Nghiên cứu một số thuật toán lập lịch kênh trên mạng chuyển mạch chùm quang

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------------------------

NGUYỄN QUỐC VINH

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ THUẬT TOÁN
LẬP LỊCH KÊNH TRÊN MẠNG
CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

Đà Nẵng - Năm 2017


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------------------------

NGUYỄN QUỐC VINH

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ THUẬT TOÁN
LẬP LỊCH KÊNH TRÊN MẠNG
CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG

Chuyên ngành: Khoa học máy tính
Mã số: 60.48.01.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. LÊ VĂN SƠN

Đà Nẵng - Năm 2017


LỜI CAM ĐOAN

Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng
bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tác giả luận văn

Nguyễn Quốc Vinh


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC HÌNH
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG
OBS .................................................................................................................................3
1.1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN QUANG .................................................3
1.2. CÁC CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH QUANG ...................................................4
1.2.1. Chuyển mạch kênh quang OCS ........................................................................4
1.2.2. Chuyển mạch gói quang OPS ...........................................................................4
1.2.3. Chuyển mạch chùm quang OBS .......................................................................5
1.3. MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG ...........................................................5
1.3.1. Kiến trúc ............................................................................................................6
1.3.2. Các hoạt động ....................................................................................................7

1.3.2.1. Tập hợp chùm .............................................................................................. 7
1.3.2.2. Báo hiệu .......................................................................................................9
1.3.2.3. Giải quyết tranh chấp .................................................................................12
1.3.2.4. Lập lịch ......................................................................................................12
1.4 . KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 .....................................................................................14
CHƯƠNG 2. MỘT SỐ THUẬT TOÁN LẬP LỊCH KÊNH TRÊN MẠNG
OBS ............................................................................................................................... 16
2.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG ........................................................................................16
2.2. PHÂN LOẠI CÁC THUẬT TOÁN LẬP LỊCH KÊNH ........................................16
2.2.1. Thuật toán Horizon (without Void filling) .....................................................16
2.2.1.1. Thuật toán FFUC .......................................................................................16
2.2.1.2. Thuật toán LAUC ......................................................................................17
2.2.2. Thuật toán Void filling (with Void filling) .....................................................19
2.2.2.1. Thuật toán FFUC-VF .................................................................................19
2.2.2.2. Thuật toán LAUC-VF ................................................................................21
2.2.2.3. Thuật toán tối ưu BFUC-VF ......................................................................23
2.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 .......................................................................................24
CHƯƠNG 3. CÀI ĐẶT MƠ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ......................25
3.1. GIỚI THIỆU ...........................................................................................................25
3.2. GIỚI THIỆU CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG .....................................................25
3.3. KỊCH BẢN MÔ PHỎNG .......................................................................................26


3.5. MƠ PHỎNG CÁC THUẬT TỐN XẾP LỊCH TRONG MẠNG OBS ...............30
3.4. CÀI ĐẶT CÁC GIẢI THUẬT TRONG NS2 ........................................................27
3.5. PHÂN TÍCH KẾT QUẢ ........................................................................................32
3.6. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 .......................................................................................36
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .................................................................37
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 38
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao)

PHỤ LỤC


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT
ACK
BCP
BFUC-VF
BHP
DB
DIR
DR
FDL
FFUC
FFUC-VF
JIT
JET
INI
LAUC
LAUC-VF
LAUT
NAM
NGN
NS2
OBS
OCS
O/E/O
OPS
QoS
SIR
VF

WADM
WDM
WRN

Acknowledged
Burst Control Packet
Best Fit Unscheduled Channel - Void Filling
Burst Header Packet
Data Burst
Destination Initiated Reservation
Delay Reservation
Fiber Delay line
First Fit Unscheduled Channel
FFUC with void Filling
Just In Time
Just Enough Time
Intermediate Node Initiated reservation
Lastest Available Channel
LAUC with void Filling
Latest Available Unscheduled Time
Network AniMator
Next-generation network
Network Simulation version 2
Optical Burst Switching
Optical Circuit Switching
Optical/Electronic/Optical
Optical Packet Switching
Quality of Service
Source Initiated Reservation
Void Filling

Wavelength Add-Drop Multiplexer
Wavelength Division Multiplexing
Wavelength Routed Networking


DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hiệu

Tên hình

hình

Trang

1.1.

Kiến trúc của mạng chuyển mạch chùm quang

7

1.2.

Tập hợp và tách chùm

8

1.3.

Tập hợp chùm theo ngưỡng thời gian

8

1.4.

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

9

1.5.

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

9

1.6.

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

11

1.7.

Minh họa các thuật toán lập lịch không xét đến lấp đầy khoảng
trống

13

1.8.

Minh họa các thuật tốn lập lịch có xét đến lấp đầy khoảng trống

14

2.1.

Mơ hình thuật tốn FFUC khơng sử dụng void filling

16

2.2.

Lưu đồ thuật tốn FFUC

17

2.3.

Mơ hình thuật tốn LAUC khơng sử dụng void filling

18

2.4.

Lưu đồ thuật tốn LAUC

18

2.5.

Mơ hình thuật tốn FFUC có sử dụng void filling

20

2.6.

Lưu đồ thuật tốn FFUC-VF

20

2.7.

Mơ hình thuật tốn LAUC có sử dụng void filling.

21

2.8.

Lưu đồ thuật tốn LAUC-VF

22

2.9.

Mơ hình thuật tốn BFUC-VF

23

3.1.

Kiến trúc cơ bản của NS2

25

3.2.

NAM (Network AniMator)

26

3.3.

Mô phỏng mạng OBS

27

3.4.

Tiến hành cài đặt NS2

28

3.5.

Cài đặt thành công NS2

28

3.6.

Kiểm tra cài đặt thành công

29

3.6.
3.7.

Thông lượng truyền qua được mạng khi sử dụng thuật tốn
FFUC
Thơng lượng truyền qua được mạng khi sử dụng thuật toán

30
31


Số hiệu

Tên hình

hình

Trang

LAUC
3.8.

3.9.
3.10.
3.11.

3.12.

3.13.

3.14.
3.15.

