Khảo sát truyền tải mạng vòng chuyển mạch burst quang sử dụng báo hiệu quay vòng (tt)

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG
---------------------------------------

Dương Văn Tiến

KHẢO SÁT TRUYỀN TẢI MẠNG VÒNG CHUYỂN MẠCH
BURST QUANG SỬ DUNG BÁO HIỆU QUAY VỊNG

Chun ngành: Kỹ thuật viễn thơng
Mã số: 60.52.0.80

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI - 2013


Luận văn được hồn thành tại:
HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Bùi Trung Hiếu

Phản biện 1: ……………………………………………………………………………
Phản biện 2: …………………………………………………………………………..

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Cơng
nghệ Bưu chính Viễn thơng
Vào lúc:

....... giờ ....... ngày ....... tháng ....... .. năm ...............

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thơng


1

LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, với sự phát triển nhanh chóng của mạng Internet đã dẫn đến một nhu cầu
ngày càng tăng cho dung lượng truyền dẫn trong các mạng đường trục. Sự phát triển của các
nhu cầu này đang thách thức khả năng của các chuyển mạch điện và các kỹ thuật truyền dẫn
truyền thống, chính vì thế các mạng lõi cần phải phát triển các kiến trúc mới dựa trên cơng
nghệ chuyển mạch tồn quang và ghép kênh phân chia bước sóng WDM. Trong điều kiện hiện
nay thì chuyển mạch kênh quang đã được ứng dụng nhưng vẫn còn nhiều hạn chế vốn có, cịn
chuyển mạch gói quang thì đang trong giai đoạn nghiên cứu vì cơng nghệ hiện tại chưa thể đáp
ứng được các yêu cầu của chuyển mạch quang. Hiện tại chuyển mạch Burst quang được coi là
một giải pháp hiệu quả trong việc truyền tải lưu lượng IP trên mạng quang. Chuyển mạch burst
quang là sự kết hợp các ưu điểm của chuyển mạch kênh quang và chuyển mạch gói quang.
Chính vì thế, mạng chuyển mạch burst quang OBS đã và đang được nghiên cứu như nền tảng
công nghệ cho mạng Internet quang trong tương lai.
Trong q trình nghiên cứu về mạng OBS, có nhiều vấn đề đã được đặt ra như: thiết kế
hệ thống, cách kết hợp các burst dữ liệu, báo hiệu, giải quyết xung đột, … Luận văn “Khảo sát
truyền tải qua mạng vòng chuyển mạch burst quang sử dụng báo hiệu quay vịng” đi vào tìm
hiểu được một số vấn đề cơ bản về OBS. Xây dựng chương trình để khảo sát truyền tải burst
qua mạng vịng chuyển mạch, thơng qua đó đánh giá được hiệu quả của việc sử dụng báo hiệu
quay vòng để truyền tải burst qua mạng vòng chuyển mạch.
Để hồn thành tốt luận văn, tơi đã nhận được sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo
PGS.TS. Bùi Trung Hiếu trong quá trình nghiên cứu. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến
thầy. Tôi cũng xin chân thành cám ơn các thầy cô trong khoa Quốc tế và Đào tạo sau đại học –
Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thơng đã giúp đỡ tơi trong suốt q trình học tập cũng
như trong q trình hồn thành luận văn này.

2

CHƯƠNG 1 – CHUYỂN MẠCH BURST QUANG
Ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) xuất hiện như một giải pháp cung cấp cơ
sở hạ tầng mạng dung lượng lớn, đáp ứng sự bùng nổ về băng thông của mạng Internet. Một
vài công nghệ khác nhau đã được phát triển cho truyền tải dữ liệu qua WDM,chuyển mạch
kênh quang (OCS), chuyển mạch gói quang (OPS), và chuyển mạch Burst quang (OBS). Mạng
chuyển mạch kênh quang đã thực sự được triển khai. Tuy nhiên, các mạng quang định tuyến
bước sóng, mà tiêu biểu là mạng chuyển mạch kênh có thể khơng phải là công nghệ phù hợp
nhất cho các ứng dụng khác nhau mới xuất hiện trên mạng quang Internet. Chuyển mạch gói
quang là một cơng nghệ thay thế ra đời đem lại sự lựa chọn tối ưu. Nhưng tại thời điểm này
cơng nghệ vẫn chưa chín muồi để cung cấp một giải pháp khả thi. Chuyển mạch Burst quang
mượn ý tưởng từ cả hai công nghệ chuyển mạch OCS và OPS để đưa ra một phương thức
chuyển mạch hoàn toàn mới. Và nó đang được nghiên cứu như là một giải pháp hứa hẹn cho
các mạng đường trục Internet quang trong tương lai gần.

1.1 Giới thiệu chung các phương pháp chuyển mạch quang
Các phương pháp chuyển mạch quang căn bản bao gồm: chuyển mạch kênh quang OCS,
chuyển mạch gói quang OPS và chuyển mạch burst quang OBS.
Tín hiệu
thiết lập kết nối
Sợi quang
vào

