Định tuyến NAN trong mạng chuyển mạch burst quang

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG MAI TUẤN CƯỜNG ĐỊNH TUYẾN NAN TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH BURST QUANG Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60.52.70 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI – NĂM 2013 Luận văn được hoàn thành tại: HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS BÙI TRUNG HIẾU Phản biện 1: …………………………………………………………………………… Phản biện 2: ………………………………………………………………………… Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Vào lúc: giờ ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông 1 LỜI NÓI ĐẦU Công nghệ viễn thông trong những năm gần đây đã và đang có những bước phát triển rất mạnh mẽ để đáp ứng nhu cầu sử dụng ngày càng phong phú của người dùng, đặc biệt là sự bùng nổ lưu lượng trong mạng Internet và mạng di động. Với đặc tính truyền dẫn ưu việt, băng thông gần như vô hạn, giá thành rẻ, công nghệ truyền dẫn quang nổi lên như là một công nghệ đầy tiềm năng cho mạng Internet thế hệ sau. Hầu hết mạng lưới truyền dẫn trên thế thới cũng như ở Việt Nam hiện này đều đã được cáp quang hóa. Tuy nhiên, việc sử dụng công nghệ chuyển mạch kênh như hiện tại cho mạng truyền dẫn quang WDM bộc lộ nhược điểm về lãng phí băng thông. Do vậy, gần đây chuyển mạch Burst quang đang nhận được nhiều sự quan tâm, với rất nhiều nghiên cứu về khả năng áp dụng nó vào trong thực tế. Một vấn đề quan trọng trong chuyển mạch Burst quang đó là giải quyết tranh chấp tài nguyên giữa các Burst quang. Với yêu cầu truyền tải một lưu lượng lớn các Burst với cơ sở hạ tầng phần cứng ở mức tối thiểu nhất thì phải có các giải pháp giải quyết tranh chấp xung đột tài nguyên rất hiệu quả. Đã có rất nhiều các giải pháp giải quyết tranh chấp được nghiên cứu và đưa ra trên thế giới. Trên cơ sở đó, luận văn này sẽ đưa ra và trình bày một giải pháp giải quyết tranh chấp tài nguyên cho mạng chuyển mạch Burst quang đó là “ Thuật toán định tuyến NAN (Next Available Neighbour)”. Nội dung luận văn bao gồm 3 chương. Chương 1: Tổng quan về chuyển mạch Burst quang. Chương này sẽ giới thiệu những kiến thức cơ bản về chuyển mạch Burst quang. Chương 2: Các cơ chế chống xung đột Burst quang. Chương này sẽ giới thiệu các cơ chế giải quyết xung đột Burst quang đã được nghiên cứu và đề xuất. Chương 3: Thuật toán định tuyến NAN trong chuyển mạch Burst quang. Chương này sẽ đưa ra và trình bày về cơ chế sử dụng thuật toán định tuyến NAN để giải quyết xung đột trong mạng chuyển mạch Burst quang. 2 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CHUYỂN MẠCH BURST QUANG Chương này sẽ giới thiệu tổng quan mạng truyền dẫn quang, sự phát triển bùng nổ của cáp quang trong viễn thông từ những tuyến truyền dẫn đơn lẻ thành một mạng truyền dẫn quang và đang hướng tới một mạng toàn quang. Trong chương này cũng giới thiệu về ba công nghệ chuyển mạch quang là chuyển mạch gói quang, chuyển mạch kênh quang và sau đó đi sâu vào các đặc điểm, kiến trúc mạng của chuyển mạch Burst quang. 