BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO DAI HOC HUE
TRUONG DAI HOC KHOA HOC
TRUONG VAN HOAI
NGHIEN CUU ANH HUONG CUA CO CHE
TRUYEN LAI TRONG MANG OBS DEN
DIEU KHIEN CUA SO TCP LUAN VAN THAC SI KHOA HOC
CONG NGHE THONG TIN
Thừa Thiên Huế, 2019
Trang 2
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC HUE
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC
TRƯƠNG VĂN HOÀI
NGHIÊN CỨU ẢNH HUONG CUA CO CHE
TRUYEN LAI TRONG MANG OBS DEN DIEU KHIEN CUA SO TCP
CHUYEN NGANH: KHOA HOC MÁY TÍNH
MA SO: 8.48.01.01
LUAN VAN THAC Si KHOA HOC
DINH HUONG NGHIEN CUU
NGUOI HUONG DAN KHOA HOC PGS.TS VO VIET MINH NHAT
Thừa Thiên Huế, 2019
Trang 3LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi Tất cả số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực, chưa được người khác công bố trong bất cứ một công trình nghiên cứu nào
Học viên
Trang 4LỜI CẢM ƠN
Hoàn thành luận văn này, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy PGS.TS
Vð Viết Minh Nhật, Ban Đào tạo - Đại học Huế, đã tận tình hướng dân trong suốt quá trình thực hiện dé tai
Xin chân thành cảm ơn sự giúp đồ về mọi mặt của Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo Sau đại học, Khoa Công nghệ Thông tin - Truong Dai học Khoa học - Đại học
Huế cùng quỷ thầy cô đã tham gia giảng đạy trong suốt quá trình học tập
Trang 5MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN 222 22222222212211211122112111211111211212222222222 re i LỜI CẢM ƠN 22225 2222221221122112211221222222222222 1212 eeree ii DANH MỤC CÁC BẢNG 522 22 222221121112111211121122122222222222 xe Vv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 2222 2212221221211211211211212122222 se vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT -©222212221222122122122 e6 ix PHAN MỞ ĐẦU 2 22 22222212211211121122112111221121121222222222222 re 1 Chuong 1 TONG QUAN VE MANG CHUYEN MACH CHUM QUANG 4 1.1 TÔNG QUAN VỀ MẠNG CHUYỀN MẠCH CHÙM QUANG 5
1.1.1 Mạng chuyên mạch chùm quang -2- 222222 22E22212221222112212221222ee 5 1.1.2 Kiến trúc mạng chuyển mạch chùm quang -222222z22z22x-<e 6 1.2 CAC HOAT DONG TRONG MANG CHUYEN MACH CHUM QUANG 11 1.2.1 Tập hợp chùm .c cc St 1 nh Hà Hà HH Hà Hay 11 1.2.2 Bao WSU .- 14 1.2.3 Lập lịch chùm S21 SH nhà HH HH He 16 1.2.4 Giải quyết tranh chấp - 2s 22s2221221221221121122112211222222 ae 18 Ic90045009210/9) con ve
Chuong 2 CO CHE TRUYEN LAI TRONG MANG OBS VA ANH HUONG CỦA NÓ ĐÉN ĐIỀU KHIỂN CỬA SỐ TCP 2:2222222222212221122211221 2e 23
2.1 GIAO THUC TCP VA CAC CO CHE DIEU KHIEN TRANH TAC
Trang 62.1.2 Các cơ chế điều khiến tránh tắc nghẽn 22222 222225222522222222-e2 35 2.2 ẢNH HƯỞNG CUA CO CHE TRUYEN LAI TRONG MANG OBS DEN
ĐIÊU KHIỂN CỬA SÖ TCP 2222 22222212212112112211212212222222 2e 28
2.2.1 Giao thức TCP với mạng OBS không truyễn lại 55ss25cc2 28 2.2.2 Giao thức TCP với mạng OBS truyền lại - 22 22222222222222222-2 29
2.3 TIỂU KÉT CHƯƠNG 2 222 2222221222122212111211211221121121122222 re 46 Chương 3 CÀI ĐẶT MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ -.- 47 3.1 GIGI THIEU HE MO PHONG NS VA GOI MO PHONG MANG OBB 47
3.1.1 Giới thiệu hệ mô phỏng NS - 5222222222122 ee 47 3.1.2 Gói mô phỏng mạng chuyển mạch chùm quang OBS-0.9a 52
3.2 CAI DAT MO PHONG, PHAN TÍCH ĐÁNH GIÁ KÉT QUẢ 54
3.2.1 MGriniGng m6 phOn Giriccc svn cessremmmecorn meses mennreevenn mame nmeeneeees 54
Trang 7DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1 Giải thuật truyền lại thụ động không xét điểu kiện s se 36 Bảng 2.2 Giải thuật truyền lại thụ động có điều kiện 0S 2n nnnneneey 44
Trang 8DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Kiến trúc mạng OBS 222 22 222221121111112111112112112212 xe 6
Hình 1.2 Cầu trúc nút biên OBS - 2502 21 tre 8 Hình 1.3 Cầu trúc nút lõi OBS - 22212 22211 tre 9
Hình 1.4 Các mô hình xây dựng thời gian bù đắp 22222222222 ca 11 Hình 1.5 Tập hợp chùm và tách chùm -.- St vs Enrnrrrerrerrrereree 12 Hình 1.6 Tap hợp chùm theo ngưỡng thời gian cccccc sec 12 Hình 1.7 Tập hợp chùm theo ngưỡng kích thước (số gói tối đa) 12 Hình 1.8 Tap hop chum theo ngưỡng thời gian và ngưỡng độ dài chùm 13
Hình 1.9 Quá trình đặt trước tức thời và sau một thời gian tIỄ ìo co 16 Hình 1.10 Trang thái kênh dữ liệu với các trường hợp lập lịch 17
Hình 1.11 Chuyển đổi bước sóng WI qua W2 -2252 2222212221222 cee 20 Hình 1.12 Định tuyến lệch hướng -222222 2222221221222 e6 20 Hình 2.1 Cơ chế truyền dữ liệu của TCP ©222222222122212221221221 22 xee 24 Hình 2.2 Cơ chế kiểm soát tắc nghẽn của TCP -2222222212221222122ee 25
Hình 2.3 Kích thước cửa số trượt TCP Vegas trong mạng OBS không truyền Hình 2.4 Kích thước cửa số trượt TCP Vegas trong mạng OBS truyền lại [8]
HH 11H HH H111 He 31
Hình 2.5 Mô hình truyền lại trong mạng OBS [13] 2¿22z222z.22xc<e 33
Trang 9Hình 2.8 Mô hình mạng OBS L1 S2 HH Hà HH Ha Hee 39 Hình 2.9 Hai mức phục hồi mất mát gói tin trong mạng OBS truyén lai voi
luồng TCP trung bình [2] -2222222221222112211221221211212211212212 e6 4
Hình 2.10 Thuật toán truyền lại thụ động có điều kiện tại nút biên vảo 43 Hình 2.11 Thuật toán truyền lại thụ động có điều kiện tại nút lõi mạng 44
Hình 3.1 NS dưới góc độ người dùng -.- c St vs nhe 47 Hình 3.2 Phân cấp của hệ mô phỏng NS 222222 22222122212212222 e0 48
Hình 3.3 Cầu trúc của N Hee 48
Hình 3.4 Cấu trúc các thành phần trong NS 2©222222222122122122ee 49 Hình 3.5 Mơ hình mô tả nút mạng (Unicast Node và Multicast Node) 50
Hình 3.6 Mô hình thê hiện mối liên kết trong NS 2222222c22xcce 51
Hình 3.7 Mô tả liên kết và gửi gói tin trên hai nt eee 51
Hình 3.8 Cầu trúc nút biên - 252cc 2222221 1122 eeerree 53 Hình 3.9 Cầu trúc nút lõi 222222 2222212 tt t2 errree 53
