Nghiên cứu một số phương pháp lập lịch trong mạng chuyển mạch chùm quang

ĐẠI HỌC HUẾ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

NGUYỄN HỒNG QUỐC

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP LẬP LỊCH
TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

HUẾ - NĂM 2017


ĐẠI HỌC HUẾ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

NGUYỄN HỒNG QUỐC

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP LẬP LỊCH
TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG

CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÁY TÍNH
MÃ SỐ: 62.48.01.01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

Người hướng dẫn khoa học:
PGS. TS. VÕ VIẾT MINH NHẬT
TS. NGUYỄN HOÀNG SƠN

HUẾ - NĂM 2017

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn
của PGS. TS. Võ Viết Minh Nhật và TS. Nguyễn Hoàng Sơn. Những nội dung trong
các công trình đã được công bố chung với các tác giả khác đã được sự đồng ý của đồng
tác giả khi đưa vào Luận án. Các số liệu và kết quả nghiên cứu được trình bày trong
Luận án là trung thực, khách quan và chưa được công bố bởi tác giả nào trong bất kỳ
công trình nào khác.
Nghiên cứu sinh

Nguyễn Hồng Quốc

i


LỜI CẢM ƠN
Trước hết tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến PGS. TS. Võ Viết
Minh Nhật và TS. Nguyễn Hoàng Sơn là những người Thầy đã tận tình hướng dẫn chỉ
bảo, động viên và giúp đỡ để tôi có thể hoàn thành được Luận án này.
Tôi xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ của Quý Thầy Cô trong Khoa Công nghệ
Thông tin - Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế đã quan tâm, giúp đỡ, hướng dẫn
trong suốt quá trình học tập.
Tôi xin chân thành cảm ơn Quý Thầy Cô, Ban chủ nhiệm Khoa Tin học - Trường
Đại học Sư phạm, Đại học Huế đã tạo điều kiện thuận lợi trong công tác để tôi có
đủ thời gian hoàn thành Luận án này. Tôi xin cảm ơn Quý Thầy Cô, cán bộ quản lý
phòng Đào tạo Sau Đại học - Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế đã giúp đỡ tôi
hoàn thành kế hoạch học tập.
Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn các bạn đồng nghiệp, người thân trong gia
đình luôn động viên, giúp đỡ tôi về mọi mặt trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu.

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Hồng Quốc

ii


MỤC LỤC

Lời cam đoan
i
Lời cảm ơn
ii
Mục lục
iii
Danh mục các từ viết tắt
v
Danh mục bảng biểu
vii
Danh mục hình vẽ
viii
Mở đầu
1
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ LẬP LỊCH TRONG MẠNG CHUYỂN
MẠCH CHÙM QUANG
1.1 Tóm lược lịch sử phát triển của truyền thông quang . . . . . .
1.2 Các mô hình chuyển mạch quang . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.1 Chuyển mạch kênh quang . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.2 Chuyển mạch gói quang . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.3 Chuyển mạch chùm quang . . . . . . . . . . . . . . . .

1.3 Mạng chuyển mạch chùm quang . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3.1 Kiến trúc mạng OBS . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3.2 Các hoạt động bên trong mạng OBS . . . . . . . . . .
1.4 Lập lịch trong mạng OBS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4.1 Giới thiệu bài toán lập lịch . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4.2 Một số kiến thức liên quan . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4.3 Các giải thuật lập lịch đã công bố . . . . . . . . . . . .
1.4.4 Một số nhận xét các giải thuật lập lịch đã công bố . .
1.5 Tiểu kết Chương 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Chương 2. MỘT CẢI TIẾN MÔ HÌNH KẾT HỢP LẬP LỊCH
2.1
2.2

2.3
2.4

. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .

TRỰC

TIẾP VỚI LẬP LỊCH LẠI VÀ PHÂN ĐOẠN CHÙM
Giới thiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Phân tích và đánh giá các giải thuật lập lịch kết hợp đã công bố .
2.2.1 Giải thuật ODBR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.2 Giải thuật ABR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.3 Kỹ thuật phân đoạn chùm . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.4 Giải thuật SODBRA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.5 Giải thuật PCSA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Giải thuật lập lịch kết hợp đề xuất iCSA . . . . . . . . . . . . . .
Mô phỏng và phân tích kết quả . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

iii

.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.

.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.

7
7
9
9
10
11
12
14
17
22
22
23
26
35
36

37
37
37
38
39
40
42
42
44
48


2.5 Tiểu kết Chương 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Chương 3. MỘT SỐ CẢI TIẾN GIẢI THUẬT LẬP LỊCH NHÓM

54

TRÊN ĐƠN KÊNH
Giới thiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Phân tích và đánh giá các giải thuật lập lịch nhóm trên đơn kênh đã

55
55

công bố . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.1 Giải thuật OBS-GS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.2 Giải thuật MWIS-OS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3 Giải thuật lập lịch nhóm trên đơn kênh đề xuất LGS và các mở rộng .
3.3.1 Mô hình lập lịch nhóm trên đơn kênh . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.2 Giải thuật đề xuất LGS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.3.3 Các giải thuật mở rộng đề xuất từ LGS . . . . . . . . . . . . . .
3.4 Mô phỏng và phân tích kết quả . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5 Tiểu kết Chương 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Chương 4. MỘT SỐ CẢI TIẾN GIẢI THUẬT LẬP LỊCH NHÓM

56
56
57
59
59
60
63
67
71

TRÊN ĐA KÊNH
Giới thiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Phân tích và đánh giá các giải thuật lập lịch nhóm trên đa kênh đã công

72
72

3.1
3.2

4.1
4.2

bố . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.1 Nhóm các giải thuật lập lịch heuristic . . . . . . . . . .

4.2.2 Nhóm các giải thuật lập lịch tối ưu . . . . . . . . . . .
4.3 Các giải thuật lập lịch nhóm đề xuất trên đa kênh . . . . . . .
4.3.1 Giải thuật lập lịch nhóm tối ưu OPT-GS . . . . . . .
4.3.2 Giải thuật lập lịch nhóm heuristic LGS-MC . . . . . .
4.3.3 Giải thuật lập lịch nhóm heuristic MWC-GS . . . . . .
4.4 Mô phỏng và phân tích kết quả . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5 Tiểu kết Chương 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
KẾT LUẬN
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN
TÀI LIỆU THAM KHẢO

iv

.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.

.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.

ÁN

.
.
.
.
.
.
.
.
.

