Định tuyến NAN trong mạng chuyển mạch burst quang

Trên cơ sở đó, luận văn này sẽ đưa ra và trình bày một giải pháp giải quyết tranh chấp tài nguyên cho mạng chuyển mạch Burst quang đó là “ Thuật toán định tuyến NAN Next Available Neighb

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

MAI TUẤN CƯỜNG

ĐỊNH TUYẾN NAN TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH BURST QUANG

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

Mã số: 60.52.70

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI – NĂM 2013

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

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 Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Vào lúc: giờ ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

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

1

LỜI NÓI ĐẦU

Công nghệ viễn thông trong những năm gần đây đã và đang có những bước phát triển rất mạnh mẽ để đáp ứng nhu cầu sử dụng ngày càng phong phú của người dùng, đặc biệt là sự bùng nổ lưu lượng trong mạng Internet và mạng di động Với đặc tính truyền dẫn ưu việt, băng thông gần như vô hạn, giá thành rẻ, công nghệ truyền dẫn quang nổi lên như là một công nghệ đầy tiềm năng cho mạng Internet thế hệ sau Hầu hết mạng lưới truyền dẫn trên thế thới cũng như ở Việt Nam hiện này đều đã được cáp quang hóa Tuy nhiên, việc sử dụng công nghệ chuyển mạch kênh như hiện tại cho mạng truyền dẫn quang WDM bộc lộ nhược điểm về lãng phí băng thông Do vậy, gần đây chuyển mạch Burst quang đang nhận được nhiều sự quan tâm, với rất nhiều nghiên cứu về khả năng áp dụng nó vào trong thực tế

Một vấn đề quan trọng trong chuyển mạch Burst quang đó là giải quyết tranh chấp tài nguyên giữa các Burst quang Với yêu cầu truyền tải một lưu lượng lớn các

Burst với cơ sở hạ tầng phần cứng ở mức tối thiểu nhất thì phải có các giải pháp giải quyết tranh chấp xung đột tài nguyên rất hiệu quả Đã có rất nhiều các giải pháp giải quyết tranh chấp được nghiên cứu và đưa ra trên thế giới Trên cơ sở đó, luận văn này

sẽ đưa ra và trình bày một giải pháp giải quyết tranh chấp tài nguyên cho mạng chuyển mạch Burst quang đó là “ Thuật toán định tuyến NAN (Next Available Neighbour)”

Nội dung luận văn bao gồm 3 chương

Chương 1: Tổng quan về chuyển mạch Burst quang Chương này sẽ giới thiệu những kiến thức cơ bản về chuyển mạch Burst quang

Chương 2: Các cơ chế chống xung đột Burst quang Chương này sẽ giới thiệu các cơ chế giải quyết xung đột Burst quang đã được nghiên cứu và đề xuất

Chương 3: Thuật toán định tuyến NAN trong chuyển mạch Burst quang Chương này sẽ đưa ra và trình bày về cơ chế sử dụng thuật toán định tuyến NAN để giải quyết xung đột trong mạng chuyển mạch Burst quang

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CHUYỂN MẠCH BURST QUANG

Chương này sẽ giới thiệu tổng quan mạng truyền dẫn quang, sự phát triển bùng

nổ của cáp quang trong viễn thông từ những tuyến truyền dẫn đơn lẻ thành một mạng truyền dẫn quang và đang hướng tới một mạng toàn quang Trong chương này cũng giới thiệu về ba công nghệ chuyển mạch quang là chuyển mạch gói quang, chuyển mạch kênh quang và sau đó đi sâu vào các đặc điểm, kiến trúc mạng của chuyển mạch Burst quang

1.1 Sự phát triển của mạng truyền dẫn quang

Như chúng ta đều biết công nghệ viễn thông đang thay đổi rất nhanh chóng nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người

Với băng thông gần như vô hạn, nguyên liệu chế tạo rẻ, đặc tính truyền dẫn vượt trội, cáp quang đã nhanh chóng được sử dụng rộng khắp trên toàn thế giới không chỉ ở mạng đường trục, mạng lõi mà cả mạng truy nhập

Như vậy, nhu cầu về một hệ thống chuyển mạch quang để nâng cao tốc độ và dung lượng chuyển mạch và hướng đến một mạng toàn quang là tất yếu nhằm đáp ứng nhu cầu về băng thông ngày càng cao hiện nay

1.2 Các công nghệ chuyển mạch quang

Cũng như chuyển mạch điện, chuyển mạch quang cũng có nhiều phương thức, công nghệ khác nhau, trong phần này sẽ giới thiệu ba công nghệ chuyển mạch quang

