Nghiên cứu một số phương pháp lập lịch trong mạng chuyển mạch chùm quang

26 1.11 Ví dụ so sánh hiệu quả giữa lập lịch trực tiếp và lập lịch nhóm: a các gói điều khiển và chùm đến trong khe thời gian τ , b kết quả của lập lịch trực tiếp và c kết quả của lập lị

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

Người hướng dẫn khoa học:

PGS TS VÕ VIẾT MINH NHẬT

TS NGUYỄN HOÀNG SƠN

HUẾ - NĂM 2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS TS Võ Viết Minh Nhật và TS Nguyễn Hoàng Sơn Những nội dung trong các công trình đã được công bố chung với các tác giả khác đã được sự đồng ý của đồng tác giả khi đưa vào Luận án Các số liệu và kết quả nghiên cứu được trình bày trong Luận án là trung thực, khách quan và chưa được công bố bởi tác giả nào trong bất kỳ công trình nào khác.

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Hồng Quốc

LỜI CẢM ƠN

Trước hết tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến PGS TS Võ Viết Minh Nhật và TS Nguyễn Hoàng Sơn là những người Thầy đã tận tình hướng dẫn chỉ bảo, động viên và giúp đỡ để tôi có thể hoàn thành được Luận án này.

Tôi xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ của Quý Thầy Cô trong Khoa Công nghệ Thông tin - Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế đã quan tâm, giúp đỡ, hướng dẫn trong suốt quá trình học tập.

Tôi xin chân thành cảm ơn Quý Thầy Cô, Ban chủ nhiệm Khoa Tin học - Trường Đại học Sư phạm, Đại học Huế đã tạo điều kiện thuận lợi trong công tác để tôi có

đủ thời gian hoàn thành Luận án này Tôi xin cảm ơn Quý Thầy Cô, cán bộ quản lý phòng Đào tạo Sau Đại học - Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế đã giúp đỡ tôi hoàn thành kế hoạch học tập.

Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn các bạn đồng nghiệp, người thân trong gia đình luôn động viên, giúp đỡ tôi về mọi mặt trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu.

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Hồng Quốc

MỤC LỤC

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ LẬP LỊCH TRONG MẠNG CHUYỂN

1.1 Tóm lược lịch sử phát triển của truyền thông quang 7

1.2 Các mô hình chuyển mạch quang 9

1.2.1 Chuyển mạch kênh quang 9

1.2.2 Chuyển mạch gói quang 10

1.2.3 Chuyển mạch chùm quang 11

1.3 Mạng chuyển mạch chùm quang 12

1.3.1 Kiến trúc mạng OBS 14

1.3.2 Các hoạt động bên trong mạng OBS 17

1.4 Lập lịch trong mạng OBS 22

1.4.1 Giới thiệu bài toán lập lịch 22

1.4.2 Một số kiến thức liên quan 23

1.4.3 Các giải thuật lập lịch đã công bố 26

1.4.4 Một số nhận xét các giải thuật lập lịch đã công bố 35

1.5 Tiểu kết Chương 1 36

Chương 2 MỘT CẢI TIẾN MÔ HÌNH KẾT HỢP LẬP LỊCH TRỰC TIẾP VỚI LẬP LỊCH LẠI VÀ PHÂN ĐOẠN CHÙM 37 2.1 Giới thiệu 37

2.2 Phân tích và đánh giá các giải thuật lập lịch kết hợp đã công bố 37

2.2.1 Giải thuật ODBR 38

2.2.2 Giải thuật ABR 39

2.2.3 Kỹ thuật phân đoạn chùm 40

2.2.4 Giải thuật SODBRA 42

2.2.5 Giải thuật PCSA 42

2.3 Giải thuật lập lịch kết hợp đề xuất iCSA 44

2.4 Mô phỏng và phân tích kết quả 48

2.5 Tiểu kết Chương 2 54

Chương 3 MỘT SỐ CẢI TIẾN GIẢI THUẬT LẬP LỊCH NHÓM TRÊN ĐƠN KÊNH 55 3.1 Giới thiệu 55

3.2 Phân tích và đánh giá các giải thuật lập lịch nhóm trên đơn kênh đã công bố 56

3.2.1 Giải thuật OBS-GS 56

3.2.2 Giải thuật MWIS-OS 57

3.3 Giải thuật lập lịch nhóm trên đơn kênh đề xuất LGS và các mở rộng 59 3.3.1 Mô hình lập lịch nhóm trên đơn kênh 59

3.3.2 Giải thuật đề xuất LGS 60

3.3.3 Các giải thuật mở rộng đề xuất từ LGS 63

3.4 Mô phỏng và phân tích kết quả 67

3.5 Tiểu kết Chương 3 71

Chương 4 MỘT SỐ CẢI TIẾN GIẢI THUẬT LẬP LỊCH NHÓM TRÊN ĐA KÊNH 72 4.1 Giới thiệu 72

4.2 Phân tích và đánh giá các giải thuật lập lịch nhóm trên đa kênh đã công bố 72

4.2.1 Nhóm các giải thuật lập lịch heuristic 73

4.2.2 Nhóm các giải thuật lập lịch tối ưu 77

4.3 Các giải thuật lập lịch nhóm đề xuất trên đa kênh 81

4.3.1 Giải thuật lập lịch nhóm tối ưu OPT-GS 81

4.3.2 Giải thuật lập lịch nhóm heuristic LGS-MC 86

4.3.3 Giải thuật lập lịch nhóm heuristic MWC-GS 88

4.4 Mô phỏng và phân tích kết quả 96

4.5 Tiểu kết Chương 4 101

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 104

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ADM Add-Drop Multiplexer Bộ thêm/trích kênh

AON All-Optical Network Mạng toàn quang

ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền tải không đồng bộ BHP Burst Header Packet Gói điều khiển

CWDM Coarse Wavelength Division

Mul-tiplexing

Ghép kênh phân chia bước sóng thô

DWA Dynamic Wavelength Allocation Phân bổ bước sóng động

DWDM Density Wavelength Division

Multiplexing

Ghép kênh phân chia bước sóng mật độ cao

FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia tần số GMPLS Generalized Multiprotocol Label

Switching

Chuyển mạch nhãn đa giao thức suy rộng

JET Just Enough Time Giao thức báo hiệu với thời gian

đặt trước tài nguyên vừa đủ JIT Just In Time Giao thức báo hiệu với thời gian

đặt trước tức thời LAUT Latest Available Unscheduled

OCS Optical Circuit Switching Chuyển mạch kênh quang

OEO Optical-Electrical-Optical

con-version

Chuyển đổi quang-điện-quang

Viết tắt Dạng đầy đủ Diễn giải ý nghĩa

OPS Optical Packet Switching Chuyển mạch gói quang

OTN Optical Transport Network Mạng truyền tải quang

OTDM Optical Time Division

Multiplex-ing

Ghép kênh quang phân chia thời gian

OXC Optical Cross Connect Chuyển mạch quang

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

ROADM Reconfigurable Optical Add-Drop

Multiplexer

Bộ thêm/trích kênh quang có thể cấu hình lại

RAM Random Access Memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên RWA Routing and Wavelength Alloca-

SONET Synchronous Optical Network Mạng quang đồng bộ

SPL Share-Per-Link Chia sẻ trên mỗi liên kết

SPN Share-Per-Node Chia sẻ trên mỗi nút

WADM Wavelength Add-Drop

Multi-plexer

Bộ thêm/trích bước sóng

WC Wavelength Converters Bộ chuyển đổi bước sóng

WDM Wavelength Division

Multiplex-ing

Ghép kênh phân chia bước sóng

WR Wavelength Router Định tuyến bước sóng

WRN Wavelength Routed Network Mạng định tuyến bước sóng WXC Wavelength Cross-Connect Chuyển mạch bước sóng

DANH MỤC BẢNG BIỂU

1.1 So sánh chuyển mạch chùm quang với chuyển mạch kênh quang và chuyển mạch gói quang 12 4.1 Thống kê số chùm được gỡ ra và lập lịch lại thành công của giải thuật GreedyOPT 99

DANH MỤC HÌNH VẼ

1.1 Kiến trúc mạng chuyển mạch kênh quang 10

1.2 Kiến trúc mạng OBS và chức năng của các nút mạng 15

1.3 Cấu trúc nút biên vào OBS 16

1.4 Cấu trúc nút lõi OBS 17

1.5 Tập hợp theo ngưỡng thời gian 18

1.6 Tập hợp theo ngưỡng kích thước (số gói tin tối đa) 18

1.7 Ảnh hưởng của phương pháp tập hợp chùm theo ngưỡng thời gian và ngưỡng độ dài đối với kích thước chùm được sinh ra 19

1.8 Đồ thị khoảng G được xây dựng từ tập các khoảng thời gian chồng lấp nhau 25

1.9 Đồ thị khoảng G được xây dựng từ tập các khoảng thời gian không chồng lấp nhau 25

1.10 Mô tả các giải thuật lập lịch trực tiếp 26

1.11 Ví dụ so sánh hiệu quả giữa lập lịch trực tiếp và lập lịch nhóm: (a) các gói điều khiển và chùm đến trong khe thời gian τ , (b) kết quả của lập lịch trực tiếp và (c) kết quả của lập lịch nhóm dựa trên tối đa tổng số chùm được lập lịch và (d)dựa trên tối đa tổng độ dài của các chùm được lập lịch 31

1.12 Phân loại các giải thuật lập lịch nhóm đã được công bố 32

1.13 Mô tả giải pháp chuyển đổi bước sóng w 1 qua w 2 33

1.14 Mô tả giải pháp định tuyến lệch hướng 34

2.1 Một ví dụ về lập lịch lại của giải thuật ODBR 38

2.2 Một ví dụ cơ chế hoạt động của giải thuật lập lịch lại ABR 40

2.3 Phân đoạn chùm và cấu trúc bên trong của header của đoạn 41

2.4 Trong trường hợp chùm tranh chấp bị phân đoạn, có 2 khá năng xảy ra: (a) loại bỏ đoạn đuôi và (b) loại bỏ đoạn đầu của chùm tranh chấp 41

