Nghiên cứu một số giải pháp nâng cao chất lượng dịch vụ trong mạng chuyển mạch chùm quang (research solutions to improve quality of service in optical burst switching networks) TT

Với cách truyền tải dữ liệu như vậy, rõ ràng mạng OBS không cần đến các bộ đệm quang để lưu tạm thời các chùm dữ liệu trong khi chờ đợi việc xử lý các gói điều khiển BCP của chúng tại cá

ĐẠI HỌC HUẾ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

PHẠM TRUNG ĐỨC

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG

NGÀNH: KHOA HỌC MÁY TÍNH

MÃ SỐ: 9.48.01.01

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

HUẾ - NĂM 2021

Công trình được hoàn thành tại:

Người hướng dẫn khoa học: (ghi họ tên, chức danh khoa học, học vị):

PGS TS Võ Viết Minh Nhật, TS Đặng Thanh Chương Phản biện 1: PGS TS Phạm Thanh Giang Phản biện 2: PGS TS Võ Trung Hùng Phản biện 3: TS Nguyễn Kim Quốc Luận án sẽ được bảo vệ tại Hội đồng chấm luận án cấp Đại học Huế họp tại:

Vào hồi giờ ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

(ghi tên thư viện)

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Với sự bùng nổ các ứng dụng mạng trong những năm gần đây, truyền tải

dữ liệu qua mạng trở thành một vấn đề thách thức và đang thu hút nhiều sự quan tâm Đã có nhiều đ ề xuất khác nhau về phương thức truyền tải dữ liệu,

từ kiểu truyền tải thông tin truyền thống qua các sợi cáp đồng, qua sóng vô tuyến đến các sợi quang hỗ trợ truyền đa kênh, trong đó sợi quang có nhiều

ưu điểm như độ suy giảm thấp, băng thông rất lớn và khả năng miễn nhiễm đối với nhiễu điện so với cáp đồng Với những thành công vượt bậc gần đây của công nghệ ghép kênh phân chia kênh bước sóng WDM, băng thông của mỗi sợi quang được tách thành nhiều kênh bước sóng, từ đó đã đáp ứng tốt hơn nhu cầu truyền thông ngày càng cao của người dùng [35], [53]

Truyền thông quang, từ khi ra đời cho đến nay, đã trải qua ba thế hệ phát triển, từ những mô hình định tuyến bước sóng WR ban đầu cung cấp các liên

kết điểm-điểm, đến thế hệ thứ hai với những đường quang (lightpath) đầu –

cuối dành riêng ở lớp quang Trong thế hệ thứ 3, các mô hình chuyển mạch gói quang OPS [51] được đề xuất với ý tưởng được lấy cảm hứng từ mạng chuyển mạch gói điện nhằm có thể triển khai trên các cấu trúc liên kết vòng hay lưới nhằm có thể điều chỉnh linh hoạt để đáp ứng với việc lưu lượng thay đổi Tuy nhiên, với một số hạn chế về mặt công nghệ, như không thể sản xuất

các bộ đệm quang (tương tự bộ nhớ RAM trong mạng điện) hay các chuyển

mạch gói quang ở tốc độ nano giây, chuyển mạch gói quang OPS chưa thể trở thành hiện thực Một giải pháp thỏa hiệp là mô hình chuyển mạch chùm

quang OBS

Một đặc trưng tiêu biểu của truyền thông trong mạng chuyển mạch chùm quang OBS là phần (gói) điều khiển BCP tách rời với phần (chùm) dữ liệu

DB Nói một cách khác, để thực hiện truyền một chùm quang, gói điều khiển

được hình thành và được gửi đi trước một khoảng thời gian bù đắp (thời gian

offset) Khoảng thời gian offset này cần được tính toán sao cho đủ để đặt

trước tài nguyên và cấu hình các chuyển mạch tại các nút trung gian dọc theo hành trình mà chùm quang sẽ đi qua từ nút nguồn đến nút đích Không chỉ tách rời về mặt thời gian, gói điều khiển BCP cũng tách rời so với chùm dữ liệu của nó về mặt không gian, trong đó một số kênh (bước sóng) được dành riêng cho gói điều khiển BCP, trong khi các kênh còn lại được dùng cho việc truyền chùm dữ liệu [75]

Với cách truyền tải dữ liệu như vậy, rõ ràng mạng OBS không cần đến các

bộ đệm quang để lưu tạm thời các chùm dữ liệu trong khi chờ đợi việc xử lý các gói điều khiển BCP của chúng tại các nút trung gian (nút lõi) và mạng OBS cũng không yêu cầu các chuyển mạch tốc độ nano giây Tuy nhiên, cách

truyền thông này cũng đặt ra một áp lực là làm thế nào để một gói điều khiển

có thể kịp đặt trước tài nguyên và cấu hình chuyển mạch thành công tại các nút lõi, đảm bảo cho việc chuyển tiếp chùm quang đi sau nó Đó chính là nhiệm vụ của các hoạt động như đặt trước tài nguyên, lập lịch và xử lý tranh chấp [19]

Giải pháp để nâng cao CLDV trong mạng OBS có thể thực hiện được bằng cách cung cấp sự phân biệt CLDV tại một số điểm (nút) trong mạng OBS [32] Cụ thể, các cách tiếp cận điển hình cho các cơ chế cung cấp sự phân biệt này có thể là: phân biệt tại tầng điều khiển và tầng dữ liệu [45], tại

đó các hoạt động cung cấp phân biệt CLDV có thể là: phân biệt về thời gian

bù đắp, phân biệt trong chính sách giải quyết tranh chấp, phân biệt trong quá

trình tập hợp chùm và phân biệt trong một số hoạt động lập lịch [32] Các

mô hình này rất cần thiết có những cơ chế điều khiển hiệu quả nhằm cung cấp sự phân biệt CLDV đã cam kết, đồng thời có thể cung cấp thêm tài nguyên cho các ứng dụng khác nhau nhằm tối ưu hóa hiệu năng truyền thông trên toàn mạng (dựa trên yêu cầu về độ trễ, tỉ lệ mất mát dữ liệu và các ràng buộc về băng thông )

2 Động lực nghiên cứu

Hiện đã có các nghiên cứu nhằm nâng cao CLDV trong mạng OBS mà có thể phân thành 2 nhóm tiếp cận, giải pháp chính:

- Nâng cao CLDV tại nút biên;

- Nâng cao CLDV tại nút lõi

Các nhóm giải pháp kể trên thường nhắm đến mục tiêu nâng cao CLDV thông qua quá trình điều khiển chấp nhận lập lịch [5], [33] tại nút lõi, cung cấp sự phân biệt CLDV tại nút biên, hoặc cải thiện CLDV trên các nút

3 Mục tiêu nghiên cứu

 Nghiên cứu và cải tiến cơ chế điều khiển chấp nhận lập lịch nâng cao CLDV dựa vào dự đoán tốc độ chùm đến tại nút lõi nhằm nâng cao hiệu quả lập lịch đối với các chùm QoS thấp nhưng vẫn đảm bảo mức chất lượng dịch vụ đối với các chùm QoS cao Hiệu quả của cơ chế điều khiển chấp nhận lập lịch được đánh giá thông qua mô phỏng

và phân tích toán học

 Nghiên cứu và đề xuất phương pháp phân tích dữ liệu lịch sử lập lịch nhằm xác định các nhân tố ảnh hưởng đến hiệu quả lập lịch, từ đó đề xuất giải pháp giảm mất mát dữ liệu nhằm nâng cao hiệu năng lập lịch tại nút lõi

 Nghiên cứu và cải tiến cơ chế cung cấp phân biệt CLDV dựa trên thời gian bù đắp và kích thước chùm tại nút biên vào Trên cơ sở

thông tin tài nguyên khả dụng được phản hồi từ nút lõi, nút biên vào thực hiện điều chỉnh một cách linh hoạt kích thước của các chùm được sinh ra nhằm đem lại hiệu quả về băng thông sử dụng, giảm tỉ

lệ mất chùm nhưng vẫn nâng cao CLDV đối với mỗi lớp ưu tiên

4 Đối tượng và Phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Các mô hình, giải thuật điều khiển chấp nhận và

tập hợp chùm trong mạng OBS

- Phạm vi nghiên cứu: Nút biên và nút lõi trong 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, cơ chế đảm bảo đa dạng cải tiến và cung cấp QoS Phân tích, đánh giá ưu và khuyết điểm của các đề xuất đã công bố để làm cơ

sở cho việc cải tiến hoặc đề xuất mới

- Phương pháp mô phỏng, thực nghiệm: Cài đặt các giải thuật cải tiến và

đề xuất mới nhằm chứng minh tính đúng đắn của các giải thuật này

6 Cấu trúc luận án

Luận án bao gồm phần mở đầu, ba chương nội dung, phần kết luận và danh mục các tài liệu tham khảo Cụ thể:

- Chương 1, với tên chương “Tổng quan về chất lượng dịch vụ trong

mạng chuyển mạch chùm quang”, trình bày các kiến thức cơ bản về mạng

chuyển mạch chùm quang bao gồm: lịch sử phát triển của truyền thông quang, các mô hình chuyển mạch quang, kiến trúc mạng chuyển mạch chùm quang, các hoạt động bên trong mạng và vấn đề nâng cao CLDV trên mạng OBS

