả năng bộ đệm
rất giới hạn. Một trong những vấn đề của định tuyến lệch hướng đó là một chùm
chuyển hướng sẽ đi con đường dài hơn để tới đích, dẫn tới làm tăng độ trễ và giảm
chất lượng tín hiệu. Một số cơ chế khác nhau phải được thực hiện để ngăn chặn độ
dài đường đi lệch hướng quá mức như: sử dụng một bộ đếm số nút đi qua (hop) cực
đại hay xem xét đến khả năng truyền lại chùm. Vì vậy, việc kết hợp phương pháp

định tuyến lệch hướng với một số phương pháp khác là thực sự cần thiết nhằm tận
dụng ưu điểm của mỗi giải pháp. Đây cũng chính là lý do tôi chọn đề tài luận văn
với tên gọi “TÌM HIỂU MỘT SỐ KỸ THUẬT KẾT HỢP ĐỊNH TUYẾN
LỆCH HƯỚNG VÀ TRUYỀN LẠI CHÙM TRONG MẠNG CHUYỂN
MẠCH CHÙM QUANG”.


Mục tiêu của luận văn
Mục tiêu của Luận văn là nghiên cứu một số kỹ thuật kết hợp định tuyến

lệch hướng và truyền lại chùm đối với bài toán giảm xác suất mất chùm tại nút lõi
mạng OBS.
 Đối tượng nghiên cứu
-

Một số kỹ thuật kết hợp định tuyến lệch hướng và truyền lại chùm trong
mạng chuyển mạch chùm quang.

-

Gói mô phỏng OBS0.9a tích hợp trong NS2.

 Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp mô phỏng (dựa trên phần mềm mô phỏng OBS-ns2).

9


 Phạm vi nghiên cứu
Một số kỹ thuật (giải pháp) kết hợp định tuyến lệch hướng với truyền lại

chùm tại nút lõi của mạng OBS.
 Ý nghĩa thực tiễn
Trong mạng OBS, tắc nghẽn chùm có thể được giải quyết bằng một vài
phương pháp, như chuyển đổi bước sóng, sử dụng vùng đệm dữ liệu dựa trên
đường trễ quang (FDL) hoặc định tuyến lệch hướng [1][2]. Đối với phương pháp
định tuyến lệch hướng, các chùm bị tắc nghẽn sẽ được gửi tới liên kết ra khác của
nút và sau đó được định tuyến qua một tuyến khác để đến đích.
Định tuyến lệch hướng là một hướng giải quyết tắc nghẽn đang thu hút nhiều
sự quan tâm trong mạng OBS, bởi vì nó không cần thêm chi phí về các thành phần
vật lý và sử dụng miền phổ quang sẵn có [1][11]. Tuy nhiên, khi lưu lượng mạng
tăng lên, định tuyến lệch hướng có thể làm giảm hiệu suất và tính ổn định của
mạng. Định tuyến lệch hướng không hoàn toàn loại bỏ được việc rơi chùm, do đó,
một số phương pháp khác thường được kết hợp với định tuyến lệch hướng để khắc
phục nhược điểm này. Một trong những phương pháp được sử dụng kết hợp với
định tuyến lệch hướng đó là phương pháp truyền lại chùm (burst retransmission)
[7], cho phép các chùm bị rơi có thể được truyền lại trong lớp OBS. Tuy nhiên,
phương pháp này có thể gây nên độ trễ mở rộng (extra delay), cụ thể đó là độ trễ
truyền lại (retransmission delay).
Luận văn sẽ nghiên cứu các vấn đề trong việc kết hợp của định tuyến lệch
hướng Pure Deflection Routing (PDR) với truyền lại chùm Pure Retransmission
(PRT)[5][6]. Một số mô hình sẽ được tập trung tìm hiểu trong Luận văn bao gồm:
kết hợp lệch hướng và truyền lại Hybrid Deflection Routing (HDR), hạn chế sự lệch
hướng Limited Hybrid Deflection Routing (LHDR), mô hình lai thích nghi adaptive
HDR Adaptive Hybrid Deflection Routing (AHDR)[4][8], kết hợp xác suất lệch
hướng và truyền lại Combined Probability Deflected and Retransmission (CPDR)
[3]. Việc đánh giá các mô hình trên có thể được thực hiện qua mô phỏng hoặc kết