Sợi quang
ra

Sợi quang
vào

Sợi quang
ra

Demux

Mux
OXC

Hình 1.1: Nút chuyển mạch kênh quang OCS


3

Sợi quang
vào

Sợi quang
ra

Sợi quang
vào

Sợi quang
ra
Demux

O/E

E/O

Mux

Chuyển mạch điện

Hình 1.2: Nút OCS có chuyển đổi O/E/O

Tách
tiêu đề
gói

Đơn vị
điều khiển
chuyển mạch
SCU
O/E

E/O

Chèn
tiêu đề
gói

Sợi quang
vào

Sợi quang
ra

Sợi quang

vào
Demux

Sợi quang
ra
FDL

Mux
Khung chuyển
mạch quang

Hình 1.3: Nút chuyển mạch gói quang OPS

Trong phương pháp chuyển mạch burst quang OBS, chỉ một vài kênh điều khiển đi qua
chuyển đổi O/E/O (hình 1.4). Dữ liệu được chuyển mạch toàn quang ở mức burst, do đó có thể
đồng thời đạt được sự trong suốt dữ liệu và khả năng ghép kênh thống kê. OBS có thuận lợi về
dung lượng khổng lồ của sợi quang trong chuyển mạch hay truyền dẫn và khả năng xử lý tinh
vi của điện tử, nên nó có thể làm giảm chi phí và nâng cao các tiến bộ kỹ thuật trong cả lĩnh


4

vực quang và điện. Chính vì thế, mạng chuyển mạch burst quang OBS là một công nghệ khả
thi cho mạng Internet quang thế hệ tiếp theo.

Kênh
điều khiển

O/E

Đơn vị điều khiển
chuyển mạch SCU

E/O

Kênh
điều khiển

Sợi quang
vào

Sợi quang
ra

Sợi quang
vào

Sợi quang
ra
Demux

Mux
Khung chuyển
mạch quang

Gói điều khiển
Burst dữ liệu

Hình 1.4: Nút chuyển mạch burst quang OBS

1.2 Chuyển mạch burst quang
Chuyển mạch Burst quang (Optical Burst Switching: OBS) được thiết kế nhằm kết hợp
những ưu điểm của chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói.
Đơn vị truyền tải của mạng OBS là burst. Những đặc trưng chính của OBS là cách tiếp
cận lai giữa báo hiệu ngoài băng và xử lý điện tử các thông tin tiêu đề trong khi dữ liệu vẫn ở
dạng quang trong toàn bộ thời gian truyền, sự dành riêng một chiều, độ dài burst có thể thay
đổi được, và khơng bắt buộc phải có bộ đệm.


5

1.2.1 Kiến trúc mạng OBS

Mạng truy nhập

Mạng truy nhập

Nút biên
Liên kết WDM

Mạng lõi OBS

Nút lõi

Hình 1.5: Kiến trúc mạng OBS

Kiến trúc của mạng OBS được thể hiện trong hình 1.5. Một mạng OBS bao gồm các nút
chuyển mạch khối quang được kết nối với nhau thông qua các liên kết sợi quang WDM. Các
nút trong một mạng OBS có thể là nút biên hoặc nút lõi.

Lập burst
Lưu
lượng
vào

Báo hiệu
Giải lập burst

Định tuyến và
gán bước sóng

Lập lịch

Lập lịch biên

Giải quyết
xung đột

Nút biên đầu vào

Nút lõi

Chuyển tiếp
gói
Nút biên đầu ra

Hình 1.6: Sơ đồ các khối chức năng của mạng OBS

Lưu
lượng

ra


6

1.2.2 Lập burst
Lập burst là tiến trình tập hợp và đóng các gói ở đầu vào từ lớp cao hơn thành burst tại
nút biên đầu vào của mạng OBS. Khi các gói đến từ lớp cao hơn, chúng được lưu trữ trong các
bộ đệm điện theo đích và loại của chúng. Sau đó cơ chế lập burst phải kết hợp những gói này
thành các burst dựa trên cùng một chính sách lập.
Người ta đã đưa ra nhiều kỹ thuật cho việc lập burst trong mạng OBS. Hai kỹ thuật được
quan tâm nhiều nhất là lập burst dựa theo bộ định thời (timer-based) và dựa trên mức ngưỡng
(threshold-based).

1.2.3 Định tuyến và gán bước sóng
 Định tuyến:
Định tuyến là một trong những vấn đề cơ bản cho bất kỳ phương thức truyền tải nào.
Trong các nghiên cứu, hầu hết các nhà nghiên cứu về OBS đều giả sử là định tuyến cố định
được tính tốn bởi nguồn.
Trong định tuyến nguồn, đường đi được tính tốn tại nút biên và tận dụng việc biết trước
chiều dài đường đi, do đó có thể tính tốn được giá trị tối ưu của thời gian lệch.
Vì vậy, trong hầu hết các nghiên cứu người ta đều giả sử rằng một con đường ngắn nhất
cố định tới đích được tính tốn tại nguồn. Con đường ngắn nhất có thể là ngắn nhất về mặt thời
gian trong trường hợp có yêu cầu nghiêm ngặt về độ trễ, hay có thể là có số lượng chặng tối
thiểu khi có yêu cầu về mặt mất mát dữ liệu.
 Gán bước sóng:

1.2.4 Lập lịch kênh truyền
Khi một burst đến một nút, nó phải được gán một bước sóng trên liên kết đầu ra thích
hợp. Trong vấn đề này, việc chuyển đổi bước sóng tồn quang được giả sử là khả thi ở tất cả

các nút và việc lập lịch diễn ra ở nút lõi trung gian và những nút đầu vào. Mục đích cơ bản
trong việc lập lịch kênh truyền này là tối thiểu khoảng cách (gap) của mỗi lập lịch trên mỗi
kênh, trong đó khoảng cách là khoảng rỗi giữa hai burst được truyền trên cùng một bước sóng
đầu ra, là sai lệch thời gian giữa một burst đến chưa được lập lịch với thời điểm cuối của một
burst đã được lập lịch trước đó.
Một số giải thuật được trình bày trong luận văn:


7

 Giải thuật FFUC
 Giải thuật LAUC
 Giải thuật FFUC-VF
 Giải thuật LAUC-VF

1.2.5 Các phương pháp giải quyết vấn đề xung đột
Các phương pháp cơ bản để giải quyết vấn đề xung đột trong truyền tải burst:
 Bộ đệm quang
 Chuyển đổi bước sóng
 Định tuyến chuyển hướng
 Phân đoạn burst
 Phân đoạn kết hợp với chuyển hướng

1.3 Kết luận chương
Trong chương này đã giới thiệu được các phương pháp chuyển mạch quang căn bản bao
gồm: chuyển mạch kênh quang OCS, chuyển mạch gói quang OPS và chuyển mạch burst
quang OBS. Trong đó chuyển mạch burst quang với những ưu điểm nổi trội hơn đang được kỳ
vọng là một công nghệ cho mạng quang trong tương lai.

