tóm tắt luận án 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

Các giải pháp xử lý tắc nghẽn hiện nay trên mạng OBS l : hoặc sử dụng ộ đệm FDL để l m trễ chùm quang có độ u tiên thấp hơn; hoặc th c hiện chuyển đổi ớc sóng đối với một trong hai chùm

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

VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

HÀ NỘI – 2013

MỞ ĐẦU

Lịch sử phát triển của mạng truyền dẫn quang đã trải qua các giai đoạn, từ mạng chuyển

mạch kênh quang OCS (Optical Circuit Switching), chuyển mạch chùm quang OBS (Optical Burst Switching) và chuyển mạch gói quang OPS (Optical Packet Switching) Hiện tại, công

nghệ chuyển mạch gói quang OPS ch a thể tr th nh hiện th c i kh ng thể sản xuất đ ợc các ộ đệm quang cần sử dụng C ng nghệ mạng chuyển mạch chùm quang OBS dung hòa

đ ợc các u điểm của c ng nghệ chuyển mạch kênh OCS v chuyển mạch gói OPS, không yêu cầu các ộ đệm quang, trong suốt với tầng điều khiển, đang l c ng nghệ đ ợc u tiên nghiên cứu hiện nay

Tắc nghẽn chùm đ ợc xem l một vấn đề thách thức trong mạng OBS, có thể xảy ra khi hai hay nhiều chùm từ nhiều cổng v o khác nhau cố gắng đi ra trên cùng một cổng ra tại cùng một thời điểm Các giải pháp xử lý tắc nghẽn hiện nay trên mạng OBS l : hoặc sử dụng ộ đệm FDL để l m trễ chùm quang có độ u tiên thấp hơn; hoặc th c hiện chuyển đổi ớc sóng đối với một trong hai chùm quang tranh chấp; hoặc định tuyến chùm quang d liệu có độ u tiên thấp hơn đến một cổng ra r i khác v sau đó truyền đi theo một đ ờng truyền khác để đến đích (gọi l định tuyến lệch h ớng) Trong luận án n y, chúng tôi tập trung nghiên cứu, cải tiến các mô hình toán học nhằm mô hình hóa một số cơ chế điều khiển tránh tắc nghẽn tại nút lõi mạng OBS nhằm đánh giá hiệu năng điều khiển tắc nghẽn của nút mạng thông qua

xác suất tắc nghẽn (hay xác suất mất chùm)

Luận án tập trung vào nghiên cứu ba vấn đề chính: n : ề xuất, cải tiến các m

h nh toán học ph n tích ảnh h ng của định tuyến lệch h ớng kết hợp với đ ờng trễ quang

FDL; n : ề xuất, cải tiến m h nh kết hợp định tuyến lệch h ớng với khả năng

chuyển đổi ớc sóng, có tính đến các r ng uộc, nh khả năng chuyển đổi ớc sóng ho n

to n, khả năng chuyển đổi ớc sóng giới hạn, ph n ố chuyển đổi ớc sóng một phần;

n : M rộng i toán 1 với tr ờng hợp l u l ợng đến là l u l ợng tổng quát (quá trình đến Renewal)

Mục tiêu của luận án: nghiên cứu, cải tiến một số m h nh toán học nhằm m h nh hoá

một số cơ chế điều khiển tránh tắc nghẽn trên mạng OBS; ph n tích, đánh giá hiệu quả hoạt động của các m h nh cải tiến d a trên xác suất mất chùm (xác suất tắc nghẽn) tại m i nút lõi,

so sánh với các m h nh đã đ ợc đề xuất tr ớc đ y

Đối tượng nghiên cứu của luận án: nút lõi OBS với các kiến trúc khác nhau về ph n ố

v khả năng các ộ chuyển đổi ớc sóng v các đ ờng trễ quang FDL

Phương pháp nghiên cứu của luận án: ph ơng pháp chính l ph ơng pháp mô hình hóa

giải tích Theo đó, một số m h nh h ng đợi Markov sẽ đ ợc áp dụng v m rộng với m h nh non-Markov trong tr ờng hợp đơn giản [2] Trong một số tr ờng hợp, ph ơng pháp m phỏng (cho các m h nh h ng đợi tại nút lõi) cũng đ ợc sử dụng để kiểm chứng với ph ơng pháp phân tích, từ đó kết luận tính đúng đắn của kết quả nghiên cứu

Ngo i phần M đầu v Kết luận, Luận án ao gồm ốn ch ơng nội dung Chương trình

y các khái niệm cơ ản về mạng chuyển mạch chùm quang, các h ớng tiếp cận nghiên cứu của các tác giả tr ớc đó, cũng nh các h ớng m rộng m chúng t i sẽ th c hiện trong Luận

án Chương 2 trình bày các kết quả nghiên cứu tr ờng hợp sử dụng định tuyến lệch h ớng với

s h trợ của đ ờng trễ quang FDL [A5][A6][A7] Chương 3 trình bày các mô hình phân tích với chuyển đổi ớc sóng, có kh ng khả năng định tuyến lệch h ớng [A1][A2][A3] Ngoài ra, luận án cũng đề xuất một số thuật toán xây d ng ma trận tốc độ trạng thái Q ứng với m i mô hình nhằm tính các xác suất trạng thái cân bằng [A1][A4] Việc m rộng xem xét l u l ợng đến l l u l ợng tổng quát (quá trình Renewal) [A8], cũng nh ph n tích kết hợp cả hai luồng l u l ợng Poisson v l u l ợng (non-Poisson) [A9] đ ợc trình bày trong Chương 4 Kết quả phân tích trong tr ờng hợp n y (l u l ợng ) đ ợc so sánh với kết quả trong mô hìnhứng với tất cả đều l l u l ợng Poisson để đánh giá tính đúng của m h nh m rộng Cuối cùng, phần kết luận nêu nh ng đóng góp của Luận án và h ớng phát triển tiếp theo

Chương 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1.1 Mạng chuyển mạch chùm quang

Trong chuyển mạch chùm quang (OBS), d liệu truyền tải trong các đơn vị có kích th ớc

khác nhau, đ ợc gọi l chùm (burst) [10] B i v tính iến thiên lớn trong suốt thời gian tồn tại của các chùm, mạng OBS có thể đ ợc xem là trung gian gi a OPSNs v WRNs Trong mạng OBS, có s ph n tách mạnh gi a cách ố trí kênh điều khiển v d liệu, cho phép có thể điều khiển mạng linh động v đạt hiệu quả cao

1.1.1 Đặc trưng chung của mạng chuyển mạch chùm quang

Mạng OBS l một giải pháp cho phép truyền tải l u l ợng tr c tiếp qua mạng WDM mà

kh ng cần ộ đệm quang; sử dụng các sơ đồ áo hiệu một h ớng với quá tr nh truyền tức thời, chùm d liệu truyền đi sau gói điều khiển t ơng ứng m kh ng đợi phản hồi ( áo nhận) từ nút

đích Một số đặc tr ng chung của mạng OBS nh sau: T ch b ệ g ữa kênh ruyền gó đ ều

kh ển CP v kênh ruyền chùm dữ liệu; Sự d nh r êng mộ ch ều; Độ d chùm hay đổ được; Không cần bộ đệm quang

1.1.2 Kiến trúc mạng chuyển mạch chùm quang

Một mạng OBS ao gồm các nút OBS kết nối với nhau th ng qua các sợi cáp quang

M i sợi quang có khả năng h trợ các kênh đa ớc sóng Nh đ ợc tr nh y Hình 1.1, các nút trên mạng OBS có hai kiểu: nút iên v nút lõi

Hình 1.1 Kiến trúc của mạng chuyển mạch chùm quang

Nút iên đ ợc xem nh l giao diện gi a miền điện tử v miền quang Nút iên có thể

l nút iên v o hoặc l nút iên ra Nút lõi đ ợc xem nh l một ma trận chuyển mạch v l một đơn vị chuyển mạch có trách nhiệm chuyển tiếp các chùm d liệu đến nút khác Khi một nút biên vào chuẩn ị truyền một chùm d liệu, nó sẽ gửi một gói điều khiển đi trên một ớc sóng riêng tới nút lõi Gói điều khiển th c hiện việc áo hiệu, cấu h nh các chuyển mạch tại nút lõi để chuyển chùm từ cổng v o đến cổng ra v giải quyết xung đột nếu xảy ra

1.1.3 Các hoạt động trong mạng chuyển mạch chùm quang

1.1.3.1 Tập hợp chùm

Tập hợp chùm l quá tr nh tập hợp các gói tin điện tử v đóng gói th nh chùm tại nút iên v o của mạng OBS Tất cả gói đến sẽ chuyển đến h ng đợi tùy theo đích của chúng Một giá trị ng ỡng (thời gian, độ d i chùm) đ ợc sử dụng nh một tham số giới hạn để quyết định khi n o tạo ra một chùm v g i chùm v o trong mạng [10]

1.1.3.2 Định tuyến chùm

Trong mạng quang, các nút biên liên lạc với nhau qua các kênh quang (lightpath) Kênh

quang l một đ ờng đi của tín hiệu ánh sáng từ nguồn đến đích v qua các nút trung gian Trong mạng quang kh ng sử dụng ộ chuyển đổi ớc sóng, kênh quang phải sử dụng cùng một ớc sóng từ nguồn đến đích (r ng uộc tính liên tục của ớc sóng) Khi có yêu cầu thiết lập một kết nối, ộ định tuyến ớc sóng phải sử dụng một giải thuật đ ợc chọn từ tr ớc để xác định một cổng ra v ớc sóng t ơng ứng