10

hợp với phân tích toán học [2][4].
Cấu trúc luận văn bao gồm phần mở đầu, nội dung, phần kết luận và tài
liệu tham khảo. Trong đó phần nội dung được triển khai thành ba chương:
Chương 1: Tổng quan về mạng chuyển mạch chùm quang. Trong chương
này trình bày tổng quan về mạng chuyển mạch chùm quang và các hoạt động bên
trong mạng chuyển mạch chùm quang.
Chương 2: Kỹ thuật kết hợp định tuyến lệch hướng và truyền lại chùm trong
điều khiển tránh tắc nghẽn tại nút lõi mạng OBS. Trong chương này trình bày một
số kỹ thuật kết hợp định tuyến lệch hướng và truyền lại chùm trong điều khiển
tránh tắc nghẽn tại nút lõi mạng OBS.
Chương 3: Mô phỏng và đánh giá kết quả. Trong chương này giới thiệu cấu
trúc và hoạt động của phần mềm mô phỏng mạng NS2 và gói mở rộng OBS-ns
dùng mô phỏng mạng chuyển mạch chùm quang. Mô phỏng đưa ra phân tích, đánh
giá các kỹ thuật kết hợp định tuyến lệch hướng và truyền lại chùm trong điều khiển
tránh tắc nghẽn tại nút lõi mạng OBS.

11


Chương 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CHUYỂN MẠCH
CHÙM QUANG
Chương này sẽ giới thiệu tổng quang mạng truyền dẫn quang, sự phát triển
bùng nổ của cáp quang trong viễn thông từ những truyền dẫn đơn lẻ thành một
mạng truyền dẫn quang và đang hướng tới một mạng toàn quang. Trong chương
này cũng giới thiệu về ba công nghệ chuyển mạch quang là chuyển mạch gói
quang, chuyển mạch kênh quang, chuyển mạch chùm quang và sau đó đi sâu vào
các đặc điểm kiến trúc mạng của chuyển mạch chùm quang.
1

TỔNG QUAN VỀ MẠNG CHUYỂN MẠCH QUANG

Xu thế phát triển mạng hiện nay trên thế giới và ở Việt Nam là xây dựng

mạng truyền tải quang Optical Transmission Network (OTN) cho mạng NGN 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 công 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 đặc tính
mạng. Trong các vấn đề đó, chuyển mạch quang trong mạng OTN được coi là
những hướng đi hấp dẫn nhất và rất có ý nghĩa.
2

CÁC CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH QUANG
Cũng như chuyển mạch điện, chuyển mạch quang cũng có nhiều phương

thức, công nghệ khác nhau. Trong phần này sẽ giới thiệu ba công nghệ chuyển
mạch quang đã và đang nghiên cứu.
1

Chuyển mạch kênh quang (OCS)
Chuyển mạch kênh quang Optical Circuit Switching (OCS) được thực hiện

trong mạng quang định tuyến bước sóng thực hiện thiết lập các bước sóng toàn
quang giữa hai nút mạng. Sự thiết lập các luồng quang bao gồm một số bước thực
hiện: cấu hình tài nguyên, định tuyến, gán bước sóng, báo hiệu và đặt trước tài
nguyên. Sự phát triển của All-Optical Network (AON) bắt đầu với Wavelength
Routed Networks (WRNs), quá trình hoạt động bao gồm việc thiết lập các kết nối
12


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 topo WRN, những người thiết kế
mạng phải giải quyết được bài toán NP-đầy đủ, là bài toán định tuyến và phân phối
bước sóng Routing and Wavelength Assignment ( RWA) của các kênh quang để thỏa
mãn một cách tối ưu các yêu cầu kết nối của người sử dụng. Giao thức truyền tín
hiệu (signaling) được đề nghị đối với WRNs là Generalized Multi-Protocol Label
Switching (GMPLS).
2

