Bài báo này đề xuất giải pháp điều khiển động đa miền cho mạng quang lưới bước sóng linh hoạt định nghĩa bằng phần mềm (SD-EON) sử dụng kỹ thuật định tuyến dựa trên các tham số phản ánh chất lượng truyền dẫn (QoT) và cơ chế đặt trước tài nguyên linh hoạt. Trong giải pháp được đề xuất này, các bộ điều khiển SDN của các mạng quang lưới bước sóng linh hoạt phối hợp hoạt động với nhau theo cơ chế điều khiển phân tán trong đó, các bộ điều khiển SDN của các vùng chỉ trao đổi thông tin định tuyến với các bộ điều khiển lân cận (có liên kết điều khiển trực tiếp) khi có yêu cầu thiết lập/giải phóng kết nối quang. Mời các bạn cùng tham khảo!
Trang 1Giải pháp điều khiển động dựa vào chất lượng truyền dẫn sử dụng cơ chế đặt trước tài nguyên linh hoạt cho
mạng EON định nghĩa bằng phần mềm
Lê Hải Châu, Trần Thủy Bình và Nguyễn Đức Nhân
Khoa Viễn thông I, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Email: chaulh@ptit.edu.vn, tran_thuy_binh@yahoo.com, nhannd@ptit.edu.vn
Abstract—Giải pháp kết hợp giữa công nghệ mạng điều khiển bằng
phần mềm và công nghệ mạng quang lưới bước sóng linh hoạt
(EON) hứa hẹn cho phép hiện thực hóa việc cung cấp động các
dịch vụ kết nối băng thông linh hoạt trên cơ sở hạ tầng linh hoạt
có khả năng tùy biến cao, tạo điều kiện cho các nhà cung cấp dịch
vụ điều chỉnh và hoạch định chiến lược nâng cấp hạ tầng một cách
cơ động, hiệu quả để đáp ứng tốt các yêu cầu phức tạp của nhiều
loại hình dịch vụ truyền thông và Internet hiện tại và trong tương
lai gần Bài báo này đề xuất giải pháp điều khiển động đa miền cho
mạng quang lưới bước sóng linh hoạt định nghĩa bằng phần mềm
(SD-EON) sử dụng kỹ thuật định tuyến dựa trên các tham số phản
ánh chất lượng truyền dẫn (QoT) và cơ chế đặt trước tài nguyên
linh hoạt Trong giải pháp được đề xuất này, các bộ điều khiển
SDN của các mạng quang lưới bước sóng linh hoạt phối hợp hoạt
động với nhau theo cơ chế điều khiển phân tán trong đó, các bộ
điều khiển SDN của các vùng chỉ trao đổi thông tin định tuyến với
các bộ điều khiển lân cận (có liên kết điều khiển trực tiếp) khi có
yêu cầu thiết lập/giải phóng kết nối quang Việc định tuyến được
thực hiện thông qua cơ chế phát quảng bá yêu cầu và lựa chọn
tuyến đường khả dụng ngắn nhất theo chất lượng truyền dẫn và
cơ chế đặt trước tài nguyên linh hoạt được áp dụng để làm tăng độ
khả dụng của tuyến quang và tránh xung đột phổ tần trong mạng
Hiệu năng của giải pháp đề xuất được đánh giá bằng phương pháp
mô phỏng số và được đối sánh với giải pháp truyền thống dựa trên
thuật toán đường đi ngắn nhất Kết quả mô phỏng đạt được cho
thấy giải pháp được đề xuất có hiệu năng vượt trội so với giải pháp
truyền thống
Keywords- Mạng định nghĩa bằng phần mềm, truyền thông
quang, mạng quang lưới bước sóng linh hoạt, định tuyến và gán phổ
tần
I GIỚI THIỆU Lưu lượng Internet đang phát triển bùng phát trong suốt thập
kỷ vừa qua do sự phát triển đa dạng của các loại hình dịch vụ
hướng video như video theo yêu cầu, mạng xã hội, dịch vụ chia
sẻ video, … cũng như do sự xuất hiện của nhiều loại hình dịch
vụ băng thông siêu cao mới (3D/4k TV, điện toán đám mây, …)
[1] Nhu cầu lưu lượng vẫn đang ngày càng gia tăng này không
chỉ đặt ra yêu cầu ngày càng cao không chỉ về số lượng, chất
lượng mà còn cả về sự linh hoạt trong băng thông và trong việc
triển khai và cung cấp dịch vụ của mạng lưới Trong quá trình
thích ứng với các nhu cầu lưu lượng mới, mạng đường trục
quang với công nghệ cơ bản hiện tại là WDM đang gặp phải rất
nhiều thách thức do những hạn chế về kỹ thuật như việc sử dụng
lưới tần số cố định hay các hạn chế về khả năng cung cấp linh hoạt dịch vụ với băng thông thay đổi [2] Vì vậy, để giải quyết những hạn chế của công nghệ mạng lõi hiện tại, công nghệ mạng quang lưới bước sóng linh hoạt (Elastic Optical Network
- EON) đã được đề xuất và nghiên cứu triển khai với tư cách là công nghệ mạng đường trục hứa hẹn cho mạng Internet tương lai gần [3] Mạng quang lưới bước sóng linh hoạt sử dụng lưới tần số linh hoạt có khả năng tận dụng hiệu quả băng tần sợi quang và cung cấp dịch vụ với băng thông linh hoạt (từ các dịch
vụ tốc độ thấp đến các dịch vụ tốc độ cao và siêu cao) Bên cạnh
đó, nhằm giải quyết triệt để các khó khăn tồn tại trong kỹ thuật điều khiển mạng hiện tại, cũng như để tạo sự linh hoạt trong vấn đề quản lý, điều khiển và triển khai dịch vụ mới, kỹ thuật mạng định nghĩa bằng phần mềm (Software-Defined Networking - SDN) đã được nghiên cứu và đề xuất cho mặt phẳng điều khiển, quản lý và ứng dụng của các hệ thống mạng tương lai [4-5] Giải pháp kết hợp giữa công nghệ mạng điều khiển bằng phần mềm và công nghệ mạng quang lưới bước sóng linh hoạt hứa hẹn cho phép hiện thực hóa việc cung cấp động các dịch vụ kết nối băng thông linh hoạt trên cơ sở hạ tầng linh hoạt có khả năng tùy biến cao, tạo điều kiện cho các nhà cung cấp dịch vụ điều chỉnh và hoạch định chiến lược nâng cấp hạ tầng một cách cơ động, hiệu quả để đáp ứng tốt các yêu cầu phức tạp của nhiều loại hình dịch vụ khác nhau [6-8]
Hầu hết các nghiên cứu cho đến nay đều chủ yếu tập trung vào các mạng quang lưới bước sóng linh hoạt định nghĩa bằng phần mềm đơn miền [6] Tuy nhiên, kiến trúc mạng đa miền là rất cần thiết và có tính thực tế cao xuất phát từ yêu cầu về phối hợp hoạt động liên mạng/liên vùng [8-10] Mạng đa miền có thể được áp dụng trong một số trường hợp thực tế như hoạt động phối hợp liên mạng khi triển khai các thiết bị của nhiều nhà cung cấp khác nhau, khi phân chia mạng thành các phân vùng, khu vực để tăng cường khả năng nâng cấp và quản lý hiệu quả mạng cũng như nhằm hạn chế tầm với dịch vụ và quản lý các kịch bản mạng với các nút mạng phân tán do đặc điểm địa lý hay do nhu cầu quản lý theo vùng [11-13] Để hiện thực hóa được các mạng quang lưới bước sóng linh hoạt đa miền định nghĩa bằng phần mềm, nhiều cơ chế điều khiển và quản lý mạng được thực hiện, nổi bật lên nhà cơ chế điều phối chung (tương
tự như kiến trúc PCE phân tầng) đã được nghiên cứu và đề xuất [11] Các phương pháp điều khiển và quản lý phân tầng này đòi hỏi phải có một thiết bị điều phối SDN ở trung tâm cho mỗi một
Trang 2vùng mạng hoặc một hệ thống tự vận hành (AS) Mặt khác, kịch
bản điều khiển mạng SD-EON đa miền phân tán cũng được mô
tả trong [11, 13], nhưng kịch bản này tập trung vào việc quản
lý chỉ hai miền đơn giản mà chưa quan tâm đến khả năng định
tuyến liên miền – một trong các yêu cầu thiết yếu của mạng đa
miền Do vậy, việc phát triển một giải pháp điều khiển động có
khả năng hỗ trợ kết nối đầu cuối đến đầu cuối một cách hiệu quả
trong khi vẫn thỏa mãn được các yêu cầu của mạng đa miền như
tính bảo mật, tính độc lập về chính sách của mỗi miền, … là vô
cùng cần thiết
Bên cạnh đó, trong mạng truyền thông quang, chất lượng tín
hiệu quang truyền dẫn trong mạng quang bị suy giảm do ảnh
hưởng bởi các yếu tố trong truyền thông quang như méo, nhiễu,
… gọi chung là các yếu tố ảnh hưởng vật lý (physical
impairments) [14-15] Những yếu tố ảnh hưởng vật lý được tích
lũy dần dọc theo tuyến truyền dẫn và làm giảm khả năng truyền
đi xa của tín hiệu; giới hạn tầm với quang khả dụng-khoảng
cách lớn nhất mà tín hiệu quang có thể truyền được đi mà không
cần đến các bộ lặp hay khuếch đại Ảnh hưởng của các yếu tố
ảnh hưởng vật lý này trở nên nghiêm trọng hơn đối với các
mạng đa miền do khoảng cách truyền dẫn trong các mạng đa
miền thường lớn hơn nhiều các mạng đơn miền Do vậy, những
ảnh hưởng này cần được xem xét trong quá trình định tuyến
cũng như trong việc lựa chọn và gán khuôn dạng điều chế
Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất một giải pháp điều
khiển động cho mạng quang lưới bước sóng linh hoạt định
nghĩa bằng phần mềm đa miền bằng cách sử dụng kết hợp giữa
