470 article text 847 1 10 20200731 4678

UED JOURNAL OF SOCIAL SCIENCES, HUMANITIES AND EDUCATION VOL.3, NO.3 (2013) CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU NĂNG THUẬT TOÁN LẬP LỊCH TRÊN MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG OBS THE FACTORS AFFECT TO PERFORMANCE OF SCHEDULING ALGORITHMS IN OBS NETWORK Phạm Trung Đức Công ty Quản lý bến xe Thừa Thiên Huế, Huế TÓM TẮT Trong mạng chuyển mạch chùm quang gói điều khiển đến nút lõi, giải thuật lập lịch thực để ấn định chùm chưa lập lịch lên kênh liệu liên kết Mục đích việc lập lịch giúp nâng cao hiệu sử dụng mạng Bài báo nhằm tập trung phân tích đến yếu tố ảnh hưởng đến hiệu thuật toán lập lịch độ phức tạp, số lượng thông tin trạng thái sử dụng, mức độ khai thác băng thông thuật toán dựa thiết bị hỗ trợ khác để đánh giá hiệu giải thuật lập lịch mơ gói OBS-NS để thể ảnh hưởng thơng qua tỷ lệ chùm Từ khóa: Mạng chuyển mạch chùm quang; thuật tốn lập lịch; OBS-NS ABSTRACT In optical burst switching network, when a control packet arrives a core node, a scheduling algorithms is carried to assign burst which has not been scheduled for a data channel on outgoing link The purpose of scheduling is improving network utilization performance This paper analyzes mainly the factors affecting to performance of scheduling algorithms in OBS network such as complexity measure, number of used state information, exploiting level of algorithms’ bandwidth as well as basing on other supported devices to evaluate performance of scheduling algorithms and simulate on the NS-OBS package in order to show these influence through burst loss ratio Keywords: Optical Burst Switching; scheduling algorithms; NS-OBS Giới thiệu Mạng truyền dẫn quang với kỹ thuật truyền tin tiên tiến giải pháp hữu hiệu nhằm đáp ứng nhu cầu truyền thông tăng cao Kiến trúc mạng gồm nút biên, nút lõi, kết nối với sợi quang Hình Mạng chuyển mạch chùm quang kỹ thuật giải vấn đề phát sinh truyền tải thơng tin quang Áp dụng mơ hình chuyển mạch chùm quang nút chuyển mạch làm nâng cao hiệu truyền tải thông tin việc xử lý định hướng thơng tin từ nguồn đến đích cách hiệu Hơn mạng chuyển mạch chùm quang không yêu cầu đệm quang chuyển mạch nhanh [4], việc điều khiển lưu lượng, tránh tranh chấp xảy nâng cao hiệu sử dụng tài nguyên mạng phụ thuộc vào kỹ thuật lập lịch chùm nút biên nút lõi Việc điều khiển lưu lượng, tránh tranh chấp xảy nâng cao hiệu sử dụng mạng thực nhờ kỹ thuật lập lịch chùm Các thuật toán lập lịch cho kênh liệu phân thành loại, bao gồm: + Thuật tốn khơng lấp đầy khoảng trống (without void filling) bao gồm thuật toán FFUC (First Fit Unscheduled Channel) LAUC (Latest Available Unscheduled Channel) Burst đến s LAUT0 D0 FFUC LAUT1 D1 LAUC LAUT2 D2 LAUT3 D3 Hình Kiến trúc mạng chuyển mạch chùm quang [2] Thời gian TẠP CHÍ KHOA HỌC XÃ HỘI, NHÂN VĂN VÀ GIÁO DỤC Hình Lập lịch khơng xét đến lấp đầy khoảng trống e e 20 s 20 Burst đến FFUC-VF s e10 s10 D0 e11 s11 D1 e12 s12 D2 e 23 s 23 