Luận văn nghiên cứu Đánh giá hiệu năng hệ thống chuyển mạch chùm quang biên

Dữ liệu của người sử dụng IP duoc thu thập, lưu giữ và tổ chức thành các chủm đữ liệu chuyển tiếp vào mạng lỗi chuyển mạch chùm quang, Nghiên cứu, xây dựng mô hình và đánh giá hiệu năn

DAI HOC QUOC GIA HA NOT

‘TRUONG DAL HOC CONG NGHE

NGUYEN VAN TUNG

NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG

HE THONG CHUYEN MACH CHUM QUANG BIEN

Ngành: Công nghệ Điện tứ - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

LOLCAM ON

Lời đầu tiên tôi xin bây tô sự biết ơn sâu sắc tới Phó Giáa sư, Tiến sỹ Vũ

Tuy Lợi - người thầy đã tận tỉnh chỉ bảo, hướng dẫn và cung cấp những thông

tim quý bảu giúp dỡ tôi hoàn thành bản luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn Khoa Điện tử - Viễn thông thuộc Đại học

Công nghệ, Đại học Quốc Giá Hà Nội đã Lạo nhiều điều kiện để tối có thể hoàn

thành bản luận văn nảy

tỏ lòng biết ơn đến người thân cùng bạn bỏ đẳng

Sau cùng tôi xin bì

nghiệp, những người luôn cỗ vũ đông viên tôi hoàn thiện bản luận văn này,

LOI CAM DOAN

Tôi xin cam đoan để tài luận văn của tôi không trùng lặp với các để tài

luận văn nào của khỏa trước Nội đung luận văn không sao chép của bắt kỳ luận văn nào khác

Nếu có gì gian lận tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm

THả Nội, ngày 05 tháng 10 năm 2010

HỌC VIÊN

Nguyễn Văn Tùng

2.1 Mạng chuyển mạch chủm guang, on eesreesesrrerrreerrreecerce, 2D)

2.1.1 Kiến trúc chung và sơ đỗ chức năng "— 2.1.2 Mạng đạng mắt lưới - - - - 32

2.3.2 Hệ chuyển đổi bước sóng cocc ccscceserirrrrrrerrerere , 3Ö

3.1.1 Tiến trinh điểm con Heenieeiirieireroooeoouee SỔ

3.1.4 Tiến trinh Sinh/Tử neo tess AL

3.2.2 Hàng dợi MM/1/K, ciceceeeieeriierrireee "HH AD

3.3.1, Mang hang doi mé va mạng bảng đợi đóng M

3.3.3 Hang đợi tóc độ phục vụ phụ thuộc tãi 48

CHUONG 4 XÂY DỰNG MÔ HÌNH VẢ DANH GIA HIBUNANG HE CHUYEN

4.1.1 Kiễn trúc hệ chuyển mạch chùm quang biên - - 33

4.1.3, Thi gian offset cesses sseecsenitnsinsttnntessmistestimesiees nese OL

4.2.1 Mô tả quá trình kết nỗi dựa trên báo hiệu JIT seo 62

4.2.2, Tiến trình đến của chủm ciceeseeererrirerereeeiee.BS 42.3 Mô hình hệ thống chuyển mạch clrừm quang biển 69

43.1, Hang doi có tốc độ phục vụ không phụ thuộc tãi " FO

4.3.2 Hàng đợi có tốc độ phục vụ phụ thuộc tải - - 72

4.3.1 Phân tích mô hinh mạng hàng đợi cho nút biên OBS - 74

KAT LUAN CHUNG ecnseninnnninninminnintantnininninnnnanennn SP

TÀI LIEU THAM KHẢO 2 Errrrrrarrrroreacu BỘ

MUC LUC HiNH VE

Hình 1 1 Minh hoạ về hệ thơng chuyển mạch quang

Tinh 2.1 Kién tric mang OBS

Hinh 2.2 So đỗ chúc năng OBS

1iịnh 2.3, Mơ hinh mang OBS dang mắt lưới chen uy

Tình 2.4 Mê hình mang OBS dang vong RING

Tình 2.5 Kién trie node ehuyén mach quang

THình 2 6 Câu trúc của node bién 1éi vào

Tình 27 Cân tạo của nộe lối trong mang OBS

Hình 28 Giải quyết xung đột bằng phương pháp sử dụng dường dây wé FDL

Hình 2.9

Tình 210 Giải quyết xung đột bằng phương pháp phan đoạn burst

Hình 3.1 Khoảng thời gian sử dụng đẻ dịnh nghĩa tiến trình

Hình 3.2 Chuối Markov của một quả trình sinh-tử

Tình 3.3 Chuỗi Markov của hàng đợi M/MEI

Hình 3.4 Hàng dei M/M/1/K

Tinh 3.5 Hàng đợi M/Mí

Hình 3.6 Mạng hàng đợi mở (a), đĩng (b)

Hình 4.1 Sơ để chức năng OBB

Tinh 4.2 Kién tric nut bién OBS

Hinh 4.3 Két bop và lách rời burst rong mang ORS

1Hình 4.4 Cầu trúc của node biên lối vào

THình 4.5 Cấu trúc của node biển đầu ra

Hình 4.6 Các phương pháp thiết lập burat theo chiều đại burs và theo thời giam Hình 4.7 Người sử dụng dược kết nĩi tới nút biên của mạng OB8,

Hinh 4.8 Ban tin báo hiệu trong JumpStart

Tình 4.9 Tiển trình đến của chủm

Hình 4.10 Liên quan gia các biến ngẫu nhiên A, B vả 1

link 4 11 Coxy hai trang thai

Tình 4.12 Mơ hình của hệ thống biên OBS

1Hình 4.13 Mạng với các hàng đợi cĩ tốc độ phục vụ khơng phụ thuộc tải

Hình 4.14 Mạng ban dat (@) 000cccssssssssessseesssseessseeten ens svasevenees

Tình 41.15 Nối ngắn trạm (b) -.>

Tình 4.16 Mạng trương đương (e)

Hình 4.17 Thông lượng khi số khách hàng trong hệ thống N = 40

Tình 4.18 Thời gian đáp mg của hệ thông khi N=40

Tình 4.19 Mức sử dụng của hệ thống khi N-40

Hình 4.20 Thông lượng của lỗi ra hệ thông và một cổng ra khi P — 8

Hinh 4.21 Két qua tinh théng lượng khi N thay đối

Hình 4.22 Thông lượng của một cổng so với cỗ hệ thống,

Hình 4.23 Tính thông lượng khi số lượng chùm ngắn ting

Hình 4.24 Théng lượng một cống so vải hệ thếng khi p, thay đối

Tinh 4.25 Mức sử dụng Irung bình

Hình 4.36 Thời gian chờ trưng bành cà tới erirrroee

CÁC THUẬT NGỮ VẢ CHỮ VIẾT TAT

Các chữ viết tắt

ATM Asynchronous Tranfer Mode | Chế độ truyền không đồng hộ

BHP Busrt Header Packet Gói tiểu đề chùm

COG Conbot Channel Group Nhóm kênh điều khuẩn

CQ ‘Custom Quening Xếp hàng tuỳ hiển

TDI Tiber Delay Tine Đường trễ quang

FIFO Queuing | First in, First Out Queuing Xếp hàng vào trước ra tước

JT Just-Lnougt-Time Giao thức báo hiệu J'

LAN T.ocal Area Network Mạng nội bộ

‘OBS ‘Optical Burst Switching Chuyển mach chùm quang

ono Optical-Electric Converter, | Bộ chuyển đối quang-điện,

Llectric-Cptical Converter | Bộ chuyển đối điện-quang

OPS Optical Paket Switching Chuyên mạch gói quang

Sơ Optical Cross Connect Bộ kết nỗi chéo quang

8CU Switch Control Unit don vi diéu khién chuyen mach

SEE Shortest Processing Time Eirst | Thời gianxúlý đầu tiên ngăn nhất

WAN Wide Area Network Mạng điện rộng,

WEQ Weighted Fair Queuing Xếp hàng theo công bằng trọng số

WDM Wavelength Division Ghép kênh theo bước sóng

Multiplexing Các thuật ngữ

LỜI MỞ ĐẦU

Hệ thông chuyển mạch quang lá hệ thống chuyển mạch cho phứp các tín hiệu bên trong các sợi cáp quang hay các mạch quang tích hợp dược chuyển

mạch có lựa chọn từ một mạch này tởi một mạch khác Chuyển mạch chùm

quang OBS (Optical Burst Switching) cho phép chuyển mạch toàn bộ các kênh

đữ liệu trong miền quang dưới dạng các chùm (burst) Người sử dụng kết nối

vào mạng tại nút biên (Edực Node) Dữ liệu của người sử dụng (IP) duoc thu

thập, lưu giữ và tổ chức thành các chủm đữ liệu chuyển tiếp vào mạng lỗi chuyển mạch chùm quang,

Nghiên cứu, xây dựng mô hình và đánh giá hiệu năng của hệ thống chuyển y

mạch chùm quang biên gép phan làm rõ cơ chế và hiệu năng hoạt đông của hệ thống chuyển mạch chửm quang biên nói riêng và mạng chuyển mạch chửm quang nói chung; trên cơ sở đó, xây dụng phương pháp thiết kế, và đánh giá

cũng như lựa chọn và đánh giả các sản phẩm chuyển mạch phủm quang trong,

thực tế

Đề lài này trình bảy phương pháp luận của việc đánh giá hiệu năng, nghiên

cứu tổng quan và nguyên tắc hoạt động của mạng chuyển mạch chùm quang,

(OH8), từ đỏ xây dựng mô hình cho nút biên và thực hiện việc đánh giá hiệu

năng hoạt động của nút biên

Hệ thống chuyển mạch biên của mạng chuyển mạch chùm quang được mô

hình bằng mạng hàng đợi đóng, phức hợp Mỗi công của thiết bị định tuyển là một

tram (hang doi) trong mang Mang hing đợi này có tiến trình chủm đến theo phân

bổ coxy 2 giai đoạn, và thành phần của mạng bao gồm cả các hàng đợi có dạng

tích và hàng dợi non-BCMP Việc phần tích vá tính toán các độ do hiệu năng của

mạng nảy dựa trên thuật toán cúa Raymon A.Marie |1] Marie dua ra mang hang

đợi gồm các hàng đợi không theo dạng BCMTP Dễ tính toán, Marie đã thay thế chứng bằng các trạm tương đương mà tốc độ phục vụ là phụ thuộc tải Dây là một phương pháp tỉnh gần đứng Độ tin cậy của phương pháp đạt được dựa trên số

vòng lặp để đưa kết quả tính hội tụ dần tới giá trị chính xác

+1

Maric dua ra mang hang doi més viii thinh phan la cde hang doi non-BCMP

Điểm khác biệt ở bản luận văn này là núi chuyển mạch biên được mỗ hình theo

mạng hàng đợi đóng, có cả thành phân là hàng đợi BCXIP và non-BCMP Mét điểm mới so với phương pháp tinh cla Marie đó là luận văn này đưa vào thành

phần Retry va Delay Server

Mô hình nút biên của mạng chuyển mach chủm quang cũng được đưa ra trong bài báo của Lisong Xu, [larry G Perros and George N Rouskas [19] Trong phần trình bày về mạng hàng đợi đơn lớp trong [19], cáo tác giả cũng mô hình nút

biên bằng mạng hàng đợi đóng với các nút non-BCMTP, tuy nhiên lỗi vào chỉ là

thành phần Infimite Mô hình trình bảy trong luận văn này thể hiện lỗi vào là một

trạm với tốc độ phục vụ phu thuộc tải Miột điểm mới so với mô hình trong [19] đó

14 luận văn này xem xét đến thành phần phát lại chùm (Retry) Theo chúng tôi, sau

khi chùm được chuyển từ hệ chuyển rnạch biên đang xét ra ngoài qua cổng lỗi ra, lỗi có thể xuất hiện và việc phát lại chùm là cần thiểL Thành phần Rouy thể hiện

việc phát lại chàm khi xuất hiện lỗi như vậy

“Trên cơ sở các kết quả nghiên cửu [11], |19], dé tai nay đã nghiên cứu và dễ xuất hiệu chỉnh một số thành phần lỗi vào của nút hiển, dược cho là sát với thực tế

và đưa thêm vảo thành phan phát lại khi việc phát gặp lỗi Luận văn đã xây dựng

mô hình hệ chuyển mạch biên với các hiệu chỉnh, bỗ sung trên đây; phân tích đánh

giả hiệu năng hoạt động trên cơ sở mô hinh hảng đợi được xây dựng; tính toán mình hoa một số độ do hiệu nắng quan trọng như thông lượng chum dữ liệu được

chuyển mạch biên, mức độ sử dụng hệ chuyển mạch biên,

Qua phân tích vá kết quả tính toán, có thổ thầy thông lượng cúa hộ thống chuyển mạch biên (vả của một cổng lối ra của nó) là tăng khi số tiến trình chừm

đến (h) tăng Ihông lượng của hệ thống là tổng thông lương các cổng lỗi ra Khi

xác suất chùm là chủm ngắn 7, tăng thì thông lượng của hệ thống (hoặc thông

lượng một công) cũng tăng, trong khi đó mức sử đụng trung bình và thời gian

ăng sơ với số chủm dài Khi số tiến trình

chùm đến (N) không đối, trong số chùm ngắn trong đó nhiều thì số lượng chùm

được chuyển qua hệ thông (hoặc qua một cổng lỗi ra) trên một đơn vị thời gian

sẽ tăng Diêu này sẽ din đến thời gian chờ để được xử lý cho các tiên trình chim

đến giám, tuy nhiên, hiệu quả sử đụng hệ thống cững bị giảm

12

Ngoài phần Mo dau va Kết luận, nội dung của luận văn gồm 4 chương

Chương 1 Giới thiệu chuyển mạch quang

Chương 2 Tổng quan về chuyển mạch chủm quang

Chương 3 Phương pháp luận dánh giá hiệu năng

Chương 4 Xây dựng mô hình và dánh giá hiểu năng hệ chuyển mach chùm

quang biên

13

CHƯƠNG 1 GIỚI TIIỆU CHUYÊN MẠCH QUANG

Chương này giới thiệu các vấn đề chung nhất về chuyển mạch quang Các

hệ chuyển mạch được trình bảy gồm:

Chuyển mạch kênh quang

Chuyé: n mạch gói quang

Chuyên mạch chùm quang

Sau đây chúng ta sẽ đi vào các nội đưng cụ thể

14

Chuyển mạch quang là hệ thông chuyển mạch cho phép các tín hiệu bên

trong các sợi quang hay các mạch quang tích hợp được chuyển mạch có lựa chọn từ một mạch này tới một mạch khác

[in Trawc ˆ

Hình 1.1 Minh hoa về hệ thông chuyén mach quang

Tuỷ thuộc vào kỹ thuật chuyển mạch mà có các thông tin được trao đổi

dưới dạng thời gian thực

Chương này giới thiệu 3 loại chuyển mạch quang đó là: chuyển mạch kênh quang (Optical Circuit Switching), chuyển mạch chủm quang (Optical Burst

Switching) va chuyén mạch gói quang (Optical Packet Switching)

Chuyển mạch kênh quang (Optical Circuit Switching)

Chuyển mạch kênh quang được sử dụng trong các mạng quang định tuyến bước sóng, trong đó tất cả đường kết nối bước sóng quang (đường kết nối quang) được thiết lập giữa các cặp nút mạng Việc thiết lập đường kết nối như vây bao cần bao gồm các nhiệm vụ là: xác định tài nguyên và cấu hình mang, định tuyến, chuyển hướng bước sóng, báo hiệu và chuẩn bị tài nguyên

Mặc dủ các mạng quang định tuyến bước sóng đã được triển khai nhưng có

lẽ nó không phải kỹ thuật thích hợp nhất cho Internet quang Thí dụ, để thiết lập

một đường dẫn ánh sáng sẽ chỉ cần một thời gian rất nhỏ của trễ toàn trình Điều

này dẫn đến việc sử dụng bước sóng không hiệu quả nêu như thời gian chiếm

giữ kết nỗi rất ngắn Bản chất “bùng nổ” của lưu lượng dữ liệu cũng là nguyên

nhân dẫn đến việc sử dụng bước sóng không hiệu quả Do vậy, nhằm str dung

hoàn toàn bước song, cu ché grooming của lưu lượng phức tạp là cần thiết để hỗ

khách hàng khác nhau

tro vide ghép kênh thống kê đữ liệu từ có

Với định tuyển bước sóng, các đường dẫn ánh sáng được thiết lâp giữa nguồn (các nút vào) và đích (các nút ra) thông qua các nút được trang bị các kết nỗi chéo WDM quang (hay các router bước sóng) Tại từng router bước sóng,

bước sóng ra (ở cổng ra) tại đó tín hiệu vào được định luyến tới vào thời điểm đã

¿ định duy nhất dựa trên bước sóng vào được định tuyến tới vào thời điểm đã xác định trước sẽ được xác định duy nhất dựa trên

xác đmh trước sẽ được x:

bước sóng vào (và cổng vào) mang tỉa hiệu nảy lo đó định tuyên bước sóng là

một đạng chuyển mạch kênh Trong bảo hiệu phân tán, phương thức đặt trước

hai chiều là cần thiết để thiết lập các đường đẫn ánh sáng nhờ đó nút nguồn gửi

đi gói điều khiển để đặt trước, sau đó chờ xác nhận trước khi phal đi dữ liệu

Một trong các thuận lợi của định tuyến bước sóng là không cần có đệm quang

(hay chuyển đối O/E/O của đữ liêu) tại các nút trung gian Hơn nữa đó là một lựa chọn đây hứa hẹn vì các hệ thông chuyển mạch quang dựa trên các công nghệ cơ-quana, âm-quang hay nhiét-quang quá chậm để chuyển mạch gói một

cách hiệu quả Tuy nhiên, một trong cáo hạn chế của định tuyến bước sóng là đường dẫn phải thiết lập toán bộ bước sóng trên từng kênh doc theo đường dẫn, dẫn đến hiệu quả sử dụng băng tần thấp khi mang các dong lưu lượng có tính

“bùng nễ” (ví dụ các gói IP) vì lưu lương từ các gói vào khác nhau không thé

chia sẻ theo thông kê băng tần của đường dẫn ánh sáng Ilen nữa, do không có

đủ bước sóng trong cáp quang để cho phép kếi nối dạng lưới một cách hoàn toàn

nên phần bắ tải trong mạng có thể không dng đều din dén mật độ lưu lượng trên các đường dẫn ánh sáng thay đãi theo thời gian Chú ý là ở trên chỉ giả thiết

rằng các nút quang chỉ hỗ trợ chức năng kết nổi chéo và không có khả năng

chuyển mạch/định tuyến nhanh Do việc thiết lập và hưý bỏ đường dẫn ảnh sáng mắt tối thiểu vải chục ms, tương ửng với (hoặc thậm chí vượt quá) thời gian

truyền vài Mlepabyte đữ liệu ở tốc độ truyền dẫn cao (vi dụ 2.5 Gb/s hay OC-4§) nên việc thiết lập và giải phóng linh hoạt các đường dẫn ánh sáng theo các giai

đoạn của chủm không phải lá một mô hình hiệu quả

Chuyén mach gói quang (Opiical Packet Switching)

Trong chuyển mạch gói quang, các gói được chuyển mạch và định tuyến độc lập thông qua mạng hoàn toàn trong miễn quang mà không cần các bộ

chuyển đổi quan-diện, diện-quang,

16

Mang quang cung cấp các tuyến quang, các mạng nảy về bản chất là các mạng chuyển mạch Với một kết nỗi äo, mạng cưng cấp một kết nối chuyển

mạch giữa hai nút Tuy nhiên băng thông được cấp cho kết nối có thể nhỏ hơn

toàn bộ băng thông có sẵn trên một tuyến liên kết Ví dụ những kết nối riêng lễ

trong một mạng tốc độ cao trong tương lai có thể hoạt động ở 10Gbps, trong khi

tắc độ bịt truyền dẫn trên một bước sóng có thê là 100Gbps Vì vậy mạng phải

hợp nhất một sổ dựng ghép kênh phân chia thời gian dễ kết hợp nhiều kết nếi

thành một tốc độ bít Ở những tốc đồ này có thể thực hiện ghép kênh trong, miền quang dễ đảng hơn trong miễn điện

Một nút chuyến mạch gói quang có dung lượng cao hơn nhiều so với

chuyển mạch gói điện Một nút nhận luông dữ liệu vào, đọc tiêu để (header) và

chuyển mạch đồn lỗi ra thích hợp Nút cũng có thể áp đặt một tiêu đề mới trên gói Nó cũng phải xử lí tranh chấp cho các cổng ra Nếu hai gói đi vảo trên các

cổng khác nhau muốn đi ra trên củng môt cổng, môt trong hai phải được đệm

hoặc gửi ra trên một cổng khác

Một cách lí tưởng, tất cả các chức năng bên trong nút đếu được thực hiện

trong miễn quang nhưng thực Lễ một số chức năng nào đó như là xử lí tiêu đề và điều khiển chuyển mạch phải thực hiện bằng diện Điều này do khả năng xứ lí bị

giới hạn trong miễn quang Hản thân tiêu dề có thể dược gửi ở một tốc dộ bít

thấp hơn so với dữ liệu cho nên nó có thể xử lỉ điện

Tchiệm vụ của chuyển mạch gói quang là cho phép khả năng chuyển mạch gói ở các tộc độ mà không thể đạt được ở chuyển mạch gói điện Tuy nhiên các

nhà thiết kể bị cán trở nhiều về mặt xử lí tín hiệu trong miễn quang Môi

quan trọng là thiểu các bộ truy xuất ngẫu nhiên quang dễ đệm Thay vì đó các bộ

đệm quang dược thực hiện bằng cách sử dụng một chiều dài sợi quang vả những

đường dây trễ thời gian mà không phải là các bộ nhớ Vì vậy làm trễ gói trong thời gian đài và vấn để nữa là trễ trong cấu trúc chuyển mạch mỗi gói lối vào

Chuyển mạch chùm quang (OBS - Oplival Burst Switching)

Chuyển mạch chủm quang là công nghé lai giữa chuyển mạch kênh quang với chuyển mạch gói quang Dữ liệu vẫn giữ trong miễn quang trong khi các tín hiệu điều khiển được thực hiện trong miễn điện Gói điều khiển và chủm đữ hiệu

tương ứng được tạo ra tại nguồn cùng một lúc và được tách biệt bằng khoảng thời gian xác định gọi là thời gian offset

+7

Chuyên mạch chủm quang là chuyển mạch truyền đi chủm lưu lượng Cáu công nghệ chuyển mạch chủm quang khác nhau dựa trên việc làm thế nào và khi

nảo các nguồn tài nguyên mạng như độ rộng băng thông bị chiếm dụng và được giải phóng OBS dựa trên chuẩn ITU-T cho chuyển mạch chủm cho các mạng có

chế độ truyền bất đồng bộ (ATMI), như truyền khổi ATM (ABT) Có hai phiên

bản ABT: ABT với trễ truyền và ABT truyền tức thời Trong phiền bán đầu tiên,

khi một nút nguồn muốn truyền một chim, nó gởi một gói tới các chuyển mạch

AM trên đường kết nối thông tin để báo cho chúng biết nó muốn truyền một chùm Nếu tất cả các chuyển mạch trên đường truyền sẵn sảng, yêu cầu được chấp nhận và nút nguồn được phép truyền kgược lại yêu cầu bị từ chối và nút

nguồn phải gửi yêu cầu khác sau đó Trong ABT với chế độ truyền tức thời,

nguồn gửi gỏi tỉn yêu cầu và sau đó truyền ngay mà không nhận thông tin xáu

nhận Nếu một chuyến mạch đọc theo đường truyền không thé chuyển chủm do

tắc nghẽn, chùm sẽ bị loại bỏ Hai công nghệ đó đã được lựa chọn cho các mạng

quang

Chuyển mạch chùm quang cho phép chuyển mạch toàn hộ các kênh dữ liệu

trong miền quang Trong chuyển mạch chủm quang thì gói điều khiển đi trước

chùm đữ liệu Giới diều khiển và chủm dữ liệu tương ứng được tạo ra tại nguồn củng một lúc và được tách biệt bằng offset Gói điều khiển chứa thông tin cần

thiết để định tuyển chủm đữ liệu qua lõi mang truyền dẫn quang, và nó được gởi

trên kênh điều khiển Gói điều khiển được xử lí điện tại từng nút trưng gian (các

kết nối chéo quang) để đưa ra quyết định định tuyến (giao diện và bước sóng ra)

'Tiếp dé các kết nổi chéo quang dược lấy cấu hình để chuyển mạch chùm dữ liêu mong muốn sẽ đến đích sau khoảng thời gian đưa ra ở trường offset trong gói

điều khiến Chùm dữ liệu sau đó được chuyén hoản toàn trong miễn quang, do

vậy “nút cỗ chai” điện trong đường dẫn đỡ liệu đầu cuối-đầu cuối sẽ được hủy

bổ Điều này đẫn đến việc cấp phát bước sóng phụ, tức là tại giao điện ra bước

sóng chỉ dược cấp phát chỉ trong khoáng thời gian có chủm đữ liệu

18

CHUONG 2 TONG QUAN VE CIIUYEN MACII CIIUM QUANG

Chương nảy trình bay các vin dé téng quan về mạng chuyển mạch chủm

quang, như kiến trúc, chức năng và các thành phần của mang

Nội dung của chương gdm:

- Mạng chuyển mạch chủm quang: giới thiệu kiến trúc vả sơ đỗ chức năng của mạng chuyển mạch chủm quang

-_ Các hệ chuyển mạch: mô tả hai hệ chuyển mạch là thành phần

chính trong mạng chuyển mạch chủm quang đó là hệ chuyển

mạch biên và hệ chuyển mạch lõi

19

2.1 Mang chuyén mach chim quang

Céng nghé chuyén mach chim quang lả công nghề lai giữa chuyển mạch

kênh quang với chuyên mạch gói quang Mang chuyền mạch gói quang với tiêu chí là cả thông tin điều khiển và dữ liêu đều được thực hiên trong miền quang