Thơng lượng truyền qua được mạng khi sử dụng thuật tốn
FFUC-VF
Thơng lượng truyền qua được mạng khi sử dụng thuật tốn
LAUC-VF
Thơng lượng truyền qua mạng khi sử dụng thuật toán BFUC-VF
So sánh 2 giải thuật FFUC và LAUC (Đỏ - FFUC, Xanh –
LAUC)
So sánh với 2 giải thuật FFUC và FFUCVF (Đỏ - FFUC, Xanh –
FFUCVF)
So sánh 2 giải thuật LAUC và LAUCVF (Đỏ - LAUC, Xanh –
LAUCVF)
So sánh 2 giải thuật FFUC-VF và LAUC-VF (Đỏ - FFUC-VF,
Xanh – LAUC-VF)
So sánh kết quả mô phỏng của các giải thuật

31

32
32
33

33

34

34
35


1

MỞ ĐẦU
Trong giai đoạn với sự phát triển nhanh chóng của lưu lượng dữ liệu trên mạng,
tốc độ xử lý điện tử có thể khơng cịn phù hợp trong tương lai nữa, đồng thời dữ liệu
quang thường bị chậm lại do xử lý điện tử tại các node, do đó việc tìm kiếm một
phương pháp chuyển tải các gói IP trực tiếp trên lớp quang mà không cần qua chuyển
đổi O/E/O cho mạng thông tin thế hệ sau (NGN) là một tất yếu. Nhằm để xây dựng
một mạng toàn quang tại đó dữ liệu được duy trì trong miền quang ở tất cả các node
trung gian, cần phải thiết kế các giao thức mới dành cho các hệ thống chuyển mạch
quang. Một trong các vấn đề cần thiết là làm thế nào để hỗ trợ việc cung cấp tài
nguyên nhanh chóng, truyền dẫn đồng bộ (của các gói kích thước biến đổi như các gói
IP) cũng như hỗ trợ mức độ cao việc chia sẻ tài nguyên theo thống kê để xử lý hiệu
quả lưu lượng có tính bùng nổ mà khơng cần có đệm ở lớp WDM (do chưa có các bộ
nhớ truy cập ngẫu nhiên RAM). Do đó các phương pháp chuyển tải toàn quang cần
phải tránh đệm quang càng nhiều càng tốt.
Một vấn đề khác là làm thế nào hỗ trợ chất lượng dịch vụ (QoS) trong mạng
Internet quang thế hệ sau. Mạng IP ban đầu cung cấp các các dịch vụ best-effort, tuy
nhiên hiện nay các ứng dụng thời gian thực (ví dụ điện thoại và hội nghị truyền hình
qua Internet) yêu cầu QoS cao hơn các ứng dụng không phải thời gian thực (như Email
hay trình duyệt Web thơng thường) và do vậy vấn đề đặt ra đối với lớp WDM là làm
thế nào hỗ trợ QoS cho Internet quang. Một số công nghệ khác nhau đang được phát
triển, như định tuyến bước sóng (chuyển mạch kênh quang OCS), chuyển mạch gói
quang OPS và chuyển mạch chùm quang OBS. Các mạng quang định tuyến bước sóng
đã được triển khai và đạt được một số hiệu quả nhất định tuy nhiên các mạng quang

định tuyến bước sóng lại lại sử dụng chuyển mạch kênh có thể khơng phải là cơng
nghệ thích hợp nhất cho các ứng dụng khác nhau sử dụng Internet quang. Kỹ thuật
chuyển mạch gói quang là một giải pháp cơng nghệ khác và có lẽ là tối ưu hơn cho các
ứng dụng mới. Tuy nhiên trong điều kiện một số công nghệ hiện đại như bộ đệm
quang, logic quang vẫn chưa thực hiện được thì chuyển mạch gói quang vẫn chưa thể
áp dụng vào thực tế. Chuyển mạch chùm quang là công nghệ trung gian giữa chuyển
mạch kênh quang và chuyển mạch gói quang đáp ứng được yêu cầu vận chuyển một
lượng lớn dữ liệu qua mạng với tốc độ cao và cung cấp các tính năng mới trong giai
đoạn tới.
Các vấn đề cần nghiên cứu trong OBS là các giao thức dự trữ và giải phóng
tài nguyên, phương pháp thiết lập chùm, các thuật toán lập lịch trên các liên kết đầu ra
của mạng OBS. Nội dung đồ án này trình bày tổng quan về mạng OBS trong đó đi sâu
tìm hiểu và mơ phỏng các thuật tốn lập lịch kênh mục đích để tìm ra được thuật tốn
tối ưu nhất cho lượng dữ liệu truyền qua mạng cao nhất để nâng cao chất lượng của


2
mạng OBS.
Mục đích của đề tài là nghiên cứu các thuật toán lập lịch kênh, các thuật toán tối
ưu và cơng nghệ giảm thiểu tranh chấp, từ đó thấy được phương pháp nào cho hiệu
suất cao nhất cho toàn mạng
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Tìm hiểu lý thuyết về mạng thông tin quang
- Thảo luận về các giải thuật lập lịch kênh
- Phân tích và so sánh ưu nhược điểm của các giải thuật lập lịch kênh và các
thuật tốn tối ưu khác.
- Mơi trường kiểm thử (phần mềm NS2), gói hỗ trợ (OBS-0.9a)
- Phân tích đánh giá hiệu năng mạng qua việc mô phỏng.
- Đề tài thuộc loại hình nghiên cứu.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Cung cấp một cách nhìn tổng quan về mạng thơng tin quang và các yêu cầu
đặt ra trong thực tế.
- Đưa ra cái nhìn khai quát về quá trình lập lịch kênh và các vấn đề của mạng
chùm quang.
- Qua mơ phỏng có thể đánh giá được thuật tốn nào tốt trong việc sử dụng
kênh và giảm suy hao luồng tại các node. Qua đó, làm tiền đề để xây dựng một giải
pháp mới tối ưu hơn trong việc truyền tải dữ liệu tại các node mạng.
Nội dung luận văn gồm 3 chương:
 Chương 1: Tổng quan về mạng chuyển mạch chùm quang OBS.
 Chương 2: Một số thuật toán lập lịch kênh trên mạng OBS
 Chương 3: Cài đặt mơ phỏng và phân tích kết quả
Phương pháp nghiên cứu của đồ án là mơ phỏng các thuật tốn lập lịch kênh trên
các liên kết đầu ra của mạng OBS, so sánh kết quả của các thuật toán để từ đó tìm ra
thuật tốn tối ưu.
Trong q trình làm luận văn mặc dù đã cố gắng nhiều nhưng không thể trách
khỏi những sai sót, mong các thầy cơ thơng cảm và hướng dẫn cho em. Để hoàn thành
luận văn này em đã được sự hướng dẫn tận tình của PGS.TS Lê Văn Sơn, em xin gởi
lời cảm ơn chân thành đến thầy.


