BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
DAI HOC HUE
TRUONG DAI HOC KHOA HOC
NGUYEN HUU THIEN
TIM HIEU MO HINH DIEU KHIEN
CHAP NHAN LAP LICH DAM BAO QoS KET HOP FDL TAI NUT LOI MANG OBS
CHUYEN NGANH: KHOA HOC MAY TINH MA SO: 8 48 01 01
LUAN VAN THAC SI KHOA HOC
DINH HUONG NGHIEN CUU
Trang 2LỜI CAM ĐOAN
Đây là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi Các số liệu, trích dẫn, kết quả thực nghiệm và cài đặt được trình bày trong luận văn là trung thực và có nguồn gôc rõ ràng
Tác giả luận văn
Trang 3Gói điều khiển (BCP) “Ẹ “aoe Switch Control - ØJ G]-›
Kênh điều khiển | : I
% ¡: #} @ Unit (SCU) }@ -{i}-1 I — O/E E/O 1 | ! II LÍ || Các chùm vào Các chùmra Ị BÍ! II) 4-'EBIHGBI|—.G.—-| GI0EB! toy N if ; l 1 ` 1 Các cồn g Ị ° N N l Các ác công cỗ vào ' : A ra L ~l ` ie S L—~ / LÌ: mt Ne Optical Cross / 8 ` |: ., Các kênh bước sóng Connect (OXC) Nl
Hình 2.2 Kiến trúc nút lõi OBS
Đơn vị SCU tạo ra và duy trì một bảng chuyển tiếp và chịu trách nhiệm cho việc câu hình OXC Ngay khi SCU nhận được gói điều khiến chùm (BCP) no sé phân tích các thông tin điều khiển trong BCP, xác định địa chỉ đích và tham khảo bảng chuyển tiếp để tìm cổng ra (và bước sóng) tương ứng với chùm Nếu bước sóng yêu cầu trên công ra sẵn có khi chùm dữ liệu đến, SCU sẽ cấu hình OXC đề chùm dữ liệu đi qua Ngược lại, nếu bước sóng yêu cầu bận thì OXC sẽ được cấu hình phụ thuộc vào các cơ chế điều khiển trách tắc nghẽn được thực thi trong mạng
Tóm lại, SCU có trách nhiệm phân tích gói điều khiển, lập lịch, phát hiện và giải
quyết tranh chấp (nếu có), tra cứu bảng chuyên tiếp, điều khiển ma trận chuyển mạch và điều khiển chuyển đổi bước sóng (nếu có trang bị bộ chuyển đổi bước sóng) Trong trường hợp chùm đến OXC trước gói điều khiển của nó, chùm sẽ bị loại bỏ
2.2 MOT SO CO CHE HOAT DONG TRONG MANG OBS 2.2.1 Tập hợp chùm
Tập hợp chùm được thực hiện tại nút biên vào của mạng OBS (Hình 2.3) Các gói tin đến từ các nguồn khác nhau sẽ được tập hợp thành những chủm quang
Trang 4MỤC LỤC
DANH NMIỤG GÁC BẰNG ta ngngn gòn go gữngncHgattG1310H03EH1GI1S3SRSiTSHĐSiAStftSiaxigrlusgrsml i
DANH MUC CAC HINH VE cesecssesssssssssessesssssscsssssscsuccssssscsucsssssscsucsssssucsuessseaseesses iii
h9 ÔỎ 1
Chương 1 TÔNG QUAN VẺ HÀNG ĐỢI RETRIAL 5 55°©55<55sc2 5 1.1 MƠ HÌNH HÀNG ĐỢI RETRIALL, ©22:222222222222222322212222222 5 1.2 MƠ HÌNH HÀNG ĐỢI RETRIAL M/iM/C€ : -2:522¿25522z5522z+2 7 1.3 TIỂU KÉT CHƯƠNG l - 22-2222 2222221122211222112221222212211 221 Xe 11
Chương 2 MẠNG CHUYÊN MẠCH CHÙM QUANG OB&S 12
2.1 TONG QUAN VE MẠNG CHUYÊN MẠCH CHÙM QUANG 12
2.22 MỘT SÔ CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG TRONG MẠNG OBS 14
2.2.1 Tap hop chum sevens screener 14 2.2.2 Định tuyến và gắn bước sóng 22-222 222222221112111211211 xe 15 2.2.3 Báo hiệu - 252 2212221211122 ca 16 2.2.4 Lập lịch chùm S212 S2 nh Hà HH Hee 17 2.2.5 Xử lý tắc nghến 22 2222212111211121112112211212212222 re 18 2.3 VẤN ĐỀ ĐIÊU KHIỂN CHẮP NHẬN LẬP LỊCH - 22-55-22 19 2.4 TIỂU KÉT CHƯƠNG 2 2-2222212221222112112112211221122112222 2 te 21 Chuong 3 MO HINH DIEU KHIEN CHAP NHAN LAP LICH QoS TAI NUT
l8 0 (e9) 7 41 H.H)H)DHĂH 22
3.1 MƠ HÌNH PHÂN TÍCH 222 2222212251221211211211212212 2E te 22 3.1.1 Điều khiển chấp nhận lập lịch -2-©22222222122212221221122122 2e 23
3.1.2 Mô hình phân tích với yếu tổ retrial -©22-2222222222122212221 22.2 24
Trang 5DANH MUC CAC BANG
Trang 6DANH MUC CAC KY HIEU, CAC CHU VIET TAT
Chir viét tat Chữ viết đầy đủ
BCP : Burst Control Packets
CTMC : Continuous time Markov chain CWC : Complete Wavelength Conversion FDL : Fiber Delay Line
IP : Internet Protocol
MMPP : Markov modulated Poisson process OBS : Optical Burst Switching
QBD : Quasi Birth and Death QoS : Quanlity of Service SCU : Switching Control Unit SPL : Share-per-link
WDM : Wavelength Division Multiplexing
Trang 7DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Mô hình tổng quát của hàng đợi retrial - 22: 222222222212221222122122 222 5 Hình 1.2 Mô hình hàng đợi retrial với khách hàng thiếu kiên nhẫn 6 Hình 1.3: Sơ đồ trạng thái của hàng đợi retrial M /M /C .©2- 2222222222222 2e 8 Hinh 2.1 Kién trúc của mạng chuyển mạch chùm quang -222222z22z22zz2 13
Hình 2.2 Kiến trúc nút lõi OBS c2 rrrrruue 14
I1: 8i 0ì 0117 aaaăĂăĂă 15
Hình 3.1 Nút lõi kiến trúc SPL (share-per-link) với CWC và FDL truyền thẳng 22
Hình 3.2 Mô hình phân tích hàng đợi retrial với đường trễ quang FDL 23 Hình 3.3 Lược đồ chuyên trạng thái của mô hình phân tích 2222222222 26 Hình 3.4 Lược đỗ chuyền trạng thái của mô hình phân tích với QoS, minh họa với
W=4) Wi = 3; Ng = 2 seco eer 31
Hinh 3.5 Xac suat tic nghén cdc chim QoS cao va QoS thap 0.0 37 Hình 3.6 Xác suất tắc nghẽn các chùm QoS thấp voi co/khéng retrial lan 2 38 Hình 3.7 Xác suất tắc nghẽn các chùm QoS cao khi thay đổi tải (p,/py = 2.3 va DL/DH — Ô<) 2.2 12L t1 2H HH HH HH HH HH HH HH He 38 Hình 3.8 Xác suất tắc nghẽn các chùm QoS thấp khi thay đổi tải (pạ,/Ðpu = 0.4 và 5747) ăằĂĂăĂăĂăằĂăăẽ 39
Hình 3.9 Xác suất tắc nghẽn các chùm khi thay đổi tải (p,/p„ = 0.4 và pạ,/pw = 2.3) 39
Hình 3.10 Xác suất tắc nghẽn các chùm QoS thap khi thay đổi 9; 40 Hình 3.11 Xác suất tắc nghẽn chung của các chùm (QoS thấp và QoS cao) khi thay
Trang 8MỞ ĐẦU
1 Dẫn nhập
Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của hệ thống viễn thông, rất nhiều dịch vụ được ra đời, đi kèm với nó là sự phát triển nhanh chóng về mặt số lượng người sử dụng Điều này đồng nghĩa với việc hệ thống viễn thông ngày càng trở nên phức tạp Vì số lượng người đùng không có được dịch vụ trong lần yêu cầu đầu tiên là rất lớn Khái niệm yêu cầu lại dịch vụ (retrial) ra đời, đi đôi với nó là việc xuất hiện hang doi Retrial
Do sự phát triển về số lượng thuê bao cũng như độ phức tạp của hệ thống viễn thông, nên hành vi của khách hàng nói chung và hành động yêu cầu lại dịch vụ nói riêng có ảnh hưởng lớn tới hiệu năng mạng Ta có thể tìm thấy nhiều ví dụ về ảnh hưởng của hàng đợi retrial đến mạng viễn thông, như trong các mạng vô tuyến (quá trình chuyển giao, cấp phát kênh), trong mạng Internet (quá trình truyền đữ liệu) Vì vậy việc đánh giá và cải thiện hiệu năng của hệ thống hàng đợi retrial đóng vai trò hết sức quan trọng trong việc thiết kế cũng như vận hành các hệ thống viễn thông [2]
Trang 9thê kết hợp với FDL nhằm hỗ trợ thêm cho việc giải quyết tranh chấp Việc đánh
giá điều khiển chấp nhận lập lịch kết hợp với FDL có thể thực hiện qua nhiều
phương pháp như mô phỏng [4] và phân tích qua mô hình hàng đợi retrial [1] Trong Luận văn này, tôi kết hợp cả 2 phương pháp mô phỏng và phân tích qua hàng đợi retrial đối với bài toán này Đặc trưng của hàng đợi Retrial có đặc điểm là một yêu cầu địch vụ khi không thể được đáp ứng thì yêu cầu này sẽ được chuyển sang một nhóm retrial (orbit) để chờ được yêu cầu được phục vụ vào một lúc khác Đề tài luận văn vì vậy có tên: “Tìm hiểu mô hình điều khiển chấp nhận lập lịch đảm bảo
QoS két hop FDL tai nut 16i mang OBS”
2 Tổng quan tài liệu
Điều khiến chấp nhận lập lịch có thể được thực hiện tại cả nút biên vào và nút lõi; tuy nhiên nhờ có sử dụng các bộ đệm điện tử mà điều khiển lập lịch ở các nút biên vào thường hiệu quả hơn Trong đa số các kỹ thuật điều khiển lập lịch, những chùm dữ liệu có lớp QoS (ưu tiên) thấp sẽ có xác suất bị đánh rơi nhiều hơn đề dành tài nguyên cho lớp QoS cao hơn khi có tranh chấp xảy ra Việc lập lịch các chùm đến thông thường được thực hiện tuân tự, theo kiểu đến trước, phuc vu truce (first come, first served) Tuy nhién khi có xét dén QoS, việc lập lịch thành công một chủm trước (có lớp QoS thấp) có thê gây tắc nghẽn cho một chùm đến sau (có lớp
QoS cao hon) Do dé, lap lịch với điều khiển chấp nhận là cần thiết nhằm để dành
Trang 10lưu lượng chùm ưu tiên cao đến thấp, tài nguyên được phân bổ cho chúng không được sử đụng hết, gây lãng phí băng thông Việc phân tích mô hình hàng đợi retrial với FDL đã được nghiên cứu trong [3] [4] Theo đó, các tác giả trong [4] kết hợp mô hình lưu lượng tràn dựa trên quá trình MMPP theo ý tưởng của chuyển mạch kênh truyền thống và thuật toan lip diém cé dinh (fixed-point iterations) đề tính xác suất tắc nghẽn như một hàm của các tham số bộ đệm trong hệ thống Trong khi đó, mô hình phân tích trong [3| của tác giả D.V.Tien sử dụng mô hỉnh hàng đợi MM Đ_¡ CPP¿ /GE/c/L với e bước sóng, phân bố thời gian phục vụ theo phân phối mũ tổng quát (GE - Generalized Exponential), K chùm đến độc lập, mỗi chùm đến theo quá trinh CPP (Compound Poisson Process), diéu nay c6 nghia la qua trình đến của các chùm được tính theo lô (batch)
Luận văn này tập trung tìm hiểu một cách phân bổ tài nguyên bước sóng linh hoạt dựa trên tải lưu lượng đến của các lớp dịch vụ khác nhau và một mô hình hàng
đợi retrial (mô hình M/M/W/L) phân tích bài toán điều khiên chấp nhận lập lịch có
xét QoS nhằm hạn chế vấn đề xảy ra tranh chấp, đồng thời kết hợp sử dụng đường trễ quang FDL đề xử lý khi có tranh chấp xây ra tại nút lõi mạng OBS, trong đó đặc tính của FDL như phân tích ở trên có thể xem như đặc tính có/không tính kiên nhẫn của khách hàng trong hàng đợi retrial
3 Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu của Luận văn sẽ là ứng dụng mô hình hàng đợi Retrial
phân tích điều khiển chấp nhận lập lịch tại nút lõi mạng OBS
4 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của Luận văn là mô hình hàng đợi retrial, bài toán phân
tích điều khiên chấp nhận lập lịch tại nút lõi mạng OBS
Nghiên cứu cơ sở lý thuyết mô hình hàng đợi Retrial, mô hình phân tích điều khiển chấp nhận lập lịch tại nút lõi mạng OBS
5 Phương pháp nghiên cứu
Trang 116 Cau trúc Luận văn
Luận văn bao gồm phần mở đầu và ba chương nội dung, phần kết luận và danh mục các tài liệu tham khảo
Chương I1 trình bày các khái niệm cơ bản về mô hình hàng đợi retrial va phương phá xấp xi cho hàng đợi Retrial M/M/c các hướng tiếp cập nghiên cứu liên quan của tác giả trước đó Các đóng góp chính của Luận văn được trình bày trong Chương 2, Chương 3, đó là mô hình phân tích bài toán và đánh giá kết quả
Chương 2 trình bay tổng quan về mạng OBS và điều khiến chấp nhận lập lịch trong mạng OBS; mô hình hàng đợi Retrial phân tích điều khiển chấp nhận lập lịch
xét dén QoS véi FDL tai nút lõi mạng OBS
Chương 3, trình bày các kết quả phân tích của mô hình Kết quả phân tích thông qua các đồ thị về những thay đổi của xác suất tắc nghẽn chuyên biến theo mật độ luồng
Trang 12Chương 1 TÔNG QUAN VẺ HÀNG ĐỢI RETRIAL
1.1 MƠ HÌNH HÀNG ĐỢI RETRIAL
Mô hình hàng đợi thông thường không xét đến yếu tố yêu cầu lại dịch vụ (retrial) nên đo đó đôi khi nó không thể giải quyết những vấn để quan trọng trong thực tế Hàng đợi retrial (hay ta cũng có thể gọi là hàng đợi với khách hàng trở lại hoặc yêu cầu lặp lại) được ra đời dé giải quyết những hạn chế này Orbit (khu vực khách hàng cô gắng quay lại để nhận dịch vụ) Yêu cầu lại dịch vụ | Khach hang bi mac ket | Khu vực dịch vụ —————x (hao gồm hãng đợi và cắc |[—————————
Đâu vào trạm phục vụ) Đâu ra
(khách hàng lần đầu vào (khách hàng được phục vụ xong)
Hình 1.1 Mô hình tổng quát của hàng đợi retrial
Trang 13tic nghén ma ta sé goi la orbit Vi thé, mô hình này sẽ có hai nút: một nút chính nơi hàng đợi có thể xảy ra tắc nghẽn và một nút dành riêng cho các yêu cầu lặp lại khi xây ra tắc nghẽn và một nút dành riêng cho các yêu câu lặp lại khi xảy ra tắc nghẽn Một điều cần lưu ý là mỗi khách hàng trong øzbz đều không thể thấy được trạng thái của khu vực dịch vụ, họ chỉ có thể kiểm tra trạng thái của hệ thống sau khi rời khoi orbit va quay lai khu dich
