Luận án tiến sĩ toán học : Một số cơ chế điều khiển tránh tác nghẽn tại nút lõi trong mạng

trước tài nguyên vừa đủ LAUT Lastest Available Unscheduled Time Thời gian chưa lập lịch khả dụng sau cùng nhất LCFS Last Come First Service Đến sau phục vụ trước LRWC Limited Range Wave

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

ĐẶNG THANH CHƯƠNG

PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MỘT SỐ CƠ CHẾ ĐIỀU KHIỂN TRÁNH TẮC NGHẼN TẠI NÚT LÕI TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ TOÁN HỌC

HÀ NỘI – 2013

ĐẶNG THANH CHƯƠNG

PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MỘT SỐ CƠ CHẾ ĐIỀU KHIỂN TRÁNH TẮC NGHẼN TẠI NÚT LÕI TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG

Chuyên ngành: BẢO ĐẢM TOÁN HỌC CHO MÁY TÍNH

VÀ HỆ THỐNG TÍNH TOÁN

Mã số: 62.46.35.01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ TOÁN HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

2 TS Võ Viết Minh Nhật

HÀ NỘI – 2013

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do chính tôi thực hiện Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Hà nội, tháng 12 năm 2013

Tác giả

Đặng Thanh Chương

Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới Phó giáo sư, Tiến sĩ Vũ Duy Lợi và Tiến sĩ Võ Viết Minh Nhật, những người Thầy tâm huyết đã tận tình hướng dẫn, động viên khích lệ, giúp đỡ và dành nhiều thời gian trao đổi, định hướng cho tôi trong quá trình thực hiện Luận án Tôi cũng gởi lời cảm ơn chân thành đến Giáo sư, Tiến sĩ khoa học Đỗ Văn Tiến tại Đại học Bách Khoa và Kinh tế Budapest, Hungary đã hỗ trợ, đóng góp nhiều ý kiến quý báu liên quan đến Luận án

Tôi xin gởi lời cám ơn chân thành tới Ban lãnh đạo Viện Công nghệ thông tin, Viện Hàn lâm và khoa học công nghệ Việt Nam, các Thầy cô giáo

và các Phòng liên quan của Viện, đặc biệt là các Thầy Đặng Văn Đức, Thầy Nguyễn Văn Tam và Thầy Phạm Thanh Giang đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu

Con xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến những người thân yêu nhất trong gia đình, đến hương hồn của Ba, đến Mẹ, những người suốt đời tận tụy,

hi sinh cho các con Cám ơn Vợ và Con gái, Con trai yêu đã ủng hộ, tạo điều kiện và giúp đỡ để Anh có thể yên tâm học tập, nghiên cứu

Cuối cùng, xin gởi lời cám ơn đến bạn bè thân thiết, đồng nghiệp tại Khoa CNTT, Khoa Toán, Trường Đại học Khoa học Huế đã cổ vũ, động viên tôi trong thời gian thực hiện Luận án

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ iv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT v

DANH MỤC HÌNH VẼ viii

DANH MỤC BẢNG xi

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 5

1.1 Mạng truyền dẫn quang và các công nghệ chuyển mạch quang 5

1.1.1 Chuyển mạch kênh quang 6

1.1.2 Chuyển mạch gói quang 6

1.1.3 Chuyển mạch chùm quang 7

1.2 Mạng chuyển mạch chùm quang 7

1.2.1 Đặc trưng chung của mạng chuyển mạch chùm quang 7

1.2.2 Kiến trúc mạng chuyển mạch chùm quang 8

1.2.3 Cơ chế hoạt động trong mạng chuyển mạch chùm quang 11

1.2.3.1 Tập hợp chùm 11

1.2.3.2 Định tuyến chùm 13

1.2.3.3 Báo hiệu chùm 14

1.2.3.4 Lập lịch chùm 15

1.2.3.5 Xử lý tranh chấp chùm 16

1.3 Đánh giá hiệu năng trong mạng chuyển mạch chùm quang 21

1.3.1 Đặt vấn đề 21

1.3.2 Các nghiên cứu liên quan đến Luận án 22

1.3.3 Vấn đề nghiên cứu trong Luận án 24

1.4 Kết luận chương 25

Chương 2 ĐIỀU KHIỂN TRÁNH TẮC NGHẼN BẰNG ĐỊNH TUYẾN LỆCH HƯỚNG KẾT HỢP VỚI ĐƯỜNG TRỄ QUANG FDL 26

2.1 Định tuyến lệch hướng dựa trên giao thức báo hiệu JET 26

2.2 Kiến trúc nút lõi OBS và nguyên tắc chuyển mạch 27

2.3 Mô hình phân tích cơ bản và các giả thiết 29

2.3.1 Các giả thiết 29

2.3.2 Mô hình phân tích cơ bản 30

2.4 Mô hình định tuyến lệch hướng không có ưu tiên (mô hình DRNP) 31

2.5 Mô hình định tuyến lệch hướng có ưu tiên (mô hình DRWP) 33

2.5.1 Lược đồ chuyển trạng thái và hệ phương trình trạng thái cân bằng 33

2.5.2 Tính toán xác suất tắc nghẽn 35

2.5.3 Một số kết quả phân tích 38

2.6 Mô hình định tuyến lệch hướng có ưu tiên với đường trễ quang FDL (mô hình DRPF) 41 2.6.1 Lược đồ chuyển trạng thái và hệ phương trình trạng thái cân bằng 41

2.6.2 Tính toán xác suất tắc nghẽn 45

2.6.3 Một số kết quả phân tích 46

2.7 Mô hình định tuyến lệch hướng 3 giai đoạn (mô hình DRND) 49

2.7.1 Mô hình phân tích 49

2.7.2 Một số kết quả phân tích 54

2.8 Kết luận chương 56

Chương 3 ĐIỀU KHIỂN TRÁNH TẮC NGHẼN BẰNG CHUYỂN ĐỔI BƯỚC SÓNG CÓ/KHÔNG CÓ SỰ LỆCH HƯỚNG 57

3.1 Mô hình và giả thiết chung 57

3.2 Điều khiển tắc nghẽn dựa trên chuyển đổi bước sóng không xét sự lệch hướng 58

3.2.1 Mô hình với kiến trúc nút lõi SPIL giới hạn chuyển đổi bước sóng 59

3.2.2 Mô hình với kiến trúc nút lõi SPL giới hạn bộ chuyển đổi bước sóng 72

3.3 Điều khiển tắc nghẽn kiến trúc nút lõi SPL giới hạn chuyển đổi bước sóng có hỗ trợ khả năng lệch hướng (mô hình SPLDF) 78

3.3.1 Kiến trúc nút lõi và một số giả thiết bổ sung 78

3.3.2 Mô hình phân tích với giới hạn bộ chuyển đổi bước sóng 79

3.3.3 Mở rộng mô hình phân tích với giới hạn vùng chuyển đổi bước sóng 83

3.3.4 Thuật toán tính ma trận tốc độ chuyển trạng thái Q 83

3.3.5 Một số kết quả phân tích 87

3.4 Kết luận chương 90

Chương 4 CÁC MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN TRÁNH TẮC NGHẼN VỚI LƯU LƯỢNG ĐẾN LÀ TỔNG QUÁT (GI) HAY NON-POISSON 91

4.1 Đặt vấn đề 91

4.2 Mô hình phân tích xác suất tắc nghẽn lưu lượng lệch hướng trên một cổng ra tại nút lõi OBS với lưu lượng non-Poisson 91

4.2.1 Một số giả thiết 92

4.2.2 Tính xác suất tắc nghẽn với lưu lượng non-Poisson bằng phương pháp xấp xỉ ERT

93

4.2.3 Tính xác suất tắc nghẽn với lưu lượng lệch hướng là tổng quát GI bằng mô hình

GI/M/ω/ω 95

4.2.4 Trường hợp đặc biệt với quá trình đến là quá trình Poisson ngắt 96

4.2.5 Phân tích kết quả 99

4.3 Mô hình phân tích nút lõi OBS với các quá trình đến Renewal và Poisson 103

4.3.1 Một số giả thiết mở rộng 103

4.3.2 Mô hình phân tích 104

4.3.3 Độ trễ trung bình trong các đường trễ quang FDL 105

4.3.4 Xác suất tắc nghẽn tại nút lõi OBS với các quá trình đến Renewal và Poisson 108

4.3.5 Phân tích kết quả 112

4.4 Kết luận chương 115

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 116

Danh mục các công trình của tác giả 118

Tài liệu tham khảo 120

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ

Thuật ngữ tiếng Anh Thuật ngữ tiếng Việt

Infinitesimal generator matrix Ma trận tốc độ chuyển trạng thái tổng quát

Mixed loss –delay system Hệ thống kết hợp tổn thất - trễ

Multi-dimensional traffic model Mô hình lưu lượng đa chiều

Offset time Khoảng cách (thời gian) giữa gói điều khiển và

chùm dữ liệu

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT

Từ viết

tắt

Ký

hiệu Diễn giải tiếng Anh Diễn giải tiếng Việt

CWC Complete Wavelength Conversion Chuyển đổi bước sóng hoàn toàn

DRNP Deflection Routing without Priority Định tuyến lệch hướng không xét độ

DRND Deflection Routing “3-stage” “no

drop” Định tuyến lệch hướng 3 giai đoạn

ERT Equivalent Random Theory Lý thuyết ngẫu nhiên tương đương FCFS First Come First Service Đến trước phục vụ trước

FWC Full Wavelength Conversion Chuyển đổi bước sóng với phân bố đầy

đủ

GI General Independent distribution

IPP Interrupted Poisson Process Quá trình Poisson ngắt

JET Just Enough Time Giao thức báo hiệu với thời gian đặt

trước tài nguyên vừa đủ

LAUT Lastest Available Unscheduled

Time

Thời gian chưa lập lịch khả dụng sau

cùng nhất LCFS Last Come First Service Đến sau phục vụ trước

LRWC Limited Range Wavelength

Conversion

Chuyển đổi bước sóng với vùng chuyển đổi có giới hạn

LSPIL Limited Share-per-in-Link

Chuyển đổi bước sóng với vùng chuyển đổi có giới hạn với kiến trúc

SPIL

M

Markovian (Poisson process (or random) arrival process) Quá trình đến Poisson Markovian (Exponential service

MMPP Markov Modulated Poisson Process Quá trình Poisson điều chế bởi Markov

NFWC Non-Full Wavelength Conversion Chuyển đổi bước sóng với phân bố

không đầy đủ OBS Optical Burst Switching Chuyển mạch chùm quang OBSNs Optical Burst Switching Networks Mạng chuyển mạch chùm quang OCS Optical Circuit Switching Chuyển mạch kênh quang OEO Optical-to-Electrical-to-Optical Chuyển đổi quang-điện-quang OPS Optical Packet Switching Chuyển mạch gói quang

OPSNs Optical Packet Switching Networks Mạng chuyển mạch gói quang OTN Optical Transport Network Mạng truyền tải quang

OXC Optical Cross Connect Thiết bị chuyển mạch (đấu chéo) quang PASTA Poisson arrivals see time average Tính chất PASTA

PSPIL Partial Share-per-in-Link Giới hạn số bộ chuyển đổi bước sóng

với kiến trúc SPIL

PLSPIL Partial Limited Share-per-in-Link Giới hạn chuyển đổi bước sóng với

kiến trúc SPIL

PWC Partial Wavelength Converters

Giới hạn số bộ chuyển đổi bước sóng (Chuyển đổi bước sóng với phân bố

một phần)