3

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG OBS
1.1 . TỔNG QUAN VỀ MẠNG THƠNG TIN QUANG
Nhu cầu thơng tin của con người ngày càng phát triển mạnh mẽ với nhiều loại
hình dịch vụ đa dạng. Điều này đặt ra những thách thức đối với hệ thống truyền thông
vốn có, vốn được xây dựng chủ yếu phục vụ cho nhu cầu thoại và truyền thơng tin
khơng địi hỏi tốc độ cao.
Một yêu cầu đặt ra là phải xây dựng một hệ thống có khả năng cung cấp băng

thơng lớn, truyền được một lượng lớn dữ liệu với tốc độ cao. Sợi quang với những tính
chất ưu việt cùng việc ứng dụng ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM :
Wavelength Division Multiplexing) là một giải pháp hứa hẹn cho mạng Internet thế hệ
mới [8].
Một mạng toàn quang là mục tiêu hướng tới nhưng trong tương lai gần chúng ta
có thể xây dựng một mạng quang trong suốt ít nhất đối với dữ liệu trong đó dữ liệu
được chuyển hồn tồn trong miền quang cịn gói tin điều khiển được chuyển trong
miền điện. Các công nghệ chuyển mạch quang được đề xuất như chuyển mạch kênh
quang, chuyển mạch gói quang và chuyển mạch chùm quang, mỗi cơng nghệ có các ưu
và nhược điểm riêng trong đó chuyển mạch chùm quang dung hòa được những ưu và
nhược điểm của hai loại chuyển mạch kia và là công nghệ hứa hẹn trong tương lai.
Các thế hệ mạng quang đã được đề xuất gồm:
Thế hệ đầu tiên là kiến trúc mạng point to point WDM (WDM điểm- điểm).
Một mạng như vậy gồm nhiều liên kết điểm điểm, ở đó tất cả các lưu lượng đi vào một
node từ một sợi quang được chuyển đổi từ quang sang điện và tất cả các lưu lượng đi
ra một node được chuyển đổi từ điện sang quang trước khi đưa vào sợi quang. Việc
tách ghép luồng quang bằng cách chuyển đổi quang điện tại mỗi node có thể làm tăng
độ trễ và tăng chi phí mạng, do đó, để giảm được độ trễ và giảm đi chi phí mạng ta nên
xây dựng một mạng tồn quang nghĩa là việc chuyển tiếp gói hồn tồn trong miền
quang.
Kiến trúc mạng quang thứ hai dựa trên các bộ xen rớt ghép kênh theo bước
sóng Wavelength Add-Drop Multiplexer (WADM), trong đó việc tách ghép lưu lượng
được thực hiện tại nơi có WADM . WADM có thể tách ra một bước sóng được chọn
và cho phép các bước sóng đi qua. Nói chung, lưu lượng đi qua một node thì nhiều
hơn lưu lượng cần rẽ tại một node. Do đó bằng việc sử dụng WADM chúng ta có thể
giảm được chi phí tồn mạng bằng cách chỉ tách những bước sóng mà đích đến của nó
là tại node này cịn tất cả các bước sóng khác đi đến node tiếp theo.
Kiến trúc mạng quang thế hệ thứ ba dựa trên việc kết nối các thiết bị toàn
quang. Những thiết bị này thường được phân loại thành passive star, passive router và

4
active switch. Tín hiệu được đưa vào một bước sóng tại ngõ vào sao đó cơng suất tín
hiệu này sẽ được chia đều cho tất cả các ngõ ra (sử dụng cùng bước sóng). Một passive
router có thể định tuyến một cách riêng rẽ một trong số nhiều bước sóng ở sợi quang
ngõ vào đến một bước sóng giống như vậy ở ngõ ra. Active switch cho phép sử dụng
lại bước sóng và có thể hỗ trợ những kết nối liên tục qua nó. Passive star được sử dụng
để xây dựng một mạng WDM nội bộ. Trong khi active switch dùng để xây dựng mạng
diện rộng định tuyến bước sóng, Passive router dùng như là một thiết bị mux và
demux.
1.2 . CÁC CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH QUANG
1.2.1. Chuyển mạch kênh quang OCS
Chuyển mạch kênh quang hay còn gọi là giao thức định tuyến bước sóng quang
Wavelength Routed Networking (WRN) trong đó một đường dẫn quang được thiết lập
giữa đích và nguồn trước khi truyền dữ liệu. Trong khi truyền dữ liệu không cần node
trung gian thực hiện những công việc phức tạp như xử lý header hay đệm tải trọng.
Một đường dẫn quang (light path) được sử dụng để cung cấp một kết nối trong mạng
WDM định tuyến bước sóng và có thể trải dài trên nhiều liên kết sợi quang. Các bộ
chuyển đổi bước sóng tạo ra các bước sóng khác nhau trên các liên kết quang. Trong
mạng WRN băng thông được cấp phát tĩnh hay cố định nên khơng thể thích ứng với
lưu lượng dồn dập và thay đổi cao của Internet một cách hiệu quả. Với một số bước
sóng giới hạn cho trước chỉ một số lượng đường dẫn quang hạn chế được thiết lập tại
cùng một thời điểm. Nếu lưu lượng thay đổi động, lưu lượng truyền qua các đường
dẫn tĩnh sẽ làm cho sự tận dụng băng thơng 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 truyền được lưu lượng đột
biến. Nhưng nếu ta cố gắng thiết lập các đường dẫn quang một cách thức 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, dự trữ trong WRN là dự trữ hai chiều trong đó khi có nhu cầu
nguồn gửi yêu cầu thiết lập đường dẫn quang và nhận về một xác nhận từ đích tương

ứng là kết nối đã được thiết lập cho dù kết nối này có dung lượng bao nhiêu, do vậy
việc sử dụng băng thông không hiệu quả về mặt kinh tế.
1.2.2. Chuyển mạch gói quang OPS
Chuyển mạch gói quang có thể cung cấp băng thơng động nên thích hợp với lưu
lượng thay đổi của internet vì nó cho phép chia sẻ thống kê các bước sóng thuộc về
các đích và nguồn khác nhau. Trong mạng chuyển mạch gói OPS phần header của mỗi
gói được tách ra và xử lý trong miền điện còn dữ liệu phải đệm trong miền quang để
chờ header được xử lý xong mới được truyền đi. Vì vậy u cầu phải có bộ đệm quang
nhưng đây là công nghệ vẫn chưa thực hiện được. Hơn nữa việc xử lý header trong
miền quang không thể thực hiện được trong tương lai gần do chưa có logic quang hồn


5
tồn nên mặc dù OPS là một cơng nghệ có nhiều tính năng vượt trội như tốc độ chuyển
mạch cao, thích hợp với bản chất của lưu lượng internet nhưng không thực tế trong
tương lai gần.
1.2.3. Chuyển mạch chùm quang OBS
Chuyển mạch chùm quang cũng dựa trên ý tưởng tách gói tin điều khiển như
OPS nhưng giữa gói tin điều khiển (BHP) và chùm dữ liệu có sự gắn kết chặt chẽ về
thời gian hơn trong OPS. Các gói tin được tích hợp thành các chùm có chiều dài khác
nhau và được gửi đi sau gói tin điều khiển một thời gian offset. Thời gian offset được
tính tốn sao cho gói tin điều khiển đựợc xử lý xong và hồn thành việc dự trữ tài
nguyên tại các node trung gian. Vì vậy cơng nghệ bộ đệm quang khơng bắt buộc. Việc
xử lý một BHP cho nhiều gói tin cùng một lúc làm giảm thời gian xử lý header cho
từng gói trong OPS.
Khác với OCS, OBS sử dụng phương thức dự trữ tài nguyên một chiều truyền
dẫn tức thời, nghĩa là chùm dữ liệu theo sau một gói tin điều khiển mà không cần chờ
chấp thuận của node kế tiếp trên đường đi đến đích nên chiếm dụng tài nguyên hiệu
quả hơn OCS. Nó cũng tỏ ra thích hợp với lưu lượng thay đổi đột biến của internet và
theo các kết quả nghiên cứu cho thấy lưu lượng của internet nhất là các trang web có

bản chất chùm [2].
Do có sự thay đổi về độ dài chùm mà mạng OBS được coi là ở giữa mạng OPS
và WRN. Khi các chùm có chiều dài rất nhỏ, gần với các gói thơng tin quang thì mạng
OBS được coi là mạng OPS nhưng khi các chùm có chiều dài khá lớn thì nó có thể coi
là mạng WRN. Hơn nữa chuyển mạch chùm quang được thiết kế để khắc phục các
nhược điểm của OCS và OPS. Nếu OCS chỉ thích hợp với các dịch vụ tốc độ cố định
như thoại hay truyền hình và chiếm dụng tài nguyên lớn, OPS thì tốc độ cao nhưng địi
hỏi các cơng nghệ chưa thưc hiện được như bộ đệm quang hay logic quang thì OBS lại
đáp ứng được yêu cầu tốc độ thay đổi của các dịch vụ truyền số liệu và do chùm dữ
liệu được truyền đi sau các gói tin điều khiển một thời gian offset nên khơng bắt buộc
có bộ đệm quang. Vì vậy OBS được xem như công nghệ chuyển mạch quang hứa hẹn
nhất trong tương lai cho một lượng lớn dữ liệu với tốc độ cao.
1.3 . MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG
Khái niệm chuyển mạch chùm đã được đề xuất vào năm 1980. Tuy nhiên, kỹ
thuật này không thành công trong mạng chuyển mạch điện tử do nhu cầu và tính phức
tạp so với kỹ thuật chuyển mạch gói. Trong mạng quang có sự khác biệt lớn giữa khả
năng truyền dẫn quang và khả năng xử lý điện tử; thêm vào đó khả năng sử dụng các
bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên trong miền quang là khơng khả dụng, vì vậy không thể giữ
được dữ liệu đợi xử lý trong miền quang. Mạng chuyển mạch chùm quang được đề
xuất vào cuối năm 1990 và nó trở thành một cơng nghệ hứa hẹn có thể tận dụng được
những ưu điểm của mạng chuyển mạch kênh quang và mạng chuyển mạch gói quang


6
để tránh được những bất lợi về kỹ thuật trong thời gian này.
Mạng chuyển mạch chùm quang được xem như là một cơng nghệ hứa hẹn cho
mạng Internet tồn 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 khơng đợi phản hồi (báo nhận) từ nút đích.
Thực chất, mạng chuyển mạch chùm quang xem xét lớp quang đơn thuần như
một phương tiện truyền thông trong suốt cho các ứng dụng. Tuy nhiên cho đến hiện
nay chưa có định nghĩa chung nào cho chuyển mạch chùm quang.
Một số đặc trưng chung của mạng chuyển mạch chùm quang như sau:
- Tách biệt giữa kênh truyền gói điều khiển BCP (Burst Control Packet) và
kênh truyền chùm dữ liệu DB (Data Burst): gói điều khiển được truyền trên một kênh
riêng biệt.
- Sự dành riêng một chiều: tài nguyên được cấp phát theo kiêu dành riêng một
chiều, nghĩa là nút nguồn không cần đợi thông tin phản hồi từ nút đích trước khi nó bắt
đầu truyền chùm.
- Độ dài chùm thay đổi được: kích thước của chùm có thể thay đổi được theo
u cầu.
- Khơng 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 khơng chịu bất kì sự trễ
nào.
1.3.1. Kiến trúc
Kiến trúc của mạng OBS bao gồm các nút chuyển mạch chùm quang (nút OBS)
kết nối với nhau thông qua các sợi cáp quang. Mỗi sợi cáp quang có khả năng hỗ trợ
nhiều bước sóng khác nhau, các nút OBS có thể là các nút biên hoặc các nút lõi. Kiến
trúc này được thể hiện như trong Hình 1.1.


7
1 nút OBS
Quản lý việc
đặt trước tài
nguyên

Thời gian chuyển
mạch tính bằng
đơn vị mS -ms

Tập hợp
Burst

Burst size:Kb-Mb

Kênh điều
khiển
Kênh dữ
liệu

Liên kết WDM

out-of-band-signal

Hình 1.1. Kiến trúc của mạng chuyển mạch chùm quang
Nút biên được xem như là giao diện giữa miền điện tử và miền quang. Nút biên
có thể là nút biên vào hoặc nút biên ra. Nút biên vào thực hiện tập hợp các gói điện tử
(chẳng hạn các gói IP) có cùng đích đến thành một đơn vị truyền dẫn lớn gọi là chùm
quang (Burst), nút biên có thể tập hợp các gói tin đến từ nhiều nguồn khác nhau miễn
sao có cùng đích đến, sau đó thực hiện định tuyến, ấn định bước sóng và lập lịch cho
chùm trên một kênh dữ liệu ở cổng ra, sau đó được truyền qua mang OBS và cuối
cùng được tách gói tại nút biên ra. Nút lõi được xem như là một ma trận chuyển mạch
trong đó mỗi đơn vị chuyển mạch có trách nhiệm chuyển tiếp các chùm dữ liệu đến
nút khác.
Một nút lõi bao gồm cả hai phần: Quang và điện. Phần quang là các bộ
ghép/tách bước sóng (multiplexer/demultiplexer) và ma trận chuyển mạch quang. Phần

điện có đơn vị vào/ra, điều khiển định tuyến và lập lịch. Ma trận chuyển mạch quang
chuyển mạch các chùm dữ liệu đến từ một cổng vào và một cổng ra tưng ứng với đích
đến của chúng.
Khi một nút biên chuẩn bị truyền một chùm dữ liệu, nó sẽ gửi một gói điều
khiển đi trên một bước sóng dành riêng tới nút lõi. Gói điều khiển thực hiện việc báo
hiệu, cấu hình các chuyển mạch tại nút lõi để chuyển chùm từ cổng và giải quyết xung
đột nếu xảy ra.
1.3.2. Các hoạt động
1.3.2.1. Tập hợp chùm
Tập hợp chùm là q trình tập hợp các gói tin điện tử và đóng gói thành chùm
tại nút biên vào của mạng OBS [4]. Tất cả gói đến sẽ được kiểm tra đích đến và được
chuyển đến hàng đợi tương ứng. Việc tập hợp chùm được dựa vào một giá trị ngưỡng
(có thể là thời gian hoặc độ dài) để quyết định khi nào một chùm được gửi vào trong
mạng.


8
Ngược lại với tập hợp chùm, tách chùm được thực hiện ở nút biên ra, mà ở đó
các gói tin sẽ được tách và được chuyển đến đích của chúng [4] . Hình 1.2 mơ tả việc
tập hợp và tách chùm trong mạng OBS.
Gói điều khiển

Burst dữ liệu

Gói điều khiển

Mạng
OBS

Burst dữ liệu

Tập hợp burst

Tách burst

Hình 1.2. Tập hợp và tách chùm
Có nhiều kỹ thuật tập hợp chùm đã được đề xuất trong [3, 4], nhưng kỹ thuật
tập hợp chùm dựa vào ngưỡng thời gian (timer-based) và dựa trên ngưỡng độ dài
chùm (threshold-based) hiện được quan tâm nhất.
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 kích thước chùm dài hay ngắn tùy thuộc vào tần suất gói đến trong ngưỡng
thời gian đó. Hình 1.3 thể hiện kỹ thuật tập hợp chùm dựa trên ngưỡng thời gian.
Kích thước của burst
khơng bằng nhau
Các gói đến

Burst 3

Bộ định thời gian
Ngưỡng thời gian

Burst 2

Burst 1

Khoảng cách giữa các
burst bằng nhau

Hình 1.3. Tập hợp chùm theo ngưỡng thời gian

Đối với phương pháp tâp hợp chùm dựa trên giá trị ngưỡng độ dài, chùm được
xây dựng 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 1.4 thể hiện kỹ thuật tập hợp chùm dựa trên
độ dài.


9
Kích thước của
burst bằng nhau
Burst 3

Các gói đến

Kích thước burst tối đa
(số gói tối đa)

Burst 2

Burst 1

Khoảng cách giữa các
burst khơng bằng nhau

Hình 1.4. Tập hợp chùm theo ngưỡng kích thước (số gói tối đa)
Để đem lại hiệu quả tốt nhất đối với các phương pháp trên, thì vấn đế chọn
ngưỡng phù hợp là rất quan trọng.
Như trong phương pháp dựa trên ngưỡng thời gian, nếu thời gian dài thì kích
thước của chùm lớn, nên số lượng chùm lưu thơng trong mạng ít. Tuy nhiên khi xảy ra
mất chùm vì kích thước lớn nên số lượng gói tin rơi cũng sẽ lớn. Trong trường hợp
nếu chọn ngưỡng thời gian ngắn, kích thước chùm sẽ nhỏ, nên lưu lượng chùm lưu

thơng trong mạng sẽ nhiều và dễ dẫn đến tranh chấp, nhưng khi chùm rơi thì số lượng
gói tin rơi lại thấp. Tương tự với phương pháp ngưỡng thời gian, khi chọn ngưỡng
trong phương pháp độ dài cũng ảnh hưởng lớn hiệu quả của hệ thống mạng quang.
t

Hình 1.5. Tập hợp chùm theo ngưỡng thời gian và ngưỡng độ dài chùm
Từ đó, ta có thể thấy rằng hai phương pháp này có ưu nhược điểm khác nhau
với lưu lượng tải trong mạng khác nhau. Trong quá trình nghiên cứu người ta thấy
rằng lưu lượng mạng luôn không cố định nên việc kết hợp giữa hai phương pháp này
có thể mang lại hiệu suất cao hơn. Hình 1.5 mơ tả ảnh hưởng của kỹ thuật tập hợp
chùm dựa trên ngưỡng thời gian và ngưỡng độ dài chùm đối với chùm sinh ra.
1.3.2.2. Báo hiệu
Báo hiệu là một tiến trình đặt trước tài nguyên và cấu hình bộ chuyển mạch tại
mỗi nút sao cho phù hợp với yêu cầu của một chùm đến [11]. Tiến trình báo hiệu trong
mạng OBS được thực hiện bởi các gói điều khiển và các gói này đươc truyền độc lập


10
với các chùm dữ liệu.
Có nhiều phương thức báo hiệu trong mạng OBS:
- Theo hướng: Đặt trước tài nguyên một chiều, hai chiều hoặc kết hợp cả
một chiều và hai chiều.
Đối với sơ đồ báo hiệu một chiều, nút nguồn gửi đi một gói điều khiển yêu cầu
mỗi nút trên cùng một tuyến cấp phát tài nguyên cần thiết cho chùm dữ liệu và cấu
hình chuyển mạch quang tương ứng. Sau đó nguồn sẽ gửi chùm dữ liệu đi mà khơng
cần chờ tín hiệu ACK từ nút trung gian hay nút đích trả lời về. Vì khơng cần tín hiệu
ACK nên chùm dữ liệu có thể gửi đi sớm hơn và giảm độ trễ truyền dẫn đầu – cuối
(end-to-end).
Sơ đồ báo hiệu hai chiều cũng tương tự như báo hiệu một chiều tuy nhiên nút
nguồn chờ nhận được tín hiệu ACK phản hồi sau đó mới quyết định có truyền chùm đi

hay không. Như vậy, nếu việc đặt trước tài ngun và cấu hình chuyển mạch quang
thành cơng, chùm dữ liệu được gửi đi; Ngược lại, nếu bất kỳ nút trung gian nào đó
khơng thể điều tiết được tài ngun thì tại nút trung gian này sẽ có một thơng báo tắc
nghẽn được gửi trở lại nguồn để báo rằng việc đặt trước thất bại và nút nguồn sẽ hủy
bỏ các liên kết đã đặt trước được thiết lập trước đó trên đường đi tương ứng. Báo hiệu
hai chiều tăng độ trễ truyền dẫn đầu – cuối.
Phương pháp báo hiệu kết hợp đưa ra giải pháp cân bằng giữa báo hiệu một
chiều và hai chiều, đây là phương pháp dự phòng bộ phận. Trong phương pháp báo
hiệu kết hợp, việc đặt trước từ nút nguồn tới các nút trung gian trên tuyến được xác
nhận bằng tín hiệu ACK, trong khi việc dành riêng từ nút trung gian tới đích sẽ khơng
được xác nhận. Vị trí của nút được chỉ định làm nút trung gian sẽ quyết định khả năng
mất hay độ trễ của chùm dữ liệu. Nếu nút trung gian được chọn gần với nguồn thì hoạt
động của mạng sẽ giống như việc báo hiệu một chiều, và nếu nút trung gian gần về
phía đích thì hoạt động giống như việc báo hiệu hai chiều.
- Theo vị trí: Đặt trước tài nguyên bắt đầu từ nguồn, từ đích hoặc từ nút
trung gian.
Đặt trước từ nguồn (source initiated reservation - SIR): Tài nguyên được cấp
phát cùng hướng báo hiệu khi gói điều khiển đi từ nguồn về đích. Nếu q trình đặt
trước thành cơng từ nguồn đến đích, một tín hiệu ACK được gửi ngược từ đích về
nguồn chỉ định bước sóng dành riêng mà chùm dữ liệu sẽ được truyền đi.
Đặt trước từ đích (destination initiated reservation - DIR): Nguồn gửi một yêu
cầu đặt trước tài nguyên đến nút đích, yêu cầu này sẽ lựa chọn các bước sóng phù hợp
với thông tin trên mỗi liên kết cùng hướng, Dựa trên sự lựa chọn thơng tin, nút đích sẽ
chọn một bước sóng phù hợp (nếu như nó tồn tại) tương ứng với khoảng thời gian và
gửi yêu cầu dành riêng trở về nút nguồn, yêu cầu dành riêng sẽ được chuyển qua các
nút trung gian, dành riêng này sẽ được chọn một bước sóng để giữ cho hết thời gian


11
quy định.

Nguyên nhân chính gây ra tắc nghẽn (hoặc mất dữ liệu) trong SIR vì thiếu tài
nguyên rỗi, trong khi đó đối với DIR việc mất dữ liệu vì thơng tin hết hạn.
Dành riêng tại nút trung gian (intermediate node initiated reservation- INI):
đặc trưng dành riêng tài nguyên của nó giống như DIR từ nguồn đến một vài nút trung
gian, và giống như SIR từ nút trung gian đến nút đích.
Nhìn chung, để giảm sự mất dữ liệu tại các nút trong hướng thuận, SIR dựa trên sự
dành riêng nhiều hơn một bước sóng cho đến khi tới đích và giải phóng những dành
riêng khơng cần thiết đối với hướng ngược lại. Cách tiếp cận này có thể dẫn đến việc
là làm giảm hiệu năng vì đã phong tỏa hết hướng thuận và thiếu hụt ở nguồn. Ngược
lại, DIR dựa trên kỹ thuật chỉ lựa chọn những thông tin sẵn sàng của tất cả các nút
trung gian và dựa trên những thơng tin đó mà lựa chọn bước sóng.
- Khi tài nguyên không sẵn sàng: Đặt trước bền vững hoặc đặt trước không
bền vững.
Việc đặt trước tài nguyên tại một nút có thể bị tắc nghẽn tạm thời; kỹ thuật báo
hiệu do đó có thể hoặc chờ đợi cho đến khi hết tắc nghẽn (Persistent) hoặc thông báo
tắc nghẽn ngay lập tức (Non-persistent). Trong cách tiếp cận bền vững, gói điều khiển
chờ cho đến khi tài nguyên rỗi và chọn bước sóng sao cho việc mất dữ liệu nhỏ nhất.
Trong trường hợp này, giả định mỗi nút biên và lõi đều có bộ đệm (buffer) dành riêng
để “lưu” tạm thời chùm đến. Trong cách tiếp cận không bền vững, ràng buộc là độ trễ
(thời gian trễ đầu-cuối nhỏ nhất); vì vậy yêu cầu tài nguyên là thất bại nếu không có
giải pháp giải quyết tranh chấp phù hợp.
- Theo thời gian: Đặt trước tài nguyên tức thời hoặc sau một khoảng thời
gian trễ nhất định.
Gói điều khiển

Burst dữ liệu
Thời gian Offset

Dành trước tức thời

Dành trước có trễ

REL
Giải phóng tường minh

Giải phóng ẩn
Thời gian

Hình 1.6. Q trình đặt trước tức thời và sau một thời gian trễ
Như mơ tả ở Hình 1.6, dựa trên khoảng cách giữa gói điều khiển và chùm đến, kỹ
thuật báo hiệu có thể thực hiện đặt trước tài nguyên tức thời hoặc sau một khoảng thời
gian trễ. Trong kỹ thuật đặt trước tức thời, kênh (tài nguyên) sẽ được dành riêng ngay
lập tức khi gói điều khiển đến các nút. Ngược lại đối với kỹ thuật đặt trước sau khoảng
thời gian trễ, các kênh được đặt chổ dựa trên thời gian thực tế của chùm dữ liệu đến tại
nút đó.
Để sử dụng kỹ thuật đặt trước sau khoảng thời gian trễ, gói điều khiển phải được


12
gửi đi trước chùm dữ liệu một khoảng thời gian offset. Ví dụ của đặt trước tức thời là
giao thức JIT (Just-In-Time), trong khi giao thức JET (Just-Enough-Time) dùng kỹ
thuật đặt trước sau khoảng thời gian trễ. Nhìn chung đặt trước tức thời đơn giản và có
thể thực hiện ngay lập tức nhưng dễ tạo ra tắc nghẽn lớn, ảnh hưởng đến hiệu quả sử
dụng băng thơng trên tồn mạng. Ngược lại đặt trước sau khoảng thời gian trễ giải
quyết được tình trạng trên một cách hiệu quả.
- Giải phóng tài nguyên: Tường minh hoặc ngầm định.
Giải phóng tài nguyên có thể thực hiện bằng hai cách đó là giải phóng ngầm
định và giải phóng tường minh. Trong đó kỹ thuật giải phóng tường minh, một gói
điều khiển riêng biệt theo sau chùm dữ liệu từ nguồn đến đích để giải phóng hoặc kết
thúc việc sử dụng tài nguyên đã được đặt trước. Ngược lại kỹ thuật giải phóng ngầm