LAUC-VF e13 s13 D3 Thời gian Hình Lập lịch có xét đến lấp đầy khoảng trống + Thuật toán lấp đầy khoảng trống (with void filling) bao gồm thuật toán lấp đầy lỗ trống FFUC-VF (First Fit Unscheduled Channel with Void Filling), thuật toán lấp đầy phần lỗ trống LAUC-VF (Latest Available Unscheduled Channel with Void Filling) Min-EV (Minimum Ending Void), thuật toán lấp đầy tối ưu lỗ trống BFUC-VF (Best Fit Unscheduled Channel – Void Filling) Qua việc phân loại giải thuật lập lịch, báo yếu tố ảnh hưởng đến hiệu thuật toán lập lịch mạng chuyển mạch chùm quang khác độ phức tạp thuật tốn lập lịch khơng lấp đầy lấp đầy khoảng trống Được diễn giải qua việc cài đặt thuật toán ngơn ngữ lập trình C++, thuật tốn dài hay sử dụng nhiều vòng lớp “for”, nhiều câu điều kiện “if then” ảnh hưởng đến độ phức tạp thuật tốn, qua phức tạp thời gian thuật tốn khơng lấp đầy khoảng trống thuật tốn lấp đầy khoảng trống; hay việc số lượng thông tin trạng thái thuật toán lấp đầy khoảng trống nhiều so với thuật tốn khơng lấp đầy khoảng trống cuối mô tỷ lệ chùm giải thuật lập lịch gói OBS-NS để kết luận tỷ lệ nghịch với mức độ sử dụng băng thơng thuật tốn, hiệu sử dụng thiết bị hỗ trợ việc làm giảm tỷ lệ chùm nêu ví dụ đánh giá mức độ sử dụng băng thông thông qua việc sử dụng khoảng trống để so sánh đối chiếu Phần phân loại giải thuật lập lịch sở, bao gồm giải thuật không xét đến lấp đầy khoảng trống FFUC LAUC, giải thuật có xét đến lấp đầy khoảng trống FFUC-VF LAUC-VF (hay Min-SV), Min-EV, BFUC-VF phân tích yếu tố ảnh TẬP 3, SỐ (2013) hưởng đến hiệu thuật toán lập lịch mạng chuyển mạch chùm quang Kết mô gói OBS-NS, trình bày phần 3, hiệu giải thuật qua thấy tác động qua lại yếu tố phân tích cần thiết phải có mơ hình chọn lựa giải thuật nút thực lập lịch Một số giải thuật lập lịch sở yếu tố ảnh hưởng đến hiệu thuật toán lập lịch mạng chuyển mạch chùm quang Phần trình bày số thuật toán lập lịch sở mạng chuyển mạch chùm quang bao gồm giải thuật lấp đầy không lấp đầy khoảng trống Chi tiết đầy đủ giải thuật lập lịch mạng chuyển mạch chùm quang xem [2], [3] 2.1 Tổng quan kỹ thuật lập lịch mạng chuyển mạch chùm quang 2.1.1 Lập lịch mạng chuyển mạch chùm quang Khi gói tin điều khiển tới nút lõi, thuật toán lập lịch kênh gọi để gán chùm chưa lập lịch với kênh liệu cổng Bộ lập lịch kênh nhận thời gian đến chùm khoảng thời gian chùm chưa lập lịch từ gói tin điều khiển Thuật tốn cần trì thời điểm chưa lập lịch khả dụng gần (LAUT), khoảng hở (gap) khoảng trống (voids) kênh liệu 2.1.2 Phân loại thuật toán lập lịch Các thuật tốn lập lịch cho kênh liệu phân thành loại, phạm vi báo nghiên cứu thuật toán tương ứng sau: Thuật tốn khơng lấp đầy khoảng trống (without void filling) bao gồm thuật toán FFUC LAUC Thuật toán lấp đầy khoảng trống (with void filling) bao gồm thuật toán lấp đầy lỗ trống FFUC-VF, thuật toán lấp đầy phần lỗ trống LAUC-VF Min-EV, thuật toán lấp đầy tối ưu lỗ trống BFUC-VF TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ GIÁO DỤC, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM, ĐHĐN - SỐ 8(03).2013 Burst đến LAUT0 } s L D0 LAUT1 D1 LAUT2 D2 LAUT3 Thuật toán LAUC (O(W)) for( u_int i = ncc_; i < maxChannels_; i++ ) { D3 if( schedTime >= unschTime_[i] ) Thời gian Hình Lập lịch xét đến có hay khơng lấp đầy khoảng trống if( ( schedTime - unschTime_[i] ) < diffTime ) { diffTime = schedTime - unschTime_[i]; - L: độ dài chùm đến chưa lập lịch result.channel() = i; - Di: kênh liệu thứ i - LAUTi: thời điểm chưa lập lịch khả dụng gần kênh liệu thứ i (i = 0,1, W-1) - s: thời điểm bắt đầu lập lịch - e: thời điểm kết thúc lập lịch 2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu lập lịch mạng chuyển mạch chùm quang result.startTime() = schedTime; }} b) Độ phức tạp thuật toán thuật toán lập lịch lấp đầy khoảng trống Thuật toán FFUC-VF (O(WlogNb)) for( u_int i = ncc_; i < maxChannels_; i++ ) { if( schedTime >= startTime_[i] ) 2.2.1 Độ phức tạp thuật toán Dựa báo [5] tác giả khác độ phức tạp thuật toán lập lịch không lấp đầy lấp đầy khoảng trống Để thấy rõ điều diễn giải qua việc cài đặt thuật tốn ngơn ngữ lập trình C++, từ xác định độ phức tạp thuật toán làm sở để biết thuật toán hiệu việc làm giảm tỷ lệ chùm, qua rút kết luận độ phức tạp lớn tỷ lệ nghịch với tỷ lệ rơi chùm phức tạp thời gian thuật tốn khơng lấp đầy khoảng trống thuật tốn lấp đầy khoảng trống, mà cụ thể xác định sau: if( ( endTime_[i] - schedTime >= schedDur ) { result.channel() = i; result.startTime() = schedTime; } if( schedTime >= unschTime_[i] ) { result.channel() = i; result.startTime() = schedTime; break; } } a) Độ phức tạp thuật toán thuật toán lập lịch khơng lấp đầy khoảng trống Thuật tốn LAUC-VF (O(WlogNb)) Thuật toán FFUC (O(logW)) { for( u_int i = ncc_; i < maxChannels_; i++ ) for( u_int i = ncc_; i < maxChannels_; i++ ) if( schedTime >= startTime_[i] ) { if( ( endTime_[i] - schedTime >= schedDur) if( schedTime >= unschTime_[i] ) if( ( schedTime - startTime_[i] ) < diffTime) { {diffTime = schedTime - startTime_[i]; result.channel() = i; result.channel() = i; result.startTime() = schedTime; result.startTime() = schedTime; break; } } if( schedTime >= unschTime_[i] ) TẠP CHÍ KHOA HỌC XÃ HỘI, NHÂN VĂN VÀ GIÁO DỤC TẬP 3, SỐ (2013) if( ( schedTime - unschTime_[i] ) < diffTime) } {diffTime = schedTime - unschTime_[i]; if (result.channel() >= 0) result.channel() = i; break; result.startTime() = schedTime; for( u_int i = ncc_; i < maxChannels_; i++ ) } { if(schedTime >= unschTime_[i] ) } if((schedTime - unschTime_[i] ) < diffTime ) { diffTime = schedTime - unschTime_[i]; Thuật toán Min-EV (O(log2Nb)) result.channel() = i; for( u_int i = ncc_; i < maxChannels_; i++ ) result.startTime() = schedTime; { } if( schedTime >= startTime_[i] ) } if( ( endTime_[i] - schedTime ) >= schedDur ) if( ( schedTime - startTime_[i] ) < diffTime ) { c) So sánh độ phức tạp Bảng So sánh độ phức tạp thuật toán lập lịch [1], [3] diffTime = schedTime - startTime_[i]; result.channel() = i; result.startTime() = schedTime; } Trong đó, W: Số bước sóng cổng } Nb: Số chùm lập lịch kênh if (result.channel() >= 0) liệu break; 2.2.2 Số lượng thông tin trạng thái for( u_int i = ncc_; i < maxChannels_; i++ ) { if(schedTime >= unschTime_[i] ) if((schedTime - unschTime_[i]) < diffTime) {diffTime = schedTime - unschTime_[i]; result.channel() = i; result.startTime() = schedTime; }} Thuật toán BFUC-VF (O(log2Nb)) for( u_int i = ncc_; i < maxChannels_; i++ ) Thuật toán lập lịch lấp đầy khoảng trống sử dụng nhiều thông tin trạng thái lưu để so sánh chùm đến Thuật tốn lập lịch khơng lấp đầy khoảng trống lưu giữ thơng tin Horizon LAUT, cịn thuật toán lập lịch lấp đầy khoảng trống lưu thời điểm kết thúc bắt đầu chùm lập lịch để so sánh chùm đến chưa lập lịch Bảng2 So sánh số lượng thông tin trạng thái thuật toán lập lịch [1] { if( schedTime >= startTime_[i] ) if(( endTime_[i] - schedTime ) >= schedDur ) if(( endTime_[i] - startTime_[i] ) < diffTime ) { diffTime = endTime_[i] - startTime_[i]; result.channel() = i; result.startTime() = schedTime; } Trong đó: Horizoni: Horizon kênh liệu thứ i Si,j Ei,j: Thời gian bắt đầu kết thúc số lượng tối đa chùm liệu j kênh i 2.2.3 Mức độ sử dụng băng thơng TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ GIÁO DỤC, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM, ĐHĐN - SỐ 8(03).2013 Thuật toán lập lịch coi đạt hiệu cao tỷ lệ chùm rơi q trình lập lịch, điều thể ngược lại qua việc sử dụng băng thông (tức băng thông sử dụng cao số lượng gói tin rơi thấp) Câu hỏi đặt làm để nắm việc sử dụng băng thơng thuật tốn lập lịch, phần nêu phương pháp để thực điều này: Các thiết bị hỗ trợ đánh giá hiệu thuật toán lập lịch bao gồm chuyển đổi bước sóng đường trễ FDL [6], [7], [8] Trong phạm vi báo, sử dụng đường trễ FDL để đánh giá ảnh hưởng đến hiệu thuật toán lập lịch Sử dụng thuật tốn lập lịch khơng lấp đầy khoảng trống lấp đầy khoảng trống kết hợp với đường trễ cố định để mô so sánh hiệu chương a) Đánh giá mức độ sử dụng băng thông thơng qua mơ Mơ phân tích kết Bảng So sánh mức độ sử dụng băng thơng thuật tốn lập lịch [1], [3] b) Đánh giá mức độ sử dụng băng thông qua việc sử dụng khoảng trống Mô yếu tố ảnh hưởng đến hiệu lên việc lập lịch thực gói OBS-0.9a [10] phần mềm mơ NS [9] Hình thái mạng OBS thực mơ mạng hình vịng tạo thành từ 21 nút lõi (Ci, i=0 20), nút lõi kết nối với hai nút biên (Ei, i=1 42) mơ tả hình Các luồng liệu tạo liên tục (theo phân bố poisson) cặp nút Ei Ej (i,j=1 42) với mật độ dày đặc Các chùm sinh thời điểm thay đổi có kích thước thay đổi Hình Sự khoảng trống thuật tốn LAUCVF Min-EV [5] Tính tốn yếu tố việc sử dụng khoảng trống thuật toán lập lịch lấp đầy khoảng trống qua công thức sau: utilization = ( a × 100 ) / x với a chiều dài chùm liệu, x chiều dài khoảng trống Giá trị số thể hình 5: t2 - t1 = 12μs, t4 - t3 = 10μs, t6 - t5 = 8μs, chiều dài chùm liệu B0 = 5μs Khoảng trống sử dụng thuật toán: • LAUC-VF, sử dụng = (5 * 100) / 12 = 41,67% • MIN-EV, sử