Q Infinitesimal generator matrix Ma trận tốc độ chuyển trạng thái tổng

quát

RAM Random Access Memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên

RWA Routing and Wavelength

Allocation Định tuyến và phân phối bước sóng SCU Switching Control Unit Đơn vị điều khiển chuyển mạch

SPLDF Share-per-Link Deflection Mô hình SPL hỗ trợ sự lệch hướng SPIL Share-per-in-Link Chia s trên mỗi kết nối vào

WDM Wavelength Division Multiplexing Kỹ thuật ghép kênh bước sóng

WRNs Wavelength-Routed Networks Mạng định tuyến bước sóng

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sự phát triển của mạng quang 5

Hình 1.2 Kiến trúc của mạng chuyển mạch chùm quang 9

Hình 1.3 Kiến trúc nút biên vào mạng OBS 10

Hình 1.4 Kiến trúc nút lõi OBS 10

Hình 1.5 Tập hợp và phân tách chùm 11

Hình 1.6 Tập hợp chùm theo ngưỡng thời gian 12

Hình 1.7 Tập hợp chùm theo ngưỡng kích thước (số gói tối đa) 12

Hình 1.8 Tập hợp chùm theo ngưỡng thời gian và ngưỡng độ dài chùm 12

Hình 1.9 Ví dụ về giao thức đặt trước tài nguyên JET 15

Hình 1.10 Mô tả định tuyến lệch hướng 17

Hình 1.11 Làm trễ chùm bằng đường trễ quang FDL 18

Hình 1.12 Mô tả chuyển đổi bước sóng λ1 qua λ 2 19

Hình 2.1 Mô hình mạng OBS với nút lõi C có tranh chấp ở một cổng ra 26

Hình 2.2 Giao thức báo hiệu JET với định tuyến lệch hướng 27

Hình 2.3 Nút lõi kiến trúc SPL (share-per-link) với CWC và FDL truyền thẳng 28

Hình 2.4 Nút lõi kiến trúc share-per-link (SPL) với CWC và FDL hồi quy 28

Hình 2.5 Mô hình phân tích cơ bản tại nút lõi OBS 31

Hình 2.6 Lược đồ chuyển trạng thái tại nút lõi OBS không x t QoS (mô hình D NP) 32

Hình 2.7 Lược đồ chuyển trạng thái tại nút lõi OBS với QoS (mô hình DRWP) 34

Hình 2.8 Xác suất tắc nghẽn các chùm lệch hướng tương ứng với mô hình D NP và D WP, ω = 16, ω S = 6 38

Hình 2.9 Xác suất tắc nghẽn các chùm lệch hướng tương ứng với mô hình D WP, ω = 16, ω S = 6, 8, 10, 12 39

Hình 2.10 Xác suất tắc nghẽn trung bình của giai đoạn cuối cùng trong mô hình

(B3_ ) và mô hình đề xuất D WP (PB II_DRWP ), ω=16, ω S = 12, k = 4, n = 1 40

Hình 2.11 Mô hình 2 giai đoạn với FDL có x t QoS (mô hình D PF) 41

Hình 2.12 Lược đồ chuyển trạng thái tại nút lõi OBS với QoS tại giai đoạn 2 - mô hình DRPF 42

Hình 2.13 Xác suất tắc nghẽn của lưu lượng lệch hướng tại giai đoạn 2 mô hình D PF so sánh với mô hình trong 19 vs β 47

Hình 2.14 Xác suất tắc nghẽn tại giai đoạn 2 – so sánh giữa mô hình D PF và mô hình D WP (ρ2=0.7ρ) vs β 47

Hình 2.15 Xác suất tắc nghẽn luồng lệch hướng tại giai đoạn 2 mô hình D PF - so sánh (2.1 ) với (2.1 a) vs β 48

Hình 2.16 Xác suất tắc nghẽn tại giai đoạn 2 mô hình D PF - so sánh (2.1 ) với (2.19) vs β 49

Hình 2.17 Mô hình phân tích với 3 giai đoạn (mô hình D ND) 50

Hình 2.18 Lược đồ chuyển trạng thái ở giai đoạn 3 - mô hình DRND 51

Hình 2.19 Xác suất tắc nghẽn chùm trung bình PBDRND_d (PB_D ND_d) và PB d_pevac vs β 54

Hình 2.20 Tổng xác suất tắc nghẽn chùm trung bình PB DRND (PB_D ND) và PB a_pevac vs β 55

Hình 2.21 Tổng xác suất tắc nghẽn chùm trung bình PBDRND_0.3 (PB_DRND_0.3), PB DRND_0.4 (PB_ DRND _0.4) và PB DRND_0.5 (PB_ D ND _0 ) vs β 55

Hình 3.1 Nút lõi OBS kiến trúc SPIL với các bộ chuyển đổi bước sóng 59

Hình 3.2 Lược đồ chuyển trạng thái Markov 1-chiều tại nút lõi OBS kiến trúc SPIL 59

Hình 3.3 Sự phân phối của các bước sóng đang sử dụng và sự tương ứng của số tập vùng chuyển đổi bị chiếm giữ hoàn toàn (biểu hiện bởi b) Trong ví dụ trên, ω = 8, r = 3, và k = 5.(a) b = 0; (b) b = 2 ({3, 4, 5}, {4, 5, 6}); (c) b = 1 ({7, 8, 1}); (d) b = 3 ({3, 4, 5}, {4, 5, 6}, {5, 6, 7}) 62

Hình 3.4 Không có tắc nghẽn với trường hợp số bước sóng bận nhỏ hơn giá trị vùng chuyển đổi (ω = , r = và k = 4) 62

Hình 3.5 Xác suất tắc nghẽn trong mô hình PSPIL với trường hợp (ω=16; C=0,4, ,16) vs β 66

Hình 3.6 Xác suất tắc nghẽn trong mô hình PSPIL với trường hợp (ω=10, 16; C=4) vs β 66

Hình 3.7 Xác suất tắc nghẽn trong mô hình LSPIL với trường hợp (ω = 1 ; r = 3, 7, 11, 1 ) vs β 67

Hình 3.8 Xác suất tắc nghẽn trong mô hình LSPIL với trường hợp (ω = 1 , 31; r = 9) vs β 68

Hình 3.9 So sánh xác suất tắc nghẽn trong mô hình PSPIL với c = ω, trong mô hình LSPIL với r = ω, trong mô hình PLSPIL và mô phỏng với C = ω, r = ω (ω=1 ; C = 1 ; r=1 ) vs β 68

Hình 3.10 So sánh xác suất tắc nghẽn trong mô hình PLSPIL với C = ω, r < ω và xác suất tắc nghẽn trong mô hình LSPIL với r < ω (ω = 1 ; r = 3) vs β 69

Hình 3.11 Xác suất tắc nghẽn trong mô hình PLSPIL với r = ω, C < ω và trong mô hình PSPIL với C < ω (ω = 16;C = ) vs β 69

Hình 3.12 Xác suất tắc nghẽn trong mô hình PLSPIL với trường hợp ω thay đổi, r và C không đổi (r < ω, C < ω) (ω =1 , 21, 31; r= ; C=6) vs β 70

Hình 3.13 Xác suất tắc nghẽn trong mô hình PLSPIL với trường hợp ω và C không đổi (C < ω), r thay đổi (r < ω) (ω = 1 ; r = 7, 10; 13, C = 10) vs β 70

Hình 3.14 Xác suất tắc nghẽn trong mô hình PLSPIL với trường hợp ω và r không đổi (r < ω), C thay đổi (C < ω) (ω = 1 ; r = 7; C = 13, 10, 4) vs β 71

Hình 3.15 So sánh kết quả phân tích với kết quả mô phỏng ứng với mô hình PLSPIL đề xuất 71

Hình 3.16 Nút lõi OBS kiến trúc SPL với các bộ chuyển đổi bước sóng 72

Hình 3.17 Lược đồ chuyển trạng thái 2-chiều với mô hình kiến trúc nút lõi SPL 73

Hình 3.18 Sơ đồ chuyển trạng thái đối với trạng thái ( ,c) 74

Hình 3.19 Kiến trúc nút lõi OBS với hỗ trợ khả năng lệch hướng 78

Hình 3.20 Sơ đồ chuyển trạng thái đối với trạng thái ( 1 ,c 1 ; w 2 ,c 2 ) 79

Hình 3.21 Lược đồ chuyển trạng thái ứng với mô hình SPLDF 81

Hình 3.22 Xác suất tắc nghẽn với ω=3, C=2 và p= 0,0 ,0.7,1 , τ k =1 vs β 88

Hình 3.23 Xác suất tắc nghẽn theo p với β=0.4 và β=0 88

Hình 3.24 Xác suất tắc nghẽn - phân tích và mô phỏng 89

Hình 3.25 Xác suất tắc nghẽn theo p với ω=3; C=1,2,3; τ k =1 vs β=0 89

Hình 4.1 Phương pháp E T với lưu lượng non-Poisson 94

Hình 4.2 Mô tả quá trình lưu lượng lệch hướng từ cổng 1 sang cổng 2 theo quá trình IPP 97

Hình 4.3 Lược đồ chuyển trạng thái tại cổng ra 2 (ứng với quá trình đến IPP) 97

Hình 4.4 Xác suất tắc nghẽn lưu lượng lệch hướng tại cổng ra 2 nút lõi OBS với ω cố định, p thay đổi 100

Hình 4.5 Xác suất tắc nghẽn nghẽn lưu lượng lệch hướng tại cổng ra 2 nút lõi OBS với ω

thay đổi, K = 10 101

Hình 4.6 Xác suất tắc nghẽn lưu lượng lệch hướng tại cổng ra 2 nút lõi OBS với K thay đổi, ω = 12 101

Hình 4.7 Xác suất tắc nghẽn nghẽn lưu lượng lệch hướng tại cổng ra 2 nút lõi OBS – so sánh giữa phân tích và mô phỏng 102

Hình 4.8 Lưu đồ tính xác suất tắc nghẽn theo mô hình phân tích cơ bản với trường hợp kết hợp lưu lượng GI và Poisson 104

Hình 4.9 Mô hình GI/M/L/L với các FDL (giai đoạn 1) 106

Hình 4.10 Phương pháp E T với lưu lượng tràn bên trong các FDL 107

Hình 4.11 Phương pháp E T ứng với kết hợp 2 luồng lưu lượng GI và Poisson 110

Hình 4.12 Xác suất tắc nghẽn tại giai đoạn 2 vs β 112

Hình 4.13 Xác suất tắc nghẽn giai đoạn 2 - theo phương pháp E T và GI vs β 112

Hình 4.14 Xác suất tắc nghẽn của luồng lệnh hướng tại giai đoạn 2 vs β 113

Hình 4.15 Độ trễ trung bình của luồng lệnh hướng trong dãy FDL vs β 113

Hình 4.16 Xác suất tắc nghẽn giữa lưu lượng GI và lưu lượng Poisson vs β 114

Hình 4.17 Xác suất tắc nghẽn với luồng lệnh hướng là Poisson – so sánh với mô hình D NP vs β 114

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Ma trận tổng quát Q (nSDRWP × nSDRWP) - mô hình DRWP 37

Bảng 2.2 Xác suất tắc nghẽn trung bình của 2 mô hình DRNP và DRWP khi ωS = ω 39

Bảng 2.3 Xác suất tắc nghẽn của lưu lượng lệch hướng tại giai đoạn 2 - mô hình DRWP - với ω = 16, ωS = 6, ρ2 = 0.3ρ 40