1.1 Sự phát triển của mạng truyền dẫn quang Như chúng ta đều biết công nghệ viễn thông đang thay đổi rất nhanh chóng nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người. Với băng thông gần như vô hạn, nguyên liệu chế tạo rẻ, đặc tính truyền dẫn vượt trội, cáp quang đã nhanh chóng được sử dụng rộng khắp trên toàn thế giới không chỉ ở mạng đường trục, mạng lõi mà cả mạng truy nhập. Như vậy, nhu cầu về một hệ thống chuyển mạch quang để nâng cao tốc độ và dung lượng chuyển mạch và hướng đến một mạng toàn quang là tất yếu nhằm đáp ứng nhu cầu về băng thông ngày càng cao hiện nay. 1.2. Các công nghệ chuyển mạch quang Cũng như chuyển mạch điện, chuyển mạch quang cũng có nhiều phương thức, công nghệ khác nhau, trong phần này sẽ giới thiệu ba công nghệ chuyển mạch quang đã và đang được nghiên cứu. 1.2.1.Chuyển mạch kênh quang Trong chuyển mạch kênh quang [2], một kênh quang sẽ được thiết lập giữa một nút nguồn và một nút đích trước khi quá trình truyền dữ liệu bắt đầu và sẽ được duy trì đến khi quá trình truyền dữ liệu kết thúc. 1.2.2.Chuyển mạch gói quang Trong chuyển mạch gói quang [2], thông tin được đóng thành các gói quang và mỗi gói sẽ được gắn một tiều đề (header) chứa thông tin điều khiển. Các gói quang sẽ được định tuyến và chuyển mạch trong miền toàn quang mà không cần phải chuyển sang miền điện tại các nút trung gian. Việc truyền gói tin trong mạng sẽ không cần phải thực hiện thiết lập trước kênh truyền mà gói tin sẽ được gửi ngay vào trong mạng. 3 Khi tới nút trung gian, header của gói tin được tách ra khỏi phần dữ liệu và được xử lý để quyết định cổng đầu ra. 1.2.3.Chuyển mạch Burst quang 1.2.3.1.Giới thiệu chuyển mạch Burst Chuyển mạch Burst quang (Optical Burst Switching: OBS) được thiết kế nhằm kết hợp những ưu điểm của chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói. OBS không cần đến bộ đệm quang ở các nút trung gian, trong khi cực tiểu thời gian thiết lập và cực đại hiệu quả sử dụng băng thông kết nối. Hình 1.3: Quá trình báo hiệu và truyền Burst trong mạng chuyển mạch Burst quang 1.2.3.2 Kiến trúc mạng chuyển mạch Burst Mạng chuyển mạch Burst quang bao gồm các nút chuyển mạch Burst quang được liên kết với nhau thông qua các liên kết bằng sợi quang. Các nút trong mạng chuyển mạch Burst quang được chia làm hai loại chính là nút biên và nút lõi. Nút biên có chức năng tách/lập Burst, tạo bản tin điều khiển, định tuyến, gán bước sóng, và báo hiệu. Nút lõi có chức năng chuyển mạch các Burst dữ liệu từ cổng đầu vào tới cổng đầu ra mong muốn dựa trên thông tin từ bản tin điều khiển mà nút biên gửi tới. Ngoài ra nút lõi còn có chức năng giải quyết tranh chấp tài nguyên giữa các Burst nếu nó xảy ra. 4 Hình 1.4: Mạng chuyển mạch Burst quang 1.2.3.3 Thiết lập và tách Burst Quá trình lập Burst được minh họa trong hình 1.7. Đây là quá trình xử lý việc đóng gói từ các gói tin đầu vào thành từng Burst dữ liệu tại các nút biên trong mạng chuyển mạch Burst quang. Hình 1.7: Quá trình lập Burst Hiện tại có hai phương pháp chủ yếu được sử dụng để lập Burst đó là dựa vào thời gian ( Timer Base) và dựa vào mức ngưỡng (Threshold Base) như được mô tả ở hình 1.8 và 1.9. 