Kỹ thuật phân đoạn chùm trong mạng chuyển mạch chùm quang

Bài viết này nhằm phân tích một số kỹ thuật phân đoạn chùm kết hợp với lập lịch và đường trễ quang FDL; đánh giá thông qua gói mô phỏng OBS0.9a trên phần mềm mô phỏng NS2-OBS.

Kỷ yếu Hội nghị Khoa học Quốc gia lần thứ IX “Nghiên cứu ứng dụng Công nghệ thông tin (FAIR'9)”; Cần Thơ, ngày 4-5/8/2016 DOI: 10.15625/vap.2016.00033 KỸ THUẬT PHÂN ĐOẠN CHÙM TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG Mai Hồng Thiên, Đặng Thanh Chương hoangthien1237@gmail.com, dtchuong@gmail.com TĨM TẮT— Bài toán tắc nghẽn mạng chuy n mạch ch m quang (Optical Burst Switching - BS c em toán quan trọng cần giải Trong mạng BS, tắc nghẽn ch m c th u t hi hai ch m d liệu t hai c ng vào hác cố gắng i c ng c ng ra, c ng ênh b ớc s ng c ng thời i m Các giải pháp lý tắc nghẽn bao gồm thực chuy n i b ớc s ng, sử dụng ờng trễ quang (Fiber Delay Line - FDL làm trễ hay ịnh tuyến lệch h ớng Bài viết nhằm phân tích số ỹ thuật phân oạn ch m ết h p với lập lịch ờng trễ quang FDL Kết viết c ánh giá thông qua g i mô OBS0.9a phần mềm mô NS2-OBS Từ khóa — Mạng chuy n mạch ch m quang, phân oạn chùm, phần mềm mô NS2-OBS I GIỚI THIỆU Lịch sử phát triển mạng truyền dẫn quang trải qua giai đoạn, từ mạng chuyển mạch kênh quang (Optical Channel Switching – OCS), chuyển mạch chùm quang chuyển mạch gói quang (Optical Packet Switched – OPS) Mạng chuyển mạch kênh quang không đáp ứng nhu cầu internet tốc độ cao, chuyển mạch chiếm giữ kênh truyền riêng hai máy kết thúc trình truyền Mạng chuyển mạch gói quang mục tiêu hướng đến nhà nghiên cứu phát triển mạng quang, nhiên có đặc điểm chuyển mạch gói quang chưa thể xây dựng đệm quang điểm trung gian Vì vậy, mơ hình mạng chuyển mạch chùm quang thường lựa chọn giải pháp dung hòa ưu điểm mơ hình chuyển mạch kênh mơ hình chuyển mạch gói Hơn mạng chuyển mạch chùm quang khơng u cầu đệm quang suốt với tầng điều khiển Cũng mạng chuyển mạch gói khác, mạng OBS ln tồn khả xảy tranh chấp chùm với chùm khác cổng nút Sự tranh chấp xảy nhiều chùm đến từ nhiều cổng vào khác định tuyến đến cổng thời điểm yêu cầu kênh (bước sóng) Điển hình việc giải tranh chấp mạng chuyển mạch gói điện tử truyền thống quản lý thông qua đệm, nhiên lĩnh vực quang, việc sử dụng đệm nút gặp khó khăn (về mặt công nghệ) Để giải tranh chấp giảm chùm, số phương pháp sau sử dụng như: thay đổi thời gian đến cổng chùm liệu cách sử dụng đường trễ quang [3][9], thay đổi bước sóng chùm cách sử dụng chuyển đổi bước sóng [3][9], thay đổi cổng chùm cách định tuyến lệch hướng [3][10] hay phân đoạn chùm [1][3][4][6][9] Trong viết này, tập trung nghiên cứu số k thuật phân đoạn chùm nhằm giảm việc gói tin (trong chùm) cách ch đánh rơi (drop) số gói tin chùm bị t c nghẽn (thay đánh rơi tồn chùm phương pháp giải t c nghẽn khác) II PHÂN ĐOẠN CHÙM TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG Tại nút lõi mạng OBS, có tranh chấp hai chùm mà giải phương pháp sử dụng FDL, chuyển đổi bước sóng hay định tuyến lệch hướng hai chùm bị đánh rơi, chồng lấp (gây tranh chấp) nhỏ Vì vậy, để hạn chế việc gói tin chùm, giải pháp đề xuất [6] gọi phân đoạn chùm (burst segmentation), ch gói tin đoạn bị chồng lấp chùm bị đánh rơi thay đánh rơi toàn chùm Với phương pháp này, rõ ràng xác xuất gói tin mạng OBS giảm đáng kể [6] Trong viết trình bày k thuật phân đoạn chùm điều khiển tránh t c nghẽn nút lõi mạng OBS kết hợp k thuật phân đoạn giải pháp khác kết hợp với giải thuật lập lịch (NonPreemptive Minimum Overlap Channel - NPMOC, Non-Preemptive Minimum Overlap Channel With Void Filling NPMOC-VF), kết hợp với việc sử dụng FDL (Non-Preemptive Delay-First Minimum Overlap Channel - NP-DFMOC, Non-Preemptive Delay-First Minimum Overlap Channel With Void Filling - NP-DFMOC-VF) nhằm tăng hiệu giải pháp phân đoạn Ngoài ra, viết phát triển thêm số phương án đánh rơi giải thuật NPMOC, NPMOC-VF bao gồm: đánh rơi đầu, đánh rơi đuôi đánh rơi đầu lẫn đuôi A Các kỹ thuật phân đoạn chùm mạng chuyển mạch chùm quang Trong k thuật phân đoạn chùm, chùm chia thành phân đoạn, phân đoạn bao gồm phần đầu phân đoạn (header) tải trọng (payload) Các header chứa khoản cho bit đồng bộ, thông tin sửa lỗi, thơng tin nguồn đích, độ dài phân đoạn Các payload mang theo loại liệu, chẳng hạn gói IP gói ATM Mai Hồng Thiên, Đặng Thanh Chương 267 Hình Chi tiết phần đầu phân đoạn Khi hai chùm tranh chấp với mạng OBS, thay rơi tồn chùm ch có phân đoạn chồng lấp bị đánh rơi, thể Hình (a) Đánh rơi phần đầu (b) Đánh rơi phần Hình Hai cách tiếp cận đánh rơi phân đoạn chùm Một vấn đề phân đoạn chùm việc lựa chọn phương án đánh rơi phân đoạn chồng lấp có tranh chấp xảy hai chùm Có hai cách tiếp cận phương án đánh rơi, gồm:  Đánh rơi phần ầu, phân đoạn đầu chùm bị tranh ch p bị đánh rơi (Hình 2.a)  Đánh rơi phần i, phân đoạn chùm ến (Hình 2.b) bị đánh rơi Ưu điểm ánh rơi phần uôi so với ánh rơi phần ầu phân đoạn chùm không làm thay đổi trật tự các gói tin đích đến, giả định gói tin truyền lại sau thời gian [6] Ngồi ra, để tăng tính hiệu phương pháp phân đoạn việc giảm thiểu xác xuất chùm, phân đoạn chùm kết hợp với số giải pháp khác như: phân đoạn kết hợp với lập lịch chùm [1][8], phân đoạn kết hợp với FDL, phân đoạn kết hợp với định tuyến lệch hướng phân đoạn kết hợp với lập lịch lại B Các kỹ thuật phân đoạn kết hợp Phân đoạn kết hợp lập lịch Phần tập trung vào giải thuật phân đoạn kết hợp với lập lịch, theo ưu tiên cho việc lập lịch trước, khơng tìm thấy kênh khả dùng tiếp tục thực phương án phân đoạn, điều cho ph p làm giảm t lệ gói tin tốt so với giải thuật lập lịch a) Giải thuật NPMOC Ý tưởng giải thuật NPMOC kết hợp giải thuật LAUC phân đoạn chùm Giải thuật NPMOC dựa vào giá trị LAUT kênh liệu Khi khơng tìm thấy kênh khả dụng để lập lịch cho chùm giải thuật lập lịch NPMOC xem x t tất kênh liệu tìm kiếm kênh có khoảng chồng lấp nhỏ để tiến hành phân đoạn lập lịch cho chùm chưa lập lịch Khoảng chồng lấp tính Overlap = LAUTi - Tub Như mơ tả Hình 3, với chùm đến trạng thái chùm lập lịch kênh, giải thuật lập lịch NPMOC tiến hành phân đoạn lập lịch cho chùm (chưa lập lịch) kênh D sau c t bỏ phần chồng lấp nhỏ Hình Minh họa thuật tốn lập lịch NPMOC 268 KỸ THUẬT PHÂN ĐOẠN CHÙM TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG Giải thuật NPMOC xây dựng lại dựa theo ý tưởng mô tả [6] sau: Function NPMOC(Tub, Lb, W) Input: Tub, Lb, W Output: selectedChannel, Tub1, Lb1 Process minOverlap   selectedChannel  -1 selectedChannel  LAUC(Tub, Lb, W) if (selectedChannel -1) then return selectedChannel, Tub, Lb for each (i  W) if (Tub < LAUTi) then Overlapi  LAUTi - Tub if (Overlapi < minOverlap) then 10 minOverlap  Overlapi 11 selectedChannel  i 12 end if 13 end if 14 end for 15 if (selectedChannel -1) then 16 Tub1  Tub + minOverlap 17 Lb1  Lb – minOverlap 18 return selectedChannel, Tub1, Lb1 19 end if 20 return selectedChannel, Tub, Lb b) Giải thuật NPMOC-VF Ý tưởng giải thuật NPMOC-VF là kết hợp giải thuật LAUC-VF với phân đoạn chùm giải thuật cải tiến giải thuật NPMOC Giải thuật kết hợp NPMOC-VF tiến hành tìm kiếm kênh khả dụng Khi khơng tìm thấy kênh khả dụng để lập lịch cho chùm chưa lập lịch (với giải thuật LAUC-VF) giải thuật NPMOC-VF ưu tiên xem x t tất kênh liệu nhóm lấp đầy khoảng trống trước tìm kiếm kênh có khoảng chồng lấp nhỏ để tiến hành phân đoạn lập lịch cho chùm chưa lập lịch Giải thuật NPMOC-VF xếp vào nhóm lập lịch lấp đầy khoảng trống Trong giải thuật NPMOC-VF, ta chia nhiều phương án đánh rơi chùm bị chồng lấp như: đánh rơi phần đầu, đánh rơi phần đuôi, đánh rơi lúc phần đầu phần đuôi[3][6] Tương tự NPMOC, giải thuật NPMOC-VF xây dựng dựa theo [6] sau: Function NPMOC-VF(Tub, Lb, W) Input: Tub, Lb, W Output: selectedChannel, Tub1, Lb1 Process minOverlap   selectedChannel  -1 selectedChannel LAUC-VF(Tub, Lb, W) if (selectedChannel-1) then //trường hợp không phân đoạn return selectedChannel, Tub, Lb for each (i  W) if ((Tub < Ei,0) and (Tub+Lb) < Si,1) then //Đánh rơi đoạn đầu Overlapi  Tub – Ei,0 if (Overlapi < minOverlap) then 10 minOverlap  Overlapi 11 selectedChannel  i 12 end if 13 end if 14 end for 15 if (selectedChannel -1) then //Cập nhật lại thông tin chùm 16 Tub1 = Tub + minOverlap 17 Lb1 = Lb - minOverlap 18 return selectedChannel, Tub1, Lb1 19 end if 20 for each (i  W) 21 if (Tub > Ei,0) and ((Tub+Lb)>Si,1) then //Đánh rơi đoạn đuôi 22 Overlapi  Tub + Lb - Si,1 23 if (Overlapi < minOverlap) then Mai Hoàng Thiên, Đặng Thanh Chương 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 269 minOverlap  Overlapi selectedChannel  i end if end if end for if (selectedChannel -1) then //Cập nhật lại thông tin chùm Tub1  Tub Lb1  Lb - Tub return selectedChannel, Tub1, Lb1 end if for each (i  W) if ((Tub < Ei,0) and (Tub+Lb) > Si,1) then //Đánh rơi đoạn đầu đuôi Overlapi  (Ei,0 – Tub) + ((Tub+Lb)-Si,1) if (Overlapi < minOverlap) then minOverlap  Overlapi selectedChannel  i end if end for if (selectedChannel -1) then //Cập nhật thông tin chùm Tub1 = sselectedChannel Lb1 = Lb - minOverlap return selectedChannel, Tub1, Lb1 end if for each (i  W)//Kiểm tra trường hợp không lấp đầy khoảng trống if (Tub < LAUTi) then Overlapi  LAUTi - Tub if (Overlapi < minOverlap) then //chọn kênh chồng lấp nhỏ minOverlap  Overlapi selectedChannel  i end if end if end for if (selectedChannel -1) then //Cập nhật lại thông tin chùm Tub1  Tub + minOverlap Lb1  Lb – minOverlap return selectedChannel, Tub1, Lb1 end if return selectedChannel, Tub, Lb (a) NPMOC-VF với đánh rơi phần đầu KỸ THUẬT PHÂN ĐOẠN CHÙM TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG 270 (b) NPMOC-VF với đánh rơi phần đuôi (c) NPMOC-VF với đánh rơi lúc phần đầu phần Hình Minh họa thuật tốn lập lịch khơng ưu tiên NPMOC-VF Áp dụng giải thuật NPMOC-VF ví dụ Hình 4.a, nhận thấy rằng, kênh liệu D0 có chồng lấp nhỏ chùm chưa lập lịch lập lịch D0 Ở đây, ch đoạn chồng lấp chùm không lập lịch bị loại bỏ thay tồn chùm chưa lập lịch trường hợp LAUC-VF Độ phức tạp thuật tốn NPMOCVF O(log(W Nb)) Ngồi ra, trường hợp Hình 4.b Hình 4.c xem x t tương tự Phân đoạn kết hợp với đường trễ FDL Việc sử dụng FDLs mạng quang mang lại cải tiến quan trọng [3][9] Trong phần này, mô tả số thuật tốn lập lịch khơng thứ tự ưu tiên dựa phân đoạn kết hợp FDL, gồm:  Các thuật toán lập lịch độ trễ đầu tiên: Thuật toán NP-DFMOC NP-DFMOC-VF cải tiến thuật tốn LAUC LAUC-VF kết hợp với FDL phân đoạn chùm để giải chùm nơi xảy tranh chấp  Các thuật toán lập lịch đoạn đầu tiên: Thuật toán NP-SFMOC NP-SFMOC-VF thực chất cải tiến giải thuật LAUC, LAUC-VF kết hợp với phân đoạn chùm FDL để truyền lại phân đoạn bị đánh rơi a) Giải thuật NP-DFMOC Ý tưởng giải thuật NP-DFMOC kết hợp giải thuật lập lịch LAUC với phân đoạn chùm (dựa khoảng chồng lấp nhỏ nhất) đường trễ FDL (dựa thời gian MAX_DELAY) để lập lịch cho chùm chưa lập lịch [9] Hình Minh họa giải thuật NP-DFMOC Mai Hoàng Thiên, Đặng Thanh Chương 271 Ví dụ Hình 5, liệu kênh D1 có khoảng chồng lấp nhỏ thỏa mãn MAX_DELAY chùm chưa lập lịch làm trễ lập lịch kênh D1 b) Giải thuật NP-DFMOC-VF Giải thuật NP-DFMOC-VF cải tiến giải thuật NP-DFMOC, kh c phục nhược điểm giải thuật NP-DFMOC với việc tận dụng khoảng trống kênh lập lịch Hình Minh họa giải thuật NP-DFMOC-VF Ví dụ Hình 6, áp dụng thuật toán NP-DFMOC-VF, ta thấy kênh D1 có khoảng chồng lấp nhỏ thỏa mãn MAX_DELAY chùm chưa lập lịch làm trễ lập lịch kênh D1 III M PH NG, PHÂN T CH V M H NH MINH H A Những mơ trình bày viết thực máy tính với CPU Intel Core CPU 2.4 Ghz, 2G nhớ RAM Kết mô dựa gói mơ phần mềm mơ NS2-OBS0.9a [11][12] kết hợp với phần mềm Microsoft Excel 2013 để phân tích kết Mơ tập trung giải thuật lập lịch đề xuất cho mạng chuyển mạch chùm quang Topo mạng chuyển mạch chùm quang thực mô mạng dumbbell tạo thành từ nút lõi (C i, i=1,2), nút lõi kết nối với 18 nút biên mơ tả Hình 7, luồng liệu đến theo phân phối Poisson Các chùm sinh thời điểm thay đổi có kích thước thay đổi Có kênh liệu kênh điều khiển liên kết Băng thông kênh 10Gb/s Lưu lượng liệu đến nút có phân bố Poisson với mật độ từ 0.1 đến 0.9 Erlang Hình Mơ hình mạng mơ Chúng ta đánh giá giải thuật lập lịch kết hợp phân đoạn chùm dựa xác xuất rơi gói tin theo mơ hình mạng mơ Hình KỸ THUẬT PHÂN ĐOẠN CHÙM TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG Xác xuất rơi gói tin 272 Tải (Erlang) Hình So sánh xác xuất rơi gói tin tồn mạng giải thuật LAUC NPMOC Xác xuất rơi gói tin Ở kết mơ Hình ch giải thuật lập lịch kết hợp phân đoạn NPMOC hiệu LAUC, thể việc xác xuất rơi gói tin Vì trình bày phần 2, giải thuật NPMOC giảm thiểu t lệ chùm kênh liệu tốt giải thuật LAUC giải thuật NPMOC ch đánh rơi phân đoạn bị chồng lấp thay đánh rơi tồn chùm giải thuật LAUC Tải (Erlang) Hình So sánh xác xuất rơi gói tin tồn mạng với giải thuật LAUC-VF NPMOC-VF.HEAD Xác xuất rơi gói tin Trong kết mơ Hình ch giải thuật lập lịch NPMOC-VF.HEAD hiệu giải thuật LAUC-VF thể việc xác xuất rơi gói tin giải thuật LAUC-VF Tải (Erlang) Hình 10 So sánh xác xuất rơi gói tin toàn mạng với giải thuật NPMOC-VF, NPMOC-VF.HEAD, NPMOC-VF.TAIL, NPMOC-VF.HEAD_TAIL Dựa vào kết mơ Hình 10, ta thấy rằng, phương án đánh rơi phương án đánh rơi phân đoạn bị chồng lấp đoạn đuôi tốt so với phương án đánh rơi phần đầu phương án đánh rơi lúc lúc phần đầu đuôi Như trình bày phần 2, phương án đánh rơi phần đuôi không làm thay đổi trật tự s p xếp gói tin chùm chưa lập lịch nên xác xuất rơi gói tin ln thấp Mai Hoàng Thiên, Đặng Thanh Chương Xác xuất rơi gói tin 273 Tải (Erlang) Hình 11 So sánh xác xuất rơi gói tin tồn mạng với giải thuật NPMOC NPMOC-VF Ở kết mơ Hình 11, ta thấy xác xuất rơi gói tin giải thuật NPMOC-VF tốt giải thuật NPMOC, giải thuật NPMOC-VF kh c phục nhược điểm giải thuật NPMOC tận dụng khoảng trống kênh lập lịch mà giải thuật NPMOC không tận dụng IV KẾT LUẬN Bài viết nêu lên số k thuật phân đoạn chùm kết hợp với lập lịch, làm rõ phương án đánh rơi đầu, đánh rơi đuôi, đánh rơi phần đầu, đánh rơi phần đầu đuôi việc kết hợp ba phương án Kết phân tích vấn đề xây dựng cài đặt thuật toán cho thấy tính hiệu k thuật phân đoạn chùm Ngồi ra, k thuật phân đoạn chùm kết hợp với toán lập lịch khác mạng OBS nói riêng mạng truyền thơng nói chung T I LIỆU THAM KHẢO [1] A Mandloi and V Mishra (2012), “A Segmentation based Channel Scheduling Scheme in Optical Burst Switching Networks”, International Journal of Computer Applications (0975 – 8887), Volume 51– No.6, August [2] GUAN Ai-hong and WANG Bo-yun (2012), “A burst segmentation-deflection routing contention resolution mechanism in OBS networks”, Optoelectronics Letters, Vol.8 No.1, January [3] Jason p Jue, Vinod M., Vokkarane (2005), “Optical Burst Switched Networks”, Springer Science + Business Media, Inc [4] M Neuts, H L Vu and M Zukerman (2002), “Insight into the benefit of burst segmentation in optical burst switching” Proceedings of International Conference on Optical Internetand Photonics in Switching, 126–128 [5] Phung Duc, T., Masuyama, H., Kasahara, S., and Takahashi, Y.