vii T ừ viết tắt Thu ật ngữ tiếng Anh Di ễn giải ý nghĩa khoảng trống cải tiến iTPAC improved Traffic Prediction based Admission Control Điều kiển chấp nhận dựa trên dự đoán lưu lượng
TỔ NG QUAN V Ề CH Ấ T LƯỢ NG D Ị CH V Ụ TRONG M Ạ NG
Giới thiệu về mạng chuyển mạch chùm quang
Kiến trúc mạng OBS bao gồm các nút kết nối qua sợi quang hỗ trợ ghép kênh đa bước sóng WDM Các nút trong mạng OBS gồm nút biên (vào/ra) và nút lõi Nút biên có nhiệm vụ tập hợp các gói dữ liệu thành chùm và lập lịch cho các kênh dữ liệu ra, đóng vai trò là giao diện giữa miền điện tử và miền quang Trong khi đó, nút lõi thực hiện chuyển mạch các chùm từ cổng vào đến cổng ra, với các thành phần chính bao gồm bộ chuyển mạch quang, đơn vị điều khiển chuyển mạch và các bộ xử lý để định tuyến và báo hiệu.
Hình 1.1 Kiến trúc mạng chuyển mạch chùm quang [8]
Nút biên mạng OBS thường được trang bị bộ định tuyến IP mang giao diện
Trong mạng OBS, mỗi chùm dữ liệu đi kèm với một gói điều khiển chứa thông tin về độ dài chùm và lớp ưu tiên, giúp đặt trước tài nguyên (bước sóng) tại các nút trung gian Gói điều khiển và dữ liệu được truyền riêng biệt trên các kênh khác nhau, mang lại sự linh hoạt và khả năng mở rộng cho mạng Mỗi kênh điều khiển có thể chứa nhiều gói điều khiển, được chuyển đổi O/E/O tại các nút trung gian và xử lý trong môi trường điện để cấu hình chuyển mạch Chùm dữ liệu theo sau gói điều khiển với một khoảng thời gian bù đắp, đảm bảo gói điều khiển có đủ thời gian để đặt trước tài nguyên, giúp chuyển tiếp chùm dữ liệu mà không cần chờ đợi, do đó nút trung gian không cần trang bị bộ nhớ RAM.
Các hoạt động chính của các nút OBS sẽ được thể hiện chi tiết qua Hình 1.2
Hình 1.2 Các hoạt động chính của nút mạng chuyển mạch chùm quang [8]
1.1.2 So sánh v ề các mô hình chuy ể n m ạ ch quang
Sự phát triển của công nghệ chuyển mạch quang được tóm tắt qua cụm từ chuyển mạch “X” quang (OXS), với X = {C, P, B, L, F} tương ứng với kênh, gói, chùm, nhãn và luồng Luận án đề cập đến ba mô hình mạng chính để vận chuyển lưu lượng IP qua các mạng quang dựa trên WDM, bao gồm mạng OCS, mạng OPS và mạng OBS, được mô tả và so sánh chi tiết.
Với kiến trúc chuyển mạch kênh quang OCS, các nút chuyển mạch được thể hiện là một đường quang vật lý, có khả năng hoạt động ở chế độ tĩnh hoặc động.
Chuyển mạch quang OXC thiết lập liên kết qua các nút trung gian, chịu trách nhiệm chuyển mạch toàn bộ dữ liệu mang theo trên bước sóng 𝜆 từ cổng vào đến cổng ra khác Thời gian kết nối OCS trung bình khoảng 1 phút hoặc lâu hơn, trong khi thời gian ngắt kết nối thường chỉ vài trăm mili giây.
Mạng OCS (Optical Circuit Switching) có ưu điểm nổi bật là định tuyến bước sóng WR, cho phép quyết định chuyển mạch dựa trên bước sóng Công nghệ này đã được triển khai tại nhiều nhà cung cấp mạng đường trục dài, mang lại khả năng cung cấp QoS hiệu quả cho mạng truy cập Tuy nhiên, mặc dù là một cải tiến so với kiến trúc điểm-điểm thế hệ đầu tiên, OCS vẫn gặp phải một số hạn chế, như chi phí kiểm soát cao do các kết nối ngắn dẫn đến việc truyền dữ liệu rời rạc Các nút trung gian trong OCS hoàn toàn trong suốt với dữ liệu truyền, và việc phân bổ băng thông trên bước sóng λ không phải lúc nào cũng cần thiết, vì hầu hết ứng dụng chỉ yêu cầu kết nối tại một số thời điểm nhất định Trong môi trường mạng biến động, dữ liệu có thể chỉ được truyền trong vài giây, dẫn đến sự lãng phí tài nguyên.
12 lớn về sử dụng băng thông trong mạng OCS
Mạng chuyển mạch gói quang (OPS) là một mô hình chuyển mạch cho phép chuyển và định tuyến các gói tin IP trong miền quang mà không cần chuyển đổi sang miền điện tử tại mỗi nút mạng.