2.5 Ví dụ một chùm đến ub yêu cầu lập lịch trên 3 kênh ra 43

2.6 Ví dụ về một trường hợp giải thuật ODBR không thực hiện được 44

2.7 Mô hình mạng mô phỏng NSFNET 48

2.8 So sánh xác suất mất gói tin của LAUC và BFVF 49

2.9 So sánh xác suất mất gói tin của ODBR và ABR 50

2.10 So sánh số chùm phải lập lịch lại giữa ODBR và ABR 50

2.11 So sánh xác suất mất gói tin của iCSA so với ODBR và ABR 51

2.12 So sánh số chùm lập lịch lại của iCSA so với ODBR và ABR 51 2.13 So sánh xác suất mất gói tin của iCSA so với PCSA và SODBRA 52 2.14 So sánh số chùm lập lịch lại của iCSA so với SODBRA và PCSA 53 2.15 So sánh số chùm phân đoạn của iCSA so với SODBRA và PCSA 53 3.1 (a) Mô tả hoạt động lập lịch nhóm trên đơn kênh và (b)đa kênh 55 3.2 Các gói điều khiển đến trong khe thời gian τ , tương ứng với thứ tự đến của các chùm 56 3.3 (a)Đồ thị khoảng được xây dựng tương ứng trạng thái các chùm đến và (b)Kết quả tìm tập các tập độc lập cực đại của giải thuật OBS-GS 57 3.4 Kết quả tìm tập các tập độc lập cực đại của giải thuật MWIS-OS 58 3.5 So sánh xác suất mất gói tin của OBS-GS và MWIS-OS 58 3.6 Mô hình hoạt động của lập lịch nhóm được đề xuất 59 3.7 Ví dụ Các gói điều khiển đến trong thời gian τ và thứ tự đến của các chùm 62 3.8 (a) Thứ tự các chùm sau khi sắp xếp theo thời điểm kết thúc và (b) cách tính index 62 3.9 Khe thời gian lập lịch nhóm τ được điều chỉnh nghịch biến với tốc độ của luồng các chùm đến 64 3.10 Mô hình mạng mô phỏng Dumbbell 67 3.11 So sánh xác suất mất gói tin giữa LAUC-VF và LGS 68 3.12 So sánh xác suất mất gói tin giữa OBS-GS, MWIS-OS, LGS và LGS-VF 68 3.13 So sánh thông lượng của OBS-GS, MWIS-OS và LGS-VF 69 3.14 So sánh xác suất mất gói tin giữa LGS-VF và LAGS-VF 69 3.15 Phân bố độ rộng khe thời gian τ của MWIS-OS và LAGS-VF trong 300 lần lập lịch nhóm liên tiếp 70 3.16 So sánh thời gian chờ trung bình (của từng 500 khe liên tiếp) của MWIS-

OS và LAGS-VF (trong 7500 lần lập lịch nhóm liên tiếp) 70 4.1 (a) Ví dụ tình trạng các gói điều khiển đến lập lịch cho các chùm trong mỗi khe thời gian τ , và (b) kết quả lập lịch của giải thuật SSF 73 4.2 (a) Ví dụ tình trạng các gói điều khiển đến lập lịch cho các chùm trong mỗi khe thời gian τ , và (b) kết quả lập lịch của giải thuật LIF 74 4.3 Đồ thị khoảng được xây dựng từ trạng thái các chùm đến ở Hình 4.1(a) 75 4.4 Ví dụ 3 chùm đến yêu cầu lập lịch trên 2 kênh dữ liệu ra 78 4.5 Đồ thị khoảng được xây dựng từ trạng thái các chùm đến và các chùm

đã lập lịch trong Hình 4.4 79 4.6 Kết quả các clique cực đại được tìm thấy từ đồ thị khoảng trong Hình 4.5 79 4.7 Đồ thị luồng được xây dựng từ các clique cực đại trong Hình 4.6 80

4.8 Ví dụ 6 chùm đến yêu cầu lập lịch trên hai kênh ra 80 4.9 (a) Một ví dụ về tình trạng các chùm đến yêu cầu lập lịch hai kênh dữ liệu ra và (b) kết quả lập lịch tối ưu các chùm trên hai kênh ra 84 4.10 Đơn đồ thị có hướng có trọng số được xây dựng từ tập các chùm đến lập lịch 84 4.11 (a) Ví dụ về các chùm đến và (b) kết quả lập lịch tối ưu trên 2 kênh 89 4.12 (a)Đồ thị khoảng biểu diễn các khả năng lập lịch của các chùm đến trong Hình 4.11a 89 4.13 (b)MWC được tìm thấy tương ứng với kết quả lập lịch tối ưu trong Hình 4.11b 90 4.14 (a)Ví dụ về các chùm đến và (b) kết quả lập lịch tối ưu có lấp đầy khoảng trống trên 2 kênh 95 4.15 (a) Đồ thị khoảng biểu diễn các khả năng lập lịch có lấp đầy khoảng trống của các chùm đến trong Hình 4.14a và (b) Clique được tìm thấy tương ứng với kết quả lập lịch trong Hình 4.14b 95 4.16 So sánh xác suất mất gói tin của LGS-MC, MWC-GS với các giải thuật heuristic trên mô hình mạng Dumbbell 97 4.17 So sánh xác suất mất gói tin của LGS-MC, MWC-GS với các giải thuật heuristic trên mô hình mạng NSFNET-14 nút 97 4.18 So sánh xác suất mất gói tin của LGS-MC, MWC-GS với GreedyOPT trên mô hình mạng Dumbbell 98 4.19 So sánh xác suất mất gói tin của LGS-MC, MWC-GS với GreedyOPT trên mô hình mạng NSFNET-14 nút 98 4.20 So sánh xác suất mất gói tin của MWC-VF-GS, OPT-GS với BATCHOPT trên mô hình mạng Dumbbell 100 4.21 So sánh xác suất mất gói tin của MWC-VF-GS, OPT-GS với BATCHOPT trên mô hình mạng NSFNET-14 nút 100 4.22 So sánh ảnh hưởng của kích thước khe thời gian τ đến hiệu quả lập lịch nhóm của MWC-VF-GS, OPT-GS với BATCHOPT 101

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Tốc độ phát triển nhanh của Internet trong những năm gần đây, cùng với sựbùng nổ của các loại hình dịch vụ truyền thông, đã làm gia tăng không ngừngnhu cầu về băng thông truyền thông Điều này đã đặt ra một thách thức mớitrong việc tìm kiếm công nghệ truyền thông phù hợp nhằm nâng cao khả năngvận chuyển của mạng thế hệ mới Mạng sợi quang cùng với sự phát triển củacông nghệ ghép kênh bước sóng (Wavelength Division Multiplexing), đã mangđến một giải pháp hoàn hảo đáp ứng được nhu cầu băng thông bùng nổ củaInternet trong tương lai

Mạng sợi quang từ khi ra đời vào thập niên 90 cho đến nay, đã trải quanhiều thế hệ phát triển [46], [64], [27], [24], [31], [12]: từ những mô hình địnhtuyến bước sóng (Wavelength-Routed ) ban đầu dựa trên những đường quang(lightpath) đầu-cuối dành riêng, cho đến các mô hình chuyển mạch gói quang(Optical Packet Switching) được đề xuất gần đây, với ý tưởng xuất phát từ các

mô hình mạng chuyển mạch gói điện tử Tuy nhiên với một số hạn chế về côngnghệ, như chưa thể sản xuất các bộ đệm quang (tương tự bộ nhớ RAM trongmôi trường điện tử) hay các chuyển mạch ở tốc độ nano giây [8] [12], mô hìnhchuyển mạch gói quang chưa thể trở thành hiện thực Một giải pháp thỏa hiệpđược đề xuất là chuyển mạch chùm quang (Optical Burst Switching) đã mở ramột hướng nghiên cứu mới và được xem là công nghệ hứa hẹn cho mạng Internetthế hệ tiếp theo

Một đặc trưng tiêu biểu của mạng chuyển mạch chùm quang (mạng OBS)

là phần (gói) điều khiển (Burst Header Packet ) được tách rời với phần (chùm)

dữ liệu (Data Burst ) Nói một cách khác, để thực hiện việc truyền một chùmvào trong mạng lõi, gói điều khiển BHP được tạo ra và được gửi đi trước mộtkhoảng thời gian offset (offset-time) Thời gian offset này phải được tính toán

đủ để đặt trước tài nguyên và cấu hình các chuyển mạch tại các nút trung giandọc theo hành trình của chùm quang từ nguồn đến đích Thêm vào đó, mạng

OBS dành riêng một số kênh (bước sóng), được gọi là kênh điều khiển cho việctruyền gói điều khiển BHP, trong khi các kênh còn lại được dùng cho việc truyềnchùm dữ liệu, nên được gọi là kênh dữ liệu Như vậy việc truyền gói điều khiểnBHP tách rời hoàn toàn với truyền dữ liệu về mặt không gian (trên kênh truyềnkhác) và về mặt thời gian (gửi đi trước một khoảng thời gian offset ) Với cáchtruyền dữ liệu như vậy, rõ ràng mạng OBS không cần đến các bộ đệm quang đểlưu tạm các chùm dữ liệu trong khi chờ đợi việc xử lý chuyển mạch tại các nútlõi, cũng như không yêu cầu các chuyển mạch ở tốc độ nano giây Tuy nhiên,cách truyền tải này cũng đặt ra áp lực là làm thế nào để một gói điều khiểnBHP kịp lập lịch đặt trước tài nguyên và cấu hình chuyển mạch tại các nút lõi,đảm bảo việc truyền tải chùm quang theo sau; đó chính là nhiệm vụ của hoạtđộng lập lịch đặt trước tài nguyên tại các nút lõi mạng Vì vậy vấn đề lập lịchrất cần được quan tâm và nghiên cứu nhằm tối đa hiệu suất băng thông, giảmmất mát dữ liệu và nâng cao hiệu suất hoạt động của mạng OBS.