8

CHƯƠNG 2 – BÁO HIỆU TRONG CHUYỂN MẠCH
BURST QUANG
2.1 Giới thiệu một số báo hiệu đã có trong chuyển mạch burst quang
Các điểm khác nhau của các giao thức báo hiệu chuyển mạch burst quang được xem xét
dựa trên việc các tài nguyên cùng với tuyến được phục vụ cho burst khi nào và như thế nào.
Thông thường lược đồ báo hiệu được đặc trưng theo các đặc điểm sau:
+ Một chiều, hai chiều, hoặc lai ghép.
+ Dành trước tài nguyên tức thời hoặc trễ.
+ Giải phóng tài nguyên hiện hoặc ngầm định.

2.1.1 Báo hiệu một chiều, hai chiều, lai ghép
Một lược đồ báo hiệu có thể được mơ tả hoạt động sử dụng dành trước tài nguyên một
chiều, hai chiều, hoặc là lai ghép.

2.1.2 Dành trước tài nguyên tức thời, dành trước tài nguyên có trễ
Căn cứ vào quá trình dành trước tài nguyên trên kênh, kỹ thuật báo hiệu có thể phân loại
thành dành trước tài nguyên tức thời hoặc dành trước tài nguyên có trễ.

2.1.3 Giải phóng tài nguyên hiện hoặc ngầm định
Với các tài nguyên dành trước đang tồn tại có thể được giải phóng theo hai cách, hoặc là
hiện hoặc là ngầm định.

2.1.4 Kỹ thuật báo hiệu Just-Enough-Time
Hình 2.2 mơ tả về kỹ thuật báo hiệu Just-Enough-Time (JET). Có hai phương thức báo
hiệu một chiều khác đó là Tell-and-Go (TAG) và Just-in-Time (JIT).
Trong phương thức TAG, burst dữ liệu theo sau gói điều khiển ngay khi gói này vừa
phát đi chứ khơng chờ một khoảng thời gian lệch như trong JET; do đó burst dữ liệu phải được
trì hỗn tại mỗi nút trung gian để có thời gian cho các nút này xử lý gói điều khiển và các

chuyển mạch được cấu hình. Việc trì hoãn được thực hiện nhờ các dây trễ FDL.
JIT tương tự như JET ngoại trừ JIT là phương thức báo hiệu dành trước tài nguyên tức
thời và giải phóng tài ngun hiện thay vì là dành trước tài ngun có trễ và giải phóng tài


9

nguyên ngầm định. Ưu điểm cơ bản của việc sử dụng những kỹ thuật báo hiệu một chiều là tối
thiểu được độ trễ tồn trình (end-to-end) cho việc truyền dẫn dữ liệu trên mạng quang đường
trục.
Các nút trung gian

Nguồn
Thời gian
lập burst

Đích

BHP

Thời gian
lệch

Giai đoạn
thiết lập
Burst

Thời gian
truyền burst
dữ liệu

Thời gian

Thời gian
lan truyền

Giai đoạn
truyền và
giải phóng

Hình 2.2: Kỹ thuật báo hiệu JET


10

2.1.5 Kỹ thuật báo hiệu Tell-And-Wait
Các nút trung gian

Nguồn
Thời gian
lập burst

Đích

BHP

Giai đoạn
thiết lập
Thời gian
lan truyền

Giai đoạn
xác nhận

Thời gian
truyền burst
dữ liệu

Burst

Thời gian
lan truyền

Giai đoạn
truyền

Thời gian

Giai đoạn
giải phóng

Hình 2.3: Kỹ thuật báo hiệu TAW

2.2 Báo hiệu quay vòng RSP
Mạng xem xét là mạng vịng WDM chuyển mạch burst quang có N nút A1, A2,… AN
(hình 2.4). Từ nút Ai đến nút Aj (i=1,…,N; j=1,…N; i≠j) có thể có truyền dẫn quang đơn hướng
hoặc song hướng với số kênh là (W+1). Bước sóng λ0 chỉ để truyền báo hiệu, các bước sóng
khác (λ1, λ2,…, λW) để truyền tải. Mơ hình tổng qt của mạng được chỉ ra trên hình. Ngồi
vịng báo hiệu, truyền tải qua mạng được thực hiện bởi các liên kết WDM giữa các nút mạng.

11

A2

A1

A3

A4

λ0,λ1,…λw

AN
IP,...

Hình 2.4: Mơ hình mạng sử dụng RSP

XỬ LÝ VÀ ĐIỀU KHIỂN
λ0

λ0… λw

λ0

λW
λ0

λ0… λw

CHUYỂN

MẠCH
QUANG

λW
LẬP/TÁCH
BURST

IP…

λW
λ0
λW

RX

λ0… λw

λ0… λw

λ1… λw
TX

Hình 2.5: Mơ hình nút mạng sử dụng RSP

2.2.1 Thơng tin báo hiệu
Có nhiều loại bản tin báo hiệu, nhiều loại thông tin báo hiệu được gửi trong mạng.
Trong khuôn khổ luận văn này, tơi chỉ trình bày về gói thơng tin quan trọng nhất, gói thơng tin
điều khiển burst (BCP).
Giả sử một burst Bk được truyền trên bước sóng λw từ nút nguồn AS đến nút đích AD
theo tuyến (AS-An-Am-…-AD). Tại nút AS, bước sóng λw sẽ chiếm dụng chuyển mạch quang

trên kết nối từ bộ phát Tx đến nút An (hướng Tx-An) trong thời gian (t1BkλwAs-t2BkλwAs), nói cách
khác, λw bận trên hướng kết nối (Tx-An) trong thời gian (t1BkλwAs-t2BkλwAs). Ký hiệu:


12

λw/Bk/As[(Tx-An);(t1BkλwAs -t2BkλwAs )]=1

(1)

Tại nút trung gian An, λw bận trên hướng (AS-Am) trong thời gian (t1BkλwAn-t2BkλwAn):
λw/Bk/An[(AS-Am);(t1BkλwAs -t2BkλwAs)]=1

(2)

Tại nút đích AD, λw bận trên hướng (A…-Rx) trong thời gian (t1BkλwAD-t2BkλwAD):
λw/Bk/AD[(A…-Rx);(t1BkλwAD -t2BkλwAD)]=1

(3)

Nếu kênh quang λw có tốc độ điều biến B(bps), burst Bk có độ dài LBkλw(Byte) và độ dài
cáp quang trên đoạn (An-Am) là l(An-Am)(km),lõi sợi quang có chỉ số chiết suất n 0 thì thời gian
phát burst Bk và thời gian truyền dẫn quang từ An đến Am là:
TtBkλw= 8.LBkλw/B

(4)

TT(An-Am) = n0.l(An-A(n+1)) /(3.105)

(5)

Từ đó có:
t1BkλwAn =t1BkλwAs+ TT(As-An)

(6)

t1BkλwAm =t1BkλwAn+ TT(An-Am) =t1BkλwAs+ TT(As-An)+TT(An-Am)

(7)

t1BkλwAD =t1BkλwA…+ TT(A…-AD) =t1BkλwAs+ TT(As-An)+TT(An-Am)+…+TT(A…-AD)

(8)

t2BkλwAs = t1BkλwAs+TtBkλw

(9)

t2BkλwAn = t1BkλwAn+TtBkλw

(10)

Gói thơng tin điều khiển burst mang tất cả thông tin bận (thời gian bận, hướng nối bận ở
mỗi nút mạng) của mọi bước sóng truyền tải. Một nút mạng An khi nhận được BCP sẽ nhận
biết toàn cảnh sử dụng bước sóng truyền tải trên mạng. Thơng tin các bước sóng chiếm dụng
chuyển mạch quang (hướng kết nối, thời gian kết nối) của A n sẽ được nó sử dụng để điều khiển
trường chuyển mạch. Nếu có nhu cầu truyền burst, An sẽ phải lựa chọn tuyến và bước sóng rỗi
để truyền burst. Khi chọn được tuyến và bước sóng thích hợp, An tính tốn thời gian bước sóng
chiếm dụng trường chuyển mạch của các nút trên tuyến truyền burst và đăng ký sử dụng bước
sóng bằng cách ghi thơng tin bước sóng bận vào BCP. Bảng 1 là ví dụ thông tin trong BCP

được tạo lập tại nút AS. Trong bảng, thông tin về burst B1λ1 do nút Ag đăng ký, thông tin về
burst B1λw do nút Au đăng ký từ trước và được gửi đến AS. Thông tin đăng ký truyền burst B2λ1
trên bước sóng λ1 và truyền burst Bkλw trên bước sóng λW là các thơng tin được AS bổ sung
trước khi truyền BCP đến nút tiếp theo.


13
Bảng 1: Thông tin trong BCP (tại nút AS)

Bursts
λ1

B1λ1=B(Ag-Ah-As-An)

Nút AS
T[(Ah-An);(t1B1λ1As-t2B1λ1

Nút An

…

D[(AS-Rx);(t1B1λ1An-t2B1λ1An)]

As)]

B2λ1=B(As-An-…)

S[(Tx-An);(t1B2λ1As-t2B2λ1 As)] T[(AS-Am);(t1B2λ1An-t2B2λ1An)] …

… …

B1λw=B(Au-…-Av-As)

D[(Au-Rx);(t1BkλwAs-

…

t2BkλwAs)]

λ
…

W

Bkλw=B(As-Au-…-An)

S[(Tx-Au);(t1BkλwAs-t2Bkλw

D[(A…-Rx);(t1BkλkAn-

As)]

t2BkλwAn)]

…

Các ký hiệu trong bảng mang thơng tin như sau:
-

λw : Bước sóng được đăng ký sử dụng để truyền các burst B1λw,…, Bkλw.

-

Bkλw: Burst thứ k truyền trên bước sóng λw.

-

B(As-Au-…-An): Burst truyền từ nút nguồn AS đến nút đích An theo tuyến (AS-Au-…-An).

-

S[…], T […], D[…]: Nút nguồn, nút trung gian, nút đích.

-

[(AS-Am);(…)]: Hướng kết nối yêu cầu từ đầu vào AS đến đầu ra Am tại nút An trong thời
gian (…).

-

[(…);(t1BkλwAn-t2BkλwAn)]: Thời gian kết nối yêu cầu để truyền burst Bk trên bước sóng λw
qua kết nối (…) tại nút An.
Một mạng có N nút sẽ cần một bảng có (N+2) cột. Thơng tin trong BCP là khá lớn, vì

thế cần loại bỏ ngay những thơng tin khơng cịn giá trị. Có thể quy định, nút đích là nút xóa
thơng tin về các burst gửi đến nó khi nút này xử lý BCP.


14

2.2.2 Truyền gói thơng tin điều khiển burst

Trong mạng vịng OBSR sử dụng báo hiệu RSP, BCP truyền tuần tự qua từng nút mạng
theo chu kỳ. Để thực hiện như vậy, một vòng báo hiệu phải được tạo lập trên mạng. Vòng báo
hiệu đi qua mỗi nút chỉ một lần, khơng lặp lại. Với một mạng WDM có thể hình thành nhiều
hơn một vịng báo hiệu thì một vịng được chọn sử dụng (chẳng hạn, theo tiêu chí tổng đường
đi ngắn nhất), các vịng khác để dự phịng.
Gói thơng tin điều khiển burst truyền trên vòng báo hiệu, với thời gian truyền hết một
vòng là một chu kỳ báo hiệu TBCP. Trong một chu kỳ báo hiệu, BCP được thu nhận, xử lý và
phát tiếp ở mỗi nút mạng một lần. Hình 2.6 mơ tả một chu kỳ truyền gói thơng tin điều khiển
burst (BCPi) trên vịng báo hiệu.
tt1BCPi/An
Nút An

BCPi

TtBCP
Nút A(n+1)

tt1BCP(i+1)/An
BCPi

t

tr2BCPi/A(n+1)
BCPi

BCPi+1

BCPi

t

TT(An-A(n+1))
BCPi

Nút A(n+h)

BCPi

tr1BCPi/A(n-1)

Tp

BCPi

Nút A(n-1)

tt2BCPi/A(n-1)

t

BCPi

TBCP

Hình 2.6: Một chu kỳ truyền BCP trên vịng báo hiệu

Các ký hiệu sử dụng trong hình:
-

tt1BCPi/An: Thời điểm nút An bắt đầu phát BCPi.

-

tt2BCPi/A(n-1): Thời điểm nút A(n-1) kết thúc phát BCPi.

-

tr1BCPi/A(n-1): Thời điểm nút A(n-1) bắt đầu thu nhận BCPi.

-

tr2BCPi/A(n+1): Thời điểm nút A(n+1) kết thúc thu nhận BCPi.

-

TtBCP: Thời gian phát BCP.

-

TT(An-A(n+1)): Thời gian truyền dẫn quang trên đoạn (An-A(n+1)).

t


15

-

Tp: Thời gian xử lý BCP tại mỗi nút.
Giả sử rằng, thời gian phát và thời gian thu một bản tin điều khiển burst là như nhau và

bằng nhau ở mọi nút mạng (TtBCP=TrBCP), thời gian xử lý BCP tại các nút bằng nhau và là Tp,
chu kỳ báo hiệu sẽ là:
TBCP = N.(TtBCP+Tp)+∑

(

)

TT(An-A(n+1))+ TT(AN-A1)

(11)

Với gói điều khiển burst có độ dài LBCP(Byte) và kênh báo hiệu có tốc độ BBCP(bps), thì:
TtBCP= 8.LBCP/BBCP

(12)

Thời gian truyền dẫn quang trên các đoạn TT(An-A(n+1)được tính theo (5).

2.3 Kết luận chương
Chương đã giới thiệu được một số đặc điểm chính của các giao thức báo hiệu, đồng thời
cũng giới thiệu được hai kỹ thuật báo hiệu thường dùng cho mạng OBS đó là JET và TAW.
Chương cũng đã đưa ra được giao thức báo hiệu mới đó là báo hiệu quay vịng RSP cho mạng
OBS. Với giao thức báo hiệu này, việc truyền tải burst qua mạng quang khơng có tranh chấp,
khơng gây mất burst và nghẽn mạng. Điều này có thể sẽ cho phép phát triển một thế hệ mới
thiết bị và mạng truyền tải toàn quang dựa trên chuyển mạch burst quang.


16

CHƯƠNG 3 – KHẢO SÁT TRUYỀN TẢI QUA MẠNG VÒNG
CHUYỂN MẠCH BURST QUANG SỬ DỤNG BÁO HIỆU QUAY
VỊNG
3.1 Mơ hình mạng khảo sát
Khảo sát truyền tải burst quang qua mạng OBS sử dụng RSP với cấu hình vịng (RSPOBSR). Cấu hình RSP-OBSR có N nút, truyền dẫn quang có thể hoạt động song hướng với W
bước sóng, trong đó bước sóng λ0 dành riêng cho báo hiệu, các bước sóng λ1,…, λW để truyền
tải. Vòng báo hiệu được thiết lập ngay trên cấu hình mạng vịng đã có. Mơ hình mạng khảo sát
thể hiện trên hình 3.1 (mạng vịng gồm 5 nút). Các nút mạng có cấu trúc giống nhau. Các burst
được giả thiết xuất hiện ngẫu nhiên tại mỗi nút, có đích đến ngẫu nhiên, độ dài như nhau. Số
nút mạng N = 5, số bước sóng truyền tải W, độ dài đoạn sợi quang giữa các nút ln, độ dài các
burst LB, tốc độ truyền tin trên một bước sóng Br, thời gian xử lý BCP tại mỗi nút Tp, thời gian
chuyển mạch quang TOS là các tham số thay đổi được, chọn đặt tùy theo mục đích khảo sát.

A1

A2

λ1,…λw
A5

A3
A4
IP,...

λ0

Hình 3.1: Mơ hình mạng khảo sát

Mạng vịng OBSR có thể hoạt động trên cả hai hướng. Trên mỗi hướng (mỗi vịng

mạng) đều có thể truyền dẫn các bước sóng λ0,λ1,…, λW. Các burst bao gồm nhiều gói dữ liệu
(IP, ethernet,…) đến từ các luồng nhánh được nút nguồn tạo lập theo ngưỡng thời gian hoặc
ngưỡng độ dài, hoặc theo cả hai, tùy thuộc đến ngưỡng nào trước. Khi là nút nguồn, nút mạng


17

sử dụng một bộ phát Tx để phát burst trên một bước sóng, theo hướng đi và vào thời điểm đã
được ấn định theo lịch phát burst đã lập trước đó. Khi là nút đích, nút mạng sử dụng một bộ thu
Rx để thu burst trên một bước sóng, trên hướng đến và vào thời điểm theo lịch đã được lập
trước đó. Việc tách burst tại nút đích được thực hiện theo thông tin mào đầu burst do nút nguồn
gửi khi tạo lập burst. Tiếp đó, các gói dữ liệu sẽ được chuyển đến các luồng nhánh để truyền
đến nơi nhận.
Trên mỗi hướng, các nút OBS dựa vào đích đến của burst thực hiện tìm bước sóng khả
dụng để truyền tải burst. Vì có 2 hướng truyền dẫn ngược nhau, nên khi có burst yêu cầu
truyền, đầu tiên nút sẽ kiểm tra nút đích của burst yêu cầu, dựa vào nút đích, nút sẽ lựa chọn
Ring truyền cho burst sao cho thời gian truyền đến nút đích là nhỏ nhất. Sau đó nút sẽ thực hiện
tìm kiếm kênh trống khả dụng để truyền burst trên Ring (hướng) đã chọn. Sau khi tìm được
bước sóng khả dụng cho burst, nút đăng kí chiếm bước sóng và cập nhật vào trong bản tin báo
hiệu. Sau khi bản tin báo hiệu được gửi đi một thời gian Toffset, burst sẽ được truyền đi trên
bước sóng mà nó đã đăng kí. Khi bản tin BCP quay về đến nút đích, có nghĩa nó đã thực hiện
xong một vòng, bản tin được cập nhật và phát tiếp từ nút đích, bắt đầu vịng tiếp theo. Khi
khơng cịn bước sóng khả dụng trên hướng lựa chọn, nút sẽ lưu lại burst và đợi thông tin báo
hiệu bcp trên hướng ngược lại để tìm kênh trống truyền burst trên hướng ngược lại, nếu trên
hướng còn lại của vịng có bước sóng khả dụng thì nó sẽ truyền burst trên hướng cịn lại.

3.2 Xây dựng chương trình
3.2.1 Lựa chọn công cụ khảo sát
Công cụ được sử dụng để mô phỏng là MATLAB. MATLAB viết tắt của Matrix
Labotary, là phần mềm ứng dụng mạnh trong việc thực hiện các phép tính tốn với ma trận.

MATLAB được mơ tả như một gói phần mềm dùng cho tính tốn kỹ thuật tích hợp các cơng cụ
tính tốn, trực quan hóa và lập trình.
Ưu điểm nổi bật của MATLAB, như đã được đề cập ở trên, là khả năng tính tốn, đặc
biệt là những bài toán liên quan đến ma trận và vector (mà khơng cần định kích thước), với thời
gian ít hơn nhiều lần so với cùng một cơng việc tính tốn trên các ngơn ngữ lập trình khác.
Trong luận văn này, tôi sử dụng phiên bản MATLAB R2009b.

3.2.2 Lựa chọn thuật tốn xây dựng chương trình


18

Trong Ring OBS, các burst truyền từ nguồn đến đích theo hai hướng định trước, vì vậy
khơng cần chọn tuyến, việc định tuyến truyền burst chỉ còn là chọn bước sóng rỗi. Trong luận
văn tơi sử dụng thuật tốn điền ơ trống. Thuật tốn đã được nhóm nghiên cứu dưới sự hướng
dẫn của thầy Bùi Trung Hiếu đã nghiên cứu và áp dụng cho mạng vòng OBS cho việc chọn
khoảng thời gian bước sóng rỗi để truyền burst, ưu tiên truyền các burst lưu đệm từ vòng báo
hiệu trước. Khoảng trống được chọn là khoảng trống nằm sau thời gian lệch Toffset và có độ dư
nhỏ nhất so với burst cần truyền.
Thuật toán được thực hiện qua các bước như sau:
Bước 1: Lựa chọn tất cả các kênh trống có thể đăng ký. Một kênh trống i được nói là có thể
đăng ký nếu startb> startv(i) và lengthb> lengthv(i) . Nếu khơng có kênh khoảng trống có thể
đăng ký, đến bước 4.
Bước 2: Tìm và lựa chọn các kênh x có khoảng trống sớm nhất - startv(x) là nhỏ nhất.
Bước 3: Trong số các khoảng trống chọn được ở bước 2, chọn các khoảng trống nhỏ nhất.
Kênh đầu ra j có khoảng trống nhỏ nhất thỏa mãn được đăng ký cho burst dữ liệu.
Bước 4: Kết thúc.
Khi bản tin BCP đến tại nút An tại thời điểm tbcp, nút An có yêu cầu cần truyền burst Bk
đến nút Am, nút An sẽ phải thực hiện như sau:
i. Tính tốn khoảng thời gian TBk-offset: là khoảng thời gian trễ tối thiểu có thể truyền burst đi

sau khi truyền bản tin báo hiệu, thời gian này đủ để đảm bảo các nút trung gian trên tuyến
truyền đã thực hiện việc chuyển mạch chờ sẵn burst đến, được tính theo cơng thức:
TBk-offset = ∑

