Tài liệu luận văn Nghiên Cứu Một Số Giải Pháp Định Tuyến Trong Tô-Pô Mạng Liên Kết

ĐẠI HỌC HUẾ

PHẠM TRUNG ĐỨC

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP
NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ
TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

HUẾ, NĂM 2021


ĐẠI HỌC HUẾ

PHẠM TRUNG ĐỨC

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP
NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ
TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG

CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÁY TÍNH
MÃ SỐ: 9480101

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

HUẾ, NĂM 2021


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu do tôi thực hiện dưới sự hướng

dẫn của PGS. TS. Võ Viết Minh Nhật và TS. Đặng Thanh Chương. Những nội dung
trong các cơng trình đã được cơng bố chung với các tác giả khác đã được sự chấp
thuận 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

Phạm Trung Đức

i


LỜI CẢM ƠN
Trước hết tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành và sâu sắc đến PGS. TS. Võ
Viết Minh Nhật và TS. Đặng Thanh Chương là những người Thầy đã tận tình hướng
dẫn chỉ bảo, động viên và giúp đỡ để tơi có thể hồn 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 Huế đã quan tâm, giúp đỡ, hướng dẫn trong
suốt q trình học tập.
Tơi xin trân trọng cảm ơn Quý Lãnh đạo, Hội đồng quản trị Công ty cổ phần
Bến xe Huế đã tạo điều kiện thuận lợi trong cơng tác để tơi có đủ thời gian hồn thành
luận án này. Tơi xin cảm ơn Q Thầy Cơ, cán bộ quản lý Phịng Đào tạo Sau đại học
– Trường Đại học Khoa học Huế đã giúp đỡ tơi hồn thành kế hoạch học tập.
Cuối cùng tơi xin chân thành cảm ơn các bạn đồng nghiệp, người thân trong
gia đình ln động viên, giúp đỡ tơi về mọi mặt trong suốt quá trình nghiên cứu, học
tập.
Nghiên cứu sinh

Phạm Trung Đức

ii


MỤC LỤC
MỤC LỤC ................................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................ vi
CÁC KÝ HIỆU ĐƯỢC SỬ DỤNG........................................................................ ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ................................................................................. xi
DANH MỤC CÁC BẢNG ......................................................................................xv
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG
CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG ........................................................................8
1.1 Giới thiệu về mạng chuyển mạch chùm quang ................................................9
1.1.1 Kiến trúc của mạng OBS ...........................................................................9
1.1.2 So sánh về các mơ hình chuyển mạch quang ..........................................10
1.1.3 Các hoạt động tại nút biên .......................................................................14
1.1.4 Các hoạt động tại nút lõi ..........................................................................17
1.1.5 Lập lịch trong mạng OBS ........................................................................22
1.2 Chất lượng dịch vụ trong mạng OBS .............................................................24
1.2.1 Sự cần thiết nâng cao chất lượng dịch vụ ................................................24
1.2.2 Nâng cao chất lượng dịch vụ tại nút lõi ...................................................27
1.2.3 Nâng cao chất lượng dịch vụ tại nút biên ................................................30
1.3 Mục tiêu nghiên cứu của luận án ...................................................................33
1.4 Tiểu kết chương 1 ...........................................................................................34
CHƯƠNG 2.

GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TẠI NÚT

LÕI

........................................................................................................35
iii


2.1 Điều khiển chấp nhận lập lịch hỗ trợ cung cấp chất lượng dịch vụ ...............35
2.2 Phân tích và đánh giá các mơ hình điều khiển chấp nhận ..............................37
2.2.1 Mơ hình nhóm bước sóng ........................................................................37
2.2.2 So sánh và đánh giá dựa trên mơ phỏng ..................................................40
2.2.3 Nhận xét ...................................................................................................42
2.3 Mơ hình điều khiển chấp nhận dựa trên dự đoán tốc độ chùm đến ARP-SAC .
........................................................................................................................43
2.3.1 Mơ hình dự đốn dựa trên tốc độ chùm đến ............................................43
2.3.2 Mơ tả thuật tốn điều khiển chấp nhận trong mơ hình ARP-SAC ..........45
2.3.3 So sánh và đánh giá dựa trên mô phỏng ..................................................50
2.3.4 Nhận xét ...................................................................................................53
2.4 Phương pháp dành lại tài nguyên cho chùm ưu tiên cao ...............................53
2.4.1 Nguyên tắc dành lại tài nguyên cho chùm ưu tiên cao ............................53
2.4.2 Mơ tả thuật tốn điều khiển chấp nhận trong mơ hình TPAC .................54
2.4.3 Phân tích mơ hình TPAC .........................................................................55
2.4.4 So sánh và đánh giá dựa trên mơ phỏng ..................................................60
2.4.5 Nhận xét ...................................................................................................66
2.5 Mơ hình kết hợp TPAC và đường trễ .............................................................67
2.5.1 Mơ tả thuật tốn iTPAC ...........................................................................68
2.5.2 Mô phỏng, so sánh và đánh giá ...............................................................70
2.5.3 Nhận xét ...................................................................................................73
2.6 Tiểu kết chương 2 ...........................................................................................74
CHƯƠNG 3.

GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TẠI NÚT

BIÊN VÀ KẾT HỢP CÁC NÚT ............................................................................75
iv


3.1 Mơ hình phân biệt chất lượng dịch vụ tại nút biên ........................................76
3.1.1 Tập hợp chùm kết hợp cung cấp chất lượng dịch vụ ...............................76
3.1.2 Phân tích các phương pháp phân biệt chất lượng dịch vụ dựa trên thời gian
bù đắp và độ dài chùm ......................................................................................78
3.1.3 Mơ hình cung cấp chất lượng dịch vụ OT-BLD......................................80
3.1.4 So sánh và đánh giá dựa trên mơ phỏng ..................................................82
3.1.5 Nhận xét ...................................................................................................86
3.2 Phân tích nguyên nhân gây mất chùm............................................................87
3.2.1 Vấn đề mất chùm khi lập lịch ..................................................................87
3.2.2 Trích xuất dữ liệu trạng thái lập lịch .......................................................88
3.2.3 Xác định các thuộc tính ảnh hưởng đến mất chùm .................................89
3.2.4 Giải pháp sử dụng đường trễ nhằm giảm mất mát chùm ........................92
3.2.5 So sánh và đánh giá dựa trên mô phỏng ..................................................95
3.3 Kết hợp nút biên và nút lõi trong phân biệt chất lượng dịch vụ ....................96
3.3.1 Điều chỉnh kích thước chùm dựa trên phản hồi.......................................96
3.3.2 Mơ hình phân biệt chất lượng dịch vụ dựa trên thời gian bù đắp và độ dài
chùm được điều chỉnh OT-ABLD ....................................................................98
3.3.3 So sánh và đánh giá dựa trên mô phỏng ................................................100
3.3.4 Nhận xét .................................................................................................104
3.4 Tiểu kết chương 3 .........................................................................................104
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN ÁN ..............................106
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN .................107

v

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt

Diễn giải ý nghĩa

Thuật ngữ tiếng Anh

Điều khiển chấp nhận lập lịch

Adaptive Rate Prediction
ARP-SAC

BCP

dựa trên dự đoán tốc độ đến một

Scheduling Admission Control

cách thích nghi
Gói điều khiển chùm

Burst Control Packet

(Kênh) phù hợp nhất với lấp đầy
BF-VF

Best Fit with Void Filling

khoảng trống

BLD

Burst Length-based Differentiation

Phân biệt dựa trên độ dài chùm

CoS

Class of Service

Lớp dịch vụ
Chất lượng dịch vụ

QoS
DB

Data Burst

Chùm dữ liệu

Density Wavelength Division

Ghép kênh phân chia bước sóng

Multiplexing

mật độ cao

DWG

Dynamic Wavelength Grouping

Nhóm bước sóng động

FDL

Fiber Delay Line

Đường trễ quang

DWDM

FFUC

FFUC-VF

GMPLS
HP
iBFVF

Kênh chưa được lập lịch phù

First Fit Unscheduled Channel

hợp đầu tiên

First Fit Unscheduled Channel with Kênh chưa được lập lịch phù hợp
Void Filling

đầu tiên với lấp đầy khoảng trống

Generalized Multiprotocol Label

Chuyển mạch nhãn đa giao thức

Switching

suy rộng

High Priority

Lớp ưu tiên cao

improved Best Fit with Void Filling (kênh) phù hợp nhất với lấp đầy
vi


Từ viết tắt

Diễn giải ý nghĩa

Thuật ngữ tiếng Anh

khoảng trống cải tiến
iTPAC

JET

LAUC

LAUC-VF

improved Traffic Prediction based

Điều kiển chấp nhận dựa trên dự

Admission Control

đoán lưu lượng cải tiến
Giao thức báo hiệu với thời gian

Just Enough Time

đặt trước tài nguyên vừa đủ

Lastest Available Unscheduled

Kênh chưa được lập lịch khả

Channel

dụng gần nhất
Kênh chưa được lập lịch khả

Lastest Available Unscheduled

dụng gần nhất với lấp đầy

Channel with Void Filling

khoảng trống
Thời điểm chưa được lập lịch

LAUT

Latest Available Unscheduled Time

LDWG

Load-based Dynamic Wavelength
Grouping

LLAC

Load-Level Admission Control

khả dụng sau cùng nhất
Nhóm bước sóng động dựa trên
tải
Điều khiển chấp nhận dựa trên

LP

tải
Lớp ưu tiên thấp

Low Priority

Khoảng trống với kết thúc tối
Min-EV

Minimum Ending Void

NACK

Negative Acknowledgement packet

Gói báo nhận khơng thành cơng

Network Simulator

Mơ phỏng mạng

Optical/Electronic/Optical

Chuyển đổi quang-điện-quang

OBS

Optical Burst Switching

Chuyển mạch chùm quang

OCS

Optical Circuit Switching

Chuyển mạch kênh quang

NS
O/E/O

thiểu

vii


Từ viết tắt
OPS

OT-ABLD

OT-BLD

Diễn giải ý nghĩa

Thuật ngữ tiếng Anh
Optical Packet Switching

Chuyển mạch gói quang

Offset Time and Adjusted Burst
Length-based Differentiation

Phân biệt dựa trên thời gian bù
đắp và kích thước chùm được
điều chỉnh
Phân biệt dựa trên thời gian bù

