BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO DAI HOC HUE
TRUONG DAI HOC KHOA HOC
THAI THI TRA MY
PHAN TICH MOT SO MO HINH KET HOP CAC GIAI PHAP XU LY TRANH CHAP
TRONG MANG OBS
LUAN VAN THAC SI KHOA HOC
CONG NGHE THONG TIN
Thira Thién Hué, 2020
Trang 2
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC HUE TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC THÁI THỊ TRÀ MY
PHAN TICH MOT SO MO HINH KET HOP CÁC GIẢI PHÁP XU LY TRANH CHAP
TRONG MANG OBS
CHUYEN NGANH: KHOA HOC MÁY TÍNH MA SO: 8480101
LUAN VAN THAC Si KHOA HOC DINH HUONG UNG DUNG
NGUOI HUONG DAN KHOA HOC TS DANG THANH CHUONG
Thira Thién Hué, 2020
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
Thừa Thiên Huế, tháng 02 năm 2020
Học viên
Trang 4của mạng Ngoài ra, để hạn chế số lượng các sự kiện tranh chấp gây ra bởi quá
tải lưu lượng tạo ra do quá trình truyền lại, chương trình truyền lại được kiểm
soát (CRT) được nêu ra trong [1] Trong chương trình này, hai thông số xác suất
lệch hướng và xác suất truyền lại được sử dụng dé cung cấp sự truyền lại được
kiêm soát
Sơ đỗ thuật toán được trình bày trong Hình 2.1, có thể được giải thích
như sau: Các hàm được xử lý bởi nút nguồn, nút đích và nút lõi trung gian trong quá trình truyền chùm được đánh đấu và được hiển thị trong sơ đồ Nút nguồn lap lich dé chùm truyền gói tin điều khiển (BHP) đến nút tiếp theo sao cho đường đi là ngắn nhất (SP) để đành trước tài nguyên Nếu tại bất kỳ nút trung gian nảo tìm thấy chùm tranh chấp với chùm đã được lập lịch trước đó, thì nó sẽ
được xử lý theo giao thức CPDR [I] Theo đó, giao thức sẽ thực hiện so sánh
hàm chi phí độ trễ của đường truyền lệch hướng từ nút hiện tại (nút xảy ra tranh chấp) đến nút đích với tổng các hàm chi phí độ trễ của đường đã đi qua (từ nút nguồn đến nút tranh chấp) và đường đi ngắn nhất từ nút nguồn đến nút đích
(đường đi ban đầu) Điều này được thực hiện dé tính độ trễ truyền lại cũng như
việc sử dụng hợp lý các tài nguyên mạng
Hàm chi phí độ trễ của một đường truyền với h số hop giữa các nút mm và
có thể được thể hiện như sau:
h h-1
Dimn)=) G+) pm (2.1) i=1 i=1
Trong đó: C;—chi phi độ tré duong truyén (Propagation delay) của liên két thir i; p; — chi phi độ tré xr ly (Processing delay) mit trung gian thứ ¿
Trang 5Xác suất mắt chùm của lộ trình thu được chính là xác suất của chùm bị rơi tại
nút nguồn, tire la i = s Giá trị xác suất này có thé tính đệ quy, bắt đầu từ nút đích d với giá trị PB(d,r) =0
Khi xét với xác suất truyền lại, xác suất mất chùm của lộ trình r Ứng với cặp sđ có thể được viết như sau: PByar(r) = {PB(s,r) {a — Pre) (1 +(P„PBQ,r)) + (P,,PBQ@,r))” (2-13) + (P„,PB(s, )N + (P„,PB(s, ry") + (P,,PB(s, ry" (1 — Pye) (1 - (Pe PB(s,r))"") = PB(s,r)f (1—P,,PB(s,r)) + (PePB(s,r)"*")}
Đề tính xác suất tắc nghẽn trên toàn mạng, ta cũng có thể mở rộng Thuật
toán 2.2 ở trên với việc áp dụng cho tất cả các lộ trình r (các cặp sđ), như chỉ ra ở Hình 2.5 với Thuật toán 2.3
Do một chùm chỉ bị mắt tại nút biên vào nếu:
- Chùm không được đưa vào bộ đệm khi bộ đệm truyền lại (tại nút biên) bị
đầy và chùm sẽ bị rơi
- Chùm được đưa vào bộ đệm; và đã được truyền lại ret lần trước khi bị
rơi (truyền lại đến số lần ret theo quy định)
Khi đó, xác suất tắc nghẽn của lộ trình tại trạng thái ổn định có thể được biểu diễn như sau:
PB(r) = PB(s,r)-PBoup + (1- Pur) * PBpar (7) (2.14)
Trong do:
PB(s,r) - Xác suất mất chùm tại nút nguồn s đối với lộ trình r;
Pouf - Xác suất tặc nghẽn theo bộ đệm truyền lại;
PBpa„(r) - Xác suất tic nghẽn tại trạng thái ổn định khi có truyền lại
Trường hợp PB»; = 0 thì xác suất mất chùm của lộ trình r ứng với cặp sd la:
Trang 6Chuong 3 MO HINH HANG DOI RETRIAL PHAN TICH SU KET HOP GIAI PHAP PHAN DOAN VỚI TRUYÊN LẠI CHÙM : 41
3.1 Giới thiệu bài toán -:222s 2222 22122221122212211211211 211.2 cerre 41
3.2 Mô hình hàng đợi RetrialL - 3t 121211 E1 ty Hee 42 3.3 Mô hình phân tích - S21 1212111 E1 11H Hy Hà Hà Ho Hee 43 3.3.1 Ma trận xác suất chuyên trạng thái cân bằng - 45
3.3.2 Minh họa ví dỤ ¿+ 5 E222 E221 E23 211 231 2 v2 vn vn ren 48
3.3.3 Các thông số đo hiệu năng 2-22 ©22+2+++2E£EEE2EEE2EEx.EExerrreei 54 3.3.4 Phan tich két QUa cceccsecsessssesesssesseesssesssesssesssesssesssesssesssesseesssesseess 55 3.4 Tiêu kết chương 22222 222122122121121121122112212222222 re 57 KET LUAN VA HƯỚNG PHÁT TRIỂN 2222222252221 xe 58
TÀI LIỆU THAM KHẢO -. 225222222 2221222311221122112211211221 21 e6 59
Trang 7Hình 1 Hình 1.1 Hình 1.2 Hình 1.3 Hình 1.4 Hình 1.5 Hình 1.6 Hình 1.7 Hình 2.1 Hình 2.2 Hình 2.3 Hình 2.4 Hình 2.5 Hình 2.6 Hình 2.7 Hình 2.8 Hình 2.9 Hình 2.10 Hình 2.11 Hình 2.12 Hình 3.1 DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Kiến trúc của mạng chuyển mạch chùm quang -2:©2s¿22z5zs¿ 1 Nguyên lý chuyển mạch gói quang 22+222222222122212222222ee 8 Nguyên lý chuyên mạch chùm quang - 22222222222222222222-<2 9 Kiến trúc của mạng chuyển mạch chùm quang - 252522 11 II081s0xár 900 1 3 12 Tap hợp chùm theo ngưỡng thời gian .-.ccccccssseirserreee 12 Tập hợp chùm theo ngưỡng độ dài chùm (số gói tối đa) 13 Tap hợp chùm theo ngưỡng thời gian và ngưỡng độ dài chùm 13
Sơ đồ của thuật toán CPDR - 220 nnnheeerrriue 22
Thuật toán sử dụng để có được các giá trị tập huấn luyện 25 Tốc độ đến trên một kênh với mô hình truyền lại cccccce 28
Trang 8Hình 3.2 Hình 3.3 Hình 3.4 Hình 3.5 Hình 3.6 Hình 3.7
Lược đồ chuyên trạng thái ứng với mô hình phân tích 46
Mô hình minh họa với MỸ = 4 -L 21112211112 1251 151211 x e2 48
Hiệu suất sử dụng bước sóng theo M = 4 và M = 8 vs Ø 55 Hiệu suất sử dụng bước sóng theo Â' ws Ø -222222 222222222 56 Kích thước chùm ra trung bình theo Â'” vs /Ø 5-5: 52522225522 56 Xác suất tắc nghẽn chùm truyễn lại theo M ws /Ø - 57
Trang 9DANH MUC CAC CHU VIET TAT
Từ viết tắt Thuật ngữ tiếng Anh Diễn giải tiếng Việt
ACK Acknowledged Gói tin xác nhận
Adaptive Hybrid Định tuyến lệch hướng lai thích
AHDR ; ; ;
Deflection Routing nghi
BCP Burst Control Packet Gói điều khiển chùm BHP Burst Header Packet Gói tiêu dé chim
BLR Burst Loss Ratio Ti lé mat chum Combined Probability , , Keét hop xác suât lệch hướng và CPDR Deflected and vs | truyén lai Retransmission
DB Data Burst Chùm dữ liệu
DP Dropping Probability Xác suất rơi chùm FDL Fiber Delay Line Duong tré quang FDL Fiber Delay Line Đường trễ quang IP Internet Protocol Giao thức Internet