. 72
. 73
. 77
. 81
. 81

. 86
. 88
. 96
. 101
102
104
105


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Viết tắt

Dạng đầy đủ

Diễn giải ý nghĩa

ADM

Add-Drop Multiplexer

Bộ thêm/trích kênh

AON

All-Optical Network

Mạng toàn quang

ATM

Asynchronous Transfer Mode

Chế độ truyền tải không đồng bộ

BHP

Burst Header Packet

Gói điều khiển

CWDM

Coarse Wavelength Division Mul-

Ghép kênh phân chia bước sóng

tiplexing

thô

DWA

Dynamic Wavelength Allocation

Phân bổ bước sóng động

DWDM

Density

Ghép kênh phân chia bước sóng

Wavelength

Division

Multiplexing

mật độ cao

FDL

Fiber Delay Line

Đường trễ quang

FDM

Frequency Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia tần số

GMPLS

Generalized Multiprotocol Label

Chuyển mạch nhãn đa giao thức

Switching

suy rộng

Just Enough Time

Giao thức báo hiệu với thời gian

JET

đặt trước tài nguyên vừa đủ
JIT

Just In Time

Giao thức báo hiệu với thời gian
đặt trước tức thời

LAUT

Latest

Available

Unscheduled

Thời điểm chưa được lập lịch sau

Time

cùng nhất

Limited-Range Wavelength Con-

Bộ chuyển đổi bước sóng có phạm

verter

vi giới hạn

MPLS

MultiProtocol Label Switching

Chuyển mạch nhãn đa giao thức

MWC

Optical/Electronic/Optical

Chuyển đổi quang-điện-quang

MWC

Maximum Weight Clipue

Clique có tổng trọng số lớn nhất

O/E/O

Optical/Electronic/Optical

Chuyển đổi quang-điện-quang

OADM

Optical Add-Drop Multiplexer

Bộ thêm/trích kênh quang

OBS

Optical Burst Switching

Chuyển mạch chùm quang

OCS

Optical Circuit Switching

Chuyển mạch kênh quang

OEO

Optical-Electrical-Optical

LRWC

version

v

con-

Chuyển đổi quang-điện-quang


Viết tắt

Dạng đầy đủ

Diễn giải ý nghĩa

OPS

Optical Packet Switching

Chuyển mạch gói quang

OTN

Optical Transport Network

Mạng truyền tải quang

OTDM

Optical Time Division Multiplex-

Ghép kênh quang phân chia thời

ing

gian

OXC

Optical Cross Connect

Chuyển mạch quang

QoS

Quality of Service

Chất lượng dịch vụ

ROADM

Reconfigurable Optical Add-Drop

Bộ thêm/trích kênh quang có thể

Multiplexer

cấu hình lại

RTT

Round-Trip Time

Thời gian khứ hồi

RAM

Random Access Memory

Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên

RWA

Routing and Wavelength Alloca-

Định tuyến và cấp phát bước sóng

tion
SCU

Switching Control Unit

Đơn vị điều khiển chuyển mạch

SDH

Synchronous Digital Hierarchy

Hệ phân cấp số đồng bộ

SDM

Space Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia không gian

SIR

Source Initiated Reservation

Đặt tài nguyên từ nguồn

SONET

Synchronous Optical Network

Mạng quang đồng bộ

SPL

Share-Per-Link

Chia sẻ trên mỗi liên kết

SPN

Share-Per-Node

Chia sẻ trên mỗi nút

WADM

Wavelength

Add-Drop

Multi-

Bộ thêm/trích bước sóng

plexer
WC

Wavelength Converters

Bộ chuyển đổi bước sóng

WDM

Wavelength Division Multiplex-

Ghép kênh phân chia bước sóng

ing
WR

Wavelength Router

Định tuyến bước sóng

WRN

Wavelength Routed Network

Mạng định tuyến bước sóng

WXC

Wavelength Cross-Connect

Chuyển mạch bước sóng

vi


DANH MỤC BẢNG BIỂU

1.1

So sánh chuyển mạch chùm quang với chuyển mạch kênh quang và
chuyển mạch gói quang

4.1

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

Thống kê số chùm được gỡ ra và lập lịch lại thành công của giải thuật
GreedyOPT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

vii

99


DANH MỤC HÌNH VẼ

1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7

Kiến trúc mạng chuyển mạch kênh quang . . . . . . . . .
Kiến trúc mạng OBS và chức năng của các nút mạng . .
Cấu trúc nút biên vào OBS . . . . . . . . . . . . . . . .
Cấu trúc nút lõi OBS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Tập hợp theo ngưỡng thời gian . . . . . . . . . . . . . . .
Tập hợp theo ngưỡng kích thước (số gói tin tối đa) . . . .
Ảnh hưởng của phương pháp tập hợp chùm theo ngưỡng

. . .
. . .
. . .
. . .
. . .
. . .
thời

. . .

. . .
. . .
. . .
. . .
. . .
gian

. .
. .
. .
. .
. .
. .
và

10
15
16
17
18
18
19

1.8

ngưỡng độ dài đối với kích thước chùm được sinh ra . . . . . . . . . . .
Đồ thị khoảng G được xây dựng từ tập các khoảng thời gian chồng lấp

25

1.9

nhau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Đồ thị khoảng G được xây dựng từ tập các khoảng thời gian không chồng

lấp nhau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.10 Mô tả các giải thuật lập lịch trực tiếp . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.11 Ví dụ so sánh hiệu quả giữa lập lịch trực tiếp và lập lịch nhóm: (a) các

25
26

gói điều khiển và chùm đến trong khe thời gian τ , (b) kết quả của lập
lịch trực tiếp và (c) kết quả của lập lịch nhóm dựa trên tối đa tổng số
chùm được lập lịch và (d)dựa trên tối đa tổng độ dài của các chùm được
lập lịch . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.12 Phân loại các giải thuật lập lịch nhóm đã
1.13 Mô tả giải pháp chuyển đổi bước sóng w1
1.14 Mô tả giải pháp định tuyến lệch hướng .
2.1
2.2
2.3
2.4

. . . . . . . .
được công bố
qua w2 . . . .
. . . . . . . .

.

.
.
.

.
.
.
.

.
.
.
.

.
.
.
.

.
.
.
.

.
.
.
.

.

.
.
.

31
32
33
34

Một ví dụ về lập lịch lại của giải thuật ODBR . . . . . . . . . . . . . .
Một ví dụ cơ chế hoạt động của giải thuật lập lịch lại ABR . . . . . . .
Phân đoạn chùm và cấu trúc bên trong của header của đoạn . . . . . .
Trong trường hợp chùm tranh chấp bị phân đoạn, có 2 khá năng xảy ra:

38
40
41

(a) loại bỏ đoạn đuôi và (b) loại bỏ đoạn đầu của chùm tranh chấp
2.5 Ví dụ một chùm đến ub yêu cầu lập lịch trên 3 kênh ra . . . . . .
2.6 Ví dụ về một trường hợp giải thuật ODBR không thực hiện được
2.7 Mô hình mạng mô phỏng NSFNET . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.8 So sánh xác suất mất gói tin của LAUC và BFVF . . . . . . . . .
2.9 So sánh xác suất mất gói tin của ODBR và ABR . . . . . . . . .
2.10 So sánh số chùm phải lập lịch lại giữa ODBR và ABR . . . . . .
2.11 So sánh xác suất mất gói tin của iCSA so với ODBR và ABR . .

viii

.

.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.

.
.
.
.
.

41
43
44
48
49
50
50
51


2.12
2.13
2.14
2.15

So
So
So
So

sánh
sánh
sánh
sánh

số chùm
xác suất
số chùm
số chùm

lập lịch lại của iCSA so với ODBR và ABR . .
mất gói tin của iCSA so với PCSA và SODBRA
lập lịch lại của iCSA so với SODBRA và PCSA
phân đoạn của iCSA so với SODBRA và PCSA

.
.
.
.

.
.
.
.

.
.
.
.

51
52
53
53

3.1
3.2

(a) Mô tả hoạt động lập lịch nhóm trên đơn kênh và (b)đa kênh . . . .
Các gói điều khiển đến trong khe thời gian τ , tương ứng với thứ tự đến

55
56

3.3

của các chùm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(a)Đồ thị khoảng được xây dựng tương ứng trạng thái các chùm đến và

3.4
3.5
3.6
3.7

(b)Kết quả tìm tập các tập độc lập cực đại của giải thuật OBS-GS . . .
Kết quả tìm tập các tập độc lập cực đại của giải thuật MWIS-OS . . .
So sánh xác suất mất gói tin của OBS-GS và MWIS-OS . . . . . . . .
Mô hình hoạt động của lập lịch nhóm được đề xuất . . . . . . . . . . .
Ví dụ Các gói điều khiển đến trong thời gian τ và thứ tự đến của các

57
58
58
59

62

3.8

chùm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(a) Thứ tự các chùm sau khi sắp xếp theo thời điểm kết thúc và (b) cách

62

3.9

tính index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Khe thời gian lập lịch nhóm τ được điều chỉnh nghịch biến với tốc độ

3.10
3.11
3.12
3.13
3.14
3.15

của luồng các chùm đến . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Mô hình mạng mô phỏng Dumbbell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
So sánh xác suất mất gói tin giữa LAUC-VF và LGS . . . . . . . . . .
So sánh xác suất mất gói tin giữa OBS-GS, MWIS-OS, LGS và LGS-VF
So sánh thông lượng của OBS-GS, MWIS-OS và LGS-VF . . . . . . .
So sánh xác suất mất gói tin giữa LGS-VF và LAGS-VF . . . . . . .
Phân bố độ rộng khe thời gian τ của MWIS-OS và LAGS-VF trong 300

64

67
68
68
69
69

lần lập lịch nhóm liên tiếp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.16 So sánh thời gian chờ trung bình (của từng 500 khe liên tiếp) của MWISOS và LAGS-VF (trong 7500 lần lập lịch nhóm liên tiếp)

. . . . . . .

70
70

4.1

(a) Ví dụ tình trạng các gói điều khiển đến lập lịch cho các chùm trong
73

4.2

mỗi khe thời gian τ , và (b) kết quả lập lịch của giải thuật SSF . . . . .
(a) Ví dụ tình trạng các gói điều khiển đến lập lịch cho các chùm trong

4.3
4.4
4.5

mỗi khe thời gian τ , và (b) kết quả lập lịch của giải thuật LIF . . . . .
Đồ thị khoảng được xây dựng từ trạng thái các chùm đến ở Hình 4.1(a)

Ví dụ 3 chùm đến yêu cầu lập lịch trên 2 kênh dữ liệu ra . . . . . . . .
Đồ thị khoảng được xây dựng từ trạng thái các chùm đến và các chùm

74
75
78

4.6
4.7

đã lập lịch trong Hình 4.4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
Kết quả các clique cực đại được tìm thấy từ đồ thị khoảng trong Hình 4.5 79
Đồ thị luồng được xây dựng từ các clique cực đại trong Hình 4.6 . . . . 80

ix


4.8
4.9

Ví dụ 6 chùm đến yêu cầu lập lịch trên hai kênh ra . . . . . . . . . . .
(a) Một ví dụ về tình trạng các chùm đến yêu cầu lập lịch hai kênh dữ

80

liệu ra và (b) kết quả lập lịch tối ưu các chùm trên hai kênh ra . . . . .
4.10 Đơn đồ thị có hướng có trọng số được xây dựng từ tập các chùm đến lập

84

lịch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.11 (a) Ví dụ về các chùm đến và (b) kết quả lập lịch tối ưu trên 2 kênh . .
4.12 (a)Đồ thị khoảng biểu diễn các khả năng lập lịch của các chùm đến trong

84
89

Hình 4.11a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.13 (b)MWC được tìm thấy tương ứng với kết quả lập lịch tối ưu trong Hình

89

4.11b . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.14 (a)Ví dụ về các chùm đến và (b) kết quả lập lịch tối ưu có lấp đầy khoảng

90

trống trên 2 kênh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.15 (a) Đồ thị khoảng biểu diễn các khả năng lập lịch có lấp đầy khoảng

95

trống của các chùm đến trong Hình 4.14a và (b) Clique được tìm thấy
tương ứng với kết quả lập lịch trong Hình 4.14b . . . . . . . . . . . . .
4.16 So sánh xác suất mất gói tin của LGS-MC, MWC-GS với các giải thuật

95

heuristic trên mô hình mạng Dumbbell . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.17 So sánh xác suất mất gói tin của LGS-MC, MWC-GS với các giải thuật

97

heuristic trên mô hình mạng NSFNET-14 nút . . . . . . . . . . . . . .
4.18 So sánh xác suất mất gói tin của LGS-MC, MWC-GS với GreedyOPT

97

trên mô hình mạng Dumbbell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.19 So sánh xác suất mất gói tin của LGS-MC, MWC-GS với GreedyOPT

98

trên mô hình mạng NSFNET-14 nút . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.20 So sánh xác suất mất gói tin của MWC-VF-GS, OPT-GS với BATCHOPT
trên mô hình mạng Dumbbell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.21 So sánh xác suất mất gói tin của MWC-VF-GS, OPT-GS với BATCHOPT
trên mô hình mạng NSFNET-14 nút . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.22 So sánh ảnh hưởng của kích thước khe thời gian τ đến hiệu quả lập lịch
nhóm của MWC-VF-GS, OPT-GS với BATCHOPT . . . . . . . . . . . 101

x


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Tốc độ phát triển nhanh của Internet trong những năm gần đây, cùng với sự
bùng nổ của các loại hình dịch vụ truyền thông, đã làm gia tăng không ngừng
nhu cầu về băng thông truyền thông. Điều này đã đặt ra một thách thức mới
trong việc tìm kiếm công nghệ truyền thông phù hợp nhằm nâng cao khả năng

vận chuyển của mạng thế hệ mới. Mạng sợi quang cùng với sự phát triển của
công nghệ ghép kênh bước sóng (Wavelength Division Multiplexing), đã mang
đến một giải pháp hoàn hảo đáp ứng được nhu cầu băng thông bùng nổ của
Internet trong tương lai.
Mạng sợi quang từ khi ra đời vào thập niên 90 cho đến nay, đã trải qua
nhiều thế hệ phát triển [46], [64], [27], [24], [31], [12]: từ những mô hình định
tuyến bước sóng (Wavelength-Routed ) ban đầu dựa trên những đường quang
(lightpath) đầu-cuối dành riêng, cho đến các mô hình chuyển mạch gói quang
(Optical Packet Switching) được đề xuất gần đây, với ý tưởng xuất phát từ các
mô hình mạng chuyển mạch gói điện tử. Tuy nhiên với một số hạn chế về công
nghệ, như chưa thể sản xuất các bộ đệm quang (tương tự bộ nhớ RAM trong
môi trường điện tử) hay các chuyển mạch ở tốc độ nano giây [8] [12], mô hình
chuyển mạch gói quang chưa thể trở thành hiện thực. Một giải pháp thỏa hiệp
được đề xuất là chuyển mạch chùm quang (Optical Burst Switching) đã mở ra
một hướng nghiên cứu mới và được xem là công nghệ hứa hẹn cho mạng Internet
thế hệ tiếp theo.
Một đặc trưng tiêu biểu của mạng chuyển mạch chùm quang (mạng OBS)
là phần (gói) điều khiển (Burst Header Packet) được tách rời với phần (chùm)
dữ liệu (Data Burst). Nói một cách khác, để thực hiện việc truyền một chùm
vào trong mạng lõi, gói điều khiển BHP được tạo ra và được gửi đi trước một
khoảng thời gian offset(offset-time). Thời gian offset này phải được tính toán
đủ để đặt trước tài nguyên và cấu hình các chuyển mạch tại các nút trung gian
dọc theo hành trình của chùm quang từ nguồn đến đích. Thêm vào đó, mạng

1


OBS dành riêng một số kênh (bước sóng), được gọi là kênh điều khiển cho việc
truyền gói điều khiển BHP, trong khi các kênh còn lại được dùng cho việc truyền
chùm dữ liệu, nên được gọi là kênh dữ liệu. Như vậy việc truyền gói điều khiển

BHP tách rời hoàn toàn với truyền dữ liệu về mặt không gian (trên kênh truyền
khác) và về mặt thời gian (gửi đi trước một khoảng thời gian offset). Với cách
truyền dữ liệu như vậy, rõ ràng mạng OBS không cần đến các bộ đệm quang để
lưu tạm các chùm dữ liệu trong khi chờ đợi việc xử lý chuyển mạch tại các nút
lõi, cũng như không yêu cầu các chuyển mạch ở tốc độ nano giây. Tuy nhiên,
cách truyền tải này cũng đặt ra áp lực là làm thế nào để một gói điều khiển
BHP kịp lập lịch đặt trước tài nguyên và cấu hình chuyển mạch tại các nút lõi,
đảm bảo việc truyền tải chùm quang theo sau; đó chính là nhiệm vụ của hoạt
động lập lịch đặt trước tài nguyên tại các nút lõi mạng. Vì vậy vấn đề lập lịch
rất cần được quan tâm và nghiên cứu nhằm tối đa hiệu suất băng thông, giảm
mất mát dữ liệu và nâng cao hiệu suất hoạt động của mạng OBS.

2. Động lực nghiên cứu
Lập lịch là một trong những hoạt động quan trọng trong mạng chuyển mạch
chùm quang. Khi gói điều khiển của một chùm đến tại một nút lõi mạng, dựa
vào thông tin được chứa trong gói điều khiển như thời điểm đến, thời điểm kết
thúc của chùm, lúc này một giải thuật lập lịch sẽ được gọi để tìm kênh bước
sóng ra khả dụng để lập lịch cho chùm đến (một kênh bước sóng được gọi khả
dụng khi và chỉ khi thời điểm đến của chùm lập lịch lớn hơn LAU T hoặc thời
gian đến của chùm nằm trong một khoảng trống (khoảng băng thông nhàn rồi
trên một kênh nào đó). Mục đích chính của giải thuật lập lịch là sắp xếp các
chùm đến trên các kênh bước sóng ra, nhằm tối đa hiệu suất băng thông sử
dụng, giảm số lượng chùm bị loại bỏ và nâng cao hiệu suất hoạt động của mạng
OBS.
Hiện đã có nhiều giải thuật lập lịch được đề xuất mà có thể được phân vào
trong hai nhóm tiếp cận chính:
• Phương pháp lập lịch trực tiếp.
• Phương pháp lập lịch nhóm.

Đối với phương pháp lập lịch trực tiếp khi một gói điều khiển đến một nút

2


lõi mạng, một trong các giải thuật lập lịch trực tiếp [30], [74], [72], [71], [38], [11],
[68], [18], [42], [6], [13], [2] sẽ được gọi ngay để tìm kênh bước sóng khả dụng
lập lịch cho chùm của nó; nếu có nhiều hơn một kênh bước sóng khả dụng thì
giải thuật lập lịch này sẽ chọn một kênh lập lịch mà tối ưu tiêu chí đặt ra của
giải thuật. Trong số các giải thuật lập lịch trực tiếp, BF-VF [42] là giải thuật
lập lịch tốt nhất về hiệu suất sử dụng băng thông. Tuy nhiên hiệu quả của lập
lịch trực tiếp phụ thuộc vào tình trạng băng thông của các kênh ra mà ở đó các
chùm đã lập lịch phân bố. Một số giải pháp kết hợp lập lịch trực tiếp với lập
lịch lại và phân đoạn chùm đã được đề xuất [55], [56], [49], [40], [66], [65], [57],
[67], [54], [28], [39]. Cụ thể khi lập lịch trực tiếp không tìm thấy kênh khả dụng,
thay vì chùm đến sẽ bị đánh rơi hoàn toàn, lập lịch lại sẽ sắp xếp lại các chùm
đã được lập lịch trên các kênh bước sóng nhằm tìm kiếm vị trí băng thông nhàn
rỗi để lập lịch cho chùm đến hoặc thực hiện phân đoạn chùm nhằm để chỉ đánh
rơi một phần của chùm đến bị tranh chấp. Tuy nhiên lập lịch trực tiếp và lập
lịch trực tiếp kết hợp chỉ tối ưu việc lập lịch cho chùm đến hiện thời mà không
quan tâm đến các chùm đến sau đó, nên sự phân mãnh băng thông được tạo ra
do việc lập lịch chùm hiện thời và có thể ảnh hưởng đến hiệu quả của các lập
lịch sau đó. Phương pháp lập lịch nhóm [25], [75], [15], [29], [9], [22], [21], [20] do
đó được đề xuất, trong đó các gói điều khiển đến trong một khoảng thời gian sẽ
tiến hành lập lịch đồng thời các chùm tương ứng của chúng. Tuỳ thuộc vào các
nút lõi mạng có được trang bị bộ chuyển đổi bước sóng đầy đủ hay không, các
giải thuật lập lịch nhóm có thể chia thành hai nhóm: Lập lịch nhóm trên đơn
kênh trong trường hợp không sử dụng bộ chuyển đổi và lập lịch nhóm trên đa
kênh khi được trang bị các bộ chuyển đổi bước sóng đầy đủ.
Tuy nhiên các giải thuật lập lịch nêu trên vẫn bộc lộ những tồn tại sau:
• Giải thuật lập lịch kết hợp: chưa sử dụng giải thuật lập lịch trực tiếp

tối ưu nhất ở giai đoạn 1 để lập lịch cho chùm đến. Việc lập lịch lại của
các giải thuật ở giai đoạn 2 chỉ xem xét đối với chùm sau cùng nhất trên
các kênh ra. Đoạn chồng lấp khi sử dụng kỹ thuật phân đoạn chùm ở giai
đoạn 3 bị loại bỏ.
• Giải thuật lập lịch nhóm trên đơn kênh: Độ phức tạp tính toán của

các giải thuật cao; chưa tận dụng các khoảng trống băng thông được tạo

3


ra giữa các chùm đã được lập lịch để lập lịch cho các chùm đến và khe thời
gian chờ lập lịch được thiết lập với một giá trị cố định mà chưa quan tâm
lưu lượng các chùm đến.
• Giải thuật lập lịch nhóm trên đa kênh: Các giải thuật theo hướng

tiếp cận heuristic chưa đưa ra tiêu chí chọn tối ưu lập lịch cho các chùm
đến mà chỉ dựa vào thứ tự sắp xếp. Các giải thuật lập lịch tối ưu làm tăng
số lượng gói điều khiển, yêu cầu hệ thống phải có sự thay đổi về mặt giao
thức. Hơn nữa việc gỡ hết các chùm đã được lập lịch trên các kênh để đưa
về bài toán lập lịch trên máy đồng nhất là không thực tế trên mạng thật.
Những tồn tại nêu trên chính là động lực để Luận án tập trung nghiên cứu,
cải tiến và đề xuất mới các giải thuật lập lịch nhằm tối thiểu mất mất dữ liệu,
tối đa băng thông sử dụng, giảm thời gian chờ lập lịch, giảm độ phức tạp tính
toán và nâng cao hiệu quả hoạt động mạng OBS.

3. Mục tiêu nghiên cứu của luận án
Mục tiêu của Luận án là nghiên cứu, cải tiến và đề xuất một số giải thuật
lập lịch nhằm nâng cao hiệu năng của mạng chuyển mạch chùm quang bao gồm:
tối thiểu mất mát dữ liệu, tối đa hiệu suất băng thông, giảm độ trễ và giảm độ

phức tạp tính toán. Mục tiêu cụ thể của Luận án là:
• Nghiên cứu, cải tiến giải thuật lập lịch trực tiếp kết hợp với lập lịch lại và

phân đoạn chùm.
• Nghiên cứu, cải tiến và đề xuất mới giải thuật lập lịch nhóm trên đơn kênh.
• Nghiên cứu, cải tiến và đề xuất mới giải thuật lập lịch nhóm trên đa kênh.

Trên cơ sở mục tiêu nghiên cứu, Luận án được triển khai theo ba vấn đề nghiên
cứu chính:
• Vấn đề 1 : Cải tiến giải thuật kết hợp lập lịch trực tiếp với lập lịch lại và

phân đoạn chùm.
• Vấn đề 2 : Cải tiến và đề xuất mới giải thuật lập lịch nhóm trên đơn kênh.
• Vấn đề 3 : Cải tiến và đề xuất mới giải thuật lập lịch nhóm trên đa kênh.

4


4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• Đối tượng nghiên cứu: Các mô hình, giải thuật lập lịch và các phương pháp

xử lý tắc nghẽn trong mạng OBS.
• Phạm vi nghiên cứu: Nút lõi mạng OBS.

5. Phương pháp nghiên cứu
• Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tổng hợp các công bố liên quan đến các

mô hình, giải thuật lập lịch trong mạng OBS. Phân tích, đánh giá ưu và
khuyết điểm của các công trình đã công bố để làm cơ sở cho việc cải tiến
hoặc đề xuất mới. Đề xuất các giải thuật lập lịch trực tiếp kết hợp, lập lịch

nhóm trên đơn kênh và đa kênh ra nhằm nâng cao hiệu năng mạng, bao
gồm: giảm xác suất mất dữ liệu, tăng mức độ sử dụng băng thông, giảm
độ trễ đầu cuối và giảm độ phức tạp tính toán. Chứng minh tính đúng đắn
và tính toán độ phức tạp của các giải thuật được cải tiến và đề xuất mới.
• Phương pháp mô phỏng, thực nghiệm: Cài đặt các giải thuật cải tiến và đề

xuất mới nhằm chứng minh hiệu quả của các giải thuật này. Hệ mô phỏng
NS2, gói mô phỏng obs-0.9a được sử dụng để tạo dữ liệu mô phỏng và các
giải thuật lập lịch được cài đặt bằng ngôn ngữ C++.

6. Nội dung và bố cục của luận án
Nội dung của Luận án bao gồm mở đầu, bốn chương nội dung, phần kết
luận, danh mục các công trình liên quan đến Luận án và danh mục tài liệu tham
khảo. Bốn chương nội dung cụ thể như sau:
• Chương 1: "Tổng quan về lập lịch trong mạng chuyển mạch chùm quang"

trình bày các kiến thức cơ bản về mạng chuyển mạch chùm quang bao
gồm lịch sử phát triển của truyền thông quang, các mô hình chuyển mạch
quang, kiến trúc mạng chuyển mạch chùm quang, các hoạt động bên trong
mạng và tổng quan về các hướng tiếp cận lập lịch trong mạng chuyển mạch
chùm quang.
• Chương 2: "Một cải tiến giải thuật lập lịch trực tiếp kết hợp với lập lịch

lại và phân đoạn chùm" trình bày tổng hợp các nghiên cứu trước đây về

5


mô hình kết hợp giữa lập lịch trực tiếp, lập lịch lại và phân đoạn chùm.
Trên cơ sở các phân tích, so sánh và đánh giá, Luận án đề xuất một cải

tiến lập lịch trực tiếp kết hợp với lập lịch lại và phân đoạn chùm nhằm
giảm xác suất mất gói tin, giảm số chùm phải lập lịch lại và giảm số chùm
bị phân đoạn.
• Chương 3: "Một số cải tiến giải thuật lập lịch nhóm trên đơn kênh" trình

bày tổng hợp các nghiên cứu liên quan đến lập lịch nhóm trong trường hợp
không sử dụng chuyển đổi bước sóng. Trên cơ sở các phân tích, so sánh và
đánh giá, Luận án xây dựng mô hình lập lịch nhóm, đề xuất một số giải
thuật cải tiến về lập lịch nhóm trên đơn kênh nhằm nâng cao hiệu suất lập
lịch bao gồm: giảm xác suất mất mát dữ liệu, giảm độ phức tạp giải thuật
và tăng tính thích nghi mô hình lập lịch chuyển biến theo lưu lượng chùm
đến.
• Chương 4: "Một số cải tiến giải thuật lập lịch nhóm trên đa kênh" trình

bày tổng hợp, phân tích, so sánh và đánh giá các nghiên cứu liên quan đến
lập lịch nhóm có sử dụng bộ chuyển đổi bước sóng đầy đủ. Từ đó Luận
án đề xuất một số giải thuật lập lịch nhóm trên đa kênh theo hai hướng
tiếp cận: tối ưu kết quả lập lịch và heuristic nhằm nâng cao hiệu suất lập
lịch bao gồm: giảm xác suất mất mát dữ liệu, giảm độ phức tạp giải thuật,
giảm độ phức tạp hệ thống và thực tế có thể triển khai trên mạng OBS.

7. Đóng góp của Luận án
Các đóng góp chính của Luận án bao gồm:
• Đề xuất giải thuật lập lịch trực kết hợp lập lịch lại và phân đoạn chùm

iCSA[CT2].
• Đề xuất giải thuật lập lịch nhóm trên đơn kênh LGS[CT8] và các cải tiến

LGS-VF[CT4], LAGS[CT5], LAGS-VF[CT7].
• Đề xuất giải thuật lập lịch nhóm trên đa kênh OPT-GS theo hướng tiếp

cận tối ưu và LGS-MC[CT6], LGS-MC-VF[CT3], MWC-GS[CT1], MWCVF-GS[CT1] theo hướng tiếp cận heuristic.

6


Chương 1.
TỔNG QUAN VỀ LẬP LỊCH
TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG
1.1. Tóm lược lịch sử phát triển của truyền thông quang
Trong hơn hai thập kỷ qua, mạng truyền thông đã có một sự tăng trưởng
mạnh mẽ. Việc mở rộng nhanh chóng phạm vi bao phủ, cùng với sự bùng nổ
các loại hình dịch vụ yêu cầu nhiều băng thông cao như truyền hình Internet
(IPTV ), video theo yêu cầu (VoD), điện thoại Internet (VoIP ). . . đã làm tăng
áp lực nhu cầu băng thông mạng; trong khi khả năng truyền tải của sợi cáp
đồng đã đạt đến ngưỡng tới hạn. Điều này đòi hỏi phải phát triển những công
nghệ truyền dẫn mới có khả năng đáp ứng những nhu cầu ngày càng cao không
chỉ cho hiện tại mà cho cả tương lai.
Mạng sợi quang [27], [8], [31] đã được công nhận như một giải pháp tốt nhất
có thể đáp ứng những yêu cầu của các dịch vụ băng thông cao nhờ vào những
đặc tính có lợi của sợi quang, như độ suy giảm thấp, tiềm năng băng thông rất
lớn và khả năng miễn nhiễm đối với nhiễu điện từ. Theo lý thuyết mỗi sợi dẫn
quang (hay sợi quang) có thể hỗ trợ băng thông lên đến 50Tb/s [31]. Ngoài ra
sợi quang có chi phí sản xuất và độ lỗi bit khá thấp (khoảng 10−2 dB ).
Quá trình phát triển của mạng sợi quang có thể chia thành 3 giai đoạn chính.
Thế hệ đầu tiên của mạng sợi quang bao gồm các liên kết WDM điểm-nối-điểm
(point-to-point WDM links), mà tại đó tín hiệu quang đến tại một nút được
chuyển đổi từ quang sang điện (Optical-to-Electrical ), được xử lý trong miền
điện và được chuyển đổi ngược lại từ điện sang quang (Electrical-to-Optical )
trước khi truyền đến nút khác. Việc tách (dropping) và thêm (adding) lưu lượng

tại các nút trong mạng do đó phải chịu thêm độ phức tạp và chi phí xử lý điện
tử, đặc biệt phần lớn các lưu lượng chỉ chuyển tiếp qua các nút này. Để giảm
thiểu chi phí, các thiết bị toàn quang (all-optical ) có thể được sử dụng.

7


Kiến trúc mạng quang thế hệ thứ hai dựa trên các bộ thêm/tách bước sóng
(Wavelength Add-Drop Multiplexers) [37], [12], [31], trong đó lưu lượng có thể
được thêm và tách tại các bộ WADM. Các bộ WADM cho phép lựa chọn kênh
bước sóng kết thúc tại nút này trên một sợi quang, trong khi để các bước sóng
khác chuyển tiếp qua mà không chịu một xử lý nào. Nhìn chung, lượng lưu chuyển
tiếp qua các nút trong mạng phổ biến hơn so với lượng lưu được thêm/tách tại
một nút cụ thể. Do đó, bằng cách sử dụng các bộ WADM, tổng chi phí của
mạng có thể được giảm. Các bộ WADM chủ yếu được sử dụng để xây dựng các
mạng WDM hình vòng (ring), loại mạng dự kiến sẽ được triển khai tại các khu
vực đô thị.
Việc xây dựng một mạng hình lưới (mesh) bao gồm các sợi quang hỗ trợ đa
bước sóng và các thiết bị kết nối sợi quang thích hợp là cần thiết. Kiến trúc
mạng quang thế hệ thứ ba dựa trên các thiết bị kết nối toàn quang. Các thiết
bị này có thể chia thành 3 nhóm: các bộ chia hình sao thụ động (passive star
couplers), các bộ định tuyến thụ động (passive routers) và các bộ chuyển mạch
chủ động (active switches). Các bộ chia hình sao là một thiết bị phát sóng. Một
tín hiệu đến trên một bước sóng nào đó tại một cổng vào của bộ chia sẽ được
chia đều về mặt năng lượng (power ) đến tất cả các cổng ra. Một bộ định tuyến
thụ động có thể định tuyến một cách riêng biệt mỗi bước sóng đến trên một
sợi quang vào đến một sợi quang ra trên cùng bước sóng. Bộ định tuyến thụ
động là một thiết bị tĩnh, do đó cấu hình tuyến cố định. Một chuyển mạch chủ
động cũng định tuyến các bước sóng từ sợi quang vào đến sợi quang ra và có
thể hỗ trợ nhiều kết nối đồng thời. Không giống như bộ định tuyến thụ động,