OPS sử dụng một ma trận chuyển mạch có khả năng cấu hình lại cho từng gói tin đến, cho phép phần dữ liệu và phần điều khiển được gửi mà không cần thiết lập trước Tại mỗi nút lõi, dữ liệu được lưu tạm trong bộ đệm quang, trong khi phần điều khiển được chuyển đổi từ quang sang điện để xử lý Dựa trên thông tin điều khiển, chuyển mạch được cấu hình để chuyển gói quang từ cổng vào đến cổng ra và truyền ngay lập tức đến nút tiếp theo Tuy nhiên, do công nghệ hiện tại chưa phát triển được bộ đệm quang và bộ chuyển mạch quang tốc độ cao, mạng OPS gặp khó khăn trong việc khả thi trong tương lai gần.
Hình 1.4 Kiến trúc chuyển mạch gói quang OPS [43]
Chuyển mạch chùm quang (OBS) là giải pháp kết hợp giữa hai mô hình OCS và OPS So sánh ba mô hình chuyển mạch quang OCS, OPS và OBS dựa trên năm tiêu chí quan trọng: mức sử dụng băng thông, độ tin cậy, khả năng mở rộng, chi phí và độ phức tạp trong triển khai.
Thời gian trễ thiết lập, tốc độ chuyển mạch, độ phức tạp xử lý và khả năng thích ứng với lưu lượng được khuyến cáo trong các tài liệu [26] và [31] sẽ được mô tả chi tiết dưới đây.
Trong mạng OCS, băng thông được sử dụng theo cách tĩnh hoặc động, với mỗi đường dẫn quang dành riêng cho một cặp nút nguồn - đích, không cho phép chia sẻ băng thông giữa các nút khác Điều này dẫn đến việc công nghệ OCS không hỗ trợ ghép kênh thống kê Ngược lại, mạng OPS và OBS cho phép chia sẻ băng thông giữa các cặp nút khác nhau, cải thiện khả năng sử dụng băng thông Thêm vào đó, trong mạng OCS, độ trễ thiết lập cao do cần trao đổi thông điệp báo hiệu hai chiều trước khi thiết lập đường truyền, trong khi OPS và OBS chỉ sử dụng báo hiệu một chiều, giúp giảm độ trễ mạng.
Tốc độ chuyển mạch trong mạng OCS được thực hiện ở mức bước sóng quang, với đơn vị chuyển mạch là đường quang, dẫn đến tốc độ chuyển mạch tương đối chậm do thời gian sử dụng dài Ngược lại, mạng OPS yêu cầu chuyển mạch ở cấp gói, đòi hỏi thiết bị chuyển mạch phải nhanh chóng chuyển các gói quang đến cổng ra tiếp theo Do đó, khả năng chuyển mạch và đặt trước tài nguyên nhanh là rất quan trọng trong mạng OPS Trong khi đó, mạng OBS có đơn vị chuyển mạch là chùm lớn hơn, cho phép yêu cầu chuyển mạch được coi là vừa phải Về độ phức tạp xử lý, mạng OCS có yêu cầu thấp hơn so với mạng OPS và OBS, do đó, độ phức tạp trong mạng OPS cao hơn do yêu cầu chi tiết hơn trong quá trình chuyển mạch.
Mạng OBS sử dụng chùm dữ liệu làm đơn vị chuyển mạch, kết hợp nhiều gói riêng lẻ, dẫn đến độ phức tạp xử lý cao hơn so với mô hình OCS nhưng thấp hơn so với OPS Mỗi gói trong mạng OBS có phần điều khiển riêng, làm tăng thêm độ phức tạp trong quá trình xử lý.
Mạng OPS và OBS tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên mạng thông qua việc ghép kênh thống kê các luồng dữ liệu, đặc biệt là dựa vào loại dữ liệu được truyền tải So với mạng OCS, OPS và OBS phù hợp hơn với lưu lượng dữ liệu truy cập dạng gói/chùm, nơi mà việc chuyển mạch diễn ra ở mức đơn vị bước sóng và có độ trễ cao.
Công nghệ OBS mang lại nhiều lợi thế rõ rệt, đặc biệt khi so sánh với các cải tiến công nghệ trong tương lai gần Mạng OBS được coi là sự kết hợp hoàn hảo giữa những ưu điểm của OCS và OPS, đồng thời khắc phục những hạn chế của chúng, như được thể hiện trong Bảng 1.1.
Bảng 1 1 So sánh các mô hình chuyển mạch quang [26]
Tiêu chí OCS OPS OBS
Băng thông sử dụng Thấp Cao Cao Độ trễ thiết lập Cao Thấp Thấp
Tốc độ chuyển đổi Chậm Nhanh Vừa Độphức tạp xử lý Cao Trung bình Cao
Thích ứng lưu lượng Thấp Cao Cao
1.1.3 Các ho ạt độ ng t ạ i nút biên
Tùy thuộc vào trạng thái gửi/nhận, nút biên có thể được xem là nút vào hoặc ra
Chất lượng dịch vụ trong mạng OBS
1.2.1 S ự c ầ n thi ế t nâng cao ch ất lượ ng d ị ch v ụ
Một vấn đề quan trọng của mạng thế hệ tiếp theo là khả năng cung cấp các loại dịch vụ khác nhau với yêu cầu riêng về hiệu năng mạng Các dịch vụ này thường được phân loại thành các lớp dịch vụ (CoS) và gán nhãn chất lượng dịch vụ (CLDV) riêng Để tạo ra sự đa dạng về chất lượng dịch vụ (QoS), mỗi lớp dịch vụ cần được kiểm soát CLDV thông qua các tiêu chí hiệu năng mạng như băng thông, xác suất mất gói và độ trễ đầu - cuối Ví dụ, một ứng dụng yêu cầu xác suất mất gói tin không vượt quá 1% Nếu xác suất mất gói tại một bộ định tuyến vượt quá mức này, yêu cầu CLDV sẽ không đạt Do đó, việc nâng cao CLDV là cần thiết cho đường truyền tốc độ cao của mạng Internet thế hệ mới.