OBS Optical Burst Switching Mạng chuyển mạch chùm quang OCS Optical Circuit Switching | Mang chuyén mach kénh quang OPS Optical Packet Switching | Mạng chuyển mạch gói quang
Optical Transmission `
OTN Mạng truyền tải quang Network
PDR Pure Deflection Routing Thuần định tuyến lệch hướng PRT Pure Retransmission Thuần truyền lại
QoS Quality of Service Chat luong dich vu
Trang 11
MỞ ĐẦU
Ly do chon dé tai
Lịch sử phát triển của mạng truyền đẫn quang đã trải qua các giai đoạn, từ mạng chuyên mạch kênh quang OCS, chuyên mạch chùm quang OBS và chuyền mạch gói quang OPS Chuyển mạch kênh quang không đáp ứng được nhu cầu Internet tốc độ cao, bởi vì chuyên mạch này luôn chiếm giữ một kênh truyền riêng cho đến khi hai máy kết thúc quá trình truyền Chuyển mạch gói quang là mục tiêu hướng đến của các nhà nghiên cứu và phát triển mạng quang, tuy nhiên có một đặc điểm trong chuyên mạch toàn quang OPS là chúng ta chưa thể xây dựng được các bộ đệm quang ở các điểm trung gian Vì vậy, mô hình mạng chuyển mạch chùm OBS thường được lựa chọn như là một giải pháp dung hòa
được các ưu điểm của mô hình chuyển mạch kênh OCS và mô hình chuyển mạch
gói OPS Hơn nữa mạng OBS không yêu cầu các bộ đệm quang và do đó trong
suốt với tầng điều khiến [11], [1]
Các gối IP Chùm dữ liệu
Tap hop chim
Hinh 1 Kién trúc của mạng chuyên mạch chùm quang
Trang 12có thể truyền tải nhanh nhất mà không xảy ra tình trạng tắc nghẽn Vì vậy tắc nghẽn chùm được xem là một vấn đề thách thức trong mạng chuyển mạch chùm quang Sự tắc nghẽn chùm trong mạng OBS có thê xảy ra khi hai hay nhiều chùm từ các cổng ra khác nhau cố gắng đi ra trên cùng một công ra tại cùng một thời điểm Các giải pháp cho việc xử lý tắc nghẽn hiện nay trên mạng OBS là: Thay đổi thời gian đến của chùm bằng cách sử dụng các đường trễ quang FDL, thay đỗi bước sóng ra của chùm bằng cách sử đụng bộ chuyên đổi bước sóng, chùm bị rơi có thể được truyền lại bằng phương pháp #uyền lại chùm, thay đổi công ra của chùm bằng cách định Huyễn lệch hướng, giảm xác suất mất gói bằng phân đoạn chùm kết hợp,giàm tỉ lệ mất chùm bằng phương pháp lai (kết hợp giữa định tuyến lệch hướng và truyền lại chùm) hoặc phương pháp kết hợp phân đoạn với lập lịch, phân đoạn kết hợp với lập lịch có sử dụng đường trễ FDL, phân đoạn kết hợp với chuyên đôi bước sóng, phân đoạn kết hợp với định tuyến lệch hướng Trong đó phương pháp định tuyến lệch hướng, các chùm bị tắc nghẽn sẽ được gửi tới liên kết ra khác của nút và sau đó được định tuyến qua một tuyến khác để đến đích Tuy nhiên, khi lưu lượng mạng
tăng lên, định tuyến lệch hướng có thể làm giảm hiệu suất và tính ổn định của
mạng Với phuơng pháp truyền lại chùm khi một chùm gặp tranh chấp tại nút lõi, một gói tin NACK sẽ được gửi trở lại nút nguồn để truyền lại chùm đã bị mất nhưng số lần truyền lại bị hạn chế Phương pháp lai tận dụng lợi thế từ cả các phương pháp
lệch hướng và truyền lại nhưng chỉ khi lưu lượng đỡ liệu nhỏ Khi lưu lượng dữ liệu được truyền đi cao, mô hình sơ đồ lai có xác suất mất chùm cao hơn so với các
phương pháp khác như phân đoạn chùm Vì vậy việc lựa chọn phương pháp nào
phù hợp cần phải được phân tích thật cần thận nhằm tận dụng ưu điểm của mỗi
phương pháp dé giải quyết việc tranh chấp chùm trong mạng OBS đạt hiệu quả tốt
nhất Đây cũng chính là lý do tôi chon dé tai “PHAN TICH MOT SO MO HÌNH
KET HOP CAC GIAI PHAP XU LY TRANH CHAP TRONG MANG OBS”
Tổng quan tài liệu
Trang 13tuyến lệch hướng, một trong hai chùm sẽ bị đánh rơi với toàn bộ chùm, ngay cả khi
sự chồng lấp (gây ra tranh chấp) là nhỏ nhất Vì vậy vấn để giải quyết tranh chấp chùm là rất quan trọng trong việc làm giảm mất chùm trong mạng OBS [1]
Định tuyến lệch hướng (deflection routing) và truyền lại chùm (chùm retransmission) là hai cách tiếp cận khác nhau để giải quyết vấn đề tranh chấp chùm Trong định tuyến lệch hướng [6]-[4] là một phương pháp giải quyết tắc nghẽn bằng việc định tuyến một chờzn tranh chấp đến một công ra khác so với cổng
ra theo dự kiến Trong định tuyến lệch hướng, một ch được lệch hướng sẽ làm
đường truyền tới đích dài hơn, dẫn tới làm tăng độ trễ và giảm chất lượng tín hiệu Hơn nữa, nó có thê dẫn đến cðzn có khả năng lặp vô hạn trong mạng và nó sẽ dẫn tới tắt nghẽn Với phương pháp truyền lại chùm [3] [2] chhm được truyền lại tại
lớp OBS nhằm giảm sự mat chùm Khi một chùm gặp tranh chấp tại nút lõi, một
gói tin NACK sẽ được gửi trở lại nút nguồn để truyền lại chùm đã bị mất
Sự kết hợp giữa định tuyến lệch hướng và truyền lại chùm được xem như
vấn đề hấp dẫn đề giảm tỉ lệ mất chùm trong giải quyết vấn để tranh chấp [ 10] [9] Một chùm nếu có tranh chấp trước hết được truyền bằng cách sử dụng phương pháp
định tuyến lệch hướng, nếu định tuyến lệch hướng thất bại, một gói NACK được
gởi trở lại để thông báo cho nút nguồn để chùm ban đầu có thể được truyền lại và
truyền lại chùm sau đó được áp dụng Mỗi chùm có thể được truyền lại bởi một số
lần truyền lại trước khi hoàn toàn bị từ chối Khi tải lưu lượng nhỏ, phương pháp lai
tận dụng lợi thế từ cả các phương pháp lệch hướng và truyền lại, do đó có thể làm giảm đáng kế sự mất chùm trong khi chỉ tăng một tải lưu lượng nhỏ
Trang 14mô hình sơ đỗ lai chứng minh rằng, khi tải lưu lượng chùm đến thấp, mô hình sơ đồ lai là giải pháp tốt hơn so với các mô hình định tuyến lệch hướng và mô hình truyền lại truyền thống trong trường hợp đánh giá qua tổng xác suất mất chùm Tuy nhiên,
tại tải lưu lượng cao, mô hình sơ đỗ lai thực hiện không hiệu quả bằng các mô hình khác Vì vậy, để hạn chế sự mất mát các gói tin trong chùm, một giải pháp đã được
để xuất là phân đoạn chùm (burst segmenfation), cho phép chỉ những gói tin bi chồng lấp trong chùm tắc nghẽn mới bị đánh rơi (thay vì đánh rơi cả chùm) Với phương pháp này rõ ràng xác xuất mất gói tin sẽ được giảm đáng kế
Ngoài ra, để tăng tính hiệu quả của phương pháp phân đoạn trong việc giảm thiểu xác xuất mất chùm, phân đoạn chùm có thê được kết hợp với một số giải pháp
khác như phân đoạn kết hợp với định tuyến lệch hướng, phân đoạn kết hợp với
chuyển đổi bước sóng, phân đoạn kết hợp với truyền lại chủm hay phân đoạn kết
hợp với tập hợp chùm và lập lịch chùm
Sau khi một phân đoạn chùm được tổng hợp xong chúng sẽ được lên lịch và truyền Giả sử tín hiệu (JET), lập lịch lại có sử dụng đường trễ quang (FDL»s) và bộ
chuyển đổi bước sóng (WCs) không được hỗ trợ tại nút trung gian Do đó khi xây ra tranh chấp, định tuyến lệch sẽ được sử dụng để giải quyết tranh chấp bằng cách làm
lệch hướng đi toàn bộ cm hoặc làm lệch hướng các phân đoạn bị đánh rơi của
chùm chưa được lập lịch đến một công ra khác với các công ra dự kiến Với phương pháp này rõ ràng xác xuất mất gói tin sẽ được giảm đáng kê
Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu của Luận văn là phân tích một số mô hình kết hợp các giải pháp xử lý tranh chấp trong mạng OBS
Đối tượng nghiên cứu
- Một số kỹ thuật kết hợp định tuyến lệch hướng và truyểền lại chùm trong mạng chuyển mạch chùm quang
- Kỹ thuật tập hợp chùm theo phân đoạn dựa trên cơ chế cấp phát ưu tiên
Trang 15Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp giải tích sử dụng các mô hình phân tích toán học - Phương pháp mô phỏng (dựa trên phần mềm mô phỏng OBS —NS2) Phạm vi nghiên cứu
- Một số kỹ thuật (giải pháp) kết hợp định tuyến lệch hướng với truyền lại
chùm tại nút lõi của mạng OBS
- Nghiên cứu một số kỹ thuật (giải pháp) phân đoạn chùm có/không sự kết hợp với các phương pháp khác nhằm giảm thiểu sự mất chùm tại nút lõi của mạng OBS
Nội dung nghiên cứu và dự kiên bồ cục luận văn Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu mạng chuyển mạch chùm quang, một số cơ chế điều khiển
tránh tắc nghẽn tại nút lõi [1, 7, 2, 5]
- Nghiên cứu một số kỹ thuật (giải pháp) kết hợp định tuyến lệch hướng với
truyền lại chùm tại nút lõi của mạng OBS
- Nghiên cứu mô hình tập hợp chùm theo phân đoạn đựa trên cơ chế cấp phát
ưu tiên dong (QoS) hỗ trợ định tuyến lệch hướng và kỹ thuật phân đoạn chùm nhằm giảm thiểu sự mắt chùm tại nút lõi mang OBS
- Phân tích, mô phỏng để đánh giá hiệu năng tại nút lõi mạng OBS trong các trường hợp sử dụng kỹ thuật định tuyến lệch hướng kết hợp với truyền lại chùm và các trường hợp sử dụng kỹ thuật phân đoạn chùm trong mạng chuyền mạch chùm quang
Dự kiến bố cục luận văn
Mở đầu
- Tính cấp thiết của đề tài
- Mục tiêu của luận văn
Trang 16Chương 1: Tổng quan về mạng chuyển mạch chùm quang - Tổng quan về mạng chuyên mạch chùm quang
- Điều khiến trong mạng chuyển mạch chùm quang
- Tiểu kết Chương I
Chương 2: Mô hình phân tích sự kết hợp các giải pháp định tuyến lệch
hướng và truyền lại
- Các mô hình phân tích sự kết hợp các giải pháp định tuyến lệch hướng và
truyền lại [7][1]
- Tiểu kết Chương 2
Chương 3: Mô hình hàng đợi retrial phân tích sự kết hợp giải pháp phân đoạn với truyền lại chùm
- Mô hình retrial phân tích kết hợp phân đoạn với truyền lại lớp trên và ảnh hưởng đến hiệu quả sử đụng bước sóng [8]
- Tiểu kết Chương 3
Trang 17Chương 1 TÔNG QUAN VỀ MẠNG CHUYÊN MẠCH
CHÙM QUANG
1.1 CAC CONG NGHE CHUYEN MACH QUANG
Xu thế phát triển mạng hiện nay trên thế giới và ở Việt Nam là xây dựng mạng truyền tải quang Optical Transmission Network (OTN) cho mạng internet thế hệ mới dựa trên công nghệ WDM Những nỗ lực phi thường về công nghệ truyền dẫn quang trong đó tập trung vào việc nghiên cứu các vấn đề công nghệ mạng WDM trên thế giới hiện nay đang dần đáp ứng được nhu cầu phat trién tất yếu của mạng Có nhiều vấn để cần phải giải quyết trong mạng OTN nhằm ngày càng hoàn thiện đặc tính mạng Trong các vấn đề đó, chuyển mạch quang trong mạng OTN
được coi là những hướng đi hấp dẫn nhất và rất có ý nghĩa
Cũng như chuyên mạch điện, chuyển mạch quang cũng có nhiều phương thức, công nghệ khác nhau Trong phần này sẽ giới thiệu ba công nghệ chuyển mạch quang đã và đang nghiên cứu
1.1.1 Chuyển mạch kênh quang (OCS)
Chuyển mạch kênh quang Optical Circuit Switching (OCS) duoc thue hién trong mạng quang định tuyến bước sóng thực hiện thiết lập các bước sóng toàn quang giữa hai nút mạng Sự thiết lập các luồng quang bao gồm một số bước thực
hiện: cấu hình tài nguyên, định tuyến, gán bước sóng, báo hiệu và đặt trước tài
nguyên Sự phát trién cia All-Optical Network (AON) bat đầu với Wavelength
Routed Networks (WRNs), qua trinh hoat déng bao gồm việc thiết lập các kết nối
kênh, được gọi là kênh quang (/ghípafhs), giữa các nút của mạng Ràng buộc chính của WRNs, điển hình của tất cả các giao tiếp quang là giới hạn số bước sóng trên
mỗi sợi quang Ví dụ, trong một WRN lớn, vấn dé khan hiém số bước sóng có thể tạo nên một vấn đề là không thể tạo ra mạng lưới trọn vẹn các kênh quang giữa tất
Trang 18mãn một cách tối ưu các yêu cầu kết nối của người sử dụng Giao thức truyền tín hiệu (signaling) duge dé nghi déi voi WRNs 1a Generalized Multi-Protocol Label Switching (GMPLS) 1.1.2 Chuyén mach gói quang (OPS) Các gói riêu dé dau ‘Cac tai WZ | Eh _X_
Chuyển mạch gúi quang
Hình 1.1 Nguyên lý chuyển mạch gói quang
Vé nguyén tic, chuyén mach géi quang Optical Packet Switching (OPS) té chức dựa trên gói tiêu để và điều khiển được thực hiện trong miền quang, tuy nhiên phải trong nhiều năm nữa mới thực hiện được Trong thời điểm hiện nay, chuyển mạch gói quang sử dụng điều khiển điện tử để xử lý tiêu đề gói vẫn được xem là
thực tế hơn Trong chuyển mạch gói quang, tiêu để hoặc nhãn được đọc và so sánh
với một bảng định tuyến Tải số liệu sau đó sẽ được định tuyến tới cổng ra tương ứng với một nhãn mới (trao đổi nhãn) (Hình 1.1) Điều quan trọng là tải đữ liệu được truyền trong suốt qua chuyên mạch Trong OPSNs, lưu lượng người sử dụng được mang trong các gói quang cùng với thông tin điều khién in-band Théng tin điều khiển được rút trích và xử lý trong miền điện tử tại mỗi nút Đây là kiến trúc
có tính triển vọng bởi nó đã được biết đến trên thực tế là mạng chuyển mạch gói
điện tử, đặc trưng bởi thông lượng cao và dễ dàng thích ứng với sự tắc nghẽn hay bị lỗi Tuy nhiên, bài toán đặt ra với OPSNs đó là thiếu công nghệ đệm quang
1.1.3 Chuyển mạch chùm quang (OBS)
Trang 19lớn trong suốt thời gian tổn tại của các chùm, mạng OBS có 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
Chùm Gói điều khiển chùm
\ Thai gian offset | xX > ` Chuyển mạch quang
Hình 1.2 Nguyên lý chuyên mạch chùm quang
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 bồ trí kênh điều khiển va dữ liệu, cho phép có thể
điều khiển mạng linh động và đạt hiệu quả cao Hơn nữa, bản chất dong (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 [2]
1.2 MANG CHUYEN MACH CHUM QUANG OBS 1.2.1 Dac trung chung cia mang OBS
Trang 20khả 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 chuyển mạch chùm quang được nghiên cứu vào cuối năm 1990 và nó trở thành