Để thực hiện điều đó đỏi hỏi công nghệ phức tạp và ở giai đoạn hiện nay, kết

quả thực hiện chưa được như mong muốn Công nghệ chuyên mạch chùm quang

ra đời với điểm khác biệt lớn so với chuyển mạch gói quang là dữ liệu vẫn thực hiện trong miền quang dưới dạng các chùm trong khi các tín hiệu điều khiển được thực hiện trong miền điên

2.1.1 Kiến trúc chung và sơ đồ chức năng,

Hình 2.1 Kiến trúc mạng OBS

Hình trên mô tả kiến trúc của mạng chuyển mach chim quang (OBS) Cac

thành phần chính của mạng gồm nút biên lỗi vào (Ingress Node, Edge Node),

nút biên lối ra (Egress Node, Edge Node) và nút lõi (Core Node) Lưu lượng lỗi

vào được qua các nút biên vào mang OBS Lưu lượng được định tuyến trong

mạng qua các nút lõi rỗi tới nút biên lối ra và tới đích

Câu trúc phần cứng là một phần quan trong trong OBS, né lam cho OBS

có các chức năng riêng cũng như có những ưu điểm hơn so với các chuyển mạch

khác Chương này giới thiệu về cấu trúc của chuyển mach OBS gồm các nôi

dung chính như giới thiệu mạng OBS§ ở dạng mắt lưới hay dạng vỏng nút, cầu trúc của nút biên, nút lõi Trong mạng OBS, các gói IP khác nhau đến từ phía

người sử dụng được (ân hợp thành cáo chủm (bursU ở nút biến đầu vào sau đó

được truyền đi Các gói IP dã dược kết hợp đỏ được chuyển đi trong mạng

quang dưới dang các chùm vả được tách ngược trở lai ở mút biên đầu ra Chức năng tạo chùm bởi sự kết hợp và giải kết hợp được thực hiện khác nhau như có thể sử dụng một ngưỡng hoặc khoảng thời gian quy định để kết hợp các gói đữ

liệu tạo ra một chủm quang và gửi chùm vào mạng Các núi lối số có các bộ thu

WDM, các bộ phát WDM các bộ ghép kênh WDM, các bộ giải ghép kênh

WDM các bộ khuyếch đại Node, các đơn vị điều khiển chuyển mạch, các bộ

biển đổi bước sóng, các đường tạo trễ, các bộ chuyển mạch phân chia không gian

Hinh 2.2 So dé chic ning OBS

Hình trên mô tả sơ đồ chức năng của hệ thông OBS Hệ thống OBS gồm 3 khối chính: Hệ chuyển mạch biển vào (Ingress Edge Node - Nút biên vào), hệ

chuyển mạch lõi (Core Node — Nút lõi) và hệ chuyển mạch bién ra (Egress Edge

Node — Nút biên ra)

IIé chuyển mạch biên vào gồm các thành phần chính là: bộ kết hợp chim

(Burst Assembler), modul dinh tuyén va chuyển đổi bước sóng (Roubing &

Wavelength Assignment), và bộ lập lịch biên (Hdpe Scheduling)

TIệ chuyển mach 16: gdm các thành phân chính là: báo hiệu (Signaling), lập lịch lõi (Core Schcduling) và thành phần giải quyết xung đột (Contention

Resolution)

21

Hệ chuyển mạch biên ra gồm các thành phần chính là: Giải kết hợp chùm

(Burst Disassembly), chuyển tiếp gói (Packet Forwarding)

2.1.2 Mạng dạng mắt lưới

Kiến trúc mạng OBS dạng mắt lưới là kiến trúc mà các nút mạng được bố

trí và liên kết với nhau tạo thành hình mắt lưới

Trong mang chuyển mạch chùm quang, các chùm dữ liệu bao gồm tổ hợp

nhiều gói được chuyển qua mỗi nút mạng ở dang toan quang Một thông báo điều khiển được truyền trước chùm dữ liệu với mục đích thiết lập các chuyển

mạch dọc theo đường đi của chùm Chùm dữ liệu được truyền theo sau đó

Hình dưới thể hiện một mang OBS dang mắt lưới bao gồm các nút biên và các nút lõi Mạng OBS bao gồm các chuyển mạch chùm quang được nối với các tuyến WDM OBS phát một chùm từ cổng đầu vào tới cổng đầu ra, dựa trên thiết kế chuyển mạch nó có thể có hoặc không được trang bị bộ đêm quang Các tuyến WDM mang tổ hợp nhiều bước sóng và mỗi bước sóng coi như một kênh truyền Gói điều khiển kết hợp với một chùm cũng có thể truyền trên băng tần

qua cùng một kênh như là dữ liệu, hoặc trên một kênh điều khiển riêng biệt

Chùm có thể được cố định để mang một hoặc nhiều gói IP

°

Nút lõi

(core node)

Hình 2.3 Mô hình mạng OBS dạng mắt lưới

Một nút đặc trưng bao gồm những thành phần sau

Giao diện đầu vào: Tiếp nhận gói điều khiển và chùm dữ liệu, chuyển đổi

gói điều khiển thành tín hiệu điện

Đơn vị điều khiển chuyển mạch: Phiên dịch gói điều khiển, đặt lịch trình

và giải quyết xung đột, định tuyến, điều khiển ma trận chuyển mạch, tạo lại gói mào đầu và điều khiển biến đổi bước sóng

Các bộ biến đổi bước sóng và các đường trễ quang (ODL): đường trễ

quang sử dụng như một bộ đệm để chứa chủm trong một khoảng thời gian trễ

+1 bước sóng Trong đóN bước sóng được sử dụng để truyền chum,

bước sóng thứ N+l được sử dụng như một kênh điều khiển

Mỗi nút OBS được gắn với một hoặc nhiều mạng truy nhập (phía người sử

dụng) Theo chiều từ mạng truy nhập đến vòng Ring, các nút OBS hoạt động

23

như một bộ tập trung Dữ liêu từ người sử dụng cần chuyén qua mang Ring được tập hợp, lưu trữ (đệm) ở dạng điện tử rồi sau đó được nhóm lại cùng nhau

va được truyền trong chim tới nút OBS đích Mỗi chùm có thể có kích thước bắt

kỳ giữa giá trị cực đại và cực tiểu Các chùm được truyền đi ở dạng tín hiệu

quang dọc theo vòng Ring ma không trải qua bất kỳ sự chuyển đổi dién-quang nào ở những nút trung gian

Theo hướng từ vòng Ring đến các mạng truy nhập, nút OBS ngắt các chùm quang đã được định sẵn tới chính nó, chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu điện

tử, xử lý điện tử dữ liêu chứa trong chùm vả chuyển chúng tới những người

dùng trong các mạng truy nhập kết nối với nó

Kiến trúc của một nút OBS cho thấy mỗi nút được trang bị một bộ tách ghép kênh quang (OADM), và hai cặp thu phát quang Cặp đầu tiên gồm có một máy thu và máy phát có định được điều hưởng bởi bước sóng điều khiển, và là

bô phận của module điều khiển

Bước sóng điều khiển được tách bởi OADM ở mỗi nút, và được ghép trở lại sau khi module điều khiển đã đọc thông tin điều khiển và có thể chèn thông tin mới vào Cặp thứ hai của bô phân thu và phát gồm có một máy phát được cố

định để điều hướng tới bước sóng chủ của nút, và một máy thu nhanh để có thể nhận các chùm từ tắt cả N bước sóng truyền tới Mỗi nút OBS có một bước sóng

chủ chuyên dụng để truyền các chủm của chính nó Bộ OADM ở mỗi nút loại bỏ

tín hiệu quang từ bước sóng chủ của nút bằng cách tách bước sóng tương ứng

Bộ OADM cũng tách tín hiệu quang trên những bước sóng khác nhau, mỗi khi các bước sóng đó chứa đựng các chùm cho nút này

“Tử mạng truy nhập

"Hàng đợi iota

Tach ghép kênh quang

Hình 2.5 Kiến trúc node chuyển mạch quang

24

Trong trường hợp khi oé nhiéu chim dén, mdi chửm trên một bước sóng khác nhau, ở một nat OBS, module thu trong hinh 2.5 st dung chiến lược giải

quyết xung đột để xác định chùm nào sẽ được chấn nhận I3ữ liệu truyền đi được

tổ chức thành các hàng dợi Hộ đêm dữ liêu ở mỗi nút (B8 dược chia sẽ thành

N -1 hang doi Méi hang doi tương ứng với một trong số N -1 nut đích Các

hàng đợi phục vụ theo thứ tự xác định bởi module lịch trinh

2.2 Các hệ chuyển mạch

2.2.1 HIệ chuyển mạch chùm quang biên

Kiến trúc hệ chuyển mạch chầm quang biên

Như đã mô tả trong sơ dé chic nang OBS ở trên, hệ thông OBS gém 3

khối chính: Hệ chuyển mạch biên lỗi vào (Ingress Edge Node - Nut bién lối vào), hệ chuyển mạch lõi (Core Nođe Nut lồi) và hệ chuyến rạch biên lối ra

(gress Edge Node Nut bién lỗi ra)

Nút biên OBS dau vao va dau ra 1A giao điện giữa mạng người sử dụng

(mang IP) và mạng OBS Irong mạng OB3, các gói IP khác nhau đến từ phía người sử dụng được tập hợp thành các chùm tại nút biên đầu vào sau đó nó được truyền đi, và các gói IP đã được kết hợp đó được chuyến đi trong mạng quang

đưới dạng chùm và được tách ngược trở lại tại nút biên đầu ra

Hệ chuyển mạch biên lỗi vào gdm cdc thanh phan chính la: bộ kết hợp chum (Burst Assembler), modul dinh tuyén và kết hợp bước sóng (Routing &

Wavelength Assignment), va b6 lap lich bién (Edge Scheduling)

Hệ chuyển mạch biên lỗi ra gềm các thanh phan chính là: Giải kết hợp

chum (Burst Disassembly), chuyén tiếp gói (Packet Forwarding}

Câu trúc cơ bản của nút biển lôi vào như hình san:

Data

Lop Chanel +

Contal Chanel

Ở nút biên lỗi vào, chum được thiết lập từ oác gói tín IP dén sau đó được đưa dến bộ sắp xếp chọn đường ra cho chủm và truyền trên đường truyền Gói

tin điều khiển cũng được truyền đi trên kênh bước sóng riêng Ở nút biến lối ra,

các kênh dữ liệu DCG (Data Channel Group) dược đưa đến bộ nhận chủm Các

kênh điều khiển CCG (Control Channel Group) được đưa đến bộ nhận gói tin

điều khién (BHP Receiver)

Tại nút biên lối ra chùm được đưa đến bộ tách chùm dé tách thành các gói tin ban đầu, sau đó được đưa đến chuyển mạch để chuyển mạch đến công ra

theo yêu cầu

Trong nút biên lỗi vào, khối chức năng chính lả bộ phát với bước sóng điều

chính được cỏn ở nút biên dầu ra là bộ nhận chủm

Nguyên tắc thiết lập buraL

Thiết lập chùm (burst) là quá trình tập hợp và đóng gói ở lối vào từ các gói

đữ liệu IP đến thành chùm tại nút biên lối vào của mạng OBS Có nhiễu kỹ thuật được đề xuất trong nguyên tắc thiết lập chùm, trang đỏ hai kỹ thuật được quan tâm nhất là thiết lập dựa vào bộ định thời (timer-based) và dựa trên mức ngưỡng,

(threshold —based)

“Trong lúc thiết lập chủm, nút biên lỗi vào sắp xếp va lap lich cho các gói đến vào trong những bộ đệm lối vào theo mức QoS va đích đến của nó Những

gói này sau đó được tập hợp thành chùm và chứa trong các bộ đệm lỗi ra Hởi vì

mỗi hướng và mỗi lớp dịch vụ yêu cầu một bộ đệm riêng, nên số lượng lớp dịch

vụ vả kích thước mạng quyết định nhiều dến kích thước của bộ dệm tại nút biển lỗi vào

Thời gian d(JRet

Thời gian offset là khoảng thời gian giữa thời điểm nút nguồn phát di bit

đầu tiên của gói điều khiển và thời điểm nút nguồn phat di bil đầu tiên của chùm

dữ liệu Lựa trên chiều dải offast, chuyển mạch chủm quang có thể được phân

thành các loại: Offset không đặt trước (No Reservation), Offset cố định

Một yêu cầu đặt ra là phải tính toán sao cho thời gian offset không đái quá hay ngắn Nếu thời gian offset quá ngắn gây ra tỉnh trạng chùm được gửi đi khi

chưa hoàn thảnh dự trữ tài nguyên ở các mút trung gian, chùm đó sẽ bị mit

Ngược lại nếu thoi gian offset qua dai lam chậm trễ quá trình truyền chum trong

mang,

2.2.2 Hé chuyén mạch chùm quang lõi

Hệ chuyển mạch chủm quang lõi (nút lõi) gồm các thành phần chính là:

một bộ kết nối chéo quang (OXC) và một đơn vị điều khiển chuyển mạch (SCU) SCU tao và bảo trì một bảng chuyển tiếp và chịu trách nhiệm cầu hình cho OXC Khi §CU nhận một gói tiêu đề chùm (BHP), nó đọc thông tin trong gói xác định đích của gói này và chùm dữ liệu theo sau, tra cứu thông tin trong

bảng chuyển tiếp để đưa ra quyết định nên mở lối ra nảo của khối kết nối chéo

quang OXC Nếu lối ra có thể sử dụng khi được khi chủm dữ liệu đến, SCU sẽ cầu hình cho phép chùm dữ liệu chuyển thẳng sang hoàn toàn quang Nếu lối ra

mong muốn không thể sử dụng tức đang được sử dụng bởi một chùm khác, việc

cấu hình cho OXC phụ thuộc vào nguyên tắc giải quyết xung đột được đưa vào mạng Nói chung, SCU chịu trách nhiệm đọc các gói điều khiển, lập lịch, nhận

biết xung đột và giải quyết xung đột, tra cứu bảng chuyển tiếp, điều khiển ma

trận chuyển mạch (hay OXC), tạo lại gói điều khiển để phát tiếp nếu nút này chưa phải là đích của nó và điều khiển việc chuyển đổi bước sóng Trường hợp

một chùm dữ liệu vào OXC trước gói điều khiển của nó thì chùm này sẽ bị rớt

Cấu trúc chung của nút lõi gồm các khối chính: đơn vị điều khiển chuyển mạch O/E/O (Bộ chuyền đổi quang-điện Optical-Electric Converter, bộ chuyển đổi dién-quang Electric-Optical Converter), cơ cau chuyển mạch và bộ chuyển

đổi bước sóng (x) như hình dưới

Don vj diéu khién chuyén mach véi b6 chuyén đôi O/B/O

Don vi diéu khién chuyển mạch có chức năng xử lý gói tin điều khiến, lấy

ra các thông lin định tuyến và bước sóng, điều khiển cơ cầu chuyển mạch và bộ

chuyển đổi bước sóng để chuyển chùm đến cổng ra mong muốn trên kênh bước sóng mong muốn Trong ÖBS, gói tin điều khiển được xử lý trong miễn điện

nên bộ chuyển đối điện quang là cần thiết

Cơ cấu chuyển mạch quang

Cơ cầu chuyển mạch quang thường sử dụng chuyển mạch trong không gian

quang Do nút lỗi có N đầu vào vá M bước sóng trên mỗi cáp quang nền phải sử

đụng chuyên mạch không gian với kích thước NxM Yêu cầu cho cơ cấu chuyến mạch quang phải có kích thước không gian chuyển mạch lớn, thời gian chuyển

mạch nhanh, có độ tin cậy cao và chỉ phí thấp

Khối chuyễn đỗi bước sông

khối chuyển đổi bước sóng có thể đặt ở đầu vào hoặc đầu ra của cơ cấu

chuyển mạch Nếu bộ chuyển đổi bước sóng đặt ở đầu ra thi các bước sóng ở

đầu ra của bộ chuyến đổi không đổi, nếu đặt ở đầu vào thi bước sóng, đầu ra có

thể thay dỗi Trong hai trường hợp trên thì vẫn có thể có được sự chuyển dỗi bước sóng dầy đủ nếu sử dụng bộ chuyển dỗi bước sóng hoàn toan

Đổ giảm sự phức tạp và tốn kém của chuyển mạch, các nut OBS co thé chia sẻ các bộ chuyển đổi bước sóng Tuy nhiên, nếu dùng chung nó chỉ có thể

chuyển đổi một số hạn chế các bước sỏng vả việc thực hiện công nghệ nảy phải được tính toán kỹ Nếu muẩn chuyển đổi toàn bộ bước sóng với chuyển mạch

nay thì cầu trúc chuyển mạch cảng phức tạp hơn Chuyển đổi bude séng loan bd

3 BÀI Ặ

là cần thiết để giải quyết xung đột trong OBS nên & day chi dé ấp đến chuyển mạch với bộ chuyển dỗi bước sóng toàn bộ

2.3 Giải quyết xung đột trong mạng OBS

Mạng bị nghẽn khi những dịch vụ đòi hỏi tài nguyên nhiều hơn khả năng

cung cấp Nghễn mạng liên quan tới dé trễ của chủm đến, mức độ suy hao chùm Để tăng hiệu quả truyền dữ liệu, piảm khả năng mắt chum trong mang

OBS ta phai có các phương pháp giải quyết xung đột thích hợp Có thể khắc

phục nghến băng việc sử dụng phương pháp ngăn chăn hoặc phương pháp tác động lại

2

Vì các chùm được truyền từ nút nguồn đến nút đích sau khi chuyển mạch

qua các nút trung gian mà không cần bộ đêm quang nên khả năng xảy ra xung

đột là rất lớn Xung đột có thể xảy ra khi nhiều chùm muốn rời nút lõi trên cùng

một tuyến WDM hay chum 6 cac 1éi vào khác nhau muốn đến một lối ra tại

cùng một thời điểm

Trong điều khiển chống tắc nghẽn, băng thông được phân phối để tạo kết

nối trong thời gian thiết lập vì vậy đạt được Qo§

“Trong điều khiển tác động lại thì tốc độ lưu lượng tại đầu cuối trong mạng

có thể được điều chỉnh hoặc định tuyến lưu lượng có thể được biến đổi để giảm

tranh chấp gói tại những nút trung gian

Những phương pháp giải quyết xung đột được đưa ra là: Chuyển đổi bước sóng, bộ đệm quang, định tuyến chuyền hướng và phân đoạn chùm

2.3.1 Bộ đệm quang FDL

Bộ đêm quang hay còn được gọi là đường dây trễ FDL (Fiber Delay Line) Nếu như trong miền điện có các bô nhớ truy cập ngẫu nhiên như RAM thi trong miền quang ý tưởng bộ đêm quang vẫn chưa thực hiện được Vì vậy để đệm

chùm dữ liệu trong một khoảng thời gian người ta chỉ có thể dùng đến các

đường dây trễ quang FDL Các chùm dữ liệu được lưu giữ trong miền quang một khoảng thời gian có định Bằng cách kết nối các dây trễ FDL theo tầng hay kết nối song song, bộ đệm được đề xuất nay có thể giữ các chùm dữ liệu trong các thời gian khác nhau Với phương pháp này, chùm đang tham gia tranh chấp

sẽ được làm trễ lại cho tới khi nghẽn được giải quyết Phương pháp này dựa trên

ý tưởng là: khi một bước sóng được yêu cầu nhưng kênh chưa sẵn sàng thì chùm

dữ liêu sẽ được làm trễ lại trong một FDL cho tới khi kênh bước sóng đó trở về trang thái sẵn sảng,

(Delay period using FDL)

Hình 2.8 Giải quyết xung đột bằng phương pháp sứ dụng đường dây trễ FDL

Ở hình trên kênh bước sóng mong muốn của chủm dữ liệu là 1] nhưng

kênh nảy đã bị chiếm tại thời diểm tới của chủm Trong trường hợp nảy, cham

đữ liêu sẽ được đêm lại trong khoảng thời gian A, khi đó kênh này đã trở về trạng thái sẵn sàng tại thời điểm tới của chủm dữ liệu sau khi đã được đệm

Do FIDL dura tr8n trễ truyền của cáp quang và sự truy cập liên tục nên nó có

nhiều hạn chế so voi RAM Nếu dung lượng bộ đệm lớn thì số lượng và chiều dai của FDL cảng tăng nên để gây tổn hao và việc sử dụng bộ đệm cũng không

thé hoàn toàn giảm kha ning mal chim

2.3.2 Bộ chuyến đổi bước sóng

Sử dụng bộ chuyến đổi bước sóng (wavelength converter) dé chuyén déi kênh lỗi ra khác cho chùm đữ liệu nếu như kênh nó mong muốn đang bận

Trong WDM, nhiều bước sóng được ghép củng một lúc trên môi liên kết giữa 2

nút Nhiều bước sóng có thể giảm tối da số lượng xung đột Giả sử có hai chùm cùng dến một dích và ra ở củng lỗi ra tại một thời diểm, thì cả hai chủm vẪn có

thế truyền đi tiếp nếu ở hai bước sóng khác nhau

Chuyển đối bước sóng lả quá trình chuyển đổi một bước sóng ử lối vào

thành một bước sóng khác ở lối ra Diễu nảy làm tăng khả năng sử dụng lại bước sóng nghĩa là tất cả các kênh bước sỏng trên cùng một cáp quang có thể được

đùng chung bởi tất cả các chùm Có các kiểu chuyển đổi sau

« Chuyển đổi toàn bộ (Full convcrsion)} Một bước sóng có thể chuyển thành bắt kì bước sóng nảo ở dầu ra, do vậy không có một bước sóng nào

xuất hiện liên tục trên một kết nổi từ đầu cuối đến đầu cuối

œ Chuyến đối có giới hạn (Limitted conversion); Mét bước sóng chỉ có thể chuyển thành một trong số giới hạn các bước sóng ở dầu ra Việc giới hạn

nảy sẽ làm giảm chỉ phí cúa chuyển mạch trong khi chấp nhận khã năng xung đột cao hơn

«e Chuyển đổi cố dinh (Mixed conversion): Dây cũng là một dạng của

chuyển đổi có giới hạn, trong đỏ một kênh lối vào được kết nối với một

hay nhiều kênh lễi ra được chỉ định trước

© Chuyển dổi một phần (Sparse conversion): Trong mạng có thể bao gỗm các nút có chuyển dỗi toàn bộ có giới hạn, cổ định và không có bộ chuyển

đồi bước sóng

30

Hình 2.9 Giải quyết xung đột bằng phương pháp chuyển đổi bước sóng

2.3.3 Định tuyến chuyển hướng

Trong định tuyến chuyển hướng, xung đột được giải quyết bằng cách định tuyến chủm dữ liệu đi theo chăng đường khác thay vì chăng đã định ban đầu, tức

là kể từ nút đó đi theo chăng đường khác để đến đích chứ không còn đi theo

chăng đường ngắn nhất ban đầu Định tuyến chuyển hướng thực sự cần thiết trong mạng toàn quang khi chưa có bộ đệm quang Gói hay chùm dữ liệu được

định tuyến chuyển hướng có thể đi trên con đường dài hơn để đến đích, dẫn đến

làm tăng độ trễ và giảm chất lượng tín hiệu Hơn nữa, một gói có thể bị vòng lặp (loop) do không tìm được đường đến đích hay bị chuyển hướng quá nhiều và thêm tắc nghẽn trong mạng

Một số vấn đề khác trong định tuyến chuyển hướng là bảo trì thời gian

offset giữa gói điều khiển và gói dữ liệu của một chùm bị chuyển hướng Bởi vì

chùm bị chuyển hướng phải đi trên đường có số nút trung gian nhiều hơn so với khi không bị chuyển hướng, do đó thời gian offset trước đây là không đủ để các chuyển mạch kế tiếp xử lý các gói điều khiển trước khi chùm dữ liệu đến Để khắc phục vấn đề này, nhiều xử lý được thêm vào để tính toán lại thời gian offset Một cách đơn giản hơn là chỉ cần loại bỏ những chủm có thời gian offset không hợp lê Để biết được số nút trung gian mà chùm phải đi qua, có thể dùng

các bộ đếm

2.3.4 Phân đoạn burst

Trong phương pháp này chùm được phân thành các đoạn để khi có xung đột thì chỉ có một phần chùm bị mat, phần còn lại vẫn được truyền qua mạng

Phan chum bị mắt có thể là phần trước hay phần sau Nếu chủm bị hủy bỏ phần

31

đầu thì phần chùm còn lại cần thông tin của offSet giữa gói tin điều khiển của chim va điểm đầu của phần chùm còn lại Nếu chùm bị hủy bỏ phần đuôi thì

cần phải thêm gói tin điều khiển của chùm cho phần đuôi bị hủy bỏ

Nếu như ranh giới giữa các đoạn hoàn toàn trong suốt trong mạng lõi toản quang thì các nút biên phải chịu trách nhiệm định nghĩa và xử lý các đoan trong

a

† Contenled buret K——+( tủnnguyên NgSvio2 Contented burst { Contenting

borst bixén một phần

Hình 2.10 Giải quyết xung đột bằng phương pháp phân đoạn burst

điện Hơn nữa, nút nhận phải có khả năng nhân ra điểm bắt đầu của mỗi đoạn và xác định xem đoạn đó còn nguyên ven hay không, do đó một số header ding dé nhân ra lỗi và sửa lỗi chứa trong một đoan Thêm vào đó thông tin về tín hiệu đồng hỗ có thể cũng cần phải có trong mỗi header của mỗi đoan dé nút nhận lối

ra có thể xác định và phục hồi dữ liêu trên mỗi đoạn Khi các đoạn có chiều dài

không đổi thì việc đồng bộ ở máy thu trở nên dễ dàng, tuy nhiên những đoạn có

chiều dài thay đổi lai có khả năng chứa được những gói có chiều dải khác nhau Kích thước của mỗi đoạn cỏn phải cân nhắc giữa mất mát trong một lần xung đột và số lượng header trong mét chùm Đoạn dài sẽ dẫn đến mắt nhiều dữ liêu cho mỗi lần xung đột, tuy nhiên những đoạn dải cũng dẫn đến overhead và tỉ số giữa chiều đài header so với chiều dải payload sé nhỏ theo Một số vấn đề khác trong phân doan chim là quyết định xem đoạn nảo bị rớt khi xung đột xảy ra giữa hai chủm Giả sử gọi chùm bị xung đột là contented chùm cỏn chùm xung

dt 1a contenting burst Cha y ring chùm được xem 1a contented hay contenting burst phụ thuôc vào thử tư của nó đến chuyển mạch chứ không phải thứ tự của gói điều khiển đến trước hay đến sau Có hai cách đề xác định xem những đoạn

32

nao nên rới, được gọi là kal-dropping (rót phần đuôi) và hoad-dropping (rớt

phần dầu}

Trong cách rớt phần đuôi tail-dropping thì các đoạn chồng lấn của

contented burst sé bi rél con trong oách rớt phần đầu hơađing-dropping thì các

đoạn của contenting burst chéng lin sẽ bị rớt L/u điểm của việc tail-dropping so

với tail-dropping trong việc thay đối các gói sai thứ tự ở nút đích với giả thuyết Tầng các gói rớt được truyền lại sau đó Việc head-dropping làm cho các gói đến

đích sai thứ tự, tuy nhiên, ưu điểm của head-dropping là nó chắc chắn rằng một

khi chùm đến một nút không bắt gặp một xung đội nào và sao đỏ cdc chum nay tiếp tục đi đến đích mà không phụ thuộc vào các chủm đi sau nó có mức ưu tiền

nảo đi chăng nữa

Như vậy, việc lựa chọn giữa các biện pháp giải quyết xung dột cũng là một

vẫn để quan trong nhằm giảm tỉ lệ mit chùm đến mức thấp nhất có thể Tuy theo yêu cầu cụ thể của từng mạng và điều kiện cho phép mà ta chọn ra phương pháp thích hợp hay để tận dụng các ưu điểm của mỗi phương pháp ta có thể sử dụng

kết hợp chúng sẽ cho hiệu quả giam tí lệ mất chin cao hơn nhiều so với việc

dùng riêng lẽ từng phương pháp

2.4 KếLluận

Xem xét kiến trúc của mạng chuyển mạch chủm quang cho thấy nguyên

tắc hoạt động, chức năng cũng như các thánh phần của mạng Mạng OPS kiển trúc đạng mắt lưới với các nút biên và các nút lỗi được bố trí và liên kết như

hình lưới Irong khi đó, kiến trúc dang vòng và nút cho thấy các nút được tố chức trong mạng OBS theo một véng đơn hướng Trong, kiến trúc nảy, các chim được truyền đi ở đạng tín hiệu quang đọc theo vòng Ring mà không trải qua bat

+ sự chuyển đổi điện-quang nảo ở những nút trung gian

"Trong mạng chuyển mạch chùm quang, thành phan chính là các nút lõi và

nút biển Nút biên có hai loại là nút biển lỗi vào và nút biên lối ra Các gói IP khác nhau dến từ phía người sử dụng dược tập hợp thánh các chủm (burst) ở nút

biên đầu vào sau đó được truyền di Các gói IP đã dược kết hợp đó dược chuyển

đi trong mạng quang dưới dạng các chùm và được tách ngược trở lại ở nút biên

đầu ra Ở nút biên lối vào, chùm được thiết lập từ các gói tin IP sau đó được đưa

đến bộ sắp xếp chọn đường ra cho chum va truyền trên đường truyền Tại nút

biên lối ra chủm dược đưa đến bộ tách chum dé tách thành các gói tin IP ban

33

đầu, sau đó được đưa đến chuyển mach để chuyển mạch đến công ra theo yêu cầu

“Trong chương này hai van dé quan trong của hệ chuyển mạch chùm quang

biên, đó là: nguyên tắc thiết lập bursL (chùm) và khải niệm thời gian oliset cũng

được giới thiêu 'Iuy nhiên các vẫn để liên quan đến nút biển được trình bây ở

đây chỉ ở mức giới thiêu sơ lược Kiển trúc, nguyên tắc hoạt động cũng như các vận đề quan trọng của hệ chuyển mạch chủm quang biên được mô tả kỹ hơn trong chương 4

Cấu trúc chung của nút lõi gdm các khối chính: đơn vị điều khiển chuyển

mạch O/T/O (Bộ chuyển đổi quang-điện Optical-Electric Converter, bộ chuyển

đổi dién-quang Electric-Optical Tonverter), cơ cấu chuyển mạch vả bộ chuyển đổi bước sóng

Chương này cũng trình bảy các vẫn dễ mạng bị Lắc nghẽn, xung đội Nghẽn

trong mang do các nguyễn nhân liên quan tới độ trễ của chủm dễn, mức đô suy

hao chim Những phương pháp điều khiển nghẽn được đưa ra cho mạng OBS là: Chuyển đổi bước sóng, bộ đệm quang (đường đây trễ quang), định tuyến

chuyển hướng và phân đoạn chùm

Với phương pháp sử đụng bộ đệm quang là khi một bước sóng được yêu

cầu lại chưa sẵn sảng thì chùm đữ liệu sẽ được làm trễ lại trong một đường dây

trễ quang EDL cho tới khi kênh bước sóng đó trở về trạng thái sẵn sảng Phương,

pháp dùng bộ chuyển đổi bước sỏng là sử dựng bộ chuyển đổi bước sóng chuyển

đối kênh lỗi ra khác cho chùm dữ liêu nêu như kênh nó mong muốn đã bị chiếm giữ tại thời điểm chủm tới núi Xung đột được giải quyết trong phương pháp

định tuyến chuyển hưởng bằng cách định tuyến chủm dữ liệu đến một lối ra khác thay vì lễi ra ban đầu Trong phương pháp phân đoạn burst, chim được phần thánh các đoạn để khi có xung đột thì chỉ có một phần chim bi mat, phan

con lại vẫn được truyén qua mang Phan chim bi mit co thé 1a phân trước hay phần sau Nếu chủm bị hủy bỏ phần đầu thì phần chùm còn lại cần thông tin của offset gifta g4i tin điền khiển của chùm và điểm đầu của phần chùm còn lại Nếu

chùm bị hủy bỏ phần đuôi thi cần phải thêm gói tin điều khiển ofa chim cho

phần đuôi bị húy bỏ

34

CIIUONG 3

PHUONG PHAP LUAN DANH GIA HIEU NANG

Chương này trình bày phương pháp luận toán học như các tiến trình cơ

bản, các khái niệm của lý thuyết xác suất, và sáo mô hình hàng đợi để áp dung

mô hình hoả nút biển của mạng OBS

Nội dung của chương gỗm:

-_ Cơ sở toán học

- Lý thuyết hàng đợi

35

3.1 Cơ sử toán học

Phan nay trinh bay cắc tiến trinh trong toán học xác suất phục vu cho việc xây dựng mô hình nút hiên với các tiên trình đến của chủm được trình bay trong,

chương sau Các tiến trình được giới thiệu ở đây gồm: tiến trình điểm, tiến trình

Poisson, tiến trỉnh Maxkov, và tiền trình sinh/tử Các tiến trình này tham khảo

trong tài liệu của Andreas Willig và các tác giả trong [16] Sau đây sẽ đi vào

xem xét từng tiển trình cụ thể

3.1.1 Tiến trình điểm

Các tiến trình đến là một tiến trình điểm ngẫu nhiên, với tiến trình này chúng ta có khả năng phân biệt hai sự kiện với nhau Các thông tin về sự đến

riêng lẻ (như thời gian phục vụ, số khách hàng đốn) không oần biết, do vậy

thông tin chỉ có thể dùng dễ quyết định xem một sự đến có thuộc quá trình hay

Lan quan sat thir nhat tai 70 = 0

Số các cuộc gọi trong nửa khoáng thời gian mở [Ø f] là Xị, ở đây Nụ: là một biến

ngẫu nhiên với các tham số thời gian Hên tục và thời gian rời rạc, khi L tăng thì

TỊ không bao giờ giảm

Khoảng thời gian giữa hai lần đến là

® Cách biểu diễn số A¿ : khoảng théi gian r gitt khong di, va ta xét bién ngẫu nhién N, cho số cuộc gọi trong khoảng thời gian í

© Cách biểu điển khoảng ø : số các cuộc gọi đến là hằng số (), và ta xét

biến ngẫu nhiên ¿ là khoảng thời gian diễn ra m cuộc gọi

Mối quan hệ căn bản giữa hai cách biểu diễn thể hiện đơn giản như sau:

a 4< nkhí và chỉ khi 7, - 5 Ẩ, >f

a Điều nay duoc bidu dién bang dang thire Feller - Jonsen

PR cndphot tới n= 1, 2,

Thân Lích tiến trình điểm có thể dựa trên cả hai cách này, về nguyên tắc chứng tương dương với nhau Cách biểu diễn khoảng thời gian lương ứng với việu

phân tích chuỗi thời gian thông thường

Cách biểu diễn số không song song với phân tích chuỗi thời gian Số liệu thẳng,

kê được tính toán trên mỗi đơn vị thời gian và ta có các mức trung bình thời

gian

;ĐĐặc tính của tiến trình diém

Phan này xem xét đặc tính của tiến trình điểm thông qua cách biểu diễn số Tỉnh đừng (tính đồng nhất thoi gian) (Stationarity-time homogeneity):

Tỉnh chất này có thể mô tả là cho đủ ở vị trí nảo trên trục thời gian cũng

vậy, phân bố xác suất tiến trình điểm là độc lập với thời điểm quan sal Dinh

nghĩa sau dầy dược sử dụng trong thực tế

Định nghĩa: Cho tuỳ ý 12 > 0 và với mỗi >0 Xác suất mả k cuộc gợi

đến trong khoảng thời gian [H, tI—t2] là độc lập với tl, nghĩa là với mọi t, k ta

có:

øn„ —Xa)=k 3P nuzu Naw =k

Đây là một trong nhiều định nghĩa vẻ tính dừng của tiến trình điểm các

cuộc gọi đến

Tinh dic lip (Independence)

"Tỉnh chất này thế hiện là: tương lai của tiến irinh chi phu thudc vao trang thái hiện tại

37

Định nghĩa: xác suất gỗ k sự kiên (với k nguyên và lớn hơn huặc bằng 0) trong khoáng |L1, L1—12| lá độc lập với các sự kiện trước thời điểm t1

p Ma TNa)=kINa ÝNa =n 3 p Ma = NA) =k

Tiểu điều này đúng với mọi t thì tiến trình này là tiến trình Markov: trạng

thái tiếp theo chỉ phụ thuộc vào trạng thái hiện tại, nhưng độc lập với việc nó đã

củ được như thế nào Đây chính lả tỉnh chất không nhớ Nếu tính chất này chí

xây ra tại các thời điểm nao dé (vi du thoi điểm đến), thì những diểm này được

gọi là các điểm cân bằng hay các điểm tải tạo Khi đó tiễn trình có nhớ giới hạn,

và ta cần lưu lại điểm tái tạo gần nhất

Tinh đêu dén (Regularity)

Như đã nói ta loại trừ các tiến trình của nhiều cuộc gọi vào một thời điểm,

vậy ta có định nghĩa sau:

Định nghĩa: một tiến trình điểm được gọi là déu đặn nếu xác suất xây ra với nhiều hơn một sụ kiện ở cùng một thời điểm bằng không,

PMs NDE? Fala), kh: AI~s0,0(A)—»0

3.1.2 Tién trinh poisson

Tiến trinh Poisson là nến fink diém quan trọng nhất bởi vì vai trỏ của nó

cũng quan trọng như vai trỏ của phân bế chuẩn trong phân bố thông kê Tất cả

những tiến trình điểm ứng dụng khác dều lá dang tổng quát hoá hay dang sửa

đổi của tiến trình Poisson Tiển trình Poisson mỗ tả rất nhiều tiễn trình trong đời

sống thực tế, đo nó có tỉnh ngẫu nhiên nhất

Đặc tỉnh của tiễn trình Poisson -

Những đặc Linh cơ ban cia tién trinh Poisson 14

« Tỉnh đừng

«Tỉnh độc lập tại mọi thời điểm

® Tinh déu din

Hai tinh chất sau là tính chất cơ bản, từ đó tién trinh Poisson có cường độ

phụ thuộc thời gian.Từ các tính chất trên người ta có thể đưa ra các tính chất

khác đủ để biểu điển tién trinh Poisson, dé là

36

* Biéu diễn số: là số các sự kiện đến trong một khoảng thời gian với độ dài

cổ định được phân bố theo tiến trình Poisson

© Biểu điển khoảng thời gian: là các khoảng thời gian Xi giữa các sự kiện

liên tiếp nhau được phân bố theo hàm mũ

Tiến trình đến Poisson sử đụng trong lưu lượng viễn thông của mạng

chuyển mạch gói và mạng máy tỉnh Thêm vào đó liên trình Poisson đã dược sử đụng dễ mô tả các tiến trình nhiễu và để nghiền cứu hiện tượng các hé diện tử xuất hiển trong chất bán dẫn, và trong các ứng dựng khác

Ba vấn dề cơ bản dược sử dụng dễ định nghĩa tiến trinh dén Poisson Xét môi khoảng thời gian nhỏ Ä/(với A/ >0)

Hình 3.1 Khoảng thời gian sử dụng để định nghĩa nắn trình

Đó là

œ _ Xác suật của một tiến trình đến trong khoảng thời gian a: được định nghĩa

là ÀAL+o(AD, với AAL <<1 và 2 là hằng số tỷ lệ lý thuyết

« Xác suất không có tiến trình đến nảo trong khoảng thời gian A/ là

1—ÀAl+o(A)

©_ Tiển trình đến không só nhớ: một tiến trình đến trong khoảng thời gian Ar

là dộc lập với các tiền trình trước dó và các tiền trình trong tương lai Nếu lấy một chủ kỷ T, tìm xác suất p(k) của k tiến trình dễn trong thời gian

T dược cho bởi

Phuong sai: of =E(k?)—E*{k)

hay

RG) = ar Tham sé 4 1a hing sé ty 1é, dược xem là tham số tốc dộ:

Phương trình (2-25) mô tả tốc dé dến trung bình của tiến trình Poisson Bình thường giá trị trung bình #{#ÿ tiến tới không tương đương với Ã7 lớn o,f BQ)=U VAL voi nghĩa làä7 lớn, phân bố có quan hệ chặt chế với giá trị

trung bình 47 Do đó nếu một thêng số (ngẫu nhiên) số các tiến trình đến n

trong khoảng thời gian 7 lớn (“lớn theo nghĩa 47 >>1, hoặc 7 >> 1/4), z7 có

thể đánh giá 4 Cũng chú ý là pê0)=e”^”, Khi ¿7 tăng với phân bộ đính Z /&) =

ẤT, xác suất không có tiến trình đến nảo trong khoảng thời gian 7 tiến đến

không với e mã 7

3.1.3 Tién trinh Markov

Tién trinh (quá trinh) Markov là một quá trình ngẫu nhiên với đặc tính như

sau: trang thái cy lai thời dị

vecto hifu han C = (cạ, ,CmỒ

Nêu P(œ | cạ,c: cụ —¡) biểu diễn xác suất (khả năng xây ra) của trạng thái

ck tại thời điểm k khi đã trải qua mọi trạng thái cho đến thời điểm k — 1 Giả sử

trong quá trình đó thì cụ chỉ phụ thuộc vào trạng thái trước cụ ¡ và độc lập với

moi trạng thái trước khác Quá trinh này được gọi là quả trình Markov bậc 1 Có nghĩa là xác suất đẻ trạng thải cụ xây ra Lại thời điểm k, khi biẾt trước mọi trang

thái cho đến thời điểm k — 1 chỉ phụ thuộc vào trang thái trước, ví dụ: trang thái

ex¡ của thời điểm k — 1 Khi đó ta có công thức:

Xich Markov thoi gian roi rac

Trong toán học, một xích Markov hay chuỗi Markov (thai gian réi rac) 14

một quá trình ngẫu nhiên thời gian rời rạo với tính chất Markov Trơng một quá

trình như vậy, quá khứ không lên quan đến việc tiên đoán lương lai mà việc đó chỉ phụ thuộc theo kiến thức về hiện tại

Xích Markov là một dãy X1, X2, X3 gồm các biến ngẫu nhiên Tập tất

cA cdc pia tri có thể có của các biến này được gọi là không gian trạng thái S, giá

trị của Xmn là trạng thái của quá trình (hệ) tại thời điểm n

Tếu việc xác dịnh (dự doản) phân bố xác suất có điều kiện của Xm+] khi

cho biết các trạng thái quá khử là một hàm chỉ phụ thude Xn thi:

P[Xuui = rẤn, Xi, Äo, Âu) = PM ni = #I Ấn);

trong đó x là một trạng thái nào đó của quá trình thuộc không gian trạng

thái 5) Đé là thuộc tính Miarkov

3.1.4 Tiến trình Sinh/Tử

Trang thai của hệ thông dược biểu diễn bằng số các khách hàng n trong, một hệ thống Khi có một khách hàng mới đến thì trạng thái của hệ thống sẽ

thay đổi sang n+l, khi có một khách hang ra đi thi trạng thải hệ thống sé thay

đổi sang n-1, ta có lược đỗ chuyển tiếp trạng thải là quá trình sinh tử