(2009), “Performance Analysis of Optical Burst Switched Networks with Limited-Range Wavelength Conversion, Retransmission and Burst Segmentation,” Journal of the Operations Research Society of Japan, Vol 52, No 1, pp 58-74, [6] V M Vokkarane, J P Jue and S Sitaraman (2002), “Burst segmentation: an approach for reducing packet loss in optical burst switched networks”, Proceedings of IEEE International Conference on Communications , 2673–2677 [7] V M Vokkarane and J P Jue (2002), “Prioritized Routing and Burst Segmentation for QoS in Optical Burst-Switched Networks,” Proceedings, IEEE/OSA Optical Fiber Communication Conference, Anaheim, CA, March [8] V M Vokkarane and J P Jue (2003), “Prioritized burst segmentation and composite burst-assembly techniques for QoS support in optical burst-switched networks”, IEEE Journalon Selected Areas in Communications, 21, 1198–1209 [9] T Venkatesh, A Jayaraj, and C Siva Ram Murthy (2009), “Analysis of Burst Segmentation in Optical Burst Switching Networks Considering Path Correlation”, Journal of Lightwave Technology, Vol 27, No 24, December 15, [10] Won Seok Park, Minsu Shin, Hyang-Won Lee, Associate Member (2009), “A Joint Design of Congestion Control and Burst Contention Resolution for Optical Burst Switching Networks”, Journal of Lightwave Technology, Vol 27, NO 17, September 1, [11] Obs-ns Simulator http://www.wine.icu.ac.kr/obsns/ [12] Ns2 Simulator http://www.isi.edu/nsnam/ns TECHNICAL BURST SEGMENTATION IN OPTICAL BURST SWITCHING NETWORKS Mai Hoang Thien, Dang Thanh Chuong ABSTRACT—The problem of congestion in optical burst-switched networks (OBS) is considered an important problem to be solved Burst segmentation in OBS networks can appear when two burst of optical data from two different ports to try to come out on the same port, on the same wavelength channels, and at the same time The congestion processing solutions now include implementing wavelength conversion, fiber delay lines and deflection routing In this paper aims to analyze some technical burst segmentation with scheduling and fiber delay lines The results of the paper is evaluated through simulation package obs-0.9a on NS-2 software  ... Hình Mơ hình mạng mơ Chúng ta đánh giá giải thuật lập lịch kết hợp phân đoạn chùm dựa xác xuất rơi gói tin theo mơ hình mạng mơ Hình KỸ THUẬT PHÂN ĐOẠN CHÙM TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG Xác... phần mềm Microsoft Excel 2013 để phân tích kết Mơ tập trung giải thuật lập lịch đề xuất cho mạng chuyển mạch chùm quang Topo mạng chuyển mạch chùm quang thực mô mạng dumbbell tạo thành từ nút lõi... phương pháp phân đoạn việc giảm thiểu xác xuất chùm, phân đoạn chùm kết hợp với số giải pháp khác như: phân đoạn kết hợp với lập lịch chùm [1][8], phân đoạn kết hợp với FDL, phân đoạn kết hợp