1.1.3.3 Báo hiệu chùm

Trong mạng chuyển mạch chùm quang, tr ớc khi một chùm đ ợc gửi tới một nút lõi, một tiến tr nh áo hiệu đ ợc th c hiện tr ớc để đặt tr ớc t i nguyên v cấu h nh ộ chuyển mạch quang tại m i nút sao cho phù hợp với chùm d liệu t ơng ứng Tiến tr nh áo hiệu trong mạng chuyển mạch chùm quang đ ợc th c hiện i các gói điều khiển v các gói n y

đ ợc truyền độc lập với các chùm d liệu [10]

1.1.3.4 Lập lịch chùm

Mục đích chính của các giải thuật lập lịch l sắp xếp đ ợc thật nhiều chùm trên cùng một kênh b ớc sóng để tối u hóa ăng th ng sử dụng v giảm số l ợng chùm mất Nếu việc lập lịch kh ng thể th c hiện đ ợc tại thời điểm chùm đến th chùm có thể đ ợc làm trễ một khoảng thời gian nhờ sử dụng đ ờng trễ quang FDL để có thể đ ợc lập lịch sau, nếu kh ng chùm sẽ ị mất

1.1.3.5 Xử lý tranh chấp chùm

Trong mạng OBS, tranh chấp sẽ xảy ra nếu nhiều chùm đến từ nhiều cổng v o khác nhau

đ ợc định tuyến đến cùng một cổng ra tại cùng thời điểm và trên cùng kênh ớc sóng iển

h nh của việc giải quyết tranh chấp trong các mạng chuyển mạch gói điện tử truyền thống là

đ ợc quản lý th ng qua ộ đệm, tuy nhiên trong lĩnh v c quang, việc sử dụng ộ đệm tại các nút đang gặp khó khăn (về mặt c ng nghệ) ể giải quyết t nh trạng tranh chấp v giảm mất chùm, một số ph ơng pháp cơ ản sau có thể sử dụng: thay đổi thời gian đến cổng ra của chùm

d liệu ằng cách sử dụng các đ ờng trễ quang FDL, thay đổi ớc sóng ra của chùm ằng cách sử dụng ộ chuyển đổi ớc sóng hay thay đổi cổng ra của chùm ằng cách định tuyến lệch h ớng Xu h ớng đang đ ợc quan t m nghiên cứu hiện nay l ph n tích ảnh h ng của định tuyến lệch h ớng tại nút lõi OBS có s kết hợp với đ ờng trễ quang FDL hoặc với ộ chuyển đổi b ớc sóng

1.2 Đánh giá hiệu năng trong mạng chuyển mạch chùm quang

Một trong các vấn đề đánh giá hiệu năng mạng nói chung hay mạng OBS nói riêng đó l

tính toán xác suất tắc nghẽn trong mạng ối với mạng OBS, vấn đề giải quyết tắc nghẽn

th ờng đ ợc tập trung nghiên cứu tại nút lõi, tại đó th ờng kh ng có các ộ đệm quang (nh trong mạng gói điện tử IP), v v vậy khi có tranh chấp, chùm có độ u tiên thấp hơn sẽ ị rơi Việc tính toán xác suất tắc nghẽn của chùm tại nút lõi OBS l rất quan trọng, l một thách thức hiện nay do s thiếu hụt của các ộ đệm quang tại nút lõi

1.2.1 Các nghiên cứu chính liên quan đến Luận án

Nhiều nghiên cứu đánh giá hiệu năng tại nút lõi OBS (sử dụng lý thuyết h ng đợi) thông

qua độ đ xác suấ ắc nghẽn đã đ ợc c ng ố, liên quan đến Luận án nh sau:

 Với cơ chế định tuyến lệch h ớng có kết hợp đ ờng trễ quang FDL: trong [3][8], các tác giả đã ph n tích định tuyến lệch h ớng khi xảy ra tranh chấp, đồng thời kết hợp thêm

đ ờng trễ quang FDL nhằm ù thời gian offset m rộng do s lệch h ớng Theo

đó, m h nh 2 giai đoạn hoặc 3 giai đoạn đã đ ợc đề xuất với giai đoạn 1 sử dụng một số

đ ờng trễ quang FDL để l m trễ chùm lệch h ớng phù hợp với thời gian , trong khi các giai đoạn sau ph n tích với hai lớp l u l ợng, đồng thời các đ ờng trễ quang FDL còn lại

l m đệm cho các chùm kh ng lệch h ớng [3]

 Với ph ơng pháp chuyển đổi ớc sóng, các nghiên cứu tập trung v o các m h nh với các kiến trúc nút lõi OBS với thiết kế các ộ chuyển đổi ớc sóng đặt tại các vị trí khác nhau, ao gồm: kiến trúc SPL [5][11], kiến trúc SPIL [6] Các nghiên cứu này đều ph n tích

i toán chuyển đổi ớc sóng với các tr ờng hợp giới hạn số l ợng các ộ chuyển đổi và giới hạn vùng chuyển đổi của các ộ chuyển đổi ớc sóng một cách riêng rẽ m ch a xét đến các

tr ờng hợp kết hợp Luận án sẽ ph n tích chuyển đổi ớc sóng với tất cả các tr ờng hợp giới hạn, cũng nh có xem xét khả năng lệch h ớng trong các m h nh đề xuất [A1][A2][A3]