Offset Time and Burst Length
based Differentiation

đắp và kích thước chùm
Phân biệt dựa trên thời gian bù

OTD

Offset Time based Differentiation

đắp

OXC

Optical Cross Connect

Thiết bị chuyển mạch quang

QoS

Quality of Service

Chất lượng dịch vụ

RTT

Round-Trip Time

Thời gian khứ hồi

RAM

Random Access Memory

Bộ nhớ lưu trữ ngẫu nhiên

RED

Random Early Detection

Sự phát hiện sớm ngẫu nhiên

RWA

Routing Wavelength Assignment

Định tuyến gán bước sóng

SWG

Static Wavelength Grouping

Nhóm bước sóng tĩnh

Traffic Prediction based Admission

Điều khiển chấp nhận dựa trên dự

Control

đốn lưu lượng

Time Window - Exponentially

Trung bình dịch chuyển có trọng

Weighted Moving Average

số dựa trên cửa sổ thời gian

Wavelength Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia bước sóng

Wavelength Router

Bộ định tuyến bước sóng

TPAC
TWEWMA
WDM
WR

viii


CÁC KÝ HIỆU ĐƯỢC SỬ DỤNG

Ký hiệu

𝑎𝑖

Ý nghĩa
Lưu lượng tải đến của luồng 𝑖

𝐵𝑚𝑖𝑛

Ngưỡng kích thước chùm tối thiểu

𝐵(𝑖)

Kích thước hàng đợi 𝑖

𝐿

Độ dài chùm hoàn thành của lần tập hợp chùm hiện thời

𝐿𝑚𝑖𝑛

Ngưỡng độ dài chùm tối thiểu

𝐿𝑚𝑎𝑥

Ngưỡng độ dài chùm tối đa

𝐿(𝑖)

Độ dài chùm hoàn thành của hàng đợi 𝑖

𝑀

Số lần tập hợp chùm sau cùng nhất

𝑚

Số chùm trung bình đã lập lịch

𝑁

Số chùm đến trong tập các chùm chưa được lập lịch

𝑃

Tổng xác suất mất chùm của toàn liên kết ra

𝑃𝑖

Tổng xác suất mất chùm của luồng 𝑖

𝑅𝐸

Lỗi ước tính trung bình trong các lần tập hợp chùm

𝑡1

Thời điểm gửi gói điều khiển

𝑡1 (𝑖)
𝑡2
𝑡2 (𝑖)

𝑇𝑎
𝑇𝑎 (𝑖)

Thời điểm gửi gói điều khiển của hàng đợi 𝑖
Thời điểm gửi chùm dữ liệu
Thời điểm gửi chùm dữ liệu của hàng đợi 𝑖
Ngưỡng thời gian tập hợp chùm
Ngưỡng thời gian tập hợp chùm của hàng đợi 𝑖

ix


Ký hiệu
𝑇0
𝑇0 (𝑖)
𝑇𝑊

Ý nghĩa
Thời gian bù đắp (offset time)
Thời gian bù đắp của hàng đợi 𝑖
Cửa sổ thời gian dự đốn

𝑘

Số kênh bước sóng

𝑊

Tổng số bước sóng của liên kết ra

𝑛

Số chùm đến lập lịch

𝑖

Tốc độ đến của luồng 𝑖

𝜆′𝑖

Tốc độ đến dự đoán của luồng 𝑖

𝜆𝑖𝑐𝑢𝑟

Tốc độ đến hiện thời của chùm 𝑖

𝜆𝑖𝑎𝑣𝑔

Tốc độ đến trung bình của chùm 𝑖

𝜇
1/𝜇

Tốc độ phục vụ trung bình
Độ dài chùm trung bình

𝜔

Độ chồng lấp của chùm với các kênh bước sóng

𝜔𝑖

Độ chồng lấp của chùm 𝑖 với các kênh bước sóng

𝑙𝑖

Tải đến của chùm 𝑖

𝛽

Tải chuẩn hóa

𝛿

Tham số điều khiển

𝑇

Cửa sổ thời gian quan sát

𝑖

Trọng số của 𝜆𝑐𝑢𝑟
𝑖

1 − 𝑖

𝑎𝑣𝑔

Trọng số của 𝜆𝑖

x


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Kiến trúc mạng chuyển mạch chùm quang [8] ............................................9
Hình 1.2 Các hoạt động chính của nút mạng chuyển mạch chùm quang [8] ...........10
Hình 1.3 Kiến trúc chuyển mạch kênh quang [43] ...................................................11
Hình 1.4 Kiến trúc chuyển mạch gói quang OPS [43]..............................................12
Hình 1.5 Nút biên vào mạng chuyển mạch chùm quang [8] ....................................15
Hình 1.6 Tập hợp và tách chùm tại nút biên mạng chuyển mạch chùm quang [43] 15
Hình 1.7 Cấu tạo nút lõi mạng chuyển mạch chùm quang [43] ...............................18
Hình 1.8 Hai mơ hình đường trễ FDL: (a) kiểu truyền thẳng, (b) kiểu hồi quy .......21
Hình 1.9 Sự khác biệt của các thuật tốn lập lịch khác nhau ....................................22
Hình 1.10 Sơ đồ khối tầng IP trên OBS trong ba lớp [43]........................................26
Hình 1.11 Phân lớp cung cấp QoS trong mạng OBS [45] ........................................30
Hình 2.1 Một ví dụ về chủ động đánh rơi chùm ưu tiên thấp để dành tài nguyên cho
chùm ưu tiên cao đến sau (b), so với kiểu lập lịch truyền thống là đến trước, phục vụ
trước (a) .....................................................................................................................36
Hình 2.2 Ví dụ về điều khiển chấp nhận của (a) SWG và (b) DWG ........................37
Hình 2.3 Các ví dụ mơ tả cách thức hoạt động của LLAC .......................................38
Hình 2.4 So sánh tỉ lệ mất chùm của lớp ưu tiên cao, thấp và tổng giữa SWG, DWG
và LLAC ....................................................................................................................41
Hình 2.5 Băng thơng sử dụng trong hai lớp của mơ hình SWG, DWG và LLAC ...42
Hình 2.6 Các cửa sổ quan sát gián đoạn được thực hiện trong TW-EWMA ...........45
Hình 2.7 Mơ hình hoạt động ARP-SAC ...................................................................46
Hình 2.8 Sự thay đổi dữ liệu đến trong 50 cửa sổ ước tính đầu tiên ........................50
xi