đã và đang được nghiên cứu

1.2.1.Chuyển mạch kênh quang

Trong chuyển mạch kênh quang [2], một kênh quang sẽ được thiết lập giữa một nút nguồn và một nút đích trước khi quá trình truyền dữ liệu bắt đầu và sẽ được duy trì đến khi quá trình truyền dữ liệu kết thúc

1.2.2.Chuyển mạch gói quang

Trong chuyển mạch gói quang [2], thông tin được đóng thành các gói quang và mỗi gói sẽ được gắn một tiều đề (header) chứa thông tin điều khiển Các gói quang sẽ được định tuyến và chuyển mạch trong miền toàn quang mà không cần phải chuyển sang miền điện tại các nút trung gian Việc truyền gói tin trong mạng sẽ không cần phải thực hiện thiết lập trước kênh truyền mà gói tin sẽ được gửi ngay vào trong mạng

3Khi tới nút trung gian, header của gói tin được tách ra khỏi phần dữ liệu và được xử lý

để quyết định cổng đầu ra

1.2.3.Chuyển mạch Burst quang

1.2.3.1.Giới thiệu chuyển mạch Burst

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 OBS không cần đến bộ đệm quang ở các nút trung gian, trong khi cực tiểu thời gian thiết lập và cực đại hiệu quả sử dụng băng thông kết nối

Hình 1.3: Quá trình báo hiệu và truyền Burst trong mạng chuyển mạch Burst

quang

1.2.3.2 Kiến trúc mạng chuyển mạch Burst

Mạng chuyển mạch Burst quang bao gồm các nút chuyển mạch Burst quang được liên kết với nhau thông qua các liên kết bằng sợi quang

Các nút trong mạng chuyển mạch Burst quang được chia làm hai loại chính là nút biên và nút lõi Nút biên có chức năng tách/lập Burst, tạo bản tin điều khiển, định tuyến, gán bước sóng, và báo hiệu Nút lõi có chức năng chuyển mạch các Burst dữ liệu từ cổng đầu vào tới cổng đầu ra mong muốn dựa trên thông tin từ bản tin điều khiển mà nút biên gửi tới Ngoài ra nút lõi còn có chức năng giải quyết tranh chấp tài nguyên giữa các Burst nếu nó xảy ra

Hình 1.7: Quá trình lập Burst

Hiện tại có hai phương pháp chủ yếu được sử dụng để lập Burst đó là dựa vào thời gian ( Timer Base) và dựa vào mức ngưỡng (Threshold Base) như được mô tả ở hình 1.8 và 1.9

Hình 1.8: Lập Burst dựa trên Timer Base

Hình 1.9: Lập Burst dựa trên mức ngưỡng

Ngược lại với lập Burst là quá trình tách Burst Đây là quá trình cũng được thực hiện tại các nút biên đích, tại đây Burst được chuyển sang miền điện và lưu trong các

bộ đệm trước khi được tách ra thành các gói tin IP ( ATM, SONET ) như ban đầu khi

nó được đưa vào mạng OBS Việc tách Burst cần có các thông tin ở quá trình lập Burst ban đầu để đảm bảo các gói tin được tách ra chính xác như lúc được ghép ở đầu vào

Quá trình tách Burst được minh họa ở Hình 1.10

Gói tin điều khiển

Kênh điều khiển

IP (ATM hoặc Ethernet)

IP (ATM hoặc Ethernet)

Hình 1.10: Quá trình tách Burst 1.3 Báo hiệu trong chuyển mạch Burst quang

1.3.1.Tổng quát về báo hiệu trong chuyển mạch Burst

Hệ thống báo hiệu đóng vai trò vô cùng quan trọng trong các mạng viễn thông nói chung cũng như mạng OBS nói riêng Nó thực hiện chức năng chuyển thông tin

6liên quan đến thiết lập, giám sát và giải phóng cuộc gọi từ điểm này đến điểm khác hay

từ nút mạng này đến nút mạng khác

1.3.2.Một số loại giao thức báo hiệu điển hình trong chuyển mạch Burst

Trong phần này sẽ giới thiệu bốn giao thức báo hiệu cơ bản trong mạng chuyển mạch Burst

1.3.2.1.Giao thức báo hiệu Tell and Go (TAG)

1.3.2.2 Giao thức báo hiệu Tell-and-Wait (TAW)

1.3.2.3.Giao thức báo hiệu Just-In-Time (JIT)

1.3.2.4.Giao thức báo hiệu Just Enough Time (JET).

