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)

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 đề 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 [53] 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 bù đắp này cần được tính toán sao cho đủ để đặt trước tài nguyên và cấu hình các 1 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]. Trong mạng máy tính, vấn đề nâng cao chất lượng dịch vụ (CLDV) được hiểu là khả năng đáp ứng của các dịch vụ với các mức độ chất lượng khác nhau cho các ứng dụng khác nhau [31]. Đây là vấn đề quan trọng và cần thiết đối với bất cứ mạng truyền thông nào, bao gồm cả mạng OBS. Thực tế, dữ liệu từ các mạng truy cập đến nút biên mạng OBS có thể thuộc về các lớp CLDV khác nhau, với các yêu cầu về dịch vụ truyền tải khác nhau trong mạng OBS. Do đó, việc định nghĩa các lớp dịch vụ quang tương đương với các lớp CLDV IP hoặc ATM là cần thiết [43]. Nâng cao chất lượng dịch vụ trong mạng OBS có thể diễn dịch như việc đưa ra các giải pháp hoặc cơ chế cung cấp/cải tiến CLDV tại mỗi nút biên, nút lõi hay kết hợp giữa nút biên và nút lõi, tại đó các cơ chế cung cấp/cải tiến CLDV có thể được phân chia thành hai loại: (1) cơ chế cải tiến CLDV chung, có thể định nghĩa là bất kỳ cơ chế cải thiện hiệu năng chung trên toàn mạng và cung cấp dịch vụ thỏa đáng cho người dùng cuối, và (2) đưa ra một kịch bản mới nhằm cung cấp CLDV [31]. 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 2 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; Với nhóm giải pháp nâng cao CLDV tại nút biên, có 2 hướng tiếp cận nhằm cung cấp sự phân biệt CLDV gồm: (1) phân biệt dựa trên thời gian bù đắp (OTD) và (2)phân biệt dựa trên kích thước chùm (BLD). Phân biệt dựa trên thời gian bù đắp dựa trên ý tưởng chính là bổ sung thêm thời gian bù đắp vào chùm có lớp ưu tiên (QoS) cao nhằm đạt được một sự phân biệt “hoàn toàn” về mất mát dữ liệu (chùm) so với chùm có lớp QoS thấp [23], [49]. Với phân biệt dựa trên kích thước chùm, các gói tin QoS cao sẽ được tập hợp thành chùm có kích thước ngắn nhằm tăng cơ hội lập lịch vào các khoảng trống nhàn rỗi, trong khi các gói tin có QoS thấp hơn sẽ được tập hợp vào chùm có kích thước dài hơn [25], [42]. Các phương pháp phân biệt này chủ yếu sử dụng các giải thuật tập hợp chùm với các ngưỡng thời gian/độ dài khác nhau nhằm cung cấp được sự phân biệt CLDV tại nút biên vào. Một đặc điểm khác là các phương pháp này đều không yêu cầu cơ chế điều khiển chấp nhận [39] nhằm cung cấp CLDV tại các nút biên vào. Khác với các giải pháp nâng cao CLDV tại nút biên, nhóm giải pháp nâng cao 3 CLDV tại nút lõi thường nhắm đến mục tiêu cung cấp CLDV thông qua quá trình điều khiển chấp nhận lập lịch [5], [33], trong đó, việc điều khiển chấp nhận chủ yếu là ưu tiên (tài nguyên) cho lớp ưu tiên cao thông qua việc phân bổ số bước sóng, chọn giải pháp lập lịch hoặc quyết định áp dụng các kỹ thuật xử lý tắc nghẽn. Trong mạng OBS, nút biên và nút lõi đóng một vai trò quan trọng để nghiên cứu giải pháp nâng cao CLDV, bởi vì: •Thứ nhất, dữ liệu từ các mạng truy cập (chẳng hạn các gói tin IP) có thể có các yêu cầu QoS khác nhau, nên dữ liệu có cùng lớp QoS thường được tập hợp vào cùng một chùm. Các chùm có cùng lớp ưu tiên sẽ hình thành nên luồng chùm QoS tương ứng, được cấp phát tài nguyên ưu tiên, được thiết lập độ dài và thời gian bù đắp cung cấp phân biệt CLDV tương ứng. Tại nút lõi các luồng chùm này được lập lịch và được chuyển tiếp đến nút tiếp theo dưới sự điều khiển nâng cao CLDV đã được cung cấp. Quá trình nâng cao CLDV được thực hiện lặp lại như thế tại các nút lõi tiếp theo cho đến khi các chùm truyền đến nút đích. •Thứ hai, chỉ có nút biên mới có các bộ đệm, nên giải pháp cung cấp/cải tiến CLDV đối với các chùm thuộc các lớp ưu tiên khác nhau sẽ dễ dàng hơn. •Thứ ba, nút lõi thường không có bộ đệm nên việc xử lý nâng cao CLDV ở nút lõi thường khó thực hiện. Tuy nhiên, việc điều khiển chấp nhận lập lịch và phân bổ tài nguyên cũng góp phần không nhỏ vào việc nâng cao cơ chế cung cấp và cải tiến CLDV. Dựa vào những đặc điểm đó luận án tập trung vào việc nghiên cứu giải pháp nâng cao CLDV tại nút biên, tại nút lõi và kết hợp cả nút biên và nút lõi (xem xét trên toàn mạng). Với các nghiên cứu về giải pháp nâng cao các cơ chế cung cấp/cải tiến QoS tại nút biên và nút lõi, một số đánh giá được tóm lược như sau: •Với các giải pháp nâng cao CLDV tại nút lõi, các đề xuất trong [5], [18], [21], [22], [33], [40], [55], [57] đa số sử dụng hoạt động điều khiển chấp 4 nhận lập lịch nhằm phân bổ tài nguyên ưu tiên trên các kênh ra, đối với các trường hợp không thể lập lịch được, các phương pháp xử lý tắc nghẽn như sử dụng đường trễ, phân đoạn chùm hay chuyển đổi bước sóng ... sẽ được thực hiện. Tuy nhiên, do ưu tiên các chùm QoS cao, tỉ lệ mất chùm QoS thấp trong các đề xuất này là khá lớn, trong khi tài nguyên ưu tiên cho các chùm QoS vẫn còn nhàn rỗi. Một mô hình điều khiển cấp phát tài nguyên linh hoạt, uyển chuyển hơn là cần thiết nhằm nâng cao cơ chế cung cấp và cải tiến CLDV của các lớp. •Với các giải pháp nâng cao CLDV tại nút biên, các giá trị ngưỡng tập hợp chùm (như thời gian bù đắp, kích thước chùm) thường được sử dụng để cung cấp CLDV, nâng cao mức CLDV được yêu cầu của dữ liệu được mang bên trong [23], [25], [42], [49]. Tuy nhiên, việc phối hợp các giá trị ngưỡng này sao cho vừa đạt được phân biệt CLDV và vừa cải thiện CLDV đối với các chùm ưu tiên thấp cũng là một nhu cầu cấp thiết cần được quan tâm đến. •Kết hợp các giải pháp nâng cao CLDV tại nút biên và lõi, sẽ giúp đạt được việc cung cấp và cải tiến CLDV trên toàn mạng, trong đó các nút biên có “tri thức” về trạng thái tài nguyên tại các nút lõi sẽ giúp việc cung cấp CLDV cho các lớp ưu tiên sẽ hiệu quả hơn theo nghĩa giảm mất mát dữ liệu, giảm độ trễ truyền thông và tăng hiệu quả băng thông sử dụng. Những vấn đề nêu trên chính là động lực để luận án tập trung nghiên cứu, cải tiến và đề xuất mới các giải pháp nâng cao CLDV tại nút biên, nút lõi và kết hợp giữa nút biên và nút lõi (trên toàn mạng OBS). 3. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu của luận án là nghiên cứu và cải tiến một số giải pháp/cơ chế nâng cao CLDV trên mạng OBS nhằm nâng cao CLDV cho lớp ưu tiên cao và cải thiện hiệu quả về tỉ lệ mất mát dữ liệu, độ trễ truyền thông và sử dụng băng thông của lớp ưu tiên thấp. 5 Mục tiêu nghiên cứu cụ thể của luận án gồm: •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 CLDV 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 chuyển mạch chùm quang. -Phạm vi nghiên cứu: Nút biên và nút lõi trong mạng chuyển mạch chùm quang. 5.Phương pháp nghiên cứu -Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tổng hợp các công bố liên quan đến các giải thuật, mô hình, cơ chế cải tiến và cung cấp CLDV. Phân tích, đánh giá ưu và khuyết điểm của một số mô hình 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 về mô hình nâng cao CLDV trọng mạng chuyển mạch chùm quang. Hệ mô phỏng NS2, gói mô phỏng Obs-0.9a tạo dữ liệu mô phỏng và các giải thuật được cài đặt 6 bằng ngôn ngữ C++/Dev-C. 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 chuyển mạch chùm quang. -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.

