QoS TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH BURST QUANG

QoS TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH BURST QUANG

KHOA VIỄN THÔNG I



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

QoS TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH BURST QUANG

-o0o - -o0o -

ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Họ và tên : Nguyễn Kim Tuyến

Lớp : D04VT1

Khoá : 2004 – 2008

Ngành : Điện tử - Viễn thông

Nội dung đồ án :

 Giới thiệu kỹ thuật chuyển mạch burts quang

 Giới thiệu QoS và các kiến trúc để đảm bảo QoS

 Tìm hiểu các vấn đề trong việc tích hợp IP qua mạng

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Điểm : …………( Bằng chữ : ……… )

Ngày ……tháng …….năm 2008

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Điểm : ……….( Bằng chữ : ……….)

Ngày …… tháng …… năm 2008

MỤC LỤC

MỤC LỤC I DANH MỤC HÌNH VẼ III DANH MỤC BẢNG BIỂU V THUẬT NGỮ VIẾT TẮT VI LỜI NÓI ĐẦU IX

CHƯƠNG 1 : KỸ THUẬT CHUYỂN MẠCH QUANG 1

1.1 Các kỹ thuật chuyển mạch quang : 1

1.1.1 Định tuyến bước sóng quang (WR) : 1

1.1.1.1 Mạng định tuyến bước sóng quang : 1

1.1.1.2 Các mạng chuyển mạch kênh quang : 2

1.1.2 Chuyển mạch gói quang (OPS) : 3

1.1.2.1 Giới thiệu OPS : 3

1.1.2.2 Nguyên lý chuyển mạch OPS: 4

1.1.3 Chuyển mạch burst quang (OBS) : 6

1.1.3.1 Giới thiệu OBS : 6

1.1.3.2 Ưu điểm của OBS so với WR và OPS : 7

1.2 Kiến trúc và các kỹ thuật chuyển mạch burst quang (OBS): 9

1.2.1 Kiến trúc OBS : 9

1.2.2 Các kỹ thuật OBS : 12

1.2.2.1 Các sơ đồ tập hợp burst : 12

1.2.2.2 Các sơ đồ giành trước bước sóng : 14

1.2.2.3 Giao thức báo hiệu JET : 16

1.2.2.4 Các thuật toán lập lịch burst : 18

1.2.2.5 Các giải pháp khắc phục tranh chấp burst: 20

1.3 Kết luận chương 21

CHƯƠNG 2 : CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ ( QoS ) 23

2.1 Định nghĩa QoS : 23

2.2 IntServ 26

2.2.1 Kiến trúc IntServ 26

2.2.2 Nguyên lí điều khiển luồng của IntServ 28

2.2.3 Nhược điểm của IntServ 30

2.3 DiffServ 30

2.3 1 Các thành phần của kiến trúc DiffServ 31

2.3.1.1 DSCP 31

2.3.1.2 PHB 31

2.3.1.3 Miền DiffServ 31

2.3.1.4 Nút biên DiffServ 32

2.3.1.5 Nút lõi DiffServ 33

2.3.2 Quá trình thực hiện DiffServ 33

2.3.3 Các vấn đề trong việc khiển khai DiffServ 36

2.4 Kết luận chương : 38

CHƯƠNG 3 : TRUYỀN TẢI IP QUA MẠNG WDM 40

3.1 Tích hợp IP và các mạng quang 40

3.1.1 Mô hình mạng quang : 40

3.1.2 Các vấn đề truyền tải IP qua WDM 41

3.1.3 Mặt phẳng dữ liệu và mặt phẳng điều khiển : 42

3.1.4 Các mô hình kiến trúc và định tuyến 44

3.2 Các kiến trúc lớp cho các mạng truyền tải IP qua WDM 48

3.3 Kỹ thuật MPLS 51

3.3.1 Giới thiệu kỹ thuật MPLS 51

3.3.2 Các kỹ thuật MPLS 53

3.3.2.1 Các mạng định tuyến bước sóng IP/MPLS 54

3.3.2.2 Chuyển mạch quang OBS và MPLS 55

3.3.2.2.1 OBS sử dụng MPLS 56

3.3.2.2.2 Lớp MAC 58

3.4 Kết luận chương : 61

CHƯƠNG 4 : HIỆU NĂNG QoS TRONG MẠNG OBS 62

4.1 Giao thức báo hiệu hỗ trợ QoS : 62

4.2 Thuật toán lập lịch hỗ trợ QoS trong các mạng OBS : 64

4.3 Ảnh hưởng của các FDL đến hiệu năng QoS của các mạng OBS : 68

4.3.1 Nút chuyển mạch quang và bộ đệm FDL 68

4.3.2 Sơ đồ QoS dựa trên thời gian cân bằng với FDL 70

4.3.2.1 Giới thiệu : 70

4.3.2.3 Tính toán thời gian cân bằng cần thiết : 73

4.3.3 Trễ hàng đợi và xác suất mất burst 74

4.3.3.1 Thời gian cân bằng và trễ đầu cuối - đầu cuối : 74

4.3.3.2 Xác suất mất burst trong OBS : 75

4.3.4 FDL và hàng đợi trong mô hình (M/M/k/D) 78

4.4 Kết luận chương : 79

CHƯƠNG 5 : KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC FDL ĐẾN QoS CỦA CÁC MẠNG OBS 80

5.1 Khảo sát các biên trên và biên dưới của xác suất mất burst trong mạng OBS 80

5.1.1 Phân tích 80

5.1.2 Kết quả 81

5.2 Mô hình Yoo 87

5.2.1 Ảnh hưởng của thời gian trễ lớn nhất B lên xác suất mất burst 87

5.2.2 Hiệu quả thực tế của sơ đồ dựa trên thời gian cân bằng: 89

5.3 Kết luận chương 91

KẾT LUẬN 92

TÀI LIỆU THAM KHẢO 94

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Thiết lập lightpath 1

Hình 1.2 Hiệu quả sử dụng đường dẫn 3

Hình 1.4 Mô hình chuyển mạch burst quang 7

Hình 1.5 So sánh giữa OPS (a) và OBS (b) 9

Hình 1.6 Mô hình mạng OBS 10

Hình 1.7 Kiến trúc của router biên 11

Hình 1.8 Kiến trúc của router lõi 12

Hình 1.9 Kỹ thuật báo hiệu Just – Enough – Time (JET) 16

Hình 1.10 OBS sử dụng giao thức JET 17

Hình 1.11 Minh hoạ thuật toán FFUC 19

Hình 1.12 Minh hoạ thuật toán LAUC 19

Hình 1.13 Minh hoạ thuật toán LAUC – VF 20

Hình 2.1 Kiến trúc của IntServ 26

Hình 2.2 Nguyên lí điều khiển của IntServ 29

Hình 2.3 Miền DiffServ 32

Hình 2.4 Cấu trúc của nút biên DiffServ 32

Hình 2.5 Cấu trúc của nút lõi DiffServ 33

Hình 2.6 DiffServ và điều chỉnh đầu vào với Broker dung lượng 36

Hình 3.1 Mô hình mạng quang 41

Hình 3.2 Mặt phẳng dữ liệu và mặt phẳng điều khiển trong mạng quang 42

Hình 3.3 Nút quang 43

Hình 3.4 Mối quan hệ giữa các router IP và các OXC trên mặt phẳng điều khiển 45

Hình 3.5 Các mô hình dịch vụ : (a) mô hình dịch vụ miền 46

(b) mô hình dịch vụ hợp nhất 46

Hình 3.6 Ngăn xếp giao thức cho bốn giải pháp IPoW 49

Hình 3.7 Mối quan hệ giữa các mạng MPLS và MPλS 54

Hình 3.8 Mô hình mạng định tuyến bước sóng IP/MPLS/MPλS 55

Hình 3.9 Truyền tải IP qua OBS WDM sử dụng MPLS 56

Hình 3.10 Các chức năng của chuyển mạch quang hỗ trợ OBS và MPLS 57

Hình 3.11 Giao diện MAC giữa các lớp IP và OBS WDM 58

Hình 3.12 Đồng bộ khi kết hợp luồng 59

Hình 4.1 Thời gian cân bằng cho dịch vụ ưu tiên 63

Hình 4.2 Cấu trúc của nút lõi OBS 66

Hình 4.3 Mối quan hệ giữa thời gian nhận của BHP i và DB i 67

Hình 4.4 Cấu trúc của nút chuyển mạch quang (OSN) 69

Hình 4.5 Cấu trúc của các bộ đệm FDL 70

Hình 4.6 Sự phân loại lớp sử dụng thời gian cân băng mở rộng 72

Hình 5.1 Xác suất mất burst và thời gian trễ lớn nhất B 83

Hình 5.2 Xác suất mất burst và số lượng các FDL 84

Hình 5.3 Xác suất mất burst và số lượng k các bước sóng 85

Hình 5.4 Xác suất mất burst và mật độ lưu lượng tổng 87

Hình 5.5 Xác suất mất burst và thời gian trễ lớn nhất 88

Hình 5.6 Trễ hàng đợi trung bình và thời gian trễ lớn nhất B 89

Hình 5.7 Xác suất mất burst và số các mảng FDL 90

Hình 5.8 Xác suất mất burst và số lượng bước sóng k 91

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.2 So sánh ba kỹ thuật chuyển mạch quang 22