Các mạng IP truyền thống có thể tạo ra sự phân biệt chất lượng dịch vụ (CLDV) thông qua các cơ chế mã hóa và chính sách định tuyến/chuyển mạch thông minh Để tối đa hóa lợi nhuận, các nhà khai thác mạng thường muốn cung cấp nhiều mức CLDV cần thiết cho nhiều người sử dụng với số lượng tài nguyên mạng tối thiểu Điều này áp dụng cho tất cả các mạng truyền thông, đặc biệt là mạng OBS Do đó, việc nâng cao CLDV là rất quan trọng để gia tăng hiệu năng mạng.
Mạng OBS là hệ thống vận chuyển dữ liệu giữa các lớp, trong đó dữ liệu ở tầng IP được cung cấp bởi các dịch vụ của tầng MAC và tầng quang Tầng IP không quan tâm đến hoạt động của mạng OBS mà chỉ chú trọng đến các dịch vụ và khả năng kết nối mà các tầng dưới cung cấp Để đảm bảo chất lượng dịch vụ vận tải, một số lớp dịch vụ quang đã được định nghĩa nhằm cung cấp sự tương đương với chất lượng dịch vụ ở tầng.
IP [43] Trong đa số các đề xuất, các mô hình chất lượng dịch vụ hai lớp là chiếm ưu thế trong [5], [6], [7], [12], [18], [19], [21], [22], [37], [39], [40], [42], [44], [49],
[51], [55], [57], [60], [69], [74] Chẳng hạn, các tác giả trong [19] đề xuất mô hình
Lớp dịch vụ CLDV bao gồm hai loại: dịch vụ thời gian thực (RT) như video và thoại, và dịch vụ phi thời gian thực (NRT) như FTH, HTTP Lớp ưu tiên cao (lớp 0) dành cho dịch vụ thoại và video với yêu cầu độ trễ tối đa 400 ms, tỉ lệ xuất hiện chùm dữ liệu không vượt quá 10 ms, và tỉ lệ mất từ 2-6% Dịch vụ thoại yêu cầu băng thông 64 kbps, độ trễ tối đa 2 ∗ 𝑇 𝑊 ) then //bắt đầu quan sát lại với trường hợp ngoài vùng cửa sổ 2 ∗ 𝑇 𝑊
27 𝑝𝑎𝑢𝑠𝑒 ∶= 0 ; //bắt đầu đếm lại trong cửa sổ mới
28 𝑡 𝑠𝑡𝑎𝑟𝑡 ∶= 𝑠 𝑢𝑏 ; //khởi gán lại thời điểm bắt đầu quan sát mới
30 if (( 𝑝𝑟𝑖𝑜 𝑢𝑏 = 0 ) and ( 𝐨𝒎𝒆𝒈𝒂(𝑢𝑏, 𝑊; 𝑜𝑣𝑒𝑟𝑙𝑎𝑝) < 𝑊 0 )) then// giai đoạn 2: xem xét điều kiện điều khiển chấp nhận cho chùm ưu tiên
31 𝑐ℎ: = 𝑩𝑭𝑽𝑭(𝑢𝑏, 𝑊; 𝑏𝑒𝑠𝑡_𝑐ℎ𝑎𝑛𝑛𝑒𝑙) ;// l ậ p l ị ch chùm ưu tiên cao trên kênh
𝑏𝑒𝑠𝑡_𝑐ℎ𝑎𝑛𝑛𝑒𝑙 và return nếu tìm kiếm thành công
32 if ( 𝑐ℎ −1 ) then //trường hợp t ì m kiếm k ênh thành công
33 𝑆 0 ∶= 𝑆 0 {𝑢𝑏} ; // cập nhật số lượng ch ùm ư u tiê n cao lập lịch th ành công
35 𝐷 0 ∶= 𝐷 0 {𝑢𝑏}; // cập nhật số lượng ch ùm ư u tiên cao khô ng lập lịch
38 if ( 𝑝𝑟𝑖𝑜 𝑢𝑏 = 1 ) and ( 𝒐𝒎𝒆𝒈𝒂(𝑢𝑏, 𝑊; 𝑜𝑣𝑒𝑟𝑙𝑎𝑝) < 𝑊 1 ) then //xem xét điều kiện điều khiển chấp nhận cho chùm ưu tiên thấp có thỏa mãn
39 𝑐ℎ ∶= 𝑩𝑭𝑽𝑭(𝑢𝑏, 𝑊; 𝑏𝑒𝑠𝑡_𝑐ℎ𝑎𝑛𝑛𝑒𝑙) ; // lập lịch chùm ưu tiên thấp trên kênh
𝑏𝑒𝑠𝑡_𝑐ℎ𝑎𝑛𝑛𝑒𝑙 và return nếu tìm kiếm thành công
41 if ( 𝑐ℎ −1 ) then //trường hợp t ì m kiếm k ênh thành công
42 𝑆 1 ∶= 𝑆 1 {𝑢𝑏} ; // cập nhật số lượng chùm ưu tiên thấp lập lịch thành công
44 𝐷 1 ∶= 𝐷 1 {𝑢𝑏} ; // cập nhật số lượng chùm ưu tiên thấp không lập lịch
Hàm 𝒐𝒎𝒆𝒈𝒂(𝑢𝑏, 𝑊; 𝑜𝑣𝑒𝑟𝑙𝑎𝑝) xác định số chồng lấp (𝑜𝑣𝑒𝑟𝑙𝑎𝑝) của chùm đến (𝑢𝑏) với các chùm cùng lớp QoS đã được lập lịch Do lưu lượng đến và tốc độ chuyển tiếp chùm tại cổng ra rất nhanh, chỉ tối đa hai chùm được lập lịch sau cùng trên mỗi kênh ra được xem xét (|𝑆𝐵 𝑘 | ≤ 2) Độ phức tạp của hàm 𝒐𝒎𝒆𝒈𝒂(𝑢𝑏, 𝑊; 𝑜𝑣𝑒𝑟𝑙𝑎𝑝) là 𝑂(𝑊).