kỹ thuật định tuyến theo các tham số chất lượng truyền dẫn và
cơ chế đăng ký trước tài nguyên linh hoạt Quá trình định tuyến
được thực hiện thông qua cơ chế quảng bá yêu cầu và lựa chọn
tối đa hai tuyến đường khả dụng gần nhất, trong khi phổ tần và
phương thức điều chế được lựa chọn bằng việc kết hợp xem xét
ảnh hưởng của các yếu tố ảnh hưởng vật lý đến chất lượng
truyền Nhờ vậy, các bộ điều khiển SDN của các miền mạng
phối hợp hoạt động với nhau theo cơ chế điều khiển phân tán
trong đó, các bộ điều khiển SDN của các vùng chỉ trao đổi thông
tin định tuyến với các bộ điều khiển lân cận (có liên kết điều
khiển trực tiếp) khi có yêu cầu thiết lập/giải phóng kết nối quang
Bên cạnh đó, nhằm tận dụng được triệt để các ưu điểm của kỹ
thuật kết nối mạng định nghĩa bằng phần mềm trong khi vẫn
tránh được vấn đề "đăng ký trước quá nhiều"
(“over-reservation”), trong giải pháp này, chúng tôi cũng đề xuất sử
dụng cơ chế đăng ký trước tài nguyên kép (multiple (double)
reservation mechanism) cải tiến linh hoạt nhằm giảm thiểu xung
đột phổ tần và tăng cường độ khả dụng của các tuyến quang
Hiệu năng của giải pháp đề xuất được đánh giá bằng phương
pháp mô phỏng số và được đối sánh với giải pháp truyền thống
sử dụng thuật toán đường đi ngắn nhất (ví dụ, giải pháp
GMPLS/PCE [16]) Kết quả mô phỏng đạt được đã chứng minh
hiệu năng vượt trội của giải pháp chúng tôi đề xuất so với giải
pháp truyền thống
II GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CHO MẠNG
SD-EON ĐA MIỀN DỰA VÀO CHẤT LƯỢNG TRUYỀN DẪN
VÀCƠCHẾĐẶTTRƯỚCTÀINGUYÊNLINHHOẠT
A Mạng quang lưới bước sóng linh hoạt định nghĩa bằng
phần mềm điều khiển phân tán
Trong các mạng quang lưới bước sóng linh hoạt định nghĩa bằng phần mềm đa miền được xem xét trong khuôn khổ bài báo này, mỗi vùng (miền) mạng bao gồm các chuyển mạch quang băng tần khả chỉnh được điều khiển bởi các agent định nghĩa bằng phần mềm (ví dụ: OpenFlow agent) và một bộ điều khiển SDN dành riêng như là NOX, Ryu, OpenDaylight, … Bộ điều khiển SDN dành riêng dùng để cập nhật/trao đổi thông tin và điều khiển các thiết bị chuyển mạch quang thông qua các SDN agent và giao thức OpenFlow [9-11] Nhờ kiến trúc điều khiển tập trung trong mỗi miền, các bộ điều khiển SDN của mỗi miền mạng có thể dễ dàng quản lý và bảo trì các thông tin nội miền như là tính khả dụng của các khe phổ tần trên các liên kết mạng
mà không yêu cầu thêm nhiều thông tin bổ sung trong mặt phẳng điều khiển Các bộ điều khiển này cũng có khả năng thực hiện định tuyến và gán phổ tần nội mạng cùng việc điều khiển động các hệ thống trong mạng để cung cấp các kết nối đầu cuối-đến-đầu cuối dựa trên các kết quả định tuyến đó Tuy nhiên, để phối hợp hoạt động và điều khiển giữa các miền mạng với nhau, người ta đã đưa ra nhiều giải pháp khác nhau và phân theo hai hướng tiếp cận chính là điều khiển tập trung và điều khiển phân tán
Trong kỹ thuật điều khiển liên miền tập trung, giải pháp sử dụng bộ điều phối SDN đang rất được quan tâm nghiên cứu và triển khai thử nghiệm [8-9] Trong kỹ thuật này, người ta sử dụng một bộ điều khiển SDN kết nối với tất cả các bộ điều khiển SDN nội miền của các miền mạng để điều phối chung cho toàn
bộ mạng lưới (hoặc một trong các bộ điều khiển SDN nội vùng đóng vai trò điều phối) [9] Giải pháp này có nhược điểm là bộ điều phối SDN yêu cầu được thông báo và cập nhật thông tin định tuyến và điều khiển của tất cả các miền mạng khác, do vậy,
vị trí đặt bộ điều phối này cũng như việc phân quyền quản lý hệ thống cho các nhà cung cấp viễn thông trở thành vấn đề nan giải
để đảm bảo hiệu năng điều khiển chung của mạng
Trong khi đó, kỹ thuật điều khiển phân tán cũng đang cho thấy nhiều tiềm năng trong việc quản lý và điều khiển hiệu quả mạng quang lưới bước sóng linh hoạt định nghĩa bằng phần mềm
đa miền Ưu điểm nổi bật của kỹ thuật này là các bộ điều khiển SDN của các miền mạng chỉ chia sẻ thông tin và điều phối hoạt động cùng các bộ điều khiển miền mạng kề cận nó Điều này giúp đơn giản hóa tiến trình điều khiển, tăng khả năng thích nghi với các trạng thái miền mạng và đảm bảo tính độc lập tối đa cho mỗi miền Một trong các đề xuất giải pháp điều khiển phân tán đáng chú ý nhất được công bố trong [13], tuy nhiên, giải pháp này chỉ nhắm đến mạng hai miền đơn giản, khó mở rộng cho các mạng đa miền cũng như không xem xét đến định tuyến trong mạng lớn và xử lý xung đột khi đăng ký sử dụng tài nguyên
B Ước lượng chất lượng truyền dẫn (QoT) trong mạng
quang lưới bước sóng linh hoạt
Chất lượng tín hiệu quang truyền dẫn trong mạng quang bị suy giảm do ảnh hưởng bởi các yếu tố ảnh hưởng vật lý được tích lũy dần dọc theo tuyến truyền dẫn Những yếu tố này chính
là nguyên nhân làm giới hạn tầm với quang khả dụng [14-15] Chính vì thế, trong quá trình định tuyến cho các kết nối quang, các tham số ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu quang cần phải được xem xét để đảm bảo kết nối đạt mức chất lượng yêu cầu Trong nghiên cứu này, chúng tôi sẽ sử dụng tham số tỉ lệ tín hiệu quang trên nhiễu (OSNR) để làm cơ sở đánh giá chính
Trang 3Tỉ lệ tín hiệu quang trên nhiễu (OSNR) được định nghĩa theo
công thức như sau [17],
tx
P OSNR
trong đó, P tx là công suất thu được của tín hiệu quang tại kênh
bước sóng được lựa chọn, P ASE là công suất nhiễu ASE và P NLI
là công suất nhiễu phi tuyến
Trong khi công suất thu được của tín hiệu quang bị suy giảm
theo khoảng cách truyền dẫn (chiều dài sợi quang) và cũng phụ
thuộc vào hệ số suy hao sợi quang () thì công suất nhiễu ASE,
P ASE, được tính theo công thức [18]:
.
với S ASE là mật độ phổ công suất của nhiễu ASE và B o là băng
thông của nhiễu Ta có,
ASE s
S N h G NF (3)
trong công thức này, G là độ lợi khuếch đại, NF là hệ số tạp âm
(nhiễu) và N s là số khoảng lặp khuếch đại
Bên cạnh đó, công suất nhiễu phi tuyến, P NLI, được tính xấp
xỉ như sau [18],
2 2 2
3
2
2 3
3 2
log 2
3
ch s eff
s
N R L
R
với N ch là số kênh trên sợi quang, γ là hệ số phi tuyến của sợi, 2
là hệ số tán sắc, R s là tốc độ baud (R s = R b/log2(M) với R b là tốc
độ bít của kênh truyền và M là mức điều chế) và L eff là chiều dài
hiệu dụng của sợi quang Theo định nghĩa, L eff được tính như
sau:
eff
e L
trong đó, L là độ dài khoảng lặp quang và là hệ số suy hao sợi
quang
Ngoài ra, S ASE và P NLI cũng có thể tính xấp xỉ theo công thức
sau đây:
4
3
2
2 3
3 2
log 2
3
ch s tot
s
N R L
R
với L tot là tổng chiều dài tuyến quang, K T là hằng số (K T 1,13
đối với khuếch đại Raman)
Các đại lượng trên được tính dọc theo tuyến truyền dẫn
quang Tại mỗi bộ điều khiển SDN của mạng, dựa trên các đại
lượng này, tỉ lệ lỗi bít (BER) của hệ thống được ước lượng để
kiểm tra chất lượng của tuyến quang có đảm bảo theo đúng mức
chất lượng yêu cầu (≥BER threshold) khi đi qua miền mạng do bộ
điều khiển này quản lý theo công thức sau (đối với tín hiệu điều
chế M-QAM) [19]:
2
2
1
2 1
3log
M M
(8) với tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu SNR được tính theo giá trị OSNR
thu được [20]:
2
log
C Nội dung chính của giải pháp đề xuất
Nhằm thực hiện hiệu quả quá trình định tuyến liên
mạng/liên vùng cho các mạng quang lưới bước sóng linh hoạt định nghĩa bằng phần mềm đa miền, thay vì sử dụng một bộ điều phối SDN để điều khiển/điều phối hoạt động của tất cả các
bộ điều khiển SDN của các vùng mạng như thông thường, chúng tôi đề xuất ứng dụng cơ chế điều khiển phân tán giữa các
bộ điều khiển vùng trong đó, các bộ điều khiển SDN của các vùng chỉ trao đổi thông tin định tuyến với các bộ điều khiển lân cận (có liên kết điều khiển trực tiếp) khi có yêu cầu thiết lập/giải phóng kết nối quang Ngoài ra, để tận dụng được các ưu điểm của kỹ thuật kết nối mạng định nghĩa bằng phần mềm và tăng cường khả năng thích nghi với trạng thái liên kết của các vùng mạng, kỹ thuật phát quảng bá thông tin yêu cầu kết nối và lựa chọn đường đi nhằm giảm thiểu sự phân mảnh phổ tần sẽ được