Bảng 3.1 Tóm tắt một số so sánh giữa hai mô hình 48

Bảng 4.1 Độ phân biệt và chênh lệch thời gian cân bằng 74

Bảng 5.1 Xác suất mất burst và trễ thời gian lớn nhất 82

Bảng 5.2 Xác suất mất burst và số lượng các FDL 84

Bảng 5.3 Xác suất mất burst và số lượng bước sóng 85

Bảng 5.4 Xác suất mất burst và mật độ lưu lượng tổng 86

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

VIỆT

ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền dẫn bất

đồng bộ

Distribution Protocol

Giao thức phân bổ nhãn định tuyến ràng buộc

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo bước sóng mật độ cao

FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia

theo tần số FEC Forwarding Equivalence Class Lớp chuyển tiếp tương

đương GMPLS Generalized Multi Protocol Label

Switching

Chuyển mạch nhãn đa giao thức tổng quát IETF Internet Engineering Task Force Nhóm chuyên trách về

kỹ thuật Internet

Internet ITU-T International Telecommunications

Union - Telecommunication Standardization Sector

Tiêu chuẩn hoá viễn thông quốc tế

nhãn

mạch nhãn MPLS Multi Protocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa

giao thức

quang

OMS Optical Multiplex Section Đoạn ghép kênh quang

RSVP Resource Reservation Protocol Giao thức giành trước

tài nguyên

mạch

Network/Synchronous Digital Hierarchy

Mạng quang đồng bộ

truyền dẫn

theo thời gian

dụng - mạng

LỜI NÓI ĐẦU

 Giới thiệu:

Trong vài năm gần đây đã có sự phát triển bùng nổ về lưu lượng IP Phạm

vi và vùng phủ của mạng Internet đang mở rộng một cách nhanh chóng và do đó yêu cầu cho băng thông cũng cần phải tăng theo tương ứng Lưu lượng tăng đột biến của những người sử dụng World Wide Web do nhu cầu sử dụng các thông tin

và dịch vụ giải trí trực tuyến ngày càng tăng lên mạnh mẽ Ngoài ra, các loại dịch

vụ mạng cũng ngày càng đa dạng và phong phú, các công nghệ đa phương tiện như truyền hình di động (Mobile TV), thoại Internet, nhạc số…cũng ngày càng trở nên phổ biến hơn Tất cả những lý do đó đã làm cho lưu lượng Internet tăng nhanh một cách chóng mặt và yêu cầu cho băng thông mạng trở nên khẩn cấp hơn bao giờ

Với sự phát triển bùng nổ của Internet và sự triển khai nhanh chóng của công nghệ ghép kênh phân chia theo bước sóng mật độ cao (DWDM) thì sợi quang được xem như là giải pháp truyền tải lý tưởng cho các mạng tốc độ cao trong tuơng lai Trong hệ thống DWDM, mỗi sợi quang sẽ mang nhiều kênh thông tin, trong đó mỗi kênh hoạt động trên một bước sóng khác nhau Hệ thống truyền dẫn quang có ưu điểm vượt trội so với các hệ thống truyền dẫn khác là nó có dung lượng rất lớn, có thể cung cấp băng thông lên đến trên 50Tbps trên một sợi quang đơn Cho đến nay, chúng ta vẫn chưa thể khai thác hết băng thông tiềm ẩn của nó Ngoài ra, sợi quang có chi phí rất thấp và độ chính xác lại rất cao

Các mạng điển hình hiện nay bao gồm 4 lớp : lớp IP cho truyền tải các ứng dụng và dịch vụ, lớp ATM cho kỹ thuật lưu lượng, lớp SONET/SDH cho truyền tải

và lớp DWDM cho tốc độ Khi luồng dữ liệu đến một điểm chuyển mạch, thì tín hiệu quang của dữ liệu được chuyển sang dạng tín hiệu điện, sau đó việc xử lý và chuyển tiếp được thực hiện trong miền điện Việc chuyển đổi này được gọi là chuyển đổi quang/điện (O/E) Khi tín hiệu điện của dữ liệu đi đến cổng ra, nó lại được chuyển thành tín hiệu quang và được điều chế lên sợi quang, gọi là chuyển đổi điện/quang (E/O) Như vậy, một điểm chuyển mạch được gọi là thực hiện chuyển đổi O/E/O

Trong một mạng, tốc độ trao đổi thông tin thường bị hạn chế bởi khả năng

xử lý điện của hệ thống Mặc dù phần cứng hiện nay được sử dụng dựa trên các router IP điện tốc độ cao với tốc độ lên đến vài trăm Gbps nhưng vẫn không thích ứng được giữa tốc độ truyền dẫn của các sợi quang WDM và tốc độ chuyển mạch

loại bỏ hoàn toàn việc xử lý điện nhằm khai thác triệt để tiềm năng của độ rộng băng tần mà công nghệ WDM cung cấp

Lưu lượng IP đang trở thành lưu lượng chủ yếu trong các mạng, do đó kiến trúc mạng phân lớp truyền thống ngày càng không thích hợp cho sự phát triển của Internet Trong kiến trúc đa lớp, mỗi lớp có thể làm hạn chế hiệu suất của toàn mạng và làm tăng chi phí của toàn bộ mạng Ngày nay cùng với dung lượng và tốc

độ của các router và các OXC (các kết nối chéo quang) ngày càng tăng nhanh và tốc độ dữ liệu cao của truyền tải quang giúp chúng ta có thể bỏ qua các lớp SONET/SDH và ATM và loại bỏ các chức năng của chúng Điều này làm cho hệ thống mạng đơn giản hơn, chi phí ít hơn mà vẫn truyền tải lưu lượng với tốc độ rất lớn IP qua WDM được xem là giải pháp đầy hứa hẹn cho mạng thế hệ sau vì nó không có lớp trung gian, do đó nó tránh được các chức năng dư thừa của các lớp ATM và SONET/SDH

Tuy nhiên, có nhiều khó khăn và thử thách trong việc hiện thực hóa các mạng toàn quang Chẳng hạn, RAM quang bây giờ vẫn đang tiếp tục nghiên cứu, việc xử lý các gói điều khiển trong miền quang vẫn chưa thực hiện được và hệ thống điều khiển router quang vẫn được thực hiện trong miền điện Ngày nay, hầu hết chúng ta chỉ nghiên cứu các mạng truyền tải bán quang Trong các mạng truyền tải quang, các bản tin điều khiển được xử lý hoàn toàn trong miền điện Để thực hiện kiến trúc IP qua DWDM, một vài hướng được đề xuất như : Định tuyến bước sóng (WR), chuyển mạch gói quang (OPS) và chuyển mạch burst quang (OBS) Trong tất cả các hướng đó, chuyển mạch burst quang được xem là giải pháp có triển vọng nhất vì nó là sự kết hợp giữa WR và OPS Do đó, nó kết hợp các ưu điểm của hai phương pháp đó và đồng thời hạn chế các nhược điểm của chúng

Trong số những vấn đề cần phải giải quyết khi thực hiện việc tích hợp IP qua các mạng WDM thì vấn đề làm thế nào có thể hỗ trợ QoS (chất lượng dịch vụ) trong các mạng IP/WDM được xem là một trong những vấn đề quan trọng nhất trong xu hướng hiện nay Bởi vì mạng IP hiện nay chỉ cung cấp dịch vụ “nỗ lực tối đa” (best effort), là dịch vụ phi kết nối, không tin cậy…Dịch vụ này không thể đáp ứng các yêu cầu QoS cao khi sử dụng các dịch vụ thời gian thực như truyền hình di động, thoại Internet, hội nghị truyền hình… Do đó, em đã chọn nội dung

“QoS trong chuyển mạch burst ” làm đề tài Tốt nghiệp Đại học của mình Sau một thời gian thực hiện và được sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô giáo bộ môn Thông tin quang, đặc biệt là thầy giáo hướng dẫn – T.S Bùi Trung Hiếu đã giúp đỡ

 Tổ chức của Đồ án :

Nội dung của Đồ án đề cập đến vấn đề cải thiện QoS trong mạng chuyển mạch burst quang Đồ án gồm có 5 chương :

Chương 1 trình bày các kỹ thuật chuyển mạch quang, trong đó trọng tâm là

kỹ thuật chuyển mạch burst quang và sau đó so sánh ưu nhược điểm của kỹ thuật này với các kỹ thuật định tuyến bước sóng quang và chuyển mạch gói quang Trong chương này giới thiệu kiến trúc của các mạng OBS cùng với các kỹ thuật liên quan đến chuyển mạch OBS như : sơ đồ tập hợp burst, sơ đồ giành trước bước sóng, giao thức báo hiệu JET, các thuật toán lập lịch …

Chương 2 trình bày vấn đề Chất lượng dịch vụ (QoS) Trong chương này giới thiệu một cách khái quát định nghĩa QoS và sau đó đưa ra hai mô hình kiến trúc để đảm bảo QoS trong các mạng IP (IntServ và DiffServ)

Chương 3 giới thiệu vấn đề tích hợp IP qua mạng WDM Chương này giới thiệu các mô hình tích hợp IP/WDM và so sánh các mô hình này với nhau Ngoài

ra trong chương này còn trình bày kỹ thuật MPLS được sử dụng trong mạng IP/WDM và mạng OBS

Chương 4 và Chương 5 là nội dung chính của Đồ án này Trong đó, chương

4 đề cập đến vấn đề đảm bảo QoS trong mạng OBS Trong chương này, chúng ta giới thiệu giao thức báo hiệu và thuật toán lập lịch có hỗ trợ QoS trong các mạng OBS Ngoài ra còn phân tích ảnh hưởng của các đường trễ quang (FDL) đến QoS của các mạng OBS Chương 5 đưa ra các công thức để tính các biên của xác suất mất burst và qua đó bằng công cụ MATLAB để phân tích và khảo xác các tham số ảnh hưởng đến xác suất mất burst.Chương này còn đưa ra mô hình Yoo trong đó phân tích và đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến xác suất mất burst và trễ hàng đợi

Từ đó, đưa ra các nhận xét nhằm mục đích cải thiện hiệu suất QoS của các mạng OBS

Trong suốt thời gian làm đồ án, em đã được sự hướng dẫn tận tình của các thầy cô trong khoa Viễn thông 1 và đặc biệt là Thầy giáo hướng dẫn Bùi Trung Hiếu

Do kiến thức và khả năng bản thân còn nhiều hạn chế nên đồ án không tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến và giúp đỡ của các Thầy cô giáo và các bạn

CHƯƠNG 1 : KỸ THUẬT CHUYỂN MẠCH QUANG

1.1 Các kỹ thuật chuyển mạch quang :

Có 3 kỹ thuật chuyển mạch quang chủ yếu được đề xuất cho truyền tải lưu lượng IP qua các mạng WDM:

 Định tuyến bước sóng quang (WR)

 Chuyển mạch gói quang (OPS)

 Chưyển mạch burst quang (OBS)

Do đó, dựa trên các kỹ thuật chuyển mạch thì các mạng truyền tải IP qua WDM được phân loại như sau:

 Các mạng định tuyến bước sóng quang

 Các mạng chuyển mạch gói quang

 Các mạng chuyển mạch burst quang

1.1.1 Định tuyến bước sóng quang (WR) :

1.1.1.1 Mạng định tuyến bước sóng quang : Trong các mạng định tuyến bước sóng quang, một đường bước sóng toàn quang được thiết lập giữa các biên của mạng Đường quang này được gọi là lightpath Khi sử dụng lightpath này thì nó có thể giành trước 1 kênh bước sóng

trên mỗi đường dẫn dọc theo tuyến đường như minh hoạ trong hình 1.1

Hình 1.1 Thiết lập lightpath

Sau khi dữ liệu được truyền thì lightpath sẽ được giải phóng Trong các mạng WR có các thiết bị kết nối chéo quang (OXC) được liên kết bởi các đường

các gói dữ liệu khác nhau dựa trên gói dữ liệu ở cổng đầu vào và bước sóng của

nó Do đó, chúng ta có thể thấy rằng với việc sử dụng mạng này, dữ liệu được phát giữa các điểm đầu cuối thì không cần xử lý, không cần chuyển đổi E/O (tất cả trong miền quang) và không cần đệm ở các nút trong gian Tuy nhiên, giống như mạng chuyển mạch kênh quang, các mạng WR không chia sẽ tài nguyên và do đó hiệu quả sử dụng băng thông sẽ thấp hơn

1.1.1.2 Các mạng chuyển mạch kênh quang : Đầu tiên, chúng ta sẽ giới thiệu định nghĩa phiên.Như chúng ta đã biết, các bản tin giữa 2 người sử dụng luôn là 1 chuỗi liên tiếp trong một số cuộc đối thoại lớn, 1 chuỗi bản tin liên tiếp đó được gọi là 1 phiên Trong kỹ thuật chuyển mạch

kênh, khi 1 phiên s là ban đầu, nó được cấp 1 tốc độ truyền dẫn r s bps Sau đó, một

đường dẫn sẽ được thiết lập từ phía phát đến phía thu và trên đường dẫn này, mỗi

đường thông tin sẽ được cấp một phần r s trong tổng dung lượng truyền dẫn cho phiên đó Sự cấp tốc độ truyền dẫn này là khác nhau trong các phiên khác nhau trên một đường thông tin và thường được thực hiện bởi phương pháp ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM) hoặc ghép kênh phân chia theo tần số (FDM) Chú

ý rằng tổng tốc độ của tất cả các phiên sử dụng chung một đường dẫn không thể vượt quá tổng dung lượng của đường dẫn đó Nếu một đường thông tin đã chứa đủ các phiên thì một phiên mới không thể sử dụng đường dẫn này và nếu không có

đường dẫn nào rỗi với tốc độ tối thiểu r s bps thì phiên mới này sẽ bị từ chối Một điểm khác cần chú ý là khi có một phiên được khởi xướng thì nó có một tốc độ

truyền dẫn cố định r s qua toàn bộ mạng

Do sử dụng không hiệu quả tài nguyên nên chuyển mạch kênh ít được sử dụng cho các mạng số liệu Để làm rõ hơn điều này chúng ta sẽ định nghĩa các tham số:

v : tốc độ bản tin cho phiên s

1/v : thời gian đến giữa các bản tin của s

X : thời gian truyền dẫn của một bản tin qua một đường dẫn trong đường truyền

L : chiều dài của bản tin từ s

T : trễ có thể cho phép của bản tin đến từ nguồn đến đích

P : trễ phát sinh qua mạng

Hình 1.2 Hiệu quả sử dụng đường dẫn

Từ hình trên, chúng ta có X = L /r s và tỉ số X với 1/v (hoặc v X) là phân

số thời gian cho biết phần đường dẫn được cấp cho s là bận hay rỗi Chúng ta có

thể thấy rằng nếu v X << 1 thì có nghĩa là phần đường dẫn được cấp để mang 1

phiên là rỗi trong phần lớn thời gian ( nghĩa là không sử dụng hiệu quả) Để xác định tính không hiệu quả của chuyển mạch kênh cho các mạng dữ liệu, chúng ta sẽ nhân X với T Với X là thời gian mong muốn tính đến bít cuối cùng được gửi trên đường dẫn đầu tiên, chúng ta có thể nhận được mối quan hệ X + P ≤ T và

v X < v.T Tóm lại, tốc độ bít r s được cấp cho một phiên cần phải đủ lớn để cho

phép bản tin truyền dẫn đảm bảo yêu cầu trễ (r s tăng, X sẽ giảm) Hơn nữa, nếu

v.T << 1, do đó v X << 1 điều đó nói lên rằng đường dẫn không được sử dụng

hiệu quả Đối với 1 số phiên cuối tác động qua lại được mang bởi các mạng dữ

liệu, v.T thường là 0,01 hoặc ít hơn Nghĩa là phần đường dẫn được cấp cho phiên được sử dụng ở hầu hết 1℅ Như vậy, chúng ta có thể kết luận rằng chuyển mạch

kênh là không phù hợp đối với các mạng số liệu

1.1.2 Chuyển mạch gói quang (OPS) :

1.1.2.1 Giới thiệu OPS : Như đã nói ở phần trên, các mạng định tuyến bước sóng quang cho dung lượng kém hiệu quả với hướng xử lí là thiết lập và duy trì đường dẫn trong một thời gian dài.Bởi vì định tuyến bước sóng quang là 1 hình thức của chuyển mạch kênh quang và trong mạng chuyển mạch kênh quang từ đầu cuối đến đầu cuối thì cần phải thiết lập kết nối giữa phía nguồn và phía đích trước khi dữ liệu được truyền Trong quá trình thiết lập và duy trì cuộc gọi thì chuyển mạch cần đọc, lưu trữ và gửi mỗi khung của dữ liệu thu cho cuộc gọi đó Vì vậy, mào đầu cần phải