dụng = (5 * 100) / 10 = 50% • BFUC-VF, sử dụng = (5 * 100) / = 62,5% Điều cho thấy, khoảng trống sử dụng thuật toán BFUC-VF tốt so với thuật toán so sánh [5] 2.2.4 Dựa thiết bị hỗ trợ [6], [7], [8] Hình Hình thái mạng OBS mơ tạo thành từ 21 nút lõi, 42 nút biên Mô thực khoảng thời gian khác (từ 0.05 đến 0.09 giây), kết mơ (Hình 7) giải thuật lập lịch LAUC hiệu FFUC tối ưu khoảng cách burst So sánh mức độ sử dụng băng thông thuật tốn lập lịch lấp đầy khơng lấp đầy khoảng trống qua việc phân tích số lượng gói tin rơi trường hợp mô sau: 3.1 So sánh mức độ sử dụng băng thơng thuật tốn lập lịch a) So sánh thuật toán FFUC LAUC Kết mơ hình TẠP CHÍ KHOA HỌC XÃ HỘI, NHÂN VĂN VÀ GIÁO DỤC TẬP 3, SỐ (2013) thuật toán lập lịch LAUC hiệu FFUC, thể tỷ lệ chùm liệu Kết mơ hình cho thấy tỷ lệ chùm thuật toán LAUC-VF, MinEV BFUC-VF chênh không đáng kể Nếu xét tỷ lệ chùm toàn mạng (trường hợp nút mạng sử dụng thuật toán lập lịch), thuật toán BFUC-VF thể hiệu cao Hình Biểu đồ so sánh thuật toán lập lịch FFUC LAUC 3.2 So sánh hiệu việc sử dụng đường trễ FDL b) So sánh nhóm thuật tốn lập lịch khơng lấp đầy khoảng trống có lấp đầy khoảng trống Việc sử dụng thuật toán kết hợp đường trễ FDL làm cho số lượng chùm giảm đáng kể, thể Hình 10 Hình 10 Hiệu thuật tốn kết hợp đường trễ FDL Hình Biểu đồ so sánh nhóm thuật tốn lập lịch có khơng lấp đầy khoảng trống Hình cho thấy nhóm thuật tốn có lấp đầy khoảng trống (LAUC-VF, MIN-EV BFUC-VF) hiệu rõ rệt so với nhóm thuật tốn khơng lấp đầy khoảng trống (đại diện thuật toán LAUC) thể tỷ lệ chùm thấp Ngun nhân nhóm thuật tốn có lấp đầy khoảng trống tận dụng băng thông nhàn rỗi khoảng trống sinh lập lịch, thuật tốn lập lịch khơng lấp đầy khoảng trống lại không xét đến c) So sánh thuật tốn lập lịch có lấp đầy khoảng trống với tiêu chí tối ưu khác Kết mô áp dụng với tổng tỷ lệ chùm thuật toán lập lịch FFUC, LAUC, FFUC-VF, LAUC-VF, MIN-EV BFUC-VF có sử dụng đường trễ FDL (với FDL), số chùm rơi toàn mạng giảm đáng kể (tỉ lệ 10,70 %) so với không sử dụng đường trễ FDL (0 FDL) Khi số đường trễ tăng thêm (3 FDL), số chùm rơi giảm nhiều (tỉ lệ 21,97 %) (4 FDL) (tỉ lệ 26,19 %) a) Nhóm thuật tốn khơng lấp đầy khoảng trống Kết mơ (Hình 11) thuật tốn lập lịch không lấp đầy khoảng trống với đường trễ cố định LAUC-FDL hay FFUCFDL hiệu nhiều so với thuật tốn LAUC FFUC Hình 11 Biểu đồ so sánh thuật tốn LAUC FFUC có khơng sử dụng FDL Hình Biểu đồ so sánh thuật toán lập lịch lấp đầy khoảng trống b) Nhóm thuật tốn có lấp đầy khoảng trống TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ GIÁO DỤC, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM, ĐHĐN - SỐ 8(03).2013 tố cài đặt thuật toán đó, thực mơ thành cơng mơ hình mạng để thấy tỷ lệ chùm, đánh giá mức độ sử dụng băng thơng Hình 12 Biểu đồ so sánh thuật toán lấp đầy khoảng trống Tương tự, thuật tốn lập lịch có lấp đầy khoảng trống với đường trễ cố định LAUC-VFFDL hiệu so với thuật tốn LAUCVF, mơ tả Hình 12 Kết luận Việc nghiên cứu mạng chuyển mạch chùm quang OBS thuật toán lập lịch chùm bước đầu thu kết quan trọng Trong báo này, tập trung trình bày yếu tố ảnh hưởng đến hiệu thuật toán lập lịch dựa độ phức tạp, số lượng thông tin trạng thái việc sử dụng băng thơng Qua phân tích yếu giải thuật lập lịch Qua kết phân tích, cho thấy hiệu thuật toán lập lịch phụ thuộc trực tiếp đến yếu tố đề xuất, với yếu tố độ phức tạp thuật toán lập lịch số lượng thơng tin trạng thái tăng tương ứng hiệu thuật toán sử dụng tốt, làm giảm tỷ lệ chùm gửi gói tin Ngược lại, với mức độ sử dụng băng thông cao tỷ lệ chùm lớn làm giảm hiệu sử dụng thuật toán lập lịch Ngồi ra, qua mơ thuật tốn kết hợp FDL nêu lên vai trò đường dây trễ tới thuật tốn Từ đó, báo giúp nêu bật ưu, nhược điểm thuật toán lập lịch nhờ định yếu tố ảnh hưởng đến hiệu thuật toán lập lịch mạng chuyển mạch chùm quang OBS TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Adgaonkar R.P., Sharma S.N (2011), A review of burst scheduling algorithm in WDM Optical Burst Switching Network, Journal of Computer Science Issues, Vol 8, 6(3) [2] Jason P Jue, Vinod M., Vokkarane (2005), Optical Burst Switched Networks, Springer Science Business Media, Inc [3] Lamba Rohit., Kumar Garg Dr.Amit (2012), Performance Analysis of Scheduling Algorithms In Optical Burst Switching Networks, International Journal of Advanced Research in Computer Science and Software Engineering, 2(1) [4] Mukherjee Biswanath (2006), Optical WDM Networks, Springer Science + Business Media, Inc [5] Nandi M., Turuk A K., Puthal D K., Dutta S.(2009), Best Fit Void Filling Algorithm in Optical Burst Switching Networks, in Proceeding of IEEE ICETET, 609 – 614 [6] Sam S.M., Fisal N., Ariffin S.H.S.(2007), “Quality-of-Service Provisioning using Hierarchical Scheduling in Optical Burst Switched Network”, Networking and Services, 2007 [7] Vo Viet Minh Nhat, Nguyen Hong Quoc (2011), “The role of fdls in scheduling in obs networks”, Journal of science, Hue University, 69(6) [8] Vokkarane V.M., Thodime G.P.V., Challagulla V.U.B., Jue J.P (2003), “Channel Scheduling Algorithms using Burst Segmentation and FDLs for Optical Burst-Switched Networks”, in Proceedings IEEE International Conference on Communications (ICC) [9] Network Simultor, http://www.isi.edu/nsnam/ns/ [10] Optical Internet Research Center, http://wine.icu.ac.kr/~obsns, http://nile.wpi.edu/NS/ ... khơng xét đến lấp đầy khoảng trống e e 20 s 20 Burst đến FFUC-VF s e10 s10 D0 e 11 s 11 D1 e12 s12 D2 e 23 s 23 LAUC-VF e13 s13 D3 Thời gian Hình Lập lịch có xét đến lấp đầy khoảng trống + Thuật... Khoảng trống sử dụng thuật tốn: • LAUC-VF, sử dụng = (5 * 10 0) / 12 = 41, 67% • MIN-EV, sử dụng = (5 * 10 0) / 10 = 50% • BFUC-VF, sử dụng = (5 * 10 0) / = 62,5% Điều cho thấy, khoảng trống sử dụng thuật... trống qua công thức sau: utilization = ( a × 10 0 ) / x với a chiều dài chùm liệu, x chiều dài khoảng trống Giá trị số thể hình 5: t2 - t1 = 12 μs, t4 - t3 = 10 μs, t6 - t5 = 8μs, chiều dài chùm liệu