một công nghệ hứa hẹn có thể tận dụng được những ưu điểm của mạng chuyển
mạch kênh quang và mạng chuyển mạch gói quang để tránh được những bất lợi về kỹ thuật trong thời gian này
Mạng chuyển mạch chùm quang 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 chuyên mạch khác Mạng chuyển mạch chùm quang là một giải pháp cho phép truyền tải lưu lượng trực tiếp qua mạng WDM mà không cần bộ đệm quang Mạng chuyển mạch chùm quang sử dụng các sơ đồ định trước một hướng 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 chuyên mạch chùm quang xem xét lớp quang đơn thuần như một phương tiện truyền thông trong suốt cho các ứng dụng
Một số đặc trưng chung của mạng chuyền mạch chùm quang như sau:
- Tách biệt giữa kênh truyền gói điều khién Burst Control Packet (BCP) va
kênh truyền chùm di liéu Data Burst (DB): Goi diéu khién duoc truyén trên một
kênh riêng biệt
- Sự đành 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
- D6 dai chùm 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
Trang 211.2.2 Kiến trúc mạng chuyển mạch chùm quang
Một mạng chuyên 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 1.3, các nút trên mạng
chuyên mạch chùm quang có hai kiêu: nút biên và nút lõi Nút biên được xem như là giao điện giữa miền điện tử và miền quang
ane a Nút lối OBS m fr mg E =| a Zi BS hà“ aaa o Mang OBS ae FT a we = = a= x / SS Z SS = TH j m3 | \Ez _ mu
: : | = _ ` Tin hiéu ngoai bang
¢ Xác? 5 ° ce Soa ác kết nỗi Đ Kênh điều > ¬ khién Offset gối IP TC = ee ERH ee —— ee eid _ mm E1 túi điểu khiển chum liệu GE chim di liu
Hình 1.3 Kiến trúc của mạng chuyên mạch chùm quang
Tại nút biên, những dữ liệu vào (ví dụ các luồng IP) có cùng đích đến và
cùng lép dich vu Quality of Service (QoS) duoc tap hop (Assembling) trong mot chum quang dit liéu, duoc lap lich (scheduling) và được gởi vào bên trong mạng OBS theo sau g6i diéu khién chim quang BCP mét khoang thoi gian offset Khoang thời gian øf%ef này phải được tính toán sao cho gói điều khiển BCP có thê kịp đặt trước và cấu hình các tài nguyên tại các nút mà chùm quang đữ liệu sẽ đi qua Bằng
cách đó, mạng OBS đã loại bỏ được yêu cầu cần sử dụng các vùng đệm quang, một
trong những hạn chế mà công nghệ quang hiện nay chưa thê vượt qua được Tại các nút lõi bên trong mang OBS, chim quang don gidn duoc chuyén (forward) theo hướng đến nút đích như đã cấu hình Khi đến nút biên ra, các luồng IP sẽ được khôi phục lại từ chùm quang dữ liệu này
Trang 221.2.3 Các bài toán trong mạng chuyển mạch chùm quang 1.2.3.1 Tập hợp chùm
Tap hop chim (burst) 1a qua trình tập hợp các gói tin điện tử và đóng gói thành chùm tại nút biên ngõ vào của mạng chuyển mạch chùm quang Tất cả gói đến sẽ chuyên đến hàng đợi tùy theo dich của chúng như trình bày trong Hình L4 Một giá trị ngưỡng được sử đụng như một tham số giới hạn dé quyết định khi nào tạo ra một chùm và gởi chùm vào trong mạng
LIMO Goidigukhién ( Y \ Geidiéu khiển —— ' nh ¬¬ "` .II1MII——{ Ƒm_—J Mang eer) [nnn 1 Burst dữ liệu OBS /Burst dữ liệù* 7 1 N J ! “ I - LÝ ZL LỢI burst urst WA Tach burst Cl urst 1 .III IIIIf '°?"*? 000 0000
Hinh 1.4 Tap hop va tach chum
Hiện nay có nhiều kỹ thuật tập hợp chùm được đưa ra trong đó hai kỹ thuật được quan tâm nhất là tập hợp chùm dựa vào ngưỡng thời gian (timer-based) (Hinh
1.5) và tập hợp chùm dựa trên ngưỡng độ dài chùm (size-based) (Hinh 1.6)
Trong phương pháp tập hợp chùm dựa trên ngưỡng thời gian, một chùm được tạo ra và gởi vào trong mạng theo chu kỳ thời gian, đúng bằng thời gian đã được định sẵn vì vậy mà không quan tâm đến kích thước chùm dài hay ngắn Do đó, chiều dài của chùm biến đổi tuỳ theo tần suất đến của gói, trong những khoảng thời gian bằng nhau
i —— TH Kích thước của burst
không bằng nhau
| —— ~Y Khoảng cách giữa các ¡ Bộ định thời gian burst bằng nhau
Ngưỡng thời gian
Hình 1.5 Tập hợp chùm theo ngưỡng thời gian
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
Trang 23i | - —=m Kích thước của burst băng nhau Các gói đến | [: =—Fl Uy] [_ Bursts] s † Khoảng cách giữa các | burst khéng bang nh
Kích thước burst tôi đa BA NOE NUEPCDP EEC
(số gói tối đa)
Hình 1.6 Tập hợp chùm theo ngưỡng độ đài chùm (số gói tối đa)
Cần xác định độ dài chùm tối ưu để tăng hiệu quả của một mạng chuyển mạch chùm quang peat ngưỡng kích thước Œ)_ x ‘|r 1,5) Pe a cao ee i tr») i ‘ 1 ngưỡng thời gian (T) Chiều dài burst
Thời gian tập hợp burst
Hình 1.7 Tập hợp chùm theo ngưỡng thời gian và ngưỡng độ dài chùm
Trong trường hợp các gói chịu giới hạn về chất lượng dịch vụ QoS, 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 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 đo lưu lượng trong mạng có thê thay đổi nên phương pháp tập hợp chùm tốt nhất là kết hợp vừa đựa trên ngưỡng thời gian và vừa ngưỡng độ đài chùm 1.2.3.2 Bao hiệu
Báo hiệu là kỹ thuật truyền đi gói điều khiến trên hành trình từ nguồn đến đích qua các nút trung gian để thực hiện đặt trước tài nguyên và cấu hình chuyển
Trang 24chùm được gởi tới một nút lõi, tiến trình báo hiệu được thực hiện trước để đặt trước
tài nguyên và cấu hình cho bộ chuyển mạch quang tại mỗi nút đó sao cho phù hợp với chùm dữ liệu tương ứng Tiến trình báo hiệu trong mạng chuyên mạch chùm quang 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 cách thực hiện và
thời gian mà tài nguyên dọc theo đường đi được đặt trước cho chùm Chúng ta có thê phân loại các phương thức báo hiệu như sau:
- Theo hướng: Đặt trước tài nguyên một chiều, hai chiều hay kết hợp
- Theo vị trí: Đặt trước bắt đầu từ nguồn, từ đích hoặc từ nút trung gian
-_ Khi tài nguyên không sẵn sàng: Đặt trước bền vững hay không bền vững - Theo thoi gian: Đặt trước tài nguyên tức thời hoặc sau một khoảng thời gian trễ
- Giải phóng tài nguyên: Tường minh hoặc ngầm định -_ Theo cách tính toán: Tập trung hoặc phân tán
1.2.3.3 Định tuyến
Định tuyến để chỉ sự lựa chọn đường đi cho một kết nối để thực hiện việc gởi
dữ liệu Định tuyến chỉ ra hướng dịch chuyển của các gói (đữ liệu), từ nguồn đến đích và qua các nút trung gian; thiết bị chuyên dùng cho việc định tuyến là bộ định
tuyến (router)
Khi có yêu cầu thiết lập một kết nối, bộ định tuyến bước sóng Javelength
Roufer (WR) phải sử dụng một giải thuật được chọn từ trước để xác định một công