(

p

+ TOS)

Trong đó: Ntg là số nút trung gian trên tuyến truyền cho burst Bk
Tp, TOSlà thời gian xử lý và chuyển mạch của nút trung gian.
ii. Tính tốn khoảng thời gian phát burst Bk ra khỏi nút An
TT-Bk = (LBk x8x10-6)/Br
Trong đó: Br là tốc độ điều biến
LBk(kB) là độ dài burst Bk


19

iii. Dựa vào thơng tin về trạng thái tồn mạng trong BCP, nút An tìm kiếm tất cả các khoảng
trống trên tất cả các kênh bước sóng thỏa mãn cho burst Bk. Khoảng trống thứ i thỏa mãn là
(tvi-b ; tvi-e) thoản mãn khi thỏa mãn đồng thời:


tvi-e – tvi-b > TT-Bk



tvi-b>=tbcp+TBk-offset.

Nếu thời điểm (tbcp + TBk-offset) nằm giữa khoảng trống (tvi-b ; tvi-e) thì xét khoảng trống mới là
(tbcp + TBk-offset; tvi-e), khoảng trống này thỏa mãn khi tvi-e – (tbcp + TBk-offset) > TT-Bk.
iv. Trong Nv khoảng trống tìm được, nút An sử dụng thuật tốn để lựa chọn một khoảng trống
cho việc truyền burst, theo lần lượt các bước:


Lựa chọn khoảng trống sớm nhất trong Nv khoảng trống.



Lựa chọn khoảng trống nhỏ nhất trong các khoảng trống đã được lựa chọn ở trên.

v. Đăng ký burst Bk vào khoảng trống được lựa chọn. Cập nhật thông tin vào bản tin BCP.
Trong trường hợp trên Ring đang chạy, nút khơng tìm được kênh trống thỏa mãn u cầu
truyền burst thì nút sẽ lưu burst và phát bản tin báo hiệu (BCP) trên hướng Ring còn lại để
đăng ký truyền burst trên hướng ring còn lại. Khi này việc tìm kênh trống trên hướng ngược
lại bắt đầu lại từ bước i.

3.2.3 Kết cấu chương trình
Để đơn giản cho việc thực hiện chương trình, tơi chia chương trình mơ phỏng thành các
chương trình con:
 Chương trình update được xây dựng thực hiện thuật tốn đưa ra, tên chương trình trong
Matlab là update.m: chương trình triển khai thuật tốn điền đầy ô trống đã đưa ra để lựa
chọn khoảng trống cho một burst, khi đã tìm được khoảng trống thỏa mãn cho burst,
chương trình thực hiện đăng ký và cập nhật thông tin vào trong BCP.
 Đầu vào: burst yêu cầu, nút nguồn, nút đích.
 Đầu ra: khoảng trống được lựa chọn, bản tin BCP đã cập nhật.
Như vậy, khi chạy chương trình, chương trình update.m đã được xây dựng nhằm để thực
hiện việc tìm kiếm rỗi và đăng kí bước sóng cho một u cầu truyền. Trong chương trình

một bảng bước sóng thể hiện trạng thái các bước sóng và các nút trên toàn mạng được sử
dụng. Ma trận này có kích thước [N,m], N là số đoạn trên mạng Ring và đúng bằng số


20

nút, m là số bước sóng có thể sử dụng để truyền burst. Để thực hiện mơ phỏng việc đăng
kí bước sóng, chương trình update.m u cầu đầu vào là một ma trận trạng thái bước sóng
A, nút nguồn (mà burst yêu cầu xuất phát) và nút đích. Kết quả khi chạy chương trình sẽ
trả lại một ma trận A đã cập nhật trạng thái nếu yêu cầu từ nút nguồn đến nút đích tìm
được bước sóng khả dụng và đăng kí, nếu khơng tìm được bước sóng khả dụng, kết quả
của chương trình trả lại nguyên vẹn ma trận A. Nếu có nhiều yêu cầu, chúng ta sẽ phải
thực hiện chạy chương trình update.m nhiều lần.
 Chương trình mơ phỏng các tác vụ một nút thực hiện khi nhận được bản tin BCP, tên
chương trình node.m: khi BCP đến tại một nút Aj tại tbcp, nút thực hiện lần lượt:
 Kiểm tra những burst nào tới tại nút, giải phóng thơng tin chiếm dụng trong
BCP, nếu burst qua nút thì cập nhật thời gian chiếm dụng của burst truyền từ các
nút trước tại Aj:
(ts-Bk-Aj; tf-Bk-Aj) = (ts-Bk-Aj-1; tf-Bk-Aj-1) + TBk(Aj-1, Aj)
TBk(Aj-1, Aj) là thời gian truyền burst Bk từ nút Aj-1 đến Aj.
 Thực hiện lựa chọn khoảng trống cho các burst đang nằm trong hàng đợi tại nút:
đây là các burst không được phục vụ ở chu kỳ trước đấy, sẽ được ưu tiên để đăng
ký tìm kênh truyền trước.
 Thực hiện lựa chọn khoảng trống cho các burst mới yêu cầu tại nút.
Việc thực hiện lựa chọn khoảng trống cho các burst được thực hiện bằng chương
trình UPDATE (update.m). Nếu có khoảng trống thỏa mãn, burst sẽ được đăng ký để
truyền đi, nếu khơng có khoảng trống thỏa mãn, nút sẽ tìm thơng tin trên hướng
ngược lại để kênh trống trên hướng ngược lại để đăng ký cho burst cần truyền.
 Đóng gói BCP và gửi đến nút kế tiếp.
 Chương trình chính main.m: thực hiện việc nhập các tham số đầu vào cho chương trình,

chạy chương trình theo mục đích khảo sát.
Các tham số chính của chương trình:
 Số nút trên Ring (N)
 Số bước sóng sử dụng (W)
 Tốc độ đọc của nút (Br)