Từ các kết quả, phương pháp phân tích cũng như phạm vi ứng dụng của mô hình hàng đợi này, các nghiên cứu đã chia hệ thống mô hình hàng đợi retrial thành ba nhóm như sau: Nhóm hệ thống một kênh hoạt động (single-channel-system) (ví dụ nhóm hang doi retrial dang M/PH/1), nhom hé théng da kénh (multi-channel- system) (vi du nhom hang doi retrial dang MAP/M/c) va nhóm hệ thống có cấu tric phtre tap (structurally complex system) (co thé cé hai hay nhiéu orbit trong hàng đợi Một yêu tố khác quan trọng trong mô hình hàng đợi retrial mà ta hay quan tâm đến hệ thống hàng đợi retrial có xét đến tính kiên nhẫn (pa/em?) của khách hàng Khu vire dich vu - (hao gỗm hàng đợi và các trạm - " Luong chính phục vụ) Luong ra (khách hàng lan (khách hàng được đu vào) | phục vụ xong) — “me ri a
„ tas a ——— Khach hang
Ệ Khách hang, trong orbit © Thiểu kiên nhẵn
Hình L2 Mô hình hàng đợi retrial với khách hàng thiếu kiên nhân
Trang 14khi đó sẽ có hai trường hợp hai trường hợp sau sẽ xảy ra:
- Di vao orbit va sé tro lai khu dich vu sau mét khoảng thời gian
-_ Rời khỏi hệ thống mãi mãi, lúc này ta gọi khách hàng này là khách hàng thiếu kién nhan (impatient)
Một điểm đáng lưu ý là trong mô hình hàng đợi retrial, mỗi khách hàng trong orbit la độc lập với các khách hàng khác, thông thường nó sẽ đến các trạm phục vụ sau một khoảng thời gian tuân theo phân phối hàm mũ Ngoài ra, một đặc điểm quan trong ma chung ta thường hay xét đến trong các bài toán đó là tính kiên nhẫn của khách hàng (/mpa#iem?), khi một khách hàng mới đến hệ thống lần đầu hoặc quay trở lai tr orbit và nhận thấy hệ thống tắc nghẽn khi đó sẽ quay lại orb với xác suất I-Py„ (0 < Pz„ < 1) hoặc sẽ rời khỏi hệ thống mãi mãi với xác suất Pin
Trong phân tiếp theo sẽ giới thiệu một mô hình hàng đợi retrial đặc trưng, là mô hình retrial M /M /c
1.2 MƠ HÌNH HÀNG ĐỢI RETRIAL M/M/c
Mô hình hàng đợi retrnal M /M /c thường được sử dụng trong các mô hình giải quyết bài toán chia sẻ tài nguyên trong các hệ thống mạng viễn thông Với số lượng trạm phục vụ là c (c > 1) [8]
Một điều cần lưu ý là hệ thống hàng đợi retrial M/M/c với số lượng trạm phục vụ lớn hơn 2 (hay c > 2) chỉ có thể tính toán bằng các phương pháp gần đúng Một cách xấp xỉ dựa vào việc phân chia không gian trạng thải bởi mức N (với N là một số nguyên đủ lớn) Khi đó các xác suất 1, ¡ (với 0 € j SN — 1) sẽ được tính toán bằng các phương trình cân bằng mức j (0 < j < N — 1), T,; (với j > N) sẽ được tính toán đệ quy bằng phương pháp mở rộng phổ hay phương pháp ma trận Chú ý rằng N cần được lựa chọn đủ lớn để kết quả đầu ra có thể đạt được độ chính xác như mong muốn
Xét mô hình hàng đợi M/M/c có xét đến yêu tố đặc biệt đó là tính kiên nhẫn
Trang 15với tham số ỊI Ta gọi biến ngẫu nhiên /(£) biểu diễn số trạm phục vụ đang hoạt
động (hay là số khách hàng đang được phục vụ) (ta cé 0 < I(t) < c) va J(t) là số
khách hàng chờ trong orbit tai thoi điểm £ Mỗi khách hàng yêu cầu lại dịch vụ đều có tốc độ kạ Vì thế tổng tốc độ retrial khi hệ thống đang phục vụ j khách hàng (hay
JŒ) = j) là jw;
Hình 1.3: Sơ đồ trạng thái của hàng đợi retrial M /M ƒ/c
Một khách hàng có thê rời khỏi hệ thống mãi mãi với xác suất là P„„(0 <
Pư„ <€ 1) hoặc khi không nhận được sự phục vụ và đi vào orbif với xác suất 1 — Pim Tuong tu nhu hang đợi retrial M /M /c thông thường, ta cũng có ma trận sau đây:
(a3) 4/Œ,k): là việc chuyển từ trạng thái (ï,j) tới trạng thái (k,j) (với
0 <7,k< c;j > 0) do khách hàng đến hoặc rời khỏi hệ thống hoặc rời khỏi hệ
Trang 16với tham số z Ma trận A; có kích thước (c + 1) X (c + 1) với các phần tử A/0,k)
Do 7 là mức độc lập của 4; nên ta có thé viét A; = A Cac phan tử khác 0 của 4; là
A/(,i— 1) = iU,ï = 1,c và Aj(,¡ + 1) = 4, =0,c— 1 0 24 0 0 0 0 ụ 0 4 oe Rw 0 “ 0 0 i ‘i 2 1.1 A;=A=|: : ft : : $1,G20) (1) 000 (c-1p 0 2 0 0 0 0 cụ 0
(b) BG): biểu thị cho một bước nhảy (lên) từ trạng thai (i, j) tới trạng thái (k,j + 1) (với 0 < ¡,k < c;j > 0) do một yêu cầu được phục vụ từ khách hàng nhưng tất cả các trạm phục vụ đều bận (khi do i = c) Ma trận B; (hay B do j la mức độc lập) có kích thước (€ + 1) (€ + 1) với các phần tử B/Ú,k) Chỉ có duy nhất phần tử khác 0 của B; là B,(c, €) = Â 0 0 0 0 0 0 0 0 B.=B=|: : : : :|0>0) (1.2) 0 0 0 0 0 0 0 2,
(c) GG,k): biểu thị cho một bước nhảy (xuống) từ trang thai (i, j) tới trạng thái (k,j — 1)(0 < úk < c;j > 1) do một khách hàng được phục vụ thành công khi quay lại từ orbit hodc roi khoi hé théng mãi mãi Ma trận C; 06 kích thước
Trang 17Domenech-Benlloch đã để xuất một phương pháp xấp xi hang doi retrial M/M/c cai tiễn với tốc độ retrial:
` _—( JMuj<N (15)
HG) = oe >N'
Với M(N) = EQIJ > N) là số lượng khách hàng trung bình với điều kiện J>N Gọi chuỗi Markov cải tiến CMTC Z = {1z(Œ),J„(Œ),t > 0} với tập không
gian trạng thái là {0, ,c} xZ„ với I„(£) là số trạm phục vụ đang hoạt động và J,(t) là số khách hàng đang chờ trong or tại thời điểm t Ta ký hiệu xác suất trạng thái ôn định của chuỗi CMTC Z là Z¡„¡ = lim;_.„œ(lz(£) = ¡,J;() = j) (với 0 <i<c,j = 0) va vecto dong ð; = (Zụ¡, , Ze„j) (với ƒ > 0) Ta cũng định nghĩa
Trang 181.3 TIEU KET CHUONG 1
Nội dung của Chương l đã giới thiệu về mô hình hàng đợi retrial, cũng như mô hình hàng đợi retrial đối với khách hàng thiếu kiên nhẫn, trong chương này cũng đã trình bày về mô hình hàng đợi retrial M/M/c dé giai quyết bài toán chia sẻ tài nguyên trong các mạng viễn thông, từ đó đưa ra một số giải pháp xử lý mô hình hàng đợi retrial
Trang 19Chương 2 MẠNG CHUYÊN MẠCH CHÙM QUANG OBS
2.1 TONG QUAN VE MANG CHUYEN MACH CHUM QUANG
Trong chuyển mạch chùm quang (OBS), đữ liệu truyền tải trong các đơn vị có kích thước khác nhau, được gọi là chum (burst) Boi vi tinh biến thiên lớn trong suốt thời gian tổn tại của các chùm, mang OBS co thể được xem như nằm giữa OPSNs và WRNs Điều đó có nghĩa là, khi thời gian tồn tại của tất cả các chùm là rất ngắn, bằng thời gian tồn tại của một gói quang, OBSN có thể được xem tương tự như một OPSN Mặt khác, khi thời gian tổn tại của tất cả các chùm là vô cùng lớn