E(t i ) = 1/v

lớn trong thời gian thiết lập cuộc gọi và nhỏ hơn trong thời gian duy trì cuộc gọi Tuy nhiên, các cuộc gọi thường có thời gian dài hơn so với thời gian thiết lập và rớt cuộc gọi, do đó hiệu quả sẽ cao nếu băng thông được sử dụng đầy đủ trong suốt quá trình thực hiện cuộc gọi Do nhược điểm của định tuyến bước sóng quang nên các nhà nghiên cứu đã phát triển một phương pháp chuyển mạch khác gọi là chuyển mạch gói quang vì nó có thể tăng băng thông sử dụng của mạng bằng cách

sử dụng bộ ghép kênh thống kê và băng thông chia sẽ

Trong các mạng chuyển mạch gói quang, lưu lượng IP được xử lý và chuyển mạch ở mỗi router IP Mỗi gói IP chứa tải tin và mào đầu Mào đầu gói chứa thông tin để định tuyến gói và tải tin chứa thông tin dữ liệu Một chuyển mạch gói quang WDM chứa 4 phần:

 Giao diện đầu vào : được sử dụng để mô tả và điều chỉnh gói, tách và bỏ thông tin mào đầu gói

 Cơ cấu chuyển mạch : là bộ phận lõi của chuyển mạch, có chức năng chuyển mạch các gói trong miền quang

 Giao diện đầu ra : được sử dụng để tái tạo các tín hiệu quang cho đầu ra và gắn mào đầu gói vào gói IP

 Khối điều khiển : được sử dụng để điều khiển theo những yêu cầu được chứa trong các mào đầu

1.1.2.2 Nguyên lý chuyển mạch OPS:

Kỹ thuật chuyển mạch gói quang được minh họa như hình 1.3 Từ hình

dưới, chúng ta có thể thấy được 4 chức năng của các chuyển mạch gói quang :

Đồng bộ gói : chức năng chung của đồng bộ gói bao gồm nhận dạng bắt đầu gói và làm trễ tức là điều chỉnh thời gian đến của các gói

Thay mào đầu gói : được thực hiện bằng cách sử dụng bộ khuếch đại quang bán dẫn SOA và có thể được cải thiện bởi

kỹ thuật chuyển đổi bước sóng

Bộ đệm gói : Do không có RAM quang thích hợp cho các chuyển mạch gói quang nên chúng ta sử dụng RAM điện Thiết bị này hạn chế tốc độ truy nhập và nó cần các chuyển đổi O/E/O và các bộ đệm dựa trên các đường trễ quang

Nhận dạng, xử lý và tạo mào đầu mới

Chuyển mạch

Định tuyến,

Hình 1.3 Mô hình chuyển mạch gói quang

Khi một gói đến chuyển mạch quang WDM, trước tiên nó được xử lí bởi giao diện đầu vào, trong đó mào đầu gói và tải tin được tách ra và mào đầu được chuyển vào miền điện và được xử lí bởi khối điều khiển Trong khi đó tải tin vẫn được giữ lại trong miền quang và sau đó nó sẽ được xử lí bởi cơ cấu chuyển mạch đến cổng đầu ra thích hợp Một vấn đề chính ở đây là quyết định làm cách nào để mạng vận hành một cách đồng bộ Một mạng đồng bộ hoàn toàn có thể điều chỉnh các khe thời gian bằng cách tạo các gói có kích thước cố định Trong mạng này, cơ cấu chuyển mạch ở một nút nhận các gói đến đã được điều chinh với sự tranh chấp nhỏ nhất Tuy nhiên, chuyển mạch này sẽ phức tạp hơn vì phải thêm các giai đoạn đồng bộ và điều chỉnh gói Một cách khác là xây dựng mạng bất đồng bộ trong đó các gói có thể có chiều dài thay đổi Kiến trúc chuyển mạch này đơn giản hơn, mặc

dù khả năng tranh chấp gói cao hơn Sau khi tải tin đi qua cơ cấu chuyển mạch, nó

sẽ được kết hợp với mào đầu mà đã được chuyển đổi trở lại miền quang ở giao

diện đầu ra

Sự tranh chấp của các gói quang trong một cơ cấu chuyển mạch là vấn đề

lớn và có ảnh hưởng đến hiệu suất của mạng như trễ gói, tỉ lệ mất gói và khoảng

cách chặng trung bình Khi có 2 gói hoặc nhiều hơn muốn qua cơ cấu chuyển mạch

đi ra cùng một cổng trong cùng một thời điểm thì lúc đó sẽ xảy ra tranh chấp gói

Để giải quyết sự xung đột này thì một gói được định tuyến qua một cổng đầu ra

trong khi các gói khác được định tuyến ở một nơi khác dựa vào sơ đồ giải quyết

tranh chấp Trong các chuyển mạch điện, việc sử dụng kỹ thuật lưu trữ và gửi đi ( store and forward) có thể giải quyết được tranh chấp Các gói tranh chấp có thể

được lưu trữ trong một bộ đệm và được gửi đi khi cổng đầu ra yêu cầu rỗi Có một

phương pháp để lưu trữ gói quang là sử dụng các đường trễ quang FDL( fiber

delay lines) Tuy nhiên, các FDL có khả năng đệm rất hạn chế và nếu các gói đến

yêu cầu thời gian đệm lớn hơn khả năng đệm của nó thì chúng sẽ bị nghẽn

Có một phương pháp khác để giải quyết tranh chấp gọi là định tuyến “hot

potato” Trong phương pháp này, nếu một gói được định tuyến theo đường dẫn

mong muốn đến đầu ra thì các gói khác sẽ được gửi đi trên các đường dẫn khác, có

thể là các đường dài hơn Do đó, các gói sẽ qua chuyển mạch từ cùng một đầu ra

nhưng ở thời điểm khác nhau và sẽ không xảy ra tranh chấp Phương pháp này có

thể được sử dụng trong các bộ đệm quang

Giải pháp giải quyết tranh chấp thứ 3 là sử dụng các bộ chuyển đổi bước

sóng, là phương pháp đáng chú ý của các mạng WDM Phương pháp này được coi

là có triển vọng bởi vì nó không làm tăng trễ và khoảng cách các chặng Có thể kết

hợp cả 3 phương pháp trên hoặc 2 phương pháp bất kì để có thể tạo ra hiệu quả tốt

hơn

Trong 1 thời gian dài, chuyển mạch gói quang được xem là kỹ thuật khả thi

do nó có tốc độ cao, chuyển mạch chất lượng cao, linh hoạt và khả năng sử dụng

tài nguyên hiệu quả.Tuy nhiên, kỹ thuật này vẫn có nhiều nhược điểm và vài vấn

đề cần được giải quyết như kiến trúc chuyển mạch, sự đồng bộ,các sơ đồ giải quyết

tranh chấp…

1.1.3 Chuyển mạch burst quang (OBS) :

1.1.3.1 Giới thiệu OBS :

Ở các phần truớc chúng ta đã nói về định tuyến bước sóng quang và chuyển

mạch gói quang Chúng ta thấy rằng trong kỹ thuật WR không xử lí, không biến

đổi O/E/O và không cần đệm ở các nút trung gian, tuy nhiên nó cho băng thông

dụng của mạng bằng cách sử dụng bộ ghép kênh thống kê cho băng thông chia sẽ nhưng nó cần bộ đệm gói Do đó nếu kết hợp các ưu điểm của 2 kỹ thuật trên thì sẽ

có 1 kỹ thuật chuyển mạch khác, đó là kỹ thuật chuyển mạch Burst quang

Chuyển mạch Burst quang là chuẩn của ITU-T cho chuyển mạch Burst trong các mạng ATM gọi là ABT ( ATM block transfer) OBS là kỹ thuật để truyền lưu lượng burst qua mạng truyền tải quang bằng cách thiết lập kết nối giành trước tài nguyên từ đầu cuối đến đầu cuối cho 1 burst Mô hình của chuyển mạch

burst quang được minh hoạ như hình 1.4

Thực thể chuyển mạch cơ sở trong OBS là burst, được định nghĩa là một chuỗi các gói liên tiếp nhau với cùng 1 địa chỉ đích và các đặc tính giống nhau, cùng truyền với nhau từ 1 nút đầu vào đến 1 nút đầu ra và cùng chuyển mạch với nhau ở các nút trung gian Một burst bao gồm 2 phần là mào đầu và dữ liệu Mào đầu được gọi là burst điều khiển (CB) và dữ liệu được gọi là burst dữ liệu (DB)

CB sẽ được truyền đầu tiên để giành trước băng thông cho DB Sau đó, DB sẽ theo đường dẫn mà CB giành trước

Hình 1.4 Mô hình chuyển mạch burst quang

1.1.3.2 Ưu điểm của OBS so với WR và OPS : Trong chuyển mạch burst quang, bước sóng trên 1 đường dẫn mà burst sử dụng sẽ được giải phóng ngay khi burst đi qua đường dẫn, các burst từ các nguồn khác nhau đến các đích khác nhau có thể sử dụng hiệu quả băng thông của cùng 1