bộ chuyển mạch chủ động có thể được cấu hình lại để thay đổi mô hình kết nối
của các bước sóng vào và ra. Trong các mạng quang thế hệ thứ ba, dữ liệu được
phép chuyển tiếp qua các nút trung gian mà không trải qua bất kỳ một chuyển
đổi quang-điện-quang (Optical-Electrical-Optical ) nào, do đó làm giảm chi phí
liên quan đến việc cung cấp các chuyển mạch và định tuyến điện tử tốc độ cao
tại mỗi nút.
Các hệ thống mạng toàn quang đang nổi lên, dự kiến sẽ cung cấp các kết nối
chuyển mạch kênh quang (Optical Circuit Switching) hoặc đường quang(lightpaths)
giữa các bộ định tuyến biên qua một mạng lõi quang [37], [3]. Bởi vì các kết

8


nối OCS là khá tĩnh, chúng có thể không thích ứng với bản chất bursty của
lưu lượng của Internet một cách hiệu quả. Một cách lý tưởng, để cung cấp khả
năng sử dụng mạng lõi quang cao nhất, các nút cần có khả năng chuyển mạch
gói quang (Optical Packet Switching) [73], [1]. Tuy nhiên OPS chưa thể khả thi
trong một tương lai gần do hạn chế về mặt công nghệ. Một thay thế đối với
chuyển mạch kênh quang và chuyển mạch gói quang là chuyển mạch chùm quang
(Optical Burst Switching) [46], [64], [8], [14], [12].

1.2. Các mô hình chuyển mạch quang
Các mô hình chuyển mạch quang có thể được chia thành 3 loại: chuyển mạch
kênh quang [37], [3], chuyển mạch gói quang [73], [1] và chuyển mạch chùm quang
[46], [64], [8], [14], [12], mà mỗi mô hình này sẽ đươc mô tả chi tiết trong các
mục tiếp theo.

1.2.1. Chuyển mạch kênh quang
Chuyển mạch kênh quang hay còn gọi là định tuyến bước sóng quang, trong
đó một đường quang (lightpath) được thiết lập giữa cặp nút nguồn - đích trước

khi truyền dữ liệu (Hình 1.1). Như vậy các nút trung gian không cần thực hiện
những công việc phức tạp như xử lý phần điều khiển (header ) hay lưu tạm
(buffering) phần dữ liệu. Một đường quang sẽ cung cấp một kết nối mà nó có
thể đi qua nhiều liên kết quang trong mạng chuyển mạch kênh quang (mạng
OCS). Khả năng chuyển đổi bước sóng của mỗi nút quang sẽ cho phép các liên
kết quang nối tiếp nhau mang các bước sóng khác nhau.
Trong mạng OCS băng thông được cấp phát là tĩnh (cố định) nên không
thích ứng với lưu lượng thay đổi liên tục trên mạng Internet. Với một số bước
sóng giới hạn cho trước, chỉ một số lượng đường quang hạn chế được thiết lập
tại cùng một thời điểm. Nếu lưu lượng thay đổi liên tục khi được truyền qua các
đường quang tĩnh thì sẽ làm việc tận dụng băng thông trở nên kém hiệu quả.
Để có thể đáp ứng được yêu cầu về băng thông lớn trong mạng đô thị và mạng
diện rộng, những phương thức truyền tải phải hỗ trợ việc dự trữ tài nguyên và
có khả năng thích ứng được sự đột biến lưu lượng. Tuy nhiên nếu cố gắng thiết
lập các đường quang một cách động, thông tin trạng thái của mạng sẽ thay đổi
liên tục gây khó khăn trong việc cập nhật trạng thái của mạng. Hơn nữa, việc
9


Hình 1.1: Kiến trúc mạng chuyển mạch kênh quang

đặt trước tài nguyên trong mạng OCS là hai chiều trong đó khi nguồn gửi một
yêu cầu thiết lập đường quang, một xác nhận từ đích sẽ được gửi về là kết nối
đã được thiết lập với dung lượng không xác định trước được. Do vậy việc sử
dụng băng thông là không hiệu quả.

1.2.2. Chuyển mạch gói quang
Chuyển mạch gói quang là một mô hình chuyển mạch cho phép chuyển mạch
và định tuyến của các gói tin IP trong miền quang mà không cần một chuyển đổi
nào về miền điện tử tại mỗi nút. Một nút mạng chuyển mạch gói quang(mạng

OPS) có một ma trận chuyển mạch (switching fabric) có khả năng cấu hình
lại đối với từng gói tin. Các gói quang được gửi đi cùng với phần điều khiển
(header ) mà không cần bất kỳ thiết lập nào trước khi vào mạng. Tại mỗi nút
lõi, gói tin được lưu tạm ở một bộ đệm quang, trong khi phần điều khiển được
chuyển đổi từ quang sang điện và được xử lý trong miền điện. Dựa trên thông
tin điều khiển, chuyển mạch được cấu hình để chuyển gói quang từ một cổng
vào đến một cổng ra và sau đó được truyền đến nút tiếp theo ngay lập tức.
Vì tài nguyên mạng không được đặt trước, các gói quang có thể tranh chấp
nhau tại cùng một cổng ra và có thể dẫn đến mất gói. Việc thiếu công nghệ
đệm quang đã làm trầm trọng thêm vấn đề tranh chấp trong mạng OPS so với
các chuyển mạch gói điện tử truyền thống, mà ở đó công nghệ đệm điện tử đã
rất phát triển. Đệm quang hiện nay được thực hiện thông qua việc sử dụng các
10