Hình 2.9 So sánh tỉ lệ mất chùm giữa các mơ hình SWG, DWG, LLAC, ARP-SAC
...................................................................................................................................51
Hình 2.10 So sánh sự phân bổ bước sóng cho luồng chùm ưu tiên thấp ..................52
Hình 2.11 Cách thức phân bổ bước sóng trong TPAC .............................................56
Hình 2.12 Lược đồ chuyển trạng thái của mơ hình...................................................57
Hình 2.13 Một ví dụ về một lược đồ chuyển trạng thái với W0=4 và W1=3 ...........59
Hình 2.14 Tỉ lệ lỗi dự đốn trung bình (¯(R_E )) của lớp 0 và lớp 1 khi tải đến thay
đổi ..............................................................................................................................62
Hình 2.15 Tổng số chùm đến của 2 lớp trong 100 cửa sổ quan sát đầu tiên ở tải 0.9
...................................................................................................................................63
Hình 2.16 Tỉ lệ mất chùm (a) ưu tiên cao, (b) ưu tiên thấp và (c) cả hai lớp ưu tiên
...................................................................................................................................64
Hình 2.17 Tỉ lệ sử dụng băng thông (a) ưu tiên cao, (b) ưu tiên thấp và (c) cả hai lớp
ưu tiên ........................................................................................................................66
Hình 2.18 Xác suất mất chùm theo mơ phỏng và phân tích tốn học.......................66
Hình 2.19 Mơ tả cách thức sử dụng đường trễ FDL trong mơ hình iTPAC .............67
Hình 2.20 So sánh tỉ lệ mất chùm của lớp ưu tiên thấp giữa TPAC và iTPAC trong
trường hợp tỉ lệ luồng ưu tiên cao và ưu tiên thấp đến khác nhau (tổng tải chuẩn hóa
0.9).............................................................................................................................71
Hình 2.21 So sánh tỉ lệ mất chùm lớp ưu tiên thấp của iTPAC khi thay đổi độ dài
đường trễ ...................................................................................................................72
Hình 2.22 So sánh tỉ lệ mất chùm lớp ưu tiên thấp của iTPAC khi sử dụng 1, 2 và 3
đường trễ với các tỉ lệ luồng ưu tiên cao và ưu tiên thấp đến khác nhau..................73
Hình 3.1 Kiến trúc nút biên mạng OBS [70] ............................................................77
Hình 3.2 Một ví dụ về phân biệt QoS dựa vào thời gian bù đắp ..............................78
xii


Hình 3.3 Một ví dụ về phân biệt QoS dựa vào kích thước chùm .............................79
Hình 3.4 Tập hợp chùm tại nút biên của mơ hình OT-BLD .....................................80

Hình 3.5 Thiết lập thời gian bù đắp bổ sung lớn hơn độ dài chùm ưu tiên thấp sẽ giúp
giảm tranh chấp giữa 2 lớp chùm ưu tiên ..................................................................81
Hình 3.6 So sánh tỉ lệ mất chùm ưu tiên cao (a), ưu tiên thấp (b) và tổng (c) giữa các
mơ hình: undiff, OTD, BLD và OT-BLD .................................................................83
Hình 3.7 So sánh độ trễ trung bình (µs) giữa các mơ hình: undiff, OTD, BLD và OTBLD ...........................................................................................................................85
Hình 3.8 Các trường hợp không lập lịch được do chồng lấp LAUT (a), đầu (b), đi
(c) ..............................................................................................................................87
Hình 3.9 Topo mạng cho việc trích xuất dữ liệu trạng thái lập lịch và các luồng được
thiết lập ......................................................................................................................88
Hình 3.10 Phân bố các lớp head_overlap, LAUT_overlap và tail_overlap trong dữ
liệu lập lịch không thành cơng ..................................................................................90
Hình 3.11 Kết quả xếp hạng các thuộc tính với CSE................................................91
Hình 3.12 Kết quả xếp hạng các thuộc tính với CA .................................................92
Hình 3.13 Chồng lấp LAUT (a) hay chồng lấp đầu (b) đều có thể được khắc phục nhờ
thay đổi thời gian chùm đến ......................................................................................93
Hình 3.14 Mơ hình điều khiển lập lịch tại nút lõi OBS ............................................94
Hình 3.15 So sánh tỉ lệ mất chùm khi có và khơng sử dụng đường trễ FDL............95
Hình 3.16 Tỉ lệ phần trăm độ trễ trung bình tăng thêm khi sử dụng đường trễ FDL96
Hình 3.17 Cấu trúc của gói điều khiển được sử dụng trong giao thức JET ..............97
Hình 3.18 Các trường hợp một chùm đến không thể lập lịch vào một khoảng trống
...................................................................................................................................98
Hình 3.19 Cấu trúc của gói NACK được thêm bởi 4 byte cho kích thước khoảng trống
xiii


...................................................................................................................................99
Hình 3.20 Các mơ-đun chức năng được thêm cho các nút biên vào và nút lõi để phản
hồi thông tin kích thước khoảng trống và điều chỉnh kích thước của chùm ưu tiên cao
hồn thành .................................................................................................................99
Hình 3.21 So sánh về tổng tỉ lệ mất chùm giữa các mơ hình undiff, OTD, BLD và