Bước sóng dữ liệu

Sợi quang đầu ra

Sợi quang

đầu vào

Bước sóng điều khiển O/E/O Xử lý gói điều khiển

(thiết lập và giành trước băng thông)

Chuyển mạch

thống kê Như vậy sẽ cho hiệu quả sử dụng băng thông lớn hơn nhiều so với WR, phù hợp cho các kết nối yêu cầu thời gian dài Nó còn khắc phục các vấn đề hạn chế khả năng kết nối trong các mạng WR mà số các đường dẫn quang có thể thiết lập bị hạn chế bởi số lượng các bước sóng rỗi

Ngoài ra, OBS có thể thích nghi cao với những tắc nghẽn hoặc các lỗi (bằng cách sử dụng định tuyến lệch ) và hỗ trợ định tuyến theo chế độ ưu tiên như trong chuyển mạch tế bào hoặc chuyển mạch gói quang Tuy nhiên, khi OBS thực hiện chuyển mạch các burst, kích thước của chúng có thể lớn hơn nhiều so với các gói

IP ( hoặc tế bào ATM ) nên trong chuyển mạch burst, mào đầu nhỏ hơn nhiều Bằng cách sử dụng điều khiển ngoài băng và đặc biệt là thời gian cân bằng như trong JET, nên việc kết hợp giữa CB và DB không chặt chẽ như trong chuyển mạch gói quang Do đó, yêu cầu đồng bộ sẽ linh hoạt hơn trong chuyển mạch gói

quang Trong hình 1.5, minh họa các kỹ thuật OPS và OBS

Có 3 sự khác nhau lớn giữa chuyển mạch burst quang và chuyển mạch kênh quang và chuyển mạch gói quang :

 Chuyển mạch burst quang là sự kết hợp giữa chuyển mạch kênh quang và chuyển mạch gói quang

 So với chuyển mạch kênh quang, chuyển mạch burst giành trước băng thông cho 1 hướng, nghĩa là burst có thể được gửi mà không cần xác nhận có giành trước được băng thông hay không Tuy nhiên, trong chuyển mạch kênh quang, băng thông cho 1 cuộc gọi phải được giành trước cho cả 2 hướng

 Trong chuyển mạch burst, 1 burst sẽ đi qua các nút trung gian mà không cần phải đệm, trong khi với chuyển mạch gói quang, các gói được lưu trữ và gửi đi ở mỗi nút trung gian

Hình 1.5 So sánh giữa OPS (a) và OBS (b)

1.2 Kiến trúc và các kỹ thuật chuyển mạch burst quang (OBS):

1.2.1 Kiến trúc OBS :

Trong mạng OBS ( hình 1.6 ), các router biên và các router lõi liên kết với

nhau bằng các đường dẫn WDM Các nút biên có chức năng tập hợp các gói thành các burst và phân giải các burst thành các gói Các nút lõi có chức năng định tuyến

và lập lịch cho các burst dựa vào các gói mào đầu burst

Nhận dạng, xử lý và tạo mào đầu mới

Chuyển mạch

Định tuyến,

Tải tin Mào đầu

Sợi quang đầu

vào

O/E/O

Chuyển mạch

(b)

D

C

Router lõi

Lưu lượng

Lưu lượng đầu ra

Hình 1.6 Mô hình mạng OBS

Kiến trúc của router biên được minh hoạ trong hình 1.7 Để loại bỏ các

chuyển đổi O/E/O và các tải xử lí điện, đầu vào của nút biên sẽ tập hợp nhiều gói

IP với cùng một địa chỉ đầu ra thành 1 burst Một burst bao gồm 1 gói mào đầu gọi

là burst điều khiển (CB) và 1 burst dữ liệu (DB) CB được truyền trên 1 kênh điều khiển; DB tương ứng với nó thì được truyền trên 1 kênh dữ liệu ( data channel )

mà không cần đợi thông tin xác nhận là đã giành trước được tài nguyên Một kênh

có thể bao gồm 1 bước sóng hoặc 1 phần của bước sóng trong trường hợp ghép kênh phân chia theo thời gian hoặc phân chia theo mã Trong đồ án này, chúng ta

sẽ coi rằng thuật ngữ “kênh” và “bước sóng” là như nhau

Hình 1.7 Kiến trúc của router biên

Khi một CB đến đƣợc nút lõi ( Hình 1.8 ) thì nút lõi sẽ chuyển nó sang tín

hiệu điện, rồi thực hiện định tuyến và cấu hình ( configurates ) cơ cấu chuyển

mạch quang theo thông tin đƣợc mang bởi CB Phần DB còn lại trong miền quang

mà không cần sự chuyển đổi O/E/O khi nó đi qua nút lõi

Router biên đầu ra

Bộ phân giải burst

Mạng OBS

Bộ tập hợp burst

Router biên đầu vào

Kênh dữ liệu

Kênh dữ liệu Kênh điều khiển Thời gian

Hình 1.8 Kiến trúc của router lõi

1.2.2 Các kỹ thuật OBS :

1.2.2.1 Các sơ đồ tập hợp burst : Vấn đề tập hợp burst tại router biên là 1 vấn đề quan trọng trong các mạng OBS Về cơ bản có 2 sơ đồ tập hợp : sơ đồ dựa trên ngưỡng và sơ đồ dựa trên thời gian Trong sơ đồ dựa trên thời gian thì thời gian sẽ được tính từ khi bắt đầu việc tập hợp Tất cả các gói trong bộ đệm sẽ được tập hợp thành 1 burst khi thời gian

vượt quá 1 chu kì tập hợp burst T b Giá trị T b nếu lớn thì dẫn đến bộ đệm tại nút

biên phải có độ trễ lớn, nếu T b quá nhỏ thì dẫn đến có rất nhiều burst có kích thước nhỏ được tạo ra và khi đó bộ xử lí phải có tốc độ xử lí cao

Trong sơ đồ dựa trên ngưỡng, 1 burst được tạo ra và được gửi vào trong mạng OBS khi tổng kích thước của các gói trong hàng đợi đạt đến 1 gíá trị ngưỡng

L b Nhược điểm của sơ đồ dựa trên ngưỡng là nó không giới hạn được lượng thời gian trễ tập hợp của các gói

Cơ cấu chuyển mạch quang Khối điều khiển chuyển mạch

Sự lựa chọn thuật toán tập hợp burst phụ thuộc vào loại lưu lượng được truyền tải Các thuật toán dựa trên thời gian là phù hợp với lưu lượng nhạy cảm với thời gian như các ứng dụng thời gian thực bởi vì biên trên của trễ tập hợp burst là được giới hạn Còn trong các ứng dụng không nhạy cảm với thời gian như truyền tải file thì để làm giảm các gói mào đầu điều khiển và tăng hiệu quả truyền dẫn OBS thì sơ đồ dựa trên ngưỡng là phù hợp hơn

Làm cách nào để chọn giá trị ngưỡng L b và giá trị thời gian T b vẫn còn là

vấn đề mở Nếu L b và T b nhỏ thì dẫn đến số lượng burst sẽ nhiều hơn và số lượng

tranh chấp sẽ tăng, nhưng số lượng các gói trung bình bị mất trên 1 tranh chấp sẽ ít

đi, ngoài ra còn làm tăng số lượng các gói điều khiển Nếu chu kì cấu hình động

của cơ cấu chuyển mạch quang là đáng kể thì L b và T b nhỏ sẽ dẫn đến hiệu quả sử dụng tài nguyên mạng sẽ thấp hơn bởi vì mỗi burst được chuyển mạch cần 1 chu kì

cấu hình động Ngược lại, nếu L b và T b lớn thì dẫn đến trễ tập hợp burst sẽ tăng và

số lượng các gói trung bình bị mất trên 1 tranh chấp sẽ lớn hơn Đó là mâu thuẫn giữa số lượng tranh chấp và số lượng các gói trung bình trên 1 tranh chấp Sự lựa

chọn tối ưu cho các giá trị L b và T b là tương ứng với loại lưu lượng đầu vào Thuật toán tập hợp “Chu kì tập hợp thích ứng” (Adaptive Assembly Period ) được đề xuất Thuật toán này sử dụng các chu kì tập hợp thích ứng để kết hợp với các cơ cấu điều khiển tắc nghẽn TCP

Trong sơ đồ tập hợp lai ghép giữa ngưỡng và thời gian thì 1 burst có thể được gửi đi khi chiều dài burst vượt quá ngưỡng yêu cầu hoặc vượt quá thời gian

yêu cầu Giả sử mỗi router biên có G hàng đợi để phân biệt các gói đến Thời gian của hàng đợi Q [i] được cho bởi T [i] và chiều dài của Q [i] được cho bởi L [i] Sơ

đồ lai ghép sử dụng thuật toán sau :

L [i] = 0 , dung dem thoi gian T [i]

End if

Tao 1 burst voi chieu dai L [i] va gui no vao mang OBS,

L [i] = 0 , dung dem thoi gian T [i]

Để hạn chế việc mất các gói bổ sung này thì có 1 cách là thực hiện dự đoán chiều dài burst Cho gói điều khiển mang chiều dài burst bao gồm chiều dài thực và chiều dài được dự đoán về các gói bổ sung đến trong thời gian cân bằng Khi chiều dài burst bổ sung được dự đoán là lớn hơn chiều dài burst bổ sung thực tế thì bước sóng được giành trước sẽ bị lãng phí Ngược lại, thì các gói bổ sung sẽ bị mất

Có 1 cách khác là cho 2 bộ đệm liên tiếp thay vì 1 bộ đệm trong mỗi hàng

đợi Q [i] Khi 1 burst được tạo ra từ 1 bộ đệm, thì các gói đến sau sẽ được lưu trữ

ở bộ đệm khác cho đến lần tập hợp tiếp theo được thực hiện

1.2.2.2 Các sơ đồ giành trước bước sóng : Trong các mạng OBS, 1 gói điều khiển được gửi trước để giành trước bước sóng theo đường định tuyến của nó cho burst dữ liệu Có 2 giao thức điều khiển được đề xuất cho các mạng ATM Một giao thức gọi là Tell – And – Wait, tức là khi 1 nguồn có burst để truyền tải thì đầu tiên nó cố gắng giành trước băng thông dọc theo mạch ảo bằng cách gửi 1 bản tin yêu cầu ngắn Nếu băng thông yêu cầu được cho phép ở tất cả các nút trung gian dọc theo đường định tuyến của nó thì 1 bản tin chấp nhận (ACK) từ đích sẽ trở về nguồn sau 1 thời gian trễ Ngược lại thì

1 bản tin từ chối ( NACK ) sẽ trở về nguồn Nguồn sẽ phát burst của nó khi nhận được bản tin ACK

Một giao thức khác là Tell – And – Go, nghĩa là nguồn sẽ phát burst ngay khi nó nhận được bản tin từ lớp cao hơn Burst này sẽ được sao lại và giữ tại nguồn cho đến khi nguồn biết được burst đã đến được đích thành công Phía thu sẽ gửi

ACK trở lại nguồn tương ứng khi nó nhận được bản tin thành công Ngược lại, thì phía thu gửi trở lại nguồn bản tin NACK để nguồn có thể phát lại burst sau đó

Trong OBS, mô hình báo hiệu được yêu cầu cho việc giành trước tài nguyên và việc cấu hình các chuyển mạch quang cho việc truyền dẫn burst Có vài

mô hình giành trước bước sóng cho OBS, như Tell – And – Go (TAG), Just – In – Time (JIT) và Just – Enough – Time (JET) được đề xuất Trong mô hình TAG, 1 nút nguồn sẽ gửi vào mạng 1 gói điều khiển Nút nguồn sau đó gửi ngay 1 burst dữ liệu Để có đủ thời gian cho việc xử lí bản tin điều khiển và việc cấu hình chuyển mạch ở mỗi nút, burst dữ liệu cần được đệm ở mỗi nút Trong mô hình JIT, burst

dữ liệu được đệm ở nút biên bởi bộ nhớ điện rẻ và phong phú và tốt hơn ở các nút trung gian trong đó sử dụng các đường trễ quang đắt tiền và hiếm Nút nguồn sẽ gửi bản tin SETUP để giành trước bước sóng trước khi truyền dữ liệu và 1 bản tin RELEASE để giải phóng sau khi truyền xong dữ liệu Nút chuyển mạch trung gian

sẽ cố gắng giành trước bước sóng ngay lập tức khi nhận được bản tin SETUP và sẽ giải phóng bước sóng khi nhận được bản tin RELEASE Tuy nhiên, trong trường hợp này thì hiệu quả sử dụng bước sóng là rất thấp do thời gian nắm giữ băng thông là lớn hơn thời gian truyền dẫn

Hình 1.9 minh hoạ kỹ thuật báo hiệu JET Trong trường hợp này thì nút đầu

vào sẽ đợi 1 khoảng thời gian cân bằng (offset time) trước khi nó bắt đầu phát burst dữ liệu Thời gian cân bằng ban đầu được đặt lớn hơn tổng thời gian xử lí của

CB dọc theo đường đi của nó,được tính là T 0 = h δ, trong đó h là số chặng giữa

nguồn và đích, δ là thời gian xử lí mào đầu burst trên 1 chặng Nếu tại bất kì nút

trung gian nào, việc giành trước là không thành công thì burst dữ liệu sẽ bị mất So với JIT thì CB trong JET chứa cả thông tin về thời gian cân bằng và chiều dài burst Vì vậy, tại mỗi nút trung gian, bước sóng sẽ được giành trước khi bắt đầu truyền burst dữ liệu và sẽ được giải phóng khi kết thúc burst dữ liệu

Hình 1.9 Kỹ thuật báo hiệu Just – Enough – Time (JET)

1.2.2.3 Giao thức báo hiệu JET : Thiết lập kết nối được dựa trên sự giành trước tài nguyên cho 2 hướng đã được phát triển trong thoại và các mạng tốc độ cao (không quang) Hướng tương tự cũng có thể sử dụng rất tốt trong các mạng quang Tuy nhiên, ở tốc độ 2,5Gbps, 1 burst 500kbytes có thể được gửi đi trong khoảng 1,6ms Tuy nhiên, nó sẽ nhận ACK 2,5ms chỉ để truyền qua khoảng cách 500km Điều này giải thích tại sao các giao thức giành trước 1 hướng nhìn chung tốt hơn các giao thức giành trước 2 hướng cho lưu lượng burst qua khoảng cách dài

T0

T0 : Thời gian cân bằng ban đầu

δ : Trễ xử lý của mỗi nút

Hình 1.10 OBS sử dụng giao thức JET

Hình 1.10 minh hoạ giao thức OBS được gọi là Just – Enough – Time (JET)

là loại giao thức giành trước 1 hướng Để gửi đi 1 burst dữ liệu (nhiều gói IP), 1 burst điều khiển giống như gói IP thông thường (vì vậy được gọi là gói điều khiển) được định tuyến từ nguồn đến đích của nó trên cơ sở từng chặng để giành trước đường dẫn toàn quang Mỗi nút chọn bước sóng dành riêng trên đường ra và dành trước khoảng thời gian cho burst dữ liệu theo sau và đặt lên chuyển mạch quang

Để đơn giản, chúng ta giả thiết rằng tổng thời gian xử lí của gói điều khiển là δ ở

mỗi nút Sau khi DB đợi ở nguồn trong miền điện trong thời gian cân bằng T 0, nó

sẽ được gửi dưới dạng các tín hiệu quang mà không cần đợi xác nhận từ đích Gọi

h là số chặng trên đường đi (trong hình h = 3), T 0 sẽ được chọn giá trị nhỏ nhất (δ

h) để đảm bảo đủ thời gian để mỗi nút hoàn thành việc xử lí gói điều khỉên trước

khi DB bắt đầu được phát Kết quả là, DB được gửi, nó đi qua các nút trung gian

mà không đi qua bất kì bộ đệm nào, bất kì bộ chuyển đổi O/E/O nào, hoặc bất kì thực thể IP trung gian nào

Trong giao thức giành trước 1 hướng, có 1 vấn đề quan tâm là tốc độ mất

dữ liệu Nếu 1 gói điều khiển bị lỗi ở nút trung gian thì DB tương ứng có thể bị mất và 1 phản hồi có thể được gửi trở lại nguồn để nó phát lại gói điều khiển và

DB sau đó Trong trường hợp này sẽ lãng phí băng thông trên 1 phần đường thiết lập Để hạn chế khả năng hao phí băng thông, 1 burst (hoặc gói quang) sẽ được lưu trữ trong bộ đệm điện ( sau khi đi qua bộ chuyển đổi O/E) và sau đó được chuyển đến đích của nó (sau khi đi qua bộ chuyển đổi E/O) Các đường trễ quang (FDLs)

Chú ý rằng, trong OBS dựa trên JET, 100% dung lượng của bộ đệm FDLs là sẵn sàng cho vấn đề giải quyết tranh chấp trong khi CM tế bào/ CM gói quang thì nhỏ hơn 100% Hơn nữa, JET không chỉ cải thiện băng thông khả dụng mà còn dễ dàng quản lí bộ đệm thông minh Kết quả là làm giảm đáng kể xác suất mất burst

Chú ý rằng, xác suất mất 1 vài burst có thể được giảm mà không sử dụng bất kì FDL nào, bằng cách chỉ định 1 độ ưu tiên cao hơn cho burst bằng cách bổ sung thêm thời gian cân bằng và do đó bảo đảm xác suất mất burst thấp hơn Gói điều khiển tương ứng có thể giành trước băng thông nhiều hơn những gói khác, kết quả là khả năng giành trước sẽ cao hơn

1.2.2.4 Các thuật toán lập lịch burst : Khi 1 CB đến nút lõi, nút lõi sẽ chuyển nó thành tín hiệu điện trong đó chứa thời gian đến của burst và khoảng thời gian của burst dữ liệu tương ứng với CB Thuật toán lập lịch kênh dữ liệu là gán 1 kênh dữ liệu trên đường ra cho burst dữ liệu Cơ cấu chuyển mạch quang được cấu hình động dựa trên các kết quả lập lịch

Để tìm 1 bước sóng phù hợp trong rất nhiều bước sóng cho burst đến thì có vài thuật toán lập lịch kênh dữ liệu được đề xuất : First Fit Unscheduled Channel (FFUC), Latest Available Unused Channel (LAUC), Latest Available Unused Channel with Void Filling (LAUC – VF)

FFUC Thuật toán FFUC (còn gọi là Horizon) theo dõi thời gian rỗi của mỗi kênh

dữ liệu Khi 1 CB đến, thuật toán FFUC sẽ tìm trong tất cả các kênh dữ liệu theo 1 thứ tự nhất định và gán burst cho kênh đầu tiên mà rỗi tại thời điểm đến của burst

Ví dụ về thuật toán FFUC ở hình 1.11, kênh dữ liệu 2 được chọn cho burst mới bởi

vì kênh số 2 là kênh đầu tiên mà có thời gian rỗi tại thời điểm t của burst mới khi

chúng ta tìm theo thứ tự tăng dần các kênh Ưu điểm của thuật toán này là tính toán đơn giản Tuy nhiên, thuật toán này cho hiệu quả sử dụng bước sóng thấp và

tỉ lệ tổn hao cao, vì nó tạo ra các khoảng trống giữa các burst trên mỗi kênh dữ liệu

Hình 1.11 Minh hoạ thuật toán FFUC

LAUC

So với FFUC thì LAUC tăng hiệu quả sử dụng bước sóng vì nó tạo ra các khoảng trống tối thiểu giữa câc burst bằng cách lựa chọn kênh dữ liệu rỗi đến kênh

cuối cùng cho mỗi burst dữ liệu đến Để ví dụ, trong hình 1.12, kênh dữ liệu 2 và

kênh 3 rỗi tại thời điểm đến t của burst mới Nhưng kênh dữ liệu 3 sẽ được chọn

cho burst mới bởi vì khoảng trống được tạo ra (t – t 3 ) trên kênh 3 sẽ nhỏ hơn

khoảng trống (t – t 2 ) sẽ được tạo ra nếu kênh 2 được chọn Do đó, thuật toán LAUC cho hiệu suất tổn hao burst tốt hơn FFUC

Hình 1.12 Minh hoạ thuật toán LAUC

LAUC – VF Trong cả hai thuật toán FFUC và LAUC, các khoảng trống giữa 2 burst dữ liệu nằm trên 1 kênh dữ liệu, chúng là dung lượng kênh không được sử dụng, gây

lãng phí Thuật toán LAUC – VF thì tương tự như LAUC nhưng trong trường hợp này thì các khoảng trống sẽ được lấp đầy bởi các burst mới đến

Trong LAUC – VF, thời gian bắt đầu và thời gian kết thúc của các khoảng trống trong mỗi kênh dữ liệu được ghi lại Ví dụ của thuật toán như minh hoạ trên

hình 1.13 Giả sử 1 burst dữ liệu mới đến chuyển mạch quang tại thời điểm t với khoảng thời gian L, bộ lập lịch đầu tiên sẽ tìm các kênh dữ liệu đầu ra mà rỗi trong chu kì thời gian (t, t +L) Các kênh dữ liệu số 1,2 và 5 là rỗi cho burst dữ liệu đến

Kênh dữ liệu 2 được chọn để mang burst dữ liệu mới vì khoảng trống được tạo ra giữa burst hiện có và burst dữ liệu đến có giá trị nhỏ nhất

Hình 1.13 Minh hoạ thuật toán LAUC – VF

Thuật toán LAUC – VF cho hiệu quả sử dụng bước sóng tốt hơn và tốc độ tổn thất thấp hơn thuật toán LAUC Tuy nhiên, thuật toán LAUC – VF mất rất nhiều thời gian xử lí hơn thuật toán LAUC, đặc biệt khi số lượng các khoảng trống lớn đáng kể so với số lượng các kênh dữ liệu ( mà điều này thì thường xảy ra)

1.2.2.5 Các giải pháp khắc phục tranh chấp burst:

Khi các burst đi vào mạng lõi OBS bởi các router biên mà không đợi xác nhận là đã giành trước được tài nguyên thì 1 burst có thể xảy ra tranh chấp về bước sóng với các burst khác từ các nguồn khác nhau ở các nút trung gian, khi chúng muốn chiếm giữ đồng thời củng 1 bước sóng ở cùng 1 cổng ra Các nút OBS trung gian phải giải quyết sự tranh chấp có thể xảy ra giữa các burst Ngoài việc các burst tranh chấp bị mất thì sự tranh chấp có thể được giải quyết bằng các cách sau:

 Dùng bộ đệm FDL : Burst tranh chấp sẽ bị làm trễ trong 1 chu kì cố định bằng cách cho đi qua FDL

 Dùng bộ chuyển đổi bước sóng : Burst tranh chấp sẽ bị chuyển sang bước sóng khác qua bộ chuyển đổi bước sóng

 Định tuyến lệch : Burst tranh chấp sẽ được gửi đến 1 cổng đầu ra khác và sau đó định tuyến kế tiếp để đến đích

Bộ đệm FDL Đơn giản và chắc chắn Tăng trễ đầu cuối đến

đầu cuối và tăng kích thước của các nút

Bộ chuyển đổi bước

sóng

Là giải pháp có hiệu quả nhất

Không chắc chắn và đắt tiền

Định tuyến lệch Không yêu cầu bổ sung

phần cứng

Các thứ tự đến bị sai lệch

Bảng 1.1 So sánh các giải pháp tranh chấp khác nhau

1.3 Kết luận chương

Từ những giới thiệu và đánh giá về những đặc tính của các kỹ thuật chuyển mạch quang (Định tuyến bước sóng quang, chuyển mạch gói quang, chuyển mạch burst quang) ở trên, chúng ta thấy rằng chuyển mạch burst quang là một giải pháp chuyển mạch tốt đầy hứa hẹn trong các mạng quang Bởi vì chuyển mạch burst quang có nhiều ưu điểm vượt trội so với các kỹ thuật chuyển mạch khác như : thời gian thiết lập thấp, hiệu quả sử dụng băng thông cao và khả năng thích ứng cao đối với lưu lượng và lỗi, ngoài ra việc thực hiện dễ dàng hơn nhiều so với chuyển mạch gói quang OBS cho phép chuyển mạch toàn bộ dữ liệu trong miền quang bởi các thành phần điều khiển được đặt trong miền điện

Nhìn chung trong tương lai gần, chuyển mạch burst quang có khả năng thuơng mại hơn chuyển mạch gói quang nếu được thiết kế với yêu cầu không có

bộ đệm quang Nhiều hãng và trung tâm nghiên cứu trên thế giới đang gia tăng mối quan tâm đến thiết bị quang, việc triển khai trong tương lai gần các sản phẩm mạng dựa trên chuyển mạch burst quang là một điều tất yếu

Mức trễ Đệm quang Xử lý/đồng

bộ hoá mào đầu

Khả năng thích ứng (với lưu lượng và lỗi)

cầu

cầu

Bảng 1.2 So sánh ba kỹ thuật chuyển mạch quang

CHƯƠNG 2 : CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ ( QoS )

2.1 Định nghĩa QoS :

Việc định nghĩa chất lượng dịch vụ (QoS) là 1 vấn đề phức tạp, là mức chất lượng mong muốn sẽ truyền tải từ người sử dụng đến người sử dụng và từ dịch vụ đến dịch vụ Trong các mạng điện thoại tương tự, nhiễu là vấn đề lớn nhất ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ Tuy nhiên, vấn đề này đã được giải quyết hoàn toàn trong các mạng điện thoại số Thay vào đó, vấn đề lỗi bit trở thành vấn đề lớn trong các mạng số do các vấn đề khác như mất đồng bộ ,mất bít, dịch pha và trôi pha…Tất cả những vấn đề đó có thể dẫn đến lỗi bít Trong các mạng gói, các vấn

đề lỗi gói và mất gói là những vấn đề quan trọng bởi vì tất cả những vấn đề khác của lỗi bít có thể dẫn đến kết quả gây nên lỗi gói và mất gói Ngoài ra, nếu các dịch vụ đa phương tiện được cung cấp qua các mạng gói thì trễ gói và biến động trễ là vấn đề quan trọng cần được giải quyết, nguyên nhân gây ra bởi việc xử lí kích thước gói của các tín hiệu liên tục theo thời gian Như vậy, có nhiều tham số hiệu năng khác nhau ứng với các mạng khác nhau Các hệ số chính của QoS bao gồm : tốc độ lỗi bít (BER), tốc độ lỗi gói, trễ của các dịch và sự biến động trễ

Sau khi chúng ta định nghĩa thuật ngữ QoS, vấn đề tiếp theo sẽ được giải quyết là làm thế nào để thực hiện QoS, đó là làm thế nào để vận hành 1 mạng để đạt được các yêu cầu QoS mong muốn Đây là câu hỏi mà chưa có câu trả lời rõ ràng Tuy nhiên, vấn đề thực hiện QoS là vấn đề cần phải thực hiện cẩn thận và kỹ lưỡng gắn với các tham số hiệu năng ảnh hưởng đến QoS Có 2 sự lựa chọn để giải quyết vấn đề QoS, hoặc là dự trữ tài nguyên mạng hoặc là sử dụng 1 số loại cơ cấu

có chức năng quản lí lưu lượng thông minh trong mạng Trong trường hợp thứ nhất, mạng phải cung cấp nhiều tài nguyên hơn ( tần số hoặc bước sóng) cho mỗi kết nối so với yêu cầu tối thiểu, như vậy dung lượng cài đặt trong mạng phải lớn hơn yêu cầu tối thiểu Trong giải pháp thứ 2 thì ngược lại, các cơ cấu quản lí thông minh cho phép bộ đệm quản lí lập lịch và các chức năng khác để cho phép mỗi người sử dụng có được mức QoS mong muốn Như vậy, sẽ có 2 giải pháp để giải quyết vấn đề QoS, tuỳ thuộc vào các nhà quản lí mạng muốn tăng dung lượng thực của mạng hay muốn xây dựng các mô hình quản lí lưu lượng thông minh Để trả lời các câu hỏi này thì chúng ta cần xem xét các vấn đề QoS trong mạng IP hay tìm giải pháp tích hợp trong các mạng IP, ATM, SDH/SONET và WDM Ví dụ, có nhiều hướng để đạt được yêu cầu QoS với việc tăng băng thông trong khi đó vẫn giữ tính thông minh bên trong mạng để đơn giản hoá mạng Ngược lại, có 1 số

hướng khác để đạt được các yêu cầu QoS với 1 số mô hình thông minh để quản lí mạng tích hợp nhiều thành phần

Mạng Internet hiện nay cung cấp dịch vụ trên cơ sở phục vụ theo nỗ lực tối

đa (best – effort) Tức là không có bất cứ một cam kết nào được đưa ra từ phía nhà khai thác về chất lượng của dịch vụ Thay vào đó, tuỳ thuộc vào trạng thái cụ thể của mạng, mạng chủ sẽ thực hiện những khả năng tốt nhất của mình để phục vụ lưu lượng của dịch vụ Đây chính là nguyên nhân chủ yếu thúc đẩy sự nghiên cứu mạnh mẽ về QoS trên nền mạng IP trong những năm gần đây

Kiến trúc mạng hiện nay thực hiện phân phối gói theo dịch vụ tốt nhất, các router thiết kế theo kiểu cũ tức là ngoại trừ lưu trữ bảng định tuyến, router không lưu các thông tin về trạng thái của luồng dữ liệu để hỗ trợ QoS Trong khi đó xu hướng mạng Internet ngày nay dần trở thành mạng đa dịch vụ và phải đảm bảo dịch vụ cho rất nhiều ứng dụng khác nhau như các ứng dụng thời gian thực, Video,FTP, Web… Mỗi ứng dụng ứng với những người dùng khác nhau sẽ đòi hỏi chất lượng dịch vụ QoS khác nhau Chất lượng dịch vụ QoS dùng để chỉ đến khả năng của mạng trong việc cung cấp dịch vụ tốt nhất cho mạng được chọn với những kĩ thuật khác nhau như FrameRelay, ATM, MPLS…hoặc sử dụng tất cả các

kĩ thuật trên Mục đích chính của việc đưa ra QoS là cung cấp độ ưu tiên khác nhau về băng thông, jitter, độ trễ hoặc tỉ lệ mất gói Chất lượng dịch vụ QoS sẽ được áp dụng cho 1 luồng từ nguồn đến đích và sẽ đặt độ ưu tiên khác nhau cho các luồng đó Trong trường hợp mạng bị tắc nghẽn hoặc lỗi thì tuỳ độ ưu tiên luồng nào sẽ được xử lí trước Với việc sử dụng hàng đợi, khi bị tắc nghẽn, chúng

ta sẽ huỷ luồng có độ ưu tiên thấp trước khi huỷ luồng có độ ưu tiên cao Với việc

sử dụng chính sách hay định khuôn chúng ta sẽ đảm bảo độ ưu tiên bằng cách giảm thông lượng của luồng khác…Để thực hiện QoS, các thành phần cơ bản để đảm bảo QoS gồm : Thành phần QoS định dạng và đánh dấu sử dụng cho việc đánh dấu các gói từ đầu đến cuối khi đi qua giữa các thành phần mạng; thành phần QoS giữa các thiết bị mạng như hàng đợi, bộ lập lịch, định khuôn lưu lượng; thành phần quản lí, chính sách QoS dùng để điều khiển và quản trị lưu lượng từ đầu cuối đến đầu cuối xuyên suốt mạng

Có rất nhiều giải pháp được đưa ra để đáp ứng cho yêu cầu của người dùng

và cũng để đạt được hiệu quả sử dụng tài nguyên lớn nhất với chi phí tối thiểu.Các giải pháp đưa ra cả về phần cứng (thay đổi kiến trúc của các router truyền thống) lẫn phần mềm (xây dựng các giao thức mới) đều dựa trên thông tin về trạng thái

tin về các luồng dữ liệu, các dịch vụ và việc sử dụng tài nguyên của chúng, và các

cơ chế lưu lượng để cung cấp dịch vụ Thông tin trạng thái của mạng có thể dựa trên từng luồng hay dựa trên thông tin của tập các luồng Các thông tin trạng thái này khác nhau với các thành phần khác nhau của mạng như tại các router biên hoặc lõi Một tác vụ quan trọng liên quan đến thông tin trạng thái của mạng là phân loại gói Sử dụng một số quy luật định nghĩa độ ưu tiên của gói ( một luồng hay thông tin của tập các luồng), việc phân loại gói bao gồm việc tìm ra độ ưu tiên

mà gói đó thuộc về Thành phần của mạng thực hiện việc phân loại, xác định trạng thái mạng liên quan, và sau đó thực hiện các giao tác khác như đưa vào hàng đợi, điều khiển…Việc phân loại gói được thực hiện bởi việc duyệt một hoặc nhiều trường tiêu đề và kiểm tra dựa trên các quy luật cho luồng hoặc tập các luồng.Việc đưa ra định nghĩa về thông tin trạng thái của mạng ở trên để đưa đến sự phân biệt 2 khuynh hướng phát triển mạng hiện nay để cung cấp dịch vụ QoS, đó là mạng lõi

có lưu trạng thái và mạng lõi không lưu trạng thái:

 Mạng lõi lưu trạng thái, tức là lưu thông tin của mỗi luồng tại router biên và router lõi Router biên và lõi sử dụng thông tin về từng luồng

để thực hiện các thao tác về điều khiển lưu lượng trên mỗi luồng Tuy nhiên, một số tác vụ sẽ phức tạp và không linh động khi số lượng của luồng lớn do phải sử dụng giao thức báo hiệu để thiết lập tuyến đường và còn vấn đề phân loại các gói tin rất phức tạp Do đó giải pháp này không hiệu quả với số lượng luồng của mạng rất lớn

 Mạng lõi không lưu trạng thái thì tuy có lưu trạng thái của mỗi luồng nhưng không lưu thông tin tập trạng thái tại lõi Mỗi router biên sẽ phân loại mỗi luồng thuộc vào tập nào và router lõi chỉ việc áp dụng chính sách khác nhau với mỗi tập Với cơ chế này, việc đáp ứng dịch

vụ không tốt bằng việc quản lí thông tin của từng luồng nhưng cơ chế này đơn giản và linh động, không cần thiết phải có báo hiệu tại mỗi luồng và dùng cơ chế phân loại đơn giản

Dựa vào hai mô hình mạng trên, chúng ta sẽ nghiên cứu hai giải pháp đưa

ra để đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS cho mạng lõi, đó là các giải pháp IntServ và DiffServ