ĐẠI HỌC HUẾ

PHẠM TRUNG ĐỨC

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

HUẾ, NĂM 2021

ĐẠI HỌC HUẾ

PHẠM TRUNG ĐỨC

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

CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÁY TÍNH

MÃ SỐ: 9480101

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

HUẾ, NĂM 2021

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do tôi thực hiện dưới sự hướngdẫn của PGS TS Võ Viết Minh Nhật và TS Đặng Thanh Chương Những nội dungtrong các công trình đã được công bố chung với các tác giả khác đã được sự chấpthuận của đồng tác giả khi đưa vào luận án Các số liệu và kết quả nghiên cứu đượctrình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa được công bố bởi tác giảnào trong bất kỳ công trình nào khác

Nghiên cứu sinh

Phạm Trung Đức

LỜI CẢM ƠN

Trước hết tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến PGS TS VõViết Minh Nhật và TS Đặng Thanh Chương là những người Thầy đã tận tình hướngdẫn 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 Côngnghệ Thông tin - Trường Đại học Khoa học Huế đã quan tâm, giúp đỡ, hướng dẫntrong suốt quá trình học tập

Tôi xin trân trọng cảm ơn Quý Lãnh đạo, Hội đồng quản trị Công ty cổ phầnBến xe Huế đã tạo điều kiện thuận lợi trong công tác để tôi có đủ thời gian hoàn thànhluận án này Tôi xin cảm ơn Quý Thầy Cô, cán bộ quản lý Phòng Đào tạo Sau đại học

– Trường Đại học Khoa 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 tronggia đình luôn động viên, giúp đỡ tôi về mọi mặt trong suốt quá trình nghiên cứu,học tập

Nghiên cứu sinh

Phạm Trung Đức

MỤC LỤC

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi

CÁC KÝ HIỆU ĐƯỢC SỬ DỤNG ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ xi

DANH MỤC CÁC BẢNG xv

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG 8

1.1 Giới thiệu về mạng chuyển mạch chùm quang 9

1.1.1 Kiến trúc của mạng OBS 9

1.1.2 So sánh về các mô hình chuyển mạch quang 10

1.1.3 Các hoạt động tại nút biên 14

1.1.4 Các hoạt động tại nút lõi 17

1.1.5 Lập lịch trong mạng OBS 22

1.2 Chất lượng dịch vụ trong mạng OBS 24

1.2.1 Sự cần thiết nâng cao chất lượng dịch vụ 24

1.2.2 Nâng cao chất lượng dịch vụ tại nút lõi 27

1.2.3 Nâng cao chất lượng dịch vụ tại nút biên 30

1.3 Mục tiêu nghiên cứu của luận án 33

1.4 Tiểu kết chương 1 34

CHƯƠNG 2 GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TẠI NÚT LÕI 35

2.1 Điều khiển chấp nhận lập lịch hỗ trợ cung cấp chất lượng dịch vụ 35

2.2 Phân tích và đánh giá các mô hình điều khiển chấp nhận 37

2.2.1 Mô hình nhóm bước sóng 37

2.2.2 So sánh và đánh giá dựa trên mô phỏng 40

2.2.3 Nhận xét 42

2.3 Mô hình điều khiển chấp nhận dựa trên dự đoán tốc độ chùm đến ARP-SAC 43 2.3.1 Mô hình dự đoán dựa trên tốc độ chùm đến 43

2.3.2 Mô tả thuật toán điều khiển chấp nhận trong mô hình ARP-SAC 45

2.3.3 So sánh và đánh giá dựa trên mô phỏng 50

2.3.4 Nhận xét 53

2.4 Phương pháp dành lại tài nguyên cho chùm ưu tiên cao 53

2.4.1 Nguyên tắc dành lại tài nguyên cho chùm ưu tiên cao 53

2.4.2 Mô tả thuật toán điều khiển chấp nhận trong mô hình TPAC 54

2.4.3 Phân tích mô hình TPAC 55

2.4.4 So sánh và đánh giá dựa trên mô phỏng 60

2.4.5 Nhận xét 66

2.5 Mô hình kết hợp TPAC và đường trễ 67

2.5.1 Mô tả thuật toán iTPAC 68

2.5.2 Mô phỏng, so sánh và đánh giá 70

2.5.3 Nhận xét 73

2.6 Tiểu kết chương 2 74

CHƯƠNG 3 GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TẠI NÚT BIÊN VÀ KẾT HỢP CÁC NÚT 75

3.1 Mô hình phân biệt chất lượng dịch vụ tại nút biên 76

3.1.1 Tập hợp chùm kết hợp cung cấp chất lượng dịch vụ 76

3.1.2 Phân tích các phương pháp phân biệt chất lượng dịch vụ dựa trên thời gian bù đắp và độ dài chùm 78

3.1.3 Mô hình cung cấp chất lượng dịch vụ OT-BLD 80

3.1.4 So sánh và đánh giá dựa trên mô phỏng 82

3.1.5 Nhận xét 86

3.2 Phân tích nguyên nhân gây mất chùm 87

3.2.1 Vấn đề mất chùm khi lập lịch 87

3.2.2 Trích xuất dữ liệu trạng thái lập lịch 88

3.2.3 Xác định các thuộc tính ảnh hưởng đến mất chùm 89

3.2.4 Giải pháp sử dụng đường trễ nhằm giảm mất mát chùm 92

3.2.5 So sánh và đánh giá dựa trên mô phỏng 95

3.3 Kết hợp nút biên và nút lõi trong phân biệt chất lượng dịch vụ 96

3.3.1 Điều chỉnh kích thước chùm dựa trên phản hồi 96

3.3.2 Mô hình phân biệt chất lượng dịch vụ dựa trên thời gian bù đắp và độ dài chùm được điều chỉnh OT-ABLD 98

3.3.3 So sánh và đánh giá dựa trên mô phỏng 100

3.3.4 Nhận xét 104

3.4 Tiểu kết chương 3 104

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN ÁN 106

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 107

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Scheduling Admission Control

cách thích nghi

khoảng trống

hợp đầu tiênFFUC-VF First Fit Unscheduled Channel with Kênh chưa được lập lịch phù hợp

Từ viết tắt Thuật ngữ tiếng Anh Diễn giải ý nghĩa

khoảng trống cải tiến

đặt trước tài nguyên vừa đủ

Channel with Void Filling

thiểu

Từ viết tắt Thuật ngữ tiếng Anh Diễn giải ý nghĩa

Length-based Differentiation

điều chỉnh

đắp

CÁC KÝ HIỆU ĐƯỢC SỬ DỤNG

Lưu lượng tải đến của luồng

Ngưỡng kích thước chùm tối thiểu

( ) Kích thước hàng đợi

Độ dài chùm hoàn thành của lần tập hợp chùm hiện thờiNgưỡng độ dài chùm tối thiểu

Ngưỡng độ dài chùm tối đa

( ) Độ dài chùm hoàn thành của hàng đợi

Số lần tập hợp chùm sau cùng nhất

Số chùm trung bình đã lập lịch

Số chùm đến trong tập các chùm chưa được lập lịchTổng xác suất mất chùm của toàn liên kết ra

Tổng xác suất mất chùm của luồng

Lỗi ước tính trung bình trong các lần tập hợp chùm1

Thời điểm gửi gói điều khiển

2

Thời điểm gửi chùm dữ liệu

Ngưỡng thời gian tập hợp chùm

Ký hiệu Ý nghĩa

Cửa sổ thời gian dự đoán

Số kênh bước sóng

Tổng số bước sóng của liên kết ra

Số chùm đến lập lịch

Tốc độ đến hiện thời của chùm

Tốc độ đến trung bình của chùm

Tốc độ phục vụ trung bình

Độ chồng lấp của chùm với các kênh bước sóng

Độ chồng lấp của chùm với các kênh bước sóngTải đến của chùm

Tải chuẩn hóa

Tham số điều khiển

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Kiến trúc mạng chuyển mạch chùm quang [8] 9

Hình 1.2 Các hoạt động chính của nút mạng chuyển mạch chùm quang [8] 10

Hình 1.3 Kiến trúc chuyển mạch kênh quang [43] 11

Hình 1.4 Kiến trúc chuyển mạch gói quang OPS [43] 12

Hình 1.5 Nút biên vào mạng chuyển mạch chùm quang [8] 15

Hình 1.6 Tập hợp và tách chùm tại nút biên mạng chuyển mạch chùm quang [43] 15 Hình 1.7 Cấu tạo nút lõi mạng chuyển mạch chùm quang [43] 18

Hình 1.8 Hai mô hình đường trễ FDL: (a) kiểu truyền thẳng, (b) kiểu hồi quy 21

Hình 1.9 Sự khác biệt của các thuật toán lập lịch khác nhau 22

Hình 1.10 Sơ đồ khối tầng IP trên OBS trong ba lớp [43] 26

Hình 1.11 Phân lớp cung cấp QoS trong mạng OBS [45] 30

Hình 2.1 Một ví dụ về chủ động đánh rơi chùm ưu tiên thấp để dành tài nguyên cho chùm ưu tiên cao đến sau (b), so với kiểu lập lịch truyền thống là đến trước, phục vụ trước (a) 36

Hình 2.2 Ví dụ về điều khiển chấp nhận của (a) SWG và (b) DWG 37

Hình 2.3 Các ví dụ mô tả cách thức hoạt động của LLAC 38

Hình 2.4 So sánh tỉ lệ mất chùm của lớp ưu tiên cao, thấp và tổng giữa SWG, DWG và LLAC 41

Hình 2.5 Băng thông sử dụng trong hai lớp của mô hình SWG, DWG và LLAC 42

Hình 2.6 Các cửa sổ quan sát gián đoạn được thực hiện trong TW-EWMA 45

Hình 2.7 Mô hình hoạt động ARP-SAC 46

Hình 2.8 Sự thay đổi dữ liệu đến trong 50 cửa sổ ước tính đầu tiên 50

Hình 2.9 So sánh tỉ lệ mất chùm giữa các mô hình SWG, DWG, LLAC, ARP-SAC

51

Hình 2.10 So sánh sự phân bổ bước sóng cho luồng chùm ưu tiên thấp 52

Hình 2.11 Cách thức phân bổ bước sóng trong TPAC 56

Hình 2.12 Lược đồ chuyển trạng thái của mô hình 57

Hình 2.13 Một ví dụ về một lược đồ chuyển trạng thái với W0=4 và W1=3 59

Hình 2.14 Tỉ lệ lỗi dự đoán trung bình (¯(R_E )) của lớp 0 và lớp 1 khi tải đến thay đổi 62

Hình 2.15 Tổng số chùm đến của 2 lớp trong 100 cửa sổ quan sát đầu tiên ở tải 0.9 63

Hình 2.16 Tỉ lệ mất chùm (a) ưu tiên cao, (b) ưu tiên thấp và (c) cả hai lớp ưu tiên 64

Hình 2.17 Tỉ lệ sử dụng băng thông (a) ưu tiên cao, (b) ưu tiên thấp và (c) cả hai lớp ưu tiên 66

Hình 2.18 Xác suất mất chùm theo mô phỏng và phân tích toán học 66

Hình 2.19 Mô tả cách thức sử dụng đường trễ FDL trong mô hình iTPAC 67

Hình 2.20 So sánh tỉ lệ mất chùm của lớp ưu tiên thấp giữa TPAC và iTPAC trong trường hợp tỉ lệ luồng ưu tiên cao và ưu tiên thấp đến khác nhau (tổng tải chuẩn hóa 0.9) 71

Hình 2.21 So sánh tỉ lệ mất chùm lớp ưu tiên thấp của iTPAC khi thay đổi độ dài đường trễ 72

Hình 2.22 So sánh tỉ lệ mất chùm lớp ưu tiên thấp của iTPAC khi sử dụng 1, 2 và 3 đường trễ với các tỉ lệ luồng ưu tiên cao và ưu tiên thấp đến khác nhau 73

Hình 3.1 Kiến trúc nút biên mạng OBS [70] 77

Hình 3.2 Một ví dụ về phân biệt QoS dựa vào thời gian bù đắp 78

Hình 3.3 Một ví dụ về phân biệt QoS dựa vào kích thước chùm 79

Hình 3.4 Tập hợp chùm tại nút biên của mô hình OT-BLD 80Hình 3.5 Thiết lập thời gian bù đắp bổ sung lớn hơn độ dài chùm ưu tiên thấp sẽ giúp

giảm tranh chấp giữa 2 lớp chùm ưu tiên 81

Hình 3.6 So sánh tỉ lệ mất chùm ưu tiên cao (a), ưu tiên thấp (b) và tổng (c) giữa các

mô hình: undiff, OTD, BLD và OT-BLD 83Hình 3.7 So sánh độ trễ trung bình (µs) giữa các mô hình: undiff, OTD, BLD và OT-

BLD 85

Hình 3.8 Các trường hợp không lập lịch được do chồng lấp LAUT (a), đầu (b), đuôi(c) 87Hình 3.9 Topo mạng cho việc trích xuất dữ liệu trạng thái lập lịch và các luồng được

thiết lập 88

Hình 3.10 Phân bố các lớp head_overlap, LAUT_overlap và tail_overlap trong dữliệu lập lịch không thành công 90

Hình 3.11 Kết quả xếp hạng các thuộc tính với CSE 91

Hình 3.12 Kết quả xếp hạng các thuộc tính với CA 92Hình 3.13 Chồng lấp LAUT (a) hay chồng lấp đầu (b) đều có thể được khắc phục nhờ

thay đổi thời gian chùm đến 93

Hình 3.14 Mô hình điều khiển lập lịch tại nút lõi OBS 94

Hình 3.15 So sánh tỉ lệ mất chùm khi có và không sử dụng đường trễ FDL 95

Hình 3.16 Tỉ lệ phần trăm độ trễ trung bình tăng thêm khi sử dụng đường trễ FDL96Hình 3.17 Cấu trúc của gói điều khiển được sử dụng trong giao thức JET 97

Hình 3.18 Các trường hợp một chùm đến không thể lập lịch vào một khoảng trống98

Hình 3.19 Cấu trúc của gói NACK được thêm bởi 4 byte cho kích thước khoảng trống

Hình 3.23 Một so sánh giữa kích thước khoảng trống và chiều dài trên 100 cửa sổquan sát liên tiếp với hai trường hợp tải: (0,2, 0,2) và (0,4, 0,2) 102

Hình 3.24 Độ trễ trung bình (µs) của chùm ưu tiên cao (theo gói) 103

Hình 3.25 Thời gian tập hợp (μs) của hàng đợi ưu tiên cao (L(0)) thay đổi trong 100cửa sổ quan sát thành công trong hai trường hợp tải: (0.2,0.2) và (0.4,0.2) 103

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 So sánh các mô hình chuyển mạch quang [26] 14

Bảng 1.2 So sánh giữa các tiếp cận xử lý tranh chấp trong mạng OBS [32] 20

Bảng 1.3 Tóm lược các cơ chế cung cấp/cải tiến CLDV tại các nút mạng OBS 32

Bảng 2.1 Ưu điểm và vấn đề chưa giải quyết các mô hình điều khiển chấp nhận đã công bố 39

Bảng 3.1 Độ trễ trung bình (µs) của các gói tin chùm thuộc lớp ưu tiên cao 86

Bảng 3.2 Độ trễ trung bình (µs) các gói tin chùm thuộc lớp ưu tiên thấp 86

Bảng 3.3 Mô tả dữ liệu trạng thái lập lịch được trích xuất từ các nút lõi 89

Bảng 3.4 Mô tả dữ liệu được chuyển đổi thành nguyên nhân lập lịch không thành công 90

Bảng 3.5 Độ trễ trung bình các gói tin thuộc lớp ưu tiên thấp đơn vị theo µs 104

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 liệuqua mạng trở thành một vấn đề thách thức và đang thu hút nhiều sự quan tâm Đã cónhiều đề xuất khác nhau về phương thức truyền tải dữ liệu, từ kiểu truyền tải thông tintruyền 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 côngvượt bậc gần đây của công nghệ ghép kênh phân chia kênh bước sóng WDM, băngthông của mỗi sợi quang được tách thành nhiều kênh bước sóng, từ đó đã đáp ứng tốthơn 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 [53] được

đề xuất với ý tưởng được lấy cảm hứng từ mạng chuyển mạch gói điện nhằm có thểtriển 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 côngnghệ, như không thể sản xuất các bộ đệm quang (tương tự bộ nhớ RAM trong mạngđiện) hay các chuyển mạch gói quang ở tốc độ nano giây, chuyển mạch gói quangOPS 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 bù đắp 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 từnút nguồn đến nút đích Không chỉ tách rời về mặt thời gian, gói điều khiển BCPcũng 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 lạiđược dùng cho việc truyền chùm dữ liệu [75].

Với cách truyền tải dữ liệu như vậy, rõ ràng mạng OBS không cần đến các bộđệm quang để lưu tạm thời các chùm dữ liệu trong khi chờ đợi việc xử lý các góiđiều khiển BCP của chúng tại các nút trung gian (nút lõi) và mạng OBS cũng khôngyêu cầu các chuyển mạch tốc độ nano giây Tuy nhiên, cách truyền thông này cũngđặt ra một áp lực là làm thế nào để một gói điều khiển có thể kịp đặt trước tàinguyên và cấu hình chuyển mạch thành công tại các nút lõi, đảm bảo cho việcchuyển tiếp chùm quang đi sau nó Đó chính là nhiệm vụ của các hoạt động như đặttrước tài nguyên, lập lịch và xử lý tranh chấp [19]

Trong mạng máy tính, vấn đề nâng cao chất lượng dịch vụ (CLDV) được hiểu

là khả năng đáp ứng của các dịch vụ với các mức độ chất lượng khác nhau cho cácứng dụng khác nhau [31] Đây là vấn đề quan trọng và cần thiết đối với bất cứ mạngtruyền thông nào, bao gồm cả mạng OBS Thực tế, dữ liệu từ các mạng truy cập đếnnút biên mạng OBS có thể thuộc về các lớp CLDV khác nhau, với các yêu cầu vềdịch vụ truyền tải khác nhau trong mạng OBS Do đó, việc định nghĩa các lớp dịch

vụ quang tương đương với các lớp CLDV IP hoặc ATM là cần thiết [43]

Nâng cao chất lượng dịch vụ trong mạng OBS có thể diễn dịch như việc đưa racác giải pháp hoặc cơ chế cung cấp/cải tiến CLDV tại mỗi nút biên, nút lõi hay kếthợp giữa nút biên và nút lõi, tại đó các cơ chế cung cấp/cải tiến CLDV có thể đượcphân chia thành hai loại: (1) cơ chế cải tiến CLDV chung, có thể định nghĩa là bất

kỳ cơ chế cải thiện hiệu năng chung trên toàn mạng và cung cấp dịch vụ thỏa đángcho người dùng cuối, và (2) đưa ra một kịch bản mới nhằm cung cấp CLDV [31]

Giải pháp để nâng cao CLDV trong mạng OBS có thể thực hiện được bằng cáchcung 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: phânbiệt 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 hoạtđộng lập lịch [32] Các mô hình này rất cần thiết có những cơ chế điều khiển hiệuquả nhằm cung cấp sự phân biệt CLDV đã cam kết, đồng thời có thể cung cấp thêmtài nguyên cho các ứng dụng khác nhau nhằm tối ưu hóa hiệu năng truyền thôngtrên toàn mạng (dựa trên yêu cầu về độ trễ, tỉ lệ mất mát dữ liệu và các ràng buộc vềbăng thông )

2 Động lực nghiên cứu

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

- Nâng cao CLDV tại nút biên;

- Nâng cao CLDV tại nút lõi;

Với nhóm giải pháp nâng cao CLDV tại nút biên, có 2 hướng tiếp cận nhằm cung cấp sự phân biệt CLDV gồm: (1) phân biệt dựa trên thời gian bù đắp (OTD) và(2) phân biệt dựa trên kích thước chùm (BLD) Phân biệt dựa trên thời gian bù đắpdựa trên ý tưởng chính là bổ sung thêm thời gian bù đắp vào chùm có lớp ưu tiên(QoS) cao nhằm đạt được một sự phân biệt “hoàn toàn” về mất mát dữ liệu (chùm)

so với chùm có lớp QoS thấp [23], [49] Với phân biệt dựa trên kích thước chùm,các gói tin QoS cao sẽ được tập hợp thành chùm có kích thước ngắn nhằm tăng cơhội lập lịch vào các khoảng trống nhàn rỗi, trong khi các gói tin có QoS thấp hơn sẽđược tập hợp vào chùm có kích thước dài hơn [25], [42] Các phương pháp phânbiệt này chủ yếu sử dụng các giải thuật tập hợp chùm với các ngưỡng thời gian/độdài khác nhau nhằm cung cấp được sự phân biệt CLDV tại nút biên vào Một đặcđiểm khác là các phương pháp này đều không yêu cầu cơ chế điều khiển chấp nhận[39] nhằm cung cấp CLDV tại các nút biên vào

Khác với các giải pháp nâng cao CLDV tại nút biên, nhóm giải

CLDV tại nút lõi thường nhắm đến mục tiêu cung cấp CLDV thông qua quá trìnhđiều khiển chấp nhận lập lịch [5], [33], trong đó, việc điều khiển chấp nhận chủ yếu

là ưu tiên (tài nguyên) cho lớp ưu tiên cao thông qua việc phân bổ số bước sóng,chọn giải pháp lập lịch hoặc quyết định áp dụng các kỹ thuật xử lý tắc nghẽn

Trong mạng OBS, nút biên và nút lõi đóng một vai trò quan trọng để nghiêncứu giải pháp nâng cao CLDV, bởi vì:

 Thứ nhất, dữ liệu từ các mạng truy cập (chẳng hạn các gói tin IP) có thể cócác yêu cầu QoS khác nhau, nên dữ liệu có cùng lớp QoS thường được tậphợp vào cùng một chùm Các chùm có cùng lớp ưu tiên sẽ hình thành nênluồng chùm QoS tương ứng, được cấp phát tài nguyên ưu tiên, được thiếtlập độ dài và thời gian bù đắp cung cấp phân biệt CLDV tương ứng Tạinút lõi các luồng chùm này được lập lịch và được chuyển tiếp đến nút tiếptheo dưới sự điều khiển nâng cao CLDV đã được cung cấp Quá trìnhnâng cao CLDV được thực hiện lặp lại như thế tại các nút lõi tiếp theo chođến khi các chùm truyền đến nút đích

 Thứ hai, chỉ có nút biên mới có các bộ đệm, nên giải pháp cung cấp/cải tiến CLDV đối với các chùm thuộc các lớp ưu tiên khác nhau sẽ dễ dàng hơn

 Thứ ba, nút lõi thường không có bộ đệm nên việc xử lý nâng cao CLDV ởnút lõi thường khó thực hiện Tuy nhiên, việc điều khiển chấp nhận lậplịch và phân bổ tài nguyên cũng góp phần không nhỏ vào việc nâng cao cơchế cung cấp và cải tiến CLDV

Dựa vào những đặc điểm đó luận án tập trung vào việc nghiên cứu giải phápnâng cao CLDV tại nút biên, tại nút lõi và kết hợp cả nút biên và nút lõi (xem xéttrên toàn mạng)

Với các nghiên cứu về giải pháp nâng cao các cơ chế cung cấp/cải tiến QoS tạinút biên và nút lõi, một số đánh giá được tóm lược như sau:

 Với các giải pháp nâng cao CLDV tại nút lõi, các đề xuất trong [5], [18],

[21], [22], [33], [40], [55], [57] đa số sử dụng hoạt động điều khiển chấp

nhận lập lịch nhằm phân bổ tài nguyên ưu tiên trên các kênh ra, đối vớicác trường hợp không thể lập lịch được, các phương pháp xử lý tắc nghẽnnhư sử dụng đường trễ, phân đoạn chùm hay chuyển đổi bước sóng sẽđược thực hiện Tuy nhiên, do ưu tiên các chùm QoS cao, tỉ lệ mất chùmQoS thấp trong các đề xuất này là khá lớn, trong khi tài nguyên ưu tiêncho các chùm QoS vẫn còn nhàn rỗi Một mô hình điều khiển cấp phát tàinguyên linh hoạt, uyển chuyển hơn là cần thiết nhằm nâng cao cơ chếcung cấp và cải tiến CLDV của các lớp.

 Với các giải pháp nâng cao CLDV tại nút biên, các giá trị ngưỡng tập

hợp chùm (như thời gian bù đắp, kích thước chùm) thường được sử dụng

để cung cấp CLDV, nâng cao mức CLDV được yêu cầu của dữ liệu đượcmang bên trong [23], [25], [42], [49] Tuy nhiên, việc phối hợp các giá trịngưỡng này sao cho vừa đạt được phân biệt CLDV và vừa cải thiện CLDV

đối với các chùm ưu tiên thấp cũng là một nhu cầu cấp thiết cần được quan tâm đến

 Kết hợp các giải pháp nâng cao CLDV tại nút biên và lõi, sẽ giúp đạt

được việc cung cấp và cải tiến CLDV trên toàn mạng, trong đó các nútbiên có “tri thức” về trạng thái tài nguyên tại các nút lõi sẽ giúp việc cungcấp CLDV cho các lớp ưu tiên sẽ hiệu quả hơn theo nghĩa giảm mất mát

dữ liệu, giảm độ trễ truyền thông và tăng hiệu quả băng thông sử dụng.Những vấn đề nêu trên chính là động lực để luận án tập trung nghiên cứu, cảitiến và đề xuất mới các giải pháp nâng cao CLDV tại nút biên, nút lõi và kết hợpgiữa nút biên và nút lõi (trên toàn mạng OBS)

3 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu của luận án là nghiên cứu và cải tiến một số giải pháp/cơchế nâng cao CLDV trên mạng OBS nhằm nâng cao CLDV cho lớp ưu tiên cao vàcải thiện hiệu quả về tỉ lệ mất mát dữ liệu, độ trễ truyền thông và sử dụng băngthông của lớp ưu tiên thấp

Mục tiêu nghiên cứu cụ thể của luận án gồm:

 Nghiên cứu và cải tiến cơ chế điều khiển chấp nhận lập lịch nâng caoCLDV dựa vào dự đoán tốc độ chùm đến tại nút lõi nhằm nâng cao hiệuquả lập lịch đối với các chùm QoS thấp nhưng vẫn đảm bảo mức CLDVđối với các chùm QoS cao Hiệu quả của cơ chế điều khiển chấp nhận lậplịch 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 nhằmxác định các nhân tố ảnh hưởng đến hiệu quả lập lịch, từ đó đề xuất giảipháp 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 tàinguyên khả dụng được phản hồi từ nút lõi, nút biên vào thực hiện điềuchỉnh một cách linh hoạt kích thước của các chùm được sinh ra nhằm đemlại hiệu quả về băng thông sử dụng, giảm tỉ lệ mất chùm nhưng vẫn nângcao 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 chuyển mạch chùm quang

-Phạm vi nghiên cứu: Nút biên và nút lõi trong mạng chuyển mạch chùm quang.

5 Phương pháp nghiên cứu

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

giải thuật, mô hình, cơ chế cải tiến và cung cấp CLDV Phân tích, đánh giá ưu vàkhuyết điểm của một số mô hình 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 về mô hình nâng cao CLDV trọng mạng chuyển mạch chùm quang Hệ mô phỏngNS2, gói mô phỏng Obs-0.9a tạo dữ liệu mô phỏng và các giải thuật được cài đặt

-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 nguyênnhân gây ra mất chùm dựa vào phân tích dữ liệu lịch sử lập lịch nhằm nâng cao hiệunăng tại nút lõi và (3) xem xét cấu trúc gói điều khiển nhằm đề xuất mô hình cungcấp CLDV trên toàn mạng sau khi nhận được thông tin phản hồi khoảng trống tạinút 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

Chuyển mạch chùm quang (OBS) đã được xem là mô hình chuyển mạch góiquang khả dụng cho Internet toàn quang thế hệ mới [27], [48], nhằm đáp ứng sự giatăng nhanh chóng về lưu lượng Internet trong một vài thập niên trở lại đây Kháiniệm chuyển mạch chùm/cụm (burst) được đưa ra đầu tiên bởi Amstutz và Kulzer[15] OBS được phát triển nhằm mục đích thay thế cho hệ thống mạng chuyển mạchkênh quang OCS ít linh hoạt, nhưng được đánh giá là giải pháp khả dụng hơn so vớichuyển mạch gói quang OPS chưa phát triển trưởng thành về mặt công nghệ Côngnghệ OBS dựa vào các tiến bộ gần đây của một số thiết bị mạng quang, như cácchuyển mạch quang, bộ thu/phát quang và bộ chuyển đổi bước sóng quang [71]cùng với công nghệ ghép kênh bước sóng WDM Mặc dù vẫn đang được phát triển(chưa được chuẩn hóa), nhưng mạng OBS hiện đang được coi là công nghệ mạngđạt thành tựu nhất có thể sử dụng trong Internet toàn quang ở thế hệ tiếp theo

Có hai đặc trưng tiêu biểu của mạng OBS để đạt được ưu thế trên, đó là:

 Dữ liệu được chuyển mạch toàn quang, cụ thể sự tách biệt giữa kênhtruyền gói điều khiển và kênh truyền dữ liệu về không gian và thời gian,nên khi đến tại một nút trung gian chỉ kênh điều khiển được chuyển đổiqua điện tử còn kênh dữ liệu vẫn lưu lại trong miền quang nên không chịubất cứ sự chậm trễ nào về mặt thời gian, sự chậm trễ chỉ xảy ra trên kênhtruyền gói điều khiển

 Hạn chế chuyển đổi điện tử do số kênh dành cho gói điều khiển là ít, vìmỗi gói điều khiển chỉ mang một lượng dữ liệu hạn chế cố định và chủyếu dành nhiều kênh truyền dữ liệu hơn để truyền các chùm dữ liệu cókích thước lớn

Chương này sẽ giới thiệu kiến trúc của mạng OBS, so sánh OBS với các mô hình chuyển mạch khác và chỉ ra lý do vì sao OBS là khả thi cho Internet toàn quang

thế hệ tiếp theo Tiếp đó nội dung sẽ bao gồm kiến trúc và hoạt động của nút biên,nút lõi, thuật toán lập lịch trong mạng OBS Các hoạt động tại nút lõi OBS, trong đótập trung vào lập lịch và giải quyết tranh chấp cũng sẽ được đề cập đến Cuối cùng

là các vấn đề về nâng cao CLDV trong mạng OBS

1.1.1 Kiến trúc của mạng OBS

Kiến trúc của mạng OBS bao gồm các nút kết nối với nhau thông qua các sợidẫn quang có khả năng hỗ trợ ghép kênh đa bước sóng WDM Các nút trên mạngOBS bao gồm nút biên (vào/ra) và nút lõi như mô tả trong Hình 1.1 Nút biên vàochịu trách nhiệm tập hợp các gói dữ liệu thành các chùm và lập lịch chúng lên cáckênh dữ liệu ra Mỗi nút biên, như tên gọi của chúng, được xem là giao diện giữamiền điện tử (mạng người dùng) và miền quang (mạng OBS) Nút lõi chịu tráchnhiệm chuyển mạch các chùm từ cổng vào đến cổng ra Các thành phần của nút lõigồm một bộ chuyển mạch quang, một đơn vị điều khiển chuyển mạch và các bộ xử

lý để định tuyến và báo hiệu

Hình 1.1 Kiến trúc mạng chuyển mạch chùm quang [8]

Nút biên mạng OBS thường được trang bị bộ định tuyến IP

OBS Đối với mỗi chùm, sẽ có một gói điều khiển chứa thông tin về độ dài chùm vàlớp ưu tiên nhằm phục vụ cho việc đặt trước tài nguyên (bước sóng) tại mỗi núttrung gian Ngoài ra, trong mạng OBS các gói điều khiển và dữ liệu được truyềnriêng biệt trên các kênh khác nhau giúp mang lại sự linh hoạt và khả năng mở rộng.

Cụ thể mỗi kênh điều khiển có thể mang nhiều gói điều khiển, được chuyển đổiO/E/O tại mỗi nút trung gian và được xử lý trong môi trường điện để cấu hình cácchuyển mạch Chùm dữ liệu theo sau gói điều khiển một khoảng thời gian bù đắp,khoảng thời gian này cần phải đủ để gói điều khiển đặt trước tài nguyên tại mỗi núttrung gian để chuyển tiếp chùm dữ liệu mà không chịu sự chờ đợi nào Với cáchtruyền tải như vậy thì nút trung gian sẽ không cần trang bị bộ nhớ RAM [75]

Các hoạt động chính của các nút OBS sẽ được thể hiện chi tiết qua Hình 1.2

Hình 1.2 Các hoạt động chính của nút mạng chuyển mạch chùm quang [8]

1.1.2 So sánh về các mô hình chuyển mạch quang

Sự phát triển của công nghệ chuyển mạch quang có thể diễn dịch tóm lược quacụm từ là chuyển mạch “X” quang (OXS), trong đó X = {C, P, B, L, F} tương ứng

là kênh, gói, chùm, nhãn và luồng [11] Ba mô hình mạng chính được đề cập trongluận án để vận chuyển lưu lượng IP qua các mạng quang dựa trên WDM là mạngOCS, mạng OPS và mạng OBS, được mô tả và so sánh cụ thể trong phần này

Với kiến trúc chuyển mạch kênh quang OCS, các nút chuyển mạch được thể hiệntrong Hình 1.3 là một đường quang vật lý, có thể là tĩnh hoặc động, khi đã được

thiết lập liên kết qua các nút trung gian, được gọi là chuyển mạch quang OXC Cácthiết bị này chịu trách nhiệm chuyển mạch toàn bộ dữ liệu vào được mang theo trênbước sóng tại một cổng vào nhất định đến một cổng ra khác Trung bình, thời giankết nối OCS trong vòng 1 phút hoặc lâu hơn, và thời gian ngắt kết nối là thường vàitrăm mili giây (ms).

Hình 1.3 Kiến trúc chuyển mạch kênh quang [43]

Ưu điểm của mạng OCS là định tuyến bước sóng WR, tức là chính bước sóngđóng vai trò xác định cách thức đưa ra quyết định định tuyến/chuyển mạch cho đườngdẫn quang Đây là một công nghệ đã trưởng thành và đã được triển khai tại một số đơn

vị cung cấp mạng đường trục đường dài và có khả năng cung cấp QoS hiệu quả cho cácmạng truy cập (mạng người dùng) Mặc dù cách tiếp cận này có thể xem là một ý tưởngcải tiến so với kiến trúc điểm-điểm thế hệ đầu tiên, nhưng nó vẫn bộc lộ một số hạn chếnhư các kết nối với thời gian ngắn sẽ làm việc truyền dữ liệu rời rạc (sporadic) dẫn đếnchi phí kiểm soát quá cao Một đặc điểm khác của OCS là các nút trung gian hoàn toàntrong suốt đối với dữ liệu (IP, voice, ethernet…) truyền Hơn nữa, băng thông đượcphân bổ trên bước sóng λ tại mọi thời điểm là không cần thiết Trong thực tế, hầu hếtcác ứng dụng hiện nay chỉ cần kết nối đến bước sóng λ tại một vài thời điểm Ngoài ra,khi môi trường mạng có sự biến động về mật độ đến thì dữ liệu được truyền đi có thểchỉ trong vài giây hoặc ít hơn Rõ ràng có một sự lãng phí

lớn về sử dụng băng thông trong mạng OCS.

Mạng chuyển mạch gói quang (OPS), như được mô tả trong Hình 1.4, là một

mô hình chuyển mạch cho phép chuyển mạch và định tuyến các gói tin IP trongmiền quang mà không cần một chuyển đổi nào về miền điện tử tại mỗi nút Một nútmạng OPS có một ma trận chuyển mạch (switching fabric) có khả năng cấu hình lạiđối với từng gói tin đến Phần dữ liệu (payload) được gửi đi cùng với phần điềukhiển (header) mà không cần bất kỳ thiết lập nào trước khi gửi vào mạng Tại mỗinút lõi, phần dữ liệu được lưu tạm trong một bộ đệm quang, trong khi phần điềukhiển (header) được chuyển đổi từ quang sang điện và được xử lý trong miền điện.Dựa trên thông tin điều khiển, chuyển mạch được cấu hình để chuyển gói quang từmột cổng vào đến một cổng ra và sau đó được truyền đến nút tiếp theo ngay lập tức.Tuy nhiên, do hạn chế về mặt công nghệ hiện tại chưa sản xuất được các bộ đệmquang cũng như các bộ chuyển mạch quang tốc độ cao (mức nano giây) nên mạngOPS khó khả thi trong một tương lai gần [4]

Hình 1.4 Kiến trúc chuyển mạch gói quang OPS [43]

Chuyển mạch chùm quang (OBS), như được mô tả trong Mục 1.1.1, là một giảipháp thỏa hiệp cho hai mô hình OCS và OPS Một so sánh giữa ba mô hình chuyểnmạch quang OCS, OPS và OBS dựa trên năm tiêu chí: mức sử dụng băng thông, độ

trễ thiết lập, tốc độ chuyển mạch, độ phức tạp xử lý và khả năng thích ứng với lưulượng, như được khuyến cáo trong [26], [31] được mô tả chi tiết như sau:

Sử dụng băng thông: Trong mạng OCS, thiết lập đường dẫn quang cũng

giống như thiết lập mạch điện, được thiết lập tĩnh hoặc động Thêm vào đó, toàn bộ

băng thông của mỗi đường dẫn được dành riêng cho một cặp nút nguồn - đích vàbăng thông không sử dụng sẽ không thể được lấy lại bởi cho các nút khác có nhucầu gửi dữ liệu Điều này có nghĩa là công nghệ OCS không cung cấp chức năngghép kênh thống kê Ngược lại, việc sử dụng băng thông liên kết trong mạng OPS

và OBS là được cải thiện đáng kể do lưu lượng giữa các cặp nút nguồn - đích khácnhau được phép chia sẻ băng thông của liên kết, hỗ trợ ghép kênh thống kê

Độ trễ thiết lập: Trong mạng OCS, một thông điệp báo hiệu dành riêng hai

chiều cần được trao đổi giữa mỗi cặp nguồn - đích trước khi thiết lập đường truyềntải quang đầu cuối Điều này phát sinh độ trễ thiết lập cần thời gian dài Mạng OPS

và OBS chỉ sử dụng báo hiệu một chiều Do đó, kiểu truyền tải không kết nối đượccung cấp bởi OPS và OBS giúp làm giảm độ trễ mạng thấp hơn so với mạng OCS

Tốc độ chuyển mạch: Trong mạng OCS, chuyển mạch kênh được thực hiện ở

mức bước sóng quang, có nghĩa là đơn vị chuyển mạch nhỏ nhất là đường quang(lightpath) Vì đường quang có thời gian sử dụng (phục vụ) tương đối dài, tốc độchuyển mạch do đó có thể tương đối chậm Ngược lại, trong mạng OPS, việcchuyển mạch được thực hiện ở cấp gói Các thiết bị chuyển mạch cần thực hiệnnhanh chóng chuyển các gói quang đến các cổng ra tiếp theo khi chúng đến Do đó,khả năng chuyển mạch và đặt trước tài nguyên nhanh là điều cần thiết trong mạngOPS Đối với mạng OBS, do đơn vị chuyển mạch là chùm lớn hơn và thời gian bùđắp được thiết lập liên quan đến việc này nên các yêu cầu chuyển mạch có thể đượccoi là vừa phải

Độ phức tạp xử lý: Tiêu chí này liên quan đến mức độ chi tiết (tinh vi) của

chuyển mạch Độ phức tạp xử lý được yêu cầu bởi các đường quang trong mạng OCStương đối thấp khi so sánh với mạng OPS và OBS Trong mạng OPS, vì đơn vị chuyển

mạch là các gói riêng lẻ và mỗi gói có phần điều khiển cần xử lý riêng cho nên độphức tạp sẽ khá cao Trong mạng OBS, đơn vị chuyển mạch là chùm dữ liệu (tổnghợp từ nhiều gói riêng lẻ), nên độ phức tạp xử lý là ở giữa hai mô hình mạng OCS

và OPS

Khả năng thích ứng lưu lượng: Mạng OPS và OBS cải thiện việc sử dụng tài

nguyên mạng bằng cách ghép kênh thống kê các luồng dữ liệu, đặc biệt phụ thuộcvào loại dữ liệu được vận chuyển qua mạng OPS và OBS là phù hợp với lưu lượng

dữ liệu truy cập dạng gói/chùm so với mạng OCS, mà ở đó việc chuyển mạch đượcthực hiện ở mức đơn vị bước sóng và độ trễ khá cao

Những lợi thế của công nghệ OBS trở nên rõ ràng, đặc biệt nếu được xem xétcùng với những cải tiến công nghệ có thể nhìn thấy trong tương lai gần Bảng 1.1chứng tỏ tại sao mạng OBS thường được xem như một công nghệ kết hợp các ưuđiểm của cả OCS và OPS, đồng thời tránh những hạn chế tương ứng của chúng

Bảng 1.1 So sánh các mô hình chuyển mạch quang [26]

1.1.3 Các hoạt động tại nút biên

Tùy thuộc vào trạng thái gửi/nhận, nút biên có thể được xem là nút vào hoặc

ra Khi hoạt động như nút biên vào, như được thể hiện trong Hình 1.5, nó chịu tráchnhiệm thực hiện các chức năng: tập hợp chùm, thiết lập kết nối, ước lượng thời gian

bù đắp cho gói điều khiển Được giải thích chi tiết như sau

Tập hợp chùm: là quá trình tập hợp các gói tin điện tử và đóng gói thành chùm

dữ liệu tại nút biên vào của mạng OBS được mô tả chi tiết trong Hình 1.6 Đầu tiên,

nút biên vào duy trì nhiều hàng đợi để tổng hợp dữ liệu từ mạng truy cập theo địachỉ đích và yêu cầu phân biệt lớp QoS, sau đó tập hợp chúng từ một trong các hàngđợi này theo một thuật toán tập hợp chùm phù hợp Một số thuật toán tập hợp chùm

đã được đề xuất và thường có những thông số sau: bộ đếm thời gian (timer), kíchthước chùm tối thiểu và kích thước chùm tối đa Trong đó, bộ đếm thời gian được

sử dụng bởi nút biên để quyết định khi nào tập hợp một chùm mới

Hình 1.5 Nút biên vào mạng chuyển mạch chùm quang [8]

Hình 1.6 Tập hợp và tách chùm tại nút biên mạng chuyển mạch chùm quang [43]

Các thông số kích thước chùm tối thiểu và tối đa xác định độ dài chùm được tập

hợp Những thông số kể trên cần được thiết lập kỹ lưỡng, bởi vì độ dài của chùm dài

sẽ chiếm giữ tài nguyên mạng trong những khoảng thời gian dài, dễ gây mất dữ liệu,trong khi chùm độ dài ngắn gây ra sự gia tăng số lượng các gói điều khiển lưu thôngtrong mạng

Hoạt động tập hợp chùm còn gây ảnh hưởng đến vấn đề công bằng (fairness)đối với các luồng dữ liệu trong mạng OBS, đặc biệt là trong môi trường có phânbiệt CLDV [1], [65], [66], [67] Những vấn đề công bằng được quan tâm trong hoạtđộng tập hợp chùm bao gồm công bằng độ trễ và công bằng thông lượng Các tácgiả trong [1], [65], [66], [67] đã đề xuất một số giải pháp nhằm đồng thời vừa nângcao hiệu năng tập hợp chùm, vừa đảm bảo công bằng cho các luồng ưu tiên cao và

ưu tiên thấp khi được tập hợp

Các cơ chế thiết lập kết nối: để truyền tải chùm trên đường đi qua các nút lõi,

một kết nối tạm thời cần được thiết lập giữa một cặp nút biên vào - ra Theo đó, việcphân bổ và điều chỉnh tài nguyên mạng cần thiết cho việc truyền tải chùm được thựchiện bao gồm ba thành phần chính [61]: (1) báo hiệu, dùng để thiết lập kết nối chochùm; (2) định tuyến, sử dụng để quyết định đường đi của chùm trên mạng; (3) cấpphát bước sóng, xác định số bước sóng cụ thể để truyền chùm

Báo hiệu: là một chức năng rất quan trọng trong mạng OBS, được dùng để

thiết lập một kết nối giữa cặp nút biên nguồn - đích trong mạng OBS đối với một

chùm được tập hợp Có hai loại báo hiệu: đặt trước tài nguyên một chiều hoặc đặttrước tài nguyên hai chiều (đầu - cuối)

Định tuyến: là quá trình chọn đường đi dọc theo tuyến đường đã chọn để gửi

dữ liệu Do đó, là một chức năng quan trọng ảnh hưởng đến hiệu năng mạng vàđược thực hiện theo ba cách khác nhau: (1) định tuyến từ nút này sang nút khác(hop-by-hop); (2) dựa vào giao thức định tuyến chuyển mạch nhãn đa giao thức suyrộng GMPLS và (3) sử dụng thiết lập tính toán trước

Cấp phát bước sóng: dọc theo tuyến đường đã chọn, mỗi liên kết phải được gán

một bước sóng mà trên đó các chùm được mang Trong mạng OBS, cấp phát bước

sóng có và không có chuyển đổi bước sóng tại các nút trung gian là có thể Theo đóchuyển đổi bước sóng có thể là cố định, có phạm vi giới hạn, phạm vi không giớihạn hoặc được phân bố thưa thớt [46].

Ước lượng thời gian bù đắp: như đã đề cập, việc truyền gói điều khiển diễn ra

trước khi truyền tải chùm dữ liệu với mục đích là đặt trước tài nguyên để chuyểntiếp tại mỗi nút trung gian mà không cần sử dụng bộ đệm hoặc xử lý nào [30] Do

đó, việc ước tính và thiết lập thời gian bù đắp phù hợp là rất quan trọng cho hiệunăng mạng Lý tưởng nhất, việc ước tính thời gian bù đắp nên được dựa trên sốlượng các nút OBS đi qua và thời gian xử lý thiết lập chuyển mạch tại mỗi nút Tuynhiên trong thực tế, số lượng các nút trung gian có thể không được biết đối với nútbiên vào (nguồn) Hơn nữa, mức độ tắc nghẽn hiện tại trong mạng OBS cũng cầnphải tính đến trong ước tính thời gian bù đắp để đạt được một xác suất mất chùm cóthể chấp nhận được Nếu thời gian ước tính không chính xác thì có thể dẫn đến giatăng tình trạng mất chùm Vì vậy, việc ước tính thời gian bù đắp trong mạng OBS làrất quan trọng để đạt được sử dụng tài nguyên cao và tỉ lệ mất chùm thấp

1.1.4 Các hoạt động tại nút lõi

Các nút trung gian (nút lõi) nằm trong lõi mạng OBS, nơi thực hiện việcchuyển tiếp chùm dữ liệu một cách trong suốt (xem Hình 1.7) Nút lõi thực hiện haichức năng chính sau: lập lịch tài nguyên và xử lý tranh chấp chùm

Lập lịch tài nguyên: việc đặt trước tài nguyên tại nút lõi là nhằm đảm bảo các

chùm không bị ảnh hưởng trong việc chuyển mạch và truyền từ cổng vào đến cổng ra

Có được quá trình trên là do gói điều khiển chứa thông tin về chùm tương ứng, baogồm: thời gian bù đắp và kích thước chùm Dựa trên thông tin này, các nút lõi lập lịchtài nguyên bên trong các bộ chuyển mạch sao cho chùm có thể được chuyển tiếp quachúng một cách thông suốt Mục đích chính của việc lập lịch này là cực tiểu hóa các

“khoảng hở” ( ) trên mỗi kênh, trong đó khoảng hở là khoảng thời gian giữa bắt đầuchùm đến chưa được lập lịch và kết thúc của chùm đã được lập lịch trên cùng bướcsóng ra Lập lịch kênh trong mạng OBS khác với lập lịch trong mạng IP

truyền thống Trong mạng IP, mỗi nút trung gian lưu tạm các gói tin trong các bộđệm điện tử và lập lịch cho chúng trên cổng ra mong muốn [17] Trong OBS, mỗikhi chùm đến tại một nút lõi, nó phải được chuyển tiếp ngay đến nút tiếp theo màkhông hề có lưu tạm Trong luận án này, giả thiết rằng mỗi nút lõi OBS đều được hỗtrợ chuyển đổi bước sóng hoàn toàn, một chùm đến trên một bước sóng đều có thểđược chuyển đổi sang bất kỳ bước sóng nào để phục vụ cho quá trình điều khiểnchấp nhận lập lịch.

Hình 1.7 Cấu tạo nút lõi mạng chuyển mạch chùm quang [43]

Các kênh ra khả dụng cho việc lập lịch cần duy trì thời điểm chưa lập lịch khảdụng gần nhất và các khoảng trống ( ), là khoảng băng thông nhàn rỗi giữa hai chùm

đã được lập lịch liên tiếp, trên mọi kênh dữ liệu ra Dựa trên các thông tin này, khi

có một chùm đến, một thuật toán sẽ được gọi để thực hiện lập lịch cho chùm này.Các thuật toán lập lịch có thể được phân thành 2 loại: lấp đầy khoảng trống vàkhông lấp đầy khoảng trống Các thuật toán chủ yếu khác nhau ở kiểu và số lượng

thông tin trạng thái được duy trì trên mỗi kênh tại mỗi cổng ra của một nút Cũngcần lưu ý rằng, việc lựa chọn thuật toán lập lịch cũng phụ thuộc vào thuật toán tậphợp chùm được sử dụng tại nút biên vào, vì thông tin mà gói điều khiển có thể cungcấp phụ thuộc vào thuật toán tập hợp chùm đã tạo ra chùm này.

Xử lý tranh chấp: mạng OBS cung cấp truyền tải không kết nối thông qua các

kênh bước sóng hỗ trợ ghép kênh thống kê Trong điều kiện trên, hoàn toàn có thể

có các chùm tranh chấp nhau tại các nút trung gian Điều này có thể xảy ra bởi vìcác yêu cầu kết nối được thực hiện bởi nút biên vào thường sử dụng các giao thứcđặt chỗ một chiều JET [50], trong đó các chùm dữ liệu được truyền đi mà không có

sự chắc chắn rằng các tài nguyên dọc theo tuyến đường sẽ được đặt trước thànhcông Vì vậy, tranh chấp xảy ra khi một chùm đến tại một nút lõi nếu tất cả tàinguyên ở đây đang bận hoặc nếu hai hay nhiều chùm đến đồng thời tranh chấp cùngmột tài nguyên Mất chùm là một vấn đề quan trọng vì nó có tác động đáng kể đếnbất kỳ ứng dụng đầu-cuối nào đang chạy ở lớp trên và làm giảm hiệu năng tổng thểtrên toàn mạng Hơn nữa, tranh chấp là nguyên nhân chính gây ra mất mát và xử lýtranh chấp là một trong những mục tiêu chính được thiết kế trong mạng OBS Giảipháp để tránh tranh chấp chùm là chùm nào gây ra tranh chấp thì “lệch hướng”chùm đó Điều này có thể thực hiện bằng các kỹ thuật lệch hướng về mặt thời gian,không gian, bước sóng hoặc kết hợp các kỹ thuật này Trên thực tế, thời gian, khônggian và bước sóng là độc lập, bất kỳ kỹ thuật từ miền nào cũng có thể kết hợp với

Cách tiếp cận để xử lý tranh chấp bằng cách sử dụng mỗi một trong ba miền đề cập

ở trên có thể gồm: bộ đệm quang (miền thời gian), định tuyến lệch hướng (miềnkhông gian) và chuyển đổi bước sóng (miền bước sóng), cụ thể:

- Bước sóng: một chùm tranh chấp trên một bước sóng nào đó có thể truyền

trên một bước sóng khác thông qua việc chuyển đổi bước sóng

- Không gian: một chùm tranh chấp có thể gửi đến một cổng ra khác, sau đó

định tuyến trên một tuyến đường khác để đến đích [13]

- Thời gian: bằng cách đi qua một đường trễ quang FDL, chùm tranh chấp có

thể trì hoãn việc ra cổng ra trong một khoảng thời gian [13], [50].

Nếu chùm tranh chấp không thể lệch hướng, do thiếu bước sóng cung cấp ởcổng ra hay đường trễ quang FDL không khả dụng, thì việc mất dữ liệu là không thểtránh khỏi Cụ thể đây là cơ chế đánh rơi chùm theo chủ định (đối với những chùm

ưu tiên thấp) Ngoài ra, cơ chế này còn cho phép một chùm chiếm quyền ưu tiên củamột chùm khác dựa trên mức độ ưu tiên hoặc đặc điểm luồng đến Một giải phápkhác nhằm giảm mất mát dữ liệu là phân đoạn chùm [68], [69], ở đó phần chùmchồng lấp sẽ bị loại bỏ, trong khi phần chùm không chồng lấp được lập lịch để điđến nút tiếp theo Bảng 1.2 so sánh các phương pháp xử lý tranh chấp

Bảng 1.2 So sánh giữa các tiếp cận xử lý tranh chấp trong mạng OBS [32]

xử lý tranh chấp

Sử dụng đường trễ Phương pháp này tương đối Tăng độ trễ, tạo ra nhiều

Không giống như các phương pháp xử lý tranh chấp nêu trên được xem là cácphương pháp thụ động, người ta còn sử dụng phương pháp chủ động để giải quyếtvấn đề, bằng cách thống kê tỉ lệ mất chùm trên các bước sóng khác nhau và sắp xếpchúng theo các mức độ ưu tiên khác nhau Các chùm đến có mức độ ưu tiên cao sẽđược đưa vào bước sóng ưu tiên cao và ngược lại Tuy nhiên, phương pháp này chỉ

có thể thực hiện tại nút biên nếu không tiến hành chuyển đổi bước sóng

(a)

(b) Hình 1.8 Hai mô hình đường trễ FDL: (a) kiểu truyền thẳng, (b) kiểu hồi quy

1.1.5 Lập lịch trong mạng OBS

Lập lịch trong mạng OBS là một hoạt động quan trọng có tác động chính đốivới hiệu năng truyền thông qua mạng OBS Lập lịch được thực hiện tại nút biên vànút lõi Tuy nhiên do nút biên được trang bị các bộ đệm cho các chùm sau khi tậphợp nên việc lập lịch có thể được điều khiển dễ dàng bởi một mô hình dựa trên bộđệm nào đó nếu có xung đột xảy ra Tại nút lõi, do không có bộ đệm, một chùm đến

sẽ bị đánh rơi nếu không tìm thấy tài nguyên phù hợp để lập lịch nó Luận án nàytập trung vào vấn đề lập lịch tại các nút lõi

Hình 1.9 Sự khác biệt của các thuật toán lập lịch khác nhau

Việc lập lịch lên một kênh ra tại một cổng ra của một nút lõi được mô tả như Hình1.9 Một chùm đến, được đặc trưng bởi cặp đại lượng: thời điểm đến ( ) và độ dài chùm( ), một giải thuật lập lịch sẽ được gọi để tìm kiếm băng thông nhàn rỗi trên các kênh rakhả dụng cho việc lập lịch chùm này Băng thông nhàn rỗi là phần băng thông của mộtkênh ra mà chưa bị chiếm dụng bởi một chùm khác trước đó Giả sử tại cổng ra cótrang bị các bộ chuyển đổi đầy đủ, một chùm đến trên một bước sóng nào đó có thểđược chuyển đổi thành một bước sóng bất kỳ tương ứng với kênh ra có băng thôngnhàn rỗi Trong trường hợp cổng ra chỉ được trang bị các bộ chuyển đổi bước sóng giớihạn, miền chuyển đổi bước sóng cho chùm đến sẽ bị thu hẹp; đặc

biệt khi không có bộ chuyển đổi nào được trang bị, chùm đến chỉ được xem xét lậplịch trên kênh có cùng bước sóng với nó Đặt giả thiết cổng ra được trang bị các bộchuyển đổi bước sóng đầy đủ.

Mỗi kênh ra duy trì một giá trị , là thời điểm sau cùng nhất của băng thông khảdụng chưa được sử dụng Tuy nhiên, như mô tả trong Hình 1.9, các khoảng trống( ), khoảng băng thông nhàn rỗi được tạo ra giữa 2 chùm được lập lịch liên tiếp,thực tế là khá phổ biến trên mỗi kênh ra, nên một chùm đến có thể được xem xét đểlập lịch vào các khoảng trống này Mô hình lập lịch này được gọi là lập lịch lấp đầykhoảng trống Như vậy, mỗi kênh ra, ngoài việc duy trì giá trị , thông tin về cáckhoảng trống: thời điểm bắt đầu ( ) và kết thúc ( ), cũng phải được duy trì Thực tế,mỗi kênh chỉ cần duy trì thông tin khoảng trống sau cùng nhất [44]

Dựa vào cách thức khai thác băng thông nêu trên, có 2 loại thuật toán lập lịchđược xem xét cho một chùm đến: lập lịch không lấp đầy khoảng trống, như FFUC,LAUC [25] và lập lịch lấp đầy khoảng trống, FFUC-VF, LAUC-VF [29], Min-EV[41], BF-VF [47]

Như mô tả ở Hình 1.9, các thuật toán lập lịch không lấp đầy khoảng trống(FFUC và LAUC) bỏ qua thông tin khoảng trống và chỉ so sánh thời điểm đến củachùm đến ( ) và của mỗi kênh ra Nếu > , chùm đến sẽ được lập lịch lên kênh thứcủa cổng ra Sự khác biệt của FFUC và LAUC là trong khi FFUC chọn kênh khảdụng đầu tiên đáp ứng điều kiện lập lịch trên (Hình 1.9a), thì LAUC sẽ chọn kênh

có khoảng hở ( ) nhỏ nhất (Hình 1.9b) Khoảng hở là khoảng cách từ thời điểm đếncủa chùm đến tới Mô hình LAUC có độ phức tạp lớn hơn FFUC vì phải duyệt quatất cả các kênh đển chọn kênh có khoảng hở bé nhất

Với các thuật toán lập lịch lấp đầy khoảng trống, nếu > , tiến trình lấp đầy khoảng trống sẽ được kích hoạt FFUC-VF sẽ tìm khoảng trống phù hợp đầu

tiên ( > và < , trong đó độ dài khoảng trống = − ), như Hình 1.9c, trong khi LAUC-VF sẽ tìm khoảng trống có khoảng hở đầu, là khoảng cách từ thời điểm đến của chùm đến đến thời điểm bắt đầu của khoảng trống

23