OT-ABLD ...............................................................................................................101
Hình 3.22 So sánh tỉ lệ mất chùm giữa các mơ hình undiff, OTD, BLD và OT-ABLD
.................................................................................................................................101
Hình 3.23 Một so sánh giữa kích thước khoảng trống và chiều dài trên 100 cửa sổ
quan sát liên tiếp với hai trường hợp tải: (0,2, 0,2) và (0,4, 0,2) ............................102
Hình 3.24 Độ trễ trung bình (µs) của chùm ưu tiên cao (theo gói).........................103
Hình 3.25 Thời gian tập hợp (μs) của hàng đợi ưu tiên cao (L(0)) thay đổi trong 100
cửa sổ quan sát thành công trong hai trường hợp tải: (0.2,0.2) và (0.4,0.2) ...........103

xiv


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 So sánh các mơ hình chuyển mạch quang [26] .........................................14
Bảng 1.2 So sánh giữa các tiếp cận xử lý tranh chấp trong mạng OBS [32] ............20
Bảng 1.3 Tóm lược các cơ chế cung cấp/cải tiến CLDV tại các nút mạng OBS .....32
Bảng 2.1 Ưu điểm và vấn đề chưa giải quyết các mơ hình điều khiển chấp nhận đã
công bố ......................................................................................................................39
Bảng 3.1 Độ trễ trung bình (µs) của các gói tin chùm thuộc lớp ưu tiên cao ...........86
Bảng 3.2 Độ trễ trung bình (µs) các gói tin chùm thuộc lớp ưu tiên thấp ................86
Bảng 3.3 Mơ tả dữ liệu trạng thái lập lịch được trích xuất từ các nút lõi .................89
Bảng 3.4 Mô tả dữ liệu được chuyển đổi thành nguyên nhân lập lịch không thành
cơng ...........................................................................................................................90
Bảng 3.5 Độ trễ trung bình các gói tin thuộc lớp ưu tiên thấp đơn vị theo µs........104

xv


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài

Với sự bùng nổ các ứng dụng mạng trong những năm gần đây, truyền tải dữ liệu
qua mạng trở thành một vấn đề thách thức và đang thu hút nhiều sự quan tâm. Đã có
nhiều đề xuất khác nhau về phương thức truyền tải dữ liệu, từ kiểu truyền tải thông
tin truyền thống qua các sợi cáp đồng, qua sóng vơ tuyến đến các sợi quang hỗ trợ
truyền đa kênh, trong đó sợi quang có nhiều ưu điểm như độ suy giảm thấp, băng
thông rất lớn và khả năng miễn nhiễm đối với nhiễu điện so với cáp đồng. Với những
thành công vượt bậc gần đây của công nghệ ghép kênh phân chia kênh bước sóng
WDM, băng thơng của mỗi sợi quang được tách thành nhiều kênh bước sóng, từ đó
đã đáp ứng tốt hơn nhu cầu truyền thông ngày càng cao của người dùng [35], [53].
Truyền thông quang, từ khi ra đời cho đến nay, đã trải qua ba thế hệ phát triển,
từ những mơ hình định tuyến bước sóng WR ban đầu cung cấp các liên kết điểmđiểm, đến thế hệ thứ hai với những đường quang (lightpath) đầu – cuối dành riêng ở
lớp quang. Trong thế hệ thứ 3, các mơ hình chuyển mạch gói quang OPS [53] được
đề xuất với ý tưởng được lấy cảm hứng từ mạng chuyển mạch gói điện nhằm có thể
triển khai trên các cấu trúc liên kết vịng hay lưới nhằm có thể điều chỉnh linh hoạt
để đáp ứng với việc lưu lượng thay đổi. Tuy nhiên, với một số hạn chế về mặt công
nghệ, như không thể sản xuất các bộ đệm quang (tương tự bộ nhớ RAM trong mạng
điện) hay các chuyển mạch gói quang ở tốc độ nano giây, chuyển mạch gói quang
OPS chưa thể trở thành hiện thực. Một giải pháp thỏa hiệp là mơ hình chuyển mạch
chùm quang OBS.
Một đặc trưng tiêu biểu của truyền thông trong mạng chuyển mạch chùm quang
OBS là phần (gói) điều khiển BCP tách rời với phần (chùm) dữ liệu DB. Nói một
cách khác, để thực hiện truyền một chùm quang, gói điều khiển được hình thành và
được gửi đi trước một khoảng thời gian bù đắp (thời gian offset). Khoảng thời gian
bù đắp này cần được tính tốn sao cho đủ để đặt trước tài nguyên và cấu hình các
1


chuyển mạch tại các nút trung gian dọc theo hành trình mà chùm quang sẽ đi qua từ
nút nguồn đến nút đích. Khơng chỉ tách rời về mặt thời gian, gói điều khiển BCP cũng
tách rời so với chùm dữ liệu của nó về mặt khơng gian, trong đó một số kênh (bước

sóng) được dành riêng cho gói điều khiển BCP, trong khi các kênh còn lại được dùng
cho việc truyền chùm dữ liệu [75].
Với cách truyền tải dữ liệu như vậy, rõ ràng mạng OBS không cần đến các bộ
đệm quang để lưu tạm thời các chùm dữ liệu trong khi chờ đợi việc xử lý các gói điều
khiển BCP của chúng tại các nút trung gian (nút lõi) và mạng OBS cũng không yêu
cầu các chuyển mạch tốc độ nano giây. Tuy nhiên, cách truyền thông này cũng đặt ra
một áp lực là làm thế nào để một gói điều khiển có thể kịp đặt trước tài nguyên và
cấu hình chuyển mạch thành cơng tại các nút lõi, đảm bảo cho việc chuyển tiếp chùm
quang đi sau nó. Đó chính là nhiệm vụ của các hoạt động như đặt trước tài nguyên,
lập lịch và xử lý tranh chấp [19].
Trong mạng máy tính, vấn đề nâng cao chất lượng dịch vụ (CLDV) được hiểu
là khả năng đáp ứng của các dịch vụ với các mức độ chất lượng khác nhau cho các
ứng dụng khác nhau [31]. Đây là vấn đề quan trọng và cần thiết đối với bất cứ mạng
truyền thông nào, bao gồm cả mạng OBS. Thực tế, dữ liệu từ các mạng truy cập đến
nút biên mạng OBS có thể thuộc về các lớp CLDV khác nhau, với các yêu cầu về
dịch vụ truyền tải khác nhau trong mạng OBS. Do đó, việc định nghĩa các lớp dịch
vụ quang tương đương với các lớp CLDV IP hoặc ATM là cần thiết [43].
Nâng cao chất lượng dịch vụ trong mạng OBS có thể diễn dịch như việc đưa ra
các giải pháp hoặc cơ chế cung cấp/cải tiến CLDV tại mỗi nút biên, nút lõi hay kết
hợp giữa nút biên và nút lõi, tại đó các cơ chế cung cấp/cải tiến CLDV có thể được
phân chia thành hai loại: (1) cơ chế cải tiến CLDV chung, có thể định nghĩa là bất kỳ
cơ chế cải thiện hiệu năng chung trên toàn mạng và cung cấp dịch vụ thỏa đáng cho
người dùng cuối, và (2) đưa ra một kịch bản mới nhằm cung cấp CLDV [31].
Giải pháp để nâng cao CLDV trong mạng OBS có thể thực hiện được bằng cách
cung cấp sự phân biệt CLDV tại một số điểm (nút) trong mạng OBS [32]. Cụ thể, các
2


cách tiếp cận điển hình cho các cơ chế cung cấp sự phân biệt này có thể là: phân biệt
tại tầng điều khiển và tầng dữ liệu [45], tại đó các hoạt động cung cấp phân biệt

CLDV có thể là: phân biệt về thời gian bù đắp, phân biệt trong chính sách giải quyết
tranh chấp, phân biệt trong q trình tập hợp chùm và phân biệt trong một số hoạt
động lập lịch... [32]. Các mơ hình này rất cần thiết có những cơ chế điều khiển hiệu
quả nhằm cung cấp sự phân biệt CLDV đã cam kết, đồng thời có thể cung cấp thêm
tài nguyên cho các ứng dụng khác nhau nhằm tối ưu hóa hiệu năng truyền thơng trên
tồn mạng (dựa trên yêu cầu về độ trễ, tỉ lệ mất mát dữ liệu và các ràng buộc về băng
thông ...).

2. Động lực nghiên cứu
Hiện đã có các nghiên cứu nhằm nâng cao CLDV trong mạng OBS mà có thể
phân thành 2 nhóm tiếp cận, giải pháp chính:
- Nâng cao CLDV tại nút biên;
- Nâng cao CLDV tại nút lõi;
Với nhóm giải pháp nâng cao CLDV tại nút biên, có 2 hướng tiếp cận nhằm
cung cấp sự phân biệt CLDV gồm: (1) phân biệt dựa trên thời gian bù đắp (OTD) và
(2) phân biệt dựa trên kích thước chùm (BLD). Phân biệt dựa trên thời gian bù đắp
dựa trên ý tưởng chính là bổ sung thêm thời gian bù đắp vào chùm có lớp ưu tiên
(QoS) cao nhằm đạt được một sự phân biệt “hoàn toàn” về mất mát dữ liệu (chùm)
so với chùm có lớp QoS thấp [23], [49]. Với phân biệt dựa trên kích thước chùm, các
gói tin QoS cao sẽ được tập hợp thành chùm có kích thước ngắn nhằm tăng cơ hội
lập lịch vào các khoảng trống nhàn rỗi, trong khi các gói tin có QoS thấp hơn sẽ được
tập hợp vào chùm có kích thước dài hơn [25], [42]. Các phương pháp phân biệt này
chủ yếu sử dụng các giải thuật tập hợp chùm với các ngưỡng thời gian/độ dài khác
nhau nhằm cung cấp được sự phân biệt CLDV tại nút biên vào. Một đặc điểm khác
là các phương pháp này đều không yêu cầu cơ chế điều khiển chấp nhận [39] nhằm
cung cấp CLDV tại các nút biên vào.
Khác với các giải pháp nâng cao CLDV tại nút biên, nhóm giải pháp nâng cao
3