 Ngo i việc sử dụng FDL nh l các ộ đệm truyền thống nh trong [3][8], các tác giả trong [4] xem xét chi tiết kiến trúc của đ ờng trễ quang FDL với các giá trị độ trễ khác nhau Theo đó, l u l ợng đến v rời khỏi các FDL l l u l ợng non-Poisson, do đó, m h nh

đ ợc áp dụng l m h nh non-Markov, sử dụng ph ơng pháp xấp xỉ ERT M h nh đ ợc xem

l s kết hợp gi a chuyển đổi ớc sóng (ho n to n) v đ ờng trễ quang FDL

1.2.2 Vấn đề nghiên cứu trong Luận án

D a trên các nghiên cứu đã đ ợc đề xuất chỉ ra trên, vấn đề nghiên cứu đặt ra của Luận

án đó l nghiên cứu, cải tiến một số m hình ph n tích đối với xác suất tắc nghẽn của chùm nhằm m h nh hóa v đánh giá hiệu năng các cơ chế điều khiển tránh tắc nghẽn khác nhau tại nút lõi OBS sử dụng giao thức d nh tr ớc t i nguyên JET v với một hoặc nhiều lớp l u l ợng đến khác nhau Theo đó, các vấn đề đ ợc nghiên cứu trong Luận án sẽ l :

(1) - Nghiên cứu ứng dụng m h nh h ng đợi Markov rời rạc đa chiều để ph n tích s mất chùm tại một nút OBS với định tuyến lệch h ớng có sử dụng đ ờng trễ quang FDL Mô hình cũng ph n tích s tranh chấp trong hai tr ờng hợp: có hoặc kh ng xét đến chất l ợng dịch vụ QoS [A5][A6][A7]

(2) - Với ph ơng pháp chuyển đổi ớc sóng, chúng t i ph n tích với các tr ờng hợp nút lõi OBS kiến trúc SPIL v kiến trúc SPL Ngo i ra, với kiến trúc SPL, i toán kết hợp chuyển đổi ớc sóng v định tuyến lệch h ớng cũng sẽ đ ợc chúng t i ph n tích Tất cả các mô hình

m chúng t i ph n tích trong i toán chuyển đổi ớc sóng đều sử dụng m h nh Markov liên tục 1-chiều hay đa chiều [A1][A2][A3][A4]

(3) - Ngo i việc sử dụng các m h nh Markov để m h nh hóa các cơ chế điều khiển tránh tắc nghẽn tại nút lõi OBS, chúng t i cũng m rộng với tr ờng hợp l u l ợng lệch h ớng l không Poisson Theo đó, chúng t i sẽ xem l u l ợng lệch h ớng đến cổng ra l l u l ợng IPP,

là một tr ờng hợp đặc biệt của quá tr nh đến Renewal (l u l ợng tổng quát ) [A8][A9]

1.3 Kết luận chương

Nội dung của Ch ơng 1 nhằm giới thiệu tổng quát về mạng chuyển mạch chùm quang, khái quát các ph ơng pháp điều khiển tránh tắc nghẽn trong mạng OBS, đồng thời hệ thống hóa các nghiên cứu đã đ ợc c ng ố liên quan đến Luận án

Chương 2 ĐIỀU KHIỂN TRÁNH TẮC NGHẼN BẰNG ĐỊNH TUYẾN LỆCH

HƯỚNG KẾT HỢP VỚI ĐƯỜNG TRỄ QUANG FDL 2.1 Định tuyến lệnh hướng dựa trên giao thức báo hiệu JET

Xét l u l ợng đ ợc định tuyến trên các chặng (hop) A-B-C-E trong một mạng chuyển mạch chùm quang (Hình 2.1)

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

Tại nút lõi C với hai cổng ra (có b ớc sóng trên m i cổng ra), l u l ợng các chùm quang đến tại cổng ra trên kết nối C-D bao gồm các chùm lệch h ớng đến từ kết nối C-E (do tranh chấp) và các chùm thông th ờng (không lệch h ớng) đ ợc định tuyến ra trên kết nối C-

D Giả thiết quá tr nh đến của các chùm v quá tr nh xử lý các chùm tại nút C l ngẫu nhiên,

tu n theo quá tr nh Poisson v giao thức áo hiệu đ ợc sử dụng để đặt tr ớc t i nguyên tại m i nút lõi trên đ ờng đi từ A đến E l giao thức áo hiệu JET

2.2 Mô hình phân tích cơ bản và các giả thiết

2.2.1 Các giả thiết

Chúng tôi sẽ sử dụng m h nh Markov để ph n tích ảnh h ng của định tuyến lệch

h ớng có kh ng có các đ ờng trễ quang FDL kết nối ra C-D của nút lõi C (Hình 2.1) với lộ

tr nh an đầu đ ợc xem xét là A-B-C-E.M h nh ph n tích d a trên một số giả thiết sau: – Nút lõi OBS phân tích có kiến trúc SPL đối với các ộ chuyển đổi ớc sóng ho n toàn CWC và đ ờng trễ quang FDL truyền thẳng [3]

Nút lõi

Nút lõi phân tích

Nút lõi

B A'

– là số b ớc sóng trên m i kết nối sợi quang ra, ( );

– là số đ ờng trễ quang FDL với b ớc sóng sẽ sử dụng, trong đó FDL (ứng với FDL “ảo”) dành cho các chùm lệch h ớng ( giai đoạn 1) và FDL (ứng với FDL “ảo”) d nh cho các chùm kh ng lệch h ớng tại giai đoạn 2

– Các chùm đ ợc lệch h ớng và không lệch h ớng đến trên cổng ra đều tu n theo phân phối Poisson với tốc độ trung bình lần l ợt là và ; là tốc độ trung bình phục vụ chùm – Giả thiết phân bố l u l ợng các chùm đến các cổng ra của nút lõi OBS l nh nhau, nên mô hình có thể chỉ cần xem xét tại một cổng ra của nút lõi OBS [3]

2.2.2 Mô hình phân tích cơ bản

M h nh ph n tích cơ ản l m h nh h ng đợi Markov đa chiều , gồm 2 giai đoạn (Hình 2.2) [A5][A7] tại m i nút lõi OBS

Hình 2.2 Mô hình phân tích cơ bản tại nút lõi Hình 2.3 Mô hình DRPF

– Giai đoạn 1 t ơng ứng với đ ờng trễ quang FDL để cung cấp thời gian offset m

rộng cho các chùm lệch h ớng Xác suất khi tất cả các đ ờng trễ quang FDL “ảo” đều ận

đ ợc tính bằng công thức tổn thất Erlang-B [A7] ộ phức tạp của giai đoạn 1 tính đ ợc bằng [2] Tốc độ trung nh của các chùm sau giai đoạn 1 do đó sẽ l :

– Giai đoạn 2 t ơng ứng với m h nh hai lớp l u l ợng (l u l ợng lệch h ớng và không lệch h ớng, ứng với tốc độ trung nh l và ) cùng chia sẻ b ớc sóng trên kết nối sợi quang ra (xét với 2 tr ờng hợp: có và không có QoS) Ngoài ra, tại giai đoạn này, – FDL còn lại cũng có thể đ ợc sử dụng d nh riêng cho các chùm kh ng lệch h ớng

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

Từ m h nh cơ ản trên, tại giai đoạn 2, chúng tôi xét tr ờng hợp đơn giản, trong đó các l u l ợng lệch h ớng và không lệch h ớng cùng chia sẻ ớc sóng trên một cổng ra (kết nối C-D trong Hình 2.1) nh ng kh ng xét chất l ợng dịch vụ oS [A7] L ợc đồ chuyển trạng thái trong m h nh n y đ ợc chỉ ra trong [A7] với m i trạng thái trong mô hình ứng với cặp : , v , t ơng ứng là số chùm không lệch h ớng và lệch h ớng Xác suất tắc nghẽn của các chùm trong tr ờng hợp n y đ ợc tính nh sau [A7]:

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

t ng chính m chúng t i cải tiến từ m h nh DRNP là xem xét đến chất l ợng dịch vụ QoS theo tài nguyên b ớc sóng để có m h nh DRWP [5][13], tức l luồng có độ u tiên cao (luồng lệch h ớng) sẽ đ ợc cấp phát t i nguyên nhiều hơn so với lớp có độ u tiên thấp (luồng

kh ng lệch h ớng) [A7] Xét các chùm lệch h ớng v các chùm kh ng lệch h ớng đến trên kết nối C-D t ơng ứng với 2 lớp dịch vụ có độ u tiên khác nhau, ký hiệu t ơng ứng l v , trong đó lớp có độ u tiên cao hơn lớp Một số giả thiết đ ợc phát iểu ổ sung để phù hợp với m h nh DRWP:

– Tốc độ đến của các lớp dịch vụ l độc lập, v đ ợc iểu thị đơn giản l đối với lớp

và đối với lớp

– M i liên kết sợi quang mang b ớc sóng, trong đó các chùm thuộc lớp không

đ ợc phép sử dụng nhiều hơn b ớc sóng tại ất k thời điểm n o

L ợc đồ chuyển trạng thái của mô hình DRWP đ ợc chỉ ra nh [A7] Trong đó, trạng thái của hệ thống tại m i thời điểm có thể đ ợc iểu diễn i một cặp , với v lần l ợt

M h nh DRPF kết hợp ý t ng của m h nh DRWP để cải tiến m h nh của Hsu trong

[3] Ưu điểm của m h nh DRPF so với m h nh trong [3]đó l chúng t i xem xét chất l ợng dịch vụ gi a 2 chùm lệch h ớng v kh ng lệch h ớng Ngo i ra, t ơng t nh m h nh trong

[3], tại giai đoạn 2 của m h nh DRPF chúng t i sử dụng thêm đ ờng trễ quang FDL

để h trợ cho các chùm kh ng lệch h ớng (l m trễ khi gặp tắc nghẽn) (Hình 2.3) [A5]

Mô hình DRPF có dạng m h nh h ng đợi Markov đa chiều v l ợc đồ trạng thái đ ợc chỉ ra [A5], trong đó, m i trạng thái đ ợc xác định b i cặp , đ y , và Số trạng thái

t ơng ứng tính đ ợc [A5]:

( ) ( ) (2.6) Xác suất tắc nghẽn tại giai đoạn 2 của m h nh DRPF có thể tính đ ợc nh sau [3]:

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

M h nh DRND l s cải tiến từ m h nh của tác giả Pevac [8] ằng cách ổ sung thêm các FDL tại giai đoạn 3 nhằm h trợ l u l ợng kh ng lệch h ớng, từ đó tăng hiệu năng tại nút lõi Mô hình phân tích trong tr ờng hợp n y cũng xuất phát từ m h nh cơ ản nh trong Hình 2.2 iểm khác là giai đoạn 2 sẽ đ ợc m rộng th nh hai giai đoạn 2 và 3 (Hình 2.4) [3] Tại giai đoạn 2, có 𝑘 ớc sóng trên kết nối sợi quang ra đ ợc cấp phát dành riêng cho các chùm

đ ợc lệch h ớng Xác suất để 𝑘 ớc sóng cùng ận cũng đ ợc tính b i công thức mất Erlang’s [A6] ộ phức tạp của giai đoạn 2 trong mô hình DRND tính đ ợc bằng

𝑘

Các chùm đ ợc lệch h ớng bị tắc nghẽn trong giai đoạn 2 sẽ kh ng ị loại bỏ, mà chúng tiếp tục đ ợc g i đến giai đoạn 3 với tốc độ trung bình là [8]:

Hình 2.4 Mô hình phân tích với 3 giai đoạn (mô hình DRND)

Nh vậy, giai đoạn 3 t ơng ứng với m h nh l u l ợng đa chiều có dạng tổn thất – trễ (loss-delay) 𝑘 𝑘 với tốc độ trung nh các chùm kh ng lệch h ớng

v lệch h ớng đến lần l ợt là và L ợc đồ chuyển trạng thái trong giai đoạn 3 đ ợc chỉ

ra trong [A6] M i trạng thái trong m h nh giai đoạn 3 trên ứng với cặp ; với

T ơng t nh các m h nh trên, khi biểu diễn riêng rẽ l u l ợng chùm kh ng lệch h ớng

v chùm đ ợc lệch h ớng (tại giai đoạn 3) b i ⁄ v ⁄ , ta có thể chỉ ra kết quả từ [3]:

Nội dung của Ch ơng 2 tập trung x y d ng các m h nh toán học nhằm phân tích với l u

l ợng đa chiều tại nút lõi OBS, gồm các l u l ợng lệch h ớng v l u l ợng kh ng lệch h ớng, có/không xem xét đến độ u tiên (mô hình DRNP, DRWP, DRPF, DRND) [A6][A7] Kết quả

so sánh với các m h nh đề xuất tr ớc đ y trong [3][8] cho thấy hiệu quả của các m h nh cải tiến khi định tuyến lệch h ớng đ ợc sử dụng nh l ph ơng pháp chính trong giải quyết tranh chấp tại nút lõi OBS

n d)  ( 

Chương 3 ĐIỀU KHIỂN TRÁNH TẮC NGHẼN BẰNG CHUYỂN ĐỔI BƯỚC

SÓNG CÓ/KHÔNG CÓ SỰ LỆCH HƯỚNG 3.1 Mô hình và giả thiết chung

Các mô hình đã ph n tích trong Ch ơng 2 đều giả thiết chuyển đổi ớc sóng tại nút lõi OBS l đầy đủ V vậy, nội dung của Ch ơng 3 sẽ nghiên cứu với chuyển đổi ớc sóng có giới hạn về số ộ chuyển đổi v vùng chuyển đổi theo các m h nh kiến trúc nút lõi OBS khác nhau, nh kiến trúc SPIL theo h ớng tiếp cận sử dụng m h nh Markov 1-chiều [A2] và kiến trúc SPL theo h ớng tiếp cận sử dụng m h nh Markov đa-chiều để ph n tích xác suất tắc nghẽn [A1][A3] Các mô hình phân tích trong Ch ơng 3 d a trên một số giả thiết chung nh sau:

- Kh ng có đ ờng trễ quang FDL tại nút lõi

- Phân bố l u l ợng đến các cổng ra l nh nhau, nên có thể chỉ cần xem xét tại một cổng ra của nút lõi OBS (khi không xét s lệch h ớng) M i cổng ra t ơng ứng với một sợi quang WDM có thể mang ớc sóng 𝛬 𝜆 𝜆 𝜆 ⋯ 𝜆 ;

- Có ( ) ộ chuyển đổi CWC hoặc LRWC đ ợc sử dụng tại m i cổng vào (SPIL) hoặc cổng ra (SPL) Giá trị 𝜈 ⁄ do đó đ ợc xem là khả năng chuyển đổi của một nút xét theo giới hạn bộ chuyển đổi [A2]

- ối với tr ờng hợp xét các bộ chuyển đổi có phạm vi chuyển đổi hạn chế (LRWC),

tức là một chùm đến trên một ớc sóng vào chỉ có thể đ ợc chuyển đổi đến một ớc sóng ra lân cận với ớc sóng v o, đặt 𝑑 (số nguyên d ơng) l ậc chuyển đổi 𝑑 ∈ [ ⌊ ⁄ ⌋] và

nh thế một chùm đến chỉ có thể đ ợc chuyển đổi trong phạm vi 𝑟 𝑑

- Các chùm đến theo ph n phối Poisson với tốc độ trung nh v thời gian phục vụ theo ph n ố mũ với giá trị trung nh Tải l u l ợng trên một kênh ớc sóng do đó l Với giả thiết n y, tải l u l ợng chuẩn hóa đến tại một cổng ra, gồm ớc sóng, là một

h m d a trên ớc sóng v ằng

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

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

ầu tiên, chúng tôi nghiên cứu với mô hình chuyển đổi b ớc sóng trong kiến trúc SPIL với một cổng ra phân tích theo mô hình Markov CTMC 1-chiều (Hình 3.1) [A2] Theo đó,

chúng tôi th c hiện ph n tích các tr ờng hợp sau: (i) 𝑟 và , ứng với mô hình PSPIL [A2][7]; (ii) và 𝑟 , ứng với mô hình LSPIL [A2][12]; (iii) và

𝑟 , ứng với mô hình PLSPIL [A2]

Hình 3.1 Lược đồ chuyển trạng thái Markov 1-chiều tại nút lõi OBS kiến trúc SPIL

Trạng thái của hệ thống tại thời điểm đ ợc mô tả b i quá trình ngẫu nhiên (stochastic process) 𝑆 𝑘 𝑘 ⋯ nếu có 𝑘 ớc sóng đang ị chiếm gi Quá trình 𝑆

là quá trình sinh-tử (birth–death process) với trạng thái đ ợc chỉ ra nh Hình 3.2 y chính là mô hình chuyển trạng Markov 1-chiều nh ng xét với các giá trị tốc độ chuyển trạng thái đến thay đổi ( )

3.2.1.1 Mô hình PSPIL

Mô hình này xuất phát từ mô hình của tác giả Mohamed H S Morsy và các cộng s [7],

ứng với tr ờng hợp 𝜈 và 𝑟 Tốc độ chuyển trạng thái đến từ trạng thái 𝑘 đến trạng thái 𝑘 sẽ l [7]:

( 𝑘 𝑘 𝜈) 𝑘 (3.1) Với điều kiện tổng tất cả các xác suất trạng thái bằng 1, ta tính đ ợc giá trị của , nh sau [A2][7]:

Mô hình LSPIL là s cải tiến ý t ng trong [12] để thống nhất với mô hình PSPIL trên,

nh ng với tr ờng hợp 𝜈 và khả năng chuyển đổi là bị hạn chế (bậc 𝑑) Khi đó, tốc độ chuyển trạng thái đến từ trạng thái 𝑘 đến trạng thái 𝑘 sẽ là [A2]:

( 𝑘 𝑘 ) 𝑘 (3.4) Trong đó, l xác suất mà một ộ chuyển đổi có khả năng chuyển đổi thành công, tính

đ ợc nh sau [A2][11][12]:

{

𝑘 𝑟 (𝑘 ∑ 𝑟

Trong mô hình PLSPIL đề xuất, chúng tôi xem xét với các điều kiện 𝜈 (giới hạn

ộ chuyển đổi) v [ 𝑑 ⌊ ⁄ ⌋] (giới hạn vùng chuyển đổi), tức là hạn chế với các bộ chuyển đổi LRWC Khi đó, tốc độ chuyển trạng thái từ trạng thái 𝑘 đến trạng thái 𝑘 sẽ l :

( 𝑘 𝑘 𝜈 ) (3.7) Xác suất mất chùm đ ợc tính theo c ng thức sau [A2]:

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

3.2.2.2 Thuật toán tính ma trận tốc độ chuyển trạng thái

a Thuật toán xây dựng ma trận tốc độ chuyển trạng thái (ký hiệu là ) [A4]

Thuật toán 3.1: Xây d ng ma trận tốc độ chuyển trạng thái ứng với m h nh SPL-PWC

Input: Không gian trạng thái 𝑆

Output: Ma trận tốc độ chuyển trạng thái 𝑄 có kích thước

Phương pháp:

Bước 1: Tạo ra các ma trận chuyển trạng thái , , như sau:

: xác định tốc độ chuyển từ trạng thái sang trạng thái 𝑘 với 𝑘

Ma trận 𝑘 có kích thước là

: xác định tốc độ chuyển từ trạng thái sang trạng thái 𝑘 với

𝑘 Ma trận 𝑘 có kích thước là

: xác định tốc độ chuyển từ trạng thái sang trạng thái 𝑘 với ; 𝑘 Ma trận 𝑘 có kích thước là

Bước 2: Tính các giá trị trên đường chéo ma trận 𝑄: 𝑄 = - (tổng các phần tử trên dòng ), như sau:

𝑄 ∑ 𝑄 tương ứng với ∑ 𝑄

Độ phức tạp của Thuật toán 3.1 được tính như sau:

Có thể thấy Bước 1 tạo ra các ma trận chuyển trạng thái có độ phức tạp thời gian là

𝛰 ; Bước 2 tính các giá trị trên đường chéo của ma trận Q có độ phức tạp là 𝛰

Do đó, độ phức tạp của Thuật toán 3.1 là 𝛰

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)

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

M h nh ph n tích với kiến trúc SPL giới hạn ộ chuyển đổi ớc sóng đã đ ợc nghiên cứu trong [A4][5] và cũng đã đ ợc trình bày Mục 3.2.2 trong Ch ơng 3 Tuy nhiên, các nghiên cứu tr ớc đ y chỉ xem xét với một cổng ra Trong nghiên cứu của chúng tôi [A1][A3], chúng tôi m rộng mô hình với 2 cổng ra (gọi là mô hình SPLDF), tức là có xem xét h trợ khả năng lệch h ớng đến cổng ra khác (với xác suất lệch h ớng ) khi cổng ra an đầu gặp tắc nghẽn (Hình 3.2)

Hình 3.2 Kiến trúc nút lõi OBS với hỗ trợ khả năng lệch hướng

Ngoài một số giả thiết t ơng t nh các giả thiết đã tr nh y trong Mục 3.1, khi xem xét với khả năng lệch h ớng (m rộng với 2 cổng ra), mô hình ph n tích trong tr ờng hợp n y

đ ợc ổ sung thêm một giả thiết nh sau:

Giả thiết m i nút OBS là một hệ đối xứng [A1], tức là nếu một nút OBS có cổng ra, và cổng ra trên lộ tr nh an đầu của chùm là , xác suất m chùm đ ợc lệch h ớng đến cổng

ra l đ ợc ph n ố ằng nhau Nh m tả trên Hình 3.2, chúng t i giả thiết chùm khi đến sẽ

đi ra đầu tiên theo cổng 1, v có thể lệch h ớng đến các cổng còn lại với xác suất ằng nhau ⋯ Và ta có, ∑ 𝑘 , trong đó là cổng chùm đến và là tổng xác suất lệch h ớng ể đơn giản, chúng tôi giả thiết giá trị đ y đ ợc xác định tr ớc

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

Nh đã tr nh y trên, m h nh đã xét trong [5] ỏ qua s ảnh h ng của l u l ợng lệch h ớng đến các cổng ra khác (tức l chỉ xét với 1 cổng ra) Kh ng mất tính tổng quát, m

h nh chúng t i đề xuất sẽ chỉ xem xét nút lõi OBS với hai cổng ra (gọi l cổng 1 v cổng 2);

Chuyển mạch quang

Sợi quang vào

m i cổng t ơng ứng với một sợi quang WDM mang ớc sóng v có ộ chuyển đổi ớc sóng đ ợc sử dụng

Hình 3.3 Sơ đồ chuyển trạng thái đối với trạng thái 1,c1; w2,c2)

M h nh v vậy sẽ đ ợc m rộng ph n tích với chu i Markov liên tục 4-chiều, với quá

tr nh chuyển trạng thái đ ợc m tả nh Hình 3.3, trong đó một trạng thái 𝑤 𝑤 tại một thời điểm ất k đ ợc m tả i 4 iến 𝑤 ; và 𝑤 , iểu thị số ớc sóng v số ộ chuyển đổi ớc sóng trên cổng ra 1 v cổng ra 2 t ơng ứng

Hình 3.4. Lược đồ chuyển trạng thái ứng với mô hình SPLDF

L ợc đồ trạng thái của m h nh đề xuất khi đó có thể đ ợc mô tả nh Hình 3.4, trong

đó ên trong một nhóm trạng thái 𝑤 là các quá trình chuyển trạng thái tại cổng 1 ứng với

m i trạng thái trên cổng 2 với số trạng thái (công thức (3.13)) Lúc này có thể xem l ợc

p.0,0 p.1,0

p. ,0 w1

p.1,1 p.2,1 p. ,1

w1

p.C,C w1 p. ,C w1

C,C w2