Nghiên cứu, đánh giá hiệu năng hệ thống chuyển mạch chùm quang biên

CÁC THUẬT NGỮ VÀ CHỮ VIẾT TẮT Các chữ viết tắt ATM Asynchronous Tranfer Mode Chế độ truyền không đồng bộ BHP Busrt Header Packet Gói tiêu đề chùm CCG Control Channel Group Nhóm kênh đi

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN VĂN TÙNG

NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG

HỆ THỐNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG BIÊN

Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

Mã số: 60.52.70

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Vũ Duy Lợi

Hà Nội – 2010

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc tới Phó Giáo sư, Tiến sỹ Vũ Duy Lợi - người thầy đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn và cung cấp những thông tin quý báu giúp đỡ tôi hoàn thành bản luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn Khoa Điện tử - Viễn thông thuộc Đại học Công nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội đã tạo nhiều điều kiện để tôi có thể hoàn thành bản luận văn này

Sau cùng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến người thân cùng bạn bè đồng nghiệp, những người luôn cổ vũ động viên tôi hoàn thiện bản luận văn này

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài luận văn của tôi không trùng lặp với các đề tài luận văn nào của khóa trước Nội dung luận văn không sao chép của bất kỳ luận văn nào khác

Nếu có gì gian lận tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm

Hà Nội, ngày 05 tháng 10 năm 2010

HỌC VIÊN

Nguyễn Văn Tùng

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 3

LỜI CAM ĐOAN 4

MỤC LỤC 5

MỤC LỤC HÌNH VẼ 7

CÁC THUẬT NGỮ VÀ CHỮ VIẾT TẮT 9

LỜI MỞ ĐẦU 11

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUYỂN MẠCH QUANG 14

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG 19

2.1 Mạng chuyển mạch chùm quang 20

2.1.1 Kiến trúc chung và sơ đồ chức năng 20

2.1.2 Mạng dạng mắt lưới 22

2.1.3 Mạng dạng vòng nút 23

2.2 Các hệ chuyển mạch 25

2.2.1 Hệ chuyển mạch chùm quang biên 25

2.2.2 Hệ chuyển mạch chùm quang lõi 27

2.3 Giải quyết xung đột trong mạng OBS 28

2.3.1 Bộ đệm quang FDL 29

2.3.2 Bộ chuyển đổi bước sóng 30

2.3.3 Định tuyến chuyển hướng 31

2.3.4 Phân đoạn burst 31

2.4 Kết luận 33

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP LUẬN ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG 35

3.1 Cơ sở toán học 36

3.1.1 Tiến trình điểm 36

3.1.2 Tiến trình poisson 38

3.1.3 Tiến trình Markov 40

3.1.4 Tiến trình Sinh/Tử 41

3.2 Lý thuyết hàng đợi 42

3.2.1 Hàng đợi M/M/1 44

3.2.2 Hàng đợi M/M/1/K 45

3.2.3 Hàng đợi M/M/C 46

3.3 Mạng hàng đợi 47

3.3.1 Mạng hàng đợi mở và mạng hàng đợi đóng 47

3.3.2 Mạng hàng đợi dạng tích 48

3.3.3 Hàng đợi tốc độ phục vụ phụ thuộc tải 48

3.4 Kết luận 48

CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG BIÊN 51

4.1 Hệ chuyển mạch chùm quang biên 53

4.1.1 Kiến trúc hệ chuyển mạch chùm quang biên 53

4.1.2 Nguyên tắc thiết lập burst 57

4.1.3 Thời gian offset 61

4.2 Xây dựng mô hình 62

4.2.1 Mô tả quá trình kết nối dựa trên báo hiệu JIT 62

4.2.2 Tiến trình đến của chùm 65

4.2.3 Mô hình hệ thống chuyển mạch chùm quang biên 69

4.3 Phân tích mô hình 70

4.3.1 Hàng đợi có tốc độ phục vụ không phụ thuộc tải 70

4.3.2 Hàng đợi có tốc độ phục vụ phụ thuộc tải 72

4.3.3 Phương pháp phân tách 73

4.3.4 Phân tích mô hình mạng hàng đợi cho nút biên OBS 74

4.4 Tính toán minh hoạ và đánh giá 77

4.4.1 Tính mạng với hàng đợi có tốc độ phục vụ không phụ thuộc tải 77

4.4.2 Tính kết quả mạng hàng đợi của nút biên OBS 80

4.5 Kết luận 85

KẾT LUẬN CHUNG 87

TÀI LIỆU THAM KHẢO 89

MỤC LỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Minh hoạ về hệ thống chuyển mạch quang 15

Hình 2.1 Kiến trúc mạng OBS 20

Hình 2.2 Sơ đồ chức năng OBS 21

Hình 2.3 Mô hình mạng OBS dạng mắt lưới 22

Hình 2.4 Mô hình mạng OBS dạng vòng RING 23

Hình 2.5 Kiến trúc node chuyển mạch quang 24

Hình 2.6 Cấu trúc của node biên lối vào 25

Hình 2.7 Cấu tạo của node lõi trong mạng OBS 27

Hình 2.8 Giải quyết xung đột bằng phương pháp sử dụng đường dây trễ FDL 29

Hình 2.9 Giải quyết xung đột bằng phương pháp chuyển đổi bước sóng 31

Hình 2.10 Giải quyết xung đột bằng phương pháp phân đoạn burst 32

Hình 3.1 Khoảng thời gian sử dụng để định nghĩa tiến trình 39

Hình 3.2 Chuỗi Markov của một quá trình sinh-tử 41

Hình 3.3 Chuỗi Markov của hàng đợi M/M/1 44

Hình 3.4 Hàng đợi M/M/1/K 45

Hình 3.5 Hàng đợi M/M/C 46

Hình 3.6 Mạng hàng đợi mở (a), đóng (b) 47

Hình 4.1 Sơ đồ chức năng OBS 53

Hình 4.2 Kiến trúc nút biên OBS 54

Hình 4.3 Kết hợp và tách rời burst trong mạng OBS 54

Hình 4.4 Cấu trúc của node biên lối vào 55

Hình 4.5 Cấu trúc của node biên đầu ra 56

Hình 4.6 Các phương pháp thiết lập burst theo chiều dài burst và theo thời gian 59

Hình 4.7 Người sử dụng được kết nối tới nút biên của mạng OBS 63

Hình 4.8 Bản tin báo hiệu trong JumpStart 65

Hình 4.9 Tiến trình đến của chùm 66

Hình 4.10 Liên quan giữa các biến ngẫu nhiên A, B và I 66

Hình 4.11 Coxy hai trạng thái 67

Hình 4.12 Mô hình của hệ thống biên OBS 69

Hình 4.13 Mạng với các hàng đợi có tốc độ phục vụ không phụ thuộc tải 71

Hình 4.14 Mạng ban đầu (a) 73

Hình 4.15 Nối ngắn trạm (b) 74

Hình 4.16 Mạng tương đương (c) 74

Hình 4.17 Thông lượng khi số khách hàng trong hệ thống N = 40 77

Hình 4.18 Thời gian đáp ứng của hệ thống khi N=40 78

Hình 4.19 Mức sử dụng của hệ thống khi N=40 79

Hình 4.20 Thông lượng của lối ra hệ thống và một cổng ra khi P = 8 79

Hình 4.21 Kết quả tính thông lượng khi N thay đổi 81

Hình 4.22 Thông lượng của một cổng so với cả hệ thống 82

Hình 4.23 Tính thông lượng khi số lượng chùm ngắn tăng 83

Hình 4.24 Thông lượng một cổng so với hệ thống khi ps thay đổi 83

Hình 4.25 Mức sử dụng trung bình 84

Hình 4.26 Thời gian chờ trung bình 85

CÁC THUẬT NGỮ VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Các chữ viết tắt

ATM Asynchronous Tranfer Mode Chế độ truyền không đồng bộ BHP Busrt Header Packet Gói tiêu đề chùm