Chuyển mạch gói quang (OPS)

Hình 1.1. Nguyên lý chuyển mạch gói quang
Về nguyên tắc, chuyển mạch gói quang Optical Packet Switching (OPS) tổ
chức dựa trên gói tiêu đề và 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 tiêu đề gói vẫn được xem là
thực tế hơn. Trong chuyển mạch gói quang, tiêu đề hoặc nhãn được đọc và so sánh
với một bảng định tuyến. Tải số liệu sau đó sẽ được định tuyến tới cổng ra tương
ứng với một nhãn mới (trao đổi nhãn) (Hình 1.1). Điều quan trọng là tải dữ liệu
được truyền trong suốt qua chuyển mạch. Trong OPSNs, lưu lượng người sử dụng
13


được mang trong các gói quang cùng với thông tin điều khiển in-band. Thông tin
điều khiển được rút trích và xử lý trong miền điện tử 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 thông lượng cao và dễ dàng thích ứng với sự tắc nghẽn hay bị
lỗi. Tuy nhiên, bài toán đặt ra với OPSNs đó là thiếu công nghệ đệm quang.

3

Chuyển mạch chùm quang (OBS)
Trong chuyển mạch chùm quang (OBS), dữ liệu truyền tải trong các đơn vị

có kích thước khác nhau, được gọi là chùm (burst) (Hình 1.2). Bởi vì tính biến
thiên lớn trong suốt thời gian tồn tại của các chùm, mạng OBS có thể được xem
như nằm 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 thời gian tồn tại của tất cả các chùm là vô 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 hoàn toàn phù hợp
với sự truyền dẫn của lưu lượng chùm [2].

Hình 1.2. Nguyên lý chuyển mạch chùm quang

14


3
1

MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG OBS
Đặc trưng chung của mạng OBS
Khái niệm chuyển mạch chùm đã được nghiên cứu 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 nghiên cứu 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.
Một số đặc trưng chung của mạng chuyển mạch chùm quang như sau:
- Tách biệt giữa kênh truyền gói điều khiển Burst Control Packet (BCP) và
kênh truyền chùm dữ liệu Data Burst (DB): Gói điều khiển được truyền trên một
kênh riêng biệt.
- Sự dành riêng một chiều: Tài nguyên được cấp phát theo kiểu 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.
15


- 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
kỳ sự trễ nào.
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 1.3, 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.

Hình 1.3. Kiến trúc của mạng chuyển mạch chùm quang
Tại nút biên, những dữ liệu vào (ví dụ các luồng IP) có cùng đích đến và
cùng lớp dịch vụ Quality of Service (QoS) được tập hợp (Assembling) trong một
chùm quang dữ liệu, được lập lịch (scheduling) và được gởi vào bên trong mạng
OBS theo sau gói điều khiển chùm quang BCP một khoảng thời gian offset. Khoảng
thời gian offset này phải được tính toán sao cho gói điều khiển BCP có thể kịp đặt
16


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 vùng 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 (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.
4

CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN TẮC NGHẼN TRONG MẠNG

CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG

1

Tập hợp chùm
Tập hợp chùm (burst) 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 1.4.
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.

Hình 1.4. Tập hợp và tách chùm
Hiện nay có nhiều kỹ thuật tập hợp chùm được đưa ra trong đó hai kỹ thuật
được quan tâm nhất là tập hợp chùm dựa vào ngưỡng thời gian (timer-based) (Hình
1.5) và tập hợp chùm dựa trên ngưỡng độ dài chùm (size-based) (Hình 1.6).
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.
17


Hình 1.5. 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.

Hình 1.6. Tập hợp chùm theo ngưỡng độ dài chùm (số gói tối đa)

Cần xác định độ dài chùm tối ưu để tăng hiệu quả của một mạng chuyển
mạch chùm quang.