5 Hình 1.8: Lập Burst dựa trên Timer Base Hình 1.9: Lập Burst dựa trên mức ngưỡng Ngược lại với lập Burst là quá trình tách Burst. Đây là quá trình cũng được thực hiện tại các nút biên đích, tại đây Burst được chuyển sang miền điện và lưu trong các bộ đệm trước khi được tách ra thành các gói tin IP ( ATM, SONET ) như ban đầu khi nó được đưa vào mạng OBS. Việc tách Burst cần có các thông tin ở quá trình lập Burst ban đầu để đảm bảo các gói tin được tách ra chính xác như lúc được ghép ở đầu vào. Quá trình tách Burst được minh họa ở Hình 1.10. Kênh dữ liệu Nút biên đích 3 Burst 1 Burst 2 Burst 3 21 Gói tin điều khiển Kênh điều khiển IP (ATM hoặc Ethernet) IP (ATM hoặc Ethernet) Hình 1.10: Quá trình tách Burst 1.3 Báo hiệu trong chuyển mạch Burst quang 1.3.1.Tổng quát về báo hiệu trong chuyển mạch Burst Hệ thống báo hiệu đóng vai trò vô cùng quan trọng trong các mạng viễn thông nói chung cũng như mạng OBS nói riêng. Nó thực hiện chức năng chuyển thông tin 6 liên quan đến thiết lập, giám sát và giải phóng cuộc gọi từ điểm này đến điểm khác hay từ nút mạng này đến nút mạng khác. 1.3.2.Một số loại giao thức báo hiệu điển hình trong chuyển mạch Burst Trong phần này sẽ giới thiệu bốn giao thức báo hiệu cơ bản trong mạng chuyển mạch Burst . 1.3.2.1.Giao thức báo hiệu Tell and Go (TAG) 1.3.2.2. Giao thức báo hiệu Tell-and-Wait (TAW) 1.3.2.3.Giao thức báo hiệu Just-In-Time (JIT). 1.3.2.4.Giao thức báo hiệu Just Enough Time (JET). 1.4.Kết luận chương Chương này đã giới thiệu một cách cơ bản và so sánh một số tính chất nổi bật của ba công nghệ chuyển mạch quang là chuyển mạch kênh, gói và Burst. Sau đó là phần đi sâu vào trình bày các đặc điểm của chuyển mạch Burst, kiến trúc mạng và nút của mạng OBS để người đọc có những kiến thức cơ bản về OBS. Phần cuối của chương trình bày khá chi tiết về các loại báo hiệu trong OBS để làm tiền đề cho chương 2 khi đi sâu vào phân tích các giải pháp giải quyết xung đột Burst quang. 7 Chương 2: CÁC GIẢI PHÁP CHỐNG XUNG ĐỘT BURST QUANG Để giải quyết xung đột Burst, có 4 phương pháp cơ bản thường được thực hiện, đó là: đệm bằng bộ trễ quang, chuyển đổi bước sóng, phân đoạn Burst và định tuyến lệch hướng. 2.1.Giải pháp sử dụng bộ đệm quang Một phương pháp đơn giản nhất để giải quyết sự xung đột tài nguyên nói chung trong viễn thông là sử dụng bộ đệm. Với phương thức này, tín hiệu quang sẽ được cho chạy qua một đoạn sợi quang có chiều dài xác định để làm trễ tín hiệu trong một khoảng thời gian xác định. 2.2.Giải pháp chuyển đổi bước sóng Trong WDM, nhiều bước sóng được ghép cùng lúc trên một liên kết kết nối hai chuyển mạch quang. Nhiều bước sóng có thể giảm tối thiểu số lượng xung đột. Giả sử rằng có hai burst đều đi đến một đích và ra ở cùng ngõ ra tại cùng thời điểm. Khi đó nếu có hai bước sóng khác nhau ở cùng trên cổng đầu ra đó thì hai burst vẫn có thể truyền đi tiếp đến nút đích. 2.3.Giải pháp phân mảnh Burst Một cách tiếp cận khác khi giải quyết tranh chấp tài nguyên trong mạng chuyển mạch Burst đó là phân nhỏ Burst thành từng mảnh khi có tranh chấp và chỉ loại bỏ các mảnh chồng lấn khi xung đột [3]. Như vậy độ phức tạp của mạng sẽ tăng lên nhưng đổi lại việc mất dữ liệu khi xung đột xảy ra sẽ được giảm bớt do thay vì phải hủy cả Burst thì giờ chỉ phải hủy một vài mảnh nhỏ của Burst có chống lấn với nhau. 2.4.Giải pháp định tuyến lệch hướng Trong định tuyến lệch hướng, xung đột Burst được giải quyết bằng cách định tuyến Burst dữ liệu sang một cổng đầu ra khác mà nó vẫn có thể đi đến được đích. Quá trình thực hiện định tuyến lệch hướng được mô tả qua các bước sau: Bước 1: Nút nguồn truyền đi một gói điều khiển. Bước 2: Nút trung gian xử lí gói điều khiển và cố gắng đăng ký trước một kênh đầu ra phù hợp cho burst theo thông tin trong bản tin điều khiển. Bước 3: Nút nguồn truyền đi burst sau một khoảng thời gian lệch (offset). 8 Bước 4: Nếu tại nút trung gian đăng ký được kênh đầu ra phù hợp cho Burst tức là mạng không bị nghẽn (đối với Burst đang được đăng ký) thì khi Burst đến nó sẽ chuyển Burst sang khối thực hiện lập lịch để gán Burst lên kênh đầu ra và đi đến đích. Nếu không đăng ký được thì chuyển sang bước 5. Bước 5: Nút trung gian không đăng ký được kênh đầu ra theo yêu cầu của Burst đến nên nó sẽ chuyển Burst sang xử lý định tuyến lệch hướng. Đầu tiên nó sẽ kiểm tra Burst sắp đến đã phải áp dụng định tuyến lệch hướng quá số lần qui định Ndmax chưa. Nếu đúng thì Burst đó sẽ bị hủy, nếu không chuyển bước 6. Bước 6: Nút trung gian căn cứ vào thông tin địa chỉ đích của Burst để tìm tuyến đường lệch hướng mới phù hợp. Nếu tìm được nó sẽ chuyển Burst sang tuyến mới vừa tìm được, nếu không nó sẽ hủy Burst. Hình 2.5: Lưu đồ định tuyến lệch hướng [...]... các kiến thức cơ bản về chuyển mạch Burst quang và các giải pháp giải quyết tranh chấp tài nguyên trong mạng chuyển mạch Burst quang Phần cuối cùng, luận văn đã đề xuất và trình bày giải pháp sử dụng định tuyến NAN để giải quyết tranh chấp tài nguyên trong mạng OBS Giải quyết tranh chấp tài nguyên trong mạng chuyển mạch Burst quang là vấn đề khá phức tạp và hiện nay vẫn đang trong quá trình nghiên cứu... lại vào mạng sau khi có tài nguyên phù hợp 3.2.2 Lưu đồ quá trình định tuyến NAN trong mạng OBS Sau khi khảo sát quá trình Burst được truyền vào trong mạng và được xử lý xung đột tài nguyên bằng phương pháp định tuyến NAN ở trên ta có thể đưa ra lưu đồ giải thuật cho cơ chế sử dụng thuật toán định tuyến NAN để giải quyết xung đột Burst như sau: Hình 3.7: Lưu đồ quá trình định tuyến NAN trong mạng OBS... quyết xung đột Burst làm tiền đề cho việc đề xuất một giải pháp mới được giới thiệu ở chương 3 10 Chương 3: THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN NAN (Next Available Neighbour) Trong chương này sẽ giới thiệu một thuật toán định tuyến khá mới là NAN (Next Available Neighbour) được đề xuất sử dụng trong mạng chuyển mạch Burst để giải quyết xung đột Burst quang 3.1 .