sử dụng trong giải pháp đề xuất để thiết lập kết nối quang phục
vụ các yêu cầu dịch vụ bước sóng quang với băng thông linh hoạt
Bảng 1 Pseudo-code của thuật toán định tuyến
Đầu vào: G={V, E} trong đó V và E là tập đỉnh (các vùng mạng)
và tập cạnh (kết nối liên mạng) của mạng liên miền được các vùng mạng chia sẻ
BER threshold := Tỉ lệ lỗi bít ngưỡng
s := nguồn
d := đích
Đầu ra: Kết nối từ s đến d 1: Gán nhãn ID s,d cho yêu cầu kết nối;
2: Lập danh sách M chứa các vùng mạng đã tiếp nhận nhãn
ID s,d ;
3: Lập danh sách Q chứa các vùng mạng đang xử lý yêu cầu
hiện tại;
4: Q.enqueue(s); // Cho vùng nguồn s vào Q
5: M.enqueue(s); // Đánh dấu vùng s đã tiếp
nhận yêu cầu
6: while( Q is not empty & d is not
in M)
// Thực hiện tiếp khi còn miền đều đã tiếp nhận yêu cầu và chưa đạt đến đích
7: v =Q.dequeue( ); // Vùng mạng v xử lý yêu cầu
kết nối
8: Cập nhật thông tin(QoT, ) ;
9: For all neighbours w of v in
Graph G
// Xem xét tất cả các vùng
mạng w kề cận với v
10: if (w is not in M & BER ≤
BER threshold)
// Nếu w chưa tiếp nhận yêu
cầu kết nối và chất lượng tuyến vẫn đảm bảo
11: Q.enqueue( w ); // Cho vùng w vào danh sách
đã tiếp nhận Q
12: M.enqueue( w ); // Đánh dấu vùng w đã tiếp
nhận yêu cầu
13: endif 14: endfor 15: endwhile
16: if d is in M // Kiểm tra kết quả định tuyến
17: Đăng ký trước tài nguyên
kép(M, s,d);
// Đăng ký tài nguyên dọc tuyến đường và kết nối
18: else
19: Chặn kết nối; // Không tìm được đường đi
(Chặn kết nối)
20: endif
Thuật toán định tuyến được sử dụng trong giải pháp đề xuất được phát triển dựa trên cơ sở thuật toán tìm kiếm theo chiều rộng Mỗi yêu cầu kết nối liên mạng sẽ được bộ điều khiển SDN của vùng mạng nguồn tiếp nhận và khởi phát quá trình xử lý,
Trang 4các bộ điều khiển trung gian thực hiện chuyển tiếp và bộ điều
khiển vùng đích sẽ quyết định khuôn dạng điều chế và gán phổ
tần phù hợp Bộ điều khiển đích sẽ chấp nhận hai tuyến đường
khác nhau (một tuyến chính và một tuyến dự phòng) và trên đó,
cơ chế đăng ký sử dụng tài nguyên ngược (backward
reservation) từ vùng đích về vùng nguồn cũng được áp dụng để
tạo kết nối theo tuyến đường tìm được Bảng 1 thể hiện thuật
toán định tuyến được đề xuất để xử lý yêu cầu kết nối
Khi có yêu cầu kết nối từ thiết bị (thiết bị nguồn) của một
vùng mạng (vùng nguồn) đến một thiết bị (thiết bị đích) của
vùng mạng khác (vùng đích), thiết bị nguồn sẽ khởi phát bản tin
thông báo yêu cầu thiết lập kết nối (PATH REQ) tới bộ điều
khiển SDN của miền mạng nguồn Sau đó, bộ điều khiển thiết bị
SDN vùng nguồn sẽ tạo lập và phát quảng bá bản tin yêu cầu kết
nối (PATH REQ) đến các bộ điều khiển lân cận Cứ như vậy,
khi bộ điều khiển của một vùng mạng nhận được thông tin kết
nối, nó sẽ kiểm tra: 1) bản tin có bị trùng lặp với các bản tin trước
hay không, nếu có thì loại bỏ, nếu không thì thực hiện 2) xem
thiết bị đích có thuộc vùng mạng nó quản lý hay không, nếu
không thì kiểm tra tính kết nối, cập nhật thông tin về độ khả dụng
của các khe phổ tần, chất lượng truyền dẫn, Sau đó, bộ điều
khiển này sẽ ước lượng tỉ lệ lỗi bít (BER) và so sánh với giá trị
ngưỡng được yêu cầu (BER threshold), nếu chất lượng tuyến truyền
dẫn vẫn đạt yêu cầu (BER≤ BER threshold) thì tiếp tục chuyển tiếp
bản tin yêu cầu đến các bộ điều khiển vùng mạng lân cận còn
nếu không đạt thì loại bỏ bản tin Nếu thiết bị đích thuộc vùng
mạng do bộ điều khiển SDN hiện thời quản lý, thiết bị này sẽ
kiểm tra tính kết nối và giá trị BER đến thiết bị đích và nếu thành
công thì tạo lập bản tin kết nối để thực hiện đăng ký tài nguyên
cho kết nối để gửi ngược trở lại cho các bộ điều khiển SDN trên
tuyến đường đã gửi bản tin đến nó
Các bộ điều khiển khi nhận được bản tin kết nối cũng sẽ kiểm
tra và đăng ký tài nguyên khả dụng cho kết nối và chuyển tiếp
bản tin Để thực hiện cơ chế đăng ký trước tài nguyên kép,
chúng tôi định nghĩa hai trạng thái đăng ký trước tài nguyên là
active và passive (tương ứng là các bản tin Active/Passive
RESV) Trạng thái active là trạng thái mà tài nguyên mạng của
kết nối được đăng ký và dành trước thực sự; các tài nguyên này
sẽ không thể chia sẻ hay bị chiếm dụng bởi các kết nối khác cho
đến khi kết nối được giải phóng Ngược lại, trạng thái passive là
trạng thái mà theo đó, các bộ điều khiển SDN dọc theo tuyến kết nối sẽ chỉ đăng ký tạm thời tài nguyên và các tài nguyên được đăng ký tạm thời này vẫn có thể được cấp phát cho các kết nối khác nếu cần thiết; các tài nguyên này chỉ được dành riêng một
khi trạng thái của nó được chuyển sang thành active Trong giải
pháp đề xuất của chúng tôi, hai tuyến đường được lựa chọn cho mỗi kết nối và tuyến ngắn nhất sẽ được đặt trước theo trạng thái
active còn tuyến kia được dự trữ theo trạng thái passive Nếu
tuyến active không thể đăng ký trước tài nguyên thành công, tuyến passive sẽ được kích hoạt về trạng thái active để thay thế
Bản tin kết nối (Active/Passive RESV) sẽ được chuyển ngược lại cho đến bộ điều khiển SDN của vùng nguồn Nếu bản tin được gửi thành công đến vùng nguồn, tài nguyên cho kết nối
từ thiết bị nguồn đến thiết bị đích sẽ được đăng ký và cung cấp
để thiết lập cuộc gọi từ đầu cuối đến đầu cuối Kết nối không thực hiện được (bị chặn) nếu như tại một vùng mạng nào đó, bộ điều khiển xác định thấy tỉ lệ lỗi bít của kết nối không đạt yêu cầu hoặc không thể sắp xếp được tài nguyên khả dụng tới vùng mạng kề cận để chuyển tiếp bản tin
Bên cạnh đó, nhằm làm tăng độ khả dụng về tài nguyên khi thiết lập các kết nối, bộ điều khiển miền đích sẽ chấp nhận tối đa hai tuyến đường cho một kết nối và cơ chế đăng ký trước tài nguyên kép được áp dụng cho hai tuyến đường tìm được này, trong đó bao gồm một tuyến chính (ACTIVE PATH) và một tuyến dự phòng (PASSIVE PATH) Việc đăng ký tài nguyên cho tuyến dự phòng được thực hiện theo nguyên tắc tạm thời, nghĩa
là tài nguyên đăng ký này vẫn có thể được đăng ký cho tuyến chính của kết nối khác Tuyến dự phòng sẽ bị hủy bỏ nếu tuyến chính được đăng ký thành công Ngược lại, tuyến dự phòng sẽ được chuyển thành tuyến chính nếu quá trình đăng ký tài nguyên dọc tuyến chính gặp phải xung đột Cơ chế thực hiện của giải pháp đề xuất được minh họa trong Hình 1
III ĐÁNH GIÁ VÀ SO SÁNH HIỆU NĂNG Nhằm đánh giá hiệu năng của giải pháp điều khiển động định tuyến dựa trên QoT và sử dụng cơ chế đăng ký tài nguyên kép được đề xuất cho mạng quang lưới bước sóng linh hoạt định
nghĩa bằng phần mềm đa miền phân tán (ký hiệu là QoT-aware
solution with double reservation), phương pháp mô phỏng số
Hình 1 Cơ chế định tuyến thích nghi và đăng ký tài nguyên kép của giải pháp đề xuất
Trang 5được thực hiện và các kết quả thu được được đánh giá và so sánh
với kết quả tương ứng của giải pháp dựa trên thuật toán đường
đi ngắn nhất thông thường như giải pháp GMPLS/PCE [16] (ký
hiệu là Traditional solution) Kịch bản mô phỏng được thực hiện
trên cấu hình mạng thực tế của Mỹ là mạng NSF (National
Science Foundation network) với 14 nút và 22 liên kết hai chiều
Mạng SD-EON đa miền có thể thiết lập và giải phóng kết nối
linh hoạt theo yêu cầu với các tham số được thiết lập trong mô
phỏng như sau: dung lượng tổng của mỗi liên kết quang là 125
khe tần số với độ rộng mỗi khe tần số là 12,5 GHz như khuyến
nghị ITU-T G.694.1 [21] Các yêu cầu kết nối được tạo ngẫu
nhiên và xuất hiện theo quy luật phân bố Poisson với tốc độ xuất
hiện trung bình là λ (yêu cầu/đơn vị thời gian) Phân bố của thời
gian giữ kết nối được giả định là theo quy luật mũ âm (negative
exponential distribution) với giá trị trung bình là 1/µ (đơn vị thời
gian) Trong các mô phỏng số, dung lượng của mỗi kết nối được
giả định là gán ngẫu nhiên theo một trong ba tốc độ tiêu chuẩn
hiện nay cho mạng đường trục là 10 Gbps, 40 Gbps và 100 Gbps
với số khe tần số yêu cầu tương ứng là 1, 3 và 7 khe
Sự so sánh hiệu năng của giải pháp đề xuất với giải pháp
truyền thống theo tỉ lệ chặn kết nối khi lưu lượng yêu cầu thay
đổi từ 200 đến 1500 Erlang và thời gian giữ kết nối trung bình
được thiết lập ở mức 1000 đơn vị thời gian được thể hiện trong
Hình 2 Kết quả đạt được cho thấy giải pháp đề xuất có khả năng
giảm thiểu tỉ lệ chặn kết nối và cung cấp hiệu năng cao hơn nhiều
so với giải pháp truyền thống Với lưu lượng đến là 700 Erlang
(và 900 Erlang), tỉ lệ chặn kết nối của giải pháp đề xuất giảm
được đến 68,3% (và 58,6%) so với giải pháp truyền thống Điều
này đạt được là do giải pháp đề xuất có khả năng định tuyến
thích nghi tốt với trạng thái hiện thời của mạng cũng như có
chiến lược lựa chọn và gán phổ tần thông minh cùng cơ chế đăng
ký tài nguyên kép và nhờ vậy, tránh được xung đột phổ tần và
làm tăng khả năng kết nối của mạng
Hình 2 So sánh hiệu năng của giải pháp đề xuất với giải pháp truyền
thống
Hình 3 so sánh tỉ lệ lưu lượng được chấp nhận tương đối,
được tính bằng tỉ lệ giữa số kết nối được chấp nhận đạt được bởi
phương pháp đề xuất và số kết nối của phương pháp truyền
thống trong cùng một điều kiện mạng khi xác suất chặn kết nối
giả định lần lượt là 10-4, 10-3 và 10-2 Kết quả thể hiện trên đồ thị
cho thấy rằng giải pháp được đề xuất có khả năng chấp nhận lưu
lượng nhiều hơn đáng kể (hơn tối thiểu 18%) so với phương pháp truyền thống Đồ thị cũng cho thấy hiệu quả của giải pháp
đề xuất cũng tăng lên rõ rệt khi điều kiện về tỉ lệ chặn kết nối tối
đa bớt chặt chẽ hơn
Hình 3 Tỉ lệ lưu lượng được chấp nhận tương đối
Mặt khác, ảnh hưởng của tham số thời gian giữ kết nối trung bình (Mean Hold Time)- một trong các tham số đặc tính quan trọng thể hiện tính chất lưu lượng của mạng – đến hiệu năng của mạng sử dụng hai giải pháp điều khiển đối sánh được thể hiện trên Hình 4 Các kết quả mô phỏng số đạt được một lần nữa xác nhận hiệu năng vượt trội của giải pháp đề xuất so với giải pháp truyền thống Hiệu quả của giải pháp đề xuất (độ chênh giữa xác suất chặn kết nối đạt được bởi phương pháp đề xuất so với giải pháp truyền thống) tăng lên rõ rệt khi thời gian giữ kết nối trung bình càng lớn Lý do là vì với cùng một tốc độ xuất hiện của yêu cầu kết nối thì thời gian giữ kết nối trung bình càng lớn (tức là lưu lượng mạng càng lớn), thì mức độ khan hiếm phổ tần càng cao, dẫn đến ảnh hưởng của sự phân mảnh phổ tần đối với hiệu năng mạng càng trầm trọng Nhờ có khả năng hạn chế xung đột phổ tần, phương pháp đề xuất của chúng tôi có khả năng thích nghi tốt ngay cả đối với điều kiện lưu lượng mạng lớn
Hình 4 Ảnh hưởng của tham số thời gian giữ kết nối trung bình
IV KẾT LUẬN Nhằm mục tiêu hỗ trợ cấp phát động các dịch vụ bước sóng
và phát triển giải pháp điều khiển mạng hiệu quả cho các hệ thống mạng đường trục Internet, chúng tôi đề xuất một giải pháp định tuyến, gán phổ tần động và đăng ký trước tài nguyên linh
Trang 6hoạt cho các mạng quang lưới bước sóng linh hoạt định nghĩa
bằng phần mềm đa miền điều khiển phân tán Trong giải pháp
đề xuất, việc định tuyến cho mỗi kết nối được thực hiện thông
qua cơ chế quảng bá yêu cầu và lựa chọn tối đa hai tuyến đường
khả dụng dựa trên chất lượng truyền dẫn quang, trong khi phổ
tần và phương thức điều chế cũng được lựa chọn bằng việc kết
hợp với tỉ lệ lỗi bít theo yêu cầu của hệ thống Cơ chế đặt trước
tài nguyên linh hoạt được áp dụng với hai trạng thái đặt trước tài
nguyên là active và passive nhằm giảm thiểu khả năng xung đột
tài nguyên phổ tần Các kết quả mô phỏng số đạt được cho thấy
rằng giải pháp được đề xuất có khả năng là giảm đáng kể tỉ lệ
chặn kết nối và có hiệu năng vượt trội so với giải pháp truyền
thống