2 Động lực nghiên cứu

Lập lịch là một trong những hoạt động quan trọng trong mạng chuyển mạchchùm quang Khi gói điều khiển của một chùm đến tại một nút lõi mạng, dựavào thông tin được chứa trong gói điều khiển như thời điểm đến, thời điểm kếtthúc của chùm, lúc này một giải thuật lập lịch sẽ được gọi để tìm kênh bướcsóng ra khả dụng để lập lịch cho chùm đến (một kênh bước sóng được gọi khảdụng khi và chỉ khi thời điểm đến của chùm lập lịch lớn hơn LAU T hoặc thờigian đến của chùm nằm trong một khoảng trống (khoảng băng thông nhàn rồitrên một kênh nào đó) Mục đích chính của giải thuật lập lịch là sắp xếp cácchùm đến trên các kênh bước sóng ra, nhằm tối đa hiệu suất băng thông sửdụng, giảm số lượng chùm bị loại bỏ và nâng cao hiệu suất hoạt động của mạngOBS

Hiện đã có nhiều giải thuật lập lịch được đề xuất mà có thể được phân vàotrong hai nhóm tiếp cận chính:

• Phương pháp lập lịch trực tiếp

• Phương pháp lập lịch nhóm

Đối với phương pháp lập lịch trực tiếp khi một gói điều khiển đến một nút

lõi mạng, một trong các giải thuật lập lịch trực tiếp [30], [74], [72], [71], [38], [11],[68], [18], [42], [6], [13], [2] sẽ được gọi ngay để tìm kênh bước sóng khả dụnglập lịch cho chùm của nó; nếu có nhiều hơn một kênh bước sóng khả dụng thìgiải thuật lập lịch này sẽ chọn một kênh lập lịch mà tối ưu tiêu chí đặt ra củagiải thuật Trong số các giải thuật lập lịch trực tiếp, BF-VF [42] là giải thuậtlập lịch tốt nhất về hiệu suất sử dụng băng thông Tuy nhiên hiệu quả của lậplịch trực tiếp phụ thuộc vào tình trạng băng thông của các kênh ra mà ở đó cácchùm đã lập lịch phân bố Một số giải pháp kết hợp lập lịch trực tiếp với lậplịch lại và phân đoạn chùm đã được đề xuất [55], [56], [49], [40], [66], [65], [57],[67], [54], [28], [39] Cụ thể khi lập lịch trực tiếp không tìm thấy kênh khả dụng,thay vì chùm đến sẽ bị đánh rơi hoàn toàn, lập lịch lại sẽ sắp xếp lại các chùm

đã được lập lịch trên các kênh bước sóng nhằm tìm kiếm vị trí băng thông nhànrỗi để lập lịch cho chùm đến hoặc thực hiện phân đoạn chùm nhằm để chỉ đánhrơi một phần của chùm đến bị tranh chấp Tuy nhiên lập lịch trực tiếp và lậplịch trực tiếp kết hợp chỉ tối ưu việc lập lịch cho chùm đến hiện thời mà khôngquan tâm đến các chùm đến sau đó, nên sự phân mãnh băng thông được tạo ra

do việc lập lịch chùm hiện thời và có thể ảnh hưởng đến hiệu quả của các lậplịch sau đó Phương pháp lập lịch nhóm [25], [75], [15], [29], [9], [22], [21], [20] do

đó được đề xuất, trong đó các gói điều khiển đến trong một khoảng thời gian sẽtiến hành lập lịch đồng thời các chùm tương ứng của chúng Tuỳ thuộc vào cácnút lõi mạng có được trang bị bộ chuyển đổi bước sóng đầy đủ hay không, cácgiải thuật lập lịch nhóm có thể chia thành hai nhóm: Lập lịch nhóm trên đơnkênh trong trường hợp không sử dụng bộ chuyển đổi và lập lịch nhóm trên đakênh khi được trang bị các bộ chuyển đổi bước sóng đầy đủ

Tuy nhiên các giải thuật lập lịch nêu trên vẫn bộc lộ những tồn tại sau:

• Giải thuật lập lịch kết hợp: chưa sử dụng giải thuật lập lịch trực tiếptối ưu nhất ở giai đoạn 1 để lập lịch cho chùm đến Việc lập lịch lại củacác giải thuật ở giai đoạn 2 chỉ xem xét đối với chùm sau cùng nhất trêncác kênh ra Đoạn chồng lấp khi sử dụng kỹ thuật phân đoạn chùm ở giaiđoạn 3 bị loại bỏ

• Giải thuật lập lịch nhóm trên đơn kênh: Độ phức tạp tính toán củacác giải thuật cao; chưa tận dụng các khoảng trống băng thông được tạo

ra giữa các chùm đã được lập lịch để lập lịch cho các chùm đến và khe thờigian chờ lập lịch được thiết lập với một giá trị cố định mà chưa quan tâmlưu lượng các chùm đến.

• Giải thuật lập lịch nhóm trên đa kênh: Các giải thuật theo hướngtiếp cận heuristic chưa đưa ra tiêu chí chọn tối ưu lập lịch cho các chùmđến mà chỉ dựa vào thứ tự sắp xếp Các giải thuật lập lịch tối ưu làm tăng

số lượng gói điều khiển, yêu cầu hệ thống phải có sự thay đổi về mặt giaothức Hơn nữa việc gỡ hết các chùm đã được lập lịch trên các kênh để đưa

về bài toán lập lịch trên máy đồng nhất là không thực tế trên mạng thật.Những tồn tại nêu trên chính là động lực để Luận án tập trung nghiên cứu,cải tiến và đề xuất mới các giải thuật lập lịch nhằm tối thiểu mất mất dữ liệu,tối đa băng thông sử dụng, giảm thời gian chờ lập lịch, giảm độ phức tạp tínhtoán và nâng cao hiệu quả hoạt động mạng OBS

3 Mục tiêu nghiên cứu của luận án

Mục tiêu của Luận án là nghiên cứu, cải tiến và đề xuất một số giải thuậtlập lịch nhằm nâng cao hiệu năng của mạng chuyển mạch chùm quang bao gồm:tối thiểu mất mát dữ liệu, tối đa hiệu suất băng thông, giảm độ trễ và giảm độphức tạp tính toán Mục tiêu cụ thể của Luận án là:

• Nghiên cứu, cải tiến giải thuật lập lịch trực tiếp kết hợp với lập lịch lại vàphân đoạn chùm

• Nghiên cứu, cải tiến và đề xuất mới giải thuật lập lịch nhóm trên đơn kênh

• Nghiên cứu, cải tiến và đề xuất mới giải thuật lập lịch nhóm trên đa kênh.Trên cơ sở mục tiêu nghiên cứu, Luận án được triển khai theo ba vấn đề nghiêncứu chính:

• Vấn đề 1 : Cải tiến giải thuật kết hợp lập lịch trực tiếp với lập lịch lại vàphân đoạn chùm

• Vấn đề 2 : Cải tiến và đề xuất mới giải thuật lập lịch nhóm trên đơn kênh

• Vấn đề 3 : Cải tiến và đề xuất mới giải thuật lập lịch nhóm trên đa kênh

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Đối tượng nghiên cứu: Các mô hình, giải thuật lập lịch và các phương pháp

xử lý tắc nghẽn trong mạng OBS

• Phạm vi nghiên cứu: Nút lõi mạng OBS

5 Phương pháp nghiên cứu

• Phương pháp nghiên cứu lý thuyết : Tổng hợp các công bố liên quan đến các

mô hình, giải thuật lập lịch trong mạng OBS Phân tích, đánh giá ưu vàkhuyết điểm của các công trình đã công bố để làm cơ sở cho việc cải tiếnhoặc đề xuất mới Đề xuất các giải thuật lập lịch trực tiếp kết hợp, lập lịchnhóm trên đơn kênh và đa kênh ra nhằm nâng cao hiệu năng mạng, baogồm: giảm xác suất mất dữ liệu, tăng mức độ sử dụng băng thông, giảm

độ trễ đầu cuối và giảm độ phức tạp tính toán Chứng minh tính đúng đắn

và tính toán độ phức tạp của các giải thuật được cải tiến và đề xuất mới

• Phương pháp mô phỏng, thực nghiệm: Cài đặt các giải thuật cải tiến và đềxuất mới nhằm chứng minh hiệu quả của các giải thuật này Hệ mô phỏngNS2, gói mô phỏng obs-0.9a được sử dụng để tạo dữ liệu mô phỏng và cácgiải thuật lập lịch được cài đặt bằng ngôn ngữ C++

6 Nội dung và bố cục của luận án

Nội dung của Luận án bao gồm mở đầu, bốn chương nội dung, phần kếtluận, danh mục các công trình liên quan đến Luận án và danh mục tài liệu thamkhảo Bốn chương nội dung cụ thể như sau:

• Chương 1: "Tổng quan về lập lịch trong mạng chuyển mạch chùm quang"trình bày các kiến thức cơ bản về mạng chuyển mạch chùm quang baogồm lịch sử phát triển của truyền thông quang, các mô hình chuyển mạchquang, kiến trúc mạng chuyển mạch chùm quang, các hoạt động bên trongmạng và tổng quan về các hướng tiếp cận lập lịch trong mạng chuyển mạchchùm quang

• Chương 2: "Một cải tiến giải thuật lập lịch trực tiếp kết hợp với lập lịchlại và phân đoạn chùm" trình bày tổng hợp các nghiên cứu trước đây về

mô hình kết hợp giữa lập lịch trực tiếp, lập lịch lại và phân đoạn chùm.Trên cơ sở các phân tích, so sánh và đánh giá, Luận án đề xuất một cảitiến lập lịch trực tiếp kết hợp với lập lịch lại và phân đoạn chùm nhằmgiảm xác suất mất gói tin, giảm số chùm phải lập lịch lại và giảm số chùm

bị phân đoạn

• Chương 3: "Một số cải tiến giải thuật lập lịch nhóm trên đơn kênh" trìnhbày tổng hợp các nghiên cứu liên quan đến lập lịch nhóm trong trường hợpkhông sử dụng chuyển đổi bước sóng Trên cơ sở các phân tích, so sánh vàđánh giá, Luận án xây dựng mô hình lập lịch nhóm, đề xuất một số giảithuật cải tiến về lập lịch nhóm trên đơn kênh nhằm nâng cao hiệu suất lậplịch bao gồm: giảm xác suất mất mát dữ liệu, giảm độ phức tạp giải thuật

và tăng tính thích nghi mô hình lập lịch chuyển biến theo lưu lượng chùmđến

• Chương 4: "Một số cải tiến giải thuật lập lịch nhóm trên đa kênh" trìnhbày tổng hợp, phân tích, so sánh và đánh giá các nghiên cứu liên quan đếnlập lịch nhóm có sử dụng bộ chuyển đổi bước sóng đầy đủ Từ đó Luận

án đề xuất một số giải thuật lập lịch nhóm trên đa kênh theo hai hướngtiếp cận: tối ưu kết quả lập lịch và heuristic nhằm nâng cao hiệu suất lậplịch bao gồm: giảm xác suất mất mát dữ liệu, giảm độ phức tạp giải thuật,giảm độ phức tạp hệ thống và thực tế có thể triển khai trên mạng OBS

7 Đóng góp của Luận án

Các đóng góp chính của Luận án bao gồm:

• Đề xuất giải thuật lập lịch trực kết hợp lập lịch lại và phân đoạn chùmiCSA[CT2]

• Đề xuất giải thuật lập lịch nhóm trên đơn kênh LGS[CT8] và các cải tiếnLGS-VF[CT4], LAGS[CT5], LAGS-VF[CT7]

• Đề xuất giải thuật lập lịch nhóm trên đa kênh OPT-GS theo hướng tiếpcận tối ưu và LGS-MC[CT6], LGS-MC-VF[CT3], MWC-GS[CT1], MWC-VF-GS[CT1] theo hướng tiếp cận heuristic

Chương 1.

TỔNG QUAN VỀ LẬP LỊCH TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG

1.1 Tóm lược lịch sử phát triển của truyền thông quang

Trong hơn hai thập kỷ qua, mạng truyền thông đã có một sự tăng trưởngmạnh mẽ Việc mở rộng nhanh chóng phạm vi bao phủ, cùng với sự bùng nổcác loại hình dịch vụ yêu cầu nhiều băng thông cao như truyền hình Internet(IPTV ), video theo yêu cầu (VoD ), điện thoại Internet (VoIP ) đã làm tăng

áp lực nhu cầu băng thông mạng; trong khi khả năng truyền tải của sợi cápđồng đã đạt đến ngưỡng tới hạn Điều này đòi hỏi phải phát triển những côngnghệ truyền dẫn mới có khả năng đáp ứng những nhu cầu ngày càng cao khôngchỉ cho hiện tại mà cho cả tương lai

Mạng sợi quang [27], [8], [31] đã được công nhận như một giải pháp tốt nhất

có thể đáp ứng những yêu cầu của các dịch vụ băng thông cao nhờ vào nhữngđặc tính có lợi của sợi quang, như độ suy giảm thấp, tiềm năng băng thông rấtlớn và khả năng miễn nhiễm đối với nhiễu điện từ Theo lý thuyết mỗi sợi dẫnquang (hay sợi quang) có thể hỗ trợ băng thông lên đến 50Tb/s [31] Ngoài rasợi quang có chi phí sản xuất và độ lỗi bit khá thấp (khoảng 10−2dB)

Quá trình phát triển của mạng sợi quang có thể chia thành 3 giai đoạn chính.Thế hệ đầu tiên của mạng sợi quang bao gồm các liên kết WDM điểm-nối-điểm(point-to-point WDM links), mà tại đó tín hiệu quang đến tại một nút đượcchuyển đổi từ quang sang điện (Optical-to-Electrical ), được xử lý trong miềnđiện và được chuyển đổi ngược lại từ điện sang quang (Electrical-to-Optical )trước khi truyền đến nút khác Việc tách (dropping) và thêm (adding) lưu lượngtại các nút trong mạng do đó phải chịu thêm độ phức tạp và chi phí xử lý điện

tử, đặc biệt phần lớn các lưu lượng chỉ chuyển tiếp qua các nút này Để giảmthiểu chi phí, các thiết bị toàn quang (all-optical ) có thể được sử dụng

Kiến trúc mạng quang thế hệ thứ hai dựa trên các bộ thêm/tách bước sóng(Wavelength Add-Drop Multiplexers) [37], [12], [31], trong đó lưu lượng có thểđược thêm và tách tại các bộ WADM Các bộ WADM cho phép lựa chọn kênhbước sóng kết thúc tại nút này trên một sợi quang, trong khi để các bước sóngkhác chuyển tiếp qua mà không chịu một xử lý nào Nhìn chung, lượng lưu chuyểntiếp qua các nút trong mạng phổ biến hơn so với lượng lưu được thêm/tách tạimột nút cụ thể Do đó, bằng cách sử dụng các bộ WADM, tổng chi phí củamạng có thể được giảm Các bộ WADM chủ yếu được sử dụng để xây dựng cácmạng WDM hình vòng (ring), loại mạng dự kiến sẽ được triển khai tại các khuvực đô thị.

Việc xây dựng một mạng hình lưới (mesh) bao gồm các sợi quang hỗ trợ đabước sóng và các thiết bị kết nối sợi quang thích hợp là cần thiết Kiến trúcmạng quang thế hệ thứ ba dựa trên các thiết bị kết nối toàn quang Các thiết

bị này có thể chia thành 3 nhóm: các bộ chia hình sao thụ động (passive starcouplers), các bộ định tuyến thụ động (passive routers) và các bộ chuyển mạchchủ động (active switches) Các bộ chia hình sao là một thiết bị phát sóng Mộttín hiệu đến trên một bước sóng nào đó tại một cổng vào của bộ chia sẽ đượcchia đều về mặt năng lượng (power ) đến tất cả các cổng ra Một bộ định tuyếnthụ động có thể định tuyến một cách riêng biệt mỗi bước sóng đến trên mộtsợi quang vào đến một sợi quang ra trên cùng bước sóng Bộ định tuyến thụđộng là một thiết bị tĩnh, do đó cấu hình tuyến cố định Một chuyển mạch chủđộng cũng định tuyến các bước sóng từ sợi quang vào đến sợi quang ra và cóthể hỗ trợ nhiều kết nối đồng thời Không giống như bộ định tuyến thụ động,

bộ chuyển mạch chủ động có thể được cấu hình lại để thay đổi mô hình kết nốicủa các bước sóng vào và ra Trong các mạng quang thế hệ thứ ba, dữ liệu đượcphép chuyển tiếp qua các nút trung gian mà không trải qua bất kỳ một chuyểnđổi quang-điện-quang (Optical-Electrical-Optical ) nào, do đó làm giảm chi phíliên quan đến việc cung cấp các chuyển mạch và định tuyến điện tử tốc độ caotại mỗi nút

Các hệ thống mạng toàn quang đang nổi lên, dự kiến sẽ cung cấp các kết nốichuyển mạch kênh quang (Optical Circuit Switching) hoặc đường quang(lightpaths)giữa các bộ định tuyến biên qua một mạng lõi quang [37], [3] Bởi vì các kết

nối OCS là khá tĩnh, chúng có thể không thích ứng với bản chất bursty củalưu lượng của Internet một cách hiệu quả Một cách lý tưởng, để cung cấp khảnăng sử dụng mạng lõi quang cao nhất, các nút cần có khả năng chuyển mạchgói quang (Optical Packet Switching) [73], [1] Tuy nhiên OPS chưa thể khả thitrong một tương lai gần do hạn chế về mặt công nghệ Một thay thế đối vớichuyển mạch kênh quang và chuyển mạch gói quang là chuyển mạch chùm quang(Optical Burst Switching) [46], [64], [8], [14], [12].

1.2 Các mô hình chuyển mạch quang

Các mô hình chuyển mạch quang có thể được chia thành 3 loại: chuyển mạchkênh quang [37], [3], chuyển mạch gói quang [73], [1] và chuyển mạch chùm quang[46], [64], [8], [14], [12], mà mỗi mô hình này sẽ đươc mô tả chi tiết trong cácmục tiếp theo

1.2.1 Chuyển mạch kênh quang

Chuyển mạch kênh quang hay còn gọi là định tuyến bước sóng quang, trong

đó một đường quang (lightpath) được thiết lập giữa cặp nút nguồn - đích trướckhi truyền dữ liệu (Hình 1.1) Như vậy các nút trung gian không cần thực hiệnnhững công việc phức tạp như xử lý phần điều khiển (header ) hay lưu tạm(buffering) phần dữ liệu Một đường quang sẽ cung cấp một kết nối mà nó cóthể đi qua nhiều liên kết quang trong mạng chuyển mạch kênh quang (mạngOCS) Khả năng chuyển đổi bước sóng của mỗi nút quang sẽ cho phép các liênkết quang nối tiếp nhau mang các bước sóng khác nhau

Trong mạng OCS băng thông được cấp phát là tĩnh (cố định) nên khôngthích ứng với lưu lượng thay đổi liên tục trên mạng Internet Với một số bướcsóng giới hạn cho trước, chỉ một số lượng đường quang hạn chế được thiết lậptại cùng một thời điểm Nếu lưu lượng thay đổi liên tục khi được truyền qua cácđường quang tĩnh thì sẽ làm việc tận dụng băng thông trở nên kém hiệu quả

Để có thể đáp ứng được yêu cầu về băng thông lớn trong mạng đô thị và mạngdiện rộng, những phương thức truyền tải phải hỗ trợ việc dự trữ tài nguyên và

có khả năng thích ứng được sự đột biến lưu lượng Tuy nhiên nếu cố gắng thiếtlập các đường quang một cách động, thông tin trạng thái của mạng sẽ thay đổiliên tục gây khó khăn trong việc cập nhật trạng thái của mạng Hơn nữa, việc

Hình 1.1: Kiến trúc mạng chuyển mạch kênh quang

đặt trước tài nguyên trong mạng OCS là hai chiều trong đó khi nguồn gửi mộtyêu cầu thiết lập đường quang, một xác nhận từ đích sẽ được gửi về là kết nối

đã được thiết lập với dung lượng không xác định trước được Do vậy việc sửdụng băng thông là không hiệu quả

1.2.2 Chuyển mạch gói quang

Chuyển mạch gói quang là một mô hình chuyển mạch cho phép chuyển mạch

và định tuyến của các gói tin IP trong miền quang mà không cần một chuyển đổinào về miền điện tử tại mỗi nút Một nút mạng chuyển mạch gói quang(mạngOPS) có một ma trận chuyển mạch (switching fabric) có khả năng cấu hìnhlại đối với từng gói tin Các gói quang được gửi đi cùng với phần điều khiển(header ) mà không cần bất kỳ thiết lập nào trước khi vào mạng Tại mỗi nútlõi, gói tin được lưu tạm ở một bộ đệm quang, trong khi phần điều khiển đượcchuyển đổi từ quang sang điện và được xử lý trong miền điện Dựa trên thôngtin điều khiển, chuyển mạch được cấu hình để chuyển gói quang từ một cổngvào đến một cổng ra và sau đó được truyền đến nút tiếp theo ngay lập tức

Vì tài nguyên mạng không được đặt trước, các gói quang có thể tranh chấpnhau tại cùng một cổng ra và có thể dẫn đến mất gói Việc thiếu công nghệđệm quang đã làm trầm trọng thêm vấn đề tranh chấp trong mạng OPS so vớicác chuyển mạch gói điện tử truyền thống, mà ở đó công nghệ đệm điện tử đãrất phát triển Đệm quang hiện nay được thực hiện thông qua việc sử dụng các

đường trễ quang (Fiber Delay Link ) nhưng nó chỉ có thể giữ gói quang trongmột khoảng thời gian nhất định phụ thuộc vào các đường trễ được cài đặt theokiểu tuần tự hay song song Hơn nữa kích thước của bộ đệm quang bị giới hạnbởi không gian vật lý Để trì hoãn một gói quang trong 5 micro giây, người taphải cần đến 200km sợi quang [31] Do hạn chế này, một nút chuyển mạch góiquang không hiệu quả trong việc xử lý tải cao hoặc lưu lượngbursty.

Ngoài ra việc triển khai thực tế mạng OPS yêu cầu thời gian chuyển mạchnhanh trong khi các thiết bị chuyển mạch quang hiện tại dựa trên các hệ thống vi

cơ điện tử (micro-electro-mechanical ) với thời gian chuyển mạch khoảng 1nanogiây Mặc dù các bộ chuyển mạch dựa trên khuếch đại bán dẫn quang có thờigian chuyển mạch thấp hơn đáng kể (khoảng 1ns), tuy nhiên chúng là khá đắt

và kiến trúc chuyển mạch sử dụng các bộ chia quang gây tổn thất điện năng khácao Bên cạnh đó các vấn đề liên quan đến việc trích phần điều khiển và chuyểnmạch quang cũng làm cho việc triển khai mạng OPS trở nên khó khăn hơntrong tương lai gần Để tránh việc sử dụng đệm quang và chuyển mạch quangnhanh nhưng vẫn thực hiện được các chuyển mạch trong miền quang, các nhànghiên cứu đã đưa ra mô hình chuyển mạch chùm quang Chuyển mạch chùmquang được coi là một mô hình chuyển mạch khả thi để thực hiện các mạng toànquang do nó cung cấp được một sự cân bằng giữa mức thô của chuyển mạchkênh quang và mức mịn của chuyển mạch gói quang Với dữ liệu được chuyểnmạch toàn quang ở mức chùm (burst ), chuyển mạch chùm quang kết hợp đượctính trong suốt (transparency) của chuyển mạch kênh quang và lợi ích ghép kênhcủa chuyển mạch gói quang

vậy không thể giữ được dữ liệu đợi xử lý trong miền quang Chuyển mạch chùmquang được đề xuất lại vào cuối năm 1990 và nó trở thành một công nghệ hứahẹn có thể tận dụng được những ưu điểm của chuyển mạch kênh quang, chuyểnmạch gói quang và khắc phục những những bất lợi về kỹ thuật hiện tại.

Trong chuyển mạch chùm quang, các gói tin điện tử (chẳng hạn các gói IP,các tế bào ATM hay các khung Ethernet) được gộp vào các đơn vị vận chuyểnlớn hơn có tên gọi là chùm quang (chùm) Các chùm sau đó được chuyển mạch

và truyền bên trong mạng lõi quang Chuyển mạch chùm quang cho phép mộtmức độ lớn hơn về mặt ghép kênh và phù hợp hơn đối với xử lý lưu lượng bursty

so với chuyển mạch kênh quang Đồng thời chuyển mạch chùm quang không chịunhiều ràng buộc về mặt công nghệ như chuyển mạch gói quang

Một so sánh về các kỹ thuật chuyển mạch quang được tóm tắt trong Bảng1.1 cho thấy những lợi thế của chuyển mạch chùm quang so với chuyển mạchkênh quang và chuyển mạch gói quang

Bảng 1.1: So sánh chuyển mạch chùm quang với chuyển mạch kênh quang và chuyển mạch gói quang

Loại Khả năng Mức Đệm Xử lý/Đồng bộ Khả năng

lưu lượng

1.3 Mạng chuyển mạch chùm quang

Mạng OBS được xem như là một công nghệ hứa hẹn cho mạng Internet toànquang thế hệ kế tiếp bởi nó có nhiều chức năng và ưu điểm hơn so với các mạngchuyển mạch quang khác Mạng OBS là một giải pháp cho phép truyền tải lưulượng trực tiếp qua mạng WDM mà không cần bộ đệm quang Mạng OBS sửdụng các sơ đồ đặt trước tài nguyên một chiều với quá trình truyền tức thời,chùm được truyền ngay sau gói điều khiển của nó mà không chờ đợi một phản

hồi (báo nhận) nào từ nút đích Mạng OBS xem xét lớp quang đơn thuần nhưmột phương tiện truyền thông trong suốt đối với các ứng dụng Tuy nhiên chođến hiện nay chưa có định nghĩa chung nào cho mạng OBS Một số đặc trưngcủa mạng OBS như sau:

• Tách biệt giữa kênh truyền gói điều khiển và kênh truyền chùm: gói điềukhiển được truyền trên một kênh riêng biệt

• Dành riêng một chiều: tài nguyên được cấp phát theo kiểu dành riêng mộtchiều, nghĩa là nút nguồn không cần đợi thông tin phản hồi từ nút đíchtrước khi nó bắt đầu truyền chùm

• Độ dài chùm thay đổi được: kích thước của chùm có thể thay đổi được theoyêu cầu

• Không cần bộ đệm quang: các nút trung gian của mạng OBS không yêucầu phải có bộ đệm quang Các chùm đi qua các nút trung gian không chịubất kì một sự trì hoãn nào

Một so sánh ngắn gọn giữa mạng OBS so với mạng OCS và mạng OPS dựatrên các yếu tố hiệu năng dưới đây [24], [12]:

• Hiệu suất sử dụng băng thông (Bandwidth utilization efficiency): MạngOCS có hiệu suất sử dụng băng thông sợi quang thấp nhất Băng thôngđược thiết lập cho một đường quang giữa một cặp nút mà không được sửdụng hết thì cũng không thể được sử dụng cho các lưu lượng khác MạngOCS không thể chuyển mạch lưu lượng ở độ mịn (granularity) thấp hơnmột bước sóng Ngược lại mạng OPS và OBS cho phép lưu lượng giữanhiều cặp nút đầu-cuối cùng chia sẻ băng thông trên một liên kết nhờ vào

kỹ thuật ghép kênh thống kê

• Độ trễ thiết lập (Setup delay): mạng OBS sử dụng sơ đồ báo hiệu mộtchiều để đặt trước tài nguyên trên hành trình trước khi chùm được truyền

Độ trễ thiết lập này là rất ngắn, không giống như mạng OCS trong đócác thông điệp báo hiệu được trao đổi giữa nút nguồn và đích để thiết lập(setup) và gỡ bỏ (release) các đường quang

• Tốc độ chuyển mạch (Switching speed ): mạng OPS yêu cầu các thiết bịchuyển mạch tốc độ rất cao để chuyển mạch các gói quang có kích thước

nhỏ Hơn nữa, đường quang thường được thiết lập cho thời gian dài hơn

và do đó thời gian cấu hình của các thiết bị chuyển mạch có thể dài hơn.Trong trường hợp mạng OBS, thiết bị chuyển mạch có tốc độ trung bình

do kích thước của các chùm quang lớn hơn so với các gói dữ liệu quang

• Độ phức tạp về xử lý (Processing complexity): Trong mạng OPS, vì thôngtin điều khiển chứa trong các gói quang, nên độ phức tạp về xử lý là rấtcao, hơn nữa phần điều khiển phải được trích từ mỗi gói và xử lý trongmiền điện tử Trong mạng OCS, bởi vì đường quang được thiết lập trongmột thời gian truyền dài, độ phức tạp là tương đối thấp khi so sánh vớimạng OPS và mạng OBS Vì kích thước các chùm là lớn hơn (được tạo từnhiều gói tin IP) so với các gói quang, độ phức tạp xử lý của mạng OBS

là giữa mạng OCS và mạng OPS

• Tính thích nghi của lưu lượng (Traffic adaptivit y): mạng OCS không thíchnghi với sự biến thiên lưu lượngbursty do độ trễ thiết lập cao và việc sửdụng chuyển mạch bước sóng, trong khi mạng OBS và OPS thích nghi tốthơn

Vì vậy mạng OBS kết hợp được những ưu điểm của mạng OCS và mạngOPS, trong khi khắc phục được những thiếu sót của chúng

1.3.1 Kiến trúc mạng OBS

Một mạng OBS bao gồm các nút chuyển mạch chùm quang (nút OBS) kếtnối với nhau bởi các sợi quang [46], [64], [8], [14], [12] Mỗi sợi quang có khảnăng hỗ trợ các kênh đa bước sóng Như được mô tả trong Hình 1.2 có hai kiểunút OBS: nút biên và nút lõi

Nút biên được xem như là giao diện giữa miền điện và miền quang Nút biên

có thể được chia thành hai loại: nút biên vào và nút biên ra Nút biên vào thựchiện tập hợp các gói điện tử (chẳng hạn các gói IP, các tế bào ATM hoặc cáckhung Ethernet) có cùng đích đến thành một đơn vị truyền dẫn lớn gọi là chùmquang (hay chùm) Hoạt động tiếp theo bao gồm định tuyến, cấp phát bướcsóng và lập lịch cho chùm trên một kênh dữ liệu ở cổng ra Chùm sau đó đượctruyền qua mạng OBS và cuối cùng được tách tại nút biên ra và gửi các gói banđầu tới đích của chúng Nút lõi được trang bị một ma trận chuyển mạch để thực

Hình 1.2: Kiến trúc mạng OBS và chức năng của các nút mạng

hiện chuyển tiếp (chuyển mạch) các chùm đến nút kế tiếp

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

bộ thêm/tách bước sóng (multiplexer/demultiplexer ) và ma trận chuyển mạchquang Phần điện gồm các mô-đun vào/ra, lập lịch và điều khiển định tuyến.Đơn vị chuyển mạch quang điều khiển các chùm từ một cổng vào đến một cổng

ra tuỳ theo đích đến của chùm

1.3.1.1 Cấu trúc nút biên

Các mạng biên liên kết với mạng OBS thông qua các nút biên OBS Mạngbiên có thể kể đến như mạng IP, ATM, SONET/SDH Một nút biên OBS cóthể là nút biên vào hoặc nút biên ra Nút biên vào (ingress) chịu trách nhiệmtập hợp các gói tin điện tử đến từ nhiều nguồn khác nhau vào thành một chùm.Chùm sau đó được truyền trong môi trường toàn quang qua các bộ định tuyếnlõi mà không cần bất kỳ lưu tạm nào tại các nút trung gian Nút biên ra tiếpnhận chùm, tách chùm thành những gói tin ban đầu và chuyển chúng tới đích.Cấu trúc một nút biên có thể mô tả trong Hình 1.3

Trước khi một chùm được gửi đi, một gói điều khiển được tạo ra mà nómang các thông tin điều khiển như chiều dài chùm, thời điểm đến của chùm, địachỉ nút đích Gói điều khiển được gửi đi trước một khoảng thời gian offset trênkênh điều khiển được dành riêng đến các nút trung gian để lập lịch đặt trướctài nguyên Bộ lập lịch chùm (Scheduler ) thực hiện lập lịch chùm trên các kênh

Hình 1.3: Cấu trúc nút biên vào OBS

dữ liệu ra Sự tách rời gói điều khiển và chùm dữ liệu này làm cho kênh điềukhiển có thể hoạt động ở tốc độ bit thấp hơn nhiều so với kênh dữ liệu nên cóthể sử dụng các phương pháp điều khiển khác nhau

Một yêu cầu đặt ra là phải tính toán khoảng thời gian offset này như thế nào

để không quá lớn tránh lãng phí băng thông hoặc không quá nhỏ nhằm tránhtrường hợp chùm được tạo ra và gửi đi khi việc lập lịch và đặt trước tài nguyênchưa được hoàn thành trên các kênh ra tại các nút trung gian và khi đó chùm

sẽ bị loại bỏ

1.3.1.2 Cấu trúc nút lõi

Chuyển mạch và chuyển tiếp (bypass) các chùm là được thực hiện bởi cácnút lõi (Hình 1.4) Các khối chức năng của nút lõi bao gồm: giao diện vào, bộđiều khiển chuyển mạch, bộ chuyển mạch quang và giao diện ra

Chức năng chính của giao diện vào là chọn lựa các kênh dữ liệu và kênh điềukhiển Mỗi kênh điều khiển được kết nối với một bộ tiếp nhận chùm Bộ tiếpnhận chùm khôi phục lại thông tin điều khiển từ các gói điều khiển, chuyển đổithành dạng điện và chuyển xuống bộ điều khiển chuyển mạch Đồng thời cácchùm trên các bước sóng vào được tách kênh và phân phối đến ma trận (fabric)chuyển mạch quang

Bộ điều khiển chuyển mạch xử lý gói điều khiển, cụ thể là thực hiện tìm

Hình 1.4: Cấu trúc nút lõi OBS

kiếm và lập lịch tài nguyên cho chùm dữ liệu tương ứng Bộ điều khiển chịutrách nhiệm cập nhật thông tin cho gói điều khiển, gửi các tín hiệu điều khiểntrong khoảng thời gian thích hợp đến ma trận chuyển mạch và các thành phầnkhác để điều khiển các chùm

Bộ chuyển mạch được xây dựng với ma trận chuyển mạch và các bộ phậnchuyên dụng khác Ma trận chuyển mạch có thể được đặc trưng bởi chế độ thựchiện (không đồng bộ/đồng bộ), kích thước, thời gian chuyển mạch và các khốibên trong Kích thước của ma trận chuyển mạch sẽ là (N × W ) × (N × W ) nếu

N là số cổng vào/ra, W là số bước sóng trên mỗi cổng Các thành phần khác cóthể được tìm thấy trong lõi chuyển mạch quang, ví dụ: chuyển đổi bước sóng,đường trễ sợi quang, chúng được sử dụng cho cơ chế xử lý tranh chấp

Giao diện ra thực hiện cập nhật thông tin điều khiển, ghép kênh WDM chocác kênh điều khiển và dữ liệu và các điều kiện cho tín hiệu vào

1.3.2 Các hoạt động bên trong mạng OBS

Các hoạt động bên trong mạng OBS bao gồm: tập hợp, báo hiệu, lập lịch vàgiải quyết tranh chấp Mỗi hoạt động đều đóng vai trò quan trọng và tác độngtrực tiếp đến hiệu quả hoạt động của mạng OBS

1.3.2.1 Tập hợp

Tập hợp là quá trình gộp các gói tin điện tử đến và đóng gói thành mộtchùm tại nút biên vào của mạng OBS Các gói đến sẽ được đưa vào hàng đợitùy theo đích của chúng Một giá trị ngưỡng được sử dụng như một giới hạn đểquyết định khi nào sinh ra một chùm và gửi nó vào trong mạng

Có nhiều kỹ thuật tập hợp được đề xuất trong đó hai kỹ thuật được quantâm nhất là tập hợp dựa vào ngưỡng thời gian (timer-based ) như Hình 1.5 vàdựa vào ngưỡng độ dài (length-based ) như Hình 1.6 Trong phương pháp tập

Hình 1.5: Tập hợp theo ngưỡng thời gian

Hình 1.6: Tập hợp theo ngưỡng kích thước (số gói tin tối đa)

hợp dựa vào ngưỡng thời gian [63], một chùm được sinh ra và được gửi vào trongmạng theo từng khoảng thời gian, đúng bằng thời gian đã được xác định màkhông quan tâm đến kích thước chùm sinh ra dài hay ngắn Chiều dài chùm sẽbiến đổi tuỳ theo tốc độ đến của các gói

Đối với phương pháp tập hợp dựa vào ngưỡng độ dài chùm [34], một giớihạn về số lượng gói tin tối đa chứa trong mỗi chùm hoặc về kích thước chùm

tính theo bytes (trong trường hợp các gói tin đến có kích thước thay đổi) được

sử dụng như là điều kiện để sinh ra chùm Vì vậy, các chùm được tạo ra có kíchthước bằng nhau

Vấn đề quan trọng được đặt ra là làm thế nào để chọn một giá trị ngưỡngthời gian hoặc ngưỡng độ dài tối ưu nhằm để giảm số lượng gói tin điện tử bịmất khi có tranh chấp xảy ra và tăng hiệu suất băng thông mạng OBS Rõràng nếu giá trị ngưỡng thời gian quá thấp, chiều dài chùm sinh ra sẽ ngắn và

số lượng chùm di chuyển trong mạng sẽ tăng lên, dẫn đến tình trạng số lượngtranh chấp trong mạng cao, nhưng số lượng gói tin mất trung bình trong mỗichùm lại thấp Hơn nữa, số lượng chùm sinh ra nhiều sẽ gây ra áp lực lên tốc

độ xử lý các gói điều khiển tại các nút lõi OBS Ngược lại nếu giá trị ngưỡngthời gian lớn, độ dài chùm tăng lên và số lượng chùm di chuyển trong mạng làgiảm, do đó giảm được số lượng tranh chấp trong mạng so với trường hợp chùmngắn, nhưng số lượng gói tin bị mất trên mỗi tranh chấp là cao Tóm lại, cầnxác định độ dài chùm tối ưu để tăng hiệu năng của một mạng OBS

Hình 1.7 mô tả ảnh hưởng của kỹ thuật tập hợp dựa trên ngưỡng thời gian

và ngưỡng độ dài đối với chùm sinh ra Trong trường hợp các gói tin bị giới hạn

Hình 1.7: Ảnh hưởng của phương pháp tập hợp chùm theo ngưỡng thời gian và ngưỡng

độ dài đối với kích thước chùm được sinh ra

về chất lượng dịch vụ (Quality of Service), như ràng buộc về độ trễ, tập hợpchùm theo ngưỡng thời gian sẽ được chọn, trong đó giá trị ngưỡng được chọnđược dựa trên yêu cầu độ trễ của các gói điện tử Trong trường hợp không bắtbuộc về độ trễ, việc thiết lập chùm theo ngưỡng độ dài tỏ ra hợp lý hơn vì cácchùm có kích thước cố định sẽ giúp giảm khả năng mất chùm do xung đột.Thực tế lưu lượng mạng Internet thay đổi thường xuyên, phương pháp tậphợp tốt nhất là kết hợp giữa tập hợp dựa trên ngưỡng thời gian và vừa ngưỡng

độ dài [7], [41], [61], [48], [51]

1.3.2.2 Báo hiệu

Báo hiệu trong mạng OBS là quá trình gửi một gói điều khiển đến tại cácnút lõi để lập lịch tài nguyên và cấu hình ma trận chuyển mạch sao cho phù hợpvới chùm theo sau của nó Các gói điều khiển được truyền trên một kênh bướcsóng độc lập (gọi là kênh điều khiển) so với các kênh truyền chùm (gọi là cáckênh dữ liệu)

Có nhiều phương thức báo hiệu được phân biệt dựa trên cách thức thực hiện

và thời điểm tài nguyên được đặt trước Các loại phương thức báo hiệu đượcphân loại như sau [69], [47], [43], [35]:

• Theo hướng: đặt trước tài nguyên một chiều, hai chiều hay kết hợp

• Theo vị trí: đặt trước bắt đầu từ nguồn, từ đích hoặc từ nút trung gian

• Khi tài nguyên không sẵn sàng: đặt trước bền vững hay không bền vững

• Theo thời gian: đặt trước tài nguyên tức thời hoặc sau một thời gian trễ

• Giải phóng tài nguyên: tường minh hoặc ngầm định

• Theo cách tính toán: tập trung hoặc phân tán

• Báo hiệu một chiều, hai chiều hay hỗn hợp

tìm được một kênh khả dụng để lập lịch chùm đến sao cho đạt được một tiêuchí về mặt hiệu suất băng thông.

Các phương pháp lập lịch có thể được phân loại thành: lập lịch trực tiếp,lập lịch trực tiếp kết hợp và lập lịch nhóm Chi tiết về các phương pháp lập lịchnày sẽ được trình bày trong Mục 1.4.3

1.3.2.4 Định tuyến

Định tuyến để chỉ sự lựa chọn đường đi của một kết nối phục vụ cho việc gửi

dữ liệu Định tuyến chỉ ra hướng dịch chuyển của chùm dữ liệu từ nguồn đếnđích và qua các nút trung gian; thiết bị chuyên dùng cho việc định tuyến là bộđịnh tuyến (router ) Quá trình định tuyến chỉ hướng đi thường dựa vào bảngđịnh tuyến, bảng chứa các lộ trình tốt nhất đến các đích khác nhau trên mạng

Vì vậy việc xây dựng bảng đinh tuyến, được tổ chức trong bộ nhớ của bộ địnhtuyến, trở nên vô cùng quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả của việc định tuyến.Trong mạng sợi quang, các nút biên kết nối với nhau qua các đường quang.Đường quang là một đường đi của tín hiệu ánh sáng từ nguồn đến đích và quacác nút trung gian Trong mạng quang không sử dụng bộ chuyển đổi bước sóng,đường quang phải sử dụng cùng một bước sóng duy nhất từ nguồn đến đích Khi

có yêu cầu thiết lập một kết nối, bộ định tuyến bước sóng (Wavelenght Router )phải sử dụng một giải thuật được chọn từ trước để xác định một cổng ra vàbước sóng tương ứng Việc lựa chọn bước sóng đóng một vai trò rất quan trọngđối với xác suất tắc nghẽn trên toàn mạng sau này Vì vậy một bộ định tuyếnbước sóng phải tìm ra đường quang và thực hiện gán bước sóng sao cho xác suấttắc nghẽn là tối thiểu Đây là loại bài toán quan trọng trong việc thiết kế cácmạng toàn quang

Bài toán định tuyến và cấp phát bước sóng (Routing and Assignment lenght - RWA) được chia làm hai loại [59], [36], [45]:

Wave-• Bài toán định tuyến và cấp phát bước sóng dành cho lưu lượng mạng cốđịnh (static traffic)

• Bài toán định tuyến và cấp phát bước sóng dành cho lưu lượng mạng thayđổi (dynamic traffic)

1.4 Lập lịch trong mạng OBS

1.4.1 Giới thiệu bài toán lập lịch

Lập lịch hay lập kế hoạch là một chủ đề quan trọng thuộc lĩnh vực vận trùhọc, xuất hiện từ đầu những năm 1950 Mục tiêu của lập lịch là phân phối tàinguyên dùng chung một cách hiệu quả nhất cho các tác vụ đồng thời trong toàn

bộ thời gian xử lí Vấn đề lập lịch xuất hiện trong nhiều lĩnh vực khác nhaunhư trong sản xuất, cấp phát băng thông, giáo dục - đào tạo, vận tải, trong

đó lập lịch công việc [4], [70], [23], [44] có tầm quan trọng đặc biệt trong cả líthuyết lẫn thực tiễn

Bài toán lập lịch công việc được phát biểu như sau:

Xét một tập n các công việc I = {J1, J2, , Jn} cần thực hiện trên M máy,trong đó mỗi công việc chỉ thực hiện một lần tại một máy Mỗi công việc Ji cóthời điểm bắt đầu thực hiện là si, thời điểm kết thúc thực hiện là ei và li làtrọng số của công việc đó 0 ≤ si ≤ ei < ∞ Nếu công việc Ji được chọn, thì nó

sẽ độc chiếm tài nguyên trong khoảng thời gian (si, ei) Công việc Ji và Jj đượcgọi là “tương thích nhau” nếu khoảng thời gian (s i , e i ) và (s j , e j ) không chồnglấp lên nhau([si, ei] ∩ [sj, ej] = ∅) Nếu tất cả các máy đều rỗi tại thời điểm 0, bàitoán lập lịch được xem thực hiện trên các máy đồng nhất(Scheduling problem onIdentical Machines, S-IM), nhưng nếu tồn tại một hay một số công việc khôngthể lập lịch trên một máy bất kỳ, bài toán lập lịch công việc trở thành khôngđồng nhất (Scheduling problem on Non-Identical Machines, S-NIM) Mục tiêuchung của bài toán lập lịch công việc là tìm một tập các công việc I0 ⊆ I tươngthích nhau sao cho tổng số lượng hoặc tổng trọng số các công việc được lập lịch

là lớn nhất

Trong mạng OBS, vấn đề lập lịch các chùm trên các kênh ra của một cổng

ra tại một nút lõi OBS có thể được xây dựng (formulate) như mô hình lập lịchcông việc, trong đó mỗi kênh ra được xem như là một máy và mỗi chùm cần lậplịch tương ứng với một công việc Giả sử có một danh sách các gói điều khiểnđến{BHP1, BHP2, , BHPn}, yêu cầu lập lịch đồng thời chon chùm đến tươngứng I = {b1, b2, , bn}, trong đó mỗi bi = (si, ei) gồm thời điểm đến và kết thúccủa chùm tương ứng Chiều dài của chùm khi đó là li = ei− si Mỗi kênh k duy

trì một giá trị LAU Tk là thời gian khả dụng mà từ đó có thể lập lịch cho chùmđến hoặc thời điểm bắt đầu và thời điểm kết thúc của các chùm đã được lậplịch (khoảng trống, khoảng băng thông nhàn rỗi giữa các chùm đã lập lịch) trênkênh đó, một chùm thứ i có thể được lập lịch trên kênh thứ k khi và chỉ khi

si > LAU Tk hoặc thời gian đến của chùm thứ i nằm trong một khoảng trốngtrên một kênh nào đó Hai chùm thứ ivà thứj chỉ có thể được lập lịch trên cùngmột kênh ra nếu chúng không chồng lấp nhau về thời gian ([si, ei] ∩ [sj, ej] = ∅)

Từ những phân tích trên vấn đề lập lịch cho các chùm đến trên các kênh ra củamột cổng ra trở thành bài toán xác định một tập các chùm I0 ⊆ I tương thíchnhau sao cho tổng số lượng hoặc tổng trọng số (tổng chiều dài của các chùmđược lập lịch) là lớn nhất

1.4.2 Một số kiến thức liên quan

Đồ thị là một cặpG = (V, E), trong đóV là tập hữu hạn các đỉnh vàE ⊆ V ×V

là tập các cặp đỉnh còn được gọi là cạnh Nếu cạnh(u, v) ∈ E thì ta nói hai đỉnh

u và v liền kề hay kề nhau, và cạnh (u, v) liên thuộc với các đỉnh u, v Cạnh códạng (v, v) được gọi là khuyên Khi cần nhấn mạnh tập đỉnh V và tập cạnh E

là của đồ thị G, thì ta viết lại tương ứng là V (G) và E(G)[52]

Như vậy về bản chất, đồ thị là một tập các đối tượng được biểu diễn bằngcác đỉnh và giữa các đối tượng có một quan hệ hai ngôi biểu diễn bằng các cạnh.Khi chúng ta không phân biệt thứ tự của các cặp đỉnh trong tậpE thì đồ thị

G = (V, E) còn được gọi là đồ thị vô hướng Ngược lạiG là đồ thị có hướng Cáccạnh của đồ thị vô hướng còn được gọi là cung Trong Luận án này khi chúngtôi đề cập đến đồ thị nhưng không nói rõ là vô hướng hay có hướng thì đồ thị

đó có thể vô hướng và cũng có thể có hướng Đồ thị không có khuyên trong đómỗi cặp đỉnh được nối với nhau bởi không quá một cạnh được gọi là đơn đồ thị.Ngược lại nếu đồ thị không có khuyên và có những cặp đỉnh được nối với nhaunhiều hơn một cạnh thì được gọi là đa đồ thị Một đồ thị G0 = (V0, E0) trong đó

V0⊆ V và E0⊆ E được gọi là đồ thị con của G = (V, E)

Bậc của đỉnhv trong đồ thị vô hướngG = (V, E)là số cạnh liên thuộc vớiv và

ký hiệu làdeg(v) Đỉnhv gọi là đỉnh treo nếudeg(v) = 1, và gọi là đỉnh cô lập nếu

deg(v) = 0 Cạnh có một đỉnh là treo được gọi là cạnh treo Bậc lớn nhất (tương

ứng nhỏ nhất) của các đỉnh trong G được gọi là bậc cực đại (tương ứng bậc cựctiểu) của G và ký hiệu 4(G) (tương ứng δ(G)) Trường hợp đồ thị có hướng thìkhái niệm bậc được phân làm hai loại, bậc vào và bậc ra Bậc ra (tương ứng bậcvào) của đỉnh v trong đồ thị có hướng G = (V, E) ký hiệu là deg+(v) (tương ứng

deg−(v)) là số cung của Gđi ra khỏi(tương ứng đi vào)v Đỉnhv gọi là đỉnh treonếu deg+(v) = 0 và deg−(v) = 1 Trường hợp deg+(v) = deg−(v) = 0 thì v đượcgọi là đỉnh cô lập Cung có một đỉnh là treo được gọi là cung treo

Một đường đi độ dài n từ đỉnh u đến đỉnh v trong đồ thị G = (V, E) là mộtdãyn cạnh hay cung e1, e2, , en của Gsao cho e1 = (v0, v1), e2= (v1, v2), , en = (vn−1, vn)hoặc một dãyn + 1đỉnh v0, v1, , vn sao chou = v0, v = vn và (vi, vi+1) ∈

E, i = 0, 1, , n − 1

Một đơn đồ thị vô hướng G được gọi là đầy đủ nếu hai đỉnh bất kỳ của G

đều liền kề với nhau Đồ thị đầy đủ n đỉnh thường được ký hiệu là K n hoặc

Cn Một clique của đồ thị vô hướng G là một tập con các đỉnh của G sao chohai đỉnh bất kỳ thuộc nó đều kề nhau Một tập con các đỉnh của G được gọi làclique cực đại nếu không thể thêm bất kỳ đỉnh nào vào nó để tạo ra cliquecó sốđỉnh lớn hơn Clique có nhiều đỉnh nhất của G được gọi là clique lớn nhất Rõràng một clique lớn nhất cũng là một clique cực đại, tuy nhiên điều ngược lạikhông đúng Một tập con các đỉnh của G sao cho không có hai đỉnh nào thuộc

nó là kề nhau được gọi là tập ổn định trong hay tập độc lập của G Một tập concác đỉnh của G được gọi là tập độc lập cực đại nếu thêm vào bất kỳ một đỉnhnào cũng làm mất tính độc lập của nó, tức là không tồn tại một tập độc lậpnào khác chứa nó Tập độc lập có nhiều phần tử nhất được gọi là tập độc lậplớn nhất Tập độc lập lớn nhất là tập độc lập cực đại nhưng ngược lại thì khôngđúng Số đỉnh của tập độc lập lớn nhất của đồ thị G được gọi là chỉ số độc lậpcủa G

Một đồ thị vô hướng G được gọi là đồ thị khoảng thời gian [10], [16] hay đồthị khoảng nếu có một phép tương ứng giữa tập các đỉnh V và tập các khoảngthời gian I trên một dòng thời gian, sao cho tồn tại một cạnh giữa hai đỉnh nếu

và chỉ nếu hai khoảng thời gian tương ứng có chồng lấp (hoặc không chồng lấpnhau)

Đồ thị thời gian tương ứng có chồng lấp được mô tả trong Hình 1.8 và không

chồng lấp được mô tả trong Hình 1.9.

Hình 1.8: Đồ thị khoảng G được xây dựng từ tập các khoảng thời gian chồng lấp nhau

Hình 1.9: Đồ thị khoảng G được xây dựng từ tập các khoảng thời gian không chồng lấp nhau

Tô màu đồ thị [16], [23] là công cụ hữu dụng trong việc mô hình hóa rấtnhiều bài toán khác nhau trong vấn đề xếp lịch, xây dựng chương trình và phâncông công việc Tô màu đồ thị là tô màu các đỉnh của đồ thị sao cho hai đỉnh

kề nhau phải có màu khác nhau

Quy hoạch động (Dynamic Programming) là một phương pháp nhằm đơngiản hóa việc tính toán các công thức truy hồi bằng cách lưu toàn bộ hay mộtphần kết quả tính toán tại mỗi bước trước đó với mục đích sử dụng lại Phươngpháp quy hoạch động thường được dùng để giải các bài toán tối ưu có bản chất

đệ qui, tức là việc tìm phương án tối ưu cho một bài toán quy hoạch động cóthể được đưa về việc tìm các phương án tối ưu của một số hữu hạn các bài toáncon và quy hoạch động là một trong những phương pháp giảm thời gian thựchiện và độ phức tạp các giải thuật của các bài toán có tính chất trên

1.4.3 Các giải thuật lập lịch đã công bố

Lập lịch là một trong những hoạt động quan trọng trong mạng OBS Khimột gói điều khiển đến tại một nút, tùy thuộc vào đích đến của chùm tươngứng, tài nguyên sẽ dành riêng tại cổng ra, bao gồm kênh bước sóng và khoảngthời gian chiếm giữ sẽ được cấp phát Đã có nhiều giải thuật lập lịch được đềxuất theo các hướng tiếp cận khác nhau nhằm nâng cao hiệu quả của hoạt độnglập lịch Các giải thuật lập lịch này có thể được phân loại vào: lập lịch trực tiếp[62], [17], [30], [74], [72], [71], [38], [11], [68], [18], [42], [6], [13], [2], lập lịch trựctiếp kết hợp với lập lịch lại và kỹ thuật phân đoạn [55], [56], [49], [40], [66], [65],[57], [67], [54], [28], [40], [5], [39] và lập lịch nhóm [25], [75], [15], [33], [22], [21],[20], [58]

1.4.3.1 Lập lịch trực tiếp

Khi một gói điều khiển đến tại một nút, một giải thuật lập lịch được gọi đểlập lịch cho chùm tương ứng trên một kênh dữ liệu ra Dựa vào thông tin tronggói điều khiển, bộ lập lịch biết được thời điểm đến, độ dài chùm và tiến hànhtìm kênh khả dụng để lập lịch cho chùm đó

Hình 1.10: Mô tả các giải thuật lập lịch trực tiếp

Các giải thuật lập lịch trực tiếp trong mạng OBS có thể được chia thành 2

loại: lập lịch không lấp đầy khoảng trống và lấp đầy khoảng trống [62], [17], [30],[74], [72], [71], [38], [11], [68], [18], [42], [6], [13] Turner và các cộng sự trong [62],[17] đã đề xuất 2 giải thuật lập lịch không lấp đầy khoảng trống: FFUC (First-Fit Unscheduled Channel ) và LAUC (Latest Available Unscheduled Channel ).Đối với 2 giải thuật này bộ lập lịch sẽ duy trì các giá trịLAU Ti (Latest AvailableUnscheduled Time) trên mỗi kênh bước sóng ra i; là thời điểm kết thúc củachùm được lập lịch sau cùng nhất, Một kênh sẽ được chọn để lập lịch cho mộtchùm đến nếu thời điểm đến của chùm lớn hơn giá trị LAU Ti Giải thuật FFUC

sẽ chọn kênh khả dụng đầu tiên được tìm thấy để lập lịch cho chùm đến (Hình1.10a) Giải thuật LAUC sẽ chọn kênh trong số các kênh khả dụng có khoảngtrống sinh ra (khoảng gap, khoảng thời gian từ thời điểm đến của chùm ub đến

LAU Ti) là nhỏ nhất (Hình 1.10b)

Lập lịch không lấp đầy khoảng trống có ưu điểm là đơn giản và ít thông tinlưu trữ vì chỉ cần duy trì giá trị LAU T của mỗi kênh Tuy nhiên nhược điểmcủa loại lập lịch này là chưa tận dụng được các khoảng trống được tạo ra giữahai chùm đã được lập lịch trước đó để lập lịch cho chùm mới đến; nên chưa khaithác tốt băng thông của các kênh ra và dẫn đến tỉ lệ rơi chùm cao

Để khắc phục tồn tại này, Xu và cộng sự trong [72], [71] đã đề xuất haigiải thuật lập lịch có lấp đầy khoảng trống (Void-Filling): giải thuật FFUC-

VF (First-Fit Unscheduled Channel with Void Filling) và giải thuật LAUC-VF(Latest Available Unscheduled Channel with Void Filling), hay còn có tên gọikhác là Min-SV (Minimal Start Void ), là cải tiến từ giải thuật FFUC và LAUC.Đối với loại lập lịch này, bộ lập lịch phải lưu lại thời điểm bắt đầu và kết thúccủa các chùm đã lập lịch trên các kênh nhằm khai thác những khoảng trống đượctạo ra giữa chúng để lập lịch cho chùm mới đến FFUC-VF sẽ chọn kênh đầutiên được tìm thấy có khoảng trống phù hợp (Hình 1.10c), trong khi LAUC-VFchọn trong số các kênh có khoảng trống khả dụng, kênh có khoảng gap đượcsinh ra ở trước nhỏ nhất để lập lịch cho chùm đến (Hình 1.10d)

Một số giải thuật lập lịch lấp đầy khoảng trống khác cũng đã được đề xuất.Lizuka và cộng sự trong [30] cố gắng tối thiểu khoảng gap sinh ra ở sau nhỏnhất (Hình 1.10e) nên có tên gọi là MinEV (Minimal End Void ) Tiêu chí củahai giải thuật BFUC(Best Fit Unscheduled Channel ) [42] và BF-VF (Best Fit

unscheduled channel with Void Filling) tìm khoảng trống vừa khít nhất để lậplịch cho chùm đến Trong BF-VF, Nandi và cộng sự định nghĩa một đại lượng

về mức độ sử dụng băng thông (utilization) khi lập lịch là:

utilization = (burstlenght × 100)/voidlenght

Trong đó burstlenght là độ dài chùm và voidlenght là độ dài khoảng trống;BF-VF sẽ chọn kênh với khoảng trống có mức độ sử dụng lớn nhất Với BFUC,Ljolje và cộng sự sử dụng cách tính khác là chọn kênh có tổng 2 khoảng gapsinh ra trước và sau khi lập lịch chùm đến là nhỏ nhất Như mô tả ở Hình 1.10f,BF-VF hay BFUC chọn kênh 2 là kênh có khoảng trống vừa khít nhất để lậplịch

có thể làm giảm mất mát nếu chấp nhận loại bỏ đoạn chồng lấp và phần cònlại của chùm sẽ được lập lịch Một hướng tiếp cận kết hợp do đó được đề xuấtnhằm tránh hay giảm việc loại bỏ toàn bộ chùm Sau đây là các tiếp cận kếthợp đã được công bố

1.4.3.2.1 Kết hợp lập lịch trực tiếp và lập lịch lại

Ý tưởng của lập lịch lại là sắp xếp lại tài nguyên đối với các chùm đã đượclập lịch trên các kênh bước sóng ra, sao cho phần băng thông khả dụng đượcsinh ra có thể cấp phát cho các chùm đến sau Mục đích của lập lịch lại là nhằmtăng khả năng sử dụng băng thông trên các kênh ra, giảm mất mát chùm vàhạn chế các xử lý phức tạp khác

Tan và cộng sự [57], [56] đề xuất 2 giải thuật lập lịch trực tiếp kết hợp lậplịch lại là ODBR và ABR ODBR là một giải thuật lập lịch lại đơn mức1 và dựatrên giải thuật lập lịch trực tiếp LAUC Cụ thể, giải thuật ODBR có hai giai

1 Giải thuật chỉ lập lịch lại cho chùm đã được lập lịch sau cùng trên một kênh nào đó