Hình 3.10 Topo mang m6 phong ec ceceeceeeceeeneeeeesenseneeneesenseneeeeeentenes 54 Hình 3.11 Kết quả mô phỏng của giao thức TCP Reno trong mang OBS không truyền lại -22222222221221211211211211211212121222 re 56 Hình 3.12 Kết quả mô phỏng của giao thức TCP Vegas trong mạng OBS không truyền lại 2-2222 222122122212221221211211211212122122212 re 57 Hình 3.13 So sánh xác suất rơi gói tin của giao thức TCP Vegas và TCP Reno trong mang OBS không truyền lại 22-222 22122212212221211221121221 2 xe 59 Hình 3.14 So sánh số lượng gói tin gửi vào, nhận được và rơi của giao thức TCP Vegas va TCP Reno trong mang OBS khéng truyền lại - 59 Hình 3.15 So sánh lượng dữ liệu giti vao trong mang OBS khéng truyén lai cua giao thire TCP Vegas và TCP Reno it St vs nhe 60
Trang 10Hình 3.16 Kết quả mô phỏng của giao thức TCP Vegas và Reno trong mạng
OBS truyền lại -222222222212221221122112211221122222222222 are 61
Hình 3.17 Xác suất rơi gói tin của giao thức TCP Vegas trong mạng OBS truyễn lại 22s 22 2221222122212211221121122112211222222222222 re 63 Hình 3.18 So sánh số lượng gói tin gửi vào, nhận được và rơi của giao thức TCP Vegas trong mạng OBS truyền lại -2-22222212212221122122122122122 e6 63 Hình 3.19 Số lượng gói tin gửi vào của giao thức TCP Vegas trong mạng
OBS truyền lại -222222222212221221122112211221122222222222 are 64
Trang 11DANH MUC CAC KY HIEU, CHU VIET TAT ACK Acknowledge
BBCP Backward Burst Control Packet BCP Burst Control Packet
DB Data Burst
FBCP Forward Burst Control Packet FDL Fiber Delay Link
FFUC First Fit Unscheduled Channel
FFUC-VF First Fit Unscheduled Channel with Void Filling FTO False Time Out
JET Just-Enough Time
LAUC Latest Available Unscheduled Channel
LAUC-VF Latest Available Unscheduled Channel with Void Filling LAUT Latest Available Unscheduled Time
MMFBA Max-Min Fair Bandwidth Allocation
NSF National Science Foundation And NSFNET OBS Optical Burst Switching
OCS Optical Circuit Switching OPS Optical Packet Switching
Trang 12
QoS Quality of Service
RFP Rate Fairness Preemption
WDM Wavelength-Division Multiplexing
Trang 13PHAN MO DAU
> Ly do chon dé tai
Trong những năm gan đây, nhu cầu truyền thông của con người ngày càng
tăng với nhiễu loại hình dịch vụ đa dang, nén đòi hỏi các hệ thống mạng phải có khả
năng cung cấp băng thông lớn và truyền được một lượng lớn dữ liệu với tốc độ cao Mạng truyền dẫn quang, với việc ứng dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước song (Wavelength-Division Multiplexing - WDM), da cho phép cung cấp băng thông rộng, tốc độ cao và là một giải pháp cho mạng Internet thế hệ mới Trong đó phải kế đến là công nghệ chuyên mạch chùm quang (Optical Burst Switching - OBS) hiện đang trở thành công nghệ hấp dẫn và đầy hứa hẹn
Một mạng chuyên mạch chùm quang là mạng bao gồm các nút chuyển mạch chùm quang (nút OBS) kết nối với nhau thông qua các sợi quang Trong mạng
OBS, một số lượng lớn dữ liệu được truyền dưới dạng các đơn vị có kích thước khác nhau được gọi là các chùm (burst) Mỗi chùm được tập hợp tại một nút biên
(rouier) vào bằng cách gộp một số gói tin IP Các gói tin IP này có thê nhận được từ
một hoặc nhiều trạm (os0 thuộc cùng một hoặc các mạng truy cập khác nhau Một
gói điều khiển chùm (#urst Conrol Packet — BCP) sẽ được gửi đi trước trên một kênh bước sóng dành riêng, làm nhiệm vụ cấu hình và đặt trước tài nguyên cho
chùm dữ liệu của nó Chùm dữ liệu (Dafa Burst - DB) sé được gửi đi sau gói điều
khiển một khoảng thời gian, goi la thoi gian bi dap (offset time) Khoang thoi gian này được tính toán sao cho gói điều khiển hoàn thành việc xử lý và đặt trước tài nguyên tại các nút trung gian trước khi chùm đến Với ý tưởng này, mạng OBS có khả năng sử dụng được băng thông mềm đẻo, hiệu quả và hợp lý
Tuy nhiên, cũng như tất cả các mạng khác, tranh chấp tài nguyên là không thể tránh khỏi và mất chùm là điều tất yếu sẽ xảy ra Trong mạng OBS, giao thức TCP
được thực hiện tại một lớp cao hơn, do đó việc tắc nghẽn dẫn đến mất chùm có thể
Trang 14tuyến lệch hướng, đường trễ quang (FDL), Tuy nhiên, những cơ chế này yêu cầu các kỹ thuật phức tạp va chi phí cao Trong đó truyền lại chùm là một phương pháp để giảm tỉ lệ mất chùm trong mạng chuyển mạch chùm quang nhằm nâng cao hiệu suất toàn mạng Chính vì vậy, việc nghiên cứu ảnh hưởng của cơ chế truyền lại chùm đến việc điều khién cửa số TCP trên mạng chuyển mạch chùm quang (OBS) đang là vấn để được quan tâm, việc làm này có thể làm giảm xác suất roi chim, mat gói tin, giúp tăng lưu lượng trong mạng góp phần nâng cao hiệu năng mạng hay không? Đó chính là lý do tôi chọn đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của cơ chế truyền
lai trong mang OBS dén diéu khién ctra s6 TCP” cho luan van thac si nay
> Mục đích nghiên cứu
- _ Nghiên cứu cơ chế cửa số trượt của giao thức TCP và những cải tiến của giao thức TCP: TCP Vegas, TCP Reno
- _ Nghiên cứu cơ chế truyền lai trong mang OBS
- _ Nghiên cứu sự ảnh hưởng cơ chế truyền lại trong mạng OBS đến việc điều chỉnh kích thước cửa số TCP và đánh giá xem có làm giảm xác suất rơi chim, mat gói tin và giúp tăng lưu lượng truyền trong mạng OBS
- _ Cài đặt mô phỏng và đánh giá kết quả đã tìm hiéu > Cấu trúc luận văn
Cấu trúc luận văn bao gồm phần mở đầu, ba chương nội dung, phần kết luận
và tài liệu tham khảo, trong đó:
Chương 1, Tổng quan về mạng chuyển mạch chùm quang - giới thiệu tổng quan về mạng OBS, các hoạt động bên trong mạng OBS
Trang 15Chương 3, Cài đặt mô phỏng và phân tích kết quả - giới thiệu cấu trúc và hoạt động của phần mềm mô phỏng mạng NS2 và gói mở rộng OBS-ns dùng mô phỏng
cho mạng OBS; cài đặt mô phỏng một vài kịch bản dựa trên các mô hình truyền lại
Trang 16Chuong 1 TONG QUAN VE MANG CHUYEN MACH CHUM
QUANG
Với những tiến bộ gần đây trong công nghệ ghép kênh phân chia bước sóng, lượng băng thông tổn tại trong các liên kết sợi quang đã tăng vượt bậc Trong khi đó, sự tăng trưởng nhanh chóng của lưu lượng truyền thông Internet đòi hỏi tốc độ truyền dẫn cao và vượt quá khả năng của một router điện tử thông thường Việc khai thác lượng băng thông không lỗ trong liên kết sợi quang sao cho hiệu quả về chỉ phí là điều hết sức cần thiết cho sự phát triển của Internet quang thế hệ tiếp theo
Nhiều phương pháp đã được để xuất để tận dụng lợi thế của truyền thông quang mà cụ thê là trong chuyển mạch quang Một trong số đó là chuyển mạch kênh quang (OCS), đây là công nghệ chuyên mạch dựa trên việc định tuyến bước sóng quang, trong đó một đường quang (7igh#pafh) cần được thiết lập bởi một bước sóng
dành riêng trên mỗi liên kết từ nguồn đến đích Khi kết nối được thiết lập, dữ liệu
được đuy trì trong miền quang thông quang đường quang Nhược điểm của phương pháp này chính là việc sử dụng băng thông không hiệu quả
Khác với chuyển mạch kênh quang, trong chuyển mạch gói quang (OPS), khi
gói tin đến tại các đơn vị chuyển mạch, nó sẽ được tách thành hai phan: phan diéu
khiển và phần dữ liệu Thông tin của phần điều khiển sẽ được chuyển đổi sang tín
hiệu điện và được xử lý, phần dữ liệu sẽ được chuyển qua kiến trúc chuyển mạch,
chúng sẽ được kết hợp lại khi xử lý xong và truyền trở lại mạng quang tại giao diện đầu ra Hạn chế trong phương pháp này là vấn để giới hạn về bộ đệm quang và vấn để giải quyết tranh chấp
Trên thực tế, mô hình OPS là mục tiêu hướng đến của các nhà phát triển mạng
quang, tuy nhiên nó không thê trở thành hiện thực bởi hạn chế của công nghệ quang
hiện nay là không thể sản xuất được các bộ đệm quang (tương tự như bộ nhớ RAM
điện tử) cần sử dụng trong OPS Và hiện nay, công nghệ chuyên mạch chùm quang (OBS) được biết đến như là sự kết hợp cân bằng giữa công nghệ OCS và OPS; nó
đã tận dụng được các ưu điểm cũng như dung hòa được các nhược điểm của cả
Trang 17Trong chương này, chúng tôi sẽ giới thiệu tổng quan về kiến trúc và các hoạt động chính trong mạng chuyển mạch chùm quang
1.1 TONG QUAN VE MANG CHUYEN MACH CHUM QUANG
1.1.1 Mạng chuyển mạch chùm quang
Khái niệm chuyên mạch chùm quang được để xuất vào năm 1980 Tuy nhiên, kỹ thuật này không thành công trong mạng chuyên mạch điện tử đo nhu cầu và tính phức tạp so với kỹ thuật chuyển mạch gói Trong mạng quang có sự khác biệt lớn giữa khả năng truyền dẫn quang và khả năng xử lý điện tử; thêm vào đó khả năng sử dụng các bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên trong miền quang là không khả dụng, vì vậy không thể giữ được dữ liệu đợi xử lý trong miền quang Mạng OBS được đề xuất vào
cuối năm 1990 và nó trở thành một công nghệ hứa hẹn có thể tận dụng được những
ưu điểm của mạng chuyên mạch kênh quang và mạng chuyển mạch gói quang để tránh được những bắt lợi về kỹ thuật trong thời gian này
Mạng OBS được xem như là một công nghệ hứa hẹn cho mạng Internet toàn
quang thế hệ kế tiếp Nó có nhiều chức năng riêng và nhiều ưu điểm hơn so với các kỹ thuật chuyển mạch khác Mạng OBS là một giải pháp cho phép truyền tải lưu lượng trực tiếp qua mạng WDM mà không cần bộ đệm quang Mạng OBS sử dụng các cơ chế đặt trước tài nguyên một chiều với quá trình truyền tức thời, chùm dữ liệu truyền đi sau gói điều khiển tương ứng mà không đợi phản hồi (báo nhận) từ
nút đích
Thực chất, mạng OBS xem xét lớp quang đơn thuần như một phương tiện truyền thông trong suốt cho các ứng dụng Tuy nhiên cho đến hiện nay chưa có định nghĩa chung nào cho chuyên mạch chùm quang
Một số đặc trưng chung của mạng OBS như sau:
— Tach biét gitta kénh truyén géi diéu khién BCP (Burst Control Packet) va kênh truyền chùm di liéu DB (Data Burst): g6i điều khiến được truyền
trên một kênh riêng biệt
Trang 18nút nguồn không cần đợi thông tin phản hồi từ nút đích trước khi nó bắt đầu truyền chùm
— D6 dai chim thay đổi được: kích thước của chùm có thể thay đổi được theo
yêu cầu
— Không cần bộ đệm quang: nút trung gian trong mạng quang không yêu cầu phải có bộ đệm quang Các chùm đi qua các nút trung gian mà không chịu bất kỳ sự trễ nào
1.1.2 Kiến trúc mạng chuyển mạch chùm quang
Một mạng OBS bao gồm các nút OBS kết nối với nhau thông qua các sợi quang Mỗi sợi quang có khả năng hỗ trợ các kênh đa bước sóng Như được trình bày ở Hình 1.1, các nút OBS có hai kiểu: nút biên và nút lõi
Thời gian chuyén |
| mach tinh bang don vi pis -ms ' : jcênh điều q1 Punts IP] HE Bƒ92£? Liên kết WDM Hình 1.1 Kiến trúc mạng OBS
Nút biên được xem như là giao diện giữa miền điện tử và miền quang Nút
biên có thể là nút biên vào hoặc là nút biên ra Nút biên vào thực hiện tập hợp các
gói điện tử (chẳng hạn các gói IP) có cùng đích thành một đơn vị truyền dẫn lớn gọi
Trang 19cho chùm trên một kênh dữ liệu ở ngõ ra, sau đó được truyền qua mạng OBS và cuối cùng được tách gói tại nút biên ngõ ra Nút lõi được xem như là một ma trận chuyển mạch và là một đơn vi chuyển mạch có trách nhiệm chuyển tiếp các chùm dữ liệu đến nút khác
Một nút OBS bao gdm cả 2 phần: quang và điện Phần quang là các bộ ghép/tách bước sóng (muiliiplexer/demaulriplexer) và chuyên mạch quang Phần điện
có các đơn vị vào/ra, điều khiển định tuyến và lập lịch Đơn vị chuyền mạch quang
điều khiển các burst dữ liệu từ một cổng vào và ra cổng ra tương ứng với đích đến của chúng
Khi một nút biên chuẩn bị truyền một chùm dữ liệu, nó sẽ gửi một gói diéu
khiển đi trên một bước sóng riêng tới nút lõi Gói điều khiển thực hiện việc báo
hiệu, cấu hình các chuyển mạch tại nút lõi để chuyển chùm từ công vào đến công ra và giải quyết xung đột nếu xây ra
1121 Nút biên
Việc liên kết các mang bién (Client networks) va mang OBS duoc thực hiện
bởi các nút biên Mạng biên có thể kê đến như IP, ATM, SONET/SDH hoặc các
mạng khác Nút biên vào (ingress eđge) chịu trách nhiệm biến đổi các tín hiệu dữ
liệu từ mạng biên thành định dạng dữ liệu truyền trong mạng OBS nghĩa là tập hợp những gói tin đến từ nhiều nguồn khác nhau vào trong một chùm Chùm sau đó được truyền trong mơi trường tồn quang qua những bộ định tuyến lõi OBS mà không cần bất kỳ lưu trữ nào tại những nút trung gian Nút biên ra nhận chùm, tách chùm thành những gói tin riêng và chuyên chúng tới đích Cấu trúc một nút biên có thê mô tả trong Hình 1.2
Tương ứng với mỗi chùm, một gói điều khiển được tạo ra Gói điều khiển
mang thông tin về chiều đài chùm, thời gian đến của chùm, thông tin về nút đích và được gởi trên kênh điều khiến có bước sóng dành riêng đến các nút trung gian nhằm
đặt trước tài nguyên Bộ lập lịch chùm thực hiện lập lịch chùm trên các kênh dữ liệu
Trang 20bit thấp hơn so với kênh đữ liệu nên có thể sử dụng các phương pháp điều chế khác nhau a — | | Quan ly offset | Bộ tạo gói điều khiển | | Lập lệnh chùm | FT TT TTh T ——¬ Phân I I lớp i Lớp 1 [TTT] e Ị Switch 1 t 1 ' ; I F Lớp k LILTIS 1 Ly mm +——* 1 1 Các liên kết ngõ ra Nguồn Ngưỡng độ dài ; lu — )›) CC Ïl——========—=—=—=~ a |—L lượng đích #1 di vio a 'Tập hợp busrt địch #D Hình 1.2 Cấu trúc nút biên OBS 1122 Nút lỗi
Cấu trúc của một nút lõi được mô tả như Hình 1.3 Chức năng chính của giao
diện vào là tách các kênh dữ liệu và điều khiển Mỗi kênh điều khiển được kết nối với một bộ tiếp nhận chùm có chức năng khôi phục lại thông tin điều khiển từ các
gói điều khiển, chuyên đổi thành đạng điện và chuyển sang bộ điều khiển chuyển
mạch Đồng thời các chùm dữ liệu trên các bước sóng khác nhau được tách kênh và
Trang 21Các kênh Bộ điều khiển chuyển mạch
A aya
diéu khién Các bộ Xử lý gói Các bộ
đệm vào điều khiển đệm ra Các liên kết vào kết ngõ ra Các liên Khung chuyển mạch Bộ chuyển đổi Đước song, các bộ đệm FDL
Hình 1.3 Cấu trúc nút lõi OBS
Bộ điều khiển chuyên mạch xử lý gói điều khiến, cụ thé 1a thực hiện tìm kiếm
và đặt trước tài nguyên cho dữ liệu đi vào Sự đặt trước tài nguyên được thực hiện
bằng cách cấu hình ma trận đường chuyên mạch thích hợp và xử lý vấn để tranh
chấp Bộ điều khiển thường xuyên được cập nhật thông tin, chịu trách nhiệm gửi
các tín hiệu điều khiển định kỳ đến khung chuyên mạch và các thành phần chuyển mạch khác để điều khiển các chùm dữ liệu quang
Khung chuyển mạch được xây dựng với ma trận chuyên mạch và các bộ phận chuyên dụng khác Ma trận chuyển mạch có thể được đặc trưng bởi chế độ thực hiện (Không đồng bộ/đồng bộ), kích thước, thời gian chuyển mạch, các khối thuộc
tính bên trong Kích thước của ma trận chuyên mạch sẽ là (N*W)*(N*W) nếu N là số công vào/ra, W là số bước sóng trên mỗi cổng Các thành phần khác có thể được tìm thấy trong lõi chuyển mạch quang, ví đụ: chuyên đổi bước sóng, đường trễ
quang (Ƒ?ber Delay Link - FDL), chúng được sử dụng cho xử lý tranh chấp
Giao diện ra thực hiện cập nhật thông tin điều khiển, ghép kênh điều khiển và
Trang 221.1.2.3 Thời gian bù đắp
Một đặc trưng quan trọng trong kiến trúc mạng OBS là thời gian bù đắp (offset
time), đó là khoảng thời gian giữa gói điều khiển và chùm đữ liệu Thời gian bù đắp
cung cấp độ trễ để thực hiện xử lý và chuyển mạch tại các nút lõi mà không cần bộ
đệm quang Chùm sẽ bị mất nếu thời gian xử lý gói tin điều khiển dai hơn độ trễ Do đó việc thiết lập thời gian bù đắp thích hợp là quyết định trong mạng OBS
Ba mô hình cung cấp thời gian bù đắp như sau (Hình 1.4)
— C-OBS (Coventional OBS) thoi gian bu dip duoc tinh todn ngay tại nút bién (5) (Hinh 1.4.a)
— E-OBS (Emulated OBS) thời gian bù đắp được bỗổ sung tại mỗi nút lõi tùy thuộc vào thời gian xử lý tại mỗi nút (Hình 1.4.b)
Trang 23Nút biên và 10 Gói điều khiển ba Burst tải Nút lõi % (b) E-OBS N x ‘eS Nút lõi eS % xX es Nút biên ra aN ° aX % Vào Sr 7Ặ7{Ï{< đã G7 aA t Nút biên vào Gói điều khiển Burst tai Sx 2 —_—_—-k, Nút lõi N (c) H-OBS x Nút lõi x % ä Sell De A Nút biên r ` y © eee, 3 AON x, ea ` é, yy EE=———— ø ^ t
3: 7hời gian bù đắp di vao; A: tré xir ly
Hình 1.4 Các mô hình xây dụng thời gian bù dap
1.2 CAC HOAT DONG TRONG MẠNG CHUYỂN MACH CHUM QUANG
1.2.1 Tập hợp chùm
Tap hop chum là quá trình tập hợp các gói tin điện tử và đóng gói thành chùm tại nút biên vào của mạng OBS Tất cả gói đến sẽ chuyển đến hàng đợi tùy theo đích của chúng như trong Hình 1.5 Một giá trị ngưỡng được sử dụng như một tham số giới hạn để quyết định khi nào tạo ra một chùm và gởi chùm vào trong mạng
Trang 24Gói điều khiến TA Gói điều iy UU
\—-y Mang >= Burst dữ liệu BS ps dữ liệu One a LL —
II | 1"
| Tap hop burst \A/ Tach burst a ,
IIIILTIIIlI TST
Hình 1.5 Tập hợp chùm và tách chùm
Hiện nay có nhiều kỹ thuật tập hợp chùm được để xuất trong đó hai kỹ thuật được quan tâm nhất là tập hợp chùm dựa vào ngưỡng thời gian (#mer-basea) (Hình 1.6) và tập hợp chùm dựa trên ngưỡng độ dài chùm (/engfh-basea) (Hình 1.7)
| | Kích thước của burst
không bằng nhau
Các gói đến i | - TT [| Burst 3 | Buet2 - ¬
II œ3 ig
' Bộ định thời gian Khoảng cách giữa các
Ngưỡng thời gian burst bằng nhau
Hình 1.6 Tập hợp chùm theo ngưỡng thời gian
I _ seen II Kích thước của burst bằng nhau a a el i | ee [li ~——=—————-—~ — i A Khoảng cách giữa các burst không bằng nhau
Kích thước burst tối đa (số gói tối đa)
Hình 1.7 Tập hợp chùm theo ngưỡng kích thước (số gói tối đa)
Trang 25không quan tâm đến kích thước chùm dài hay ngắn Vì vậy, chiều dài của chùm biến đổi tuỳ theo tần suất đến của gói, trong những khoảng thời gian bằng nhau Đối với phương pháp tập hợp chùm dựa trên giá trị ngưỡng độ dài chùm, một giới hạn
dựa trên số lượng tối đa gói tin chứa trong mỗi chùm Vì vậy, những chùm được tạo ra có kích thước cố định
Vấn để quan trọng được đặt ra ở đây là làm thế nào để chọn một giá trị ngưỡng thời gian hoặc ngưỡng độ dài chùm tối ưu để giảm số lượng gói tin điện tử bị mất khi xảy ra tranh chấp chùm, cũng như tăng hiệu suất sử dụng mạng OBS Ta thấy rằng nếu giá trị ngưỡng thời gian quá thấp, chiều dài của chùm sẽ ngắn và số lượng chùm di chuyên trong mạng tăng lên, đẫn đến tinh trạng số lượng tranh chấp trong mạng cao, nhưng số lượng gói tin mất trung bình trong mỗi chùm lại thấp Thêm vào đó, số lượng chùm nhiều sẽ gây áp lực lên tốc độ xử lý các gói điều khiển phải nhanh mới hiệu quả Ngược lại nếu giá trị ngưỡng thời gian lớn, độ dài của chùm tăng lên và số lượng chùm di chuyên trong mạng là giảm, do đó giảm được số lượng tranh chấp trong mạng so với trường hợp chùm ngắn, nhưng số lượng gói tin
mat trung binh trén mỗi chùm mất là cao Tóm lại, cần xác định độ dài chùm tối ưu
dé tăng hiệu quả của một mạng OBS
Hình 1.8 mô tả ảnh hưởng của kỹ thuật tập hợp chùm dựa trên ngưỡng thời gian và ngưỡng độ dài chùm đối với chùm sinh ra ngưỡng kích thước () i) ee) “8 I8) —-~: tại cao \ | — lƒ" | ma)
lị _ ngưỡng thời gian (T)
"Thời gian tập hop burst Chiều dai burst
Hình 1.8 Tập hợp chùm theo ngưỡng thời gian và ngưỡng độ dài chùm Trong trường hợp các gói chịu gidi han vé chat long dich vu QoS (Quality of
Trang 26Service), như ràng buộc về độ trễ, giải pháp rõ ràng là tập hợp chùm theo ngưỡng
thời gian Giá trị ngưỡng thời gian được lựa chọn dựa trên yêu cầu độ trễ của các
gói Còn trong trường hợp không bắt buộc về độ trễ, việc thiết lập chùm theo ngưỡng độ dài tỏ ra hợp lý hơn vì các chùm có kích thước cố định sẽ giúp giảm bớt khả năng mất chùm do xung đột
Hiện nay, do lưu lượng trong mạng có thê thay đổi nên phương pháp tập hợp chùm tốt nhất là kết hợp vừa dựa trên ngưỡng thời gian và vừa dựa trễ ngưỡng độ đài chùm
1.2.2 Báo hiệu
Trong mạng OBS, khi một chùm được gửi tới một nút lõi, tiến trình báo hiệu được thực hiện trước để đặt trước tải nguyên và cầu hình bộ chuyển mạch quang tại
mỗi nút đó sao cho phủ hợp với chùm đữ liệu tương ứng Tiến trình báo hiệu trong
mạng OBS được thực hiện bởi các gói điều khiển và các gói này được truyền độc lập với các chùm dữ liệu
Có nhiều phương thức báo hiệu khác nhau tùy thuộc vào việc như thế nào và khi nào tài nguyên được đặt trước cho một chùm trên suốt tuyến đường Sau đây sẽ trình bày các phương thức báo hiệu trong mạng OBS
1.2.2.1 Báo hiệu một chiều, hai chiều, hỗn hợp
Đối với báo hiệu một chiều, nút nguồn gửi đi một gói điều khiển yêu cầu mỗi nút trên cùng một tuyến cấp phát tài nguyên cần thiết cho chùm đữ liệu và cấu hình chuyển mạch quang tương ứng Sau đó nguồn sẽ gửi chùm đữ liệu đi mà không cần chờ tín hiệu ACK từ nút trung gian hay nút đích trả lời về Vì không cần tín hiệu ACK nên chùm đữ liệu có thể gửi đi sớm hơn và giảm độ trễ truyền dan dau — cudi (end-to-end)
Bao hiéu hai chiéu cũng tương tự như báo hiệu một chiều Tuy nhiên, nút
nguôn chờ nhận được tín hiệu ACK phản hôi sau đó mới quyết định có truyền chủm đi hay không Như vậy, nếu việc đặt trước tài nguyên thất bại tại một nút trung gian
Trang 27hiệu hai chiều tăng độ trễ truyền dẫn đầu -— cuối
Phương pháp báo hiệu hỗn hợp đưa ra giải pháp cân bằng giữa báo hiệu một chiều và hai chiều Trong phương pháp này, việc đặt trước từ nút nguồn tới các nút
trung gian được xác nhận bằng tín hiệu ACK VỊ trí của nút được chỉ định làm nút
trung gian sẽ quyết định khả năng mắt hay độ trễ của chùm đữ liệu
1.2.2.2 Đặt trước tài nguyên bắt đầu từ nguôn, từ đích hoặc từ nút trung gian Trong đặt trước từ nguồn (Sowrce Inifiated Reservafion - SIR), tài nguyên được đặt trước trong khi gói điều khiển đi từ nguồn đến đích Nếu quá trình đặt
trước thành công, một tín hiệu ACK được gửi ngược từ đích về nguồn chỉ định bước sóng mà chùm dữ liệu sẽ được truyền đi Ngược lại, trong đặt trước từ đích
(Destination Initiated Reservation - DIR), nguén giti mét yéu cau dat trước tài nguyên đến nút đích Dựa vào thông tin bước sóng khả đụng trên mỗi liên kết dọc theo tuyến đường, nút đích sẽ chọn một bước sóng khả dụng với khoảng thời gian phù hợp (nếu tồn tại) và gửi yêu cầu đặt trước trở về nút nguồn Nguyên nhân chính gây ra tắc nghẽn (hoặc mất dữ liệu) trong SIR la vì thiếu tài nguyên rỗi, trong khi
đối với DIR là do thông tin hết hạn
Dat trudc tai nut trung gian (Intermediate Node Initiated Reservation- INI): dat
trước tài nguyên này giống như DIR từ nguồn đến một vài nút trung gian và giống như SIR từ nút trung gian đến nút đích
1.2.2.3 Đặt trước tức thời hay đặt trước sau một thời gian trễ
Dựa trên khoảng thời gian giữa gói điều khiển và chùm đến, tài nguyên có thé được đặt trước tức thời hoặc sau một khoảng thời gian trễ (Hình 1.9) Trong kỹ thuật đặt trước tức thời, tài nguyên sẽ được đặt trước ngay khi gói điều khiển đến các nút Ngược lại, đối với kỹ thuật đặt trước sau khoảng thời gian trễ, tài nguyên
được đặt trước dựa trên thời gian thực tế mà chùm dữ liệu đến tại nút đó Nhìn
chung, đặt trước tức thời đơn giản nhưng dễ tạo ra tắc nghẽn lớn, ảnh hưởng đến hiệu quả sử dụng băng thơng trên tồn mạng
Trang 28Gói điều khiển Burst dữ liệu
¬ Thời gian Offset REL Dành trước tức thời Dành trước có trễ Giải phóng tường minh Giải phóng ẳn Or Thời gian
Hình 1.9 Quá trình đặt trước tức thời và sau một thời gian trễ 1.2.2.4 Giải phóng tài nguyên tường mình hoặc ngầm định
Giải phóng tài nguyên có thê thực hiện bằng hai cách là tường minh hoặc ngầm định (Hình 1.9) Trong giải phóng tường minh, tài nguyên được giải phóng bởi một gói điều khiển theo ngay sau chùm dữ liệu từ nguồn đến Ngược lại trong giải phóng ngầm định, gói BCP phải mang thêm thông tin như là độ đài chùm và thời gian bù đắp để tại các nút sẽ biết khi nào tài nguyên cần được giải phóng Trong hai phương pháp thì phương pháp giải phóng tường minh phức tạp hơn, vì nó chiếm dụng băng thông và làm tăng số lượng gói thông báo ở trong mạng
1.2.3 Lập lịch chùm
Khi một chùm đến một nút, nó phải được gán một bước sóng trên một liên kết
ra thích hợp Giả sử rằng việc chuyên đổi bước sóng toàn quang là có sẵn ở mỗi nút
và việc lập lịch xảy ra tại các nút lõi trung gian cũng như các nút biên vào, mục đích
chính của lập lịch là cực tiểu hoá các “khoảng hở” (gap) trong mỗi lịch biểu của các kênh, trong đó một khoảng hở là khoảng thời gian giữa hai chùm đã được lập lịch trên cùng bước sóng ra Lập lịch kênh trong mạng OBS khác với lập lịch trong mạng IP truyền thống Trong mạng IP, mỗi nút trung tâm lưu trữ các gói tin trong các bộ đệm điện tử và lập lịch cho chúng trên cổng ra mong muốn Trong
mạng OBS, mỗi lần chùm tới tại một nút lõi, nó phải được gửi tới nút tiếp theo
mà không lưu trữ tạm vì không có bộ đệm quang
Khi một gói tin điều khiển tới tại một nút lõi, một thuật toán lập lịch kênh
được gọi để gán chùm chưa được lập lịch với một kênh dữ liệu khả dụng ở công ra
Trang 29và gói điều khiển Thuật toán có thê cần duy trì thời điểm chưa lập lich kha dung gan nhat LAUT (Latest Available Unscheduled Time), cac khoang hé và các khoảng
trống (voids) trén moi kénh dữ liệu ra Theo truyền thống, LAUT của một kênh dữ
liệu là thời điểm sớm nhất mà tại đó kênh dữ liệu có giá trị đối với chùm đữ liệu
chưa được lập lịch Khoảng hở là thời gian giữa thời điểm đến của chùm chưa lập lịch và thời điểm kết thúc của chùm đã lập lịch trước đó Khoảng trống là khoảng
thời gian không đùng đến giữa hai chùm đã lập lịch trên một kênh dữ liệu Đối với
các thuật toán dùng để lấp đầy các khoảng trống, thời điểm bắt đầu và kết thúc mỗi
chùm tín hiệu trên mọi kênh dữ liệu phải được duy trì
Các thuật toán lập lịch cho kênh dữ liệu có thể được phân thành 2 loại: không
Trang 30Khi một gói điều khiến đến tại một nút lõi, nút lõi chuyển nó thành tín hiệu
điện và thu được thời gian đến của chùm và khoảng thời gian từ chùm đến gói điều
khiển của nó Một thuật toán lập lịch kênh đữ liệu được gọi đề lập lịch chùm trên
một bước sóng của liên kết ra chùm Chuyển mạch quang được cầu hình lại dựa trên
các kết quả lập lịch
Để tìm ra một bước sóng phù hợp trong số các bước sóng (kênh) có thể chỉ
định cho một chùm đến, một vài thuật toán lập lịch kênh không lấp đầy khoảng
trống truyền thống nhw FFUC (First Fit Unscheduled Channel), LAUC (Latest Available Unscheduled Channel) và các thuật toán lập lịch lấp đầy khoảng trống truyền thống, như: FFUC-VFE (First Fit Unscheduled Channel with Void Filling), LAUC-VF (Latest Available Unscheduled Channel with Void Filling)
1.2.4 Giải quyết tranh chấp
Chuyển mạch chùm quang (Optical Burst Switching - OBS) là một trong những ứng viên đầy hứa hẹn nhằm hỗ trợ cho Internet thế hệ tiếp theo Nó có thể được xem là một sự thỏa hiệp giữa tính chất tĩnh của chuyển mạch kênh quang (Optical Circuit Switching - OCS) và tính chất động trong tương lai của chuyển mạch gói quang (Optical Packet Switching - OPS) Đặc trưng của mạng OBS là các gói điều khiển (BCP — Burst control packet) và chùm dữ liệu được truyền độc lập
Các gói tin IP co cùng đích đến sẽ được tập hợp tại các nút biên vào, khi độ dài
chùm hoặc thời gian tập hợp chùm đạt ngưỡng định trước, BCP chứa các thông tin
của chùm tương ứng như độ dài chùm, địa chỉ đích đến được tạo ra và gửi đi trên
kênh điều khiển để thiết lập, đặt trước tài nguyên cho chùm dữ liệu Chùm dữ liệu
tương ứng được gửi trên kênh dữ liệu sau một khoảng thời gian offset Vi vay, chi BCP cần chuyển đổi quang điện - O/E/O, các chùm dữ liệu được truyền thông suốt
†rong mạng
Với đặc tính không có bộ đệm của các nút lõi và việc sử dụng các giao thức
Trang 31công ra trên cùng bước sóng tại cùng một thời điểm Tranh chấp là nguồn gốc chính của sự mất chùm và đo đó có thể làm giảm hiệu suất của các lớp cao hơn Có nhiều cơ chế được đề xuất dé giải quyết vấn đề tranh chấp trong mạng OBS như sử dụng các đường trễ quang (FDL), chuyên đổi bước sóng, định tuyến lệch hướng và truyền
lại
1.241 Sứ dụng các đường trễ
Mục đích của phương pháp là cố gắng làm trì hoãn thời gian ra của chùm (chùm được đuy trì trong một đường trễ FDL) cho đến khi một kênh nào đó rãnh Phương pháp này làm giảm khả năng mất chùm, nhưng nó không đảm bảo được thứ tự ra của
các chùm một cách chính xác Hơn nữa, ngoài chất lượng của tín hiệu, để làm trễ một
chùm với thời gian Ims chúng ta cần đến hơn 200km cáp quang 1.242 Chuyển đổi bước sóng
Trong WDM, nhiều bước sóng có thể được truyền trên một đường dây nối giữa hai chuyên mạch quang Quá trình chuyển đổi bước sóng là quá trình chuyển
đổi bước sóng của một kênh vào thành một bước sóng khác trên một kênh ra Với
cách này cho phép tăng khả năng sử dụng các bước sóng hiệu quả hơn Khi tranh
chấp xấy ra, một chùm bị xung đột có thể được chuyển mạch đến bất kì bước sóng rỗi nào tại công ra (Hình 1.11) Nhờ việc tạo ra nhiều bước sóng trên một kết nối,
phương pháp chuyển đổi bước sóng có thể làm giảm khả năng tắc nghẽn trong mạng chuyển mạch chùm quang
Trang 32
Hình 1.11 Chuyển đỗi bước sóng W1 qua W2 1.243 Định tuyến lệch hướng
Định tuyến lệch hướng là một phương pháp giải quyết tắc nghẽn bằng việc định tuyến một chùm tranh chấp đến một công ra khác so với công ra theo dự kiến (Hình 1.12) Trong định tuyến lệch hướng, một chùm lệch hướng sẽ có đường truyền tới đích dài hơn, dẫn tới làm tăng độ trễ và giảm chất lượng tín hiệu Hơn nữa, nó có thể dẫn đến khả năng lặp vô hạn trong mạng và đo đó sẽ dẫn tới tắc nghẽn
TỪ C ĐÉN E
Hình 1.12 Định tuyến lệch hướng
1.2.4.4 Truyén lai trong mang OBS:
Do tinh chat không có bộ đệm tại các nút lõi của mạng OBS và báo hiệu dựa
trên đường truyền, mạng OBS sẽ bị rơi chùm ngay cả khi tải lưu lượng thấp Một vấn để phát sinh khi lưu lượng TCP đi qua các mạng OBS là mất mát ngẫu nhiên
Trang 33trong mạng OBS có thể được hiểu sai là tắc nghẽn mạng bởi lớp TCP Vấn dé này
được gọi là phát hiện tắc nghẽn sai lệch tại lớp TCP
Ví dụ khi một chùm chứa tất cả các gói tin của cửa số TCP nguồn bị rơi do sự
tranh chấp chùm trong mạng OBS ở mức tải lưu lượng thấp, sau đó TCP nguồn phát hiện tắc nghẽn mạng, và đây là phát hiện tắc nghẽn sai lệch Điều này được gọi là hết thời gian sai lệch (FTO) trong [10] Khi TCP nguồn phát hiện tắc nghẽn sai lệch,
nó sẽ kích hoạt cơ chế kiểm soát tắc nghẽn khởi động chậm để thu hẹp kích thước
cửa số trượt, vấn để này sẽ dẫn đến việc giảm thông lượng của giao thức TCP Một ví dụ khác là khi mất chùm ngẫu nhiên xảy ra trong mạng OBS, TCP
nguồn kích hoạt cơ chế truyền lại nhanh cho phân đoạn bị mất và được tập hợp
thành chùm mới Rơi chùm trong mạng OBS sẽ được hiểu là tắc nghẽn mạng nhẹ và
sẽ kích hoạt một hoặc nhiều lần truyền lại nhanh tại lớp TCP Điều này làm cho việc
phát hiện tắc nghẽn sai lệch dẫn đến truyền lại nhanh sai (FFR) trong [5] Lượng thời gian cần thiết cho lớp TCP để phục hồi các gói tin trong những chùm bị rơi nhanh chóng truyền lại được gọi là thời gian truyền lại nhanh
Van dé phát hiện tắc nghẽn sai lệch càng trở nên nghiêm trọng hơn khi có các gói tin từ nhiều nguồn gửi TCP được tập hợp thành một chùm và chùm được truyền đi trong mạng OBS Trong trường hợp này, nhiều nguồn TCP sẽ phát hiện mất gói tin và giảm tốc độ gửi bằng cách đồng loạt thu hẹp cửa số TCP, dẫn đến hiệu năng của mạng bị sử dụng không đúng mức
Nhiều ứng dụng dựa trên TCP, như web (HTTP), email (SMTP), chia sé tép
ngang hàng và điện toán lưới, chiếm phần lớn lưu lượng dữ liệu trên Internet, do đó,
việc hiểu và cải thiện hiệu suất TCP trên các mạng OBS là rất quan trọng Chính vì
vậy, cơ chế truyền lại chùm được sử dụng trong mạng OBS giúp cải thiện xác suất rơi chùm, mật gói tin nhăm nâng cao hiệu năng mạng
Ý tưởng cơ bản của truyền lại chùm trong mạng OBS là cho phép chùm bị rơi do tranh chấp tài nguyên được truyền lại trong lớp OBS chứ không phải truyền lại nhanh các gói tin ở lớp TCP đề phục hồi dữ liệu bị mat Đề tìm hiểu và mô hình hóa
Trang 34hiệu suất của các mô hình truyền lại chùm trong mạng OBS có làm giảm xác suất
roi chim, mat gói tin, các ràng buộc độ trễ truyền lại, kích thước bộ đệm tại các nút biên vào được xác định như thế nào và ảnh hưởng của nó đối với việc điều khiển
cửa số điều khiển tắc nghẽn TCP Chúng tôi sẽ phân tích cụ thé trong Chương 2 của luận văn này
1.3 TIEU KET CHUONG 1
Mang OBS kết hợp nhiều ưu điểm của chuyên mạch kênh quang và chuyển mạch gói quang và đang được xem là công nghệ hiện đại và thích hợp nhất đối với mạng thông tin quang hiện nay và tương lai
Trang 35Chuong 2 CO CHE TRUYEN LAI TRONG MẠNG OBS VÀ ANH HUONG CUA NO DEN DIEU KHIEN CUA SO TCP
Trong chương này, chúng tôi tìm hiểu một mô hình truyền lại chùm cho mạng OBS và các vấn đề thiết kế cho mô hình truyền lại này Các cơ chế truyền lại có thể được phân thành hai loại: thụ động/phản ứng (reactive) và chủ động (proactive)
Đối với cơ chế truyền lại chủ động, nút biên thực hiện truyền lại chùm sau một
khoảng thời gian định trước mà không cần có sự phản hồi của nút lõi Ngược lại, cơ
chế truyền lại thụ động sẽ thực hiện truyền lại khi nhận được thông điệp phản hồi
ARQ từ nút lõi thông báo có tranh chấp tài nguyên xảy ra Trong luận văn này
chúng tôi chỉ xét cơ chế truyền lại thụ động không xét điều kiện và truyền lại thụ
động có xét điền kiện để phân tích ảnh hưởng của nó đến việc điều khiển cửa số TCP
2.1 GIAO THỨC TCP VÀ CÁC CO CHE DIEU KHIỂN TRÁNH TẮC
NGHEN
2.1.1 Giao thức TCP
Ở tầng giao vận có 2 giao thức cơ bản là giao thức UDP và giao thức TCP Giao thức UDP có thê truyền các UDP Datagram mà không cần thiết lập kết nối, chỉ
đáp ứng các loại dịch vụ cần khai thác sự nỗ lực tối đa của việc vận chuyển các gói
tin mà không cân thiết sự tin cậy Trái lại, giao thức TCP cung cấp 1 phương thức truyền tin tin cậy Sau đây là một số đặc điểm của TCP:
-_ Truyền dữ liệu không lỗi (do có cơ chế sửa lỗi) - _ Truyền các Segment dữ liệu theo đúng thứ tự
- Truyén lại các Segment dữ liệu bị mất trên đường truyền - Loai bo cac Segment dữ liệu trùng lặp
- Truyén dif liéu theo co ché song céng (Full duplex) - Cécoché điều khiển luồng dữ liệu và hạn chế tắc nghẽn
TCP còn phân biệt được dữ liệu của các ứng dụng chạy trên cùng một máy
Trang 36như: Dịch vụ truyền tap tin (FTP), dich vu dang nhap tv xa (Telnet), dich vu thu dién ti (Email), dich vu Web (HTTP), Cửa số truyền dữ liệu Tae 1 r Ung > i 1 Lị | 1 PI I Ung dụng ' dụng 1 1 À nguồn i ĐEN 1 1 ¿| |] | - 1 LH 1 1 \ '
TCP | Cae gói phản hồi ACK i TCP
May gui Môi trường truyền thông Máy nhận
Hình 2.1 Cơ chế truyền dữ liệu của TCP
Dòng dữ liệu từ tầng ứng dụng gửi xuống tầng giao vận, nếu là dòng dữ liệu
của dịch vụ cần truyền dữ liệu một cách tin cậy thì giao thức TCP được sử dụng
Tại đây dòng đữ liệu được chia thành các gói tin và các gói tin được gắn thêm phần đầu (Header) và được truyền đi Gói tin TCP được gọi là các Segment và không lớn hơn 64KB Tại đầu bên kia khi nhận được Segment của nơi gửi nó sẽ trả lời bằng Segment hồi đáp ACK (Acknowledgement) về cho bên phát Một đồng hồ ở bên phát sẽ bấm giờ và sẽ báo hết giờ (TO - Time Out) nếu quá thời gian quy định cho 1 vòng đi về (RTT - Round Trip Time) của một Segment (kế từ khi nó được gửi đi cho đến khi nhận được gói tin hồi đáp ACK) TCP còn sử dụng cơ chế kiểm tra lỗi cho Segment dé kiém tra xem có byte nào có bị lỗi trên đường truyền hay không,
nếu Segment bi lỗi nó sẽ bị hủy bỏ Nếu Segment bi thất lac, bi TO — Time Out, bi
lỗi trên đường truyền thì TCP sẽ phát lại gói tin đó
Với đặc điểm truyền dữ liệu tin cậy, có cơ chế điều khiến truyền thơng linh hoạt, kiểm sốt lưu thông trên mạng và tránh được tắc nghẽn nên giao thức TCP đã
Trang 372.1.2 Các cơ chế điều khiển tránh tắc nghẽn
Trong cơ chế truyền dữ liệu của TCP, khi một máy nhận một gói hoặc một tập
hợp các gói thì nó sẽ gửi một ACK cho phía gửi để thông báo đã nhận được gói tin Cơ chế cửa số cho phép máy nhận đa gói tin mà chỉ đùng một ACK Việc phía gửi không nhận được ACK (hay nhận các ACK trùng lặp) từ máy nhận, chứng tỏ mạng có dấu hiệu bị tắc nghẽn, khi đó cần thực hiện kiểm soát tắc nghẽn phía nguồn gửi
Hình 1.5 trình bày cơ chế truyền đữ liệu của giao thức TCP [2], [6]
Timeout SSthresh Lap lai 3 ban tin bao nhan see eceeeapeacsse Tránh tắc nghẽn SSthresh SSthresh SSthresh Bat dau cham Bat dau cham
Thời gian (giây)
Hình 2.2 Cơ chế kiểm soát tắc nghẽn của TCP
Chiến lược kiểm soát tắc nghẽn của TCP là “Tăng theo cấp số cộng - giảm theo cấp số nhân” (AIMD: Additive Inerease Multiplicative Decrease) để điều
chỉnh tốc độ gửi gói tin vào mạng Lược đỗ về luồng dữ liệu thể hiện số lượng các
gói tăng lên (tăng theo cấp số cộng) cho đến khi có dấu hiệu tắc nghẽn xuất hiện trong mạng và khi đó TCP giảm nhanh (giảm theo cấp số nhân) tốc độ gửi gói vào mạng cho đến khi kết thúc
Chuẩn REC 2581 đã giới thiệu thuật toán kiểm soát tắc nghẽn của TCP gồm 4
pha: bắt đầu chậm, tránh tắc nghẽn, phát lại nhanh và phục hồi nhanh
2.1.2.1 Pha bắt đầu chậm
Ban đầu, giao thức TCP hoạt động ở pha bắt đầu chậm Mục đích là để có được một ngưỡng dự đoán tắc nghẽn Khởi đầu của pha bắt đầu chậm, TCP thiết lập
kích thước cửa số tắc nghẽn (cwnd: Congestion Window) cwnd = 1 Mỗi khi nhận
Trang 38được một ACK, cwnd sẽ tăng lên một đơn vị (cWnd»ew = cwndaia + |, nên cwnd lần lượt là: 29,21, 2.3, nhưng không vượt quá cửa số nhận của bên nhận
Như vậy, cwnd sẽ tăng lên theo hàm mũ cho tới khi đạt đến ngưỡng (Ssthresh) của bắt đầu chậm thì chuyền sang pha tránh tắc nghẽn
2.1.2.2 Pha tránh tắc nghẽn
Trong giai đoạn tránh tắc nghẽn, TCP sẽ điều chỉnh cwnd = cwnd + 1/cwnd
mỗi khi nhận được một ACK cho đến khi việc mắt gói xảy ra Khi phát hiện mat
gói, nguồn gửi sẽ đặt SSthresh = cwnd/2, truyền lại các gói tin bị mất và trở về
pha bắt đầu chậm, đặt lại cwnd = 1 Trong khi cwnd < SSthresh, thuat toán bắt đầu chậm thực hiện, khi cwnd = SSthresh thì thuật toán tránh tắc nghẽn được thực
hiện, giá trị cwnd duoc tang 1/cwnd voi mỗi thông báo ACK nhận được (tăng
tuyến tính để không rơi lại vào tắc nghẽn) 2.1.2.3 Pha phát lại nhanh
Pha phát lại nhanh là cho phép gửi lại các gói bị mất không cần chờ timeout
(thời gian chờ đợi báo nhận ACK), trong trường hợp nhận được hơn ba thông báo
ACK lặp lại, nghĩa là có gói tin bị mất, cần gửi lại gói tin TCP thực hiện phát lại
một gói tin khi nhận được thông báo NAK (thu sai) hoặc vượt thời gian mà không
nhận được ACK Nếu chờ timeout mới phát lại thì gây ra số gói cần phát lại nhiều, hoặc đòi hỏi hàng đợi phía thu lớn để giữ tạm các gói sai, điều này dễ gây ra tắc nghẽn
2.1.2.4 Pha phục hồi nhanh
Khi việc mắt gói được phát hiện do hiện tượng lặp lại bản tin báo nhận, TCP
trở về pha bắt đầu chậm bằng cách đặt SSthresh = cwnd/2 và cwnd = 1 Nếu kích
thước cửa số lớn và tỉ lệ lỗi nhỏ thì thay vì tiếp tục thuật toán bắt đầu chậm, TCP sẽ
chuyển sang pha phục hồi nhanh Lúc này, thiết lập cwnd = SSthresh/2 +3 va chuyển thắng sang pha tránh tắc nghẽn
Trang 39- Các TCP dựa trên sự kiện mất mát gói tin để kiểm soát tắc nghẽn: TCP Tahoe, TCP Reno
- Các TCP dựa trên độ trễ để kiểm soát tốc độ truyền: TCP Vegas
- Các TCP dựa trên các thông điệp phản hồi chứa thông tin về tỉnh trạng của
mang hién tai: TCP Sack (Selective ACK)
Một gói tin TCP bị mất thông thường có hai loại dấu hiệu đó là: hết giờ (gọi là
TO) và nhận được hơn 3 thông báo ACK lặp lại (gọi là TD) nghĩa là có gói tin bị mắt cần phát lại và mắt mát được phát hiện khi hết thời gian truyền lại (RTO) hoặc khi một xác nhận ACK cho một gói tin không được nhận trong một khoảng thời
gian nhất định
TCP nguôồn hiểu rằng sự kiện TO là đo tắc nghẽn mạng nặng, do đó TCP nguồn sẽ truyền lại gói tin bị mất và bước vào giai đoạn bắt đầu chậm làm thu hep
cửa số trượt Khi TCP nguồn nhận được ba bản sao ACK, chỉ ra rằng một gói dữ
liệu bị mất đo mạng tắc nghẽn nhẹ, do đó TCP nguồn sẽ chuyển sang cơ chế truyền lại nhanh và phục hồi nhanh chóng mà không cần chờ RTO
Trong giao thức TCP Reno, sau khi xảy ra sự kiện TD, TCP nguôn truyền lại
một đoạn bị mất, đồng thời làm giảm kích thước của cửa số trượt xuống 1⁄2 và
chuyển sang giai đoạn phục hồi nhanh Trong giai đoạn phục hồi nhanh, TCP nguồn
tăng cửa số trượt theo mỗi một phân đoạn ACK trùng lặp mà nó nhận được Sau khi nhận được 1⁄2 số lượng ACK trùng lặp, kích thước cửa số trượt sẽ giống như kích
thước trước khi phát hiện sự kiện TD Do đó, TCP nguồn có thể gửi một gói mới
cho mỗi ACK trùng lặp bổ sung mà nó nhận được TCP nguồn sẽ thoát khỏi giai
đoạn phục hồi nhanh khi nhận được ACK thừa nhận truyền lại gói tin bị mất thành
công và đi vào giai đoạn tránh tắc nghẽn
Giao thức TCP Vegas điều khiển kích thước cửa số tắc nghẽn bằng cách theo déi cac RTT (Round Trip Time) RTT là thời gian được tính từ khi một gói tin được
gửi đi từ trạm phát đến trạm nhận, cho đến khi trạm phát nhận được gói ACK hồi
đáp, chứa thông tin về gói tin đó đó được nhận thành công Nếu thời gian của các
Trang 40RTT được theo dõi tăng lên, thì giao thức TCP Vegas nhận biết mạng sắp bị tắc nghẽn và thực hiện cơ chế tránh tắc nghẽn Nếu thời gian của các RTT giảm thì TCP Vegas nhận biết mạng được khai thông và tăng dần kích thước cửa số trượt dé tận dụng thông lượng của đường truyền Trong quá trình điều khiển truyền thông,
TCP Vegas sử dụng các cơ chế: Cơ chế cửa số trượt, cơ chế bắt đầu chậm, tránh tắc
nghẽn, phát lại nhanh, phục hồi nhanh và cơ chế điều khiến truyền thông của nó Cơ
chế bắt đầu chậm được TCP Vegas sử dụng khi bắt đầu một kết nối Cơ chế phát lại nhanh và phục hồi nhanh được thực hiện khi nó nhận được 1 hoặc 3 gói tin ACK
trùng lặp số hiệu
2.2 ANH HUONG CUA CO CHE TRUYEN LAI TRONG MANG OBS DEN DIEU KHIEN CUA SO TCP
2.2.1 Giao thức TCP với mạng OBS không truyền lại
Trong trường hợp giao thức TCP trên mạng OBS không truyền lại thì cửa số
trượt TCP cũng sử dụng các cơ chế điều khiển như: Cơ chế bắt đầu chậm, cơ chế
tránh tắc nghẽn, cơ chế phát lại nhanh và cơ chế phục hồi nhanh
Để tìm hiểu về vấn để này, Qiong Zhang và các cộng sự đã nghiên cứu sự thay đôi kích thước cửa số trượt cwnd của giao TCP Vegas trên mạng OBS không truyền lại trong [8] lúc này sự tranh chấp chùm ngẫu nhiên dẫn đến mất chùm xảy ra ngay
lập tức, vì không có cơ chế truyền lại được thực hiện
Hình 2.3 cho thấy sự thay đổi kích thước cửa số trượt cwnd của TCP Vegas qua mạng OBS không sử dụng cơ chế truyền lại được phân chia thành các giai đoạn sau:
(1) Giai doan khoi dong cham 1a thoi luong tr A đến B, lúc này kích thước
cửa số trượt cwnd bắt đầu từ 2 và tăng gấp đôi sau mỗi hành trình của mỗi gói tin
cho đến khi nó đạt đến ngưỡng khởi động chậm dự kiến
(2) Giai đoạn chuyển tiếp là từ B đến C, kích thước cửa số trượt cwnd của TCP Vegas tăng thêm I don vi cho mỗi RTT, cho đến khi đạt trạng thái ổn định