luận án tiến sĩ nghiên cứu một số giải pháp nâng cao chất lượng dịch vụ trong mạng chuyển mạch chùm quang

ĐẠI HỌC HUẾ PHẠM TRUNG ĐỨC NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH HUẾ, NĂM 2021 ĐẠI HỌC HUẾ PHẠM TRUNG ĐỨC NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÁY TÍNH MÃ SỐ: 9480101 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH HUẾ, NĂM 2021 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thực hướng dẫn PGS TS Võ Viết Minh Nhật TS Đặng Thanh Chương Những nội dung cơng trình công bố chung với tác giả khác chấp thuận đồng tác giả đưa vào luận án Các số liệu kết nghiên cứu trình bày luận án trung thực, khách quan chưa công bố tác giả cơng trình khác Nghiên cứu sinh Phạm Trung Đức i LỜI CẢM ƠN Trước hết tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành sâu sắc đến PGS TS Võ Viết Minh Nhật TS Đặng Thanh Chương người Thầy tận tình hướng dẫn bảo, động viên giúp đỡ để tơi hồn thành luận án Tôi xin trân trọng cảm ơn giúp đỡ Quý Thầy Cô Khoa Công nghệ Thông tin - Trường Đại học Khoa học Huế quan tâm, giúp đỡ, hướng dẫn suốt q trình học tập Tơi xin trân trọng cảm ơn Quý Lãnh đạo, Hội đồng quản trị Công ty cổ phần Bến xe Huế tạo điều kiện thuận lợi công tác để có đủ thời gian hồn thành luận án Tơi xin cảm ơn Quý Thầy Cô, cán quản lý Phòng Đào tạo Sau đại học – Trường Đại học Khoa học Huế giúp đỡ tơi hồn thành kế hoạch học tập Cuối xin chân thành cảm ơn bạn đồng nghiệp, người thân gia đình động viên, giúp đỡ mặt suốt trình nghiên cứu, học tập Nghiên cứu sinh Phạm Trung Đức ii MỤC LỤC MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi CÁC KÝ HIỆU ĐƯỢC SỬ DỤNG ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ xi DANH MỤC CÁC BẢNG xv MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG 1.1 Giới thiệu mạng chuyển mạch chùm quang 1.1.1 Kiến trúc mạng OBS 1.1.2 So sánh mơ hình chuyển mạch quang 10 1.1.3 Các hoạt động nút biên 14 1.1.4 Các hoạt động nút lõi 17 1.1.5 Lập lịch mạng OBS 22 1.2 Chất lượng dịch vụ mạng OBS 24 1.2.1 Sự cần thiết nâng cao chất lượng dịch vụ 24 1.2.2 Nâng cao chất lượng dịch vụ nút lõi 27 1.2.3 Nâng cao chất lượng dịch vụ nút biên 30 1.3 Mục tiêu nghiên cứu luận án 33 1.4 Tiểu kết chương 34 CHƯƠNG GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TẠI NÚT LÕI 35 iii 2.1 Điều khiển chấp nhận lập lịch hỗ trợ cung cấp chất lượng dịch vụ .35 2.2 Phân tích đánh giá mơ hình điều khiển chấp nhận 37 2.2.1 Mô hình nhóm bước sóng 37 2.2.2 So sánh đánh giá dựa mô 40 2.2.3 Nhận xét 42 2.3 Mơ hình điều khiển chấp nhận dựa dự đoán tốc độ chùm đến ARP-SAC 43 2.3.1 Mơ hình dự đốn dựa tốc độ chùm đến 43 2.3.2 Mơ tả thuật tốn điều khiển chấp nhận mơ hình ARP-SAC .45 2.3.3 So sánh đánh giá dựa mô 50 2.3.4 Nhận xét 53 2.4 Phương pháp dành lại tài nguyên cho chùm ưu tiên cao .53 2.4.1 Nguyên tắc dành lại tài nguyên cho chùm ưu tiên cao 53 2.4.2 Mơ tả thuật tốn điều khiển chấp nhận mơ hình TPAC 54 2.4.3 Phân tích mơ hình TPAC 55 2.4.4 So sánh đánh giá dựa mô 60 2.4.5 Nhận xét 66 2.5 Mơ hình kết hợp TPAC đường trễ 67 2.5.1 Mơ tả thuật tốn iTPAC 68 2.5.2 Mô phỏng, so sánh đánh giá 70 2.5.3 Nhận xét 73 2.6 Tiểu kết chương 74 CHƯƠNG GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TẠI NÚT BIÊN VÀ KẾT HỢP CÁC NÚT 75 iv 3.1 Mơ hình phân biệt chất lượng dịch vụ nút biên 76 3.1.1 Tập hợp chùm kết hợp cung cấp chất lượng dịch vụ 76 3.1.2 Phân tích phương pháp phân biệt chất lượng dịch vụ dựa thời gian bù đắp độ dài chùm 78 3.1.3 Mơ hình cung cấp chất lượng dịch vụ OT-BLD 80 3.1.4 So sánh đánh giá dựa mô 82 3.1.5 Nhận xét 86 3.2 Phân tích nguyên nhân gây chùm 87 3.2.1 Vấn đề chùm lập lịch 87 3.2.2 Trích xuất liệu trạng thái lập lịch 88 3.2.3 Xác định thuộc tính ảnh hưởng đến chùm 89 3.2.4 Giải pháp sử dụng đường trễ nhằm giảm mát chùm .92 3.2.5 So sánh đánh giá dựa mô 95 3.3 Kết hợp nút biên nút lõi phân biệt chất lượng dịch vụ 96 3.3.1 Điều chỉnh kích thước chùm dựa phản hồi 96 3.3.2 Mơ hình phân biệt chất lượng dịch vụ dựa thời gian bù đắp độ dài chùm điều chỉnh OT-ABLD 98 3.3.3 So sánh đánh giá dựa mô 100 3.3.4 Nhận xét 104 3.4 Tiểu kết chương 104 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN ÁN 106 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN .107 v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt ARP-SAC BCP BF-VF BLD CoS QoS DB DWDM DWG FDL FFUC FFUC-VF GMPLS HP iBFVF Từ viết tắt iTPAC JET LAUC LAUC-VF LAUT LDWG LLAC LP Min-EV NACK NS O/E/O OBS Switching Network,” in Lecture Notes in Computer Science, vol 3391, pp 362–369, 2005, doi: 10.1007/978-3-540-30582-8_38 110 [24] J A Alzubi, O A Alzubi, and M Al-shugran, “Intelligent and Dynamic Neighbourhood Entry Lifetime for Position-based Routing Protocol Using Fuzzy Logic Controller,” vol 14, no 1, 2016, doi: 10.1145/2832987.2833044 [25] J A Hernández, J Aracil, V López, and J L de Vergara, “On the analysis of burst-assembly delay in OBS networks and applications in delaybased service differentiation,” Photonic Netw Commun., vol 14, no 1, pp 49–62, Aug 2007, doi: 10.1007/s11107-006-0048-8 [26] J P Jue, Optical Burst Switched Networks Boston: Kluwer Academic Publishers, 2005, doi: 10.1007/b102280 [27] J S Turner, “Terabit burst switching,” J High Speed Networks, vol 8, no 1, pp [28] 3–16, 1999, doi: 10.7936/K7FJ2F2T J Triay and J Rubio, “An Optical Burst Switching Control Plane Architecture and its Implementation,” In 2th Open European Summer School EUNICE; Stuttgart; pp 1-7, 2006 [29] J Xu, C Qiao, J Li, and G Xu, “Efficient channel scheduling algorithms in optical burst switched networks,” in IEEE INFOCOM 2003 Twenty-second Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies (IEEE Cat No.03CH37428), 2003, vol 3, pp 2268–2278, doi: 10.1109/INFCOM.2003.1209247 [30] Jing Teng and G N Rouskas, “Wavelength selection in OBS networks using traffic engineering and priority-based concepts,” IEEE J Sel Areas Commun., vol 23, no 8, pp 1658–1669, Aug 2005, doi: 10.1109/JSAC.2005.851794 [31] K Chaing Chua, Quality of Service in Optical Burst Switched Networks, vol 16, no Boston, MA: Springer US, 2007, doi: 10.1007/978-0387-47647-6 [32] K E Amaseb, H Y Ahmed, M Zeghid, N Kamal, and A E Node, “Optical Burst Switching ( OBS ) Techniques,” vol 5, no 5, pp 576–581, 2020, doi: 10.24018/ejers.2020.5.5.1906 111 [33] K Guevara-Ortiz et al., “Impact of Control Mechanisms Containment in optical burst switching Distributed Networks,” in 2018 IEEE Colombian Conference on Communications and Computing (COLCOM), May 2018, pp 1–6, doi: 10.1109/ColComCon.2018.8466705 [34] K Salah and F Haidari, “On the performance of a simple packet rate estimator,” in 2008 IEEE/ACS International Conference on Computer Systems and Applications, Mar 2008, pp 392–395, doi: 10.1109/AICCSA.2008.4493563 [35] Kejie Lu, Gaoxi Xiao, and I Chlamtac, “Analysis of blocking probability for distributed lightpath establishment in WDM optical networks,” IEEE/ACM Trans Netw., vol 13, no 1, pp 187–197, Feb 2005, doi: 10.1109/TNET.2004.842233 [36] M A C Lima and A C César, “Simultaneous effect of connection admission control in distance and bandwidth capacity on WDM network performance,” Photonic Netw Commun., vol 15, no 3, pp 251–261, Jun 2008, doi: 10.1007/s11107-007-0099-5 [37] M Casoni, E Luppi, and M Merani, “Performance Evaluation of Channel Scheduling Algorithms with Different QoS Classes,” in 2006 14th IEEE International Conference on Networks, 2006, vol 2, pp 1–6, doi: 10.1109/ICON.2006.302635 [38] M Gheisari, J Alzubi, X Zhang, U Kose, and J A M Saucedo, “A new algorithm for optimization of quality of service in peer to peer wireless mesh networks,” Wirel Networks, vol 0123456789, 2019, doi: 10.1007/s11276-019-01982-z [39] M H Phung, K C Chua, G Mohan, M Motani, and D T C Wong, “An Absolute QoS Framework for Loss Guarantees in Optical BurstSwitched Networks,” IEEE Trans Commun., vol 55, no 6, pp 1191–1201, Jun 2007, doi: 10.1109/TCOMM.2007.898846 [40] Kong, M H Phùng, K C Chua, G Mohan, M Motani, T C Wong, and P Y 112 “On ordered scheduling for optical burst switching,” Comput Networks, vol 48, no 6, pp 891–909, Aug 2005, doi: 10.1016/j.comnet.2004.11.021 [41] M Iizuka, M Sakuta, Y Nishino, and I Sasase, “A scheduling algorithm minimizing voids generated by arriving bursts in optical burst switched WDM network,” in Global Telecommunications Conference, 2002 GLOBECOM ’02 IEEE, 2002, vol 3, no May, pp 2736–2740, doi: 10.1109/GLOCOM.2002.1189127 [42] M Klinkowski, D Careglio, S Spadaro, and J Sole-Pareta, “Impact of burst length differentiation on QoS performance in OBS networks,” in Proceedings of 2005 7th International Conference Transparent Optical Networks, 2005., 2005, vol 1, pp 91–94, doi: 10.1109/ICTON.2005.1505759 [43] M Klinkowski, “Offset time-emulated architecture for optical burst switching-modelling and performance evaluation,” no November, 2008, [Online] Available: http://www.tesisenred.net/handle/10803/6000 [44] M Klinkowski et al., “An overview of routing methods in optical burst switching networks,” Opt Switch Netw., vol 7, no 2, pp 41–53, Apr 2010, doi: 10.1016/j.osn.2010.01.001 [45] M Ma, Current Research Progress of Optical Networks Dordrecht: Springer Netherlands, 2009, doi: 10.1007/978-1-4020-9889-5 [46] M Maier, Optical Switching Networks Cambridge: Cambridge University Press, 2008, doi: 10.1017/CBO9780511619731 [47] M Nandi, A K Turuk, D K Puthal, and S Dutta, “Best Fit Void Filling Algorithm in Optical Burst Switching Networks,” in 2009 Second International Conference on Emerging Trends in Engineering & Technology, 2009, pp 609– 614, doi: 10.1109/ICETET.2009.46 [48] M Yoo and C Qiao, “A New Optical Burst Switching Protocol for Supporting Quality of Service,” in Photonics East - Technical Conference on AllOptical 113 Networking: Architecture, Control, and Management Issues, Oct 1998, pp 396–405, doi: 10.1117/12.327079 [49] Myungsik Yoo, Chunming Qiao, and S Dixit, “Optical burst switching for service differentiation in the next-generation optical Internet,” IEEE Commun Mag., vol 39, no 2, pp 98–104, 2001, doi: 10.1109/35.900637 [50] Myungsik Yoo and Chunming Qiao, “Just-Enough-Time (JET): a high speed protocol for bursty traffic in optical networks,” in 1997 Digest of the IEEE/LEOS Summer Topical Meeting: Vertical-Cavity Lasers/Technologies for a Global Information Infrastructure/WDM Components Technology/Advanced Semiconductor Lasers and Applications/Gallium Nitride Materials, Processing, and Devices (C, pp 26–27, doi: 10.1109/LEOSST.1997.619129 [51] N Akar et al., “A survey of quality of service differentiation mechanisms for optical burst switching networks,” Opt Switch Netw., vol 7, no 1, pp 1–11, Jan 2010, doi: 10.1016/j.osn.2009.09.001 [52] O Almomani, M Al-shugran, J A Alzubi, and O A Alzubi, “Performance Evaluation of Position-Based Routing Protocols using Different Mobility Models in MANET,” Int J Comput Appl., vol 119, no 3, pp 43–48, 2015, doi: 10.5120/21050-3692 [53] P K Chandra, A K Turuk, and B Sahoo, “Survey on optical burst switching in WDM networks,” in 2009 International Conference on Industrial and Information Systems (ICIIS), Dec 2009, pp 83–88, doi: 10.1109/ICIINFS.2009.5429885 [54] P Khumalo and B Nleya, “A Controllable Deflection Routing and Wavelength Assignment Algorithm in OBS Networks,” in 2018 International Conference on Intelligent and Innovative Computing Applications (ICONIC), Dec 2018, pp 1–6, doi: 10.1109/ICONIC.2018.8601303 [55] P Reddy, A Nagarajan, K Ramanujam, and S Talabathula, “Reducing Burst 114 Loss Probability of Service Differentiated Optical Burst-Switched Networks,” in International Conference on Fibre Optics and Photonics, 2012, p WPo.31, doi: 10.1364/PHOTONICS.2012.WPo.31 [56] P Reviriego, J A Hernández, and J Aracil, “Assembly admission control based on random packet selection at border nodes in Optical BurstSwitched networks,” Photonic Netw Commun., vol 18, no 1, pp 39–48, Aug 2009, doi: 10.1007/s11107-008-0168-4 [57] Q Zhang, V M Vokkarane, J P Jue, and B Chen, “Absolute QoS Differentiation in Optical Burst-Switched Networks,” IEEE J Sel Areas Commun., vol 22, no 9, pp 1781–1795, Nov 2004, doi: 10.1109/JSAC.2004.836289 [58] R Chakka and T Van Do, “Some New Markovian Models for Traffic and Performance Evaluation of Telecommunication Networks,” no June, pp 642– 664, 2011, doi: 10.1007/978-3-642-02742-0_27 [59] R S Barpanda, A K Turuk, and B Sahoo, “QoS aware routing and wavelength allocation in optical burst switching networks using differential evolution optimization,” Digit Commun Networks, vol 4, no 1, pp 3–12, Feb 2018, doi: 10.1016/j.dcan.2017.09.002 [60] S Sarwar, L Wallentin, G Franzl, and H R van As, “Composite burst assembly with high-priority packets in the middle of burst,” in 2008 5th International Conference on Broadband Communications, Networks and Systems, Sep 2008, pp 140–145, doi: 10.1109/BROADNETS.2008.4769058 [61] T Battestilli and H Perros, “An introduction to optical burst switching,” IEEE Commun Mag., vol 41, no 8, pp S10–S15, Aug 2003, doi: 10.1109/MCOM.2003.1222715 [62] T Orawiwattanakul, Yusheng Ji, Yongbing Zhang, and Jie Li, “Fair Bandwidth Allocation in Optical Burst Switching Networks,” J Light Technol., vol 27, no 16, pp 3370–3380, Aug 2009, doi: 10.1109/JLT.2009.2014971 115 [63] T Orawiwattanakul, Y Ji, and N Sonehara, “Fair Bandwidth Allocation with Distance Fairness Provisioning in Optical Burst Switching NetworksFair Bandwidth Allocation with Distance Fairness Provisioning in Optical Burst Switching Networks,” in 2010 IEEE Global Telecommunications Conference GLOBECOM 2010, Dec 2010, no Iccm, pp 1–5, doi: 10.1109/GLOCOM.2010.5683193 [64] V M N Vo, N H Quoc, and N H Son, “Near-optimal algorithm for group scheduling in OBS networks,” ETRI J., vol 37, no 5, pp 