Hàm 𝑩𝑭𝑽𝑭(𝑢𝑏, 𝑊; 𝑏𝑒𝑠𝑡_𝑐ℎ𝑎𝑛𝑛𝑒𝑙) là một thuật toán lập lịch lấp đầy khoảng trống tốt nhất hiện nay [47], có chức năng lập lịch một chùm đến 𝑢𝑏 lên một trong
Phương pháp dành lại tài nguyên cho chùm ưu tiên cao
2.4.1 Nguyên t ắ c dành l ại tài nguyên cho chùm ưu tiên cao
Mô hình dự đoán lưu lượng được đề xuất tương tự như LLAC, dựa trên nguyên tắc ưu tiên tuyệt đối cho chùm ưu tiên cao Trong trường hợp này, chùm ưu tiên thấp đã được lập lịch có thể bị gỡ bỏ để dành tài nguyên cho chùm ưu tiên cao hơn nếu không có tài nguyên khả dụng Tuy nhiên, phương pháp này làm phức tạp hệ thống, vì các nút lõi cần tạo thêm gói điều khiển để gửi về nút biên (nút nguồn) nhằm gỡ bỏ các tài nguyên đã được đặt trước tại các nút trung gian.
Nguyên tắc dành lại tài nguyên từ chùm ưu tiên thấp cho chùm ưu tiên cao được đề xuất như sau:
Khi một chùm ưu tiên cao đến tại một cổng ra mà không có bước sóng khả dụng, tài nguyên bị chiếm dụng bởi chùm ưu tiên thấp sẽ được xem xét để gỡ bỏ Việc gỡ bỏ chùm ưu tiên thấp chỉ được thực hiện nếu thỏa mãn cả hai điều kiện.
Chùm ưu tiên cao chỉ chồng lấp với chùm ưu tiên thấp dự định gỡ bỏ, trong khi gói điều khiển của chùm ưu tiên thấp vẫn chưa được gửi đến nút tiếp theo.
Nếu không, chùm ưu tiên cao mới đến bị loại bỏ
Với trường hợp chùm ưu tiên thấp đến và tất cả tài nguyên đều bận, chùm này sẽ bị rơi
Việc điều khiển chấp nhận cho mỗi chùm đến được thực hiện dựa trên tham số $\omega$, đại diện cho số chồng lấp của các chùm đã được lập lịch tại thời điểm xem xét Cụ thể, nếu số chồng lấp nhỏ hơn số bước sóng được cấp phát, tức là $\omega < W_0$, thì điều này áp dụng cho chùm ưu tiên cao.
𝑊1, đối với chùm ưu tiên thấp, chùm đến sẽ được lập lịch
Mô hình TPAC được hình thành bằng cách tích hợp phương pháp dành lại tài nguyên cho chùm ưu tiên cao vào mô hình chấp nhận lập lịch dựa trên dự đoán tốc độ chùm đến, như đã trình bày ở Mục 2.3.1.