TÀILIỆUTHAMKHẢO [1] A Jukan and J Mambretti, “Evolution of Optical Networking Toward
Rich Digital Media Services,” Proceedings of the IEEE , vol 100, no 4,
pp 855-871, 2012
[2] M Jinno, H Takara, B Kozicki, Y Tsukishima, Y Sone, and S
Matsuoka, “Spectrum-Efficient and Scalable Elastic Optical Path
Network: Architecture, Benefits, and Enabling Technologies,” IEEE
Communications Magazine, vol 47, pp 66-73, 2009
[3] B Chatterjee, N Sarma and E Oki, “Routing and Spectrum Allocation in
Elastic Optical Networks: A Tutorial,” IEEE Communications Surveys &
Tutorials, vol PP, no 99, pp 1, 2015
[4] D Kreutz, F.M Ramos, P.E Verissimo, C.E Rothenberg, S
Azodolmolky and S Uhlig, “Software-defined networking: A
compreh-ensive survey,” Proceedings of the IEEE, 103(1), pp.14-76, 2015
[5] Y Jarraya, T Madi, and M Debbabi, ‘‘A survey and a layered taxonomy
of software-defined networking,’’ IEEE Commun Surv Tut., vol 16, no
4, pp 1955–1980, Fourth Quart 2014
[6] L Liu et al., "Design and performance evaluation of an Openflow-based
control plane for software-defined elastic optical networks with
direct-detection optical OFDM (DDO-OFDM) transmission," Opt Exp., vol 22,
pp 30-40, 2013
[7] L Liu et al., "Software-Defined Fragmentation-Aware Elastic Optical
Networks Enabled by OpenFlow," ECOC 2013
[8] Y Yoshida et al., "First international SDN-based Network Orchestration
of Variable-capacity OPS over Programmable Flexi-grid EON,"
OFC/NFOEC 2014
[9] R Casellas et al., "SDN based Provisioning Orchestration of OpenFlow/GMPLS Flexi-grid Networks with a Stateful Hierarchical PCE," OFC/NFOEC 2014
[10] M Chamania et al., "A Survey of Inter-Domain Peering and Provisioning Solutions for Next Generation Optical Networks," IEEE Comm Surveys
& Tutorials, vol 11, pp 33-51, 2009
[11] C Chen et al., "Demonstration of OpenFlow-Controlled Cooperative Resource Allocation in a Multi-Domain SD-EON Testbed across Multiple Nations," ECOC 2014
[12] H.-C Le, N T Dang, and S Vu-Van, "Dynamic multi-domain elastic optical networks with 4R regeneration capable border nodes," in 2015 2nd National Foundation for Science and Technology Development Conference on Information and Computer Science (NICS), vol., no., pp.169-173, 16-18 Sept 2015
[13] Z Zuqing, L Wei, Z Liang, and N Ansari, "Dynamic Service Provisioning in Elastic Optical Networks With Hybrid Single-/Multi-Path Routing," Journal of Lightwave Technology, vol 31, pp 15-22, 2013 [14] Sartzetakis I, Christodoulopoulos K, Tsekrekos CP, Syvridis D, Varvarigos E., “Quality of transmission estimation in WDM and elastic optical networks accounting for space–spectrum dependencies,” IEEE/OSA Journal of Optical Communications and Networking, vol 8(9), pp 676-88, 2016
[15] Koubàa, M., Bakri, M., Bouallègue, A and Gagnaire, M., “QoT-aware elastic bandwidth allocation and spare capacity assignment in flexible island-based optical transport networks under shared risk link group constraints,” Computer Networks, vol 116, pp 111-140, 2017 [16] A Giorgetti et al., "Hierarchical PCE in GMPLS-based Multi-domain Wavelength Switched Optical Networks," OFC/NFOEC 2011
[17] P Poggiolini, A Carena, V Curri, G Bosco, and F Forghieri, “Analytical modeling of non-linear propagation in uncompensated optical transmission links,” Photon Technol Lett.23, pp 742-744, 2011 [18] G Bosco, P Poggiolini, A Carena, V Curri, and F Forghieri, “Analytical results on channel capacity in uncompensated optical links with coherent detection,” Opt Express, vol 19, pp B438-B449, 2011
[19] J.G Proakis, Digital Communications (4th Edition), New York, McGraw-Hill, 2000
[20] R.-J Essiambre, “Capacity Limits of Fiber-Optic Communication Systems”, Proc OFC 2009, San Diego, ISA, Paper OThL1, 2009 [21] ITU-T Recommendations G.694.1: Transmission media and optical systems characteristics – Characteristics of optical systems, 02/2012