(có thể kéo dài một vài tháng), thì OBSN có thể được xem tương tự là WRN Trong
OBS, có sự phân tách mạnh giữa cách bố trí kênh điều khiển và dữ liệu, cho phép có thể điều khiển mạng linh động và đạt hiểu quả cao Hơn nữa, bản chất động (dynamic) của nó dẫn đến khả năng thích nghi của mạng cao, làm cho nó hoàn toàn phù hợp với sự truyền dẫn của lưu lượng chùm
Một số đặc trưng chung cả mạng chuyên mạch chùm quang như sau:
- Tách biệt giữa kênh truyền gói điều khiển BCP (Burst Control Packet) và kênh truyền chùm đữ liệu (Data BursÐ): gói điều khiển được truyền trên một kênh riêng biệt
- Sự dành riêng một chiều: tài nguyên được cấp phát theo kiểu dành riêng một chiều, nghĩa là nút nguồn không cần đợi thông tin phản hồi từ nút đích trước khi nó bắt đầu truyền chùm
-_ Độ dài chùm thau đổi được: kích thước của chùm có thể thay đổi được theo yêu cầu
Một mạng chuyển mạch chùm quang bao gồm các nút chuyên mạch chùm quang kết nối với nhau thông qua các sợi cáp quang Mỗi sợi quang có khả năng hỗ trợ các kênh đa bước sóng Như được trình bày ở Hình 2.1, các nút trên mạng chuyển mạch chùm quang có hai kiểu: nút biên và nút lõi Nút biên được xem như là giao điện giữa miền điện tử và miền quang Nút biên có thể là nút biên vào hoặc
Trang 20nút biên ra Nút biên vào thực hiện tập hợp các gói điện tử (chang han các gói IP) có cùng đích thành một đơn vị truyền dẫn lớn gọi là chùm quang (zzs/), thực hiện định tuyến, gán bước sóng và lập lịch cho chùm trên một kênh dữ liệu ở ngõ ra, sau đó truyền qua mạng chuyên mạch chùm quang và cuối cùng được tách gói tại nút biên ngõ ra Nút lõi được xem như là một ma trận chuyên mạch và là một đơn vi chuyên mạch có trách nhiệm chuyền tiếp các chùm dữ liệu đến nút khác
Các gói IP Chim di liệu
Tap hep chim
Hình 2.1 Kiến trúc của mạng chuyển mạch chùm quang
Một nút OBS bao gồm cả 2 phần: quang và điện Phần quang là các bộ ghép/tách bước sóng (muliiplexer/demulriplexer) và chuyên mạch quang Phần điện có các module vào/ra, điều khiển định tuyến và lập lịch Đơn vị chuyển mạch quang điều khiển các chùm dữ liệu từ một cổng vào và ra một cổng tương ứng với đích đến của chúng
Khi một nút biên chuẩn bị truyền một burst dữ liệu, nó sẽ gửi một gói điều
khiển đi trên một bước sóng riêng tới nút lõi Gói điều khiển thực hiện việc báo
hiệu, cầu hình các chuyên mạch tại nút lõi để chuyên burst từ cổng ra và giải quyết xung đột nếu xảy ra Một nút lõi OBS bao gồm một thiết bị chuyển mạch quang (OXC) và đơn vị điều khiển chuyển mạch (SCU), được chỉ ra trong Hình 2.2
Trang 21Gói điều khiển (BCP) “Ẹ “aoe Switch Control - ØJ G]-›
Kênh điều khiển | : I
% ¡: #} @ Unit (SCU) }@ -{i}-1 I — O/E E/O 1 | ! II LÍ || Các chùm vào Các chùmra Ị BÍ! II) 4-'EBIHGBI|—.G.—-| GI0EB! toy N if ; l 1 ` 1 Các cồn g Ị ° N N l Các ác công cỗ vào ' : A ra L ~l ` ie S L—~ / LÌ: mt Ne Optical Cross / 8 ` |: ., Các kênh bước sóng Connect (OXC) Nl
Hình 2.2 Kiến trúc nút lõi OBS
Đơn vị SCU tạo ra và duy trì một bảng chuyển tiếp và chịu trách nhiệm cho việc câu hình OXC Ngay khi SCU nhận được gói điều khiến chùm (BCP) no sé phân tích các thông tin điều khiển trong BCP, xác định địa chỉ đích và tham khảo bảng chuyển tiếp để tìm cổng ra (và bước sóng) tương ứng với chùm Nếu bước sóng yêu cầu trên công ra sẵn có khi chùm dữ liệu đến, SCU sẽ cấu hình OXC đề chùm dữ liệu đi qua Ngược lại, nếu bước sóng yêu cầu bận thì OXC sẽ được cấu hình phụ thuộc vào các cơ chế điều khiển trách tắc nghẽn được thực thi trong mạng
Tóm lại, SCU có trách nhiệm phân tích gói điều khiển, lập lịch, phát hiện và giải
quyết tranh chấp (nếu có), tra cứu bảng chuyên tiếp, điều khiển ma trận chuyển mạch và điều khiển chuyển đổi bước sóng (nếu có trang bị bộ chuyển đổi bước sóng) Trong trường hợp chùm đến OXC trước gói điều khiển của nó, chùm sẽ bị loại bỏ
2.2 MOT SO CO CHE HOAT DONG TRONG MANG OBS 2.2.1 Tập hợp chùm
Tập hợp chùm được thực hiện tại nút biên vào của mạng OBS (Hình 2.3) Các gói tin đến từ các nguồn khác nhau sẽ được tập hợp thành những chủm quang
Trang 22(burst) và gởi đi theo sau một gói tin điều khiển tương ứng Gói tin điều khiển này được chuyển đi trên một kênh riêng và chùm dữ liệu sẽ được gởi đi sau đó một khoản thoi gian offset
II) XS Gói điều khiển Pes Gói điều khiển mm 1 a IIIIII {ay Mang “Burst dtr lệu SEs / Burst dữ liệu | id | Tap hop burst \A/ Tach burst Hình 2.3 Tập hợp chùm
Gói tin điều khiến sẽ đặt trước những tài nguyên cần thiết trên tất cả đường đi từ nút biên vào đến nút biên ra (nơi mà các gói tin ban đầu được tách ra từ ngưỡng thoi gian (timer-based), dua trên ngưỡng độ dài burst (size-based), dua trén cả ngu6ng thoi gian va d6 dai burst (hybrid), va dựa trên sự thích nghĩ với những thau
đôi của các luồn thông tin đến (adaptive) 2.2.2 Định tuyến và gán bước sóng
Định tuyến là lựa chọn đường đi cho một kết nối để thực hiện việc gửi dữ
liệu Khi có yêu cầu thiết lập một kết nối, bộ định tuyến bước sóng sử dụng một giải thuật tìm ra kênh quang và thực hiện gán bước sóng sao cho xác suất tắc nghẽn là
tối thiểu
Bài toán định tuyến và phân phối (gán) bước sóng RWA được chia làm hai loại:
— Bài toán định tuyến và phân phối bước sóng RWA dành cho lưu lượng mang cé dinh (static traffic) V6i loai bài toán này, các yêu cầu về kênh quang được biết trước; tất cả mọi đường đi và bước sóng gán cho các kênh quang được thiết lập cố định từ trước Khi có một yêu cầu kết nối, một đường đi và bước sóng đã chỉ định từ trước được cấp cho yêu cầu tương ứng Vì vậy, quy trình định tuyến và gán bước sóng là cố định, không thay đổi theo thời gian Với loại bài toán này, công việc thực hiện là không phức tạp, chỉ đơn giản là tìm đường đi nào đó cho một kênh
Trang 23quang Mục đích của phương pháp này là cực đại dung lượng băng thông mạng có thê sử dụng, tức là cực đại số kênh quang có thê thiết lập đồng thời
— Bài toán định tuyến và phân phối bước sóng RWA dành cho lưu lượng mạng thay déi (dynamic traffic) Trong mang chuyén mach chùm quang, các yêu cầu về kênh quang đến theo một quy trình riêng biệt và thời gian thực hiện các yêu cầu này cũng theo một quy luật riêng Với dạng lưu lượng mạng thay đôi thì cần có một giải thuật động để thiết lập các kênh quang qua các đường đi khác nhau dựa vào khả năng tắc nghẽn trên các tuyến truyền dẫn Từ đó giải thuật cho bài toán định tuyến và gán bước sóng RWA phải dựa vào trạng thái hiện thời của mạng đề xác định đường đi cho mỗi yêu câu thiết lập kênh quang Một trong những thách thức để giải quyết bài toán định tuyến và gán bước sóng với lưu lượng mạng thay đổi là phát triển các giải thuật và giao thức để thiết lập các kênh quang, nhằm hạn chế đến mức thấp nhất xác suất tắc nghẽn trong mạng (tức là số yêu cầu kết nối bị từ chối trên tổng số yêu cầu), nâng cao hiệu suất sử dụng tài nguyên (cùng một lượng dây truyền dẫn, nút và bộ chuyển đổi bước sóng có thê tao ra nhiều kênh quang nhất) và cải thiện tổng hiệu năng của mạng
2.2.3 Báo hiệu
Trong mạng OBS, trước khi một chùm được gởi tới một nút lõi, một tiến trình báo hiệu được thực hiện trước để đặt trước tài nguyén (reservation of resources) và cấu hình bộ chuyên mach quang tại mỗi nút đó sao cho phù hợp với chùm dữ liệu tương ứng Tiến trình báo hiệu trong mạng chuyển mạch chùm quang được thực hiện bới các gói điều khiến và các gói này được truyền độc lập với các chùm đữ liệu
Có hai kiểu kỹ thuật báo hiệu chính được sử dụng đề đặt trước tai nguyên dọc trên đường đi của chùm, đó là tell-and-wait (TAW) và tell-and-go (TAG) Đối với TAW, gói điều khiến sẽ được gởi đi đầu tiên và đặt trước tất cả tài nguyên dọc trên đường đi đến đích Nếu việc đặt trước là thành công, một thông báo xác nhận ACK (acknowledgment) sé được gởi ngược lại từ nút đích, sau khi chùm dữ liệu đã được gởi đi Ngược lại, nếu quá trình đặt trước xảy ra lỗi tại một nút trung gian bất kỳ
Trang 24trên đường đi, mét thong bao NACK (negative ACK) duoc géi lai nút nguồn để giải phóng các tài nguyên đã đặt trước đó Trong kỹ thuật báo hiệu TAG, nút nguồn
không phải đợi thông báo ACK từ nút đích Khi gói điều khiển BCP được gởi đi và
đặt trước băng thông trên các kết nối, chùm dữ liệu sẽ được gởi đi sau một khoảng thoi gian offset Néu BCP gap lỗi trong việc đặt trước băng thông tại kết nối bất kỳ, chim dit liéu don gian sé bi roi (dropped), hoặc một phương pháp tránh tắc nghẽn sẽ được xem xét tại kết nối đó Kỹ thuật báo hiệu TAG vì vậy còn được gọi là kỹ thuat bao hiéu mot chiéu JET (Just-Enough Time) va JIT (Just In Time) la hai giao thức báo hiệu dựa trên nguyên tắc cla TAG
2.2.4 Lập lịch chùm
Khi một chùm đến tại một nút, tùy thuộc vào đích đến của chùm, tài nguyên dành riêng tương ứng tại cổng ra, bao gồm bước sóng chuyên chở chùm và thời gian đến của chùm, sẽ được cấp phát Mục đích chính của các giải thuật lập lịch là sắp xếp được thật nhiều chùm trên các kênh bước sóng ra nhằm tối ưu băng thông sử dụng và giảm số lượng chùm bị rơi, do đó tăng hiệu năng hoạt động của mạng
Khi một gói điều khiển đến tại một nút, một giải thuật lập lịch được gọi dé lap lịch
ngay trên một kênh dữ liệu ra Dựa vào thông tin trong gói điều khiển, bộ lập lịch
biết được thời gian đến, độ dài của chùm và tiến hành tìm kênh khả dụng đẻ lập lịch
cho chùm đó
Các giải thuật lập lịch cho kênh dữ liệu có thê được phân thành 2 loại: lấp đầy
khoảng trống và không lấp đầy khoảng trồng Các giải thuật khác nhau chủ yếu ở kiểu, điều kiện chọn kênh và số lượng thông tin trang thai duoc duy trì tại một nút trên mỗi kênh Trong các giải thuật lập lịch kênh dữ liệu mà không lấp đầy khoảng trống, LAUT, trén mỗi kênh đữ liệu Dị (¡= 0,1, ,W — 1) được duy tri trong bd
lập lịch kênh Đối với các giải thuật lắp đầy khoảng trống, thời điểm bắt đầu s/ và thời điểm kết thúc e/ được duy trì đối với mỗi chùm trên mỗi kênh dữ liệu, trong đó
(=0,1, ,W/ — 1 là kênh dữ liệu thứ ¡ và ƒ = 0 N;ẹ là chùm thứ 7 trên kênh í
Trang 252.2.5 Xử lý tắc nghẽn
Một vấn đề trong mạng OBS đó là phải khai thác băng thông một cách hiệu quả Do đó, việc xử lý tắc nghẽn là một bài toán rất quan trọng nhằm giảm thiểu xác suất mất chùm Sự tranh chấp trong mạng OBS đó là phải khai thác băng thông một cách hiệu quả Do đó, việc xử lý tắc nghẽn là một bài toán rất quan trọng nhằm giảm thiểu xác suất mất chùm Sự tranh chấp trong mạng OBS sẽ xảy ra nếu hai hoặc nhiều chùm đến từ công vào khác nhau được định trước cho cùng một công ra tại cùng thời điểm và yêu cầu cùng một tài nguyên (thường là cùng một băng thông trên một bước sóng cụ thể) Một số giải pháp xử lý tranh chấp trong mạng OBS: thay đổi thời gian đến của chùm đữ liệu bằng cách sử dụng các đường trễ quang FDL, thay đổi bước sóng ra của chùm bằng cách sử dụng bộ chuyên đổi bước sóng hay thay đổi cổng ra của chùm bằng cách định tuyến lệch hướng Trong phạm vi nghiên cứu của Luận văn, giải pháp được xem xét đó là chuyển đổi bước sóng (đầy đủ) và sử dụng FDL đóng vai trò như là các bộ đệm (orbit) dé làm trễ chùm với giá
trị độ trễ nhất định
Cách tiếp cận sử dụng FDL sẽ cố gắng làm trì hoãn thời gian ra của chùm cho đến khi kênh ra mà chùm yêu cầu trở nên rỗi Trong các mạng chuyển mạch gói điện tử truyền thống, việc này được thực thi bằng cách lưu trữ các gói trong các bộ nhớ truy cập ngau nhiên RAM Tuy nhiên, loại bộ đệm tương tự RAM không thực sự hiện hữu trong lĩnh vực công nghệ mạng quang tại thời điểm hiện tại Do đó, các đường trễ quang FDL có thể được sử dụng với vai trò bộ đệm đề làm trễ các chùm ra trong một khoảng thời gian xác định Với phương pháp này, chùm đang tham gia tranh chấp sẽ được làm trễ cho tới khi tắc nghẽn được giải quyết Phương pháp này dựa trên ý tưởng là: khi một bước sóng được yêu cầu chưa sẵn sàng thì chùm dữ liệu sẽ được làm trễ trong một đường trễ quang FDL cho tới khi kênh bước sóng đó trở về trạng thái sẵn sàng
Do đường trễ quang FDL dựa trên độ trễ truyền của cáp quang nên nó có nhiều hạn chế so với bộ đệm điện tử RAM nếu xét đến khả năng truy cập liên tục Chú ý rằng trong bất kỳ kỹ thuật sử dụng bộ đệm quang nào, kích thước của các bộ
Trang 26đệm bị giới hạn rất nghiêm ngặt, không những bởi chất lượng tín hiệu mà còn bởi sự giới hạn về không gian vật lý Nếu đung lượng bộ đệm lớn thì đòi hỏi số lượng và chiều dài của đường trễ quang FDL càng tăng nên dễ gây tổn hao và việc sử dụng bộ đệm cũng khơng thể hồn tồn giảm khả năng mất chùm
Tại nút lõi OBS, các đường trễ quang FDL được thiết kế theo các kiểu sau: - Duong tré quang FDL tryén thang (feed-forward): cac FDL được thiết kế
đặt tại môi công ra, và được sử dụng cho các chùm đên công ra đó
- Duong tré quang FDL héi quy (feed-back): cic FDL được thiết kế đặt chung tại nút lõi, và được sử dụng cho tất cả các chùm đến từ bất kỳ cổng vào nào của nút lõi đó
2.3 VAN DE DIEU KHIEN CHAP NHAN LAP LICH
Trong mạng chuyển mạch quang học dựa trên gói tin (OPS va OBS), tranh chấp phát sinh khi hai hay nhiều gói tin đến tranh chấp trên một công đầu ra/bước sóng Nếu bước sóng của một chùm đến bị chiếm giữ tại cổng ra khi chùm đến, chùm có thê chuyển sang sử dụng bước sóng còn rỗi khác (sử dụng bộ chuyển đổi bước sóng) Trong trường hợp nếu tất cả các kênh bước sóng tại một công ra đều bị chiếm giữ, chùm đến có thể sử dụng đường trễ quang FDL [1] hoặc định tuyến lệch hướng để giải quyết tranh chấp Một hướng tiếp cận trong việc hạn chế vấn đề tranh chấp tài nguyên gây tắc nghẽn tại nút lõi mạng OBS, đó là điều khiển chấp nhận lập lịch Điều khiển chấp nhận lập lịch có thể được thực hiện tại cả nút biên vào và nút lõi; tuy nhiên nhờ có sử dụng các bộ đệm điện tử mà điều khiển lập lịch ở các nút biên vào thường hiệu quả hơn [4] Trong đa số các kỹ thuật điều khiến lập lich, những chùm đữ liệu có lớp QoS (ưu tiên) thấp sẽ có xác suất bị đánh rơi nhiều hơn đề dành tài nguyên cho lớp QoS cao hơn khi có tranh chấp xảy ra Việc lập lịch các chùm đến thông thường được thực hiện tuần tự, theo kiểu đến trước, phục vụ trước (first come, first served) Tuy nhiên khi có xét đến QoS, việc lập lịch thành công một chùm trước (có lớp QoS thấp) có thể gây tắc nghẽn cho một chùm đến sau (có
lớp QoS cao hơn) Do đó, lập lịch với điều khiển chấp nhận là cần thiết nhằm dé
Trang 27chùm QoS thấp Hiện nay đã có một số giải thuật điều khiển chấp nhận được để
xuất gồm [4]: G-LAUC-VF (Generalized LAUC-VF), LA-FFVF (Latest Available
and First Fit Unused Channel with Void Filling), SWG (Static Wavelength Grouping), DWG (Dynamic Wavelength Grouping) va LLAC (Load-Level Admission Control) Tuy nhién, cac giai thuat nay đều thực hiện đảm bảo chất lượng dịch vụ cho các chùm ưu tiên và không ưu tiên thông qua việc thiết lập cố định các kênh bước sóng ra mà không xem xét tải lưu lượng đến của các lớp dịch vụ (trong SWG và DWG) hay thông tin về tải lưu lượng để điều khiến chấp nhận (trong LLAC) là biết trước và không thay đổi Bên cạnh đó các giải thuật này đều đưa giải pháp ưu tiên tuyệt đối đối với các chùm ưu tiên cao, nên trong trường hợp lưu lượng chùm ưu tiên cao đến thấp, tài nguyên được phân bổ cho chúng không được sử dụng hết, gây lãng phí băng thông Ngoài ra, việc điều khiển chấp nhận lập lịch cũng có thê kết hợp với FDL nhằm hỗ trợ thêm cho việc giải quyết tranh chấp Một FDL có thể cho phép một giá trị độ trễ xác định đối với việc truyền tải các chùm, vì vậy việc tích hợp thêm FDL vào nút lõi OBS có thể xem như là một bộ đệm với kích thước hạn chế Tuy nhiên, khác với các bộ đệm điện tử, trong mạng quang các chùm không thê chờ đợi với một giá trị thời gian không xác định (vượt quá độ trễ cho phép đối với mạng quang), khi đó các chùm có thể bị rơi sau một khoảng thời gian chờ đợi mà không được phục vụ Việc phân tích mô hình hàng đợi retrial với FDL đã được nghiên cứu trong [4] Theo đó, các tác giả trong [4] đã phân tích một mô hình hàng đợi retrial cho vùng đệm quang FDL tại nút chuyển mạch quang không đồng bộ, theo đó đặc tính của FDL như phân tích ở trên có thể xem như đặc tính có/không tính kiên nhẫn của khách hàng trong hàng đợi retrial, tire la xét với khả năng chùm có thê không được đưa đến FDL khi gặp tắc nghẽn với một giá trị xác suất Ø hoặc Ø; nào đó Trong khi đó, mô hình phân tích trong [2] của tác giả D.V.Tien sử dụng mô hình hàng đợi MM }}ƒ_; CPP„ /GE/c/L với c bước sóng, phân bố thời gian phục vụ theo phân phối mũ tổng quát (GE - Generalized Exponential), K chùm đến độc lập, mỗi chùm đến theo quá trình CPP (Compound Poisson Process), điều này có nghĩa là quá trình đến của các chùm được tính theo lô (batch)
Trang 28Trong phân tiếp theo của Luận văn này sẽ phân tích một mô hình hàng đợi
retrial (mô hình M/M/W/L) với bài toán điều khiển chấp nhận lập lịch có xét QoS
nhằm hạn chế vấn đề xảy ra tranh chấp, đồng thời kết hợp sử dụng đường trễ quang FDL để xử lý khi có tranh chấp xây ra tại nút lõi mạng OBS, trong đó đặc tính của FDL như phân tích ở trên có thể xem như đặc tính có/không tính kiên nhẫn của khách hàng trong hang doi retrial, như trong [1] Mô hình phân tích ở đây chính là sự sự mở rộng mô hình đã được để xuất trong [I] với việc xem xét một cách phân bổ tài nguyên bước sóng linh hoạt dựa trên tải lưu lượng đến của các lớp dịch vụ khác nhau Theo đó, một chim duoc goi 1a retrial khi nó có đi qua một trong N¿ FDL Mot chum retrial sé str dung lai một kênh bước sóng nếu nó sẵn có tại thời điểm chùm đi ra từ FDL Trong mô hình phân tích ở đây, giá trị ngưỡng QoS sẽ được điều chỉnh dựa trên lưu lượng tải đến của các chùm tại nút lõi OBS
2.4 TIỂU KÉT CHƯƠNG 2
Trong Chương 2 đã trình bày tổng quan về mạng OBS, một số đặc trưng chung của mạng chuyên mạch chùm quang, cơ chế hoạt động trong mạng OBS, từ đó nghiên cứu một mô hình hàng đợi retrial cho đường trễ quang FDL tại nút lõi OBS với việc xem xét theo yếu tô retrial Trong Chương 3 tiếp theo sẽ phân tích một mô hình hàng đợi retrial với đường trễ quang FDL, với thông số độ đo tính toán chính là xác suất tắc nghẽn của từng luồng lưu lượng QoS cao và QoS thấp
Trang 29Chuong 3 MO HINH DIEU KHIEN CHAP NHAN LAP LICH QoS TAI NUT
LOI MANG OBS
3.1 MO HINH PHAN TiCH
Nội dung của phần này sẽ là nghiên cứu một mô hình hàng đợi retrial cho đường trễ quang FDL tại nút lõi OBS với việc xem xét theo yếu tố retrial, tức là xét với khả năng chùm có thê không được đưa đến FDL khi gặp tắc nghẽn với một giá trị xác suất retrial nào đó Một nút lõi OBS kiến trúc SPL có K công vào và K cổng ra (Hình 3.1), một sợi quang WDM trong mỗi cổng, có bước sóng W bước sóng
A = {Ag Aq), Aw_1} (gid thiét kha nang chuyén déi bước sóng là đầy đủ nên sẽ
có W bộ chuyên đổi CWC trên mỗi cổng ra) Một FDL có thể cho phép một giá trị độ trễ xác định đối với việc truyền tải các chùm, vì vậy việc tích hợp thêm FDL vào nút lõi OBS có thể xem như là một bộ đệm với kích thước hạn chế Tuy nhiên, khác với các bộ đệm điện tử, trong mạng quang các chùm không thể chờ đợi với một giá trị thời gian không xác định (vượt quá độ trễ cho phép đối với mạng quang), khi đó các chùm có thể bị rơi sau một khoản thời gian chờ đợi mà không được phục vụ Kiến trúc nút lõi mang OBS voi FDL duoc chỉ ra như Hình 3.1 | Fiber1 - Ỷ S ` al Output port [| Fiber K Optical | Switching FT: ; Input port K ` Oo) r1 | Output port Fabric TFDLua——| mm a = - > retrial traffic — - — input traffic
CWC = Complete Wavelength Conversion
Hình 3.1 Nút lỗi kiến trúc SPL (share-per-link) voi CWC va FDL truyén thang
Trang 303.1.1 Điều khiển chấp nhận lập lịch
Mô hình này ứng với trường hợp phân tích với các lưu lượng đều là lưu lượng Poisson, tương ứng với 2 lớp dịch vụ có độ ưu tiên khác nhau, ký hiệu tương ứng là H (các chùm ÓøŠ cao) và L (các chùm QøŠ zhẩn), trong đó lớp H có độ ưu tiên cao hơn lớp L Mô hình vì vậy có dạng M/M/W/W + Nạ [6] được mô tả như ở Hình 3.2 Theo đó, cdc chim QoS cao va chim QoS thdp dén trên cổng ra đều tuân theo phân phối Poisson với tốc độ trung bình lần lượt là y và y, O day, ching ta dat VY =Y„ +y, [2] Lưu lượng tải đến trung bình do đó là = py + p,, trong do Pn = VU là lưu lượng tải vào trung bình của chùm ØøŠ cao và p, = y,/p 1a luu lượng tải vào trung bình của chùm QoS thap
Công suất của hệ thông “ lưu lượng bị rơi YH 7L Ỷ 00:00]! Vv * at 2 Luu luong retrial FDL Vv (retrial queue) 1-0; W bước sóng ~^©Ẩ =-=->*~=—==—-
Hình 3.2 Mô hình phân tích hàng đợi retrial với đường trễ quang FDL
- _ Theo mô hình phân tích ở Hinh 3.2, cdc chum QoS thap khi bị tắc nghẽn sẽ được đưa vào hàng đợi FDL với xác suất Ø (Ø < 1), được gọi là chùm retrial, va sé su dung lại một kênh bước sóng nếu (bước sóng) sẵn có tại thời điểm chum retrial đi ra từ FDL Ngược lại, nó sẽ được đưa trở lại một trong các FDL với xác suất Ø; (Ø; < 1) hoặc sẽ bị rơi với xác suất 1 — Ø;
((1 — Ø¡) chính là xác suất mà chùm rời khỏi hệ thống mãi mãi)
Trang 31- Khoảng thởi gian giữa các chùm ze/rizl cũng theo phân phối mũ và tốc độ retrial la o
- Gia trị số kênh bước sóng đành riêng cho lớp ưu tiên thấp M, sẽ được xác định qua một hàm theo giá trị các tải đến và sẽ thay đổi tương ứng theo lưu lượng tải của lớp ưu tiên 0 và I (tương ứng với QoS cao và QoS thấp) Theo đó, vấn để đặt ra ở đây là cần tính toán lưu lượng tải các chùm (QoS cao và QoS thấp) đến để thực hiện phân phối băng thông (giá trị W,) cho các chùm QøŠ /hấp một cách hiệu quả nhất nhằm tránh gây lãng phí tai nguyên cũng như giảm xác suất tắc nghẽn Khi đó, số kênh bước sóng cấp phát cho các chùm QoS thap W, (W, < W) duoc xac dinh là phần nguyên cận trên của công thức như sau [2]:
w, = [wx Vị | @.)
YH T Vu
Trong đó ÿ„ và y„ lần lượt là là tốc độ chùm đến trung bình của các chùm QoS thấp và chùm QoS cao một cách tương ứng Với cách tiếp cận nêu trên, cho phép đảm bảo ưu tiên cho các chùm QoS cao, phan bé linh hoạt hơn lượng bước sóng có thể sử dụng cho các chùm QoS thấp Tuy nhiên, để hỗ trợ cho lưu lượng Qo§ thấp khi xảy ra tắc nghẽn, trong mô hình phân tích này, mô hình ở đây sử dụng thêm các FDL đành cho các chùm QoS thấp cùng với việc xem xét đến yếu tố yêu cầu lại dịch vụ (retrial), tức là xét với khả nang chum co thể được đưa đến FDL khi gặp tắc nghẽn với một giá trị xác suất Ø hoặc Ø¡ nào đó Khi đó, một chùm được gọi là refrial khi nó có đi qua một trong Nạ FDL Một chùm retrial sẽ sử dụng lại một kênh bước sóng nếu nó sẵn có tại thời điểm chùm đi ra từ FDL
3.1.2 Mô hình phân tích với yếu tố retrial
3.1.2.1 Giả thiết chung của mô hình
Mô hình được xây dựng dựa trên các giả thiết sau:
-_ Phân bố lưu lượng đến các cổng ra là như nhau, nên chúng ta chỉ cần xem xét tại một cổng ra
Trang 32- Các bộ đệm FDL cũng có thể dược phân loại dựa trên độ dài của ching;
kiến trúc FDL với độ dài cỗ định F-FDL (Ƒixeđ-Tength FDL) sử dụng
EDLs với cùng độ dài và do do tất cả các FDL tạo ra cùng một độ trễ D - Mỗi chùm đến sẽ được gởi ra công ra, có hoặc không có chuyên đối bước
sóng, phụ thuộc vào tính khả dụng của bước sóng ra tại thời điểm đến cúa chùm
- _ Trong mô hỉnh phân tích, một chùm đến cổng ra tại thời điểm mà tất cả các bước sóng đều đã được sử dụng được cho là bị tắc nghẽn Một chùm bị tắc nghẽn sẽ luôn luôn có thể sử dụng một bộ đệm (nếu có) dé thử lại
chuyên tiếp trở lại cổng ra
- Một chùm dược gọi là retrial khi nó có đi qua một trong Mạ FDL Một chùm retrial sẽ sử dụng lại một kênh bước sóng nếu nó sẵn có tại thời diễm chùm đi ra từ FDL Trong mô hình này sé phân tích mô hình hàng đợi với FDL có xét đến yếu tố retrial của các chùm
3.1.2.2 Lược đồ chuyển trạng thái
Không mất tính tổng quát, nếu ta xét tại một cổng ra, ví dụ cổng thứ k (1 < k < K) có thể phân tích như sau: khi lưu lượng đến cổng ra k, nếu có tranh chấp, có 2 trường hợp có thế xảy ra: (1) chùm sẽ bị rơi do hết tài nguyên bước sóng (cũng như các bộ CWC), gọi là chùm 7oss, hoặc (11) chùm sẽ dược đưa vào làm trễ trong các FDL một khoảng thời gian nhất định và tiếp tục chia sẻ tài nguyên bước sóng sau khi ra khỏi FDL (chùm sẽ bị rơi khi tất cả các FDL đều bận hoặc với xác suất (1 — Ø) hoặc (1 — Ø,) gọi là chùm đeizy Trong mô hình này: lưu lượng delay đến FDL (xem như hàng đợi orbit) với xác suất Ø (Ø< 1) và lưu lượng re#ial (lưu lượng đi ra từ FDL) khi tiếp tục gặp tắc nghẽn tại cống ra cũng có thê quay lại FDL
lần thứ 2 với xác suất 6, (0, < 1)
Lược đồ chuyển trạng thái khi đó được chỉ ra trong Hình 3.3 Trạng thái của hệ thống được mô tả bởi 2 biến ngẫu nhiên trong thời gian liên tục, {X(£),YŒ) :
£ > 0}, ở đây XŒ) là số kênh bước sóng bị chiếm giữ tại thời điểm £ và Y(£) là số
Trang 33chim QoS thdp bi tic nghén trong FDL (hang doi retrial) Khong gian trang thái của quá trinh CTMC (ky hiéu S) duoc mé ta nhw sau: S = {i,j} voi mdi cap (i, j) được xác định: í = 0,1,2, ,W;j = 0,1,2, , Mạ Đặt 7; là xác suất trạng thái cân bằng (ổn định) mà hệ thống đạt được trong trang thai (i, /) o 20, Wi Wie Y T (1-91) 2ø(1-9i) Wu,0 em yO bu ) +8 2ø (W¿*1)_ (W*1)u_ Ta ¥ o(1-61) 2ø(1-9i) WL+1,0 0 WL+1, 1 10 G 2ø, (W¡+2) (W¡+2) va YH CS 2ø ya Wit Yet Wh o(1—61) 2ø(1-6i) wo ) W,1 ) +8 +8
Hình 3.3 Lược đồ chuyển trạng thái của mô hình phân tích
Theo mô hình hàng đợi Retrial và lược dé chuyén trang thai 6 Hinh 3.3, ma trận tổng quát Q được xây đựng qua các ma trận ứng với các bước chuyên trạng thái
sau đây:
Trang 34/k<W;0<j<N,) do chùm đến hoặc rời khỏi hệ thống sau khi được phục vụ xong Thời gian phục vụ được phân phối theo hàm mũ với tham số gu Ma trận Aj co kích thước (W + 1) x (W +1) với các phần tử A,(i, k) Do 7 là mức độc lập của
A; nên ta có thể viết 4; = A4 Các phần tử khác 0 của 4; là A;(,í — 1) = im, =
0, ,W ; A;Œ, + 1) = y,í = 0, ,W, — 1 Và A;Œ,í + 1) = yụ,Í = W, , W 0 y 0 - 0 0 0 m0 y *- 0 0 0 4j=A=l|: ¡1! : i : |,(0<j<N,) (3.2) 0 0 0 (W-—1)u 0 ÿw 0 00 0 Wu 0
@®) B;Q, R): biểu thị cho một bước nhảy (lên) từ trạng thái (ï, j) tới trạng thái (k,j+ 1) (với 0<k <W;0<j<N¿— 1) do một yêu cầu được phục vụ từ chùm QoS thấp đến nhưng tất cả các kênh bước sóng dành cho chúng đều bận (khi í = W/) Ma trận B; (hay B do j là mức độc lập) có kích thước (W + 1) x (W + 1) với các phần tử B;(¡,k) Các phân tử khác 0 của B; là B, (i, i) = y„Ø với W < ¡< W 0 0 - 0 0 0 0 - 0 0 B=B=|i ! § : i |,(0<j<N,-1) (3.3) 0 0 „9 0 0 0 0 6
(c) Œ;Œ, k): biểu thị cho một bước nhảy (xuống) từ trạng thái (i,j) toi trang thái (k,jT— 1) (0 < Í,k <W;1 <7 < N) do một chùm được phục vụ thành công khi quay lại từ FDL (orbit) Ma tran C; có kích thước (W + 1) x (W + 1) với các
phan tử Œ;(,k) Các phan tử khác 0 của @ là Œ;Œ,í + 1) = jø (với 0 <¡<W — 1) và G(,í) = jø(1 — 6,) với W, < ¡ < W
Trang 350 jơ 0 0 0 0 0 jø 0 0 >„=|i Ì § ï : : ,(1</<N,) 4) 0 0 0 jø(1—6;) jo 0 0 0 0 Jjø(— 6i) Từ đây ta cũng có ma trận sinh Q của quá trình S như sau: (0) (0) 1 0 (1) (4) (4) 2 1 0 (3.5) (2) (2) Q= 2 1 (Nq-1) 0 (Nạ) (Nq) 2 1 Với: =B(0<7<N,—1), =@(1<7<N,), © —A— p4 —g, (3.6) ) — a—p4—p—p% (1 <y = N,=1) ® = A-D4A-D%, 3.1.2.3 Phương trình trạng thái cân Gọi 0; = (T¿,Tm1, ,~„j, Mwy) (0 Sj S Ng) (3.7)
vav = (vo, Đ, , ỨN,—1› ix,
Trang 36vy, 100 + vy, a0” = (0,0, .,0) ma (3.10) Điều kiện chuẩn hóa: w Na » m =1 @.11) ¡=0 j=0 Hệ phương trình trạng thái cân bằng khi đó được xây dựng: Vo 0 U af : }=(°) (3.12) UN, 0 Kết hợp phương trình chuẩn hoá DI Su 1; = vn 1; e = 1 Ta tính được 1 ( = 0, Ng) 3.1.2.4 Tính toán xác suất tắc nghẽn
Ứng với lược đỗ trạng thái, xác suất tắc nghẽn của từng luồng lưu lượng QoS cao và QoS thấp có thê được tính như sau:
- Xác suất tắc nghẽn đối với lưu lượng QoS cao - PByigh: Cac chum QoS cao bị tắc nghẽn khi tất cả các bước sóng đều bận vào thời điểm chúng đến hệ thống (ứng với các trạng thái từ (0, W) đến (Ny, W) trên Hình 3 Tại các trạng thái này tất cả các kênh bước sóng đều đã bị chiếm giữ và không gian đợi trong hàng đợi retrial chi đành cho các chùm QoS thdp bi tic nghén dé có thể thử lại yêu cầu phục vụ
Nq
PBuigh = » tw j (3.13)
j=0
- Xac suat tic nghén déi voi lu long QoS thdp - PByoy: Cac chum QoS
thấp sẽ bi tic nghén khi cdc bude séng W, déu ban (bị chiếm giữ) tại thời
Trang 37điểm chim QoS thdp dén Do d6, chim QoS thdp dén sé khéng thé duoc
phục vụ ngay lần yêu cầu đầu tiên Tuy nhiên, trong mô hình có hàng đợi retrial, các chùm Qo®Š_ thấp bị tắc nghẽn do không thể được phục vụ trong lần yêu cầu đầu tiên có thể được yêu cầu lại dịch vụ sau một khoảng thời gian ngẫu nhiên (được giữ trong hàng đợi) Do đó xác suất tắc nghẽn PB, „ có thê được viết lại với retrial như sau:
PB ow (retrial) = aa) Sy THị ; (3.14)
i=W,+1 j=1
Với hệ phương trình tuyến tính tìm được ở trên, ta có thể giải dé tìm các xác suất trạng thái cân bằng 7;; (sử dụng phương pháp tính ma trận Q), từ đó tính được các xác suất trạng tắc nghẽn
3.1.2.5 Minh họa ví dụ
Để rõ hơn mô hình phân tích với QoS ở trên, trong phần này sẽ đưa ra một vi dụ minh họa với các thông số như sau: W = 4; W, = 3,N, = 2 Lược dé trang thai tương ứng được chỉ ra ở Hình 3.4
Trang 40Œ®—A_ p^—Œ, (3.22)
Ma trận Q khi đó được xây dựng nhu Bang 3.1