Định tuyến NAN (Next Available Neighbour) Trong trường... là nút NAN Khi Burst được truyền đến nút lõi nó sẽ định tuyến Burst sang nút NAN Do có tài nguyên phù hợp nhất và đã được báo trước qua bản tin điều khiển NAN- CP nên nút NAN sẽ tiếp nhận Burst đến và tiếp tục định tuyến Burst đó đến đích Trong trường hợp xấu nhất là nút NAN đó cũng xảy ra xung đột thì nó cũng sẽ không hủy Burst mà chuyển đổi O/E, lưu nó trong bộ đệm và sẽ chèn lại Burst vào mạng ngay... tương tự như trong định tuyến lệch đường ( Deflection routing), trong định tuyến NAN cũng phải sử dụng một bộ đếm hoặc một phương pháp nào đó để tính được thời gian mà Burst đã được đưa vào quá trình định tuyến NAN Khi tính được thông tin này của Burst ta sẽ tránh được việc Burst sẽ bị chèn đi chèn lại liên tục vào trong mạng mà vẫn không đến được đích hoặc Burst sẽ bị lặp vòng trong mạng bằng cách... trễ quang (FDL) tại các nút mạng, nếu các Burst được định tuyến lệch hướng thì sẽ phải được định tuyến chạy qua các bộ trễ quang để bù thời gian trễ do đi theo hướng khác xa hơn Tuy nhiên trong định tuyến NAN, do đã có các bộ đệm điện tại mỗi nút nên khi cần bù thời gian trễ này các Burst sẽ được lưu vào trong bộ đệm điện Qua việc trình bày về định tuyến NAN ở trên ta có thể thấy một số ưu điểm của định. .. pháp định tuyến NAN để giải quyết tranh chấp thì nó sẽ định tuyến Burst xung đột sang một nút bên cạnh để tiếp tục định tuyến nó đến đích Giả sử trong trường hợp xấu nhất nút bên cạnh cũng bận nó sẽ lưu Burst vào bộ đệm rồi chèn lại vào mạng ngay sau đó để định tuyến nó đến đích khi tài nguyên đã giải phóng Khi đó tổng thời gian trễ của Burst khi đến đích sẽ là: TD2 = nTNAN + TO/E/O + TNAN-D Trong. .. không được thông suốt trong miền quang Tuy nhiên trong lúc sự phát triển về công nghệ bộ đệm quang vẫn chưa đáp ứng được yêu cầu thì đây cũng là một giải pháp hữu hiệu cần xem xét 26 KẾT LUẬN Luận văn “ Định tuyến NAN trong mạng chuyển mạch Burst quang đã đáp ứng được đủ các nội dung trong đề cương, nội dung chính của luận văn bao gồm: Trình bày tổng quan về các lọai chuyển mạch quang và đi sâu vào... hợp Burst sẽ được lưu và chèn lại vào mạng sau khi tài nguyên được giải phóng [7] Thuật toán này là một giải pháp bổ sung cho các giải pháp giải quyết xung đột tài nguyên của Burst và được gọi là định tuyến NAN ( Next Available Neighbour Routing) Thuật toán định tuyến NAN được đề xuất để giải quyết xung đột trong mạng chuyển mạch Burst quang nhưng nó cũng có thể được ứng dụng trong nhiều loại mạng. .. từ lúc được định tuyến NAN đến lúc đến được đích nTNAN : Thời gian xử lý bản tin điều khiển qua n nút từ nút NAN đến nút đích TO/E/O : Thời gian trễ chuyển đổi qua bộ đệm điện TNAN-D : Thời gian truyền Burst từ nút NAN đến nút đích Ta thấy rằng với TCP ≈ TNAN ≈ TO/E trong khi đó h+k > n, TS-D > TNAN-D thì TD2 < TD1 , còn trong trường hợp nút NAN gần đích thì h+k >> n và TS-D + TNAN-S >> TNAN-D thì TD2 . truyền Burst trong mạng chuyển mạch Burst quang 1.2.3.2 Kiến trúc mạng chuyển mạch Burst Mạng chuyển mạch Burst quang bao gồm các nút chuyển mạch Burst quang. xử lý để quyết định cổng đầu ra. 1.2.3 .Chuyển mạch Burst quang 1.2.3.1.Giới thiệu chuyển mạch Burst Chuyển mạch Burst quang (Optical Burst Switching: