Một số cơ chế truyền lại trong mạng chuyển mạch chùm quang

Chuyển mạch chùm quang được đánh giá là một trong những mô hình chuyển mạch gói trong miền quang khả thi nhất trong tương lai vì nó kết hợp được các ưu điểm của chuyển mạch kênh quang và chuyển mạch gói quang. Cũng như các mạng chuyển mạch gói khác, sự tranh chấp tài nguyên trong mạng chuyển mạch chùm quang là không thể tránh khỏi và khi đó mất chùm là điều tất yếu sẽ xảy ra. Vì vậy xử lý tranh chấp và phục hồi mất mát đóng vai trò rất quan trọng trong việc nâng cao hiệu năng mạng. Do đặc trưng của mạng chuyển mạch chùm quang là không có các bộ đệm tại nút lõi và sử dụng cơ chế đặt trước tài nguyên một chiều, truyền lại là một phương pháp phục hồi mất mát khả dụng nhất mà đang được các nhà nghiên cứu quan tâm. Bài báo này nghiên cứu một số mô hình truyền lại và phân tích đánh giá trên cơ sở mô phỏng một số cơ chế truyền lại trong mạng chuyển mạch chùm quang.

Tạp chí Khoa học Đại học Huế: Kỹ thuật Công nghệ; ISSN 2588–1175 Tập 127, Số 2A, 2018, Tr 121–129; DOI: 10.26459/hueuni-jtt.v127i2A.5080 MỘT SỐ CƠ CHẾ TRUYỀN LẠI TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG Dương Phước Đạt* Khoa Du lịch - Đại học Huế Abstract Chuyển mạch chùm quang đánh giá mơ hình chuyển mạch gói miền quang khả thi tương lai kết hợp ưu điểm chuyển mạch kênh quang chuyển mạch gói quang Cũng mạng chuyển mạch gói khác, tranh chấp tài nguyên mạng chuyển mạch chùm quang tránh khỏi chùm điều tất yếu xảy Vì xử lý tranh chấp phục hồi mát đóng vai trị quan trọng việc nâng cao hiệu mạng Do đặc trưng mạng chuyển mạch chùm quang đệm nút lõi sử dụng chế đặt trước tài nguyên chiều, truyền lại phương pháp phục hồi mát khả dụng mà nhà nghiên cứu quan tâm Bài báo nghiên cứu số mơ hình truyền lại phân tích đánh giá sở mơ số chế truyền lại mạng chuyển mạch chùm quang Từ khóa: Mạng chuyển mạch chùm quang, truyền lại, phục hồi mát, xác suất chùm Giới thiệu Chuyển mạch chùm quang (Optical Burst Switching - OBS) giải pháp đầy hứa hẹn cho lớp quang động nhằm hỗ trợ cho Internet hệ [1] Chuyển mạch chùm quang xem trung hồ tính chất tĩnh chuyển mạch kênh quang (Optical Circuit Switching) tính chất động tương lai chuyển mạch gói quang (Optical Packet Switching) [2] Đặc trưng mạng OBS gói điều khiển (BCP – Burst control packet) chùm liệu truyền tách rời Dữ liệu (chẳng hạn gói tin IP, tế bào ATM, …) có đích đến tập hợp nút biên vào; độ dài chùm thời gian tập hợp đạt ngưỡng định trước, BCP chứa thông tin chùm tương ứng độ dài chùm, địa đích đến tạo gửi trước kênh điều khiển để thiết lập, đặt trước tài nguyên cho chùm liệu Chùm liệu tương ứng gửi kênh liệu sau khoảng thời gian offset Vì vậy, BCP cần chuyển đổi quang điện nút trung gian, chùm liệu truyền thông suốt mạng * Liên hệ: dpdat@hueuni.edu.vn Nhận bài: 22–12–2018; Hoàn thành phản biện: 5–01–2019; Ngày nhận đăng: 22–1–2019 Dương Phước Đạt Tập 127, Số 2A, 2018 Với đặc tính khơng có đệm nút lõi việc sử dụng giao thức đặt trước tài nguyên chiều Just-Enough-Time (JET) [1], [3]và Just-In-Time (JIT) [4], [5], chùm tranh chấp với nút trung gian Tranh chấp xảy nhiều chùm từ cổng vào khác cần rời nút lõi qua cổng bước sóng thời điểm Tranh chấp nguyên nhân chùm làm giảm hiệu suất lớp cao Có nhiều chế đề xuất để giải vấn đề tranh chấp mạng OBS chuyển đổi bước sóng [6], định tuyến lệch hướng [7], đệm đường trễ quang (FDL- fiber delay line) [8], …; chế yêu cầu kỹ thuật phức tạp chi phí cao Truyền lại giải pháp để giảm tỉ lệ chùm mạng chuyển mạch chùm quang [9] Q Zhang cộng phân tích mơ hình truyền lại mạng chuyển mạch chùm quang, đồng thời so sánh hiệu truyền lại định tuyển lệch hướng [10] Một nghiên cứu khác Torra cộng đánh giá hiệu mơ hình truyền lại mạng hình (star network) [8] Trong báo này, thực phân tích đánh giá hiệu số chế truyền lại thông qua mô nhằm đánh giá hiệu chúng Bài báo tổ chức thành phần, Phần giới thiệu Kết luận hai phần cịn lại nội dung chính, bao gồm: Phần giới thiệu số chế truyền lại mạng chuyển mạch chùm quang Phần mô phỏng, phân tích, so sánh trường hợp: khơng có sử dụng dụng chế truyền lại với hai khả chuyển đổi bước sóng xem xét: khơng, có khả chuyển đổi hoàn toàn Cuối phần kết luận Truyền lại mạng chuyển mạch chùm quang Các mơ hình truyền lại tầng TCP nghiên cứu thời gian dài triển khai rộng rãi Việc truyền lại tầng OBS khác với tầng TCP chế gói (hoặc chùm) hai tầng không giống Trong TCP/IP việc gói tin xảy tràn đệm, chùm tranh chấp tài nguyên xảy ngẫu nhiên nút lõi Mặt khác, kích thước gói tin IP khoảng 10KB, chùm bao gồm nhiều gói tin IP nên kích thước chùm lớn (10 - 100MB) Khi xảy chùm, độ trễ lớn xử lý phức tạp việc truyền lại hàng ngàn gói tin IP thực tầng TCP, việc thực truyền lại chùm chứa gói tin có hành trình đích đến tầng OBS đơn giản giảm độ trễ đáng kể Và vậy, việc truyền lại chùm tầng OBS hiệu truyền lại gói IP tầng TCP Đối với việc truyền lại chùm mạng chuyển mạch chùm quang, ngồi thơng tin bản, gói tin điều khiển (BCP) cịn lưu thêm thơng tin ID chùm, chùm gán ID Nút biên vào trang bị đệm chùm để lưu lại chùm phục vụ cho việc truyền lại chùm nút lõi giả thiết có khả gửi gói tin phản hồi (ARQ - Automatic Repeat reQuest NACK - Negative ACKnowledgement) nút biên 122 jos.hueuni.edu.vn Tập 127, Số 2A, 2018 vào nút đích trang bị khả gửi gói tin thơng báo (ACK - Acknowledgement) nhận chùm nút nguồn Ý tưởng chế truyền lại gói tin điều khiển gửi đến nút lõi để đặt trước tài nguyên cho chùm, nút biên lưu trữ chùm tương ứng để phục vụ truyền lại [9] Như mơ tả Hình , gói tin điều khiển (BCP) truyền nút biên vào thời điểm t0, chùm gửi sau gói tin điều khiển khoảng thời gian offset vào thời điểm t1 Tại thời điểm t2 chùm lập lịch nút trung gian (Nút lõi 3), thông báo lỗi ARQ từ nút gởi trở lại nút biên vào Nút biên vào nhận thông báo ARQ thời điểm t3 gởi lại BCP truyền lại chùm thời điểm t4 sau khoảng thời gian offset Giả sử việc truyền lần thứ hai thành công thời điểm t5 chùm đến nút đích Tương tự sách truyền lại gói tin IP, chùm có ngưỡng thời gian tồn đệm thiết lập dựa giới hạn hành trình đầu cuối (chẳng hạn, round trip time – RTT) trung bình thời gian sống gói tin mang chùm Hai tham số quan trọng chế truyền lại mạng chuyển mạch chùm quang độ trễ kích thước đệm lưu trữ chùm nút biên vào Trong mạng chuyển mạch chùm quang, chùm gửi sau gói tin tin điều khiển khoảng thời gian offset Thời gian offset bao gồm thời gian xử lý gói tin điều khiển (Tp) thời gian cấu hình (Tg) tất nút trung gian (Nh), độ trễ đầu - cuối tối đa cho phép truyền lại chùm là: Tmax = 2*(Tg + Nh*Tp) Nút biên vào Nút lõi Nút lõi (1) Nút lõi Nút biên BCP BCP Thời gian Hình Cơ chế truyền lại mạng OBS 123 Dương Phước Đạt Tập 127, Số 2A, 2018 Trên sở kỹ thuật truyền lại chum đề xuất A Maach, G Bochmann, H Mouftah [9] hai cải tiến tác giả A Agustí-torra, G Bochmann, C Cervelló-pastor, and K E Ave đề xuất cho chuyển mạch chùm quang mạng hình [8] Cải tiến thứ tác tác giả [11] (Retransmission scheme version 2) yêu cầu nút lõi phải có khả tính tốn để lập lịch lại cho chùm bị rơi tranh chấp tài nguyên Cụ thể, cấp phát tài nguyên cho chùm đó, nút lõi tính tốn thời điểm cấp phát tài nguyên cho việc lập lịch lại chùm bị rơi gửi thông tin (Core Reserve Packet) cho nút biên vào để báo thời điểm thích hợp truyền lại chùm Đề xuất rõ ràng không giảm tranh chấp tài nguyên lần truyền chùm đảm bảo truyền lại chùm thành công số lần truyền lại chùm nhỏ hai với điều kiện nút lõi có khả lập lịch chùm bị rơi Trong trường hợp xấu nhất, số lần truyền tối đa hai lần; điều tăng thời gian lưu giữ chùm đệm chùm tăng số lượng chùm truyền dẫn đến mạng tải Đối với cải tiến thứ hai (Retransmission scheme version 3) , đệm nút biên đảm bảo ngưỡng cho phép, việc truyền lại áp dụng chế truyền lại cải tiến thứ Ngược lại, đệm nút biên vượt ngưỡng quy định, nút biên không thực việc truyền chùm mà gửi gói tin điều khiển (Reservation Request Packet - RRP) đến nút lõi không truyền chùm nút lõi cấp phát tài nguyên cho chùm tương ứng có gửi gói tin phản hồi (Core Reserve Packet - CRP) cho nút biên (Hình ) Cụ thể, có hai chế độ truyền lại:  Chế độ bình thường: Bộ đệm chùm có khả lưu chùm, nút biên thực truyền lại theo cải tiến thứ nhất;  Chế độ u cầu: Bộ đệm chùm khơng cịn khả lưu chùm vượt ngưỡng cho trước, nút biên u cầu nút lõi tính tốn thời điểm gửi chùm Hai cải tiến đề xuất [11] rõ ràng làm giảm xác suất chùm, nhiên nút biên cần trang bị đệm chứa chùm đủ lớn chưa xét đến chi phí tính tốn nút lõi xảy chùm Hình Mơ hình truyền lại [11] 124 jos.hueuni.edu.vn Tập 127, Số 2A, 2018 Các chế thực truyền lại chùm bước sóng hành trình so với chùm gốc (orginnal burst) truyền trước Điều dẫn đến chùm truyền lại tiếp tục bị đánh rơi Ngày nay, với công nghệ WDM (Wavelength-division multiplexing) DWDM (Dense Wavelength-division multiplexing), sợi quang chứa hàng trăm kênh bước sóng truyền lại chùm sử dụng bước sóng khác so với bước sóng dùng để truyền chùm gốc Ngồi hành trình thời gian truyền lại xem xét thực truyền lại chùm Mỗi yếu tố (bước sóng truyền lại, thời gian truyền lại, hành trình truyền lại) có trạng thái sau [12]: Hình Các trường hợp truyền lại dựa vào thời gian, bước sóng, hành trình truyền lại chùm Thời gian truyền lại (t): Truyền lại chùm nhận thông báo (0) Truyền lại chùm sau khoảng thời gian (1) Bước sóng (w): Truyền lại chùm bước sóng cũ (0) Truyền lại chùm bước sóng khác (1) Hành trình (r): Truyền lại chùm theo hành trình cũ (0) Truyền lại chùm theo hành trình khác (1) Có thể cơng thức hóa thời gian truyền lại (t), bước sóng (w) hành trình (r) truyền lại thành ba (t,w,r) tương ứng, giá trị t, w, r mang giá trị tương ứng với trường hợp nêu (Hình ) Kết hợp yếu tố tạo thành tám (23) trường hợp truyền lại 125 Dương Phước Đạt Tập 127, Số 2A, 2018 Trong phần tiếp theo, thực mô chế truyền lại trường hợp: khơng có sử dụng dụng chế truyền lại với hai khả chuyển đổi bước sóng xem xét: khơng, có khả chuyển đổi hoàn toàn xét đến thời điểm truyền lại chùm Mơ phân tích kết Để minh chứng tính hiệu chế truyền lại mạng chuyển mạch chùm quang tác giả thực cài đặt chế truyền lại, chùm truyền lại từ nguồn, với khả chuyển đổi bước sóng hồn tồn khơng có khả chuyển đổi bước sóng Mơi trường mơ phần mềm mơ NS2 với gói NS2-obs0.9a ngơn ngữ lập trình C++, cài đặt máy tính CPU Intel Core i3 CPU 3.6 GHz, 4Gb RAM Mạng mô mạng Dumpbell bao gồm nút lõi (C1 C2), nút lõi kết nối với nút biên (Ei, i = 0, , 9) mô tả Hình Giả sử luồng liệu đến nút biên có phân phối Poisson chùm sinh có kích thước thay đổi theo hàm số mũ 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 chuẩn hóa từ 0.1 đến 0.9 E0 E1 E5 10 Gbps 10 Gbps 10 Gbps E2 10 Gbps E6 10 Gbps C0 30 Gbps C1 10 Gbps E7 10 Gbps 10 Gbps E3 10 Gbps E4 10 Gbps E8 E9 Hình Mơ hình mạng Dumbell Trong mơ này, thời gian trễ cho việc truyền lại chùm thiết lập thời gian tối đa cho phép truyền lại chùm: Tmax = 2*(Tg + Nh*Tp ) Kết Hình thể so sánh xác suất chùm áp dụng chế truyền lại cho thấy xác suất chùm giảm, chế truyền lại sau thời gian trễ có xác suất chùm thấp Điều giải thích sau: Khi tải cao, việc truyền lại thời điểm nhận thông báo tắc nghẽn làm tăng tải dẫn đến chùm tiếp tục xảy 126 jos.hueuni.edu.vn Tập 127, Số 2A, 2018 Hình So sánh xác suất chùm áp dụng chế truyền lại truyền lại sau thời gian trễ trường hợp nút lõi khơng có khả chuyển đổi bước sóng Kết thể Hình cho thấy độ trễ chùm với chế truyền lại sau thời gian trễ cao so với truyền lại nhận gói tin phản hồi Tuy nhiên khơng áp dụng chế truyền lại, xảy việc chùm, tầng TCP/IP phải gửi lại hàng ngàn gói tin IP, đồng thời nút biên vào thực lại việc tập hợp gói tin IP Điều nhiều thời gian so với áp dụng chế truyền lại, Do độ trễ truyền lại sau thời gian trễ thấp nhiều so với độ trễ phải gửi lại tập hợp gói tin IP từ nút biên vào Hình So sánh độ trễ trung bình áp dụng chế truyền lại tầng OBS truyền lại gói tin IP Kết thể Hình cho thấy sử dụng chuyển đổi bước sóng hồn tồn nút lõi mạng, xác suất chùm giảm Điều khẳng định việc sử dụng chuyển đổi bước sóng làm giảm tắc nghẽn mạng hiệu Tuy nhiên tải tăng, số lượng chùm đến thời điểm cổng tăng dẫn đến việc chùm khơng thể tránh khỏi Vì cần áp dụng chế truyền lại để giảm thiểu mát chùm Kết thể Hình cho thấy sử dụng chuyển đổi bước sóng hồn tồn nút lõi mạng làm giảm đáng kể độ trễ trung bình so với trường hợp nút lõi khơng trang bị chuyển đổi bước sóng Mặc dù độ trễ truyền lại sau thời gian trễ thấp nhiều so với độ trễ phải gửi lại tập hợp gói tin IP từ nút biên vào, nhiên cần xem xét thời điểm truyền lại chùm tối ưu để tăng tỉ lệ chùm truyền lại thành cơng giảm độ trễ trung bình chế truyền lại chùm mang lại 127 Dương Phước Đạt Tập 127, Số 2A, 2018 Hình So sánh xác suất chùm áp dụng chế truyền lại truyền lại sau thời gian trễ trường hợp nút lõi có khả chuyển đổi bước sóng hồn tồn Hình So sánh độ trễ trung bình áp dụng chế truyền lại tầng OBS truyền lại gói tin IP trường hợp nút lõi trang bị chuyển đổi bước sóng hồn tồn Kết luận Đóng góp báo phân tích mơ hình truyền lại trước đây, từ thực cài đặt mơ số trường hợp truyền lại để đánh giá hiệu chế truyền lại tầng OBS dựa xác suất chùm, so sánh độ trễ truyền lại tầng OBS truyền lại gói tin tầng TCP/IP Các kết báo rằng, xác suất chùm độ trễ trung bình giảm có sử dụng chế truyền lại tầng OBS Việc phân tích nhằm đánh giá tác động truyền lại hiệu mạng chuyển mạch chùm quang từ đưa cải tiến chế truyền lại kết hợp tầng OBS chế điều khiển tầng TCP/IP nhằm tăng hiệu chế truyền lại chùm để tăng hiệu mạng Tài liệu tham khảo C Qiao and M Yoo, Optical Burst Switching (OBS) - A New Paradigm for an Optical Internet, J High Speed Networks, vol 8, no 716, pp 69–84, 1999 Y Shun, B Mukherjee, and S Dixit, Advances in photonic packet switching: an overview, IEEE Commun Mag., vol 38, no 2, pp 84–94, 2000 128 jos.hueuni.edu.vn Tập 127, Số 2A, 2018 C Qiao and M Yoo, Choices, Features, and Issues in Optical Burst Switching, Opt Networks Mag., vol 1, pp 36–44, 2000 G N Rouskas, Jumpstart: A just-in-time signaling architecture for WDM burst-switched networks, in LEOS Summer Topical Meeting, 2002, vol 2002–Janua, pp 19–20 J Y Wei and R I McFarland, Just-in-time signaling for WDM optical burst switching networks, J Light Technol., vol 18, pp 2019–2037, 2000 A Rajabi, A Dadlani, F Hormozdiari, A Khonsari, A Kianrad, and H S Razi, Analysis of the impact of wavelength converters on contention resolution in optical burst switching, in Proceedings - 2nd Asia International Conference on Modelling and Simulation, AMS 2008, 2008 S K Lee, K Sriram, H S Kim, and J S Song, Contention-based limited deflection routing protocol in optical burst-switched networks, IEEE J Sel Areas Commun., 2005 D Tafani, C McArdle, and L P Barry, A two-moment performance analysis of optical burst switched networks with shared fibre delay lines in a feedback configuration, Opt Switch Netw., 2012 A Maach, G Bochmann, and H Mouftah, Robust optical burst switching, 11th Int Telecommun Netw Strateg Plan Symp NETWORKS 2004, pp 447–452, 2004 10 Q Zhang, V M Vokkarane, Y Wang, and J P Jue, Evaluation of burst retransmission in optical burstswitched networks, 2nd Int Conf Broadband Networks, BROADNETS 2005, vol 2005, pp 297–303, 2005 11 A Agustí-torra, G Bochmann, C Cervelló-pastor, and K E Ave, Retransmission schemes for Optical Burst Switching over star networks, Second IFIP Int Conf Wirel Opt Commun Networks, 2005 WOCN 2005., no version 1, 2005 12 P Zhang, J Liao, Y He, Z Li, and H Wu, Comparison of retransmission schemes in optical burst switched networks, Proc SPIE - Int Soc Opt Eng., vol 6784, pp 1–8, 2007 129 ... thời gian sống gói tin mang chùm Hai tham số quan trọng chế truyền lại mạng chuyển mạch chùm quang độ trễ kích thước đệm lưu trữ chùm nút biên vào Trong mạng chuyển mạch chùm quang, chùm gửi sau... khả chuyển đổi hoàn toàn xét đến thời điểm truyền lại chùm Mơ phân tích kết Để minh chứng tính hiệu chế truyền lại mạng chuyển mạch chùm quang tác giả thực cài đặt chế truyền lại, chùm truyền lại. .. (t): Truyền lại chùm nhận thông báo (0) Truyền lại chùm sau khoảng thời gian (1) Bước sóng (w): Truyền lại chùm bước sóng cũ (0) Truyền lại chùm bước sóng khác (1) Hành trình (r): Truyền lại chùm