Bảng 2.4 Ma trận Q - Mô hình DRPF 44

Bảng 2.5 Ma trận Q(0) - Mô hình DRPF 44

Bảng 2.6 Xác suất tắc nghẽn tại giai đoạn 2 - mô hình DRPF - so sánh với trong [19] khi ωS = ω = 16 vs β 48

Bảng 3.1 Ma trận tổng quát Q (nS × nS ) - Mô hình SPL-PWC 76

Bảng 3.2 Quy luật chuyển đổi giữa chỉ số i trong ma trận Q và các trạng thái (w1,c1;w2,c2) 84

Bảng 3.3 Ma trận tổng quát Q ((nS*nS) x (nS*nS)) 84

Bảng 3.4 Ma trận QQJj (0 ≤ j ≤ C) có kich thước ((ω+1-j)*nS) x (ω+1-j)*nS)) 85

Bảng 3.5 Ma trận QQ (0 ≤ j ≤ C) có kich thước (nS x nS) 85

Bảng 3.6 Ma trận Bj 2 (0 ≤ j ≤ C-1) có kích thước ((ω + 1 – j)*nS x (ω – j)*nS) 86

Bảng 3.7 Xác suất tắc nghẽn với ω=4, C=2, r thay đổi 90

Bảng 4.1 Xác suất tắc nghẽn của lưu lượng lệch hướng tính theo phương pháp ERT 100

Bảng 4.2 Xác suất tắc nghẽn của lưu lượng lệch hướng tính theo các phương trình (4.21) và (4.27) 102

MỞ ĐẦU

1 Dẫn nhập

Tốc độ phát triển nhanh của Internet những năm gần đây cộng với sự bùng nổ của các loại hình dịch vụ thông tin, làm gia tăng không ngừng nhu cầu về băng thông mạng Ðiều này đòi hỏi phải xây dựng và phát triển những công nghệ truyền thông có dung lượng băng thông cao Kỹ thuật truyền dẫn quang được xem là một công nghệ hứa hẹn bởi tốc độ truyền dữ liệu nhanh, khả năng băng thông tiềm năng lớn và mức độ lỗi tín hiệu nhỏ Với một số thành tựu đạt được hiện nay của kỹ thuật ghép kênh bước sóng WDM, mạng truyền dẫn quang đã trở thành là một giải pháp hoàn hảo đáp ứng với xu hướng bùng nổ nhu cầu băng thông trên Internet hiện nay Lịch sử phát triển của mạng truyền dẫn quang đã trải qua các giai đoạn, từ mạng chuyển mạch kênh quang OCS, chuyển mạch chùm quang OBS và chuyển mạch gói quang OPS Thực tế, mô hình chuyển mạch gói quang OPS là mục tiêu hướng đến của các nhà phát triển mạng quang, tuy nhiên nó chưa thể trở thành hiện thực bởi hạn chế của công nghệ quang hiện nay là không thể sản xuất được các bộ đệm quang (tương tự như bộ nhớ RAM điện tử) cần sử dụng trong mô hình mạng chuyển mạch gói OPS Một thỏa hiệp hiện nay là mô hình mạng chuyển mạch chùm OBS, bởi nó dung hòa được các ưu điểm của mô hình chuyển mạch kênh OCS và

mô hình chuyển mạch gói OPS Hơn nữa mạng OBS không yêu cầu các bộ đệm quang và do đó trong suốt với tầng điều khiển

Có thể nói các nhóm tác giả Harry Perros (và các đồng sự) và C Qiao (và các đồng sự) là hai trong những người đầu tiên đề xuất mô hình mạng chuyển mạch chùm quang OBS với bài báo lần lượt trong [63] và [73], được xem là cơ sở cho các nghiên cứu sau này Xuất phát từ các ý tưởng trong các bài báo này, rất nhiều vấn

đề đã được đặt ra và nghiên cứu trong mạng OBS, như các bài toán về tập hợp chùm [20][36][48][59][60][77], các bài toán về lập lịch [29][37][41-43][53][70],các bài toán về báo hiệu [18][34][57], các bài toán về giải quyết tranh chấp (tắc nghẽn) [13][16][19][28][30][31][38][46][56][58][69][71-72], hay các bài toán về QoS [16][17][54]… Trên thế giới, nhiều luận án tiến sĩ về mạng chuyển mạch chùm quang OBS cũng đã được hoàn thành [14] [25][35][47][55][62][68],trong đó có các luận án liên quan đến vấn đề giải quyết tắc nghẽn trong mạng OBS, như luận án của tác giả Hailong Li trong [39] nghiên cứu một số phương pháp chuyển đổi bước sóng, luận án của tác giả J.Lambert trong [33] nghiên cứu một số phương pháp sử dụng đường trễ quang FDL, luận án của tác giả Daniele Tafani năm 2012 [25]

nghiên cứu phương pháp FDL và chuyển đổi bước sóng sử dụng lý thuyết tràn, hay một số nghiên cứu kênh tràn của tác giả Pratibha Menon trong [55]…

Với tốc độ giao tiếp và nhu cầu sử dụng băng thông mạng ngày càng cao như hiện nay thì vấn đề đặt ra là làm thế nào để tăng tốc độ truyền tin, lượng thông tin

có thể truyền tải nhanh nhất mà không xảy ra tình trạng tắc nghẽn Vì vậy, tắc nghẽn chùm được xem là một vấn đề thách thức trong mạng chuyển mạch chùm quang Sự tắc nghẽn chùm trong mạng OBS có thể xảy ra khi hai hay nhiều chùm từ các cổng vào khác nhau cố gắng đi ra trên cùng một cổng ra tại cùng một thời điểm Nếu với mạng IP, một vùng đệm điện tử RAM sẽ được sử dụng để lưu tạm thời các gói tin IP có độ ưu tiên thấp hơn và sau đó được truyền đi khi cổng ra tương ứng rỗi Tuy nhiên, công nghệ quang hiện nay không cho phép tạo ra các bộ đệm quang tương tự như vậy và do đó, chùm quang có độ ưu tiên thấp hơn sẽ bị loại bỏ Các giải pháp cho việc xử lý tắc nghẽn hiện nay trên mạng OBS là: hoặc sử dụng đường trễ quang FDL để làm trễ chùm quang có độ ưu tiên thấp hơn [21-25][33][65][71][76]; hoặc thực hiện chuyển đổi bước sóng đối với một trong hai chùm quang tranh chấp này [13][28][38][39][46][49][51][56][58]; hoặc định tuyến chùm quang có độ ưu tiên thấp hơn đến một cổng ra rỗi khác và sau đó truyền đi theo một đường truyền khác để đến đích (gọi là định tuyến lệch hướng)

[15][19][28][61]; hoặc phân đoạn chùm [54][69] Nhiều hướng tiếp cận riêng l cũng như kết hợp các giải pháp này cũng đã được nghiên cứu và đề xuất

[15][19][28][29][58][72][74] Trong Luận án này, chúng tôi tập trung nghiên cứu, xây dựng các mô hình toán học nhằm mô hình hóa các cơ chế điều khiển tránh tắc nghẽn tại nút lõi mạng OBS với các kiến trúc nút lõi khác nhau; trên cơ sở đó đánh giá hiệu năng nút lõi mạng thông qua các độ đo hiệu năng phù hợp, như xác suất tắc nghẽn (hay xác suất mất chùm), độ trễ chùm

Các mô hình phân tích trong Luận án tập trung thực hiện tại nút lõi OBS với một hoặc nhiều cổng ra với nhiều kiến trúc khác nhau theo các tài nguyên nút mạng như bộ chuyển đổi bước sóng WC hay các đường trễ quang FDL Luận án tập trung

vào nghiên cứu ba vấn đề chính, ứng với ba bài toán mà chúng tôi đã đặt ra từ ban

đầu:

Bài toán 1 Đề xuất, cải tiến mô hình toán học phân tích ảnh hưởng của định

tuyến lệch hướng kết hợp với đường trễ quang FDL

Bài toán 2 Đề xuất, cải tiến mô hình kết hợp định tuyến lệch hướng với các

khả năng chuyển đổi bước sóng, có tính đến các tham số ràng buộc, như khả năng

chuyển đổi bước sóng hoàn toàn (full), chuyển đổi bước sóng từng phần (partial), hay giới hạn vùng chuyển đổi bước sóng (limited)

Bài toán 3 Mở rộng một mô hình trong bài toán 1 với trường hợp lưu lượng

đến là không Poisson (lưu lượng tổng quát hay quá trình đến Renewal)

2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của Luận án là nghiên cứu xây dựng các mô hình toán học (dựa trên

lý thuyết hàng đợi – mô hình Markov và non-Markov) nhằm mô hình hoá một số cơ chế điều khiển tránh tắc nghẽn tại nút lõi mạng chuyển mạch chùm quang Từ đó, phân tích, đánh giá, so sánh hiệu quả hoạt động của các cơ chế điều khiển tránh tắc nghẽn đề xuất dựa trên xác suất mất chùm (xác suất tắc nghẽn) tại mỗi nút lõi OBS, với các cơ chế đã được đề xuất trước đây

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của Luận án là mô hình nút lõi OBS với các kiến trúc khác nhau với các phân bố khác nhau của các bộ chuyển đổi bước sóng và các đường trễ quang FDL

Phạm vi nghiên cứu của Luận án tập trung vào các bài toán điều khiển tránh tắc nghẽn tại nút lõi OBS dựa trên các phương pháp truyền thống là chuyển đổi bước sóng, sử dụng đường trễ quang FDL và định tuyến lệch hướng Ngoài ra, Luận

án cũng nghiên cứu áp dụng phương pháp xây dựng ma trận tốc độ chuyển trạng thái ứng với các mô hình đề xuất

4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu chính của Luận án là phương pháp mô hình hóa giải tích Theo đó, một số mô hình hàng đợi Markov [10][51][39][64][66-67][75] sẽ được áp dụng, so sánh với các kết quả đã được công bố trước đây và mở rộng với

mô hình non-Markov trong trường hợp đơn giản [8-12][44-45][50] Trong một số trường hợp, phương pháp mô phỏng (cho các mô hình hàng đợi tại nút lõi) [10]

cũng sẽ được áp dụng để kiểm chứng kết quả tính toán của phương pháp phân tích,

từ đó khẳng định tính đúng đắn của kết quả nghiên cứu

5 Cấu trúc luận án

Ngoài phần Mở đầu và Kết luận, Luận án bao gồm bốn chương nội dung Chương 1 trình bày các khái niệm cơ bản về mạng chuyển mạch chùm quang, các hướng tiếp cận nghiên cứu của các tác giả trước đây, cũng như các hướng mở rộng

mà chúng tôi sẽ thực hiện trong Luận án Các đóng góp chính của Luận án được trình bày trong Chương 2, Chương 3 và Chương 4, bao gồm đề xuất một số mô hình

phân tích các cơ chế điều khiển tránh tắc nghẽn trong mạng OBS trên cơ sở cải tiến một số mô hình đã được nghiên cứu trước đây

Chương 2 trình bày các kết quả nghiên cứu các mô hình phân tích trong trường hợp sử dụng định tuyến lệch hướng với sự hỗ trợ của các đường trễ quang FDL [3][5][26] Trên cơ sở các mô hình phân tích được công bố [13][19][28][58], chúng tôi thực hiện cải tiến, đề xuất mô hình mới nhằm nâng cao hiệu năng tại nút lõi mạng