2.4.2 Mô t ả thu ật toán điề u khi ể n ch ấ p nh ậ n trong mô hình TPAC Đối với mỗi chùm đến ub, trong đó mỗi 𝑢𝑏 = (𝑠 𝑢𝑏 , 𝑒 𝑢𝑏 , 𝑝𝑟𝑖𝑜 𝑢𝑏 )là một tập đặc trưng bởi bộ ba thuộc tính gồm: thời gian bắt đầu s ub và kết thúc e ub , và mức độ ưu tiên của chùm (𝑝𝑟𝑖𝑜𝑢𝑏 = 0 cho ưu tiên cao và 𝑝𝑟𝑖𝑜𝑢𝑏 = 1 cho ưu tiên thấp), thuật toán điều khiển chấp nhận trong mô hình TPAC (gọi tắt thuật toán TPAC) được mô tả như sau:
- 𝑊 = {1,2, , 𝑘}; //các kênh bước sóng ra
Ra: - Tập các chùm QoS cao được lập lịch 𝑆 0 , và bị đánh rơi 𝐷 0 ;
- Tập các chùm QoS thấp được lập lịch 𝑆1 và bị đánh rơi 𝐷1
1 for each chùm 𝑢𝑏 đến do
2 if ( hết thời gian𝑇𝑊 ; ) then //giai đoạn 1: dự đ oá n tốc độ ch ùm đến
55 nhằm xác định số k ênh b ước s ó ng cho lớp ư u tiê n thấp
3 𝝀 𝒊 𝒄𝒖𝒓 := tỉ lệ tốc độ hiện tại của lớp ưu tiên cao và thấp đến trong cửa sổ;
4 𝛼 𝑖 ≔ 𝜆 𝑖 𝑐𝑢𝑟 /(𝜆 𝑐𝑢𝑟 𝑖 + 𝜆 𝑎𝑣𝑔 𝑖 ) ; //điều chỉnh trọng số theo tốc độ đến
5 𝜆 𝑖 𝑎𝑣𝑔 ≔ (1 − 𝛼 𝑖 ) × 𝜆 𝑖 𝑎𝑣𝑔 + 𝛼 𝑖 × 𝜆 𝑖 𝑐𝑢𝑟 ; //tính lại tốc độ đến trung bình
0 𝑎𝑣𝑔 +𝜆 1 𝑎𝑣𝑔 ; //điều chỉnh lượng băng thông cấp phát 𝑊 1
8 𝒊𝑩𝑭𝑽𝑭(𝑢𝑏, 𝑊 1 ; 𝑏𝑒𝑠𝑡_𝑐ℎ𝑎𝑛𝑛𝑒𝑙); / / giai đoạn 2: l ậ p l ị ch chùm 𝑢𝑏 trên kênh
2 𝑜𝑣𝑒𝑟𝑙𝑎𝑝 ∶= t ổ ng ch ồ ng l ấ p c ủ a chùm 𝑢𝑏 với chùm ưu tiên thấp đã lập lịch;
3 if 𝑜𝑣𝑒𝑟𝑙𝑎𝑝 >= 𝑊 1 then return -1; //điều kiện dành tài nguyên có thỏa mãn
7 𝑏𝑒𝑠𝑡_𝑏𝑢𝑟𝑠𝑡 ∶= 𝑹𝒆𝒑𝒍𝒂𝒄𝒆(𝑢𝑏, 𝑊) ; //dành tài nguyên ưu tiên thấp
Độ phức tạp của thuật toán TPAC phụ thuộc vào hàm 𝒐𝒎𝒆𝒈𝒂(𝑢𝑏, 𝑊; 𝑜𝑣𝑒𝑟𝑙𝑎𝑝) và hàm 𝒊𝑩𝑭𝑽𝑭(𝑢𝑏, 𝑊1;𝑏𝑒𝑠𝑡_𝑐ℎ𝑎𝑛𝑛𝑒𝑙) Tuy nhiên, do hai hàm này thực hiện tuần tự và không lồng nhau, nên độ phức tạp của thuật toán được xác định một cách rõ ràng.
TPAC có độ phức tạp là 𝑂(𝑁 × 𝑊), với 𝑁 là số lượng chùm đến (𝑁 = |𝐵 𝑢𝑏 |) và 𝑊 là tổng số bước sóng ra Khi xem xét việc điều khiển chấp nhận cho từng chùm đến (𝑁 1), độ phức tạp của thuật toán TPAC giảm xuống còn 𝑂(𝑊).
2.4.3 Phân tích mô hình TPAC
Mô hình cấp phát tài nguyên TPAC cho phép các chùm ưu tiên cao và thấp chia sẻ bước sóng trên mỗi liên kết Các chùm ưu tiên cao có quyền truy cập vào toàn bộ W bước sóng, trong khi chùm ưu tiên thấp chỉ sử dụng một số bước sóng ít hơn (W 1 < W) Tình trạng tắc nghẽn sẽ xảy ra khi tài nguyên dành cho chùm ưu tiên cao đã được sử dụng hết.
Để đánh giá xác suất tắc nghẽn, luận án áp dụng mô hình Markov nhằm mô phỏng quá trình cấp phát tài nguyên.
Xét liên kết ra của một nút OBS với 𝑊 bước sóng được sử dụng để lập lịch n chùm thuộc hai lớp ưu tiên cao và thấp Các chùm ưu tiên cao có thể tiếp cận W bước sóng, trong khi các chùm ưu tiên thấp chỉ có thể tiếp cận tối đa W 1 bước sóng (với W 1 < W) Phân bổ bước sóng này được mô tả trong Hình 2.11.
W 0 Ưu tiên thấp Ưu tiên cao
Hình 2.11 Cách thức phân bổ bước sóng trong TPAC
Mô hình phân bổ bước sóng trong TPAC tương đương với hệ thống hàng đợi có 𝑊 kênh bước sóng phục vụ cho 𝑁 chùm đến Mô hình Markov 2 chiều 𝑀/𝑀/𝑊/𝑊 có thể được sử dụng để phân tích hiệu quả theo xác suất tắc nghẽn cho mô hình điều khiển chấp nhận, nhằm kiểm nghiệm tính chính xác của mô phỏng Trong mô hình Markov, trục hoành biểu diễn các trạng thái khi chùm ưu tiên cao đến và được phục vụ, trong khi trục tung biểu diễn các trạng thái chùm ưu tiên thấp Chùm ưu tiên cao có thể lập lịch trên 1 trong W kênh, trong khi chùm ưu tiên thấp chỉ được phép sử dụng ít hơn, W 1 < W Khi một chùm đến được cấp phát tài nguyên, trạng thái liên kết sẽ thay đổi cho đến khi chùm được phục vụ xong, sau đó trạng thái sẽ trở lại như ban đầu.