Hình 1.7. Tập hợp chùm theo ngưỡng thời gian và ngưỡng độ dài chùm
18


Trong trường hợp các gói chịu giới hạn về chất lượng dịch vụ QoS, 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.
2

Báo hiệu
Báo hiệu là kỹ thuật truyền đi gói điều khiển trên hành trình từ nguồn đến

đích qua các nút trung gian để thực hiện đặt trước tài nguyên và cấu hình chuyển
mạch tại mỗi nút trên hành trình. Trong mạng chuyển mạch chùm quang, khi một
chùm được gởi 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 loại các 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 sẵn 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.

19


3

Định tuyến
Định tuyến để chỉ sự lựa chọn đường đi cho một kết nối để thực hiện việc

gởi dữ liệu. Định tuyến chỉ ra hướng dịch chuyển của các gói (dữ liệu), từ nguồn
đến đích và qua các nút trung gian; thiết bị chuyên dùng cho việc định tuyến là bộ
định tuyến (router).
Khi có yêu cầu thiết lập một kết nối, bộ định tuyến bước sóng Wavelength
Router (WR) phải sử dụng một giải thuật được chọn từ trước để xác định một cổng
ra và bước sóng tương ứng. Sự lựa chọn bước sóng đóng vai trò rất quan trọng đối
với xác suất tắc nghẽn trên toàn mạng sau này. Vì vậy một bộ định tuyến bước sóng
phải tìm ra kênh quang và thực hiện gán bước sóng sao cho xác suất tắc nghẽn là tối
thiểu. Đây là loại bài toán quan trọng trong việc thiết kế các mạng toàn quang. Bài
toán định tuyến và cấp phát bước sóng RWA được chia làm hai loại: định tuyến và
cấp phát bước sóng RWA dành cho lưu lượng mạng cố định (static traffic); định
tuyến và cấp phát bước sóng RWA dành cho lưu lượng mạng thay đổi (dynamic
traffic).
4

Lập lịch chùm
Trong mạng chuyển mạch chùm quang một vấn đề quan trọng khác là lập

lịch cho chùm. Khi một gói điều khiển đến một nút, một thuật toán lập lịch được
gọi ra để gán chùm chưa được lập lịch với một kênh dữ liệu trên liên kết ra. Dựa
vào thông tin trong gói điều khiển, bộ lập lịch biết được thời gian đến, thời gian kết
thúc của chùm (do đó biết được độ dài chùm). Bên cạnh đó, bộ lập lịch duy trì thời
gian chưa lập lịch khả dụng gần nhất Lastest Available Unscheduled Time ( LAUT),
các khoảng hở (gaps) và các khoảng trống (voids) trên mỗi kênh dữ liệu ra. Những
thông tin này cho phép bộ lập lịch tại các nút xác định được kênh bước sóng thích
hợp nhất dành cho chùm dữ liệu nhờ giải thuật lập lịch của bộ lập lịch.
Mục đích chính của các giải thuật lập lịch là sắp xếp được thật nhiều chùm
trên cùng một kênh bước sóng để tối ưu hóa băng thông sử dụng và giảm số lượng
chùm mất. Nếu việc lập lịch không thể thực hiện được tại thời điểm chùm đến thì

20


chùm có thể được làm trễ một khoảng thời gian nhờ sử dụng đường trễ FDL để có
thể được lập lịch sau, nếu không chùm sẽ bị mất. Thêm vào đó bộ lập lịch cần sử
dụng những giải thuật đơn giản hơn là các giải thuật phức tạp bởi vì các nút định
tuyến hoạt động với tốc độ rất cao và xử lý một số lượng rất lớn chùm dữ liệu. Một
giải thuật phức tạp có thể dẫn đến tình trạng mất chùm khi chùm dữ liệu đến trước
khi gói tin điều khiển của chùm đó được xử lý xong.
5

Giải quyết tranh chấp
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 (về mặt công nghệ). Để giải quyết tình trạng tranh chấp và việc
mất chùm, một số phương pháp cơ bản sau có thể sử dụng: thay đổi thời gian đến
của chùm dữ liệu bằng cách sử dụng các đường trễ quang FDL, thay đổi bước sóng
ra của chùm bằng cách sử dụng bộ chuyển đổi bước sóng hay thay đổi cổng ra của
chùm bằng cách định tuyến lệch hướng (Deflection Routing).
 Sử dụng các đường trễ quang FDL
Cách tiếp cận này là cố gắng làm trì hoãn thời gian ra của chùm cho đến khi
một kênh nào đó rảnh. Trong các mạng chuyển mạch gói điện tử truyền thống, thực
thi bằng cách lưu trữ các gói trong các bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên RAM. 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 chùm thấp
hơn, nhưng nó không đảm bảo thứ tự các chùm một cách chính xác. Chú ý rằng,
trong bất kỳ kỹ thuật sử dụng bộ đệm quang nào, kích thước của các bộ đệm bị giới
hạn rất nghiêm ngặt, không những bởi chất lượng tín hiệu mà còn bởi sự giới hạn
về không gian vật lý. Để làm trễ một chùm với thời gian 1ms chúng ta cần đến hơn
200km cáp quang.
21


 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 dụng 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 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 kỳ 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 trường thí nghiệm, thì kỹ thuật này chưa hẳn đã hoàn thiện,
và miền chuyển đổi hiện hữu bị giới hạn.
 Định tuyến lệch hướng
Định tuyến lệch hướng là một phương pháp giải quyết tắc nghẽn bằng cách
định tuyến một chùm tranh chấp đến một cổng ra khác so với cổng ra theo dự kiến
ban đầu.
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
tắc nghẽn. Vì vậy cần có các cơ chế để thực hiện ngăn chặn độ dài đường đi quá
mức [5].
Một vấn đề khác khi các chùm lệch hướng là duy trì các thời gian offset
thích hợp giữa gói điều khiển và dữ liệu của chùm lệch hướng. Khi chùm được lệch
hướng phải đi ngang qua một đường đi dài hơn là chùm không được lệch hướng, có
thể tại một thời điểm nào đó, offset_time 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 sự
thiếu hụt offset_time, một số chính sách khác nhau có thể được thực hiện. Một cách

22


tiếp cận đơn giản là loại bỏ chùm nếu offset_time 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.
5

TIỂU KẾT CHƯƠNG 1
Nội dung Chương này trình bày tổng quan về chuyển mạch chùm quang
(OBS). OBS là một chương trình mà đã được xem như là một lựa chọn khả thi để
xử lý lưu lượng bùng phát đến khi công nghệ chuyển mạch gói quang trở thành một
thực tế. 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. Chuyển mạch chùm
quang là sự kết hợp các lợi thế của chuyển mạch gói quang và chuyển mạch kênh
quang. Dữ liệu và các thông tin điều khiển được truyền đi thông qua các kênh thông
tin có bước sóng khác nhau trong hệ thống WDM.
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. Như vậy sẽ có tình trạng tắc
nghẽn ảnh hưởng đến hiệu quả sử dụng băng thông trên toàn mạng. Để giải quyết
tình trạng tranh chấp và việc mất chùm, một số phương pháp cơ bản sau có thể sử
dụng: thay đổi thời gian đến của chùm dữ liệu bằng cách sử dụng các đường trễ
quang FDL, thay đổi bước sóng ra của chùm bằng cách sử dụng bộ chuyển đổi
bước sóng hay thay đổi cổng ra của chùm bằng cách định tuyến lệch hướng.

23


Chương 2. KỸ THUẬT KẾT HỢP ĐỊNH TUYẾN LỆCH HƯỚNG VÀ
TRUYỀN LẠI CHÙM TRONG ĐIỀU KHIỂN TRÁNH TẮC NGHẼN
TẠI NÚT LÕI MẠNG OBS
1

ĐẶT VẤN ĐỀ
Chuyển mạch chùm quang (OBS) trong mạng quang WDM được nghiên cứu
gần đây đã được xem là công nghệ đầy triển vọng đối với mạng Internet, bởi vì
tiềm năng hấp dẫn về hiệu suất khai thác băng thông cao, khả năng quản lý luồng
linh hoạt và nhất là nó có thể thừa kế một số kỹ thuật chuyển mạch gói đã phát huy
hiệu quả từ mạng IP truyền thống. Tuy nhiên, mất chùm vẫn còn là vấn đề quan
trọng trong mạng OBS. Nhiều mô hình giải quyết tranh chấp đã được nêu ra để giải
quyết vấn đề này. Định tuyến lệch hướng được coi là một phương pháp hấp dẫn để
giải quyết tranh chấp trong mạng OBS.
Do sự bùng nổ tự nhiên của mạng dữ liệu, tắc nghẽn chùm có thể xuất hiện
khi hai hoặc nhiều hơn gói điều khiển cố gắng dành trước một kênh bước sóng tại
cùng một thời điểm, từ đó có thể gây ra mất chùm. Vì vậy, vấn đề giải quyết tắc
nghẽn chùm là rất quan trọng trong việc giảm bớt xác suất mất chùm toàn bộ trong
mạng OBS [2]. Trong giao thức (JET) đặt trước, báo hiệu một chiều và không có bộ
đệm là bản chất của mạng dẫn đến mất chùm đáng kể, ngay cả ở tải lưu lượng vừa
phải.
Tắc nghẽn chùm được biết đến như là một bài toán đầy thách thức trong
mạng chuyển mạch chùm quang. Định tuyến lệch hướng là một trong những
phương pháp quan trọng để giải quyết vấn đề này. Tuy nhiên việc kết hợp với các
phương pháp khác như truyền lại chùm, sử dụng bộ đệm FDL, chuyển đổi bước
sóng, phân đoạn… thường cho kết quả tốt hơn so với việc chỉ sử dụng lệch hướng
một cách riêng rẽ, đặc biệt khi lưu lượng luồng đến tăng cao.
Mục tiêu của Luận văn là phân tích và đánh giá việc kết hợp giữa định tuyến
lệch hướng với phương pháp truyền lại. Từ đó có thể đưa ra phương pháp tối ưu
trong từng trường hợp cụ thể.

24

2

MỘT SỐ KỸ THUẬT KẾT HỢP ĐỊNH TUYẾN LỆCH HƯỚNG VÀ
TRUYỀN LẠI CHÙM TRONG ĐIỀU KHIỂN TRÁNH TẮC NGHẼN TẠI
NÚT LÕI MẠNG OBS

1

Sơ đồ kết hợp thuần định tuyến lệch hướng PDR và thuần truyền lại PRT:
HDR.
Mặc dù định tuyến lệch hướng đã được đưa ra, nhưng chúng không hoàn
toàn có thể loại bỏ sự mất chùm. Do đó, truyền lại chùm thường được yêu cầu để
xây dựng một mạng OBS đáng tin cậy hơn, trong đó, chậm trễ chùm là một số liệu
quan trọng. Vì vậy, điều quan trọng là đánh giá một chương trình định tuyến lệch
hướng chùm với cả hai sự mất mát chùm và sự chậm trễ thêm trong mạng OBS.
Mục đích chính của việc sử dụng định tuyến lệch hướng kết hợp với phương
pháp truyền lại chùm là để cải tiến hiệu suất thực hiện của mạng OBS trong giới
hạn (in terms of) làm giảm (reducing) cả độ trễ đầu - cuối và giảm mất chùm [5][6].
Mỗi phương pháp giải quyết tắc nghẽn khi kết hợp với định tuyến lệch
hướng sẽ có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Đối với phương pháp truyền lại,
điều đáng chú ý là độ trễ truyền lại có thể rất lớn khi chùm được truyền lại dành
phần lớn thời gian để tránh mất chùm, đặc biệt trong mạng OBS lớn, ở đó độ trễ
truyền (propagation delay) trở nên vượt trội.
Để thấy tác động của độ trễ mở rộng (extra delay) được gây bởi cả định
tuyến lệch hướng và truyền lại, ta xét 4 trường hợp sau khi một gói điều khiển
(BCP) được gởi đi để dành trước tài nguyên từ nút nguồn đến nút đích (Hình 2.1).

25