Mô phỏng mạng chuyển mạch quang chùm (optical burst switching)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN CAO NHỰT BÌNH MÔ PHỎNG MẠNG CHUYỂN MẠCH QUANG CHÙM (OPTICAL BURST SWITCHING) Chuyên Ngành: Vật lý vô tuyến điện tử LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ VÔ TUYẾN ĐIỆN TỬ Người hướng dẫn Khoa học TSKH. LÊ QUỐC CƯỜNG TP.HỒ CHÍ MINH, NĂM 2009 GVHD: TS. LÊ QUỐC CƯỜNG HVTH: CAO NHỰT BÌNH LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành chương trình cao học và viết luận văn này, tôi đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ và nhiệt tình góp ý của quý thầy cô Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Thành Phố Hồ Chí Minh. Trước hết, tôi xin gởi lời biết ơn sâu sắc đến Tiến sĩ Lê Quốc Cường đã dành nhiều thời gian, tâm huyết và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này. Tôi xin chân thành cám ơn Phó Giáo Sư – Tiến Sĩ Nguyễn Hữu Phương cùng những thầy cô trong khoa Điện Tử Viễn Thông đã tận tình chỉ bảo tôi trong thời gian học tập tại Trường. Nhân đây tôi xin gởi lời cám ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Thành Phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi học tập và hoàn thành tốt khóa học. Cuối cùng tôi xin gởi lời cám ơn đến gia đình cùng bạn bè đã giúp đỡ tôi về mặt vật chất và tinh thần trong suốt thời gian học tập và hoàn thành luận văn này. Mặc dù tôi đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả nhiệt huyết và năng lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những đóng góp quý báu của quý thầy cô và các bạn. Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 9 năm 2009 Học viên CAO NHỰT BÌNH - i - GVHD: TS. LÊ QUỐC CƯỜNG HVTH: CAO NHỰT BÌNH LỜI MỞ ĐẦU Sự bùng nổ nhanh chóng của mạng Internet và nhu cầu ngày càng tăng đối với thông tin đa phương tiện đòi hỏi một hệ thống mạng dung lượng lớn và hiệu quả để hỗ trợ cho các yêu cầu băng thông đang phát triển. Các mạng quang là một sự lựa chọn hợp lý để đáp ứng các yêu cầu truyền thông trong tương lai với các liên kết sợi quang cung cấp băng thông lớn lên đến 50Tbps. Sự phát triển của công nghệ quang như DWDM, OADM và OXC đã cung cấp nhứng sự truyền dẫn tốc độ cao, dung lượng lớn, để các mạng quang hiện tại phát triển thành mạng quang thế hệ tiếp theo. Sự tăng tốc độ đường truyền và băng thông, các switching node được đòi hỏi phải đáp ứng được những dung lượng đó. Việc xây dựng một chuyển mạch gói chỉ sử dụng công nghệ quang có thể dẫn đến những hệ thống cổ chai. Chuyển mạch toàn quang là chìa khoá của thành công của mạng quang thế hệ tiếp theo bởi vì sự truyền dẫn tốc độ cao dung lượng lớn của nó. Ba công nghệ chuyển mạch quang được biết đến là: chuyển mạch quang kênh, chuyển mạch quang gói và chuyển mạch quang chùm OBS. Chuyển mạch quang kênh hạn chế về băng thông và có độ trễ lớn. Chuyển mạch quang gói đáp ứng được những vấn đề về băng thông và độ trễ nhưng phức tạp và hầu như chỉ được xem xét trong các phòng thí nghiệm. Trong bối cảnh đó chuyển mạch quang chùm OBS được đánh giá cao bởi nó được xem như một công nghệ cân bằng giữa chuyển mạch quang kênh và chuyển mạch quang gói. Thêm vào đó chuyển mạch quang chùm OBS ít phức tạp hơn so với chuyển mạch quang kênh nên khả năng ứng dụng vào thực tế rất cao. Các vấn đề về chất lượng dịch vụ là mối quan tâm hàng đầu của những nhà nghiên cứu trước khi đưa vào ứng dụng trong thực tế. Do đó mục tiêu chính của đề tài là tìm hiểu và mô phỏng những vấn đề QoS trên hệ thống OBS network. Chương trình mô phỏng được thực hiện trên phần mềm ns-2 kết hợp với phần mềm mô phỏng mạng quang OBS4NS chạy trên nền Linux. Phần mềm này được chọn vì nó - ii - GVHD: TS. LÊ QUỐC CƯỜNG HVTH: CAO NHỰT BÌNH có khả năng mô phỏng được những hệ thống mạng lớn, đồng thời cũng hỗ trợ tốt cho việc mô phỏng các mạng quang. Đề tài được trình bày trong 5 chương. Chương 1 giới thiệu tổng quan về những công nghệ chuyển mạch quang. Chương 2 đề cập đến những vấn đề chính của một hệ thống chuyển mạch quang chùm. Chương 3 tập trung vào những vấn đề chất lượng dịch vụ trong hệ thống mạng OBS. Chương 4 là phần mô phỏng các vấn đề QoS trên OBS network. Cuối cùng, chương 5 là phần kết luận và hướng phát triển của đề tài. - iii - GVHD: TS. LÊ QUỐC CƯỜNG HVTH: CAO NHỰT BÌNH MỤC LỤC CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1 1.1 Giới thiệu 1 1.2 Các loại chuyển mạch quang 2 CHƯƠNG 2: CHUYỂN MẠCH QUANG CHÙM OBS (Optical Burst Switching) 8 2.1 Nguyên lý OBS 8 2.2 Kiến trúc chuyển mạch quang chùm 9 2.2.1 Kiến trúc dạng mắc lưới 14 2.2.2 Kiến trúc dạng vòng 15 2.3 Đóng khối (Burst assembly) 16 2.4 Định tuyến và sắp xếp bước sóng 18 2.4.1 Định tuyến 18 2.4.2 Sắp xếp bước sóng 19 2.5 Báo hiệu 20 2.5.1 Tell and Go (TAG) 20 2.5.2 Just-In-Time (JIT) 20 2.5.3 Just-Enough-Time (JET) 22 2.5.4 Tell-And-Wait (TAW) 23 2.6 Lập lịch kênh truyền 26 2.6.1 Giải thuật FFUC 28 2.6.2 Giải thuật LAUC (horizon) 28 2.6.3 Giải thuật FFUC-VF 28 2.6.4 Giải thuật LAUC-VF 29 2.7 Giải quyết xung đột 29 2.7.1 Bộ đệm quang 31 2.7.2 Chuyển đổi bước sóng 31 2.7.3 Định tuyến chuyển hướng 33 2.7.4 Phân đoạn burst 34 2.7.5 Phân đoạn kết hợp chuyển hướng 38 2.8 Công nghệ OBS over MPLS 39 2.8.1 Công nghệ MPLS 39 2.8.2 Công nghệ OBS over MPLS 41 CHƯƠNG 3: CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ 44 3.1 Định nghĩa chất lượng dịch vụ 44 3.2 Các cơ chế QoS 45 3.3 Giá trị của thời gian bù 48 3.4 Tín hiệu ưu tiên 50 3.5 QoS dựa trên thời gian bù 53 3.6 Giải quyết tranh chấp ưu tiên 54 3.7 Hàng đợi ưu tiên 57 - iv - GVHD: TS. LÊ QUỐC CƯỜNG HVTH: CAO NHỰT BÌNH 3.8 QoS dựa trên việc đóng khối burst 58 3.9 Một số trường hợp QoS khác 61 3.9.1 QoS ưu tiên theo xác suất 62 3.9.2 Rớt gói sớm và gom nhóm bước sóng 62 3.9.3 Các cơ chế tích hợp 63 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG 64 4.1 Mục đích của việc mô phỏng 64 4.2 Mô hình mạng và các thông số mô phỏng 64 4.3 Phần mềm mô phỏng mạng ns-2 65 4.3.1 Giới thiệu 65 4.3.2 Kiến trúc của ns-2 66 4.3.3 Các đặc tính của ns-2 72 4.4 Phần mềm mô phỏng mạng quang OBS4NS 73 4.4.1 Giới thiệu 73 4.4.2 Các module trong OBS4NS 73 4.5 Các trường hợp thực hiện mô phỏng 82 4.6 Xây dựng kịch bản mô phỏng 83 4.6.1 Lưu đồ xây dựng kịch bản mô phỏng 83 4.6.2 Các bước thực hiện mô phỏng 84 4.7 Kết quả mô phỏng 89 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 100 5.1 Kết luận 100 5.2 Hướng phát triển 100 PHỤ LỤC A: HƯỚNG DẪN CÀI ĐẶT PHẦN MỀM NS-2 101 PHỤ LỤC B: HƯỚNG DẪN CÀI ĐẶT PHẦN MỀM MÔ PHỎNG OBS4NS 106 PHỤ LỤC C: HƯỚNG DẪN CÀI ĐẶT LƯU LƯỢNG POISSON 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO 113 - v - GVHD: TS. LÊ QUỐC CƯỜNG HVTH: CAO NHỰT BÌNH MỤC LỤC HÌNH Hình 1.1: Chuyển mạch quang kênh OCS 3 Hình 1.2: OCS network với node có O/E/O 4 Hình 1.3: Chuyển mạch quang gói OPS 5 Hình 1.4: Chuyển mạch quang chùm OBS 6 Hình 2.1: Nguyên lý đóng khối/ tách khối tại node biên của mạng OBS 8 Hình 2.2: Sự truyền riêng biệt của các tín hiệu data và tín hiệu điều khiển 9 Hình 2.3: Cấu trúc OBS network 10 Hình 2. 4: Chức năng của OBS 11 Hình 2.5: Cấu trúc node lõi 12 Hình 2.6: Cấu trúc node biên 13 Hình 2.7 .Mô hình mạng OBS dạng mắt lưới 14 Hình 2.8. Mô hình mạng OBS dạng Ring 15 Hình 2.9: Kỹ thuật đóng khối (a) dựa theo mức ngưỡng threshold-based (b) dựa trên bộ định thời timer-based 17 Hình 2.10. Giao thức JIT 21 Hình 2.11. Giao thức JET 23 Hình 2.12: Kỹ thuật báo hiệu TAW 24 Hình 2.13: Sự sắp xếp kênh truyền sau khi sử dụng (a) giải thuật không lấp đầy chỗ trống (FFUC và LAUC) và (b) giải thuật lấp đầy chỗ trống (FFUC-VF và LAUC- VF) 28 Hình 2.14: Bộ đệm quang 31 Hình 2.15: Chuyển đổi bước sóng 32 Hình 2.16: Định tuyến chuyển hướng 33 Hình 2.17: Chi tiết header đoạn 35 Hình 2.18 : Mô tả giải quyết xung đột bằng phân đoạn burst 36 Hình 2.19: Rớt đoạn giữa hai burst xung đột 37 Hình 2.20: Sử dụng trailer 37 - vi - GVHD: TS. LÊ QUỐC CƯỜNG HVTH: CAO NHỰT BÌNH Hình 2.21: Chính sách phân đoạn và chệch hướng cho 2 burst xung đột 38 Hình 2.22: Nguyên tắc hoạt động của MPLS 40 Hình 2.23: Mạng trục truyền dẫn IP over OBS WDM sử dụng MPLS 41 Hình 2.24: Sơ đồ chức năng kết nối quang chéo hỗ trợ OBS và MPLS 43 Hình 3.1: Mô hình các phương pháp QoS trong OBS network 45 Hình 3.2. Giá trị Offset-time trong giao thức JET 49 Hình 3.3: Chức năng của giao thức báo hiệu JIT 52 Hình 3.4: Chức năng của giao thức báo hiệu JET 52 Hình 3.5: (a) Xung đột giữa một burst có độ ưu tiên thấp với một burst có độ ưu tiên cao (b) Xung đột giữa một burst có độ ưu tiên cao với một burst có độ ưu tiên thấp (c) Xung đột giữa hai burst cùng độ ưu tiên với burst xung đột dài hơn (d) Xung đột giữa hai burst có cùng độ ưu tiên với burst xung đột ngắn hơn 56 Hình 3.6: (a) Xung đột giữa burst có độ ưu tiên cao với burst có độ ưu tiên thấp (b) Xung đột giữa hai burst có cùng độ ưu tiên (c) Xung đột giữa burst có độ ưu tiên thấp với burst có độ ưu tiên cao 59 Hình 4.1 Mô hình mạng NSFNET 65 Hình 4.2 Tổng quan về NS dưới góc độ người dùng 66 Hình 4.3 Luồng các sự kiện cho file Tcl chạy trong NS 68 Hình 4.4 Kiến trúc của NS-2 69 Hình 4.5 C++ và OTcl: Sự đối ngẫu 70 Hình 4.6 TclCL hoạt động như liên kết giữa A và B 70 Hình 4.7 Giao diện lớp MAC 74 Hình 4.8 Giao diện lớp MAC 75 Hình 4.9 Thời gian offset 77 Hình 4.10 Node lõi trong OBS4NS 78 Hình 4.11 Node kết hợp 79 Hình 4.12 Lưu đồ mô phỏng 84 Hình 4.13 Kết quả mô phỏng dựa trên các thông số đóng khối 100, 150, 300 và giải quyết xung đột dựa trên tiêu chuẩn DP 90 - vii - GVHD: TS. LÊ QUỐC CƯỜNG HVTH: CAO NHỰT BÌNH Hình 4.14 Kết quả mô phỏng dựa trên các thông số đóng khối 100, 150, 300 và giải quyết xung đột dựa trên tiêu chuẩn SDP 91 Hình 4.15 Kết quả mô phỏng dựa trên các thông số xếp lịch kênh FFUC, LAUC, LAUCVF và giải quyết xung đột dựa trên tiêu chuẩn DP 92 Hình 4.16 Kết quả mô phỏng dựa trên các thông số xếp lịch kênh FFUC, LAUC, LAUCVF và giải quyết xung đột dựa trên tiêu chuẩn SDP 93 Hình 4.17 Kết quả mô phỏng dựa trên các tiêu chuẩn giải quyết xung đột 94 Hình 4.18 Kết quả mô phỏng dựa trên thông số báo hiệu với tiêu chuẩn giải quyết xung đột DP 95 Hình 4.19 Kết quả mô phỏng dựa trên các thông số báo hiệu với tiêu chuẩn giải quyết xung đột SDP 96 Hình 4.20 : Delay trên mạng OBS với hai lớp dịch vụ, lập lịch kênh tryền LAUCVF, giải quyết xung đột DP, ngưỡng 100 97 Hình 4.21: Delay trên mạng OBS với hai lớp dịch vụ, lập lịch kênh tryền LAUCVF, giải quyết xung đột DP, ngưỡng 100 98 Hình 4.22: Delay trên mạng OBS với hai lớp dịch vụ, lập lịch kênh tryền LAUCVF, ngưỡng 100, giao thức báo hiệu JET 99 Hình A.1 Kiến trúc thư mục cài đặt của NS-2 và NAM trong môi trường Linux105 - viii - GVHD: TS. LÊ QUỐC CƯỜNG HVTH: CAO NHỰT BÌNH MỤC LỤC BẢNG Bảng 1.1: Bảng so sánh các loại chuyển mạch quang 7 Bảng 3.1: Các chính sách QoS cho nhiều trường hợp xung đột khác nhau 57 - ix - [...]... m ng toàn quang trong mi n quang M t gói i u khi n BHP ư c truy n trư c burst d li u ư ng i c u hình các chuy n m ch quang trên n ích c a burst Gói i u khi n mang thông tin v chi u dài burst, th i i m burst b t u phát Burst d li u theo sau gói i u khi n không c n ch báo xác nh n r ng tài nguyên ã ư c chi m và các chuy n m ch ã ư c c u hình d c theo ư ng n ích c a nó Gi a gói i u khi n và burst d li... a máy tính òi h i truy n nhi u burst v i th i gian là vài giây ho c ít hơn [2] -2- GVHD: TS LÊ QU C CƯ NG HVTH: CAO NH T BÌNH Tín hi u thi t l pk tn i S i quang ra S i quang vào S i quang ra S i quang vào Demux Mux B k t n i quang chéo OXC Hình 1.1: Chuy n m ch quang kênh OCS kh c ph c nh ng thi u sót c a OCS b chuy n network trong IP và các l p SONET có th switch i n quang ư c ch ra như hình 1.2 ư... trong mi n quang trong su t ư ng quang. [2] M t phương pháp khác v i chuy n m ch quang kênh là chuy n m ch gói quang (OPS) Trong chuy n m ch gói quang, trong khi header gói ang x lý trên mi n quang hay trên mi n i n sau m t b chuy n i quang i n O/E t i m i node trung gian, t i tr ng d li u ph i ch trong dây tr (FDL) và sau ó chuy n ti p n node k ti p cung c p m t phương pháp chuy n m ch quang cho lưu... truy n trong chùm t i nút OBS ích M i chùm có th có kích thư c b t kì gi a giá tr c c Các chùm ư c truy n i b t kì s chuy n i và c c ti u d ng tín hi u quang d c theo Ring mà không ph i qua i quang i n nào nh ng nút trung gian - 15 - GVHD: TS LÊ QU C CƯ NG Theo hư ng t Ring ã ư c HVTH: CAO NH T BÌNH n các m ng truy nh p, nút OBS ng t các chùm quang nh s n t i chính nó, chuy n tín hi u quang thành tín... phát s d ng dành riêng m t chi u Nghĩa là nút ngu n không c n trư c khi nó b t - i thông tin ph n h i t nút ích u truy n chùm dài chùm thay i ư c: kích thư c c a chùm có th thay i ư c theo yêu c u - Không c n b ph i có b m quang: nút trung gian trong m ng quang không yêu c u m quang Các chùm i xuyên qua các nút trung gian mà không có b t kì s tr nào -6- GVHD: TS LÊ QU C CƯ NG HVTH: CAO NH T BÌNH B ng dư... ng so sánh các lo i chuy n m ch quang M c dù chuy n m ch kh i quang có ư c nhi u thu n l i, tuy nhiên khai công ngh chuy n m ch kh i OBS c n ph i xem xét nhi u v n phương pháp báo hi u, gi i quy t xung lư ng d ch v -7- : tri n óng kh i, t, l p l ch kênh truy n và v n ch t GVHD: TS LÊ QU C CƯ NG HVTH: CAO NH T BÌNH CHƯƠNG 2: CHUY N M CH QUANG CHÙM OBS (Optical Burst Switching) 2.1 Nguyên lý OBS Trong... ng th i gian tr l n chùm nh ng node trung gian V i cách này thì không c n RAM quang ho c kho ng th i gian tr các node M c dù như v y tính ch t h t c a các m c burst d n n vi c c n các ghép kênh th ng kê mà không có trong chuy n m ch kênh Hơn th n a nó cho phép các gói i u khi n ít hơn so v i chuy n m ch gói 2.2 Ki n trúc chuy n m ch quang chùm Trong m ng chuy n m ch kh i quang, burst d li u bao g m... chuy n m ch kh i quang (OBS) Trong chuy n m ch kh i quang, các gói d li u ư c k t h p thành các ơn v truy n t i ư c g i là kh i (burst) Các kh i d li u sau ó ư c chuy n m ch toàn quang qua m ng lõi quang OBS có ư c nh ng ưu i m c a c chuy n m ch OCS và OPS, nó ư c xem là bư c chuy n ti p t chuy n m ch OCS sang OPS trong tương lai 2.2 Các lo i chuy n m ch quang M t chuy n m ch kênh quang (OCS) ư c bi... chuy n m ch burst quang k t n i v i các ư ng link quang M i ư ng link quang có kh năng cung c p nhi u kênh bư c sóng khác nhau d a trên công ngh WDM Các node trong OBS network có th là các node lõi ho c các node biên như trên hình 2.3 Các node biên có nhi m v tích h p các packets vào trong các burst và s p x p các burst truy n i qua các kênh truy n Các node lõi có nhi m v là chuy n m ch các burst t các... ích t i B l p l ch t o m t burst d a trên k thu t óng kh i burst và truy n burst thông qua ngõ ra nh trư c T i router biên ngõ ra, m t module gi i óng kh i tách các burst thành các gói và g i các gói cao hơn - 12 - n các l p m ng GVHD: TS LÊ QU C CƯ NG HVTH: CAO NH T BÌNH Hình 2.6: C u trúc node biên [5] 2.2.1 Ki n trúc d ng m c lư i Trong m ng chuy n m ch chùm quang các chùm d li u bao g m t h p nhi . chuyển mạch quang được biết đến là: chuyển mạch quang kênh, chuyển mạch quang gói và chuyển mạch quang chùm OBS. Chuyển mạch quang kênh hạn chế về băng thông và có độ trễ lớn. Chuyển mạch quang. cảnh đó chuyển mạch quang chùm OBS được đánh giá cao bởi nó được xem như một công nghệ cân bằng giữa chuyển mạch quang kênh và chuyển mạch quang gói. Thêm vào đó chuyển mạch quang chùm OBS. Giới thiệu 1 1.2 Các loại chuyển mạch quang 2 CHƯƠNG 2: CHUYỂN MẠCH QUANG CHÙM OBS (Optical Burst Switching) 8 2.1 Nguyên lý OBS 8 2.2 Kiến trúc chuyển mạch quang chùm 9 2.2.1 Kiến trúc dạng