Chương 3 trình bày các mô hình phân tích với chuyển đổi bước sóng (full,

partial, limited) với có/không khả năng định tuyến lệch hướng [1][2][27] Ngoài ra, trong Chương 3 cũng đề xuất một số thuật toán xây dựng ma trận tốc độ trạng thái

Q ứng với mỗi mô hình nhằm tính các xác suất trạng thái cân bằng [1][27]

Phương pháp phân tích chính trong Chương 2 và Chương 3 là sử dụng các mô

hình chuỗi Markov một chiều (one-dimensional) và đa chiều (two-dimensional và

four-dimensional), tức là xem xét các lưu lượng đến tại nút lõi đều tuân theo phân

phối Poisson Việc mở rộng với các trường hợp non-Markov (ứng với lưu lượng tổng quát ) sẽ được xem xét trong Chương 4 trên cơ sở một số mô hình đã được phân tích trong Chương 2 và Chương 3 Theo đó, chúng tôi xem xét lưu lượng đến

là lưu lượng tổng quát (quá trình Renewal) [6], cũng như phân tích với trường hợp kết hợp cả hai luồng lưu lượng Poisson và lưu lượng (non-Poisson) [7] Mô hình phân tích khi đó không còn hoàn toàn là mô hình Markov và phương pháp được sử dụng là các phương pháp xấp xỉ và phương pháp xấp xỉ [7] Kết quả phân tích trong trường hợp này (lưu lượng ) cũng được so sánh với kết quả trong mô hình ứng với tất cả đều là lưu lượng Poisson để đánh giá tính đúng của mô hình mở rộng

Cuối cùng, phần kết luận nêu những đóng góp của Luận án, hướng phát triển

và những vấn đề quan tâm của tác giả

Chương 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

1.1 Mạng truyền dẫn quang và các công nghệ chuyển mạch quang

Xu thế phát triển mạng hiện nay trên thế giới và ở Việt Nam là xây dựng mạng truyền tải quang OTN cho Internet thế hệ mới dựa trên công nghệ WDM Những nỗ lực phi thường về công nghệ truyền dẫn quang trong đó tập trung vào việc nghiên cứu các vấn đề công nghệ mạng WDM trên thế giới hiện nay đang dần đáp ứng được nhu cầu phát triển tất yếu của mạng Có nhiều vấn đề cần phải giải quyết trong mạng OTN nhằm ngày càng hoàn thiện các chức năng của mạng Trong các vấn đề đó, chuyển mạch quang trong mạng OTN được coi là những hướng đi hấp dẫn và có ý nghĩa Một mặt, kỹ thuật này cho phép xây dựng được mạng truyền dẫn quang linh hoạt và bảo đảm thông suốt các lưu lượng tín hiện lớn Mặt khác nó cho phép nâng cao tính thông minh cho lớp quang trong khi vẫn đơn giản hoá được rất nhiều cấu trúc mạng Điều đó có tác động lớn tới việc xây dựng, khai thác và bảo dưỡng mạng có hiệu quả sau này Về nguyên lý, một mạng chuyển mạch thực hiện chuyển lưu lượng từ một cổng vào hoặc kết nối lưu lượng trên một khối chuyển mạch tới một cổng ra Hệ thống chuyển mạch quang là một hệ thống 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 Sự phát triển của mạng quang WDM có thể được phân loại như Hình 1.1[32][63][73]

Hình 1.1 Sự phát triển của mạng quang

Mạng WDM điểm-điểm Mạng vòng định tuyến bước sóng Mạng lưới định tuyến bước sóng Mạng vòng chuyển mạch chùm quang Mạng lưới chuyển mạch chùm quang Mạng chuyển mạch gói quang

Các mạng quang WDM hiện nay chủ yếu là các kết nối điểm-đến-điểm to-point), mà ở đó việc chuyển đổi quang-điện-quang (OEO) được thực hiện tại mỗi

(point-chặng (hop) Tuy nhiên, việc thiết kế WDM trong tương lai sẽ hội tụ đến các mạng

toàn quang (AONs), mà ở đó dữ liệu truyền đi hoàn toàn trong miền quang Việc loại bỏ chuyển đổi OEO trong AONs cho phép tạo ra tốc độ truyền dẫn lớn chưa từng thấy Các AONs có thể được phân loại thành mạng định tuyến bước sóng (WRNs), mạng chuyển mạch chùm quang (OBSNs), hay mạng chuyển mạch gói (OPSNs) Ngoài ra, mỗi bước phát triển quang bắt đầu với thiết kế mạng vòng

(ring) đơn giản trước khi hoạt động trên các cấu trúc hình thái (topo) lưới (mesh)

phổ biến hơn

1.1.1 Chuyển mạch kênh quang

Chuyển mạch kênh quang được thực hiện trong mạng định tuyến bước sóng thực hiện thiết lập các bước sóng toàn quang giữa hai nút mạng Sự thiết lập các luồng quang bao gồm một số bước thực hiện: cấu hình tài nguyên, định tuyến, gán bước sóng, báo hiệu và đặt trước tài nguyên Sự phát triển của AON bắt đầu với chuyển mạch kênh quang, còn được biết đến là mạng định tuyến bước sóng WRNs, trong đó quá trình hoạt động bao gồm việc thiết lập các kênh, được gọi là kênh

quang (lightpaths), giữa các nút của mạng Ràng buộc chính của WRNs, điển hình

của tất cả các giao tiếp quang, là giới hạn số bước sóng trên mỗi sợi quang Ví dụ, trong một WRN lớn, vấn đề khan hiếm số bước sóng có thể tạo nên một vấn đề là không thể tạo ra mạng lưới trọn vẹn các kênh quang giữa tất cả các người sử dụng đầu-cuối Vì vậy, với mỗi hình thái WRN, những người thiết kế mạng phải giải quyết được bài toán NP-đầy đủ, là bài toán định tuyến và phân phối bước sóng (RWA) của các kênh quang để thỏa mãn một cách tối ưu các yêu cầu kết nối của

người sử dụng Giao thức báo hiệu (signaling) được đề nghị đối với WRNs là

GMPLS

1.1.2 Chuyển mạch gói quang

Về nguyên tắc, chuyển mạch gói toàn quang là dựa trên gói điều khiển được thực hiện trong miền quang, tuy nhiên phải trong nhiều năm nữa mới thực hiện được Trong thời điểm hiện nay, chuyển mạch gói quang sử dụng điều khiển điện tử

để xử lý gói điều khiển Trong chuyển mạch gói quang, tiêu đề hoặc nhãn được đọc

và so sánh với một bảng định tuyến Phần dữ liệu sau đó sẽ được định tuyến tới

cổng ra tương ứng với một nhãn mới (trao đổi nhãn) Điều quan trọng là phần dữ liệu được truyền trong suốt qua chuyển mạch quang

Trong OPSNs, phần dữ liệu và thông tin điều khiển là được truyền trên cùng

kênh (in-band) Thông tin điều khiển được rút trích và xử lý trong miền điện tại mỗi

nút Đây là kiến trúc có tính triển vọng bởi nó đã được biết đến trên thực tế là mạng chuyển mạch gói điện tử, đặc trưng bởi thông lượng cao và dễ dàng thích ứng với

sự tắc nghẽn hay bị lỗi Tuy nhiên, vấn đề của OPSNs đó là thiếu các bộ đệm quang

do giới hạn về mặt công nghệ

1.1.3 Chuyển mạch chùm quang

Trong chuyển mạch chùm quang (OBS), dữ liệu truyền tải trong các đơn vị có

kích thước khác nhau, được gọi là chùm (burst) [63][73] Bởi vì tính biến thiên lớn trong suốt thời gian tồn tại của các chùm, mạng OBS có thể được xem là trung gian giữa OPSNs và WRNs Điều đó có nghĩa là, khi thời gian tồn tại của tất cả các chùm là rất ngắn, bằng thời gian tồn tại của một gói quang, OBSN có thể được xem tương tự như một OPSN Mặt khác, khi khi thời gian tồn tại của tất cả các chùm là

vô cùng lớn (có thể kéo dài một vài tháng), thì OBSN có thể được xem tương tự là WRN Trong OBS, có sự phân tách mạnh giữa cách bố trí kênh điều khiển và dữ liệu, cho phép có thể điều khiển mạng linh động và đạt hiệu quả cao Hơn nữa, bản

chất động (dynamic) của nó dẫn đến khả năng thích nghi của mạng cao, làm cho nó

hoàn toàn phù hợp với sự truyền dẫn của lưu lượng chùm

1.2 Mạng chuyển mạch chùm quang

1.2.1 Đặc trưng chung của mạng chuyển mạch chùm quang

Khái niệm chuyển mạch chùm đã được đề xuất vào năm 1980 Tuy nhiên, kỹ thuật này không thành công trong mạng chuyển mạch điện tử do nhu cầu và tính phức tạp so với kỹ thuật chuyển mạch gói Trong mạng quang có sự khác biệt lớn giữa khả năng truyền dẫn quang và khả năng xử lý điện tử; thêm vào đó khả năng

sử dụng các bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên trong miền quang là không khả dụng, vì vậy không thể giữ được dữ liệu để đợi xử lý trong miền quang Mạng chuyển mạch chùm quang được đề xuất vào cuối năm 1990 và trở thành một công nghệ hứa hẹn

có thể tận dụng được những ưu điểm của mạng chuyển mạch kênh quang và mạng chuyển mạch gói quang để tránh được những bất lợi về kỹ thuật trong thời gian này Chuyển mạch chùm quang OBS trên mạng WDM đã được xem như là một công nghệ đầy triển vọng đối với mạng Internet thế hệ tiếp theo, bởi vì nó có nhiều

lợi thế hấp dẫn như tốc độ nhanh và hiệu suất khai thác băng thông cao hơn nhiều

so với những mô hình chuyển mạch kênh quang khác [63][73] Tại nút biên vào của mạng OBS, dữ liệu vào (chẳng hạn các luồng IP) có cùng đích đến (và cùng lớp dịch vụ QoS) được tập hợp trong một chùm quang dữ liệu, được lập lịch và được gởi vào bên trong mạng OBS theo sau một gói điều khiển chùm quang BCP một

khoảng thời gian offset Khoảng thời gian offset này được tính toán sao cho gói điều

khiển có thể kịp đặt trước và cấu hình các tài nguyên tại các nút mà chùm quang dữ liệu sẽ đi qua Bằng cách đó, mạng OBS đã loại bỏ được yêu cầu cần sử dụng các

bộ đệm quang, một trong những hạn chế mà công nghệ quang hiện nay chưa thể vượt qua được Tại các nút lõi bên trong mạng OBS, chùm quang đơn giản được

chuyển tiếp (forward) theo hướng đến nút đích như đã cấu hình Khi đến nút biên

ra, các luồng IP sẽ được khôi phục lại từ chùm quang dữ liệu này

Thực chất, mạng chuyển mạch chùm quang xem xét lớp quang đơn thuần như một phương tiện truyền thông trong suốt cho các ứng dụng Một số đặc trưng chung của mạng chuyển mạch chùm quang như sau:

– Tách biệt giữa kênh truyền gói điều khiển BCP và kênh truyền chùm dữ liệu

DB: gói điều khiển được truyền trên một kênh riêng biệt

– Sự dành riêng một chiều: tài nguyên được cấp phát theo kiêu dành riêng

một chiều, nghĩa là nút nguồn không cần đợi thông tin phản hồi từ nút đích trước khi nó bắt đầu truyền chùm

– Độ dài chùm thay đổi được: kích thước của chùm có thể thay đổi được theo

yêu cầu

– Không cần bộ đệm quang: nút trung gian trong mạng quang không yêu cầu

phải có bộ đệm quang Các chùm đi qua các nút trung gian mà không chịu bất kì sự trễ nào

1.2.2 Kiến trúc mạng chuyển mạch chùm quang

Một mạng chuyển mạch chùm quang bao gồm các nút chuyển mạch chùm quang kết nối với nhau thông qua các sợi cáp quang Mỗi sợi quang có khả năng hỗ trợ các kênh đa bước sóng Như được trình bày ở Hình 1.2, các nút trên mạng chuyển mạch chùm quang có hai kiểu: nút biên và nút lõi Nút biên được xem như

là giao diện giữa miền điện tử và miền quang Nút biên có thể là nút biên vào hoặc

là nút biên ra Nút biên vào thực hiện tập hợp các gói điện tử (chẳng hạn các gói IP)

có cùng đích thành một đơn vị truyền dẫn lớn gọi là chùm quang, sau đó thực hiện định tuyến, ấn định bước sóng và lập lịch cho chùm trên một kênh dữ liệu ở ngõ ra,

sau đó được truyền qua mạng chuyển mạch chùm quang và cuối cùng được tách gói tại nút biên ra Nút lõi được xem như là một ma trận chuyển mạch và là một đơn vị chuyển mạch có trách nhiệm chuyển tiếp các chùm dữ liệu đến nút khác

Hình 1.2 Kiến trúc của mạng chuyển mạch chùm quang

Một nút OBS bao gồm cả 2 phần: quang và điện Phần quang là các bộ

ghép/tách bước sóng (multiplexer/demultiplexer) và chuyển mạch quang (optical

cross-connect) Phần điện có các mô-đun vào/ra, điều khiển định tuyến và lập lịch

Đơn vị chuyển mạch quang điều khiển các chùm dữ liệu từ một cổng vào và ra một cổng tương ứng với đích đến của chúng

Khi một nút biên vào chuẩn bị truyền một chùm dữ liệu, nó sẽ gửi một gói điều khiển đi trên một bước sóng riêng tới nút lõi Gói điều khiển thực hiện việc báo hiệu, cấu hình các chuyển mạch tại nút lõi để chuyển chùm từ cổng vào đến cổng ra

và giải quyết xung đột nếu xảy ra Kiến trúc tổng quát một nút biên vào và nút lõi OBS được chỉ ra ở Hình 1.3 và Hình 1.4, một cách tương ứng

Nút biên vào (Hình 1.3) có chức năng sắp xếp các gói tin đến và tập hợp chúng thành các chùm Kiến trúc nút biên bao gồm mô-đun định tuyến, bộ tập hợp chùm và bộ lập lịch Mô-đun định tuyến lựa chọn cổng ra thích hợp cho mỗi gói tin

và gởi mỗi gói tin đến mô-đun tập hợp chùm tương ứng Trong mô-đun tập hợp chùm, có các hàng đợi gói tin riêng tương ứng với mỗi loại lớp lưu lượng Bộ tập hợp tạo ra chùm dựa trên một kỹ thuật tập hợp chùm nào đó và truyền chùm đến

cổng ra dự kiến Tại nút biên ra, bộ phân tách chùm sẽ tách chùm thành các gói tin

và gởi chúng đến lớp mạng cao hơn [32]

Hình 1.3 Kiến trúc nút biên vào mạng OBS

Một nút lõi OBS (Hình 1.4) bao gồm một thiết bị chuyển mạch quang (OXC)

và đơn vị điều khiển chuyển mạch (SCU) [25]

Hình 1.4 Kiến trúc nút lõi OBS

Đơn vị SCU tạo ra và duy trì một bảng chuyển tiếp và chịu trách nhiệm cho việc cấu hình OXC [32] Ngay khi SCU nhận được gói điều khiển chùm (BCP), nó

sẽ phân tích các thông tin điều khiển trong BCP, xác định địa chỉ đích và tham khảo bảng chuyển tiếp để tìm cổng ra (và bước sóng) tương ứng với chùm Nếu bước sóng yêu cầu trên cổng ra sẵn có khi chùm dữ liệu đến, SCU sẽ cấu hình OXC để chùm dữ liệu đi qua Ngược lại, nếu bước sóng yêu cầu bận thì OXC sẽ được cấu hình phụ thuộc vào các cơ chế điều khiển tránh tắc nghẽn được thực thi trong mạng Tóm lại, SCU có trách nhiệm phân tích gói điều khiển, lập lịch, phát hiện và giải quyết tranh chấp (nếu có), tra cứu bảng chuyển tiếp, điều khiển ma trận chuyển mạch và điều khiển chuyển đổi bước sóng (nếu có trang bị bộ chuyển đổi bước sóng) Trong trường hợp chùm đến OXC trước gói điều khiển của nó, chùm sẽ bị loại bỏ [32].

1.2.3 Cơ chế hoạt động trong mạng chuyển mạch chùm quang

Tập hợp chùm là quá trình tập hợp các gói tin điện tử và đóng gói thành chùm tại nút biên vào của mạng chuyển mạch chùm quang Tất cả gói đến sẽ chuyển đến hàng đợi tùy theo đích của chúng như trình bày trong Hình 1.5 Một giá trị ngưỡng được sử dụng như một tham số giới hạn để quyết định khi nào tạo ra một chùm và gởi chùm vào trong mạng [20][32]

Mạng OBS

Gói điều khiển Gói điều khiển

Burst dữ liệu Burst dữ liệu

Hình 1.5 Tập hợp và phân tách chùm

Hiện nay có nhiều kỹ thuật tập hợp chùm được đề xuất trong đó hai kỹ thuật

được quan tâm nhất là tập hợp chùm dựa vào ngưỡng thời gian (timer-based) (Hình 1.6) và dựa trên ngưỡng độ dài chùm (length-based) (Hình 1.7)

Đối với phương pháp tập hợp chùm dựa trên giá trị ngưỡng độ dài, một giới hạn dựa trên số lượng tối đa gói tin chứa trong mỗi chùm Vì vậy, những chùm được tạo ra có kích thước cố định

Burst 3 Burst 2 Burst 1

Ngưỡng thời gian

Các gói đến

Khoảng cách giữa các burst bằng nhau

Kích thước của burst không bằng nhau

Bộ định thời gian

Hình 1.6 Tập hợp chùm theo ngưỡng thời gian

Với phương pháp tập hợp chùm theo ngưỡng thời gian, các chùm được tạo ra

có kích thước khác nhau tùy theo lưu lượng gói tin đến tại mỗi cổng vào

Kích thước burst tối đa (số gói tối đa)

Các gói đến

Khoảng cách giữa các burst không bằng nhau

Kích thước của burst bằng nhau

Hình 1.7 Tập hợp chùm theo ngưỡng kích thước (số gói tối đa)

Vấn đề quan trọng được đặt ra ở đây là làm thế nào để chọn một giá trị ngưỡng thời gian hoặc ngưỡng độ dài chùm tối ưu để giảm số lượng gói tin điện tử

bị mất khi xảy ra tranh chấp chùm, cũng như tăng hiệu năng sử dụng mạng chuyển mạch chùm quang Hình 1.8 mô tả ảnh hưởng của kỹ thuật tập hợp chùm dựa trên ngưỡng thời gian và ngưỡng độ dài chùm đối với chùm sinh ra

Hình 1.8 Tập hợp chùm theo ngưỡng thời gian và ngưỡng độ dài chùm

Chúng ta thấy rằng nếu giá trị ngưỡng thời gian quá thấp, chiều dài của chùm

sẽ ngắn và số lượng chùm di chuyển trong mạng tăng lên, dẫn đến tình trạng số lượng tranh chấp trong mạng cao, nhưng số lương gói tin mất trung bình trong mỗi

chùm lại thấp Thêm vào đó, số lượng chùm nhiều sẽ gây áp lực lên tốc độ xử lý các gói điều khiển phải nhanh mới hiệu quả Ngược lại nếu giá trị ngưỡng thời gian lớn,

độ dài của chùm tăng lên và số lượng chùm di chuyển trong mạng là giảm, do đó giảm được số lượng tranh chấp trong mạng so với trường hợp chùm ngắn, nhưng số lượng gói tin mất trung bình trên mỗi chùm mất là cao Tóm lại, cần xác định độ dài chùm tối ưu để tăng hiệu quả của một mạng chuyển mạch chùm quang

1.2.3.2 Định tuyến chùm

Định tuyến chỉ sự lựa chọn đường đi cho một kết nối để thực hiện việc gửi dữ liệu Định tuyến chỉ ra đường chuyển tiếp của các chùm (dữ liệu), từ nguồn đến đích và qua các nút trung gian; thiết bị chuyên dùng cho việc định tuyến là bộ định tuyến [32][68] Trong mạng quang, người sử dụng liên lạc với nhau qua các kênh

quang (lightpath) Kênh quang là một đường đi của tín hiệu ánh sáng từ nguồn đến

đích và qua các nút trung gian Trong mạng quang không sử dụng bộ chuyển đổi bước sóng, kênh quang phải sử dụng cùng một bước sóng từ nguồn đến đích (gọi là ràng buộc tính liên tục của bước sóng) Khi có yêu cầu thiết lập một kết nối, bộ định tuyến bước sóng phải sử dụng một giải thuật được chọn từ trước để xác định một cổng ra và bước sóng tương ứng Sự lựa chọn bước sóng đóng vai trò rất quan trọng đối với xác suất tắc nghẽn trên toàn mạng sau này Vì vậy một bộ định tuyến bước sóng phải tìm ra kênh quang và thực hiện gán bước sóng sao cho xác suất tắc nghẽn

là tối thiểu Đây là loại bài toán quan trọng trong việc thiết kế các mạng toàn quang Bài toán định tuyến và phân phối (gán) bước sóng RWA được chia làm hai loại:

– Bài toán định tuyến và phân phối bước sóng RWA dành cho lưu lượng

mạng cố định (static traffic) Với loại bài toán này, các yêu cầu về kênh quang được

biết trước; tất cả mọi đường đi và bước sóng gán cho các kênh quang được thiết lập

cố định từ trước Khi có một yêu cầu kết nối, một đường đi và bước sóng đã chỉ định từ trước được cấp cho yêu cầu tương ứng Vì vậy, quy trình định tuyến và gán bước sóng là cố định, không thay đổi theo thời gian Với loại bài toán này, công việc thực hiện là không phức tạp, chỉ đơn giản là tìm đường đi nào đó cho một kênh quang Mục đích của phương pháp này là cực đại dung lượng băng thông mạng có thể sử dụng, tức là cực đại số kênh quang có thể thiết lập đồng thời