57 chấp nhận Hình 2.12 được mô tả như sau: Ưu tiên cao Ư u ti ên th ấp j i
Hình 2.12 Lược đồ chuyển trạng thái của mô hình
Một trạng thái (𝑖, 𝑗) tương ứng với có 𝑖 chùm ưu tiên thấp và 𝑗 chùm ưu tiên cao đã được lập lịch trên liên kết ra;
Một chùm ưu tiên cao có thể được lập lịch trên một trong 𝑊 bước sóng, trong khi chùm ưu tiên thấp chỉ được lập lịch trên một trong 𝑊 1 bước sóng, với điều kiện 𝑊 1 < 𝑊.
Các chùm ưu tiên cao và thấp đến với tốc độ trung bình lần lượt là 0 và 1 Khả năng phục vụ trung bình cho các chùm giả thiết là như nhau và bằng , trong đó 1⁄ đại diện cho độ dài trung bình của các chùm đến.
nếu có một chùm ưu tiên cao đến và được chấp nhận lập lịch thì hệ thống chuyển sang trạng thái (𝑖, 𝑗 + 1);
nếu có một chùm ưu tiên thấp đến và được chấp nhận lập lịch thì hệ thống chuyển sang trạng thái (𝑖 + 1, 𝑗);
nếu có một chùm ưu tiên cao được phục vụ xong thì hệ thống chuyển sang trạng thái (𝑖, 𝑗 − 1);
nếu có một chùm ưu tiên thấp được phục vụ xong thì hệ thống chuyển sang trạng thái (𝑖 − 1, 𝑗)
Tại trạng thái (𝑖, 𝑗) với điều kiện 0 < 𝑖 ≤ 𝑊 1 và 𝑖 + 𝑗 = 𝑊, khi có một chùm ưu tiên cao đến và tất cả tài nguyên đều đang bận, chùm ưu tiên thấp sẽ bị đánh rơi Tài nguyên được giải phóng sẽ được cấp phát cho chùm ưu tiên cao, dẫn đến việc hệ thống chuyển sang trạng thái (𝑖 − 1, 𝑗 + 1).
Cụ thể, một ví dụ với 𝑊 = 4 và 𝑊 1 = 3 có thể biểu diễn lược đồ chuyển trạng thái như Hình 2.13
Trong đó, tại trạng thái (2,1):
Một chùm ưu tiên cao đến và được lập lịch sẽ chuyển qua trạng thái (2,2);
Một chùm ưu tiên thấp đến và được lập lịch sẽ chuyển qua trạng thái (3,1);
Mô hình kết hợp TPAC và đường trễ
Mô hình TPAC đã nâng cao tỉ lệ mất chùm tổng cho hai lớp ưu tiên, đặc biệt là lớp ưu tiên cao Tuy nhiên, tỉ lệ mất chùm ở lớp ưu tiên thấp vẫn còn cao Để giải quyết vấn đề này, luận án đã giới thiệu mô hình iTPAC, một phiên bản cải tiến của TPAC, với các chi tiết được trình bày trong Hình 2.19.
Lập lịch trên một trong W kênh ra
Lập lịch trên một trong W 1 kênh ra
Lập lịch thành công no yes
Chiếm kênh của một chùm ưu tiên thấp để lập lịch yes Đánh rơi chùm ưu tiên cao
Lập lịch thành công no yes Điều kiển chấp nhận lập lịch dựa trên số kênh được phân bổ Đánh rơi chùm ưu tiên thấp no
Lập lịch chùm ưu tiên thấp
Lập lịch chùm ưu tiên cao
Chùm ưu tiên thấp bị chiếm kênh được làm trễ bởi FDL Đưa chùm ưu tiên thấp bị chiếm kênh vào đường trễ
FDL Độ trễ hiện tại chùm ưu tiên thấp < Độ trễ đường trễ Đánh rơi chùm ưu tiên thấp bị chiếm kênh no yes
Khối chức năng mô hình iTPAC
Khối chức năng mô hình TPAC
Hình 2.19 Mô tả cách thức sử dụng đường trễ FDL trong mô hình iTPAC
Mô hình iTPAC sẽ hoạt động khi có một chùm ưu tiên cao đến, như được thể hiện trong Hình 2.19 Nếu việc lập lịch không thành công do thiếu tài nguyên, mô hình sẽ thực hiện việc dành lại tài nguyên cho chùm ưu tiên cao.
Khi một chùm ưu tiên thấp bị chiếm kênh bởi một chùm ưu tiên cao, chùm ưu tiên thấp sẽ bị loại bỏ, dẫn đến tỉ lệ mất chùm cao Để khắc phục tình trạng này, thay vì để các chùm ưu tiên thấp bị đánh rơi, chúng sẽ được chuyển vào đường trễ quang FDL.
Một cơ chế điều khiển việc làm trễ bằng FDL đối với các chùm ưu tiên thấp này được đề xuất như sau:
Nếu độ trễ cho phép của chùm ưu tiên thấp nhỏ hơn thời gian làm trễ của đường trễ FDL, việc đưa chùm ưu tiên thấp vào đường trễ là không cần thiết Điều này xảy ra vì chúng sẽ bị đánh rơi do đã hết thời gian bù đắp nhưng vẫn chưa đến nút biên ra, dẫn đến việc chùm ưu tiên thấp này sẽ bị loại bỏ.
Nếu độ trễ cho phép của chùm ưu tiên thấp lớn hơn độ dài đường trễ, chùm này sẽ được đưa vào đường trễ với hy vọng tìm thấy tài nguyên để lập lịch khi ra khỏi đường trễ.
Do hạn chế của đường trễ quang liên quan đến độ trễ lan truyền của sợi quang, khả năng truy cập liên tục của nó kém hơn so với bộ đệm điện tử RAM Kích thước của các bộ đệm quang bị giới hạn nghiêm ngặt bởi chất lượng tín hiệu và không gian vật lý Nếu dung lượng bộ đệm lớn, yêu cầu về số lượng và chiều dài của đường trễ quang cũng tăng, dẫn đến tổn hao và không thể giảm thiểu hoàn toàn khả năng mất chùm Trong luận án này, độ dài tối thiểu của đường trễ FDL được chọn là 50às để đảm bảo chùm ưu tiên thấp có kích thước lớn nhất có thể sử dụng.
Thuật toán điều kiển chấp nhận trong mô hình iTPAC (gọi tắt là thuật toán iTPAC) được mô tả như sau:
𝑑𝑒𝑙𝑎𝑦𝑢𝑏là độ trễ của chùm ub;
- 𝑊 = {1,2, , 𝑘}; //các kênh bước sóng ra
Ra: - Tập các chùm QoS cao được lập lịch 𝑆0, và bị đánh rơi 𝐷0;
- Tập các chùm QoS thấp được lập lịch 𝑆 1 và bị đánh rơi 𝐷 1
1 for each chùm 𝑢𝑏 đến do
2 if ( hết thời gian 𝑇𝑊 ; ) then // giai đoạn 1: dự đoán tốc độ chùm đến nhằm xác định số kênh bước sóng cho lớp ưu tiên thấp
3 𝝀 𝒊 𝒄𝒖𝒓 := tỉ lệ tốc độ hiện tại của lớp ưu tiên cao và thấp đến trong cửa sổ;
4 𝛼 𝑖 ≔ 𝜆 𝑖 𝑐𝑢𝑟 /(𝜆 𝑐𝑢𝑟 𝑖 + 𝜆 𝑎𝑣𝑔 𝑖 ) ;; //điều chỉnh trọng số theo tốc độ đến
5 𝜆 𝑖 𝑎𝑣𝑔 ≔ (1 − 𝛼 𝑖 ) × 𝜆 𝑖 𝑎𝑣𝑔 + 𝛼 𝑖 × 𝜆 𝑖 𝑐𝑢𝑟 ; //tính lại tốc độ đến trung bình
0 𝑎𝑣𝑔 +𝜆 1 𝑎𝑣𝑔 ; //điều chỉnh lượng băng thông cấp phát 𝑊 1
8 𝒊𝑩𝑭𝑽𝑭𝒑𝒍𝒖𝒔(𝑢𝑏, 𝑊 1 ; 𝑏𝑒𝑠𝑡_𝑐ℎ𝑎𝑛𝑛𝑒𝑙); //giai đoạn 2: lập lịch chùm ub trên kênh
2 o 𝑣𝑒𝑟𝑙𝑎𝑝 ∶= t ổ ng ch ồ ng l ấ p c ủ a chùm 𝑢𝑏 với chùm ưu tiên thấp đã lập lịch;
7 𝑏𝑒𝑠𝑡_𝑏𝑢𝑟𝑠𝑡: = 𝑹𝒆𝒑𝒍𝒂𝒄𝒆(𝑢𝑏, 𝑊) ; //dành tài nguyên ưu tiên thấp.
9 𝑼𝒔𝒆𝑭𝑫𝑳(𝑢𝑏, 𝑊 1 ) ; //kết hợp sử dụng đường trễ FDL nếu thỏa mãn
11 end if Độ phức tạp của hàm 𝒊𝑩𝑭𝑽𝑭𝒑𝒍𝒖𝒔 được xác định trong [47] là 𝑂(𝑊 ×𝑙𝑜𝑔(𝑚)), trong đó W là tổng số bước sóng tại liên kết ra và m là số chùm trung bình
Trong hệ thống lập lịch, 70 đã được thiết lập trên mỗi kênh, với tốc độ chùm đến và xử lý trung bình tại mỗi nút lõi OBS rất nhanh, chỉ hai chùm đã lập lịch cuối cùng được xem xét Độ phức tạp của 𝒊𝑩𝑭𝑽𝑭𝒑𝒍𝒖𝒔 giảm còn 𝑂(𝑊) Hàm 𝑹𝒆𝒑𝒍𝒂𝒄𝒆 tìm kiếm trong 𝑊 bước sóng và chọn bước sóng đầu tiên mà chùm ưu tiên thấp có thể được xóa để truyền tải tài nguyên cho lập lịch 𝑢𝑏, với độ phức tạp 𝑂(𝑊) Hàm 𝑼𝒔𝒆𝑭𝑫𝑳 làm trễ thời gian đến của chùm 𝑢𝑏 thông qua đường trễ FDL Do 𝒊𝑩𝑭𝑽𝑭𝒑𝒖𝒍𝒔, 𝑹𝒆𝒑𝒍𝒂𝒄𝒆 và 𝑼𝒔𝒆𝑭𝑫𝑳 là các hàm độc lập, thuật toán iTPAC có độ phức tạp là 𝑂(𝑊).