CCG Control Channel Group Nhóm kênh điều khiển

CQ Custom Queuing Xếp hàng tuỳ biến

DCG Data Channel Group Nhóm kênh dữ liệu

FDL Fiber Delay Line Đường trễ quang

FIFO Queuing First In, First Out Queuing Xếp hàng vào trước ra trước

IP Internet Protocol Giao thức liên mạng

JET Just-Enougt-Time Giao thức báo hiệu JET

JIT Just-In-Time Giao thức báo hiệu JIT

LAN Local Area Network Mạng nội bộ

OBS Optical Burst Switching Chuyển mạch chùm quang

O/E/O Optical-Electric Converter,

Electric-Optical Converter

Bộ chuyển đổi quang-điện,

Bộ chuyển đổi điện-quang OPS Optical Paket Switching Chuyển mạch gói quang

OXC Optical Cross Connect Bộ kết nối chéo quang

PQ Priority Queuing Xếp hàng theo mức ưu tiên SCU Switch Control Unit đơn vị điều khiển chuyển mạch SJF Shortest Job First Việc đầu tiên ngắn nhất

SJN Shortest Job Next Việc tiếp theo ngắn nhất

SPF Shortest Processing Time First Thời gian xử lý đầu tiên ngắn nhất WAN Wide Area Network Mạng diện rộng

WFQ Weighted Fair Queuing Xếp hàng theo công bằng trọng số

Optical Quang, quang học

LỜI MỞ ĐẦU

Hệ thống chuyển mạch quang là hệ thống chuyển mạch cho phép các tín hiệu bên trong các sợi cáp quang hay các mạch quang tích hợp được chuyển mạch có lựa chọn từ một mạch này tới một mạch khác Chuyển mạch chùm quang OBS (Optical Burst Switching) cho phép chuyển mạch toàn bộ các kênh

dữ liệu trong miền quang dưới dạng các chùm (burst) Người sử dụng kết nối vào mạng tại nút biên (Edge Node) Dữ liệu của người sử dụng (IP) được thu thập, lưu giữ và tổ chức thành các chùm dữ liệu chuyển tiếp vào mạng lõi chuyển mạch chùm quang

Nghiên cứu, xây dựng mô hình và đánh giá hiệu năng của hệ thống chuyển mạch chùm quang biên góp phần làm rõ cơ chế và hiệu năng hoạt động của hệ thống chuyển mạch chùm quang biên nói riêng và mạng chuyển mạch chùm quang nói chung; trên cơ sở đó, xây dựng phương pháp thiết kế, và đánh giá cũng như lựa chọn và đánh giá các sản phẩm chuyển mạch chùm quang trong thực tế

Đề tài này trình bày phương pháp luận của việc đánh giá hiệu năng, nghiên cứu tổng quan và nguyên tắc hoạt động của mạng chuyển mạch chùm quang (OBS); từ đó xây dựng mô hình cho nút biên và thực hiện việc đánh giá hiệu năng hoạt động của nút biên

Hệ thống chuyển mạch biên của mạng chuyển mạch chùm quang được mô hình bằng mạng hàng đợi đóng, phức hợp Mỗi cổng của thiết bị định tuyến là một trạm (hàng đợi) trong mạng Mạng hàng đợi này có tiến trình chùm đến theo phân

bố coxy 2 giai đoạn, và thành phần của mạng bao gồm cả các hàng đợi có dạng tích và hàng đợi non-BCMP Việc phân tích và tính toán các độ đo hiệu năng của mạng này dựa trên thuật toán của Raymon A.Marie [11] Marie đưa ra mạng hàng đợi gồm các hàng đợi không theo dạng BCMP Để tính toán, Marie đã thay thế chúng bằng các trạm tương đương mà tốc độ phục vụ là phụ thuộc tải Đây là một phương pháp tính gần đúng Độ tin cậy của phương pháp đạt được dựa trên số vòng lặp để đưa kết quả tính hội tụ dần tới giá trị chính xác

Marie đưa ra mạng hàng đợi mở với thành phần là các hàng đợi non-BCMP Điểm khác biệt ở bản luận văn này là nút chuyển mạch biên được mô hình theo mạng hàng đợi đóng, có cả thành phần là hàng đợi BCMP và non-BCMP Một điểm mới so với phương pháp tính của Marie đó là luận văn này đưa vào thành phần Retry và Delay Server

Mô hình nút biên của mạng chuyển mạch chùm quang cũng được đưa ra trong bài báo của Lisong Xu, Harry G Perros and George N Rouskas [19] Trong phần trình bày về mạng hàng đợi đơn lớp trong [19], các tác giả cũng mô hình nút biên bằng mạng hàng đợi đóng với các nút non-BCMP, tuy nhiên lối vào chỉ là thành phần Infinite Mô hình trình bày trong luận văn này thể hiện lối vào là một trạm với tốc độ phục vụ phụ thuộc tải Một điểm mới so với mô hình trong [19] đó

là luận văn này xem xét đến thành phần phát lại chùm (Retry) Theo chúng tôi, sau khi chùm được chuyển từ hệ chuyển mạch biên đang xét ra ngoài qua cổng lối ra, lỗi có thể xuất hiện và việc phát lại chùm là cần thiết Thành phần Retry thể hiện việc phát lại chùm khi xuất hiện lỗi như vậy

Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu [11], [19], đề tài này đã nghiên cứu và đề xuất hiệu chỉnh một số thành phần lối vào của nút biên, được cho là sát với thực tế

và đưa thêm vào thành phần phát lại khi việc phát gặp lỗi Luận văn đã xây dựng

mô hình hệ chuyển mạch biên với các hiệu chỉnh, bổ sung trên đây; phân tích đánh giá hiệu năng hoạt động trên cơ sở mô hình hàng đợi được xây dựng; tính toán minh hoạ một số độ đo hiệu năng quan trọng như thông lượng chùm dữ liệu được chuyển mạch biên, mức độ sử dụng hệ chuyển mạch biên,

Qua phân tích và kết quả tính toán, có thể thấy thông lượng của hệ thống chuyển mạch biên (và của một cổng lối ra của nó) là tăng khi số tiến trình chùm đến (N) tăng Thông lượng của hệ thống là tổng thông lượng các cổng lối ra Khi

xác suất chùm là chùm ngắn p s tăng thì thông lượng của hệ thống (hoặc thông lượng một cổng) cũng tăng, trong khi đó mức sử dụng trung bình và thời gian

chờ trung bình của hệ thống đều giảm Xác suất p s tăng có nghĩa là trong một tiến trình chùm đến, số chùm ngắn tăng so với số chùm dài Khi số tiến trình chùm đến (N) không đổi, trong số chùm ngắn trong đó nhiều thì số lượng chùm được chuyển qua hệ thống (hoặc qua một cổng lối ra) trên một đơn vị thời gian

sẽ tăng Điều này sẽ dẫn đến thời gian chờ để được xử lý cho các tiến trình chùm đến giảm, tuy nhiên, hiệu quả sử dụng hệ thống cũng bị giảm

Ngoài phần Mở đầu và Kết luận, nội dung của luận văn gồm 4 chương: Chương 1 Giới thiệu chuyển mạch quang

Chương 2 Tổng quan về chuyển mạch chùm quang

Chương 3 Phương pháp luận đánh giá hiệu năng

Chương 4 Xây dựng mô hình và đánh giá hiệu năng hệ chuyển mạch chùm quang biên

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUYỂN MẠCH QUANG

Chương này giới thiệu các vấn đề chung nhất về chuyển mạch quang Các

hệ chuyển mạch được trình bày gồm:

Chuyển mạch kênh quang

Chuyển mạch gói quang

Chuyển mạch chùm quang

Sau đây chúng ta sẽ đi vào các nội dung cụ thể

Chuyển mạch quang là hệ thống chuyển mạch cho phép các tín hiệu bên trong các sợi quang hay các mạch quang tích hợp được chuyển mạch có lựa chọn từ một mạch này tới một mạch khác

Hình 1.1 Minh hoạ về hệ thống chuyển mạch quang

Tuỳ thuộc vào kỹ thuật chuyển mạch mà có các thông tin được trao đổi dưới dạng thời gian thực

Chương này giới thiệu 3 loại chuyển mạch quang đó là: chuyển mạch kênh quang (Optical Circuit Switching), chuyển mạch chùm quang (Optical Burst Switching) và chuyển mạch gói quang (Optical Packet Switching)

Chuyển mạch kênh quang (Optical Circuit Switching)

Chuyển mạch kênh quang được sử dụng trong các mạng quang định tuyến bước sóng, trong đó tất cả đường kết nối bước sóng quang (đường kết nối quang) được thiết lập giữa các cặp nút mạng Việc thiết lập đường kết nối như vậy bao cần bao gồm các nhiệm vụ là: xác định tài nguyên và cấu hình mạng, định tuyến, chuyển hướng bước sóng, báo hiệu và chuẩn bị tài nguyên