– Bài toán định tuyến và phân phối bước sóng RWA dành cho lưu lượng

mạng thay đổi (dynamic traffic) Trong mạng chuyển mạch chùm quang, các yêu

cầu về kênh quang đến theo một quy trình riêng biệt và thời gian thực hiện các yêu

cầu này cũng theo một quy luật riêng Với dạng lưu lượng mạng thay đổi thì cần có một giải thuật động để thiết lập các kênh quang qua các đường đi khác nhau dựa vào khả năng tắc nghẽn trên các tuyến truyền dẫn Từ đó giải thuật cho bài toán định tuyến và gán bước sóng RWA phải dựa vào trạng thái hiện thời của mạng để xác định đường đi cho mỗi yêu cầu thiết lập kênh quang Một trong những thách thức để giải quyết bài toán định tuyến và gán bước sóng với lưu lượng mạng thay đổi là phát triển các giải thuật và giao thức để thiết lập các kênh quang, nhằm hạn chế đến mức thấp nhất xác suất tắc nghẽn trong mạng (tức là số yêu cầu kết nối bị

từ chối trên tổng số yêu cầu), nâng cao hiệu suất sử dụng tài nguyên (cùng một lượng dây truyền dẫn, nút và bộ chuyển đổi bước sóng,… có thể tạo ra nhiều kênh quang nhất) và cải thiện tổng hiệu năng của mạng

Trong mạng chuyển mạch chùm quang, trước khi một chùm được gửi tới một nút lõi, một tiến trình báo hiệu được thực hiện trước để đặt trước tài nguyên

(reservation of resources) và cấu hình bộ chuyển mạch quang tại mỗi nút đó sao

cho phù hợp với chùm dữ liệu tương ứng Tiến trình báo hiệu trong mạng chuyển mạch chùm quang được thực hiện bởi các gói điều khiển và các gói này được truyền độc lập với các chùm dữ liệu [32][34][57]

Có hai kiểu kỹ thuật báo hiệu chính được sử dụng để đặt trước tài nguyên dọc trên đường đi của chùm, đó là tell-and-wait (TAW) và tell-and-go (TAG) Đối với TAW, gói điều khiển sẽ được gởi đi đầu tiên và đặt trước tất cả tài nguyên dọc trên đường đi đến đích Nếu việc đặt trước là thành công, một thông báo xác nhận ACK

(acknowledgment) sẽ được gởi ngược lại từ nút đích, sau khi chùm dữ liệu đã được

gởi đi Ngược lại, nếu quá trình đặt trước xảy ra lỗi tại một nút trung gian bất kỳ

trên đường đi, một thông báo NACK (negative ACK) được gởi lại nút nguồn để giải

phóng các tài nguyên đã đặt trước đó Trong kỹ thuật báo hiệu TAG, nút nguồn không phải đợi thông báo ACK từ nút đích Khi gói điều khiển BCP được gởi đi và đặt trước băng thông trên các kết nối, chùm dữ liệu sẽ được gởi đi sau một khoảng

thời gian offset Nếu BCP gặp lỗi trong việc đặt trước băng thông tại kết nối bất kỳ, chùm dữ liệu đơn giản sẽ bị rơi (dropped), hoặc một phương pháp tránh tắc nghẽn

sẽ được xem xét tại kết nối đó Kỹ thuật báo hiệu TAG vì vậy còn được gọi là kỹ

thuật báo hiệu một chiều JET (Just-Enough Time) và JIT (Just In Time) là hai giao

thức báo hiệu dựa trên nguyên tắc của TAG [67]:

– Nguyên tắc hoạt động của giao thức báo hiệu JIT là tài nguyên (kênh dữ liệu) được đặt trước ngay khi gói điều khiển đến (ngay sau khi BCP được xử lý xong) và được giải phóng khi việc truyền dữ liệu hoàn thành (dựa trên ước lượng chiều dài chùm dữ liệu)

– JET cũng là giao thức báo hiệu một chiều có kiến trúc tương tự như JIT, nhưng khác với JIT ở điểm là JET chỉ thực hiện đặt trước tài nguyên ngay trước khi chùm dữ liệu thực sự đến Vì thế, JET là giao thức tận dụng băng thông tốt hơn so với JIT (cải tiến hiệu suất sử dụng bước sóng) Một ví dụ về giao thức đặt trước tài nguyên JET được chỉ ra trong Hình 1.9, trong đó, là thời gian xử lý tối đa của gói

điều khiển tại mỗi nút lõi OBS Thời gian offset ứng với giao thức JET khi đó có thể

được tính là: , ở đây h là số chặng (hop) giữa nút biên vào (nguồn) và nút biên ra (đích)

Hình 1.9 Ví dụ về giao thức đặt trước tài nguyên JET

1.2.3.4 Lập lịch chùm

Một vấn đề quan trọng khác trong mạng chuyển mạch chùm quang là lập lịch chùm Khi một gói điều khiển đến một nút, một thuật toán lập lịch được gọi để gán chùm chưa được lập lịch lên một kênh dữ liệu ra Dựa vào thông tin trong gói điều khiển, bộ lập lịch biết được thời gian đến, thời gian kết thúc của chùm (do đó biết được độ dài chùm) Bên cạnh đó, bộ lập lịch duy trì thời gian chưa lập lịch khả dụng gần nhất LAUT, các khoảng hở (gaps1) và các khoảng trống (voids2) trên mỗi

1 Khoảng thời gian giữa thời gian đến của chùm chưa được lập lịch và thời gian kết thúc của chùm sau cùng

đã được lập lịch trên kênh dữ liệu

kênh dữ liệu ra Những thông tin này cho phép bộ lập lịch tại các nút xác định được kênh bước sóng thích hợp nhất dành cho chùm dữ liệu nhờ giải thuật lập lịch của bộ lập lịch [32][37][41-43]

Mục đích chính của các giải thuật lập lịch là sắp xếp được thật nhiều chùm trên cùng một kênh bước sóng để tối ưu hóa băng thông sử dụng và giảm số lượng chùm mất Nếu việc lập lịch không thể thực hiện được tại thời điểm chùm đến thì chùm có thể được làm trễ một khoảng thời gian nhờ sử dụng đường trễ quang FDL

để có thể được lập lịch sau, nếu không chùm sẽ bị mất Thêm vào đó bộ lập lịch cần

sử dụng những giải thuật đơn giản hơn là các giải thuật phức tap bởi vì các nút định tuyến hoạt động với tốc độ rất cao và xử lý một số lượng rất lớn chùm dữ liệu Một giải thuật phức tạp có thể dẫn đến tình trạng mất chùm, khi mà chùm dữ liệu đến trước khi gói tin điều khiển của chùm đó được xử lý xong

Các giải thuật lập lịch cho kênh dữ liệu có thể được phân thành 2 loại: lấp đầy khoảng trống và không lấp đầy khoảng trống Các giải thuật khác nhau chủ yếu ở kiểu, điều kiện chọn kênh và số lượng thông tin trạng thái được duy trì tại một nút trên mỗi kênh Trong các giải thuật lập lịch kênh dữ liệu mà không lấp đầy khoảng trống, trên mỗi kênh dữ liệu được duy trì trong bộ lập lịch kênh Đối với các giải thuật lấp đầy khoảng trống, thời điểm bắt đầu và thời điểm kết thúc được duy trì đối với mỗi chùm trên mỗi kênh dữ liệu, trong đó

là kênh dữ liệu thứ và là chùm thứ trên kênh

Trong chuyển mạch quang nói chung, vấn đề cốt lõi là khai thác băng thông một cách hiệu quả; do đó, giải quyết tắc nghẽn (tranh chấp) được xem là bài toán rất quan trọng nhằm giảm mất chùm (giảm xác suất tắc nghẽn)

Trong mạng chuyển mạch chùm quang, cũng như các mạng chuyển mạch gói khác, tồn tại khả năng một chùm có thể tranh chấp với một chùm khác tại cổng ra của một nút Sự tranh chấp sẽ xảy ra nếu nhiều chùm đến từ nhiều cổng vào khác nhau được định tuyến đến cùng một cổng ra tại cùng thời điểm và yêu cầu cũng một kênh bước sóng Điển hình của việc giải quyết tranh chấp trong các mạng chuyển mạch gói điện tử truyền thống là được quản lý thông qua bộ đệm, tuy nhiên trong lĩnh vực quang, việc sử dụng bộ đệm tại các nút đang gặp khó khăn (về mặt công nghệ) Để giải quyết tình trạng tranh chấp và giảm mất chùm, một số phương pháp

cơ bản sau có thể sử dụng: thay đổi thời gian đến cổng ra của chùm dữ liệu bằng cách sử dụng các đường trễ quang FDL [21-25][33], thay đổi bước sóng ra của

chùm bằng cách sử dụng bộ chuyển đổi bước sóng [13][38][49] hay thay đổi cổng

ra của chùm bằng cách định tuyến lệch hướng [32][67]

Định tuyến lệch hướng là một phương pháp giải quyết tắc nghẽn bằng cách định tuyến một chùm tranh chấp đến một cổng ra khác so với cổng ra theo dự kiến ban đầu (Hình 1.10) [15][19][28][61] Định tuyến lệch hướng có thể không được quan tâm nhiều đối với mạng chuyển mạch gói trong miền điện, tuy nhiên nó lại thực sự cần thiết trong mạng toàn quang khi bộ đệm quang chưa thể sản xuất được

Ưu điểm của định tuyến lệch hướng là có thể tận dụng tài nguyên rỗi trên kết nối ra khác (tận dụng miền phổ quang sẵn có), đồng thời giảm chi phí đối với các thiết bị phần cứng như trang bị thêm bộ chuyển đổi bước sóng hay đường trễ quang FDL Tuy nhiên, trong định tuyến lệch hướng, một chùm lệch hướng sẽ có đường truyền tới đích dài hơn, dẫn tới tăng độ trễ và giảm chất lượng tín hiệu Hơn nữa, nó có thể dẫn đến khả năng chùm bị lặp vô hạn trong mạng và có thể dẫn tới tắc nghẽn tiếp theo Vì vậy cần có các cơ chế để ngăn chặn độ dài đường đi quá mức [15][19]

E

TỪ A

ẾN E

TỪ C ĐẾN E

Hình 1.10 Mô tả định tuyến lệch hướng

Một vấn đề khác khi sử dụng định tuyến lệch hướng trong mạng OBS, đó là

duy trì các thời gian offset (offset_time) thích hợp giữa gói điều khiển và chùm dữ

liệu khi lệch hướng Khi chùm bị lệch hướng phải đi qua một lộ trình đường đi dài

hơn là chùm không bị lệch hướng, có thể tại một thời điểm nào đó, thời gian offset

lúc đầu sẽ không đủ để gói điều khiển xử lý và cấu hình chuyển mạch trước khi

chùm dữ liệu đến Để loại trừ các vấn đề liên quan tới sự thiếu hụt thời gian offset, một số chính sách (policies) khác nhau có thể được thực hiện Cách tiếp cận đơn giản nhất là loại bỏ chùm nếu thời gian offset là không đủ Các cách tiếp cận dùng

bộ đếm và bộ đo thời gian cũng có thể phát hiện và giới hạn số độ dài các đoạn

đường chuyển tiếp (số hop) mà một chùm đi qua Một cách tiếp cận khác là sử dụng

các đường trễ quang FDL để làm trễ chùm trong khoảng thời gian offset mở rộng (extended offset) cũng có thể được áp dụng [3-4][19]

Xu hướng đang được quan tâm nghiên cứu hiện nay là phân tích ảnh hưởng của định tuyến lệch hướng tại nút lõi OBS có sự kết hợp với đường trễ quang FDL