CLDV tại nút lõi thường nhắm đến mục tiêu cung cấp CLDV thơng qua q trình
điều khiển chấp nhận lập lịch [5], [33], trong đó, việc điều khiển chấp nhận chủ yếu
là ưu tiên (tài nguyên) cho lớp ưu tiên cao thơng qua việc phân bổ số bước sóng, chọn
giải pháp lập lịch hoặc quyết định áp dụng các kỹ thuật xử lý tắc nghẽn.
Trong mạng OBS, nút biên và nút lõi đóng một vai trị quan trọng để nghiên
cứu giải pháp nâng cao CLDV, bởi vì:
 Thứ nhất, dữ liệu từ các mạng truy cập (chẳng hạn các gói tin IP) có thể có
các yêu cầu QoS khác nhau, nên dữ liệu có cùng lớp QoS thường được tập
hợp vào cùng một chùm. Các chùm có cùng lớp ưu tiên sẽ hình thành nên
luồng chùm QoS tương ứng, được cấp phát tài nguyên ưu tiên, được thiết
lập độ dài và thời gian bù đắp cung cấp phân biệt CLDV tương ứng. Tại nút
lõi các luồng chùm này được lập lịch và được chuyển tiếp đến nút tiếp theo
dưới sự điều khiển nâng cao CLDV đã được cung cấp. Quá trình nâng cao
CLDV được thực hiện lặp lại như thế tại các nút lõi tiếp theo cho đến khi
các chùm truyền đến nút đích.
 Thứ hai, chỉ có nút biên mới có các bộ đệm, nên giải pháp cung cấp/cải tiến
CLDV đối với các chùm thuộc các lớp ưu tiên khác nhau sẽ dễ dàng hơn.
 Thứ ba, nút lõi thường khơng có bộ đệm nên việc xử lý nâng cao CLDV ở
nút lõi thường khó thực hiện. Tuy nhiên, việc điều khiển chấp nhận lập lịch
và phân bổ tài ngun cũng góp phần khơng nhỏ vào việc nâng cao cơ chế
cung cấp và cải tiến CLDV.
Dựa vào những đặc điểm đó luận án tập trung vào việc nghiên cứu giải pháp
nâng cao CLDV tại nút biên, tại nút lõi và kết hợp cả nút biên và nút lõi (xem xét trên
toàn mạng).
Với các nghiên cứu về giải pháp nâng cao các cơ chế cung cấp/cải tiến QoS tại
nút biên và nút lõi, một số đánh giá được tóm lược như sau:
 Với các giải pháp nâng cao CLDV tại nút lõi, các đề xuất trong [5], [18],
[21], [22], [33], [40], [55], [57] đa số sử dụng hoạt động điều khiển chấp
4

nhận lập lịch nhằm phân bổ tài nguyên ưu tiên trên các kênh ra, đối với các
trường hợp không thể lập lịch được, các phương pháp xử lý tắc nghẽn như
sử dụng đường trễ, phân đoạn chùm hay chuyển đổi bước sóng ... sẽ được
thực hiện. Tuy nhiên, do ưu tiên các chùm QoS cao, tỉ lệ mất chùm QoS
thấp trong các đề xuất này là khá lớn, trong khi tài nguyên ưu tiên cho các
chùm QoS vẫn còn nhàn rỗi. Một mơ hình điều khiển cấp phát tài ngun
linh hoạt, uyển chuyển hơn là cần thiết nhằm nâng cao cơ chế cung cấp và
cải tiến CLDV của các lớp.
 Với các giải pháp nâng cao CLDV tại nút biên, các giá trị ngưỡng tập
hợp chùm (như thời gian bù đắp, kích thước chùm) thường được sử dụng
để cung cấp CLDV, nâng cao mức CLDV được yêu cầu của dữ liệu được
mang bên trong [23], [25], [42], [49]. Tuy nhiên, việc phối hợp các giá trị
ngưỡng này sao cho vừa đạt được phân biệt CLDV và vừa cải thiện CLDV
đối với các chùm ưu tiên thấp cũng là một nhu cầu cấp thiết cần được quan
tâm đến.
 Kết hợp các giải pháp nâng cao CLDV tại nút biên và lõi, sẽ giúp đạt
được việc cung cấp và cải tiến CLDV trên tồn mạng, trong đó các nút biên
có “tri thức” về trạng thái tài nguyên tại các nút lõi sẽ giúp việc cung cấp
CLDV cho các lớp ưu tiên sẽ hiệu quả hơn theo nghĩa giảm mất mát dữ liệu,
giảm độ trễ truyền thông và tăng hiệu quả băng thông sử dụng.
Những vấn đề nêu trên chính là động lực để luận án tập trung nghiên cứu, cải
tiến và đề xuất mới các giải pháp nâng cao CLDV tại nút biên, nút lõi và kết hợp giữa
nút biên và nút lõi (trên toàn mạng OBS).

3. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu của luận án là nghiên cứu và cải tiến một số giải pháp/cơ
chế nâng cao CLDV trên mạng OBS nhằm nâng cao CLDV cho lớp ưu tiên cao và
cải thiện hiệu quả về tỉ lệ mất mát dữ liệu, độ trễ truyền thông và sử dụng băng thông
của lớp ưu tiên thấp.

5


Mục tiêu nghiên cứu cụ thể của luận án gồm:
 Nghiên cứu và cải tiến cơ chế điều khiển chấp nhận lập lịch nâng cao CLDV
dựa vào dự đoán tốc độ chùm đến tại nút lõi nhằm nâng cao hiệu quả lập lịch
đối với các chùm QoS thấp nhưng vẫn đảm bảo mức CLDV đối với các
chùm QoS cao. Hiệu quả của cơ chế điều khiển chấp nhận lập lịch được đánh
giá thơng qua mơ phỏng và phân tích tốn học.
 Nghiên cứu và đề xuất phương pháp phân tích dữ liệu lịch sử lập lịch nhằm
xác định các nhân tố ảnh hưởng đến hiệu quả lập lịch, từ đó đề xuất giải pháp
giảm mất mát dữ liệu nhằm nâng cao hiệu năng lập lịch tại nút lõi.
 Nghiên cứu và cải tiến cơ chế cung cấp phân biệt CLDV dựa trên thời gian
bù đắp và kích thước chùm tại nút biên vào. Trên cơ sở thông tin tài nguyên
khả dụng được phản hồi từ nút lõi, nút biên vào thực hiện điều chỉnh một
cách linh hoạt kích thước của các chùm được sinh ra nhằm đem lại hiệu quả
về băng thông sử dụng, giảm tỉ lệ mất chùm nhưng vẫn nâng cao CLDV đối
với mỗi lớp ưu tiên.