1.4.Kết luận chương

Chương này đã giới thiệu một cách cơ bản và so sánh một số tính chất nổi bật của ba công nghệ chuyển mạch quang là chuyển mạch kênh, gói và Burst Sau đó là phần đi sâu vào trình bày các đặc điểm của chuyển mạch Burst, kiến trúc mạng và nút của mạng OBS để người đọc có những kiến thức cơ bản về OBS Phần cuối của chương trình bày khá chi tiết về các loại báo hiệu trong OBS để làm tiền đề cho chương 2 khi đi sâu vào phân tích các giải pháp giải quyết xung đột Burst quang

Chương 2: CÁC GIẢI PHÁP CHỐNG XUNG ĐỘT BURST QUANG

Để giải quyết xung đột Burst, có 4 phương pháp cơ bản thường được thực hiện, đó là: đệm bằng bộ trễ quang, chuyển đổi bước sóng, phân đoạn Burst và định tuyến lệch hướng

2.1.Giải pháp sử dụng bộ đệm quang

Một phương pháp đơn giản nhất để giải quyết sự xung đột tài nguyên nói chung trong viễn thông là sử dụng bộ đệm Với phương thức này, tín hiệu quang sẽ được cho chạy qua một đoạn sợi quang có chiều dài xác định để làm trễ tín hiệu trong một khoảng thời gian xác định

2.2.Giải pháp chuyển đổi bước sóng

Trong WDM, nhiều bước sóng được ghép cùng lúc trên một liên kết kết nối hai chuyển mạch quang Nhiều bước sóng có thể giảm tối thiểu số lượng xung đột Giả sử rằng có hai burst đều đi đến một đích và ra ở cùng ngõ ra tại cùng thời điểm Khi đó nếu có hai bước sóng khác nhau ở cùng trên cổng đầu ra đó thì hai burst vẫn có thể

truyền đi tiếp đến nút đích

2.3.Giải pháp phân mảnh Burst

Một cách tiếp cận khác khi giải quyết tranh chấp tài nguyên trong mạng chuyển mạch Burst đó là phân nhỏ Burst thành từng mảnh khi có tranh chấp và chỉ loại bỏ các mảnh chồng lấn khi xung đột [3] Như vậy độ phức tạp của mạng sẽ tăng lên nhưng đổi lại việc mất dữ liệu khi xung đột xảy ra sẽ được giảm bớt do thay vì phải hủy cả Burst thì giờ chỉ phải hủy một vài mảnh nhỏ của Burst có chống lấn với nhau

2.4.Giải pháp định tuyến lệch hướng

Trong định tuyến lệch hướng, xung đột Burst được giải quyết bằng cách định tuyến Burst dữ liệu sang một cổng đầu ra khác mà nó vẫn có thể đi đến được đích Quá trình thực hiện định tuyến lệch hướng được mô tả qua các bước sau:

Bước 1: Nút nguồn truyền đi một gói điều khiển

Bước 2: Nút trung gian xử lí gói điều khiển và cố gắng đăng ký trước một kênh đầu ra phù hợp cho burst theo thông tin trong bản tin điều khiển

Bước 3: Nút nguồn truyền đi burst sau một khoảng thời gian lệch (offset)

8 Bước 4: Nếu tại nút trung gian đăng ký được kênh đầu ra phù hợp cho Burst tức là mạng không bị nghẽn (đối với Burst đang được đăng ký) thì khi Burst đến nó sẽ chuyển Burst sang khối thực hiện lập lịch để gán Burst lên kênh đầu ra và đi đến đích Nếu không đăng ký được thì chuyển sang bước 5

Bước 5: Nút trung gian không đăng ký được kênh đầu ra theo yêu cầu của Burst đến nên nó sẽ chuyển Burst sang xử lý định tuyến lệch hướng Đầu tiên nó sẽ kiểm tra Burst sắp đến đã phải áp dụng định tuyến lệch hướng quá số lần qui định Ndmax chưa Nếu đúng thì Burst đó sẽ bị hủy, nếu không chuyển bước 6

Bước 6: Nút trung gian căn cứ vào thông tin địa chỉ đích của Burst để tìm tuyến đường lệch hướng mới phù hợp Nếu tìm được nó sẽ chuyển Burst sang tuyến mới vừa tìm được, nếu không nó sẽ hủy Burst

Hình 2.5: Lưu đồ định tuyến lệch hướng

2.5 Định tuyến lệch hướng kết hợp với phân mảnh Burst

Để nâng cao hiệu quả giải quyết xung đột Burst chúng ta có thể kết hợp hai giải pháp định tuyến lệch hướng và phân mảnh Burst [3] Khi đó thay vì hủy một hay nhiều mảnh của Burst bị xung đột, ta sẽ dịnh tuyến các mảnh đó sang một tuyến khác

mà có thể định tuyến tiếp tục nó đến đích Việc kết hợp giữa phân mảnh Burst và định tuyến lệch hướng làm tăng khả năng Burst đến được đích do đó làm tăng hiệu suất của mạng

2.6.Kết luận chương

Các giải pháp giải quyết xung đột tài nguyên trong mạng chuyển mạch Burst quang có ảnh hưởng lớn đến chất lượng của mạng Việc áp dụng các giải pháp khác nhau với mức độ khác nhau có thể giúp đơn vị cung cấp dịch vụ đưa ra được các loại dịch vụ với chất lượng dịch vụ khác nhau (QoS) Chương này đã giới thiệu năm giải pháp cơ bản đã được nghiên cứu và đề xuất để giải quyết xung đột Burst làm tiền đề cho việc đề xuất một giải pháp mới được giới thiệu ở chương 3

3.1.Định tuyến NAN (Next Available Neighbour)

Trong trường hợp xảy ra quá tải, việc tranh chấp tài nguyên dẫn đến mất Burst

là không tránh khỏi, nhưng vấn đề là làm sao để Burst không bị hủy mà sẽ được chèn lại vào mạng ngay sau khi tài nguyên mạng được giải phóng

Từ ý tưởng trên một thuật toán định tuyến mới được đề xuất để xử lý việc xung đột Burst khi tài nguyên mạng bị quá tải Theo đó khi xung đột Burst xảy ra tại một nút trung gian nào đó, thay vì hủy Burst nó sẽ gửi Burst đến một nút khác gần đích nhất có thể để tiếp tục đi đến đích và nếu không có nút nào phù hợp Burst sẽ được lưu

và chèn lại vào mạng sau khi tài nguyên được giải phóng [7] Thuật toán này là một giải pháp bổ sung cho các giải pháp giải quyết xung đột tài nguyên của Burst và được gọi là định tuyến NAN ( Next Available Neighbour Routing)

Thuật toán định tuyến NAN được đề xuất để giải quyết xung đột trong mạng chuyển mạch Burst quang nhưng nó cũng có thể được ứng dụng trong nhiều loại mạng khác nhau như IP/MPLS, OPS

Đối với mạng OBS, định tuyến NAN hoạt động như sau: Khi một nút lõi của mạng OBS nhận được một bản tin điều khiển (CP) yêu cầu đặt trước tài nguyên cho một Burst sắp đến, nếu không tìm được tài nguyên phù hợp theo yêu cầu thì thay vì gửi bản tin từ chối (NACK) trở lại nút nguồn nó sẽ tìm các nút khác bên cạnh có tài nguyên phù hợp và tạo một bản tin NAN-CP để gửi đến nút đó nhờ tiếp nhận Burst Nút bên cạnh có tài nguyên phù hợp này được gọi là nút NAN Khi Burst được truyền đến nút lõi nó sẽ định tuyến Burst sang nút NAN Do có tài nguyên phù hợp nhất và đã được báo trước qua bản tin điều khiển NAN-CP nên nút NAN sẽ tiếp nhận Burst đến

và tiếp tục định tuyến Burst đó đến đích Trong trường hợp xấu nhất là nút NAN đó cũng xảy ra xung đột thì nó cũng sẽ không hủy Burst mà chuyển đổi O/E, lưu nó trong

bộ đệm và sẽ chèn lại Burst vào mạng ngay sau khi tài nguyên được giải phóng

11 Cũng tương tự như trong định tuyến lệch đường ( Deflection routing), trong định tuyến NAN cũng phải sử dụng một bộ đếm hoặc một phương pháp nào đó để tính được thời gian mà Burst đã được đưa vào quá trình định tuyến NAN Khi tính được thông tin này của Burst ta sẽ tránh được việc Burst sẽ bị chèn đi chèn lại liên tục vào trong mạng mà vẫn không đến được đích hoặc Burst sẽ bị lặp vòng trong mạng bằng cách tính toán và đặt ra một ngưỡng thời gian Burst được thực hiện định tuyến NAN, nếu quá thời gian này mà vẫn chưa đến được đích thì nó sẽ bị hủy

Trong thuật toán định tuyến NAN thì việc quan trọng nhất là tìm được nút bên cạnh có tài nguyên phù hợp nhất để tiếp tục định tuyến Burst đến đích Để đảm bảo nút bên cạnh là tối ưu nhất sẽ phải dựa trên việc kết hợp một số giá trị như : nút có vị trí gần nút đích nhất, nút có băng thông rộng nhất đến nút đích, nút có thời gian bận ít nhất v.v Thực hiện kết hợp các thông tin trên sẽ làm tăng độ phức tạp của mạng lên đáng kể do sẽ phải thêm các modul xử lý, rồi tăng thời gian trễ của gói tin nhưng bù lại xác suất mất Burst sẽ giảm đáng kể Trong một số trường hợp cụ thể việc lựa chọn nút bên cạnh có thể được thực hiện theo một quá trình ngẫu nhiên để giảm thiểu sự phức tạp của hệ thống

Hình 3.1 : Định tuyến NAN trong mạng OBS

Hình 3.1 mô tả quá trình định tuyến NAN trong mạng OBS, khi nút 2 và nút 3 định tuyến một Burst tới nút 6 tại cùng một thời điểm nhưng lại cùng sử dụng đường link từ nút 5 đến nút 6 Như vậy nếu bình thường không áp dụng các giải pháp giải

12 quyết tranh chấp thì nút 5 sẽ hủy một Burst và chỉ cho 1 Burst định tuyến qua nút 5 đến nút 6 Nhưng khi sử dụng định tuyến NAN để giải quyết tranh chấp thì quá trình

sẽ diễn ra như sau: Khi nút 5 nhận được yêu cầu thiết lập cấu hình chuyển mạch tại cùng một thời điểm cho Burst 2 và Burst 3 cùng đến nút 6 qua đường link 5-6, nó sẽ thực hiện cấu hình trường chuyển mạch để cho 1 Burst (ở đây là Burst 2) chuyển đến nút 6, đồng thời nó cũng sẽ lập một bản tin NAN CP để gửi đến nút 4 là nút bên cạnh gần nhất có tài nguyên phù hợp để định tuyến Burst 3 qua nút 4 đến nút 6 Tuy nhiên nếu nút 4 cũng xảy ra tranh chấp khi Burst 3 truyền đến thì nó sẽ lưu Burst 3 vào bộ đệm và sẽ chèn lại vào mạng ngay sau khi tài nguyên được giải phóng

Trong trường hợp ở trên, nút 4 đóng vai trò là nút NAN nhưng không mang tính chất cố định, mà bất cứ nút nào trong mạng OBS cũng có thể là nút NAN nếu tại một thời điểm nào đó nó có tài nguyên phù hợp và nhận được yêu cầu định tuyến “hộ” cho các nút bên cạnh đang bị xung đột tài nguyên Do đó trong một trường hợp khác, khi nút 4 xảy ra tranh chấp tài nguyên nó cũng có thể gửi một bản tin NAN CP sang nút 5 để nhờ định tuyến “hộ” và lúc này nút 5 lại đóng vai trò một nút NAN

Khi thực hiện định tuyến NAN, Burst sẽ bị trễ đi một khoảng thời gian do phải

đi vòng sang đường khác và có thể phải lưu trong bộ đệm điện Tuy nhiên nếu so với trễ của việc phải truyền lại Burst từ đầu thì nó vẫn nhỏ hơn nhiều Sau đây ta sẽ xét thời gian trễ của cả hai trường hợp khi không sử dụng và khi sử dụng định tuyến NAN

Trường hợp thứ nhất, giả sử trong mạng OBS có một Burst sau khi đã truyền qua k nút trung gian đến một nút trung gian tiếp theo thì xảy ra xung đột tài nguyên và

nó bị hủy Nút trung gian thực hiện hủy Burst sẽ gửi bản tin NACK quay trở lại nút biên đầu vào để yêu cầu phát lại Burst Sau khi nhận được bản tin NACK từ nút trung gian, nút biên sẽ xử lý và lập bản tin điều khiển mới và chuyển đổi E/O Burst lưu trong

bộ đệm điện để truyền lại vào mạng sau khi truyền bản tin điều khiển Giả sử sau khi truyền lại thì Burst trên đến được đích, khi đó tổng thời gian trễ của cả quá trình từ lúc Burst bị hủy đến lúc Burst được truyền lại và đến được đích sẽ là:

TD1 = TNACK + hTCP + TE/O + TS-D

Trong đó: