Một giải thuật lập lịch đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng chuyển mạch chùm quang

Bài viết đề xuất một giải thuật lập lịch với phương pháp dự đoán dựa trên tải lưu lượng đến của các chùm để phân bổ tài nguyên bước sóng hợp lý cho các lớp ưu tiên trong mạng OBS.

MỘT GIẢI THUẬT LẬP LỊCH ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG NGUYỄN HỒNG QUỐC1 NGUYỄN CHÍ CƠNG2, PHẠM TRUNG ĐỨC3 Trường Đại học Sư phạm, Đại học Huế Trường Cao đẳng nghề Du lịch Huế Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế Tóm tắt: Mạng chuyển mạch chùm quang xem công nghệ đáp ứng nhu cầu băng thông đảm bảo chất lượng dịch vụ cho mạng Internet toàn quang hệ Tuy nhiên thiếu đệm quang nút chuyển mạch lõi việc đảm bảo chất lượng lượng dịch vụ cho dịch vụ khác mạng chuyển mạch chùm quang khó khăn so với mạng điện tử truyền thống Hiện có số giải thuật lập lịch công bố nhằm giải vấn đề này, nhiên giải thuật lập lịch thực đảm bảo chất lượng dịch vụ cho chùm ưu tiên không ưu tiên thông qua việc thiết lập cố định kênh bước sóng mà không xem xét tải lưu lượng đến lớp dịch vụ Trong nghiên cứu đề xuất giải thuật lập lịch với phương pháp dự đoán dựa tải lưu lượng đến chùm để phân bổ tài nguyên bước sóng hợp lý cho lớp ưu tiên mạng OBS Các phân tích đánh giá hiệu giải thuật lập lịch dựa mô khẳng định ưu điểm mơ hình đề xuất Từ khóa: Mạng OBS, giải thuật lập lịch, phân biệt dịch vụ, phân bổ tài nguyên, dự đoán tải lưu lượng GIỚI THIỆU Tốc độ phát triển nhanh Internet năm gần đây, với bùng nổ loại hình dịch vụ truyền thơng, làm gia tăng khơng ngừng nhu cầu băng thông truyền thông Điều đặt thách thức việc tìm kiếm công nghệ truyền thông phù hợp nhằm nâng cao khả vận chuyển mạng hệ Mạng sợi quang với phát triển công nghệ ghép kênh bước sóng (Wavelength Division Multiplexing), mang đến giải pháp hoàn hảo đáp ứng nhu cầu băng thông bùng nổ Internet tương lai Từ xuất vào thập niên 90, mạng sợi quang trải qua nhiều hệ phát triển [1]: từ mơ hình định tuyến bước sóng (Wavelength-Routed) ban đầu dựa đường quang (lightpath) đầu cuối dành riêng, mơ hình chuyển mạch gói quang (Optical Packet Switching) đề xuất gần đây, với ý tưởng xuất phát từ mơ hình mạng chuyển mạch gói điện tử Tuy nhiên với số hạn chế công nghệ, chưa thể sản xuất đệm quang (tương tự nhớ RAM môi trường điện tử) hay chuyển mạch tốc độ nano giây [1] mơ hình chuyển mạch gói quang chưa thể trở thành Tạp chí Khoa học, Trường Đại học Sư phạm, Đại học Huế ISSN 1859-1612, Số 03(51)/2019: tr 135-143 Ngày nhận bài: 03/12/2018; Hoàn thành phản biện: 19/12/2018; Ngày nhận đăng: 19/12/2018 136 NGUYỄN HỒNG QUỐC cs thực Một giải pháp thỏa hiệp đề xuất chuyển mạch chùm quang (Optical Burst Switching) mở hướng nghiên cứu xem công nghệ hứa hẹn cho mạng Internet hệ Một đặc trưng tiêu biểu mạng chuyển mạch chùm quang (mạng OBS) phần điều khiển (Burst Header Packet) tách rời với phần liệu (Data Burst) Nói cách khác, để thực việc truyền chùm vào mạng OBS, gói điều khiển BHP tạo gửi trước khoảng thời gian offset(offset-time) Thời gian offset phải tính tốn đủ để đặt trước tài nguyên cấu hình chuyển mạch nút trung gian dọc theo hành trình chùm quang từ nguồn đến đích Thêm vào đó, mạng OBS dành riêng số kênh (bước sóng), gọi kênh điều khiển cho việc truyền gói điều khiển BHP, kênh lại dùng cho việc truyền chùm liệu, nên gọi kênh liệu Như việc truyền gói điều khiển BHP tách rời hoàn toàn với truyền liệu mặt không gian mặt thời gian Với cách truyền liệu vậy, rõ ràng mạng OBS không cần đến đệm quang để lưu tạm chùm liệu chờ đợi việc xử lý chuyển mạch nút lõi, không yêu cầu chuyển mạch tốc độ nano giây Tuy nhiên, cách truyền tải đặt áp lực làm để gói điều khiển BHP kịp lập lịch đặt trước tài nguyên cấu hình chuyển mạch nút lõi, đảm bảo việc truyền tải chùm quang theo sau; nhiệm vụ hoạt động lập lịch đặt trước tài nguyên nút lõi mạng Vì vấn đề lập lịch cần quan tâm nghiên cứu nhằm tối đa hiệu suất băng thông, giảm mát liệu, đảm bảo chất lượng cho dịch vụ khác nâng cao hiệu suất hoạt động mạng OBS Hiện có giải thuật lập lịch có xét đến chất lượng dịch vụ đề xuất gồm: GLAUC-VF (Generalized LAUC-VF) [6], LA-FFVF (Latest Available and First Fit Unused Channel with Void Filling) [7], SWG (Static Wavelength Grouping)[2], DWG (Dynamic Wavelength Grouping) [3] LLAC (Load-Level Admission Control) [4] Với giải thuật LA-FFVF sử dụng giải thuật lập lịch trực tiếp LAUC để lập lịch cho chùm ưu tiên cao sử dụng giải thuật FFUC-VF để lập lịch cho chùm ưu tiên thấp nhằm giảm độ phức tạp giải thuật tận dụng khoảng trống tạo kênh để lập lịch cho chùm đến Các giải thuật SWG, DWG thực đảm bảo chất lượng dịch vụ cho chùm ưu tiên không ưu tiên thông qua việc thiết lập cố định kênh bước sóng mà khơng xem xét tải lưu lượng đến lớp dịch vụ hay thông tin tải lưu lượng để điều khiển chấp nhận lập lịch hay không giải thuật LLAC biết trước không thay đổi Bên cạnh giải thuật đưa giải pháp ưu tiên tuyệt đối chùm ưu tiên cao, nên trường hợp lưu lượng chùm ưu tiên cao đến thấp, tài nguyên phân bổ cho chúng không sử dụng hết, gây lãng phí băng thơng chùm ưu tiên thấp khơng lập lịch Trong nghiên cứu, đề xuất giải thuật lập lịch đảm bảo chất lượng dịch vụ với cách phân bổ tài nguyên bước sóng linh hoạt dựa tải lưu lượng đến lớp dịch vụ khác Cấu trúc viết sau: mục II mô tả giải thuật lập lịch đề xuất; mục III mô đánh giá giải thuật lập lịch đề xuất mục IV phần kết luận MỘT GIẢI THUẬT LẬP LỊCH ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ 137 GIẢI THUẬT LẬP LỊCH ĐỀ XUẤT Xét liên kết (cổng) nút lõi mạng OBS mà chùm đến giả thiết thuộc hai lớp ưu tiên cao ưu tiên thấp Giả sử cổng có 𝑊 kênh bước sóng, chùm ưu tiên cao đến lập lịch lên 𝑊 kênh bước sóng; chùm ưu tiên thấp đến lập lịch 𝑊𝐿 kênh, với 𝑊𝐿 ≤ 𝑊 Cách làm nhằm để dành tài nguyên kênh bước sóng nhiều cho chùm ưu tiên cao Rõ ràng việc điều chỉnh phân bổ băng thông kênh bước sóng thực luồng chùm ưu tiên thấp đến, kênh bước sóng cấp phát cho luồng (𝑊𝐿 ) xác định qua hàm tính giá trị tải đến thay đổi tương ứng theo lưu lượng tải lớp ưu tiên cao thấp Theo đó, vấn đề đặt cần tính tốn lưu lượng tải chùm (QoS cao QoS thấp) đến khe thời gian quan sát (∆𝑡) để thực phân phối kênh bước sóng (giá trị 𝑊𝐿 cho chùm QoS thấp cách hiệu nhằm tránh gây lãng phí băng thơng kênh giảm xác suất tắc nghẽn Khi đó, số kênh bước sóng cấp phát cho chùm QoS thấp 𝑊𝐿 (𝑊𝐿 ≤ 𝑊) xác định phần nguyên cận Công thức (1) sau: 𝛾𝐿 (1) 𝑊𝐿 = ⌈𝑊 × ⌉ 𝛾𝐻 + 𝛾𝐿 Với tải lưu lượng đến chùm QoS cao (𝛾𝐻 ) chùm QoS thấp (𝛾𝐿 ) [2] xác định dựa tốc độ chùm, độ dài chùm trung bình băng thơng kênh bước sóng cửa số quan sát ∆𝑡 tính tốn sau: 𝛾𝐿 = 𝛾𝐻 = 𝐿 (2) 𝜇𝐿 × 𝑊 𝐻 (3) 𝜇𝐻 × 𝑊 Trong 𝐿 (𝐻 ) tốc độ chùm đến, 𝜇𝐿 (𝜇𝐻 ) độ dài chùm trung bình chùm QoS thấp cao đến cửa số quan sát Được tính tốn sau: 𝑆ố 𝑙ượ𝑛𝑔 𝑐ℎù𝑚 đế𝑛 𝑄𝑜𝑆 𝑡ℎấ𝑝 ∆𝑡 𝑆ố 𝑙ượ𝑛𝑔 𝑐ℎù𝑚 đế𝑛 𝑄𝑜𝑆 𝑐𝑎𝑜 𝐻 = ∆𝑡 𝑇ổ𝑛𝑔 độ 𝑑à𝑖 𝑐ℎù𝑚 đế𝑛 𝑄𝑜𝑆 𝑡ℎấ𝑝 𝜇𝐿 = 𝑆ố 𝑙ượ𝑛𝑔 𝑐ℎù𝑚 đế𝑛 𝑄𝑜𝑆 𝑡ℎấ𝑝 (4) 𝑇ổ𝑛𝑔 độ 𝑑à𝑖 𝑐ℎù𝑚 đế𝑛 𝑄𝑜𝑆 𝑐𝑎𝑜 𝑆ố 𝑙ượ𝑛𝑔 𝑐ℎù𝑚 đế𝑛 𝑄𝑜𝑆 𝑐𝑎𝑜 (7) 𝐿 = 𝜇𝐻 = (5) (6) Với cách tiếp cận nêu trên, cho phép đảm bảo ưu tiên cho chùm ưu tiên cao, phân NGUYỄN HỒNG QUỐC cs 138 bổ linh hoạt số lượng kênh bước sóng sử dụng cho chùm ưu tiên thấp để đánh giá phân tích trên, báo đề xuất giải thuật lập lịch đây: GIẢI THUẬT LẬP LỊCH ĐỀ XUẤT Đầu vào: - 𝐼 = {𝑏1 , 𝑏2 , , 𝑏𝑛 }, 𝑏𝑖 (𝑠𝑖 , 𝑒𝑖 , 𝑝𝑟𝑖𝑜𝑖 ), tập 𝑛 chùm đến khoảng thời gian mô phỏng; - 𝑊: Số kênh liên kết W={1,2, ,w}; - 𝑊 𝐿 : Số kênh dành riêng cho lớp QoS thấp; - 𝑆𝐵𝑘 tập chùm lập lịch kênh thứ k (𝑘 ∈ 𝑊); Đầu ra: - Tập chùm lập lịch lớp QoS thấp (𝐼𝐿 ); - Tập chùm lập lịch lớp QoS cao (𝐼𝐻 ); PHƯƠNG PHÁP: (Khởi tạo) ∆𝑡 = 0.0001𝑚𝑠; 𝑊𝐿 = 𝑊 ; FOR EACH 𝑏𝑖 ∈ 𝐼 DO (Khởi tạo) 𝑠𝑐 = −1; 𝑔𝑎𝑝𝑚𝑖𝑛 = ∞; IF (𝑝𝑟𝑖𝑜𝑖 = 0) THEN 𝑆𝑙𝑐ℎ𝑢𝑚𝑑𝑒𝑛𝐻 = 𝑆𝑙𝑐ℎ𝑢𝑚𝑑𝑒𝑛𝐻 + 1; 𝑆𝑙𝑔𝑜𝑖𝑑𝑒𝑛𝐻 = 𝑆𝑙𝑔𝑜𝑖𝑑𝑒𝑛𝐻 + (𝑒𝑖 − 𝑠𝑖 ); 𝑠𝑐 = 𝐵𝐹𝑉𝐹(𝑏𝑖 , 𝑊); ELSE 𝑆𝑙𝑐ℎ𝑢𝑚𝑑𝑒𝑛𝐿 = 𝑆𝑙𝑐ℎ𝑢𝑚𝑑𝑒𝑛𝐿 + 1; 𝑆𝑙𝑔𝑜𝑖𝑑𝑒𝑛𝐿 = 𝑆𝑙𝑔𝑜𝑖𝑑𝑒𝑛𝐿 + (𝑒𝑖 − 𝑠𝑖 ); 𝑠𝑐 = 𝐵𝐹𝑉𝐹(𝑏𝑖 , 𝑊𝐿 ); IF (𝑠𝑐 ≠ −1) THEN 𝑆𝐶𝐻𝐸𝐷𝑈𝐿𝐸(𝑏𝑖 , 𝑠𝑐); IF (𝑝𝑟𝑖𝑜𝑖 = 0) THEN 𝐼𝐿 = 𝐼𝐿 ∪ {𝑏𝑖 }; ELSE 𝐼𝐻 = 𝐼𝐻 ∪ {𝑏𝑖 }; ENDIF IF (𝑡𝑖𝑚𝑒𝑐ℎ𝑜 ≥ ∆𝑡) THEN 𝐿 = 𝑆𝑙𝑐ℎ𝑢𝑚𝑑𝑒𝑛𝐿 ∆𝑡 ; 𝐻 = 𝑆𝑙𝑐ℎ𝑢𝑚𝑑𝑒𝑛𝐻 ∆𝑡 ; MỘT GIẢI THUẬT LẬP LỊCH ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ 𝑆𝑙𝑔𝑜𝑖𝑑𝑒𝑛 𝑆𝑙𝑔𝑜𝑖𝑑𝑒𝑛 𝜇𝐿 = 𝑆𝑙𝑐ℎ𝑢𝑚𝑑𝑒𝑛𝐿 ; 𝜇𝐻 = 𝑆𝑙𝑐ℎ𝑢𝑚𝑑𝑒𝑛𝐻 ; 𝐿 𝛾𝐿 = 𝜇 𝐿 𝐿 ×𝑊 𝛾𝐻 = 𝜇 139 𝐻 ; 𝐻 𝐻 ×𝑊 ; 𝑊𝐿 = ⌈𝑊 × 𝛾 𝛾𝐿 𝐻 +𝛾𝐿 ⌉; 𝑆𝑙𝑐ℎ𝑢𝑚𝑑𝑒𝑛𝐻 = 0; 𝑆𝑙𝑔𝑜𝑖𝑑𝑒𝑛𝐻 = 0; 𝑆𝑙𝑐ℎ𝑢𝑚𝑑𝑒𝑛𝐿 = 0; 𝑆𝑙𝑔𝑜𝑖𝑑𝑒𝑛𝐿 = 0; ∆𝑡 = ∆𝑡 + 0.0001𝑚𝑠; ENDIF ENDFOR RETUNR{𝑰𝑳 , 𝑰𝑯 }; FUCNTION BFVF(ub,W): INPUT - 𝑢𝑏(𝑠𝑢𝑏 , 𝑒𝑢𝑏 ): chùm đến chưa lập lịch, - 𝑊: Số kênh liên kết W={1,2, ,w}; - 𝑆𝐵𝑘 tập chùm lập lịch kênh thứ k (k ∈ W); OUTOUT - 𝑠𝑐: kênh tương ứng để lập lịch cho chùm đến PHƯƠNG PHÁP: best_utilisation=; sc=-1; FOR EACH 𝑘 ∈ 𝑊 DO 𝑒0,𝑘 = 0; s|𝑆𝐵𝑘 |+1,k =< 𝑔𝑖á 𝑡𝑟ị 𝑙ớ𝑛 >; FOR EACH 𝑗 ∈ |𝑆𝐵𝑘 | DO IF(((𝑠𝑢𝑏 ≥ 𝑒𝑗,𝑘 ) ∧ (𝑠𝑗+1,𝑘 ≥ 𝑒𝑢𝑏 )) ∧ ((𝑠𝑗+1,𝑘 − 𝑒𝑗,𝑘 ) < 𝑏𝑒𝑠𝑡_𝑢𝑡𝑖𝑙𝑖𝑠𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛))) THEN 𝑏𝑒𝑠𝑡_𝑢𝑡𝑖𝑙𝑖𝑠𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 = 𝑠𝑗+1,𝑘 − 𝑒𝑗,𝑘 ; 𝑠𝑐 = 𝑘; ENDIF ENDFOR ENDFOR RETURN sc; Độ phức tạp giải thuật: O(𝑁 × log(𝑁)), với 𝑁 số chùm lớn lập lịch kênh NGUYỄN HỒNG QUỐC cs 140 MƠ PHỎNG PHÂN TÍCH KẾT QUẢ Để chứng minh tính hiệu giải thuật đề xuất thực cài đặt mô giải thuật lập lịch đề xuất để so sánh với giải thuật công bố, bao gồm SAC, DAC, LLAC Môi trường mô sử dụng gói NS2-obs0.9a [8] phần mềm C++, cài đặt máy tính CPU Intel Core i3 CPU 3.6 GHz, 4Gb RAM Mơ hình mạng mơ bao gồm nút lõi (𝐶1 𝐶2 ), nút lõi kết nối với nút biên (𝐸𝑖 , 𝑖 = 1, , 10) mơ tả Hình Giả sử luồng liệu đến nút biên có phân phối Poisson chùm sinh có kích thước thay đổi Mỗi liên kết có 16 kênh liệu kênh điều khiển Băng thông kênh từ nút biên đến nút lõi 10Gb/s, băng thông nút lõi 30Gb/s Mô thực với tải lưu lượng thay đổi từ 0.1 đến 0.9 thời gian 10 giây với khe thời gian dự đốn 100µs Hình Mơ hình mạng mơ Dumbell Một kết thống kê 100 khe thời gian dự đốn thể Hình 2a, Hình 2b cho thấy tải lưu lượng lớp ưu tiên cao thấp thay đổi giải thuật lập lịch điều chỉnh giá trị 𝑊𝐿 phụ hợp để đáp ứng tình trạng chùm đến cho thời điểm Hình (a) Tải lưu lượng lớp ưu tiên không ưu tiên, (b) số kênh WL tương ứng Qua kết mô thể Hình 3, so sánh xác suất chùm ưu tiên cao giải thuật cho thấy, giải thuật đề xuất có xác suất chùm thấp điều MỘT GIẢI THUẬT LẬP LỊCH ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ 141 cho thấy với cách dự đoán theo tải đến chùm lớp sau định phân phối tài nguyên kênh bước sóng hợp lý tận dụng tài nguyên tốt qua kết khẳng định giải thuật đề xuất giải vấn đề đảm bảo chất lượng dịch vụ tốt cho lớp ưu tiên cao Hình Xác suất chùm lớp ưu tiên Bên cạnh kết thể Hình 4, xác suất chùm lớp ưu tiên thấp giải thuật đề xuất giảm so với giải thuật cơng bố trước đó, qua cho thấy với cách dự đoán dựa tải lưu lượng để phân phối tài nguyên kênh bước sóng cho lớp dịch vụ phù hợp Hình Xác suất chùm hai lớp ưu tiên cao thấp NGUYỄN HỒNG QUỐC cs 142 KẾT LUẬN Bài báo đề xuất giải thuật lập lịch đảm bảo chất lượng dịch vụ với kênh bước sóng dành riêng cho chùm ưu tiên thấp thích nghi dựa tải lưu lượng đến khe thời gian quan sát Dựa phân tích kết mơ phỏng, giải thuật lập lịch đề xuất thể ưu điểm thông qua tỉ lệ chùm tổng thể thấp, tỉ lệ chùm luồng QoS thấp lượng thơng tin cần lưu trữ so với giải thuật lập lịch công bố quan trọng có hiệu tỷ lệ chùm ưu tiên thấp so với giải thuật công bố trước TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] C Qiao and M Yoo (1999) Optical Burst Switching (OBS) - A New Paradigm for an Optical Internet, J High Speed Networks, vol 8, no 716, pp 69–84 P Reviriego, J A Hernández, and J Aracil (2009) Assembly admission control based on random packet selection at border nodes in Optical Burst-Switched networks, Photonic Netw Commun., vol 18, no 1, pp 39–48, Aug 2009 Q Zhang, V M Vokkarane, J P Jue, and B Chen (2004) Absolute QoS differentiation in optical burst-switched networks, IEEE J Sel Areas Commun., vol 22, no 9, pp 1781–1795 I M Moraes and O C M B Duarte (2010) Using the Network Load for Admission Control in OBS Networks: A Multilink Approach, J Opt Commun Netw., vol 2, no 3, pp 137–147 M Nandi, A K Turuk, D K Puthal and S Dutta (2009) Best Fit Void Filling Algorithm in Optical Burst Switching Networks, IEEE Second International Conference on Emerging Trends in Engineering and Technology, 609-614 Yang, Mei, S Q Zheng, and Dominique Verchere (2001) A QoS supporting scheduling algorithm for optical burst switching DWDM networks Global Telecommunications Conference, 2001 GLOBECOM'01 IEEE Vol IEEE Garg, Amit Kumar (2012) A novel hybrid approach for efficient network utilization of OBS International Journal of Software Engineering and Its Applications 6.1 (2012): 47-60 Pham Trung Duc, Vo Viet Minh Nhat, https://www.isi.edu/nsnam/ns/ Title: A SCHEDULING ALGORITHM ASSURANCE IN OPTICAL BURST SWITCHING NETWORKS QUALITY SERVICE Abstract: Optical burst switching (OBS) is considered as a promising technology for the next generation of optical Internet and ensure the quality of service for the next generation optical Internet However, due to the lack of optical buffers at the core switches, it is more difficult to secure the quality of service for different services in a Optical Burst Switching Networks than traditional electronic networks There are already a number of scheduling algorithms available to address this problem, but scheduling algorithms ensure quality of service for priority and non-priority clusters through fixed the wavelength channel out without considering the MỘT GIẢI THUẬT LẬP LỊCH ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ 143 incoming traffic of the service layer In this study, we propose a scheduling algorithm with predictive method based on incoming load traffic of clusters to allocate reasonable wavelength resources for priority classes in the OBS network Analyzing and evaluating the effectiveness of simulation based scheduling algorithms will confirm the advantages of this proposed model Keywords: OBS networks, scheduling algorithm, service differentiation, resource allocation, load traffic prediction  ... đánh giá giải thuật lập lịch đề xuất mục IV phần kết luận MỘT GIẢI THUẬT LẬP LỊCH ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ 137 GIẢI THUẬT LẬP LỊCH ĐỀ XUẤT Xét liên kết (cổng) nút lõi mạng OBS mà chùm đến giả... Với giải thuật LA-FFVF sử dụng giải thuật lập lịch trực tiếp LAUC để lập lịch cho chùm ưu tiên cao sử dụng giải thuật FFUC-VF để lập lịch cho chùm ưu tiên thấp nhằm giảm độ phức tạp giải thuật. .. suất băng thông, giảm mát liệu, đảm bảo chất lượng cho dịch vụ khác nâng cao hiệu suất hoạt động mạng OBS Hiện có giải thuật lập lịch có xét đến chất lượng dịch vụ đề xuất gồm: GLAUC-VF (Generalized