Khảo sát truyền tải qua mạng obs cấu hình mesh

Di cùng với sự phát triển của mạng truyền dẫn quang, một số công nghệ khác nhau đã và được nghiên cứu và phát triển: định tuyến bước sóng chuyên mạch kênh quang OCS, chuyên mạch gói quan

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

BÙI TRUNG HIẾU

KHẢO SÁT TRUYEN TAI QUA MẠNG OBS CÁU HÌNH MESH

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông

Mã số: 60.52.02.08

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIEN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THONG

Phản biện 1:

Phản biện 2:

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học

viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Vào lúc: giờ ngày thang năm 2015

Có thé tìm hiểu luận văn tại:

- Thu viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn Thông

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay, sự phát triển như vũ bão của các dịch vụ viễn thông cũng như nhu cầu truyền tải thông tin là vô cùng lớn đang đòi hỏi cần có những giải pháp về cơ sở

hạ tầng để có thể đáp ứng kịp thời các dịch vụ, nhu cầu đó Mạng truyền dẫn quang được đưa vào khai thác đang dần chứng minh những ưu điểm vượt trội của mình

trước những yêu cầu truyền dẫn tốc độ cao, truyền tải dữ liệu lớn Di cùng với sự

phát triển của mạng truyền dẫn quang, một số công nghệ khác nhau đã và được nghiên cứu và phát triển: định tuyến bước sóng (chuyên mạch kênh quang OCS), chuyên mạch gói quang OPS và chuyên mach burst quang OBS Hiện nay công nghệ chuyên mạch kênh quang OCS đã được đưa vào ứng dụng trong hệ thống thông tin quang, đã bước đầu cho thây những điểm mạnh của chuyển mạch quang so với chuyên mạch điện truyền thống Tuy nhiên thực tế cũng cho thấy, công nghệ chuyên

mạch kênh quang vẫn còn tồn tại những nhược điểm lớn: sử dụng băng thông không

hiệu quả, tính an toàn không cao, khả năng mở rộng mạng kém Trong khi đó công

nghệ chuyển mạch gói quang OPS ra đời cũng đã giải quyết được phan nào hạn của chuyển mạch kênh quang nhưng do những gặp phải hạn chế về công nghệ chế tạo những bộ đệm quang, logic quang nên đến nay chuyên mạch gói quang cũng chưa thể triển khai

Chuyên mạch burst quang OBS là công nghệ trung gian giữa chuyển mạch quang và chuyên mạch gói quang, đáp ứng được nhu cầu vận chuyển một lượng lớn

dữ liệu qua mạng với tốc độ cao và cung cấp nhiều tính năng trong giai đoạn mới

Đây cũng là công nghệ đang được nghiên cứu và phát triền bởi rất nhiều tổ chức va

cá nhân trên toàn thế giới Chính vì thế mà OBS là công nghệ đang tôn tại rất nhiều các ý kiến trái chiều về tính hiệu quả và công nghệ sử dụng Trong luận văn này, tôi nghiên cứu, khảo sát truyền tải qua mạng OBS cấu hình mesh dựa trên nền tảng báo hiệu xoay vòng CSP và thuật toán tìm khoảng rỗi toàn trình được đề xuất bởi PGS.TS Bui Trung Hiếu — Giảng viên Học viện công nghệ bưu chính viễn thông Từ việc nghiên cứu và nắm rõ lý thuyết, tôi xin đưa ra kết quả thực hiện khảo sát thông qua mô phỏng bằng Matlab Nội dung luận văn gồm 3 chương:

Chương 1 : Khái quát về chuyên mach burst quang

Chương 2: Thuật toán định tuyến và tìm khoảng rỗi

Chương 3: Xây dựng chương trình, thực hiện khảo sát băng mô phỏng

Mặc dù đã hết sức có gắng nhưng do phạm vi nghiên cứu dựa trên các thông tin lý thuyết và năng lực còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những sai sót, kính

mong được các thây cô và các bạn nhận xét và góp ý đê ngày càng hoàn thiện hơn.

CHUONG 1 - KHÁI QUAT VE CHUYEN MACH BURST

QUANG

Nội dung của chương trình bày một số khái niệm co bản của chuyển mach burst

quang OBS

1.1 Một số khái niện co bản của chuyển mạch burst quang

1.1.1 Giới thiệu về công nghệ chuyén mach OBS

Xuất phát từ ý tưởng tập trung các gói dữ liệu thành một tô hop dit liệu gọi là

burst được hai nhà khoa học Haselton [4] (thang 9/1983) và Amstutz [5] (thang

11/1983) được đồng thời đề xuất một cách độc lập, là một sự cải thiện đáng kế của

công nghệ chuyên mạch kênh và chuyên mạch gói

Như Haselton mô tả trong [1], công nghệ chuyên mach burst kế thừa được các ưu điểm nồi trội trong cả công nghệ chuyên mạch kênh và chuyển mạch gói dit liệu Trong đó, công nghệ chuyên mach burst sử dụng kỹ thuật báo hiệu cho burst bằng header (hay bản tin báo hiệu) giống như chuyên mạch gói, chỉ khác ở điểm với

chuyên mạch gói thì header của các gói dữ liệu có chiều đài lớn hơn header của

chuyển mach burst Đây có lẽ là sự khác biệt tuy đơn giản nhưng nó đã khiến việc báo hiệu được hiệu quả hơn rất nhiều So với chuyển mạch kênh thì ở chuyên mạch

burst cũng có sự tương đồng về các kênh truyền dữ liệu Chỉ khác là ở chuyên mạch

kênh, nếu có kênh đữ liệu được thiết lập hay nói cách khác giữa hai nút nguồn và

đích có sự trao đối dit liệu thì kênh truyền dẫn đó bận hoàn toàn trong suốt quá trình truyền dit liệu giữa hai nút đó Trong khi ở mạng chuyền mach burst thì các nút trung

gian nằm trong kênh truyền giữa nút nguồn và đích chỉ bận trong khoảng thời gian có burst đữ liệu truyền qua

Trong một thời gian dai, công nghệ chuyên mach burst đã từng bị lãng quên

và được giới thiệu trở lại khi mô hình mạng OBS xuất hiện Trong đó phải ké đến mô hình OBS ma Yoo, Jeong và Qiao đưa ra đầu tiên vào năm 1997 [6-8] Và một ly do

khiên mạng OBS được Xiong, Vandenhoute và Cankaya trong [9] tập trung nghiên

cứu, phát triển là nhu cầu về băng thông rộng trong mạng thế hệ sau (NGN), với sự triển khai của công nghệ ghép kênh phân chia theo bước sóng với mật độ rất cao (DWDM) trong mạng lõi và mạng truyền tải

1.1.2 Thiết lập burst dữ liệu

Đây là một quá trình tổng hợp các dữ liệu đến từ các lớp cao hơn của mạng thành các burst dữ liệu tại nút mạng đầu vào trong một mạng OBS Khi các gói dữ liệu tới (IP, ATM, ) từ lớp cao hơn đến nút mạng đầu vào, chúng được lưu vào

những bộ đệm điện tử tùy theo đích đến của chúng và tùy theo lớp dịch vụ của

chúng Một thiết bị thiết lập burst phải có khả năng sắp xếp được các gói dit liệu đó

vào trong các burst dựa vào các quy tắc (các chính sách khởi tạo burst) thiết lập burst

nhất định

1.1.3 Cấu trúc cơ bản của một mạng OBS

Một mạng OBS cơ bản bao gồm nhiều nút chuyển mạch burst quang, trong đó

phân loại theo chức năng ta có các nút biên (edge node) và các nút lõi (core node),

được liên kết với nhau thông qua các kết nói sợi quang (fiber link)

1.1.4 Nguyên tắc hoạt động cơ bản của mang OBS

Dé biết được nguyên tắc hoạt động co bản trong một mang OBS, ta có thé xét trong một chu trình từ khi các gói dữ liệu (từ mạng truy nhập như mang IP, mang

ATM ) đến một nút OBS biên nguồn, được tập hợp theo các đặc điểm chung (như cùng một đích đến, cùng lớp dịch vu, ) thành các burst quang rồi gửi đến nút OBS đích qua một đường dẫn quang ngắn hạn (short-life light path)

1.2 Một số giao thức trong mạng chuyển mạch burst quang

Trong mạng chuyên mạch burst quang, để truyền burst đi người ta sử dụng giao thức điều khiển và đăng ký tài nguyên tại các nút Sau đây, ta sẽ đề cập đến các

giao thức đặc trưng nhất là Tell And Go (TAG) ,Tell And Wait (TAW) và Just In

Time (JIT), Just Enough Time(JET) [4].

1.2.1 Giao thức diéu khiển TAG - Tell and Go

1.2.2 Giao thức điều khiển Tell and Wait

1.2.3 Giao thức điều khiến JIT ( Just In Time )

1.2.4 Giao thức điều khiển JET (Just Enough Time )

1.4 Kết luận chương 1

Chương 1, cho ta thay được cái nhìn cơ bản về mạng chuyển mach burst quang OBS Trong đó, các khái niệm về chuyên mạch burst quang và cấu trúc mạng

cơ bản của một chuyển mạch burst quang đã phần nào chứng minh được những ưu

điểm vượt trội mà mạng OBS mang lại Tuy nhiên, việc triển khai mạng OBS trong thực tế còn gặp phải vấn đề là tranh chấp và mat burst dữ liệu Việc giải quyết các van

đề này đã có khá nhiều giao thức như TAG, Tell and Wait, JIT, JET được trình bay ở chương nay cũng đã bộc lộ khá nhiều ưu điểm Nhưng có thé thấy các giao thức nay vẫn còn ton tại những mặt tồn tại và hạn chế nhất định Như vậy, muốn giải quyết

được tranh chấp, mất burst đữ liệu cần một phương thức có sự báo hiệu, định tuyến

gán bước song hợp lý và hiệu quả Và để tìm hiểu sâu hơn về báo hiệu, định tuyến ta

sẽ xét ở chương 2.

CHƯƠNG 2 - THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN VÀ TÌM KHOANG

ROI

Chương này giới thiệu về báo hiệu xoay vòng CSP và thuật toán tìm khoảng

rồi toàn trình

Như đã trình bày ở chương 1, việc giải quyết tranh chấp, mat burst chưa ổn thỏa chính là nguyên nhân dẫn đến việc chưa thể triển khai mạng OBS ra ngoài thực

tế Như vậy, việc tìm ra được giải pháp có thể định tuyến, gan bước sóng như thé nào cho burst đữ liệu được truyền tải trong mạng một cách hợp lý hiệu quả là một câu hỏi

khó cho các nhà khoa học Giải pháp về sử dung các giao thức như: TAG, Tell and

Wait, JIT, JET và thậm chí có cả những phiên bản cải tiễn cho các giao thức này nhưng van đề tranh chấp, mat burst cũng chưa thể giải quyết triệt dé

Giao thức báo hiệu xoay vòng CSP (Cycle Signalling Protocol) do PGS TS Bùi Trung Hiếu và các cộng sự dé xuất là một giao thức điều khiển không tranh chap

cho mạng OBS Thuật toán này đã giải quyết được vấn đề tranh chấp bước sóng

truyền tải và mat burst một cách hoàn toàn bằng cách truyền một gói tin điều khiển

burst BCP (Burst Controlling Packet) theo vòng và đăng kỷ trước bước sóng truyền

burst trong mạng.

2.1 Giao thức báo hiệu xoay vòng CSP

2.1.1 Phương pháp truyền bản tin điều khiến BCP

Như ta biết mạng truyền tải OBS có thể được xây dựng theo nhiều cấu hình

khác nhau Trong số đó ta xem xét một mạng truyền tải OBS thỏa mãn điều kiện là

trong mạng tạo được ít nhất một vòng truyền dẫn khép kín đi qua tất cả các nút mạng

và chỉ qua mỗi nút mạng một lần Vòng này được sử dụng để truyền BCP và các

thông tin báo hiệu khác, tạm gọi là vòng báo hiệu SR (Signalling Ring) Trong vòng

báo hiệu, bước sóng mang BCP không nhất thiết phải như nhau và tốt nhất nên chọn kênh bước sóng có chất lượng truyền dẫn tốt nhất nhưng dé đơn giản ta ký hiệu bước sóng mang BCP trên tat cả các chặng thuộc vòng báo hiệu là Ao Và khi triển khai ta

có thé khai thác bước sóng Ay này cho những nghiệp vụ khác Điển hình các mạng có thé thỏa mãn điều kiện trên là các mạng có cấu hình vòng (ring) hoặc mắt lưới

(mesh).

OBS Network

Hình 2.1: Mô hình mạng cấu hình ring sử dung giao thức báo hiệu xoay vòng CSP.

2.1.2 Cấu trúc gói tin điều khiển BCP

Tác giả của giao thức CSP đề xuất một cấu trúc thông tin mới cho BCP, trong đó một BCP mang day đủ thông tin về burst Mỗi nút mạng trước khi truyền

burst đều phải đăng ký sử dụng bước sóng và gửi thông tin đăng ký vào BCP và nút

mạng khi nhận được BCP sẽ phải đọc thông tin đăng ký sử dụng bước sóng của nút

mạng trước nó và căn cứ vào đó dé chọn và đăng ký sử dụng bước sóng phục vụ cho việc truyền các burst của mình Nút mạng sau phải tuân thủ nguyên tắc chỉ chọn vùng tài nguyên rỗi (về không gian và thời gian), không được phép gây ra tranh chấp với những đăng ký đã có trong BCP Một BCP có thể có 03 phần: phần mào đầu (OH), phan thông tin điều khiển truyền burst (BCI) va phần dành cho những thông tin cần thiết khác

2.1.2.1 Phan mào dau BCP

Phan mào đầu BCP có các trường tin:

- Cờ: Báo hiệu bắt đầu một gói tin điều khiển

- Loại bản tin: dé phân biệt gói tin điều khiển truyền burst với các loại thông tin báo

hiệu khác (đồng bộ, cảnh báo, nghiệp vụ )

- Độ đài gói tin điều khiển: Lgcp(B).

Thông tin điều khiển truyền burst BCI

Thông tin điều khiển truyền burst BCI bao gồm các thông tin về burst và

thông tin sử dụng bước sóng.

Thông tin về burst

a Thông tin sử dụng bước song

2.1.2.2 Cau trúc BCP

Cấu trúc của BCP được tác giả như hình 2.3 dưới đây

OH => Co Loai Lạcp

a Đánh dấu Ly, | Be | av Pạ

Ly N, N¿ Tuyển

Thông tin về burst toys tn vee tna

BCL |—> nghe ng => | Đánh dau Lee | Busy | Aw | Poa

Lạy-p N, Ny | Tuyển

tons lm tna

Hình 2.3: Cau trúc BCP [14]

2.1.2.3 Truyền tải qua mạng

Tải truyền trên mạng OBS là các burst, trước khi phát một burst Bk đến đích,

nút mạng phải chọn tuyến, chọn bước sóng rỗi và đăng ký thông tin truyền burst vào

BCP Nếu có nhiều burst cần truyền, nút mạng phải lặp lại các bước này cho đến hết

các burst cần truyền Việc định tuyến cho burst bao gồm 2 bước đồng thời đó là chọn

không gian và thời gian chiếm dụng bước sóng trên bước sóng rỗi Khi đã xác định

được tuyến và bước sóng truyền các burst, nút mạng đăng ký thông tin truyền burst

vào BCP trước khi phát BCP đến nút tiếp theo Những burst không có bước sóng rỗi

hoặc tuyến roi dé truyén, nút sẽ lưu trữ trong bộ đệm burst va định tuyến truyền

chúng ở lận nhận BCP tiếp theo

2.2 Giới thiệu thuật toán tìm khoảng rỗi toàn trình của bước sóng liên tục

trong mạng OBS.

Khi xem xét một hệ thong truyền dẫn quang nói chung, một gói tin gửi di

từ nút nguồn tới nút đích có thé truyén theo nhiều tuyến khác nhau, trên moi

tuyến có thể truyền trên nhiều bước sóng khác nhau Như vậy, để khảo sát một

mang OBS nói chung, ta có cũng can phải giải quyết hai bài toán là định tuyến

và chọn bước sóng truyền tải Dong thời, trên môi bước sóng có thể có nhiễu

khoảng rỗi khác nhau thỏa mãn điêu kiện truyền burst dữ liệu.

2.2.1 Các tham số đầu vào của thuật toán

2.2.2 Thuật toán và lưu do thực hiện

2.3 Kết luận chương 2

Trong chương này tập trung trình bày thuật toán định tuyến và gán bước sóng được đề xuất trong mạng chuyên mạch burst quang gồm 2 nội dung giao thức báo hiệu xoay vòng CSP và giới thiệu thuật toán tìm khoảng rỗi Đây chính là cơ sở chính để

khảo sát truyền tải burst trong mạng OBS cấu hình mesh sẽ được trình bày chỉ tiết ở

chương 3 Qua đó, cho chúng ta thấy được ưu thế của báo hiệu xoay vòng trong giải quyết tranh chấp burst và khả năng sự tận dụng trong việc sử dụng hiệu quả tài nguyên

bước sóng của thuật toán tìm khoảng rỗi.

CHƯƠNG 3 - XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH, KHẢO SÁT

TRUYEN TAI BANG MO PHONG.

Chương này sẽ trình bày về xây dựng chương trình mô phỏng và khảo sát

truyền tải bằng mô phỏng

Như đã trình bày ở trên, mạng truyền tải burst quang OBS là một trong những

ứng cử viên sáng giá cho thé hệ mạng toàn quang trong tương lai Với những wu điểm

trên mặt lý thuyết đã được công nhận, tuy nhiên để triển khai mạng OBS vào thực tế

thi đòi hỏi chúng ta can rất nhiều thời gian, công sức hơn nữa Trong chương 3 này, ta

sẽ tìm hiểu và có cái nhìn trực quan về một mạng truyền tai OBS được cấu hình mắt

lưới mesh, hoạt động với báo hiệu xoay vòng và kết hợp thuật toán tìm khoảng rỗi

toàn trình của bước sóng liên tục.

3.1 Mô hình mạng mô phỏng

3.1.1 Giới thiệu cầu hình mạng được khảo sát

Mô hình mạng chuyền mạch Burst quang cấu hình Mesh được xét phải thỏa

mãn điều kiện: Thiết lập được một vòng kín nối tat cả các nút trong mạng Thông tin điều khiển, báo hiệu sẽ được truyền trên vòng này Trong khuôn khổ của luận văn

này, chúng ta cùng khảo sat một mang mesh như hình vẽ 3.1 sau:

3.1.2 Các tham số của mạng

Trong hình 3.1, ta thấy mạng cấu hình mắt lưới mesh được lựa chọn bao gồm

05 nút Trong đó các nút biên là N¡, Ñ;,N;, Ng và nút lõi Ns được liên kết với nhau

bởi các đường truyền dẫn quang song hướng có thé có chiều dai bằng nhau hoặc khác

nhau Trên mỗi liên kết có w+1 bước sóng, trong đó bước sóng Ag được sử dụng chỉ dé truyền gói tin điều khiển truyền burst và gói tin báo hiệu đăng ký thời gian sử dụng

bước sóng, các bước sóng Ay, Ao, , Ay được dùng để truyền burst Vòng báo hiệu có

hướng được minh họa bởi các mũi tên đứt quãng như trên hình 3.1

Tại các nút biên, các burst được sinh ra với các tham số: số lượng, kích thước, đích đến là ngẫu nhiên Tuy nhiên, một vấn đề gặp phải đó là vấn đề phân bố của

burst, các burst sẽ được sinh ra theo phân bố như thế nào? Đề thuận lợi cho quá trình

khảo sát ta lựa chọn phân bố Gauss hay còn gọi là phân phối chuẩn, là một phân phối xác suất cực kì quan trọng trong nhiều lĩnh vực Nó là họ phân phối có dạng tổng quát giống nhau, chỉ khác tham số vi trí (giá trị trung bình u) và tỉ lệ (phương sai 0°)

1.0

H=O, Ơ?=OQ.2,——

H=O, Ơ?=1.0,——

0.8 U=O, Ơ2=50Q,———

H=-2, 02=0.5,—

0.0

Hình 3.2: Hàm mật độ xác suất phân bố chuẩn Gauss [15]

Hình 3.2 là đồ thị của 1 hàm mật độ phân bố chuẩn Gauss :

(x-p)?

)

2e2

(3.1)