- Chương 2, với tên chương “Giải pháp nâng cao chất lượng dịch vụ tại

nút lõi”, tập trung vào vấn đề chính: đề xuất một số mô hình dự đoán tốc độ

chùm đến dựa vào điều khiển chấp nhận

- Chương 3, với tên chương “Giải pháp nâng cao chất lượng dịch vụ tại

nút biên và kết hợp các nút”, giải quyết (3) vấn đề gồm: (1) trình bày tổng

hợp các nghiên cứu liên quan đến cơ chế cung cấp CLDV tại nút biên, (2) tìm hiểu nguyên nhân gây ra mất chùm dựa vào phân tích dữ liệu lịch sử lập lịch nhằm nâng cao hiệu năng tại nút lõi và (3) xem xét cấu trúc gói điều khiển nhằm đề xuất mô hình cung cấp CLDV trên toàn mạng sau khi nhận được thông tin phản hồi khoảng trống tại nút lõi gửi về trong gói điều khiển để điều chỉnh giai đoạn tập hợp chùm nhằm tối ưu băng thông được sử dụng và đem lại hiệu quả trong vấn đề nâng cao CLDV

“Kết luận và hướng phát triển của luận án” nêu những đóng góp của

luận án, hướng phát triển và những vấn đề quan tâm của tác giả

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG

1.1 Giới thiệu về mạng chuyển mạch chùm quang

Chuyển mạch quang được chia thành 3 loại: chuyển mạch kênh quang, chuyển mạch gói và chuyển mạch chùm quang

1.1.1 Kiến trúc của mạng OBS

1.1.2 So sánh về các mô hình chuyển mạch quang

1.1.3 Các hoạt động tại nút biên

1.1.4 Các hoạt động tại nút lõi

1.1.5 Lập lịch trong mạng OBS

1.2 Chất lượng dịch vụ trong mạng OBS

1.2.1 Sự cần thiết nâng cao chất lượng dịch vụ trong mạng OBS

Nâng cao CLDV có thể thực hiện nhờ các cơ chế cung cấp/cải tiến CLDV tại mỗi nút hay kết hợp các nút trong mạng OBS, nhằm tạo sự đa dạng cho các phương án cung cấp các dịch vụ để đạt được dịch vụ cần cung cấp như yêu cầu ban đầu Theo [39], tùy theo mô hình, cơ chế hay kỹ thuật, nâng cao

cơ chế cung cấp/cải tiến CLDV có thể được phân thành hai cách chính, đó là:

cơ chế cải tiến CLDV tại các nút và cơ chế cung cấp CLDV Giải pháp nâng cao cơ chế cải tiến CLDV được thực hiện trên tất cả các nút, dựa trên những

cơ chế nhằm cải thiện hiệu suất chung của mạng, cụ thể gồm: tập hợp chùm, lược đồ báo hiệu để đặt trước tài nguyên, các thuật toán lập lịch và xử lý tranh chấp Sau đó, các cơ chế cung cấp CLDV sẽ được xem xét, tức là có quan tâm đến nhãn chất lượng dịch vụ (chùm ưu tiên cao hay chùm ưu tiên thấp) với các cách tiếp cận khác nhau [76] Một giải pháp nâng cao CLDV có thể đạt được khác, đó là nhờ vào cách tiếp cận điển hình trong các cơ chế phân biệt thực hiện tại tầng (plane) điều khiển hay dữ liệu [45], tại đó các hoạt động cung cấp phân biệt CLDV có thể là: báo hiệu và định tuyến tại tầng điều khiển Tại tầng dữ liệu ở nút biên có những cơ chế cung cấp phân biệt CLDV thông qua tham số trong quá trình tập hợp, kích thước chùm…, nút lõi có các mô hình điều khiển nhằm nâng cao sự phân biệt CLDV từ nút biên liên quan đến các chính sách đánh rơi hay lập lịch

1.2.2 Nâng cao chất lượng dịch vụ tại nút lõi

1.2.3 Nâng cao chất lượng dịch vụ tại nút biên

1.3 Mục tiêu nghiên cứu của Luận án

Dựa trên các phân tích về các giải pháp đã công bố về nâng cao CLDV trong mạng OBS và mục tiêu nghiên cứu chung đã được xác định trong phần

Mở đầu, đó là đề xuất một số giải pháp nâng cao CLDV trong mạng OBS, luận án được triển khai theo 4 mục tiêu nghiên cứu cụ thể chính gồm:

 Mục tiêu 1 Đề xuất phương pháp điều khiển chấp nhận lập lịch dựa

vào dự đoán tốc độ chùm đến nhằm nâng cao cung cấp CLDV tại nút lõi

 Mục tiêu 2 Nghiên cứu và cải tiến cơ chế phân biệt CLDV tại nút

biên dựa trên việc kết hợp điều chỉnh độ dài chùm và thời gian bù đắp

 Mục tiêu 3 Nghiên cứu và đề xuất phương pháp phân tích dữ liệu

lịch sử lập lịch nhằm xác định các nhân tố ảnh hưởng đến hiệu quả lập lịch, từ đó đề xuất giải pháp giảm mất mát dữ liệu và nâng cao hiệu quả lập lịch

 Mục tiêu 4 Nghiên cứu và đề xuất mô hình nâng cao CLDV kết hợp

tại nút biên và nút lõi Trong đó, nút lõi chịu trách nhiệm phản hồi thông tin khoảng trống, nút biên điều chỉnh quá trình tập hợp chùm nhằm tăng tỉ lệ lập lịch thành công nhưng vẫn nâng cao phân biệt CLDV

Trong đó mục tiêu 1 sẽ được thực hiện trong Chương 2 và mục tiêu 2, 3, 4

sẽ được trình bày ở trong Chương 3

1.4 Tiểu kết Chương 1

Chương đầu tiên của luận án đã giới thiệu tổng quan về mạng OBS và các hoạt động bên trong mạng, trong đó vấn đề điều khiển chấp nhận lập lịch

tại nút lõi và phân biệt thời gian offset tại nút biên được tập trung phân tích vì

nó ảnh hưởng quan trọng đến vấn đề nâng cao CLDV trên toàn mạng Luận

án cũng đã phân tích và đánh giá các phương pháp đã công bố cho đến nay về điều khiển chấp nhận và phân biệt CLDV Đó chính là cơ sở để luận án cuối cùng xác định được 4 mục tiêu cần nghiên cứu, cũng như đề xuất các mô đun chức năng được thêm vào nhằm nâng cao triển khai CLDV và hiệu năng truyền thông của mạng OBS

CHƯƠNG 2 GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ

TẠI NÚT LÕI

2.1 Điều khiển chấp nhận lập lịch hỗ trợ cung cấp chất lượng dịch vụ

Điều khiển chấp nhận lập lịch (một cách ngắn gọn, điều khiển chấp nhận)

có thể được triển khai tại mỗi cổng ra của nút biên vào và nút lõi Nhờ có sử dụng các bộ đệm điện tử, điều khiển chấp nhận lập lịch tại nút biên vào thường đơn giản và hiệu quả hơn

2.2 Phân tích và đánh giá các mô hình điều khiển chấp nhận

2.2.1 Mô hình nhóm bước sóng

2.2.2 So sánh và đánh giá dựa trên mô phỏng

Luận án tiến hành so sánh hiệu quả các mô hình điều khiển chấp nhận lập lịch SWG, DWG và LLAC dựa trên mô phỏng, được cài đặt với sự hỗ trợ của phân mềm mô phỏng mạng NS2 [77] tích hợp với gói Obs 0.9a, trên máy tính

PC có CPU 2,4GHz Intel Core 2,2G RAM Mạng mô phỏng là NSFNET

a So sánh tỉ lệ mất chùm

Tỉ lệ mất chùm tổng của DWG đạt được là thấp nhất (Hình 2.4c) LLAC luôn ưu tiên cho các chùm ưu tiên cao nên luôn đạt tỉ lệ mất chùm ưu tiên cao thấp nhất, nhưng LLAC có tỉ lệ mất chùm ưu tiên thấp là khá cao Điều này cũng phản ánh đúng với kết quả cài đặt được thực hiện trong [22]

Hình 2.4 So sánh tỉ lệ mất chùm của lớp QoS cao và thấp giữa SWG, DWG và LLAC

b So sánh băng thông sử dụng

Khi xem xét tỉ lệ sử dụng băng thông, DWG có tỉ lệ sử dụng băng thông cao nhất, đối với cả hai lớp (Hình 2.5) Điều này là dễ hiểu bởi vì khi DWG giảm được số chùm mất thì sẽ tăng hiệu quả sử dụng băng thông

0 0.2 0.4 0.6 0.8

Hình 2.5 Băng thôn g sử dụng trong hai lớp của mô hình SWG, DWG và LLAC

2.2.3 Nhận xét

2.3 Mô hình điều khiển chấp nhận dựa trên dự đoán tốc độ chùm đến ARP-SAC

2.3.1 Mô hình dự đoán dựa trên tốc độ chùm đến

Gọi là tốc độ đến của các chùm ưu tiên cao và là tốc độ đến của các chùm ưu tiên thấp, số kênh cấp phát cho các chùm ưu tiên thấp

có thể được tính tỉ lệ với tốc độ đến của hai loại chùm ưu tiên cao và ưu tiên thấp như công thức (2.2) Lưu ý rằng, các chùm ưu tiên cao được sử dụng tất cả các kênh, có nghĩa là

độ hiện thời như Công thức (2.7)

là QoS cao (0) hay thấp (1)

Phương pháp:

được kênh

định số kênh bước sóng cho lớp ưu tiên thấp

2: xem xét điều kiện điều khiển chấp nhận cho chùm ưu tiên cao có thỏa mãn

kênh và return nếu tìm kiếm thành công

kiện điều khiển chấp nhận cho chùm ưu tiên thấp có thỏa mãn

trên kênh và return nếu tìm kiếm thành công

2.3.3 So sánh và đánh giá dựa trên kết quả mô phỏng

Luận án sử dụng các tham số cài đặt trong phần này tương tự Mục 2.2.2

a So sánh tỉ lệ mất chùm

Hình 2.9a So sánh tỉ lệ mất chùm lớp QoS thấp giữa SWG, DWG, LLAC và ARP-SAC

Kết quả trong Hình 2.9c chỉ ra rằng tỉ lệ mất chùm của ARP-SAC luôn cho kết quả tốt nhất nhờ chính sách cấp phát thêm băng thông cho luồng chùm ưu tiên thấp Mức cải thiện về tỉ lệ mất chùm đối với chùm ưu tiên thấp trong trường hợp này là 44%, 38% và 20% với các trường hợp tỉ lệ lưu lượng đến 3:7, 5:5 và 7:3

b So sánh sự biến động về số bước sóng phân bổ cho lớp ưu tiên thấp

Hình 2.10 So sánh sự phân bổ bước sóng cho luồng chùm ưu tiên thấp

2.1.3.4 Nhận xét

Dựa trên kết quả mô phỏng, mô hình điều khiển chấp nhận dựa trên dự đoán tốc độ chùm đến ARP-SAC cho tỉ lệ mất chùm ưu tiên thấp và tỉ lệ mất tổng giảm bình quân 30% và 15% so với các mô hình khác Tuy nhiên, nếu

xét về tỉ lệ mất chùm ưu tiên cao thì phương pháp ARP-SAC có tỉ lệ mất chùm cao hơn trung bình 3% so với các mô hình đã công bố trước đây (Hình 2.9b) Nguyên nhân là do mô hình ARP-SAC dành số bước sóng phân bổ cho chùm ưu tiên thấp linh động theo tốc độ chùm đến mà không sử dụng một giá trị ngưỡng bước sóng tối thiểu, kết quả là tỉ lệ mất chùm ưu tiên thấp giảm, dẫn đến số bước sóng cung cấp cho lớp ưu tiên cao bị chiếm dụng; điều này làm tăng tỉ lệ mất chùm ưu tiên cao, dù không nhiều Để giải quyết vấn đề này luận án tiếp tục đề xuất một mô hình dự đoán tốc độ mới sẽ được trình bày trong phần tiếp theo Mô hình điều khiển chấp nhận dựa trên dự đoán tốc

độ chùm đến ARP-SAC đã được công bố trong [CT2]

2.4 Phương pháp dành lại tài nguyên cho chùm ưu tiên cao

2.4.1 Nguyên tắc dành lại tài nguyên cho chùm ưu tiên cao

Nguyên tắc dành lại tài nguyên từ chùm ưu tiên thấp cho chùm ưu tiên cao được đề xuất như sau:

Khi một chùm ưu tiên cao đến tại một liên kết (cổng) ra và không tìm thấy bước sóng khả dụng cho việc lập lịch, tài nguyên đã bị chiếm dụng bởi một chùm ưu tiên thấp sẽ được xem xét gỡ bỏ để dùng cho việc lập lịch chùm ưu tiên cao này Việc gở bỏ chùm ưu tiên thấp chỉ được thực hiện nếu thỏa mãn

Nếu không, chùm ưu tiên cao mới đến bị loại bỏ

Với trường hợp chùm ưu tiên thấp đến và tất cả tài nguyên đều bận, chùm này sẽ bị rơi

2.4.2 Mô tả thuật toán TPAC

Thuật toán 2:

- ; //thời gian quan sát;

Phương pháp:

nhằm xác định số kênh bước sóng cho lớp ưu tiên thấp