Mặc dù các mạng quang định tuyến bước sóng đã được triển khai nhưng có

lẽ nó không phải kỹ thuật thích hợp nhất cho Internet quang Thí dụ, để thiết lập một đường dẫn ánh sáng sẽ chỉ cần một thời gian rất nhỏ của trễ toàn trình Điều này dẫn đến việc sử dụng bước sóng không hiệu quả nếu như thời gian chiếm giữ kết nối rất ngắn Bản chất “bùng nổ” của lưu lượng dữ liệu cũng là nguyên nhân dẫn đến việc sử dụng bước sóng không hiệu quả Do vậy, nhằm sử dụng

hoàn toàn bước sóng, cơ chế grooming của lưu lượng phức tạp là cần thiết để hỗ trợ việc ghép kênh thống kê dữ liệu từ các khách hàng khác nhau

Với định tuyến bước sóng, các đường dẫn ánh sáng được thiết lập giữa nguồn (các nút vào) và đích (các nút ra) thông qua các nút được trang bị các kết nối chéo WDM quang (hay các router bước sóng) Tại từng router bước sóng, bước sóng ra (ở cổng ra) tại đó tín hiệu vào được định tuyến tới vào thời điểm đã xác định trước sẽ được xác định duy nhất dựa trên bước sóng vào được định tuyến tới vào thời điểm đã xác định trước sẽ được xác định duy nhất dựa trên bước sóng vào (và cổng vào) mang tín hiệu này Do đó định tuyến bước sóng là một dạng chuyển mạch kênh Trong báo hiệu phân tán, phương thức đặt trước hai chiều là cần thiết để thiết lập các đường dẫn ánh sáng nhờ đó nút nguồn gửi

đi gói điều khiển để đặt trước, sau đó chờ xác nhận trước khi phát đi dữ liệu Một trong các thuận lợi của định tuyến bước sóng là không cần có đệm quang (hay chuyển đổi O/E/O của dữ liệu) tại các nút trung gian Hơn nữa, đó là một lựa chọn đầy hứa hẹn vì các hệ thống chuyển mạch quang dựa trên các công nghệ cơ-quang, âm-quang hay nhiệt-quang quá chậm để chuyển mạch gói một cách hiệu quả Tuy nhiên, một trong các hạn chế của định tuyến bước sóng là đường dẫn phải thiết lập toàn bộ bước sóng trên từng kênh dọc theo đường dẫn, dẫn đến hiệu quả sử dụng băng tần thấp khi mang các dòng lưu lượng có tính

“bùng nổ” (ví dụ các gói IP) vì lưu lượng từ các gói vào khác nhau không thể chia sẻ theo thông kê băng tần của đường dẫn ánh sáng Hơn nữa, do không có

đủ bước sóng trong cáp quang để cho phép kết nối dạng lưới một cách hoàn toàn nên phân bố tải trong mạng có thể không đồng đều dẫn đến mật độ lưu lượng trên các đường dẫn ánh sáng thay đổi theo thời gian Chú ý là ở trên chỉ giả thiết rằng các nút quang chỉ hỗ trợ chức năng kết nối chéo và không có khả năng chuyển mạch/định tuyến nhanh Do việc thiết lập và huỷ bỏ đường dẫn ánh sáng mất tối thiểu vài chục ms, tương ứng với (hoặc thậm chí vượt quá) thời gian truyền vài Megabyte dữ liệu ở tốc độ truyền dẫn cao (ví dụ 2.5 Gb/s hay OC-48) nên việc thiết lập và giải phóng linh hoạt các đường dẫn ánh sáng theo các giai đoạn của chùm không phải là một mô hình hiệu quả

Chuyển mạch gói quang (Optical Packet Switching)

Trong chuyển mạch gói quang, các gói được chuyển mạch và định tuyến độc lập thông qua mạng hoàn toàn trong miền quang mà không cần các bộ

Mạng quang cung cấp các tuyến quang, các mạng này về bản chất là các mạng chuyển mạch Với một kết nối ảo, mạng cung cấp một kết nối chuyển mạch giữa hai nút Tuy nhiên băng thông được cấp cho kết nối có thể nhỏ hơn toàn bộ băng thông có sẵn trên một tuyến liên kết Ví dụ những kết nối riêng lẻ trong một mạng tốc độ cao trong tương lai có thể hoạt động ở 10Gbps, trong khi tốc độ bit truyền dẫn trên một bước sóng có thể là 100Gbps Vì vậy mạng phải hợp nhất một số dạng ghép kênh phân chia thời gian để kết hợp nhiều kết nối thành một tốc độ bit Ở những tốc độ này có thể thực hiện ghép kênh trong miền quang dễ dàng hơn trong miền điện

Một nút chuyển mạch gói quang có dung lượng cao hơn nhiều so với chuyển mạch gói điện Một nút nhận luồng dữ liệu vào, đọc tiêu đề (header) và chuyển mạch đến lối ra thích hợp Nút cũng có thể áp đặt một tiêu đề mới trên gói Nó cũng phải xử lí tranh chấp cho các cổng ra Nếu hai gói đi vào trên các cổng khác nhau muốn đi ra trên cùng một cổng, một trong hai phải được đệm hoặc gửi ra trên một cổng khác

Một cách lí tưởng, tất cả các chức năng bên trong nút đều được thực hiện trong miền quang, nhưng thực tế một số chức năng nào đó như là xử lí tiêu đề và điều khiển chuyển mạch phải thực hiện bằng điện Điều này do khả năng xử lí bị giới hạn trong miền quang Bản thân tiêu đề có thể được gửi ở một tốc độ bít thấp hơn so với dữ liệu cho nên nó có thể xử lí điện

Nhiệm vụ của chuyển mạch gói quang là cho phép khả năng chuyển mạch gói ở các tốc độ mà không thể đạt được ở chuyển mạch gói điện Tuy nhiên các nhà thiết kế bị cản trở nhiều về mặt xử lí tín hiệu trong miền quang Một yếu tố quan trọng là thiếu các bộ truy xuất ngẫu nhiên quang để đệm Thay vì đó các bộ đệm quang được thực hiện bằng cách sử dụng một chiều dài sợi quang và những đường dây trễ thời gian mà không phải là các bộ nhớ Vì vậy làm trễ gói trong thời gian dài và vấn đề nữa là trễ trong cấu trúc chuyển mạch mỗi gói lối vào

Chuyển mạch chùm quang (OBS - Optical Burst Switching)

Chuyển mạch chùm quang là công nghệ lai giữa chuyển mạch kênh quang với chuyển mạch gói quang Dữ liệu vẫn giữ trong miền quang trong khi các tín hiệu điều khiển được thực hiện trong miền điện Gói điều khiển và chùm dữ liệu tương ứng được tạo ra tại nguồn cùng một lúc và được tách biệt bằng khoảng thời gian xác định gọi là thời gian offset

Chuyển mạch chùm quang là chuyển mạch truyền đi chùm lưu lượng Các công nghệ chuyển mạch chùm quang khác nhau dựa trên việc làm thế nào và khi nào các nguồn tài nguyên mạng như độ rộng băng thông bị chiếm dụng và được giải phóng OBS dựa trên chuẩn ITU-T cho chuyển mạch chùm cho các mạng có chế độ truyền bất đồng bộ (ATM), như truyền khối ATM (ABT) Có hai phiên bản ABT: ABT với trễ truyền và ABT truyền tức thời Trong phiên bản đầu tiên, khi một nút nguồn muốn truyền một chùm, nó gởi một gói tới các chuyển mạch ATM trên đường kết nối thông tin để báo cho chúng biết nó muốn truyền một chùm Nếu tất cả các chuyển mạch trên đường truyền sẵn sàng, yêu cầu được chấp nhận và nút nguồn được phép truyền Ngược lại yêu cầu bị từ chối và nút nguồn phải gửi yêu cầu khác sau đó Trong ABT với chế độ truyền tức thời, nguồn gửi gói tin yêu cầu và sau đó truyền ngay mà không nhận thông tin xác nhận Nếu một chuyển mạch dọc theo đường truyền không thể chuyển chùm do tắc nghẽn, chùm sẽ bị loại bỏ Hai công nghệ đó đã được lựa chọn cho các mạng quang

Chuyển mạch chùm quang cho phép chuyển mạch toàn bộ các kênh dữ liệu trong miền quang Trong chuyển mạch chùm quang thì gói điều khiển đi trước chùm dữ liệu Gói điều khiển và chùm dữ liệu tương ứng được tạo ra tại nguồn cùng một lúc và được tách biệt bằng offset Gói điều khiển chứa thông tin cần thiết để định tuyến chùm dữ liệu qua lõi mạng truyền dẫn quang, và nó được gởi trên kênh điều khiển Gói điều khiển được xử lí điện tại từng nút trung gian (các kết nối chéo quang) để đưa ra quyết định định tuyến (giao diện và bước sóng ra) Tiếp đó các kết nối chéo quang được lấy cấu hình để chuyển mạch chùm dữ liệu mong muốn sẽ đến đích sau khoảng thời gian đưa ra ở trường offset trong gói điều khiển Chùm dữ liệu sau đó được chuyển hoàn toàn trong miền quang, do vậy “nút cổ chai” điện trong đường dẫn dữ liệu đầu cuối-đầu cuối sẽ được hủy

bỏ Điều này dẫn đến việc cấp phát bước sóng phụ, tức là tại giao diện ra bước sóng chỉ được cấp phát chỉ trong khoảng thời gian có chùm dữ liệu

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG

Chương này trình bày các vấn đề tổng quan về mạng chuyển mạch chùm quang, như kiến trúc, chức năng và các thành phần của mạng

Nội dung của chương gồm:

- Mạng chuyển mạch chùm quang: giới thiệu kiến trúc và sơ đồ chức năng của mạng chuyển mạch chùm quang

- Các hệ chuyển mạch: mô tả hai hệ chuyển mạch là thành phần chính trong mạng chuyển mạch chùm quang, đó là hệ chuyển mạch biên và hệ chuyển mạch lõi

2.1 Mạng chuyển mạch chùm quang

Công nghệ chuyển mạch chùm quang là công nghệ lai giữa chuyển mạch kênh quang với chuyển mạch gói quang Mạng chuyển mạch gói quang với tiêu chí là cả thông tin điều khiển và dữ liệu đều được thực hiện trong miền quang

Để thực hiện điều đó đòi hỏi công nghệ phức tạp và ở giai đoạn hiện nay, kết quả thực hiện chưa được như mong muốn Công nghệ chuyển mạch chùm quang

ra đời với điểm khác biệt lớn so với chuyển mạch gói quang là dữ liệu vẫn thực hiện trong miền quang dưới dạng các chùm trong khi các tín hiệu điều khiển được thực hiện trong miền điện

2.1.1 Kiến trúc chung và sơ đồ chức năng

Hình 2.1 Kiến trúc mạng OBS

Hình trên mô tả kiến trúc của mạng chuyển mạch chùm quang (OBS) Các thành phần chính của mạng gồm nút biên lối vào (Ingress Node, Edge Node), nút biên lối ra (Egress Node, Edge Node) và nút lõi (Core Node) Lưu lượng lối vào được qua các nút biên vào mạng OBS Lưu lượng được định tuyến trong mạng qua các nút lõi rồi tới nút biên lối ra và tới đích

Cấu trúc phần cứng là một phần quan trọng trong OBS, nó làm cho OBS

có các chức năng riêng cũng như có những ưu điểm hơn so với các chuyển mạch khác Chương này giới thiệu về cấu trúc của chuyển mạch OBS gồm các nội dung chính như giới thiệu mạng OBS ở dạng mắt lưới hay dạng vòng nút, cấu trúc của nút biên, nút lõi Trong mạng OBS, các gói IP khác nhau đến từ phía

người sử dụng được tập hợp thành các chùm (burst) ở nút biên đầu vào sau đó được truyền đi Các gói IP đã được kết hợp đó được chuyển đi trong mạng quang dưới dạng các chùm và được tách ngược trở lại ở nút biên đầu ra Chức năng tạo chùm bởi sự kết hợp và giải kết hợp được thực hiện khác nhau như có thể sử dụng một ngưỡng hoặc khoảng thời gian quy định để kết hợp các gói dữ liệu tạo ra một chùm quang và gửi chùm vào mạng Các nút lõi sẽ có các bộ thu WDM, các bộ phát WDM, các bộ ghép kênh WDM, các bộ giải ghép kênh WDM các bộ khuyếch đại Node, các đơn vị điều khiển chuyển mạch, các bộ biến đổi bước sóng, các đường tạo trễ, các bộ chuyển mạch phân chia không gian

Hình 2.2 Sơ đồ chức năng OBS

Hình trên mô tả sơ đồ chức năng của hệ thống OBS Hệ thống OBS gồm 3 khối chính: Hệ chuyển mạch biên vào (Ingress Edge Node - Nút biên vào), hệ chuyển mạch lõi (Core Node – Nút lõi) và hệ chuyển mạch biên ra (Egress Edge Node – Nút biên ra)

Hệ chuyển mạch biên vào gồm các thành phần chính là: bộ kết hợp chùm (Burst Assembler), modul định tuyến và chuyển đổi bước sóng (Routing & Wavelength Assignment), và bộ lập lịch biên (Edge Scheduling)

Hệ chuyển mạch lõi gồm các thành phần chính là: báo hiệu (Signaling), lập lịch lõi (Core Scheduling) và thành phần giải quyết xung đột (Contention Resolution)

Hệ chuyển mạch biên ra gồm các thành phần chính là: Giải kết hợp chùm (Burst Disassembly), chuyển tiếp gói (Packet Forwarding)

Hình 2.3 Mô hình mạng OBS dạng mắt lưới

Một nút đặc trưng bao gồm những thành phần sau:

Giao diện đầu vào: Tiếp nhận gói điều khiển và chùm dữ liệu, chuyển đổi gói điều khiển thành tín hiệu điện

Đơn vị điều khiển chuyển mạch: Phiên dịch gói điều khiển, đặt lịch trình

và giải quyết xung đột, định tuyến, điều khiển ma trận chuyển mạch, tạo lại gói mào đầu và điều khiển biến đổi bước sóng

Các bộ biến đổi bước sóng và các đường trễ quang (ODL): đường trễ quang sử dụng như một bộ đệm để chứa chùm trong một khoảng thời gian trễ nhất định

Đơn vị chuyển mạch quang: Các chuyển mạch không gian làm nhiệm vụ chuyển chùm dữ liệu

2.1.3 Mạng dạng vòng nút

Xem xét mạng gồm N nút OBS được tổ chức trong một vòng Ring đơn hướng

Hình 2.4 Mô hình mạng OBS dạng vòng RING

Mỗi sợi kết nối giữa hai nút OBS liên tiếp trong vòng ring có thể hỗ trợ N +1 bước sóng Trong đó N bước sóng được sử dụng để truyền chùm, bước sóng thứ N +1 được sử dụng như một kênh điều khiển

Mỗi nút OBS được gắn với một hoặc nhiều mạng truy nhập (phía người sử dụng) Theo chiều từ mạng truy nhập đến vòng Ring, các nút OBS hoạt động

như một bộ tập trung Dữ liệu từ người sử dụng cần chuyển qua mạng Ring được tập hợp, lưu trữ (đệm) ở dạng điện tử rồi sau đó được nhóm lại cùng nhau

và được truyền trong chùm tới nút OBS đích Mỗi chùm có thể có kích thước bất

kỳ giữa giá trị cực đại và cực tiểu Các chùm được truyền đi ở dạng tín hiệu quang dọc theo vòng Ring mà không trải qua bất kỳ sự chuyển đổi điện-quang nào ở những nút trung gian

Theo hướng từ vòng Ring đến các mạng truy nhập, nút OBS ngắt các chùm quang đã được định sẵn tới chính nó, chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu điện

tử, xử lý điện tử dữ liệu chứa trong chùm và chuyển chúng tới những người dùng trong các mạng truy nhập kết nối với nó

Kiến trúc của một nút OBS cho thấy mỗi nút được trang bị một bộ tách ghép kênh quang (OADM), và hai cặp thu phát quang Cặp đầu tiên gồm có một máy thu và máy phát cố định được điều hưởng bởi bước sóng điều khiển, và là

bộ phận của module điều khiển

Bước sóng điều khiển được tách bởi OADM ở mỗi nút, và được ghép trở lại sau khi module điều khiển đã đọc thông tin điều khiển và có thể chèn thông tin mới vào Cặp thứ hai của bộ phận thu và phát gồm có một máy phát được cố định để điều hướng tới bước sóng chủ của nút, và một máy thu nhanh để có thể nhận các chùm từ tất cả N bước sóng truyền tới Mỗi nút OBS có một bước sóng chủ chuyên dụng để truyền các chùm của chính nó Bộ OADM ở mỗi nút loại bỏ tín hiệu quang từ bước sóng chủ của nút bằng cách tách bước sóng tương ứng

Bộ OADM cũng tách tín hiệu quang trên những bước sóng khác nhau, mỗi khi các bước sóng đó chứa đựng các chùm cho nút này

Hình 2.5 Kiến trúc node chuyển mạch quang

Trong trường hợp khi có nhiều chùm đến, mỗi chùm trên một bước sóng khác nhau, ở một nút OBS, module thu trong hình 2.5 sử dụng chiến lược giải quyết xung đột để xác định chùm nào sẽ được chấp nhận Dữ liệu truyền đi được

tổ chức thành các hàng đợi Bộ đệm dữ liệu ở mỗi nút OBS được chia sẽ thành

N -1 hàng đợi Mỗi hàng đợi tương ứng với một trong số N -1 nút đích Các hàng đợi phục vụ theo thứ tự xác định bởi module lịch trình

2.2 Các hệ chuyển mạch

2.2.1 Hệ chuyển mạch chùm quang biên

Kiến trúc hệ chuyển mạch chùm quang biên

Như đã mô tả trong sơ đồ chức năng OBS ở trên, hệ thống OBS gồm 3 khối chính: Hệ chuyển mạch biên lối vào (Ingress Edge Node - Nút biên lối vào), hệ chuyển mạch lõi (Core Node – Nút lõi) và hệ chuyển mạch biên lối ra (Egress Edge Node – Nút biên lối ra)

Nút biên OBS đầu vào và đầu ra là giao diện giữa mạng người sử dụng (mạng IP) và mạng OBS Trong mạng OBS, các gói IP khác nhau đến từ phía người sử dụng được tập hợp thành các chùm tại nút biên đầu vào sau đó nó được truyền đi, và các gói IP đã được kết hợp đó được chuyển đi trong mạng quang dưới dạng chùm và được tách ngược trở lại tại nút biên đầu ra

Hệ chuyển mạch biên lối vào gồm các thành phần chính là: bộ kết hợp chùm (Burst Assembler), modul định tuyến và kết hợp bước sóng (Routing & Wavelength Assignment), và bộ lập lịch biên (Edge Scheduling)

Hệ chuyển mạch biên lối ra gồm các thành phần chính là: Giải kết hợp chùm (Burst Disassembly), chuyển tiếp gói (Packet Forwarding)

Cấu trúc cơ bản của nút biên lối vào như hình sau:

Hình 2.6 Cấu trúc của node biên lối vào

Ở nút biên lối vào, chùm được thiết lập từ các gói tin IP đến sau đó được đưa đến bộ sắp xếp chọn đường ra cho chùm và truyền trên đường truyền Gói tin điều khiển cũng được truyền đi trên kênh bước sóng riêng Ở nút biên lối ra, các kênh dữ liệu DCG (Data Channel Group) được đưa đến bộ nhận chùm Các kênh điều khiển CCG (Control Channel Group) được đưa đến bộ nhận gói tin điều khiển (BHP Receiver)

Tại nút biên lối ra chùm được đưa đến bộ tách chùm để tách thành các gói tin ban đầu, sau đó được đưa đến chuyển mạch để chuyển mạch đến cổng ra theo yêu cầu

Trong nút biên lối vào, khối chức năng chính là bộ phát với bước sóng điều chỉnh được còn ở nút biên đầu ra là bộ nhận chùm

Nguyên tắc thiết lập burst

Thiết lập chùm (burst) là quá trình tập hợp và đóng gói ở lối vào từ các gói

dữ liệu IP đến thành chùm tại nút biên lối vào của mạng OBS Có nhiều kỹ thuật được đề xuất trong nguyên tắc thiết lập chùm, trong đó hai kỹ thuật được quan tâm nhất là thiết lập dựa vào bộ định thời (timer-based) và dựa trên mức ngưỡng (threshold –based)

Trong lúc thiết lập chùm, nút biên lối vào sắp xếp và lập lịch cho các gói đến vào trong những bộ đệm lối vào theo mức QoS và đích đến của nó Những gói này sau đó được tập hợp thành chùm và chứa trong các bộ đệm lối ra Bởi vì mỗi hướng và mỗi lớp dịch vụ yêu cầu một bộ đệm riêng, nên số lượng lớp dịch

vụ và kích thước mạng quyết định nhiều đến kích thước của bộ đệm tại nút biên lối vào

Thời gian offset

Thời gian offset là khoảng thời gian giữa thời điểm nút nguồn phát đi bit đầu tiên của gói điều khiển và thời điểm nút nguồn phát đi bit đầu tiên của chùm

dữ liệu Dựa trên chiều dài offset, chuyển mạch chùm quang có thể được phân thành các loại: Offset không đặt trước (No Reservation), Offset cố định

Một yêu cầu đặt ra là phải tính toán sao cho thời gian offset không dài quá hay ngắn Nếu thời gian offset quá ngắn gây ra tình trạng chùm được gửi đi khi chưa hoàn thành dự trữ tài nguyên ở các nút trung gian, chùm đó sẽ bị mất

Ngược lại nếu thời gian offset quá dài làm chậm trễ quá trình truyền chùm trong mạng

2.2.2 Hệ chuyển mạch chùm quang lõi

Hệ chuyển mạch chùm quang lõi (nút lõi) gồm các thành phần chính là: một bộ kết nối chéo quang (OXC) và một đơn vị điều khiển chuyển mạch (SCU) SCU tạo và bảo trì một bảng chuyển tiếp và chịu trách nhiệm cấu hình cho OXC Khi SCU nhận một gói tiêu đề chùm (BHP), nó đọc thông tin trong gói xác định đích của gói này và chùm dữ liệu theo sau, tra cứu thông tin trong bảng chuyển tiếp để đưa ra quyết định nên mở lối ra nào của khối kết nối chéo quang OXC Nếu lối ra có thể sử dụng khi được khi chùm dữ liệu đến, SCU sẽ cấu hình cho phép chùm dữ liệu chuyển thẳng sang hoàn toàn quang Nếu lối ra mong muốn không thể sử dụng tức đang được sử dụng bởi một chùm khác, việc cấu hình cho OXC phụ thuộc vào nguyên tắc giải quyết xung đột được đưa vào mạng Nói chung, SCU chịu trách nhiệm đọc các gói điều khiển, lập lịch, nhận biết xung đột và giải quyết xung đột, tra cứu bảng chuyển tiếp, điều khiển ma trận chuyển mạch (hay OXC), tạo lại gói điều khiển để phát tiếp nếu nút này chưa phải là đích của nó và điều khiển việc chuyển đổi bước sóng Trường hợp một chùm dữ liệu vào OXC trước gói điều khiển của nó thì chùm này sẽ bị rớt Cấu trúc chung của nút lõi gồm các khối chính: đơn vị điều khiển chuyển mạch O/E/O (Bộ chuyển đổi quang-điện Optical-Electric Converter, bộ chuyển đổi điện-quang Electric-Optical Converter), cơ cấu chuyển mạch và bộ chuyển đổi bước sóng (λ) như hình dưới

Hình 2.7 Cấu tạo của node lõi trong mạng OBS

Đơn vị điều khiển chuyển mạch với bộ chuyển đổi O/E/O

Đơn vị điều khiển chuyển mạch có chức năng xử lý gói tin điều khiển, lấy

ra các thông tin định tuyến và bước sóng, điều khiển cơ cấu chuyển mạch và bộ chuyển đổi bước sóng để chuyển chùm đến cổng ra mong muốn trên kênh bước sóng mong muốn Trong OBS, gói tin điều khiển được xử lý trong miền điện nên bộ chuyển đổi điện quang là cần thiết

Cơ cấu chuyển mạch quang

Cơ cấu chuyển mạch quang thường sử dụng chuyển mạch trong không gian quang Do nút lõi có N đầu vào và M bước sóng trên mỗi cáp quang nên phải sử dụng chuyển mạch không gian với kích thước NxM Yêu cầu cho cơ cấu chuyển mạch quang phải có kích thước không gian chuyển mạch lớn, thời gian chuyển mạch nhanh, có độ tin cậy cao và chi phí thấp

Khối chuyển đổi bước sóng

Khối chuyển đổi bước sóng có thể đặt ở đầu vào hoặc đầu ra của cơ cấu chuyển mạch Nếu bộ chuyển đổi bước sóng đặt ở đầu ra thì các bước sóng ở đầu ra của bộ chuyển đổi không đổi, nếu đặt ở đầu vào thì bước sóng đầu ra có thể thay đổi Trong hai trường hợp trên thì vẫn có thể có được sự chuyển đổi bước sóng đầy đủ nếu sử dụng bộ chuyển đổi bước sóng hoàn toàn

Để giảm sự phức tạp và tốn kém của chuyển mạch, các nút OBS có thể chia sẻ các bộ chuyển đổi bước sóng Tuy nhiên, nếu dùng chung nó chỉ có thể chuyển đổi một số hạn chế các bước sóng và việc thực hiện công nghệ này phải được tính toán kỹ Nếu muốn chuyển đổi toàn bộ bước sóng với chuyển mạch này thì cấu trúc chuyển mạch càng phức tạp hơn Chuyển đổi bước sóng toàn bộ

là cần thiết để giải quyết xung đột trong OBS nên ở đây chỉ đề cập đến chuyển mạch với bộ chuyển đổi bước sóng toàn bộ

2.3 Giải quyết xung đột trong mạng OBS

Mạng bị nghẽn khi những dịch vụ đòi hỏi tài nguyên nhiều hơn khả năng cung cấp Nghẽn mạng liên quan tới độ trễ của chùm đến, mức độ suy hao chùm…Để tăng hiệu quả truyền dữ liệu, giảm khả năng mất chùm trong mạng OBS ta phải có các phương pháp giải quyết xung đột thích hợp Có thể khắc phục nghẽn bằng việc sử dụng phương pháp ngăn chặn hoặc phương pháp tác động lại

Vì các chùm được truyền từ nút nguồn đến nút đích sau khi chuyển mạch qua các nút trung gian mà không cần bộ đệm quang nên khả năng xảy ra xung đột là rất lớn Xung đột có thể xảy ra khi nhiều chùm muốn rời nút lõi trên cùng một tuyến WDM hay chùm ở các lối vào khác nhau muốn đến một lối ra tại cùng một thời điểm

Trong điều khiển chống tắc nghẽn, băng thông được phân phối để tạo kết nối trong thời gian thiết lập vì vậy đạt được QoS

Trong điều khiển tác động lại thì tốc độ lưu lượng tại đầu cuối trong mạng

có thể được điều chỉnh hoặc định tuyến lưu lượng có thể được biến đổi để giảm tranh chấp gói tại những nút trung gian

Những phương pháp giải quyết xung đột được đưa ra là: Chuyển đổi bước sóng, bộ đệm quang, định tuyến chuyển hướng và phân đoạn chùm

2.3.1 Bộ đệm quang FDL

Bộ đêm quang hay còn được gọi là đường dây trễ FDL (Fiber Delay Line) Nếu như trong miền điện có các bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên như RAM thì trong miền quang ý tưởng bộ đệm quang vẫn chưa thực hiện được Vì vậy để đệm chùm dữ liệu trong một khoảng thời gian người ta chỉ có thể dùng đến các đường dây trễ quang FDL Các chùm dữ liệu được lưu giữ trong miền quang một khoảng thời gian cố định Bằng cách kết nối các dây trễ FDL theo tầng hay kết nối song song, bộ đệm được đề xuất này có thể giữ các chùm dữ liệu trong các thời gian khác nhau Với phương pháp này, chùm đang tham gia tranh chấp

sẽ được làm trễ lại cho tới khi nghẽn được giải quyết Phương pháp này dựa trên

ý tưởng là: khi một bước sóng được yêu cầu nhưng kênh chưa sẵn sàng thì chùm

dữ liệu sẽ được làm trễ lại trong một FDL cho tới khi kênh bước sóng đó trở về trạng thái sẵn sàng

Hình 2.8 Giải quyết xung đột bằng phương pháp sử dụng đường dây trễ FDL

Ở hình trên kênh bước sóng mong muốn của chùm dữ liệu là λ1 nhưng kênh này đã bị chiếm tại thời điểm tới của chùm Trong trường hợp này, chùm

dữ liệu sẽ được đệm lại trong khoảng thời gian ∆, khi đó kênh này đã trở về trạng thái sẵn sàng tại thời điểm tới của chùm dữ liệu sau khi đã được đệm

Do FDL dựa trên trễ truyền của cáp quang và sự truy cập liên tục nên nó có nhiều hạn chế so với RAM Nếu dung lượng bộ đệm lớn thì số lượng và chiều dài của FDL càng tăng nên dễ gây tổn hao và việc sử dụng bộ đệm cũng không thể hoàn toàn giảm khả năng mất chùm

2.3.2 Bộ chuyển đổi bước sóng

Sử dụng bộ chuyển đổi bước sóng (wavelength converter) để chuyển đổi kênh lối ra khác cho chùm dữ liệu nếu như kênh nó mong muốn đang bận Trong WDM, nhiều bước sóng được ghép cùng một lúc trên một liên kết giữa 2 nút Nhiều bước sóng có thể giảm tối đa số lượng xung đột Giả sử có hai chùm cùng đến một đích và ra ở cùng lối ra tại một thời điểm, thì cả hai chùm vẫn có thể truyền đi tiếp nếu ở hai bước sóng khác nhau

Chuyển đổi bước sóng là quá trình chuyển đổi một bước sóng ở lối vào thành một bước sóng khác ở lối ra Điều này làm tăng khả năng sử dụng lại bước sóng nghĩa là tất cả các kênh bước sóng trên cùng một cáp quang có thể được dùng chung bởi tất cả các chùm Có các kiểu chuyển đổi sau:

Chuyển đổi toàn bộ (Full conversion): Một bước sóng có thể chuyển thành bất kì bước sóng nào ở đầu ra, do vậy không có một bước sóng nào xuất hiện liên tục trên một kết nối từ đầu cuối đến đầu cuối

Chuyển đổi có giới hạn (Limitted conversion): Một bước sóng chỉ có thể chuyển thành một trong số giới hạn các bước sóng ở đầu ra Việc giới hạn này sẽ làm giảm chi phí của chuyển mạch trong khi chấp nhận khả năng xung đột cao hơn

Chuyển đổi cố định (Fixed conversion): Đây cũng là một dạng của chuyển đổi có giới hạn, trong đó một kênh lối vào được kết nối với một hay nhiều kênh lối ra được chỉ định trước

Chuyển đổi một phần (Sparse conversion): Trong mạng có thể bao gồm các nút có chuyển đổi toàn bộ có giới hạn, cố định và không có bộ chuyển đổi bước sóng

Hình 2.9 Giải quyết xung đột bằng phương pháp chuyển đổi bước sóng

Một số vấn đề khác trong định tuyến chuyển hướng là bảo trì thời gian offset giữa gói điều khiển và gói dữ liệu của một chùm bị chuyển hướng Bởi vì chùm bị chuyển hướng phải đi trên đường có số nút trung gian nhiều hơn so với khi không bị chuyển hướng, do đó thời gian offset trước đây là không đủ để các chuyển mạch kế tiếp xử lý các gói điều khiển trước khi chùm dữ liệu đến Để khắc phục vấn đề này, nhiều xử lý được thêm vào để tính toán lại thời gian offset Một cách đơn giản hơn là chỉ cần loại bỏ những chùm có thời gian offset không hợp lệ Để biết được số nút trung gian mà chùm phải đi qua, có thể dùng các bộ đếm

2.3.4 Phân đoạn burst

Trong phương pháp này chùm được phân thành các đoạn để khi có xung đột thì chỉ có một phần chùm bị mất, phần còn lại vẫn được truyền qua mạng Phần chùm bị mất có thể là phần trước hay phần sau Nếu chùm bị hủy bỏ phần

đầu thì phần chùm còn lại cần thông tin của offset giữa gói tin điều khiển của chùm và điểm đầu của phần chùm còn lại Nếu chùm bị hủy bỏ phần đuôi thì cần phải thêm gói tin điều khiển của chùm cho phần đuôi bị hủy bỏ

Nếu như ranh giới giữa các đoạn hoàn toàn trong suốt trong mạng lõi toàn quang thì các nút biên phải chịu trách nhiệm định nghĩa và xử lý các đoạn trong miền

Hình 2.10 Giải quyết xung đột bằng phương pháp phân đoạn burst

điện Hơn nữa, nút nhận phải có khả năng nhận ra điểm bắt đầu của mỗi đoạn và xác định xem đoạn đó còn nguyên vẹn hay không, do đó một số header dùng để nhận ra lỗi và sửa lỗi chứa trong một đoạn Thêm vào đó thông tin về tín hiệu đồng hồ có thể cũng cần phải có trong mỗi header của mỗi đoạn để nút nhận lối

ra có thể xác định và phục hồi dữ liệu trên mỗi đoạn Khi các đoạn có chiều dài không đổi thì việc đồng bộ ở máy thu trở nên dễ dàng, tuy nhiên những đoạn có chiều dài thay đổi lại có khả năng chứa được những gói có chiều dài khác nhau Kích thước của mỗi đoạn còn phải cân nhắc giữa mất mát trong một lần xung đột và số lượng header trong một chùm Đoạn dài sẽ dẫn đến mất nhiều dữ liệu cho mỗi lần xung đột, tuy nhiên những đoạn dài cũng dẫn đến overhead và tỉ số giữa chiều dài header so với chiều dài payload sẽ nhỏ theo Một số vấn đề khác trong phân đoạn chùm là quyết định xem đoạn nào bị rớt khi xung đột xảy ra giữa hai chùm Giả sử gọi chùm bị xung đột là contented chùm còn chùm xung đột là contenting burst Chú ý rằng chùm được xem là contented hay contenting burst phụ thuộc vào thứ tự của nó đến chuyển mạch chứ không phải thứ tự của gói điều khiển đến trước hay đến sau Có hai cách để xác định xem những đoạn

nào nên rớt, được gọi là tail-dropping (rớt phần đuôi) và head-dropping (rớt phần đầu)

Trong cách rớt phần đuôi tail-dropping thì các đoạn chồng lấn của contented burst sẽ bị rớt còn trong cách rớt phần đầu heading-dropping thì các đoạn của contenting burst chồng lấn sẽ bị rớt Ưu điểm của việc tail-dropping so với tail-dropping trong việc thay đổi các gói sai thứ tự ở nút đích với giả thuyết rằng các gói rớt được truyền lại sau đó Việc head-dropping làm cho các gói đến đích sai thứ tự, tuy nhiên, ưu điểm của head-dropping là nó chắc chắn rằng một khi chùm đến một nút không bắt gặp một xung đột nào và sao đó các chùm này tiếp tục đi đến đích mà không phụ thuộc vào các chùm đi sau nó có mức ưu tiên nào đi chăng nữa

Như vậy, việc lựa chọn giữa các biện pháp giải quyết xung đột cũng là một vấn đề quan trong nhằm giảm tỉ lệ mất chùm đến mức thấp nhất có thể Tùy theo yêu cầu cụ thể của từng mạng và điều kiện cho phép mà ta chọn ra phương pháp thích hợp hay để tận dụng các ưu điểm của mỗi phương pháp ta có thể sử dụng kết hợp chúng sẽ cho hiệu quả giảm tỉ lệ mất chùm cao hơn nhiều so với việc dùng riêng lẽ từng phương pháp

2.4 Kết luận

Xem xét kiến trúc của mạng chuyển mạch chùm quang cho thấy nguyên tắc hoạt động, chức năng cũng như các thành phần của mạng Mạng OBS kiến trúc dạng mắt lưới với các nút biên và các nút lõi được bố trí và liên kết như hình lưới Trong khi đó, kiến trúc dạng vòng và nút cho thấy các nút được tổ chức trong mạng OBS theo một vòng đơn hướng Trong kiến trúc này, các chùm được truyền đi ở dạng tín hiệu quang dọc theo vòng Ring mà không trải qua bất

kỳ sự chuyển đổi điện-quang nào ở những nút trung gian

Trong mạng chuyển mạch chùm quang, thành phần chính là các nút lõi và nút biên Nút biên có hai loại là nút biên lối vào và nút biên lối ra Các gói IP khác nhau đến từ phía người sử dụng được tập hợp thành các chùm (burst) ở nút biên đầu vào sau đó được truyền đi Các gói IP đã được kết hợp đó được chuyển

đi trong mạng quang dưới dạng các chùm và được tách ngược trở lại ở nút biên đầu ra Ở nút biên lối vào, chùm được thiết lập từ các gói tin IP sau đó được đưa đến bộ sắp xếp chọn đường ra cho chùm và truyền trên đường truyền Tại nút biên lối ra chùm được đưa đến bộ tách chùm để tách thành các gói tin IP ban

đầu, sau đó được đưa đến chuyển mạch để chuyển mạch đến cổng ra theo yêu cầu

Trong chương này hai vấn đề quan trọng của hệ chuyển mạch chùm quang biên, đó là: nguyên tắc thiết lập burst (chùm) và khái niệm thời gian offset cũng được giới thiệu Tuy nhiên các vấn đề liên quan đến nút biên được trình bày ở đây chỉ ở mức giới thiệu sơ lược Kiến trúc, nguyên tắc hoạt động cũng như các vấn đề quan trọng của hệ chuyển mạch chùm quang biên được mô tả kỹ hơn trong chương 4

Cấu trúc chung của nút lõi gồm các khối chính: đơn vị điều khiển chuyển mạch O/E/O (Bộ chuyển đổi quang-điện Optical-Electric Converter, bộ chuyển đổi điện-quang Electric-Optical Converter), cơ cấu chuyển mạch và bộ chuyển đổi bước sóng

Chương này cũng trình bày các vấn đề mạng bị tắc nghẽn, xung đột Nghẽn trong mạng do các nguyên nhân liên quan tới độ trễ của chùm đến, mức độ suy hao chùm… Những phương pháp điều khiển nghẽn được đưa ra cho mạng OBS là: Chuyển đổi bước sóng, bộ đệm quang (đường dây trễ quang), định tuyến chuyển hướng và phân đoạn chùm

Với phương pháp sử dụng bộ đệm quang là khi một bước sóng được yêu cầu lại chưa sẵn sàng thì chùm dữ liệu sẽ được làm trễ lại trong một đường dây trễ quang FDL cho tới khi kênh bước sóng đó trở về trạng thái sẵn sàng Phương pháp dùng bộ chuyển đổi bước sóng là sử dụng bộ chuyển đổi bước sóng chuyển đổi kênh lối ra khác cho chùm dữ liệu nếu như kênh nó mong muốn đã bị chiếm giữ tại thời điểm chùm tới nút Xung đột được giải quyết trong phương pháp định tuyến chuyển hướng bằng cách định tuyến chùm dữ liệu đến một lối ra khác thay vì lối ra ban đầu Trong phương pháp phân đoạn burst, chùm được phân thành các đoạn để khi có xung đột thì chỉ có một phần chùm bị mất, phần còn lại vẫn được truyền qua mạng Phần chùm bị mất có thể là phần trước hay phần sau Nếu chùm bị hủy bỏ phần đầu thì phần chùm còn lại cần thông tin của offset giữa gói tin điều khiển của chùm và điểm đầu của phần chùm còn lại Nếu chùm bị hủy bỏ phần đuôi thì cần phải thêm gói tin điều khiển của chùm cho phần đuôi bị hủy bỏ

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP LUẬN ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG

Chương này trình bày phương pháp luận toán học như các tiến trình cơ bản, các khái niệm của lý thuyết xác suất; và các mô hình hàng đợi để áp dụng

mô hình hoá nút biên của mạng OBS

Nội dung của chương gồm:

- Cơ sở toán học

- Lý thuyết hàng đợi

3.1 Cơ sở toán học

Phần này trình bày các tiến trình trong toán học xác suất phục vụ cho việc xây dựng mô hình nút biên với các tiến trình đến của chùm được trình bày trong chương sau Các tiến trình được giới thiệu ở đây gồm: tiến trình điểm, tiến trình Poisson, tiến trình Maxkov, và tiến trình sinh/tử Các tiến trình này tham khảo trong tài liệu của Andreas Willig và các tác giả trong [16] Sau đây sẽ đi vào xem xét từng tiến trình cụ thể