21

 Thời gian xử lý BCP (Tp)
 Thời gian chuyển mạch tại nút (TOS)
 Số vòng bcp chạy thực hiện mô phỏng
 Số chờ tối đa tại mỗi nút (wait_max)
 Độ dài burst truyền (LB).
 Độ dài tuyến quang.
 Số yêu cầu phát sinh lớn nhất tại mỗi nút (ycps_max)
 Ngồi ra cịn một số tham số khách quan của nút như tốc độ đọc của nút (cũng
chính là tốc độ đường quang), chiết suất của lõi sợi quang, thời gian xử lí bản tin
bcp và thời gian chuyển mạch của nút.
Chương trình thực hiện chạy lần lượt từ nút 1 đến nút N là hết một vòng chạy, hết thời
gian là chu kỳ T:
= ∑

+

+

+∑

Trong đó: Ttnlà thời gian truyền dẫn tín hiệu quang từ nút An đến nút liền kề An+1 trên

vòng báo hiệu.

TT, TR là thời gian phát và nhận BCP tại một nút. Vì độ dài bản tin BCP khá
nhỏ nên thời gian này cũng rất nhỏ, cỡ vài µs.
Tại mỗi nút chương trình gọi chương trình con node.m. Số vịng chạy có thể thay đổi phụ
thuộc vào mục tiêu khảo sát.

3.2 Kết quả khảo sát
Mục tiêu của chương trình là khảo sát năng lực truyền tải qua mạng dựa trên tải lưu
lượng phát sinh của mạng ρ.
Sau đây là kết quả trình khảo sát được với kịch bản: RSP-OBSR có các tham số N = 5,
W = 6, ln = 25km (∀ n=1,…,5), Br = 2.5 Gbps, Tp = 100 μs, TOS = 20μs. Ban đầu chương trình
chạy với LB = 50 kB, ta có kết quả khảo sát như ở hình 3.3 và hình 3.4. Trên hình 3.3 và hình
3.4 là thống kê tổng số burst truyền trong một chu kỳ ở mạng vòng 5 nút, khoảng cách giữa các
nút 25km, 4 bước sóng truyền tải, tốc độ đường quang 2.5 Gbps, burst có độ dài đồng đều, thời
gian xử lý BCP tại mỗi nút 100μs, thời gian chuyển mạch quang 20μs, tỷ số các burst truyền
được trên các burst cần truyền và số các burst trễ đều là giá trị trung bình thống kê trong thời


22

gian quan sát 200 chu kỳ báo hiệu cho mỗi giá trị của tải lưu lượng ρ, không sử dụng đệm
quang và chuyển đổi bước sóng. Kết quả trên hình 3.3 cho ta thấy sự phụ thuộc của số burst
truyền được trên tổng số burst cần truyền vào số burst phát sinh khi truyền đơn hướng và song
hướng. Trên hình 3.4, đường màu xanh thể hiện số burst trễ trung bình trong mỗi chu kỳ báo
hiệu phụ thuộc tải lưu lượng ρ trong trường hợp Ring song hướng, đường màu đỏ thể hiện số
burst trễ trung bình trong mỗi chu kỳ báo hiệu phụ thuộc tải lưu lượng ρ trong trường hợp Ring

Burst truyền được / Tổng burst cần truyền

đơn hướng.

Ring song hướng
Ring đơn hướng

ρ

Số burst trễ trung bình

Hình 3.3: Tỷ số burst truyền được trên tổng số burst cần truyền phụ thuộc vào tải lưu lượng ρ

Ring đơn hướng
Ring song hướng
ρ
Hình 3.4: Số burst trễ trung bình phụ thuộc vào tải lưu lượng ρ


23

 Nhận xét và đánh giá
Qua kết quả như ở trên hình 3.3, cho thấy khi lượng burst phát sinh trung bình ít thì hầu
như các burst được truyền đi hết, khi lượng burst phát sinh lớn thì một phần lưu lượng tải sẽ
phải lưu đệm trong các bộ đệm điện tử chờ đến chu kỳ báo hiệu sau. Ring hoạt động song
hướng sẽ có khả năng truyền tốt hơn Ring đơn hướng do có thể truyền tải trên hướng còn lại
khi lượng burst phát sinh lớn.
Như vậy cùng với lượng tải phát sinh, mạng vòng hoạt động song hướng có khả năng
truyền tải tốt hơn, trễ và mất burst ít hơn mạng đơn hướng.

3.4 Kết luận chương
Trong chương này, luận văn đã tập trung vào việc xây dựng chương trình để khảo sát

truyền tải qua mạng vịng chuyển mạch burst quang sử dụng báo hiệu quay vịng. Thơng qua
việc khảo sát truyển tải, Ring song hướng sẽ có khả năng truyền tốt hơn Ring đơn hướng do có
thể truyền tải trên hướng còn lại khi lượng burst phát sinh lớn. Điều này cho thấy hiệu quả của
việc sử dụng báo hiệu quay vòng trong mạng vòng chuyển mạch burst quang.