ra và bước sóng tương ứng Sự lựa chọn bước sóng đóng vai trò rất quan trọng đối với xác suất tắc nghẽn trên toàn mạng sau này Vì vậy một bộ định tuyến bước sóng phải tìm ra kênh quang và thực hiện gán bước sóng sao cho xác suất tắc nghẽn là tối thiểu Đây là loại bài toán quan trọng trong việc thiết kế các mạng toàn quang Bài toán định tuyến và cấp phát bước sóng RWA được chia làm hai
Trang 25loại: định tuyến và cấp phát bước sóng RWA dành cho lưu lượng mạng cố định (static traffic); định tuyến và cấp phát bước sóng RWA dành cho lưu lượng mang thay déi (dynamic traffic)
1.2.3.4 Lép lich chim
Trong mạng chuyển mạch chùm quang một vấn đề quan trọng khác là lập
lịch cho chùm Khi một gói điều khiên đến một nút, một thuật toán lập lịch được
goira dé gán chùm chưa được lập lịch với một kênh dữ liệu trên liên kết ra Dựa
vào thông tin trong gói điều khiển, bộ lập lịch biết được thời gian đến, thời gian kết thúc của chùm (do đó biết được độ dài chùm) Bên cạnh đó, bộ lập lịch duy
trì thời gian chưa lập lịch khả dụng gần nhất Lasfest Available Unscheduled Time ( LAUT), các khoảng hở (gaps) và các khoảng trống (voiđs) trên mỗi kênh
dữ liệu ra Những thông tin này cho phép bộ lập lịch tại các nút xác định được kênh bước sóng thích hợp nhất dành cho chùm dữ liệu nhờ giải thuật lập lịch của bộ lập lịch
Mục đích chính của các giải thuật lập lịch là sắp xếp được thật nhiều chùm
trên cùng một kênh bước sóng để tối ưu hóa băng thông sử dụng và giảm số lượng
chùm mất Nếu việc lập lịch không thể thực hiện được tại thời điểm chùm đến thì
chùm có thê được làm trễ một khoảng thời gian nhờ sử dụng đường trễ FDL đề có
thể được lập lịch sau, nếu không chùm sẽ bị mất Thêm vào đó bộ lập lịch cần sử
dụng những giải thuật đơn giản hơn là các giải thuật phức tạp bởi vì các nút định
tuyến hoạt động với tốc độ rất cao và xử lý một số lượng rất lớn chùm đữ liệu Một
giải thuật phức tạp có thể dẫn đến tình trạng mất chùm khi chùm đữ liệu đến trước khi gói tin điều khiển của chùm đó được xử lý xong
1.2.3.5 Giải quyết tranh chấp
Trong mạng chuyển mạch chùm quang, cũng như các mạng chuyển mạch
gói khác, tổn tại khả năng một chùm có thể tranh chấp với một chùm khác tại một
nút Sự tranh chấp sẽ xảy ra nếu nhiều chùm đến từ nhiều công vào khác nhau được định trước cho cùng một công ra tại cùng thời điểm Điển hình của việc giải quyết tranh chấp trong các mạng chuyển mạch gói điện tử truyền thống được quản lý
Trang 26thông qua bộ đệm, tuy nhiên trong lĩnh vực quang, việc sử dụng bộ đệm tại các nút
đang gặp khó khăn (về mặt công nghệ) Đề giải quyết tình trạng tranh chấp và việc mắt chùm, một số phương pháp cơ bản sau có thể sử dụng: thay đổi thời gian đến của chùm đữ liệu bằng cách sử đụng các đường trễ quang FDL, thay đổi bước sóng ra của chùm bằng cách sử dụng bộ chuyển đổi bước sóng hay thay đổi cổng ra của chùm bằng cách định tuyến lệch hướng (De/flecfion Roufing)
> Sử dụng các đường trễ quang FDL
Cách tiếp cận này là cố gắng làm trì hoãn thời gian ra của chùm cho đến khi một kênh nào đó rảnh Trong các mạng chuyền mạch gói điện tử truyền thống, thực thi bằng cách lưu trữ các gói trong các bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên RAM Tuy
nhiên, bộ đệm như RAM không thực sự hiện hữu trong lĩnh vực mạng quang Do đó, các đường trễ FDL có thể được sử dụng để làm trễ các chùm ra trong một
khoảng thời gian xác định Phương pháp này mang lại khả năng mất chùm thấp hơn, nhưng nó không đảm bảo thứ tự các chùm một cách chính xác Chú ý rằng,
trong bất kỳ kỹ thuật sử dụng bộ đệm quang nảo, kích thước của các bộ đệm bị giới hạn rất nghiêm ngặt, không những bởi chất lượng tín hiệu mà còn bởi sự giới hạn
về không gian vật lý Đề làm trễ một chùm với thời gian 1ms chúng ta cần đến hơn 200km cáp quang
> Chuyển đổi bước sóng
Quá trình chuyên đổi bước sóng là quá trình chuyển đổi bước sóng của một kênh vào thành một bước sóng khác trên một kênh ra Các bộ chuyền đổi bước sóng
là các thiết bị mà chúng chuyển đổi một tín hiệu của bước sóng vào thành một bước
sóng ra khác Với cách này cho phép tăng khả năng sử dụng lại các bước sóng hiệu quả hơn, tức là cùng một bước sóng có thê được tái sử đụng về mặt không gian đề mang các kết nối khác nhau trên các sợi khác nhau trong mạng
Trong mạng chuyển mạch chùm quang sử đụng phương pháp chuyên đổi
bước sóng, tranh chấp sẽ được giảm nhờ việc tạo ra nhiều bước sóng trên một kết nỗi Một chùm bị xung đột có thể được chuyền mạch đến bất kỳ bước sóng rỗi nào
tại đầu ra Bên cạnh đó, trong khi quá trình chuyên đổi bước sóng quang đã được
Trang 27chứng minh trong môi trường thí nghiệm, thì kỹ thuật này chưa hắn đã hoàn thiện,
và miễn chuyển đổi hiện hữu bị giới hạn
> Định tuyến lệch hướng
Định tuyến lệch hướng là một phương pháp giải quyết tắc nghẽn bằng cách định tuyến một chùm tranh chấp đến một cổng ra khác so với cổng ra theo
dự kiến ban đầu
Trong định tuyến lệch hướng, một chùm được lệch hướng sẽ làm 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 chùm có khả năng lặp vô hạn trong mạng và nó sẽ
dẫn tới tắc nghẽn Vì vậy cần có các cơ chế để thực hiện ngăn chặn độ dài
đường đi qua mite [5]
Một vấn đề khác khi các chùm lệch hướng là duy trì cdc théi gian offset thich
hợp giữa gói điều khiển và dữ liệu của chùm lệch hướng Khi chùm được lệch
hướng phải đi ngang qua một đường di dai hon la chùm không được lệch hướng, có
thé tại một thời điểm nào đó, offset_time lac dau sé khong đủ đề gói điều khiển xử
lý và cầu hình trước khi chùm dữ liệu đến Để loại trừ các vấn đề liên quan tới sự thiếu hụt offset_time, mot số chính sách khác nhau có thể được thực hiện Một cách
tiếp cận đơn giản là loại bỏ chùm nếu øØše? fime là không đủ Các cách tiếp cận dùng bộ đếm và bộ đo thời gian cũng có thể phát hiện và giới hạn số độ dài (số hop) mà một chùm đi qua Các cách tiếp cận bộ đệm sử dụng các đường trễ fiber (FDL) cũng có thể được áp dụng: tuy nhiên các cách tiếp cận như vậy làm tăng độ phức tạp của lớp quang
> Phân đoạn chùm
Tại nút lõi OBS, khi có sự tranh chấp giữa hai chim ma khong thé duoc giải quyết với các phương pháp như sử đụng FDL, chuyển đổi bước sóng hay định tuyến lệch hướng thì một trong hai chim sẽ bị đánh rơi, ngay cả khi sự chồng chéo (gây ra tranh chấp) là nhỏ nhất Vì vậy, để hạn chế sự mất mát các gói tin trong chùm, một giải pháp đã được đề xuất trong được gọi là phân đoạn chùm (burst