định thì gói điều khiển (BHP: Burst Header Packet) phải mang thêm thông tin như là
độ dài khối dữ liệu và độ lệch thời gian giữa gói điều khiển và chùm dữ liệu để tại nút
đó biết được thời gian để giải phóng tài nguyên dành trước. Đối với hai cách giải
phóng tài ngun đặt trước trên thì giải phóng tài nguyên tường minh phức tạp, chiếm
dụng băng thông và làm tăng số lượng gói thơng báo ở trong mạng.
- Theo cách tính tốn: Tập trung hoặc phân tán.
Trong kỹ thuật báo hiệu tập trung một máy chủ chuyên dụng chịu trách nhiệm
thiết lập các thông số như định tuyến, cấp phát bước sóng cho chùm dữ liệu đối với tất
cả các cặp nút trên mạng. Trong kỹ thuật báo hiệu phân tán, mỗi nút mạng có một bộ
lập lịch gán một kênh ra cho mỗi gói tin điều khiển đến theo kiểu phân tán. Kỹ thuật
phân tán thích hợp cho những mạng quang lớn và dữ liệu dưới dạng chùm, ngược lại
kỹ thuật tập trung chỉ thích hợp những mạng nhỏ có lưu lượng ít.
1.3.2.3. Giải quyết tranh chấp
Trong mạng OBS 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 có thể xảy
ra nếu nhiều chùm đến từ nhiều cổng vào khác nhau được định trước cho cùng một
cổng ra tại cùng thời điểm. Điển hình của việc giải quyết tranh chấp trong các mạng
chuyển mạch gói điện tử truyền thống được quản lý thông qua bộ đệm. Tuy nhiên
trong lĩnh vực quang, việc sử dụng bộ đệm tại các nút đang gặp khó khăn. Để giải
quyết tình trạng tranh chấp và việc mất chùm một số phương pháp cơ bản sau có thể
sử dụng: Thay đổi thời gian đến của chùm dữ liệu bằng cách sử dụng các đường dây
trễ (Fiber Delay Line - 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
(DR: Deflection Routing).
1.3.2.4. Lập lịch
Lập lịch chùm trong mạng OBS là vấn đề rất quan trọng [1]. Khi một gói điều
khiển đến một nút, dựa trên thơng tin của gói điều khiển, một thuật tốn lập lịch được


13

gọi ra để gán chùm chưa được lập lịch với một kênh dữ liệu trên kênh ra. Mỗi chùm
đến tương ứng một bước sóng λ và việc sắp xếp các chùm đến phải xét đến các kênh
phù hợp có cùng bước sóng hoặc phải được chuyển đổi sang kênh bước sóng khác. Do
đó, các thuật tốn lập lịch cũng phải xem xét đến yếu tố có sử dụng bộ chuyển đổi
bước sóng hay khơng để có thể tiến hành lập lịch cho các chùm đến, với mục đích sắp
xếp các chùm lên các kênh có bước sóng phù hợp một cách có hiệu quả nhất.
Có hai loại chuyển đổi bước sóng: Chuyển đổi một phần (limited-range) và
chuyển đổi đầy đủ (full). Với loại chuyển đổi bước sóng một phần thì mỗi bước sóng
chỉ có thể chuyển đổi sang một số bước sóng nhất định nào đó; trong khi đối với
chuyển đổi đầy đủ thì mỗi chùm đến có thể được chuyển đổi sang bước sóng bất kỳ.
Trong trường họp sử dụng bộ chuyển đổi đầy đủ thì các thuật tốn khơng cần xét đến
việc bước sóng sẽ phù hợp cho kênh nào.
Các thuật toán lập lịch cho kênh dữ liệu có thể được phân thành 2 loại: lấp đầy
khoảng trống và khơng lấp đầy khoảng trống.
Có hai thuật tốn lập lịch không xét đến lấp đầy khoảng trống: FFUC (First Fit
Unscheduled Channel) [7] và LAUC (Lastest Available Unused Channel) [7].
Burst đến
LAUT0

tub

Lb
D0
FFUC

LAUT1
Gap

D1
LAUC

LAUT2
Gap

D2
LAUT3
D3
Thời gian

Hình 1.7. Minh họa các thuật tốn lập lịch không xét đến lấp đầy khoảng trống
Đối với loại thuật toán này, chúng ta cần lưu ý đến 2 tham số: thời điểm đến 𝑡𝑢𝑏
của chùm so với thời điểm kết thúc của chùm sau cùng nhất LAUTi (Latest Available
Unscheduled Time) trên kênh dữ liệu thứ 𝑖. Nếu LAUTi ≤ t ub , kênh thứ 𝑖 mới được
xem xét cho việc lập lịch chùm đến. Như mơ tả ở Hình 1.7 rõ ràng chỉ có kênh D1 và
D2 là được xem xét vì thỏa mãn điều kiện LAUT1 ≤ t ub và LAUT2 ≤ t ub .
Trong cả hai thuật toán lập lịch FFUC và LAUC, các khoảng trống giữa hai
chùm trên mỗi kênh dữ liệu chưa được tận dụng để lập lịch cho một chùm mới đến.
Trên cở sở 2 thuật tốn khơng xét đến lấp đầy khoảng trống, 2 thuật tốn tương
tự có xét đến lấp đầy khoảng trống (Void-Filling) đã được đề nghị: FFUC-VF và
LAUC-VF. Đối với loại thuật tốn này, bộ lập lịch duy trì thời điểm bắt đầu và kết
thúc (𝑠𝑗𝑖 , 𝑒𝑗𝑖 ) của các chùm đã lập lịch trên tất cả các kênh.