đường trễ quang (Fiber Delay Link ) nhưng nó chỉ có thể giữ gói quang trong
một khoảng thời gian nhất định phụ thuộc vào các đường trễ được cài đặt theo
kiểu tuần tự hay song song. Hơn nữa kích thước của bộ đệm quang bị giới hạn
bởi không gian vật lý. Để trì hoãn một gói quang trong 5 micro giây, người ta
phải cần đến 200km sợi quang [31]. Do hạn chế này, một nút chuyển mạch gói
quang không hiệu quả trong việc xử lý tải cao hoặc lưu lượngbursty.
Ngoài ra việc triển khai thực tế mạng OPS yêu cầu thời gian chuyển mạch
nhanh trong khi các thiết bị chuyển mạch quang hiện tại dựa trên các hệ thống vi
cơ điện tử (micro-electro-mechanical ) với thời gian chuyển mạch khoảng 1nano
giây. Mặc dù các bộ chuyển mạch dựa trên khuếch đại bán dẫn quang có thời
gian chuyển mạch thấp hơn đáng kể (khoảng 1ns), tuy nhiên chúng là khá đắt
và kiến trúc chuyển mạch sử dụng các bộ chia quang gây tổn thất điện năng khá
cao. Bên cạnh đó các vấn đề liên quan đến việc trích phần điều khiển và chuyển
mạch quang cũng làm cho việc triển khai mạng OPS trở nên khó khăn hơn
trong tương lai gần. Để tránh việc sử dụng đệm quang và chuyển mạch quang

nhanh nhưng vẫn thực hiện được các chuyển mạch trong miền quang, các nhà
nghiên cứu đã đưa ra mô hình chuyển mạch chùm quang. Chuyển mạch chùm
quang được coi là một mô hình chuyển mạch khả thi để thực hiện các mạng toàn
quang do nó cung cấp được một sự cân bằng giữa mức thô của chuyển mạch
kênh quang và mức mịn của chuyển mạch gói quang. Với dữ liệu được chuyển
mạch toàn quang ở mức chùm (burst), chuyển mạch chùm quang kết hợp được
tính trong suốt (transparency) của chuyển mạch kênh quang và lợi ích ghép kênh
của chuyển mạch gói quang.

1.2.3. Chuyển mạch chùm quang
Chuyển mạch chùm quang được đề xuất vào năm 1980 và đây là một giải
pháp cho phép truyền tải lưu lượng trực tiếp qua mạng WDM mà không cần
bộ đệm quang và các bộ chuyển mạch tốc độ cao. Thực tế chuyển mạch chùm
quang đã được đề xuất đầu tiên trong mạng điện tử nhưng giải pháp 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
11


vậy không thể giữ được dữ liệu đợi xử lý trong miền quang. Chuyển mạch chùm
quang được đề xuất lại vào cuối năm 1990 và nó trở thành một công nghệ hứa
hẹn có thể tận dụng được những ưu điểm của chuyển mạch kênh quang, chuyển
mạch gói quang và khắc phục những những bất lợi về kỹ thuật hiện tại.
Trong chuyển mạch chùm quang, các gói tin điện tử (chẳng hạn các gói IP,
các tế bào ATM hay các khung Ethernet) được gộp vào các đơn vị vận chuyển
lớn hơn có tên gọi là chùm quang (chùm). Các chùm sau đó được chuyển mạch
và truyền bên trong mạng lõi quang. Chuyển mạch chùm quang cho phép một
mức độ lớn hơn về mặt ghép kênh và phù hợp hơn đối với xử lý lưu lượng bursty

so với chuyển mạch kênh quang. Đồng thời chuyển mạch chùm quang không chịu
nhiều ràng buộc về mặt công nghệ như chuyển mạch gói quang.
Một so sánh về các kỹ thuật chuyển mạch quang được tóm tắt trong Bảng
1.1 cho thấy những lợi thế của chuyển mạch chùm quang so với chuyển mạch
kênh quang và chuyển mạch gói quang.
Bảng 1.1: So sánh chuyển mạch chùm quang với chuyển mạch kênh quang và chuyển
mạch gói quang
Loại
Khả năng
chuyển

tận dụng

mạch

băng thông

Mức

Đệm

Xử lý/Đồng bộ

Khả năng

trễ

quang

gói

thích ứng

điều khiển

với tải
lưu lượng

OCS

Thấp

Cao

Không

Thấp

Thấp

OPS

Cao

Thấp

Yêu cầu

Cao

cao

OBS

Cao

Thấp

Không

Thấp

cao

1.3. Mạng chuyển mạch chùm quang
Mạng OBS được xem như là một công nghệ hứa hẹn cho mạng Internet toàn
quang thế hệ kế tiếp bởi nó có nhiều chức năng và ưu điểm hơn so với các mạng
chuyển mạch quang khác. Mạng OBS là một giải pháp cho phép truyền tải lưu
lượng trực tiếp qua mạng WDM mà không cần bộ đệm quang. Mạng OBS sử
dụng các sơ đồ đặt trước tài nguyên một chiều với quá trình truyền tức thời,
chùm được truyền ngay sau gói điều khiển của nó mà không chờ đợi một phản

12


hồi (báo nhận) nào từ nút đích. Mạng OBS xem xét lớp quang đơn thuần như
một phương tiện truyền thông trong suốt đối với các ứng dụng. Tuy nhiên cho
đến hiện nay chưa có định nghĩa chung nào cho mạng OBS. Một số đặc trưng
của mạng OBS như sau:
• Tách biệt giữa kênh truyền gói điều khiển và kênh truyền chùm: gói điều

khiển được truyền trên một kênh riêng biệt.
• 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.
• Độ dài chùm thay đổi được: kích thước của chùm có thể thay đổi được theo

yêu cầu.
• Không cần bộ đệm quang: các nút trung gian của mạng OBS không yêu

cầu phải có bộ đệm quang. Các chùm đi qua các nút trung gian không chịu
bất kì một sự trì hoãn nào.
Một so sánh ngắn gọn giữa mạng OBS so với mạng OCS và mạng OPS dựa
trên các yếu tố hiệu năng dưới đây [24], [12]:
• Hiệu suất sử dụng băng thông (Bandwidth utilization efficiency): Mạng

OCS có hiệu suất sử dụng băng thông sợi quang thấp nhất. Băng thông
được thiết lập cho một đường quang giữa một cặp nút mà không được sử
dụng hết thì cũng không thể được sử dụng cho các lưu lượng khác. Mạng
OCS không thể chuyển mạch lưu lượng ở độ mịn (granularity) thấp hơn
một bước sóng. Ngược lại mạng OPS và OBS cho phép lưu lượng giữa
nhiều cặp nút đầu-cuối cùng chia sẻ băng thông trên một liên kết nhờ vào
kỹ thuật ghép kênh thống kê.
• Độ trễ thiết lập (Setup delay): mạng OBS sử dụng sơ đồ báo hiệu một

chiều để đặt trước tài nguyên trên hành trình trước khi chùm được truyền.
Độ trễ thiết lập này là rất ngắn, không giống như mạng OCS trong đó
các thông điệp báo hiệu được trao đổi giữa nút nguồn và đích để thiết lập
(setup) và gỡ bỏ (release) các đường quang.

• Tốc độ chuyển mạch (Switching speed ): mạng OPS yêu cầu các thiết bị

chuyển mạch tốc độ rất cao để chuyển mạch các gói quang có kích thước
13