[3][5][19] hoặc với bộ chuyển đổi bước sóng [4][27] Phương pháp chính để đánh giá được hiệu quả của các sự kết hợp này là sử dụng mô hình lý thuyết hàng đợi (mô hình Markov hoặc non-Markov) để phân tích nhằm lựa chọn phương án kết hợp tối ưu thông qua việc đánh giá xác suất tắc nghẽn (hay mất chùm) Đây cũng là hướng nghiên cứu mà Luận án lựa chọn để đánh giá hiệu năng tại nút lõi mạng OBS

Cách tiếp cận này là cố gắng làm trì hoãn thời gian ra của chùm cho đến khi kênh ra mà chùm yêu cầu trở nên rỗi Trong các mạng chuyển mạch gói điện tử truyền thống, việc này được thực thi bằng cách lưu trữ các gói trong các bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên RAM Tuy nhiên, loại bộ đệm tương tự RAM không thực sự hiện hữu trong lĩnh vực công nghệ mạng quang tại thời điểm hiện tại Do đó, các đường trễ quang FDL có thể được sử dụng với vai trò bộ đệm để làm trễ các chùm ra trong một khoảng thời gian xác định Với phương pháp này, chùm đang tham gia tranh chấp sẽ được làm trễ cho tới khi tắc nghẽn được giải quyết Phương pháp này dựa trên ý tưởng là: khi một bước sóng được yêu cầu chưa sẵn sàng thì chùm dữ liệu sẽ được làm trễ trong một đường trễ quang FDL cho tới khi kênh bước sóng đó trở về trạng thái sẵn sàng

Hình 1.11 Làm trễ chùm bằng đường trễ quang FDL

Một ví dụ đơn giản được chỉ ra ở Hình 1.11, trong đó, các chùm 1 và chùm 2 cùng yêu cầu kênh bước sóng là tại cùng thời điểm đến và trên cùng một cổng ra Giả sử chùm 1 có độ ưu tiên cao hơn nên nó sẽ được sử dụng kênh bước sóng đó Trong trường hợp này, chùm 2 thay vì bị loại bỏ sẽ được làm trễ trong khoảng thời

gian , cho đến khi kênh trở về trạng thái sẵn sàng tại thời điểm tới của chùm

dữ liệu 2 sau khi đã được làm trễ (ra khỏi đường trễ quang FDL)

Do đường trễ quang FDL dựa trên độ trễ truyền của cáp quang nên nó có nhiều hạn chế so với bộ đệm điện tử RAM nếu xét đến khả năng truy cập liên tục Chú ý rằng, trong bất kỳ kỹ thuật sử dụng bộ đệm quang nào, kích thước của các bộ đệm bị giới hạn rất nghiêm ngặt, không những bởi chất lượng tín hiệu mà còn bởi

sự giới hạn về không gian vật lý Nếu dung lượng bộ đệm lớn thì đòi hỏi số lượng

và chiều dài của đường trễ quang FDL càng tăng nên dễ gây tổn hao và việc sử dụng bộ đệm cũng không thể hoàn toàn giảm khả năng mất chùm

Tại nút lõi OBS, các đường trễ quang FDL được thiết kế theo các kiểu sau:

- Đường trễ quang FDL truyền thẳng (feed-forward): các FDL được thiết kế

đặt tại mỗi cổng ra, và được sử dụng cho các chùm đến cổng ra đó

- Đường trễ quang FDL hồi quy (feed-back): các FDL được thiết kế đặt

chung tại nút lõi, và được sử dụng cho tất cả các chùm đến từ bất kỳ cổng vào nào của nút lõi đó

Ngoài các nghiên cứu xem đường trễ quang FDL đóng vai trò như là các bộ đệm truyền thống [19][28][58][71] và xem lưu lượng đến đường trễ quang FDL là quá trình Poisson, các tác giả trong [21-25] nghiên cứu chi tiết cấu trúc đường trễ quang FDL với lưu lượng đến không Poisson (lưu lượng tràn) Trong Luận án này,

cả hai vấn đề trên đều sẽ được xem xét

Quá trình chuyển đổi bước sóng là quá trình chuyển đổi một bước sóng của một kênh vào thành một bước sóng khác trên một kênh ra (Hình 1.12) Điều này cho phép nhiều bước sóng có thể được truyền trên một đuờng dây nối giữa hai chuyển mạch quang Các bộ chuyển đổi bước sóng là các thiết bị mà chúng chuyển đổi một tín hiệu của bước sóng vào thành một bước sóng ra khác

Hình 1.12 Mô tả chuyển đổi bước sóng λ 1 qua λ 2

Có nhiều loại chuyển đổi bước sóng, như: chuyển đổi bước sóng đầy đủ, chuyển đổi bước sóng với giới hạn bộ chuyển đổi (chuyển đổi một phần), chuyển đổi bước sóng với giới hạn vùng chuyển đổi Trong chuyển đổi bước sóng đầy đủ, một chùm đến trên một bước sóng nào đó có thể được chuyển đổi sang một bước sóng bất kỳ trên kết nối ra, trong khi với chuyển đổi có giới hạn, khả năng chuyển đổi bị giới hạn (phụ thuộc vào số bộ chuyển đổi rỗi hoặc hạn chế vùng chuyển đổi),

vì thế không phải tất cả các kênh vào đều có thể được kết nối đến các kênh ra Mặc

dù không thực sự hiệu quả như chuyển đổi bước sóng đầy đủ, chuyển đổi bước sóng

có giới hạn cũng đã góp phần làm giảm đáng kể xác suất tắc nghẽn so với không có chuyển đổi bước sóng, trong khi vẫn có thể giảm được chi phí trang bị các bộ chuyển đổi bước sóng tại một nút lõi [32][38][46][49][56][67] Việc phân tích xác suất tắc nghẽn tại một nút OBS có chuyển đổi bước sóng với các kiến trúc khác nhau đã được thực hiện trong [38][56] với kiến trúc SPL, SPN và trong [49] với kiến trúc SPIL

Thông thường, có hai loại kiến trúc nút lõi OBS với chuyển đổi bước sóng: chuyển đổi bước sóng với phân bố đầy đủ (FWC) và chuyển đổi bước sóng với phân bố không đầy đủ (NFWC) Trong FWC, luôn tồn tại một bộ chuyển đổi sẵn có

để chuyển đổi cho bất kỳ một bước sóng đến nào có nhu cầu chuyển đổi Điều này

có nghĩa là xác suất tắc nghẽn sẽ không bị ảnh hưởng bởi chuyển đổi bước sóng Tuy nhiên, đối với những kiến trúc có nhiều bộ chuyển đổi thì sẽ rất tốn kém Vì vậy, để giảm chi phí, người ta thường sử dụng chuyển đổi bước sóng với phân bố không đầy đủ hay chuyển đổi bước sóng với phân bố một phần (PWC), tuy nhiên, điều này có thể dẫn đến trường hợp tắc nghẽn do thiếu thiết bị chuyển đổi bước sóng [38]

Trong kiến trúc nút lõi OBS, các bộ chuyển đổi bước sóng có thể được chia s cho tất cả các cổng ra theo kiến trúc SPN hoặc chỉ cho các bước sóng trên một cổng

ra theo kiến trúc SPL Ngoài ra, các bộ chuyển đổi bước sóng cũng có thể được thiết

kế đặt tại các cổng vào, tương ứng với kiến trúc SPIL Nhiều mô hình phân tích đã được thực hiện trên các kiến trúc này [38][46][49][51]

Với kiến trúc SPIL, các bộ chuyển đổi bước sóng được thiết kế tại các cổng vào và chỉ được sử dụng bởi các lưu lượng được định tuyến đến cổng vào đó Trong khi đó, với kiến trúc SPL thì một vài bộ chuyển đổi bước sóng được kết hợp với một kết nối ra, được sử dụng dành riêng cho các lưu lượng định tuyến đến kết nối ra

đó [38] Khác với hai kiến trúc SPL và SPIL, trong kiến trúc SPN, các bộ chuyển đổi bước sóng được đặt chung tại nút lõi và tất cả các lưu lượng đến trên các kết nối (vào/ra) bất kỳ đều có thể sử dụng để chuyển đổi bước sóng nếu sẵn có

(iii) Phân loại dựa trên khả năng chuyển đổi bước song

Có hai loại bộ chuyển đổi bước sóng: chuyển đổi bước sóng có vùng chuyển đổi giới hạn (LRWC) và chuyển đổi bước sóng hoàn toàn (CWC) Với bộ chuyển đổi kiểu LRWC, một bước sóng vào chỉ có thể chuyển đổi sang một số bước sóng lân cận Với bộ chuyển đổi kiểu CWC thì có thể chuyển đổi một bước sóng vào sang bước sóng ra bất kỳ trong phạm vi phổ quang của các bước sóng có thể mang trên một sợi quang LRWC thường thực tế hơn so với CWC vì những hạn chế về chi phí sản suất các bộ chuyển đổi bước sóng Mặt khác, các bộ chuyển đổi kiểu CWC vẫn chưa thể chế tạo được với công nghệ quang hiện tại

1.3 Đánh giá hiệu năng trong mạng chuyển mạch chùm quang

1.3.1 Đặt vấn đề

Tương tự như mạng chuyển mạch gói OPS, sự mất chùm, thường xuất hiện do

có sự tranh chấp giữa các chùm tại cổng ra, được xem là vấn đề quan trọng ảnh hưởng đến hiệu năng của mạng OBS Do đó, nó là yếu tố cần thiết để xây dựng các

mô hình phân tích nhằm đánh giá hiệu năng mạng chuyển mạch chùm quang thông

qua xác suất mất chùm (hay xác suất tắc nghẽn) Đối với mạng OBS sử dụng các

giao thức báo hiệu JET/JIT, là cơ chế báo hiệu một chiều (không chờ phản hồi), sự tranh chấp giữa các chùm thường xảy ra tại nút lõi, mà tại đó không có các bộ đệm quang (như trong mạng chuyển mạch gói điện tử) Khi các chùm tranh chấp một

bước sóng tại một nút lõi, chùm có độ ưu tiên thấp hơn sẽ bị loại bỏ (dropped)

Ngoài độ đo hiệu năng xác suất tắc nghẽn, độ trễ chùm (trong các đường trễ quang FDL) cũng có thể được xem xét để đánh giá hiệu năng tại nút lõi mạng OBS

Việc tính toán xác suất tắc nghẽn (blocking probability) của chùm tại nút lõi

trong mạng OBS là rất quan trọng với nhiều lý do [67]:

- Đầu tiên nó giúp ta hiểu được quá trình mất chùm và cung cấp các công thức tính tốc độ mất của chùm tại nút lõi

- Thứ hai, nó giúp cho việc xác định ranh giới (bound) đối với tốc độ mất

chùm, được xem là tiêu chí quan trọng của QoS trong mạng OBS

- Cuối cùng, nó hỗ trợ trong việc thiết kế mô hình mới nhằm tối thiểu hóa việc mất chùm tại các vị trí khác nhau trong mạng để cải thiện hiệu năng của mạng tại các lớp cao hơn

Tuy nhiên, tính toán xác suất tắc nghẽn trong mạng OBS là một thách thức do

sự thiếu hụt của các bộ đệm quang tại nút lõi Sự mất chùm do tắc nghẽn ở đây khác với sự mất theo các phương thức truyền thống (thường là do vùng đệm bị tràn), dẫn đến làm tăng tính phức tạp trong các biểu thức phân tích tính xác suất tắc nghẽn của chùm [67] Trong chuyển mạch kênh, các yêu cầu kết nối đến bị tắc nghẽn tại nút nguồn là do sự thiếu hụt băng thông Trong chuyển mạch gói, các gói được lưu giữ