14

Burst đến tub
Lb
e2

0

s2

0

FFUC-VF

e10

s10
D0
e11

s11
D1

e12

s12
D2

e23

s23

LAUC-VF

e13

s13

D3

Thời gian

Hình 1.8. Minh họa các thuật tốn lập lịch có xét đến lấp đầy khoảng trống
Thuật tốn FFUC-VF [7] duy trì thời điểm bắt đầu và kết thúc cho mỗi chùm dữ
liệu đã được lập lịch trên mỗi kênh dữ liệu nhằm tận dụng các khoảng trống có thể lập
lịch được cho chùm đến. Khi có chùm đến, thuật toán FFUV-VF sẽ chọn khoảng trống
đầu tiên phù hợp với chùm đến. Như trong Hình 1.8 kênh D0 được lựa chọn.
Thuật toán LAUC-VF [10] tương tự như thuật tốn LAUC, ngoại trừ việc xét
đến các khoảng trống có thể được lập lịch bằng các chùm mới đến. Thuật tốn LAUCVF duy trì thời điểm bắt đầu và kết thúc cho mỗi chùm dữ liệu đã được lập lịch trên
mỗi kênh dữ liệu. Mục đích của thuật tốn này là tận dụng hiệu quả các khoảng trống
giữa hai chùm đã được lập lịch. Trong tất cả các khoảng trống có thể lập lịch cho
chùm đến, thuật tốn LAUC-VF sẽ ưu tiên khoảng trống có thời gian kết thúc của
chùm đã lập lịch gần nhất với t ub nhằm tạo điều kiện cho các chùm tới sau đó. Như
trong Hình 1.8 dựa vào thời gian đến và thời gian kết thúc của chùm thì tất cả các kênh
D0, D1, D2, D3 đều khả dụng để lập lịch cho chùm đến. Nhưng ta thấy kênh D3 có
t ub − 𝑒13 là nhỏ nhất vì vậy kênh D3 sẽ được chọn để lập lịch cho chùm đến.
Ta dễ thấy rằng thuật toán LAUC-VF tận dụng băng thơng của bước sóng tốt
hơn và tỷ lệ mất chùm thấp hơn thuật toán LAUC. Tuy nhiên, độ phức tạp của thuật
toán LAUC-VF lướn hơn so với thuật toán LAUC, đặc biệt khi số khoảng trống lớn
hơn đáng kể so với số kênh dữ lệu. Độ phức tạp của thuật tốn LAUC-VF là 𝑂(𝑤 ×
log(𝑁)), trong đó w là số kênh dữ liệu, N là số khoảng trống trên mỗi bước sóng. Các
loại thuật tốn trên sẽ được trình bày và phân tích rõ hơn trong chương 2 của luận văn.
1.4 . KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
Trong chương này, luận văn đã giới thệu được tổng quan về mạng truyền dẫn
quang và làm rõ được các ưu điểm của mạng OBS cũng như là các hoạt động bên
trong nó. Một trong những vấn đề quan trọng của mạng OBS là vấn đề lập lịch chùm

15
tại các nút, việc lập lịch sao cho hiệu suất sử dụng mạng đạt cao nhất vẫn đang là vấn
đề cần được quan tâm. Lập lịch kênh là một trong số các giải pháp đáng được quan
tâm hiện nay bởi những hiệu quả mà nó mang lại. Trong chương 2 của luận văn sẽ làm
rõ hơn các thuật toán lập lịch kênh trên mạng OBS.


16

CHƯƠNG 2
MỘT SỐ THUẬT TOÁN LẬP LỊCH KÊNH TRÊN MẠNG OBS
2.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG
Khi một chùm tới một node, nó cần được cấp cho một kênh bước sóng ở ngõ ra,
vì vậy tất cả các node trong hệ thống mạng đều phải có bộ wavelength converter.
Ngồi ra, nhằm làm giảm thiểu khoảng thời gian trống giữa 2 chùm truyền đi trên cùng
một kênh bước sóng, người ta dùng thêm bộ sắp xếp các chùm tại tất cả các node tham
gia trong mạng, bộ đó được gọi là bộ xếp lịch (channel scheduling).
Khi header của chùm dữ liệu tới được nút lõi, các thông số về chùm dữ liệu sẽ
được nhận biết ở nút lõi như chiều dài chùm (burst duration), thời gian chùm đó tới nút
(arrival time)… Dựa vào những thông số này, nút lõi sẽ xác định được kênh bước sóng
thích hợp nhất dành cho chùm dữ liệu nhờ thuật toán sắp xếp của bộ channel
scheduling.
Thuật toán sắp xếp kênh bước sóng cho các kênh dữ liệu được chia làm hai phần
chính như sau: có hoặc khơng có sử dụng void filling (lấp đầy khoảng trống).
2.2. PHÂN LOẠI CÁC THUẬT TỐN LẬP LỊCH KÊNH
2.2.1. Thuật tốn Horizon (without Void filling)
2.2.1.1. Thuật toán FFUC
Thuật toán FFUC (First Fit Unschedule Channel) [4,6,9,12] khơng sử dụng void
filling có thể được trình bày cơ bản như sau: Khi một chùm dữ liệu đến một nút. Nút
đó sẽ so sánh thơng số tub và LAUTi , nếu thơng số này lớn hơn 0 thì kênh đó sẽ thích

hợp để cấp cho chùm đó. Trong trường hợp có nhiều hơn 1 kênh thích hợp, thuật tốn
sẽ chọn kênh có hệ số i thấp nhất.

Hình 2.1. Mơ hình thuật tốn FFUC khơng sử dụng void filling
Trong ví dụ trên, ta thấy khi chùm dữ liệu đến nút lõi thì có 2 kênh khơng thỏa
mãn u cầu của thuật toán là kênh 0 và kênh 3 do hệ số LAUT lớn, trong khi đó kênh
1 và kênh 2 là 2 kênh thỏa điều kiện của giải thuật. Trong trường hợp này, thuật toán
sẽ chọn lựa kênh 1 (1 < 2) để là kênh ngõ ra cho chùm dữ liệu.


17
Các tham số sử dụng cho giải thuật:
tub : Thời gian tới của chùm chưa được lập lịch.
W: Số kênh dữ liệu ngõ ra.
i : kênh dữ liệu thứ i, i = 0 ... W-1.
LAUTi : Thời gian rỗi sớm nhất của kênh thứ i
Gapi : gap là sự chênh lệch giữa thời gian đến của chùm và các thông số LAUTi .
Thuật toán:
Bước 1: Khởi tạo i = 0;
Bước 2: Nếu i ≥ W, thông báo không thể lập lịch được và kết thúc;
Bước 3: Nếu Gapi = tub - LAUTi > 0 thì :
Lập lịch cho chùm trên kênh thứ i và kết thúc;
Nếu không, quay lại bước 2 với kênh i = i+1;

Hình 2.2. Lưu đồ thuật toán FFUC
2.2.1.2. Thuật toán LAUC
Thuật toán LAUC (Latest Available Unschedule Channel) [5,10] khơng sử
dụng void filling có thể được trình bày cơ bản như sau: Khi một chùm dữ liệu đến một
nút. Nút đó sẽ so sánh thơng số Gapi = tub - LAUTi , nếu thông số này lớn hơn 0 thì
kênh đó sẽ thích hợp để cấp cho chùm đó. Trong trường hợp có nhiều hơn 1 kênh thích

hợp, thuật tốn sẽ chọn kênh có hệ số gap nhỏ nhất.