888–897, 2015, doi: 10.4218/etrij.15.2415.0019 [65] V M N Vo, V H Le, H S Nguyen, “A model of optimal burst assembly for delay reduction at ingress OBS nodes,” TURKISH J Electr Eng Comput Sci., vol 25, pp 3970–3982, 2017, doi: 10.3906/elk-1608-290 [66] V M N Vo, V H Le, H S Nguyen, and M T Le, “A model of QoS differentiation burst assembly with padding for improving the performance of OBS networks,” Turkish J Electr Eng Comput Sci., vol 26, no 4, pp 1783– 1795, 2018, doi: 10.3906/elk-1710-45 [67] V M N Vo, V H Le, and M T Le, “Delay Fairness Using the Burst Assembly for Service Differentiation,” ETRI J., vol 40, no 3, pp 347– 354, Jun 2018, doi: 10.4218/etrij.2017-0077 [68] V M Vokkarane and J P Jue, “Segmentation-based nonpreemptive channel scheduling algorithms for optical burst-switched networks,” J Light Technol., vol 23, no 10, pp 3125–3137, Oct 2005, doi: 10.1109/JLT.2005.856265 [69] V M Vokkarane and J P Jue, “Prioritized burst segmentation and composite burst-assembly techniques for qos support in optical burst-switched networks,” IEEE J Sel Areas Commun., vol 21, no 7, pp 1198–1209, Sep 2003, doi: 10.1109/JSAC.2003.815681 [70] V M Vokkarane, K Haridoss, and J P Jue, “Threshold-based burst assembly policies for QoS support in optical burst-switched networks,” in in Proc 116 SPIE/IEEE OPTICOMM, Jul 2002, vol 4874, pp 125–136, doi: 10.1117/12.475291 [71] Xiaodong Huang, V M Vokkarane, and J P Jue, “Burst cloning: a proactive scheme to reduce data loss in optical burst-switched networks,” in IEEE International Conference on Communications, 2005 ICC 2005 2005, 2005, vol 3, pp 1673–1677, doi: 10.1109/ICC.2005.1494627 [72] Y Coulibaly, G Rouskas, M S Abd Latiff, M A Razzaque, and S Mandala, “QoS-aware ant-based route, wavelength and timeslot assignment algorithm for optical burst switched networks,” Trans Emerg Telecommun Technol., vol 26, no 11, pp 1265–1277, Nov 2015, doi: 10.1002/ett.2919 [73] Y Lee, “Dynamic burst length controlling algorithm-based loss differentiation in OBS networks through shared FDL buffers,” Photonic Netw Commun., vol 31, no 1, pp 36–47, Feb 2016, doi: 10.1007/s11107-015-0527-x [74] Y Wang and B Ramamurthy, “{CPQ}: A Control packet queuing optical burst switching protocol for supporting {QoS},” Proc 3rd Int Work Opt Burst Switch co-located with BroadNets, 2004, doi: 10.1.1.552.1765 [75] Yang Chen, C Qiao, and X Yu, “Optical burst switching: a new area in optical networking research,” IEEE Netw., vol 18, no 3, pp 16–23, May 2004, doi: 10.1109/MNET.2004.1301018 [76] Yang Chen, M Hamdi, and D H K Tsang, “Proportional QoS over OBS networks,” in GLOBECOM’01 IEEE Global Telecommunications Conference (Cat No.01CH37270), 2001, vol 3, pp 1510–1514, doi: 10.1109/GLOCOM.2001.965833 Website: [77] https://www.isi.edu/nsnam/ns/ [78] https://www.wolfram.com/mathematica/ [79] https://www.cs.waikato.ac.nz/ml/weka/ 117 ... HỌC HUẾ PHẠM TRUNG ĐỨC NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÁY TÍNH MÃ SỐ: 9480101 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH... lịch mạng OBS 22 1.2 Chất lượng dịch vụ mạng OBS 24 1.2.1 Sự cần thiết nâng cao chất lượng dịch vụ 24 1.2.2 Nâng cao chất lượng dịch vụ nút lõi 27 1.2.3 Nâng cao chất lượng. .. thơng quang, mơ hình chuyển mạch quang, kiến trúc mạng chuyển mạch chùm quang, hoạt động bên mạng vấn đề nâng cao CLDV mạng chuyển mạch chùm quang - Chương 2, với tên chương ? ?Giải pháp nâng cao chất