Trang 28segmenfafion) chỉ những đoạn bị chồng chéo của chùm bị đánh rơi thay vì đánh rơi cả chùm Với phương pháp này rõ ràng xác xuất mất gói tin sẽ được giảm đáng kẻ
> Truyền lại chùm
Ý tưởng cơ bản của truyền lại chùm là cho phép các chùm tranh chấp được truyền lại trong lớp OBS thay vì có các giao thức lớp trên, như TCP, khôi phục dữ
liệu bị mất Trong sơ đỗ này, BCP được gửi ra trước khi truyền dữ liệu để bảo lưu
tài nguyên Sau một thời gian bù (offset time), chùm được truyền đi Nút xâm nhập lưu trữ một bản sao của chùm được truyền để có thê truyền lại Khi BHP di chuyển
qua các nút lõi, nếu việc đặt kênh không thành công tại nút lõi do sự tranh chấp
chùm, nút lõi sẽ gửi ARQ trên mặt phẳng điều khiển đến nút xâm nhập để báo cáo
lỗi đặt trước Khi nhận được ARQ, nút xâm nhập sẽ truyền lại một bản sao của
chùm được yêu cầu trước BHP tương ứng
Chương 2 và Chương 3 của Luận văn sẽ phân tích rõ hơn các giải pháp kết
hợp như định tuyến lệch hướng với truyền lại, truyền lại với phân đoạn chùm
1.3 TIEU KET CHUONG 1
Nội dung Chương I đã trình bày các công nghệ chuyển mạch quang, một số khái niệm cơ bản về mạng chuyển mạch chùm quang và các giải pháp điều khiển tắc nghẽn của nó Trong Chương 2 sẽ phân tích sự kết hợp giải pháp điều khiển tắc nghẽn dựa vào định tuyến lệch hướng và truyền lại để từ đó đưa ra phân tích, đánh giá hiệu năng trong mạng chuyên mạch chùm quang
Trang 29Chương 2 GIẢI PHÁP KÉT HỢP ĐỊNH TUYẾN LỆCH HƯỚNG VÀ
TRUYEN LAI TRONG MANG OBS
2.1 DAT VAN DE
Chuyển mạch quang là một công nghệ chuyển mạch quang thích hợp cho internet đang được xem xét các yêu cầu về băng thông, công nghệ Tuy nhiên, mất chùm vẫn còn là vấn đề quan trọng trong mạng OBS Nhiều mô hình giải quyết tranh chấp đã được nêu ra để giải quyết vấn để này Định tuyến lệch hướng được coi là một phương pháp hấp dẫn đê giải quyết tranh chấp trong mạng OBS
Do sự bùng nỗ tự nhiên của mạng dữ liệu, tắc nghẽn chùm có thể xuất
hiện khi hai hoặc nhiều hơn gói điều khiển cố gắng dành trước một kênh bước
sóng tại cùng một thời điểm, từ đó có thể gây ra mất chùm Vì vậy, vấn đề giải quyết tắc nghẽn chùm là rất quan trọng trong việc giảm bớt xác suất mất chùm trong mạng OBS
Sự kết hợp giữa định tuyến lệch hướng và truyễền lại chùm hay mô hình sơ
đồ lai được xem như van dé hấp dẫn để cải tiến hiệu suất thực hiện của mạng OBS
trong giới hạn làm giảm cả độ trễ đầu — cuối và giảm tỉ lệ mất chùm trong giải quyết vấn đề tranh chấp khi tải lưu lượng thấp và trung bình Nhiều nghiên cứu về sự kết hợp 2 giải pháp này đã được để xuất qua một số giải pháp cụ thể như HDR [7] LHDR [3], AHDR [8] và CPDR [5] Theo đó, thuật toán LHDR (giới hạn số hop để hạn chế sự lệch hướng trong HDR) giảm được số trường hợp mà định
tuyến lệch hướng buộc phải truyền lại, một chùm chỉ được phép lệch hướng một
lần Thời gian offset phải được đặt theo số lượng hop tối đa có thê đề một chùm không thể vượt qua gói điều khiển của nó trong quá trình truyền lại chùm AHDR đánh giá quyết định lựa chọn giữa lệch hướng và truyền lại Khi không xuất hiện
tắc nghẽn, đường đi ban đầu được sử dụng Tuy nhiên, khi xuất hiện tắc nghẽn,
AHDR sẽ lựa chọn phương pháp giải quyết tốt nhất giữa định tuyến lệch hướng và truyền lại LHDR sử dụng các gói tin ACK và NACK là chức năng báo tin về tình trạng mạng AHDR sử dụng và khai thác các gói tin ACK và NACK để liên tục
Trang 30mỗi kết nối để tính xác suất thành công Khi lưu lượng phân bố không đều trong mạng, giải thuật AHDR thực hiện tốt hơn các phương pháp tĩnh (HDR và LHDR),
bởi vì nó lựa chọn kết nối có tải thấp và thực hiện quyết định động trong hai
phương pháp lệch hướng và truyền lại
Các thuật toán HDR, LHDR, AHDR đã sử dụng phương pháp truyền lại để
giảm mất chùm Tuy nhiên, truyền lại không được kiểm soát cũng dẫn đến giảm
hiệu suất ở điều kiện tải cao hơn do sự chậm trễ truyền lại lớn hơn và tăng số lượng
truyền lại Cần hạn chế số lượng các sự kiện tranh chấp gây ra bởi quá tải lưu lượng tạo ra do quá trinh truyén lại Khi lưu lượng luồng đến tăng cao, việc xem xét giới
hạn số lần truyền lại, số lần lệch hướng dựa trên sự kết hợp các giá trị xác suất
truyền lại và xác suất lệch hướng (CPDR) cho kết quả tốt hơn và mô hình sơ đỗ lai
kết hợp giới hạn số lần truyền lại và độ lệch kết hợp giữa độ lệch xác suất và truyền lại (CPDR) có thể đạt được mắt chùm là thấp nhất và khắc phục được các bất lợi
của mô hình sơ đồ lai Mô hình này có thê giảm 25% đến 60% xác suất mất chùm so với các mô hình tương tự khác
Mục tiêu của Chương 2 trong Luận văn là phân tích và đánh giá mô hình kết hợp giữa giải pháp truyền lại và lệch hướng dựa trên các giá trị xác suất tắc nghẽn bên trong mạng OBS (CPDR) với mô hình điểm cố định Erlang
2.2 THUẬT TOÁN LAI KÉT HỢP ĐỊNH TUYẾN LẸCH HƯỚNG VA TRUYEN LAI VOI CO CHE KIEM SOAT CO DIEU KIEN
Trong phần này sẽ trình bày mô hình phân tích trong mạng OBS theo tong xác suất mất chùm đối với lược đỗ lai đã được trình bày trong [1] Mô hình ở đây cũng chính là sự mở rộng của các nghiên cứu trước đây đối với mô hình định tuyến lệch hướng trong [1] và mô hình đánh giá hiệu năng truyền lại chùm trong [6]
Tương tự như một số giải pháp lai kết hợp định tuyến lệch hướng và truyền lại, ý tưởng chính của giải thuật ở Hình 2.1 đó là chùm tắc nghẽn sẽ được
lệch hướng hoặc truyền lại dựa trên một hàm ngưỡng thích nghi và nếu lệch hướng được lựa chọn, lộ trình lệch hướng sẽ được chọn dựa trên điều kiện tải
Trang 31của mạng Ngoài ra, để hạn chế số lượng các sự kiện tranh chấp gây ra bởi quá
tải lưu lượng tạo ra do quá trình truyền lại, chương trình truyền lại được kiểm
soát (CRT) được nêu ra trong [1] Trong chương trình này, hai thông số xác suất
lệch hướng và xác suất truyền lại được sử dụng dé cung cấp sự truyền lại được
kiêm soát
Sơ đỗ thuật toán được trình bày trong Hình 2.1, có thể được giải thích
như sau: Các hàm được xử lý bởi nút nguồn, nút đích và nút lõi trung gian trong quá trình truyền chùm được đánh đấu và được hiển thị trong sơ đồ Nút nguồn lap lich dé chùm truyền gói tin điều khiển (BHP) đến nút tiếp theo sao cho đường đi là ngắn nhất (SP) để đành trước tài nguyên Nếu tại bất kỳ nút trung gian nảo tìm thấy chùm tranh chấp với chùm đã được lập lịch trước đó, thì nó sẽ
được xử lý theo giao thức CPDR [I] Theo đó, giao thức sẽ thực hiện so sánh