3.1.1 Tiến trình điểm

Các tiến trình đến là một tiến trình điểm ngẫu nhiên, với tiến trình này chúng ta có khả năng phân biệt hai sự kiện với nhau Các thông tin về sự đến riêng lẻ (như thời gian phục vụ, số khách hàng đến) không cần biết, do vậy thông tin chỉ có thể dùng để quyết định xem một sự đến có thuộc quá trình hay không

Nt không bao giờ giảm

Khoảng thời gian giữa hai lần đến là:

Cách biểu diễn số N t : khoảng thời gian t giữ không đổi, và ta xét biến ngẫu nhiên N t cho số cuộc gọi trong khoảng thời gian t

Cách biểu diễn khoảng t i : số các cuộc gọi đến là hằng số (n), và ta xét biến ngẫu nhiên t i là khoảng thời gian diễn ra n cuộc gọi

Mối quan hệ căn bản giữa hai cách biểu diễn thể hiện đơn giản như sau:

Nt < n khi và chỉ khi

n i i

p t n với n = 1, 2,…

Phân tích tiến trình điểm có thể dựa trên cả hai cách này, về nguyên tắc chúng tương đương với nhau Cách biểu diễn khoảng thời gian tương ứng với việc phân tích chuỗi thời gian thông thường

Cách biểu diễn số không song song với phân tích chuỗi thời gian Số liệu thống

kê được tính toán trên mỗi đơn vị thời gian và ta có các mức trung bình thời gian

Đặc tính của tiến trình điểm

Phần này xem xét đặc tính của tiến trình điểm thông qua cách biểu diễn số

Tính dừng (tính đồng nhất thời gian)(Stationarity-time homogeneity):

Tính chất này có thể mô tả là cho dù ở vị trí nào trên trục thời gian cũng vậy, phân bố xác suất tiến trình điểm là độc lập với thời điểm quan sát Định nghĩa sau đây được sử dụng trong thực tế:

Định nghĩa: Cho tuỳ ý t2 > 0 và với mỗi k 0 Xác suất mà k cuộc gọi đến trong khoảng thời gian [t1, t1+t2] là độc lập với t1, nghĩa là với mọi t, k ta có:

k N

N p k N N

Định nghĩa: xác suất có k sự kiện (với k nguyên và lớn hơn hoặc bằng 0)

trong khoảng [t1, t1+t2] là độc lập với các sự kiện trước thời điểm t1:

k N N p n N N k N N

và ta cần lưu lại điểm tái tạo gần nhất

Tính đều đặn (Regularity)

Như đã nói ta loại trừ các tiến trình của nhiều cuộc gọi vào một thời điểm, vậy ta có định nghĩa sau:

Định nghĩa: một tiến trình điểm được gọi là đều đặn nếu xác suất xảy ra

với nhiều hơn một sự kiện ở cùng một thời điểm bằng không:

0 ) ( , 0 :

), ( 2 )

3.1.2 Tiến trình poisson

Tiến trình Poisson là tiến trình điểm quan trọng nhất bởi vì vai trò của nó

cũng quan trọng như vai trò của phân bố chuẩn trong phân bố thống kê Tất cả những tiến trình điểm ứng dụng khác đều là dạng tổng quát hoá hay dạng sửa đổi của tiến trình Poisson Tiến trình Poisson mô tả rất nhiều tiến trình trong đời sống thực tế, do nó có tính ngẫu nhiên nhất

Đặc tính của tiến trình Poisson :

Những đặc tính cơ bản của tiến trình Poisson là:

Biểu diễn số: là số các sự kiện đến trong một khoảng thời gian với độ dài

cố định được phân bố theo tiến trình Poisson

Biểu diễn khoảng thời gian: là các khoảng thời gian Xi giữa các sự kiện liên tiếp nhau được phân bố theo hàm mũ

Tiến trình đến Poisson sử dụng trong lưu lượng viễn thông của mạng chuyển mạch gói và mạng máy tính Thêm vào đó tiến trình Poisson đã được sử dụng để mô tả các tiến trình nhiễu và để nghiên cứu hiện tượng các hố điện tử xuất hiện trong chất bán dẫn, và trong các ứng dụng khác …

Ba vấn đề cơ bản được sử dụng để định nghĩa tiến trình đến Poisson Xét một khoảng thời gian nhỏ t(với t 0)

Tiến trình đến không có nhớ: một tiến trình đến trong khoảng thời gian t

là độc lập với các tiến trình trước đó và các tiến trình trong tương lai

Nếu lấy một chu kỳ T, tìm xác suất p(k) của k tiến trình đến trong thời gian

T được cho bởi:

! )

(

k

e T k

p

T k

(

k

T k

kp k

Phương sai : k2 E(k2) E2(k)

hay:

T k

Phương trình (2-25) mô tả tốc độ đến trung bình của tiến trình Poisson

Bình thường giá trị trung bình E(k) tiến tới không tương đương với T lớn:

T k

E

k / ( ) 1 / với nghĩa là T lớn, phân bố có quan hệ chặt chẽ với giá trị

trung bình T Do đó nếu một thông số (ngẫu nhiên) số các tiến trình đến n

trong khoảng thời gian T lớn („lớn‟ theo nghĩa T >>1, hoặc T >> 1/ ), n/T có

thể đánh giá Cũng chú ý là p ( 0 ) e T Khi T tăng với phân bố đỉnh E (k) =

T, xác suất không có tiến trình đến nào trong khoảng thời gian T tiến đến

không với e mũ T

3.1.3 Tiến trình Markov

Tiến trình (quá trình) Markov là một quá trình ngẫu nhiên với đặc tính như sau: trạng thái ck tại thời điểm k là một giá trị trong tập hữu hạn {1, ,M} Với giả thiết rằng quá trình chỉ diễn ra từ thời điểm 0 đến thời điểm N và rằng trạng thái đầu tiên và cuối cùng là đã biết, chuỗi trạng thái sẽ được biểu diễn bởi một vectơ hữu hạn C = (c0, ,cN)

Nếu P(ck | c0,c1, ,ck − 1) biểu diễn xác suất (khả năng xảy ra) của trạng thái

ck tại thời điểm k khi đã trải qua mọi trạng thái cho đến thời điểm k − 1 Giả sử trong quá trình đó thì ck chỉ phụ thuộc vào trạng thái trước ck − 1 và độc lập với mọi trạng thái trước khác Quá trình này được gọi là quá trình Markov bậc 1 Có nghĩa là xác suất để trạng thái ck xảy ra tại thời điểm k, khi biết trước mọi trạng thái cho đến thời điểm k − 1 chỉ phụ thuộc vào trạng thái trước, ví dụ: trạng thái

ck−1 của thời điểm k − 1 Khi đó ta có công thức:

Nói tóm lại, một hệ có thuộc tính Markov được gọi là quá trình Markov (bậc 1)

Như vậy, với quá trình Markov bậc n,

Xích Markov thời gian rời rạc

Trong toán học, một xích Markov hay chuỗi Markov (thời gian rời rạc) là một quá trình ngẫu nhiên thời gian rời rạc với tính chất Markov Trong một quá trình như vậy, quá khứ không liên quan đến việc tiên đoán tương lai mà việc đó chỉ phụ thuộc theo kiến thức về hiện tại

Xích Markov là một dãy X1, X2, X3, gồm các biến ngẫu nhiên Tập tất

cả các giá trị có thể có của các biến này được gọi là không gian trạng thái S, giá trị của Xn là trạng thái của quá trình (hệ) tại thời điểm n

Nếu việc xác định (dự đoán) phân bố xác suất có điều kiện của Xn+1 khi cho biết các trạng thái quá khứ là một hàm chỉ phụ thuộc Xn thì:

trong đó x là một trạng thái nào đó của quá trình (x thuộc không gian trạng thái S) Đó là thuộc tính Markov

3.1.4 Tiến trình Sinh/Tử

Trạng thái của hệ thống được biểu diễn bằng số các khách hàng n trong một hệ thống Khi có một khách hàng mới đến thì trạng thái của hệ thống sẽ thay đổi sang n+1, khi có một khách hàng ra đi thì trạng thái hệ thống sẽ thay đổi sang n-1, ta có lược đồ chuyển tiếp trạng thái là quá trình sinh tử

1 1 0

.P 0