(buffered) trong bộ đệm tại nút trung gian nếu băng thông không sẵn có Các gói chỉ

bị loại bỏ khi vùng đệm bị tràn Không giống như hai lược đồ chuyển mạch ở trên,

sự mất chùm trong mạng OBS xảy ra khi có hai hoặc nhiều hơn các chùm yêu cầu bước sóng giống nhau trong cùng thời điểm, và sự mất chùm là hoàn toàn ngẫu nhiên Xác suất của chùm bị loại bỏ do tranh chấp tại một nút lõi thường được xem như là xác suất tắc nghẽn hay xác suất mất chùm Một điểm lưu ý nữa đó là, khác với trong mạng chuyển mạch kênh, bài toán đánh giá hiệu năng trong mạng OBS thường được thực hiện tại một nút lõi OBS thay vì thực hiện trên toàn bộ mạng

[39]

1.3.2 Các nghiên cứu liên quan đến Luận án

Để đánh giá được hiệu quả của từng phương pháp (định tuyến lệch hướng, sử dụng đường trễ quang FDL, chuyển đổi bước sóng) cũng như sự kết hợp giữa chúng, nhiều mô hình toán học cũng như mô phỏng đã được sử dụng để phân tích

và lựa chọn phương án kết hợp tối ưu thông qua việc đánh giá xác suất tắc nghẽn (hay mất chùm) Với phương pháp mô phỏng, các nghiên cứu thường dựa trên các phần mềm mô phỏng mạng sẵn có như OBS-NS, OMNeT++ hay OPNET, … để mô phỏng hoạt động của mạng OBS nói chung, cũng các bài toán tránh tắc nghẽn nói riêng [14][15][61][62][68] Trong khi đó, với mô hình toán học, các nghiên cứu thường sử dụng lý thuyết hàng đợi (mô hình Markov hay non-Markov) để đánh giá hiệu năng tại một nút lõi của mạng OBS thông qua giá trị xác suất tắc nghẽn theo các cơ chế điều khiển tránh tắc nghẽn khác nhau, như: định tuyến lệch hướng

[15][30][61], đường trễ quang FDL [33][65][67], lệch hướng có kết hợp đường trễ quang FDL [19][28][58][61], chuyển đổi bước sóng [38][39][46][49][51] hay kết hợp đường trễ quang FDL với chuyển đổi bước sóng [21-25] Cụ thể:

 Với cơ chế định tuyến lệch hướng có kết hợp đường trễ quang FDL: trong [19][28], các tác giả phân tích với việc lựa chọn phương pháp chính là định tuyến lệch hướng khi xảy ra tranh chấp, đồng thời kết hợp thêm các đường trễ

quang FDL nhằm bù thời gian offset mở rộng ( ) do sự lệch hướng Theo

đó, mô hình 2 giai đoạn đã được đề xuất sử dụng một số đường trễ quang FDL để làm trễ chùm lệch hướng phù hợp với thời gian [28], đồng thời các đường trễ quang FDL còn lại làm đệm cho các chùm không lệch hướng [19] Hạn chế của các mô hình này là tại giai đoạn 2, các chùm lệch hướng và không lệch hướng cùng chia s tất cả các bước sóng sẵn có, điều này có thể làm giảm hiệu năng với các chùm lệch hướng Mô hình trong [58] được đề xuất cải tiến mô hình trong [19] với

3 giai đoạn nhằm khắc phục hạn chế này bằng cách dành riêng một số bước sóng nhất định cho các chùm lệch hướng (tại giai đoạn 2), và ngay khi chùm lệch hướng cũng không được phục vụ trong giai đoạn này, nó lại tiếp tục được chuyển sang giai đoạn 3 để sử dụng chung các bước sóng còn lại với các chùm không lệch hướng Tuy nhiên, trong các mô hình [58], khi có sự tranh chấp bước sóng tại giai đoạn 3, các chùm lệch hướng (hay không lệch hướng) có thể bị loại bỏ một cách ngẫu nhiên Ngoài ra, các mô hình cũng đều giả thiết các lưu lượng đến đều tuân theo phân phối Poisson Việc mở rộng với lưu lượng non-Poisson do vậy sẽ được chúng tôi xem xét trong Luận án

 Với phương pháp chuyển đổi bước sóng, các nghiên cứu tập trung vào các mô hình với kiến trúc nút lõi OBS được thiết kế có các bộ chuyển đổi bước sóng đặt tại các vị trí khác nhau, bao gồm: kiến trúc SPL [38][39][51][56][72], kiến trúc SPIL [49][74] và kiến trúc SPN [39][56] Hầu hết các nghiên cứu đều phân tích các vấn đề trong bài toán chuyển đổi bước sóng, bao gồm giới hạn số lượng các bộ chuyển đổi, cũng như giới hạn vùng chuyển đổi của các bộ chuyển đổi bước sóng

Cụ thể, tác giả trong [38][39] phân tích các kiến trúc SPL và SPN với giới hạn số bộ chuyển đổi bước sóng, bằng cách sử dụng mô hình Markov đa chiều Các tác giả trong [72] mở rộng mô hình trong [38] với kiến trúc SPL có số bộ chuyển đổi bước sóng giới hạn cũng như vùng chuyển đổi hạn chế Kiến trúc SPL và SPN cũng được phân tích trong [56] với trường hợp mở rộng thêm với kiến trúc đa sợi quang trên một kết nối ra và sử dụng thêm phương pháp xấp xỉ ERT để so sánh với phương pháp Markov đa chiều Cũng với kiến trúc SPL giới hạn bộ chuyển đổi bước sóng, nhưng tác giả trong [51] mở rộng phân tích với trường hợp quá trình đến là Markov

(Markovian Arrival Process) thay vì quá trình Poisson như trong [38][39][56] Tuy nhiên, các tác giả ở trên chỉ phân tích với một phương pháp chuyển đổi bước sóng

Việc phân tích chuyển đổi bước sóng kết hợp với khả năng lệch hướng được chúng tôi xem xét ở các mô hình đề xuất trong [4][27]

o Với kiến trúc SPIL, tác giả trong [49] sử dụng mô hình Markov liên tục 1-chiều (tốc độ đến thay đổi) với 2 trường hợp là chuyển đổi bước sóng đầy đủ và giới hạn bộ chuyển đổi Mô hình mở rộng giới hạn bộ chuyển đổi bước sóng kiểu LRWC, tức là xét với trường hợp hạn chế vùng chuyển đổi bước sóng (theo phương pháp đề xuất trong [74]) được chúng tôi đề xuất trong [2]

 Ngoài việc sử dụng đường trễ quang FDL như là các bộ đệm truyền thống như trong [19][28][58], các tác giả trong [21-25] xem xét chi tiết kiến trúc của đường trễ quang FDL với các giá trị độ trễ khác nhau Theo đó, lưu lượng đến

và rời khỏi các FDL là lưu lượng non-Poisson, do đó, mô hình được áp dụng là mô hình non-Markov, sử dụng phương pháp xấp xỉ ERT Trong các mô hình phân tích này, các tác giả sử dụng FDL để làm trễ các chùm bị tắc nghẽn do thiếu bước sóng (với giả thiết chuyển đổi bước là đầy đủ) với giá trị độ trễ nhất định Mô hình do đó được xem là sự kết hợp giữa chuyển đổi bước sóng (đầy đủ) và đường trễ quang FDL

1.3.3 Vấn đề nghiên cứu trong Luận án

Dựa trên các nghiên cứu đã được đề xuất chỉ ra ở trên, các vấn đề nghiên cứu đặt ra của Luận án đó là cải tiến và đề xuất mới một số mô hình phân tích

(analytical models) nhằm mô hình hóa và đánh giá hiệu năng (dựa trên tính toán xác

suất mất chùm hay xác suất tắc nghẽn, độ trễ chùm, … [10]) các cơ chế điều khiển tránh tắc nghẽn khác nhau (định tuyến lệch hướng, đường trễ quang FDL hay chuyển đổi bước sóng) tại nút lõi OBS (sử dụng giao thức dành trước tài nguyên JET và với một hoặc nhiều lớp lưu lượng đến khác nhau) Cụ thể là:

(1) - Nghiên cứu ứng dụng mô hình hàng đợi Markov rời rạc đa chiều để phân tích sự mất chùm tại một nút lõi OBS với định tuyến lệch hướng có sử dụng đường

trễ quang FDL để bù thời gian offset mở rộng cho các luồng lệch hướng đến, cũng

như hỗ trợ các chùm không lệch hướng trong việc làm trễ Mô hình cũng phân tích

sự tranh chấp trong hai trường hợp: có hoặc không xét đến chất lượng dịch vụ QoS Trong các mô hình Markov này, đường trễ quang FDL được sử dụng có vai trò như

là các hệ thống trễ (hàng đợi) truyền thống [A5][A6][A7] Việc mở rộng phân tích

độ trễ theo kiến trúc của đường trễ quang FDL cũng được thực hiện với mô hình non-Markov, sử dụng phương pháp xấp xỉ ERT [A9]

(2) - Với trường hợp bài toán chuyển đổi bước sóng, chúng tôi phân tích với các trường hợp nút lõi OBS kiến trúc SPIL và kiến trúc SPL Với mỗi kiến trúc nút lõi OBS, tất cả các vấn đề như giới hạn bộ chuyển đổi, hạn chế vùng chuyển đổi đều được xem xét Ngoài ra, với kiến trúc SPL, bài toán định tuyến lệch hướng và kết hợp chuyển đổi bước sóng cũng sẽ được chúng tôi phân tích Tất cả các mô hình mà chúng tôi phân tích trong bài toán chuyển đổi bước sóng đều sử dụng mô hình Markov liên tục 1-chiều hay đa chiều [A1][A2][A3][A4]

(3) - Trong mỗi mô hình Markov phân tích, chúng tôi xây dựng lại các thuật toán tính ma trận tốc độ chuyển trạng thái tương ứng với từng mô hình đề xuất theo phương pháp trong [57][64], từ đó tính các xác suất trạng thái cân bằng và xác suất tắc nghẽn Ngoài ra, dựa trên ma trận , chúng tôi mô phỏng chuỗi Markov, xác định xác suất tắc nghẽn, để từ đó so sánh với kết quả phân tích

[A1][A2][A3][A4]

(4) - Ngoài việc sử dụng các mô hình Markov để mô hình hóa các cơ chế điều khiển tránh tắc nghẽn tại nút lõi OBS (tức là xem các quá trình đến là Poisson), chúng tôi cũng mở rộng với trường hợp lưu lượng lệch hướng đến là không Poisson,

vì vậy mô hình sử dụng là mô hình non-Markov Theo đó, chúng tôi sẽ xem lưu lượng lệch hướng đến cổng ra như là lưu lượng non-Poisson, và là một trường hợp đặc biệt của quá trình đến Renewal (lưu lượng tổng quát ) [A8][A9]

1.4 Kết luận chương

Nội dung của Chương 1 nhằm giới thiệu tổng quát về mạng chuyển mạch chùm quang, khái quát các phương pháp điều khiển tránh tắc nghẽn trong mạng OBS, đồng thời hệ thống hóa các nghiên cứu đã được đề xuất liên quan đến Luận

án Vì vậy, các vấn đề đặt ra trong Chương 1 là cơ sở để chúng tôi mở rộng nghiên cứu trong các Chương 2, Chương 3 và Chương 4 tiếp theo