hàm chi phí độ trễ của đường truyền lệch hướng từ nút hiện tại (nút xảy ra tranh chấp) đến nút đích với tổng các hàm chi phí độ trễ của đường đã đi qua (từ nút nguồn đến nút tranh chấp) và đường đi ngắn nhất từ nút nguồn đến nút đích
(đường đi ban đầu) Điều này được thực hiện dé tính độ trễ truyền lại cũng như
việc sử dụng hợp lý các tài nguyên mạng
Hàm chi phí độ trễ của một đường truyền với h số hop giữa các nút mm và
có thể được thể hiện như sau:
h h-1
Dimn)=) G+) pm (2.1) i=1 i=1
Trong đó: C;—chi phi độ tré duong truyén (Propagation delay) của liên két thir i; p; — chi phi độ tré xr ly (Processing delay) mit trung gian thứ ¿
Trang 32Truyền lại chùm với xác suất P, Cone) Dat Ry = Ry +1 Loại bỏ chùm từ bộ đệm truyên lại ` Lập lịch chùm Ỷ Gởi gói điều khiển BCP Đặt R„ = 0 A Nút nguồn Cổng SP rỗi? Rơi chùm và gởi NACK Có A Không
Thời gian offset
có đủ không? Nút trung gian Lập lịch chùm cho công lệch hướng với xác suất P„ \ Chuyển tiếp chùm Vv ¥ r Nhận chùm Ỷ Goi ACK Nut dich
Hình 2.1 Sơ đồ của thuật toán CPDR
Nếu chi phí độ trễ đường truyền của tuyến đường lệch hướng nhỏ hơn thì
giao thức tại nút lõi sẽ chọn phương án làm lệch hướng chùm Ngược lại, chùm sẽ bị đánh rơi và một gói NACK sẽ được gởi trở lại nút nguồn để có thể truyền lại chùm Tức là, chùm tranh chấp được lệch hướng nếu:
Trang 33Da(c,d) < D,(s,c) + D,(s,d) (2.2) Trong do: s - Là nút nguồn; c - Là nút trung gian mà tại đó chùm xảy ra tranh chấp; đ - Là nút đích;
D, - Ham chi phí độ trễ của lộ trình đi ban đầu (chính);
Dạ - Ham chi phi độ trễ của lộ trình lệch hướng
Nếu định tuyến lệch hướng được lựa chọn, chùm sẽ được lệch hướng với xác suất Pạ Định tuyến lệch hướng hoạt động phụ thuộc vào xác suất tắc nghẽn như một cách đề hạn chế độ lệch hướng ở tải lưu lượng cao nhằm ngăn chặn sự mat 6n định của mạng Gia tri thoi gian offset sé được kiểm tra trước khi lập lịch chùm trên
lộ trình lệch hướng nhằm ngăn chặn khả năng chùm đến sớm hơn so với gói điều
khiển BHP của nó (do lộ trình lệch hướng thường dài hơn so với lộ trình ban đầu)
Nếu thời gian offset không đủ (để có thể đặt trước tài nguyên cho chùm trên lộ trình
lệch hướng), chùm cũng sẽ bị đánh rơi và được truyền lại với xác suất truyền lại là
P„„ Điều này tuân theo điều kiện đó là số lần truyền lại, R„ phải nhỏ hơn số lần truyền lại tối đa được phép, là ret
Khi tải tăng cao thì hiệu năng của truyền lại thuần cũng như lệch hướng thuần là thấp hơn so với trường hợp nút lõi OBS không có bất kỳ giải pháp xử lý tranh chấp nào Điều này xảy ra bởi vì lệch hướng cũng như truyền lại có thể dẫn đến lưu lượng tăng lên và làm cho tình trạng tắc nghẽn trầm trọng thêm khi mạng
đã ở trạng thái tắc nghẽn Xác suất lệch hướng và truyền lại vì vậy được xác định dựa vào mức độ tắc nghẽn trong mạng Gia tri xác suất mắt chùm BLP (Burst Loss
Probability) được xem như là một chỉ số đánh giá về tình trạng tắc nghẽn Các nút
lõi sẽ tính BLP của các liên kết ra của nó dựa trên các gói ACK đã nhận
được Thông tin này có thể được chuyên tiếp đến nút trước dọc theo tuyến đường một lần nữa bằng cách sử dụng các gói tin ACK Các nút cũng sẽ nhận được thông tin này từ các nút lân cận Giả thiết rằng điều này có sẵn trong các giao thức báo
Trang 34hiệu Báo hiệu thực hiện vận hành và duy trì các chức năng khác và kết hợp thông
tin này trong những gói đữ liệu không có sự cố Tuy nhiên, bản cập nhật sẽ được
thực hiện định kỳ và hiệu suất phu thuộc vào sự lựa chọn của bản cập nhật phù
hợp Mỗi nút sẽ có bảng thông tin định tuyến được cập nhật với giá trị xác suất rơi
chùm trên lộ trình và các giá trị này được sử dụng để tính toán các xác suất lệch
hướng và xác suất truyền lại Các giá trị xác suất lệch hướng và xác suất truyền lại có liên quan đến các thông số mạng được biêu diễn bằng các biểu thức chỉ ra trong các phương trình (2.3) và (2.4), một cách tương ứng: Pạ = 1— [Wạy x PB(,r)¿ + Wa; x p()] (2.3) Pre = 1—[Wyer X PBL T)p + Wree < p(0)] (2.4) Trong do: P(T)a Xác suất rơi của chùm với lộ trình lệch hướng r bắt đầu từ nút ¡ cho đến nút đích; P(,T)p Xác suất rơi của chùm cùng với lộ trình chính + bắt đầu từ nút í đến đích; p(i) Tải tại nut í; Waa W,¿; W,¿ Wa Các trọng SỐ
Các nút lõi, mà tại đó xảy ra tranh chấp, sẽ sử dụng giá trị BLP liên quan
đến lộ trình lệch hướng để tính giá trị P„ Tải chuẩn hóa tại nút lõi được tinh dua
trên lưu lượng ra bằng cách sử dụng các thông tin cục bộ sẵn có Tương tự như vậy, nút biên vào hay nút nguồn tính giá trị P„, dựa trên tải của nó và giá trị BLP
của lộ trình chính Các trọng số được tính toán bằng cách sử dụng thủ tục sau Với các giá trị tập huấn luyện cho P„, BLP va tải thu được bằng cách sử dụng thuật
toán 2.1 như trong Hình 2.2
Trang 35Thuật toán 2.1 Bước 1 Initialize: Dat Py = 1; Đặt ø là một giá trị cực tiểu Bước 2 For load, ø(r) = 0.1 + 1ở Bước l1; Đặt ¡ = 0; (i) Loop:
Tính xác suất mất chùm bằng cách sử dụng mô hình cho PDR
(với P„ hiện thời)
(it) If Piss ~~ Pia) <a then Í =i+1 Pg = Py — 0.02 Nhay dén bude (i) Loop Else Ghi lai p(r) va P,,,,, Py trong ứng Nhay đến Bước 2
Hình 2.2 Thuật toán sử dụng để có được các giá trị tập huấn luyện
Nếu giá trị Pạ và P„, được thiết lập đạt đến giá trị tôi đa có thế có của nó
(bằng I), mạng sẽ phải chịu các vấn để tắc nghẽn nghiêm trọng và mất tinh én
định ở mức tải cao hơn Mặt khác, nếu các giá trị đó có giá trị rất nhỏ, sự mất
chủm cũng sẽ tăng lên Vì vậy, để có thê giữ các giá trị P„ và P„, ở giá trị tối
thiểu, mà không làm giảm hiệu suất của mạng, các giá trị này phải được xác định bởi thuật toán cho trước, như ở Hình 2.2 Thuật toán 2.1 ở Hình 2.2 tính giá trị P„
cho mỗi tải bằng cách giảm dần nó từ 1 đơn vị trong các bước nhỏ hơn Trong mỗi
bước, giá trị xác suất mất chùm sẽ được tính và nếu gia tri tang vượt qua a, gia tri
xác suất này sẽ không bị tiếp tục giảm (dừng) Do đó, P„ thu được theo cách này sẽ là giá trị tối ưu so với hiệu suất tôn thất và tắc nghẽn Những giá trị này sẽ được tính trong phương trình (2.3) để thu được các giá trị trọng số Do đó, các trọng số này tương ứng với hàm P„ tối ưu Bất kỳ cặp giá trị trọng số nào khác sẽ
Trang 36dẫn đến việc kết quả nhỏ hơn hoặc lớn hơn so với giá trị xác suất với trường hợp
hiệu suất tối ưu Quá trình tương tự cũng có thể được thực hiện để có các trọng số
trong phương trình (2.4), chỉ khác là gia tri Py sẽ được thay thế bởi P„;và mô hình cho PRT được sử dụng thay vì PDR
2.3 MÔ HÌNH PHÂẦN TÍCH TRÊN TỒN MẠNG VỚI PHƯƠNG PHÁP
DIEM CO DINH ERLANG - EFP
Mô hình phân tích ở đây thực hiện tính toán xác suất tắc nghẽn trên toàn mạng OBS với việc xử lý tắc nghẽn tại mỗi nút lõi theo giao thức CPDR được trình bày ở trên Xác suất mất chùm khi đó ứng với xác suất mà một chùm không thể đi đến thành công nút đích của nó, ngay cả khi phương án truyền lại có thể được áp dụng Việc tính toán xác suất tắc nghẽn trên toàn mạng ở đây sẽ sử đụng phương pháp điểm cố định Erlang - EFP [7][1] Một số giả thiết quan trọng trong mô hình được mô tả ngay trong phân tiếp theo
2.3.1 Một số giả thiết
Xét 1 mạng OBS với / là tập tất cả các kết nối đơn sợi quang, được gán nhãn từ (1,2, /), mỗi kết nối sợi quang / có tổng cộng Œ; kênh bước sóng Có T là tập
tất cả các lộ trình với mỗi lộ trình được biểu thị bởi cặp nguồn - dich (source-
destination) sd bao gém tat cả các kết nối giữa nguôn và đích, kế cả theo đường đi ban đầu cũng như đường đi lệch hướng Với mỗi cặp sđ, các chùm được truyền đến tuân theo quá trình Poison với tốc độ đến là A,q va tat ca quá trình đến là độc lập Thời gian truyền chùm được tính theo phân phối mũ với giá trị trung bình là 1/u (tốc độ phục vụ là p)
Giả sử tất cả các chùm tại một nút được chuyển tiếp theo lược đỗ định tuyến
lệch hướng hay truyền lại đều đến theo quá trình Poisson Tắc nghẽn xảy ra một cách độc lập từ kết nối này sang kết nối khác dọc theo lộ trình bất kỳ Giả sử ở
trạng thái cân bằng, có thể tồn tại một xác suất tắc nghẽn dừng (có định) trên mỗi
kết nối Để đơn giản hóa mô hình này, các chùm ban đầu và chùm lệch hướng có độ ưu tiên như nhau trên mỗi kết nối (không đặt trước bước sóng [2]) do đó chúng có
Trang 37cùng xác suat tac nghén (stationary blocking probability) Tuy nhién, mé hinh nay cũng có thể được áp dụng trong trường hợp đặt trước bước sóng
Xét từng cặp sở riêng biệt Giả sử mỗi kết nối được đánh chỉ mục sao cho
nếu kết nối j¡ và kết nói j; bắt đầu từ một nút va j, < jz Vì vậy kết nối 7; phải được tìm kiếm trước kết nối 7; trong định tuyến lệch hướng Đặt L là tập tất cả các kết
nối thuộc về một trong hai lộ trình đường đi ban đầu hoặc lộ trình lệch hướng của cap sd Mot s6 dinh nghia:
+ p: tai luu long dén déi voi 16 trình r ứng với cặp sđ
+ pj: tai luu luong dén đối với kết nối j
+ r biéu thi chi s6 16 trinh
+ Pr0) = {Ứ'J' < j)': Tập tất cả các kết nối có chỉ mục nhỏ hơn kết nối j
« F((Œ)) = {{Œ,k)|Œ,k) € L}): Tập tất cả các kết nối bắt đầu từ nút ï
q; = [|J trước Jj trên tất cả các lộ trình của cặp sở }
«Ổ By xác suất tắc nghẽn dừng (stationary blocking probability) trên kết nối j « ret: số lần truyền lại được phép
2.3.2 Mô hình phân tích
Đầu tiên, ta xem xét tải lưu lượng chùm đến tại mỗi cặp sđ Do ở đây tập
trung vào mô hình lai, giả thiết là với mỗi nút biên vào và quá trình chùm đến,
xác suất tặc nghẽn do bộ đệm gởi chùm P; = 0 (tức là bộ đệm tại nút biên vào
được giả thiết là không giới hạn) Trong thực tế, P, phụ thuộc vào quá trình
chùm đến và kích thước bộ đệm Phần mô tả chi tiết hơn về P, có thể tìm hiểu
trong [3] Với truyền lại chùm, tốc độ đến tại nút nguồn bao gồm: e Tốc độ chùm đến ban dau A,q
eTốc độ đến của chùm truyền lại Lưu ý rằng mỗi chùm được phép truyền lại tối đa là ret lần
Trang 38Do đó, tốc độ đến đối với một cặp sd la: ret ret Mea = Asa) (Pre Boa) = Asa +) Asa (Pre Bsa)® 25) k=0 k=1 và tải đến đối với một lộ trình r ứng với cặp sở (có xét truyền lại): Asa Psa = (2.6)
ở đây B,„ — là xác suất tắc nghẽn (rơi chùm) tại nguồn s ứng với lộ trình r, P„, là xác suất truyễn lại
Tiếp theo, chúng ta sẽ tính tải đến từ nút nguồn của một cặp bao gồm tất
cả các kêt nôi của nó Asa ae Be, FT > ———(1x)“————- ‘ Chim bi tir chai Asa J £ (+) > Chùm đến Res Âu
Hình 2.3 Tốc độ đến trên một kênh với mô hình truyền lại
Từ Hình 2.3, chúng ta có thể tính được tải rút gon (reduced load) trén
Trang 39= 2.9
pj = » p 2.9)
vsd|jesd
Từ công thức trên, ta có thê thấy được xác suất tắc nghẽn của một chùm trên một kết nối tính được theo công thức Erlang — B: B = E(p, €) trong đó € là băng
thông của kết nối Thay thế (2.7), (2.8), (2.9) vào công thức Erlang ta thu được
phương trình điểm cố định Erlang:
Bị = E(ð,, Cj) = E(Xvsatjesa Pj" G) 2:1)
Phương trình trén két hop cdc phuong trinh dai sé phi tuyén tinh (coupled system of non linear algebraic equations), la tradng hop dic biét cia ban dé Erlang (Erlang map), có thê được giải bởi một giải pháp đuy nhất gọi là điểm cố định
Erlang (EFP) [7] Thuật toán lặp xấp xi ở Hình 2.4 có thể được sử dụng để tìm EFP Thuật toán 2.2: Thuật toán lặp xấp xi EFP (EFP approximation algorithm) 1 Init: Dat n = 0, Psa = Psa Vj € [1, , J] gan B? = Random(0, 1] / Bị Xác suất mất chùm trên một kết nối sợi quang lấy ngẫu nhiên từ [0,1] Đặt e là một giá trị vô cùng nhỏ
2 Cập nhật tải trên kết nối (Update link load)
Đjj=(k) = Đsa Ì liePz(s B (theo công thức (2.6))
//Tai lưu lượng của kết nối từ j đến ?t
p= Yyreaq (1 — B?) p" Tier BP (theo công thức (2.7))
3 Cập nhật xác suất tắc nghẽn (Update blocking probability) n=nt+1
B?` = E(p?~, Œ) tính theo công thức (2.10)
Trang 40Gia tri Br thu được ở trạng thái m nao do được gọi là điểm cố định Erlang
(EFP) Lý thuyết điểm cố định [7] đã chứng minh rằng luôn luôn tổn tại một điểm
cố định để |B7 — Br| < e£ ( là một giá trị vô cùng nhỏ), tức là có thể xem BP
tién dén Bet nghĩa là thuật toán EFP như trên luôn có điểm dừng
Xác suất lệch hướng và xác suất truyền lại được tính sử dụng các công thức
(2.3) và (2.4) bằng cach thay thé p(i) = p,q va
par) = 1- | [a-8) 6:1)
vjer
Sau khi có xác suất tắc nghẽn trên mỗi kết nối tại trạng thái cân bằng (ổn
định), xác suất tắc nghẽn tại nút nguồn i cua mot cặp sd (ứng với lộ trình 7) có thể được tính như sau: PB(,r) = PB(pnGr),r)(1- Briciry) (2.12) Q + Bpttix)Pa b,, PB(dạ› (i, r), r) x (1 Q `" Bane aig) J'€Pr(dl(qyGr)) ? q=1 ao) Trong đó:
PB(ir) - Xác suất mất chùm trên lộ trình 7 (tương ứng với cặp sd) bat đầu từ nút í đến nút dich;
pn(,r) - Nút hop tiếp theo của nút í trong đường đi định tuyến ban đầu tương ứng với lộ trình 7 (cặp sđ);
đựạy(?) - Nút hop tiếp theo của nút trong đường đi lệch hướng thứ q tương ứng với lộ trình r; pl(r) -_ Kếtnối ra của nút trong đường di ban đầu tương ứng với lộ trình 7; diy Gr) - Kết nối ra của nút í trong đường đi lệch hướng thứ j tương ứng với lộ trình T;
Q - _ Thứ tự của lệch hướng, xác định số đường đi lệch hướng
tối đa được thiết lập tại mỗi nút