2.5.2 Mô ph ỏng, so sánh và đánh giá
Mô phỏng được thực hiện với các tham số đã nêu trong Mục 2.2.2 và 2.3.3, nhằm đánh giá hiệu quả của mô hình iTPAC so với TPAC Mục tiêu là phân tích sự khác biệt trong tỉ lệ luồng ưu tiên cao và thấp, cũng như ảnh hưởng của độ dài đường trễ đến kết quả mô phỏng.
Bài viết so sánh tỷ lệ mất chùm của lớp ưu tiên thấp giữa TPAC và iTPAC trong các trường hợp tỷ lệ luồng ưu tiên cao và thấp là 3:7, 5:5 và 7:3 Đồng thời, nghiên cứu cũng xem xét ảnh hưởng của việc thay đổi độ dài đường trễ từ 50às đến 300às.
So sánh tỉ lệ mất chùm của lớp ưu tiên thấp giữa TPAC và iTPAC khi sử dụng 1, 2 và 3 đường trễ cho thấy sự khác biệt rõ rệt Cụ thể, tỉ lệ mất chùm của lớp ưu tiên thấp giữa TPAC và iTPAC thay đổi khi tỉ lệ luồng ưu tiên cao và ưu tiên thấp được điều chỉnh, cùng với độ dài đường trễ từ 50às đến 300às.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi so sánh tỉ lệ mất chùm của lớp ưu tiên thấp giữa TPAC và iTPAC với các tỉ lệ luồng ưu tiên cao và thấp là 3:7, 5:5 và 7:3, đồng thời thay đổi độ dài đường trễ từ 50às đến 300às Kết quả mô phỏng được trình bày trong Hình 2.20.
Trong ba trường hợp với tỉ lệ luồng ưu tiên cao và thấp là 3:7, 5:5 và 7:3, tỉ lệ mất chùm của lớp ưu tiên thấp đã giảm đáng kể Cụ thể, iTPAC giảm gần 20% ở tỉ lệ 3:7, 15% ở tỉ lệ 5:5 và 10% ở tỉ lệ 7:3 Nguyên nhân là do ở tỉ lệ 3:7, số lượng chùm của lớp ưu tiên thấp tăng lên, dẫn đến việc sử dụng đường trễ được cải thiện nhiều hơn.
Tỉ lệ mất chùm ở iTPAC giảm 71% so với các tỉ lệ 5:5 và 7:3 Việc này không ảnh hưởng đến tỉ lệ mất chùm của lớp ưu tiên cao, vì chính sách đối với chùm ưu tiên cao trong iTPAC không có sự thay đổi so với TPAC.
Hình 2.20 so sánh tỉ lệ mất chùm của lớp ưu tiên thấp giữa TPAC và iTPAC với tỉ lệ 7:3 trong trường hợp tỉ lệ luồng ưu tiên cao và thấp khác nhau (tổng tải chuẩn hóa 0.9) Để xác định ảnh hưởng của độ dài đường trễ đến tỉ lệ mất chùm, mô phỏng đã được thực hiện với độ dài đường trễ thay đổi từ 50às đến 300às Kết quả trong Hình 2.21 cho thấy tỉ lệ mất chùm có xu hướng tăng khi độ dài đường trễ tăng ở các tỉ lệ 3:7, 5:5 và 7:3 Nguyên nhân là do khi độ dài đường trễ tăng, số lượng chùm được đưa vào đường trễ giảm, chỉ những chùm chịu được độ trễ mới được giữ lại.
Đường trễ mới được thêm vào là 72, và cần lưu ý rằng độ dài tối thiểu của đường trễ phải lớn hơn kích thước chùm để có thể thực hiện việc làm trễ.
Tiểu kết chương 2
Việc điều khiển chấp nhận ảnh hưởng lớn đến tỉ lệ mất chùm và hiệu năng băng thông tại nút lõi cho các chùm ưu tiên khác nhau Luận án đã đề xuất mô hình điều khiển chấp nhận dựa trên dự đoán lưu lượng chùm đến với ba mô hình ARP-SAC, TPAC và iTPAC Kết quả mô phỏng cho thấy các mô hình này không chỉ nâng cao chất lượng dịch vụ cho lớp ưu tiên cao mà còn cải thiện tỉ lệ mất chùm cho lớp ưu tiên thấp Chương tiếp theo sẽ phân tích và đề xuất giải pháp nâng cao chất lượng dịch vụ tại nút biên và kết hợp các nút.