4. Đối tượng và Phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Các mơ hình, giải thuật điều khiển chấp nhận và tập
hợp chùm trong mạng chuyển mạch chùm quang.
- Phạm vi nghiên cứu: Nút biên và nút lõi trong mạng chuyển mạch chùm quang.

5. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tổng hợp các công bố liên quan đến các
giải thuật, mơ hình, cơ chế cải tiến và cung cấp CLDV. Phân tích, đánh giá ưu và
khuyết điểm của một số mơ hình đã cơng bố để làm cơ sở cho việc cải tiến hoặc đề
xuất mới.
- Phương pháp mô phỏng, thực nghiệm: Cài đặt các giải thuật cải tiến và đề xuất

mới về mơ hình nâng cao CLDV trọng mạng chuyển mạch chùm quang. Hệ mô phỏng
NS2, gói mơ phỏng Obs-0.9a tạo dữ liệu mơ phỏng và các giải thuật được cài đặt
6


bằng ngôn ngữ C++/Dev-C.

6. Cấu trúc luận án
Luận án bao gồm phần mở đầu, ba chương nội dung, phần kết luận và danh mục
các tài liệu tham khảo. Cụ thể:
- Chương 1, với tên chương “Tổng quan về chất lượng dịch vụ 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 mơ hình chuyển
mạch quang, kiến trúc mạng chuyển mạch chùm quang, các hoạt động bên trong mạng
và vấn đề nâng cao CLDV trên mạng chuyển mạch chùm quang.
- Chương 2, với tên chương “Giải pháp nâng cao chất lượng dịch vụ tại nút
lõi”, tập trung vào vấn đề chính: đề xuất một số mơ hình dự đốn tốc độ chùm đến dựa
vào điều khiển chấp nhận.
- Chương 3, với tên chương “Giải pháp nâng cao chất lượng dịch vụ tại nút
biên và kết hợp các nút”, giải quyết (3) vấn đề gồm: (1) trình bày tổng hợp các
nghiên cứu liên quan đến cơ chế cung cấp CLDV tại nút biên, (2) tìm hiểu nguyên
nhân gây ra mất chùm dựa vào phân tích dữ liệu lịch sử lập lịch nhằm nâng cao hiệu
năng tại nút lõi và (3) xem xét cấu trúc gói điều khiển nhằm đề xuất mơ hình cung
cấp CLDV trên tồn mạng sau khi nhận được thơng tin phản hồi khoảng trống tại nút
lõi gửi về trong gói điều khiển để điều chỉnh giai đoạn tập hợp chùm nhằm tối ưu
băng thông được sử dụng và đem lại hiệu quả trong vấn đề nâng cao CLDV.
“Kết luận và hướng phát triển của luận án” nêu những đóng góp của luận án,
hướng phát triển và những vấn đề quan tâm của tác giả.

7

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ
TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG
Chuyển mạch chùm quang (OBS) đã được xem là mơ hình chuyển mạch gói
quang khả dụng cho Internet toàn quang thế hệ mới [27], [48], nhằm đáp ứng sự gia
tăng nhanh chóng về lưu lượng Internet trong một vài thập niên trở lại đây. Khái niệm
chuyển mạch chùm/cụm (burst) được đưa ra đầu tiên bởi Amstutz và Kulzer [15].
OBS được phát triển nhằm mục đích thay thế cho hệ thống mạng chuyển mạch kênh
quang OCS ít linh hoạt, nhưng được đánh giá là giải pháp khả dụng hơn so với chuyển
mạch gói quang OPS chưa phát triển trưởng thành về mặt công nghệ. Công nghệ OBS
dựa vào các tiến bộ gần đây của một số thiết bị mạng quang, như các chuyển mạch
quang, bộ thu/phát quang và bộ chuyển đổi bước sóng quang [71] cùng với cơng nghệ
ghép kênh bước sóng WDM. Mặc dù vẫn đang được phát triển (chưa được chuẩn
hóa), nhưng mạng OBS hiện đang được coi là công nghệ mạng đạt thành tựu nhất có
thể sử dụng trong Internet tồn quang ở thế hệ tiếp theo.
Có hai đặc trưng tiêu biểu của mạng OBS để đạt được ưu thế trên, đó là:


Dữ liệu được chuyển mạch toàn quang, cụ thể sự tách biệt giữa kênh truyền
gói điều khiển và kênh truyền dữ liệu về không gian và thời gian, nên khi
đến tại một nút trung gian chỉ kênh điều khiển được chuyển đổi qua điện tử
còn kênh dữ liệu vẫn lưu lại trong miền quang nên không chịu bất cứ sự
chậm trễ nào về mặt thời gian, sự chậm trễ chỉ xảy ra trên kênh truyền gói
điều khiển.



Hạn chế chuyển đổi điện tử do số kênh dành cho gói điều khiển là ít, vì mỗi
gói điều khiển chỉ mang một lượng dữ liệu hạn chế cố định và chủ yếu dành

nhiều kênh truyền dữ liệu hơn để truyền các chùm dữ liệu có kích thước
lớn.

Chương này sẽ giới thiệu kiến trúc của mạng OBS, so sánh OBS với các mơ
hình chuyển mạch khác và chỉ ra lý do vì sao OBS là khả thi cho Internet toàn quang
8