5. Phƣơng pháp nghiên cứu
2.7. Chất lƣợng QoS
Hiệu suất của mạng có thể đƣợc đặc trƣng bởi một số tham số nhƣ: băng thông, độ trễ gói tin, độ chập chờn và tỷ lệ mất gói tin. Chất lƣợng dịch vụ đề cập khả năng của mạng cung cấp một giới hạn trên một số hoặc tất cả các thông số. QoS (guaranted QoS) đề cập tới một kiến trúc mạng, nơi các thông số đƣợc đảm bảo nằm trong giới hạn quy định trong toàn thời gian kết nối. Mạng đòi hỏi cung cấp QoS để đảm bảo hoạt động tốt các dịch vụ thời gian thực nhƣ truyền hình gói : cuộc hội truyền hình số, VoD, VoIP, truyền hình thời gian thực... Để đảm bảo QoS cho các dịch vụ lớp cao, QoS phải đƣợc duy trì trong tất cả phân đoạn mạng đi qua bao gồm cả phần truy cập mạng đƣờng end-to-end. Phần này tập trung vào QoS trong mạng PON.
Đoàn Đức Sinh 49
Các tiêu chuẩn Ethernet ban đầu dựa trên giao thức CSMA/CD không bao giờ quan tâm đến QoS. Tất cả các kết nối đƣợc xử lý bình đẳng và sử dụng dịch vụ Best-Effort. Bƣớc quan trọng đầu tiên cho phép QoS trong Ethernet đã đƣợc giới thiệu ở chế độ full-duplex. Full duplex MAC (nếu không đƣợc gọi là null-MAC) có thể truyền khung dữ liệu bất cứ lúc nào, điều này không quyết định chậm trễ trong môi trƣờng truy cập.
Trong một liên kết song công, khi gói tin đƣợc gởi để truyền trên lớp MAC nó bị trì hoãn và xác suất mất gói đƣợc biết hoặc dự đoán đƣợc tất cả các cách để lớp MAC nhận. Sự chậm trễ và chập chờn có thể bị ảnh hƣởng ở đầu đƣờng truyền khi cổng MAC đang bận. Tuy nhiên, với kênh truyền 1-Gbps, độ trễ này là không đáng kể khi các khung Ethernet có kích thƣớc tối đa đƣợc truyền đi chỉ có khoảng 12 μs. Các tiêu chuẩn thiết lập QoS trong Ethernet đã đƣợc đƣa ra giới thiệu hai tiêu chuẩn mở rộng: P802.1p "Supplement to Mac Bridges: Giải quyết lớp lƣu lƣợng và lọc động Multicast " (sau này sát nhập với P802.1D) và P802.1Q "Virtual Bridged LAN ". P802.1Q định nghĩa một dạng khung cho phép mở rộng khung Ethernet để mang thông tin ƣu tiên. P802.1p quy định các bridge mặc định xử lý cho các lớp ƣu tiên khác nhau, đặc biệt, nó cho phép một hàng đợi ở bridge để đƣợc phục vụ chỉ khi tất cả các hàng đợi ƣu tiên cao hơn trống. Tiêu chuẩn phân biệt các lớp lƣu lƣợng truy cập sau đây [6]:
- Network Control: Đặc trƣng bởi yêu cầu “must get there”(phải đến đó) để duy trì và hỗ trợ cơ sở hạ tầng mạng.
- Voice: Đặc trƣng bởi độ trễ dƣới 10ms và không chập chờn.
- Video : đặc trƣng bởi độ trễ dƣới 100ms
- Controlled Load : Kiểm soát các ứng dụng kinh doanh quan trọng, yêu cầu quy hoạch mạng để đảm bảo băng thông tại thời điểm lƣu lƣợng bắt đầu truyền.
- Excellent Effort : Loại dịch vụ nỗ lực tốt nhất (best-effort) , quản lý thông tin dịch vụ để giao cho những ngƣời sử dụng quan trọng.
Đoàn Đức Sinh 50
- Background : Sử dụng nhiều nhƣng không ảnh hƣởng đến việc sử dụng mạng của ngƣời khác.
Chế độ song công và tiêu chẩn mở rộng P802.1p/P802.1Q quan trọng nhƣng không đủ thiết lập QoS. Phần còn lại là kiểm soát đăng nhập. Nếu không có nó, mỗi lớp có thể làm giảm ƣu tiên để thực hiện nỗ lực tốt nhất. Ở đây, PON có thể cung cấp một phƣơng pháp đơn giản và mạnh mẽ cho admission control. Dựa vào giao thức điều khiển đa điểm (MPCP) dựa vào gói tin GATE từ OLT tới ONU để cấp phát cửa sổ truyền . Một giao thức rất đơn giản có thể cho phép một gói tin GATE cấp nhiều cửa sổ, một cho mỗi lớp ƣu tiên. Gói tin REPORT cũng đƣợc mở rộng để báo cáo trạng thái hàng đợi của mỗi lớp ƣu tiên. Ngoài ra, kiểm soát nhập (admission control) có thể đặt ở lớp cao hơn thông minh tại ONU . Trong trƣờng hợp này, lớp cao hơn sẽ biết khi nào cửa sổ truyền tiếp theo sẽ đến và kích thƣớc bao nhiêu sẽ truyền, và sẽ lập lịch để truyền cho phù hợp.
2.8. Kết luận chƣơng
Chƣơng này đã trình bày về nguyên lý cấp phát băng thông động trong mạng PON và thuật toán đƣợc sử dụng phổ biến. Tiếp theo là phƣơng pháp định dạng cho bản tin điều khiển và lập lịch cho bản tin Request, để biết thời điểm nào thì cần yêu cầu về băng thông, cấp phát băng thông phù hợp. Cuối cùng là đánh giá hiệu năng mạng, giới thiệu một số dịch vụ sử dụng thuật toán DBA và đánh giá chất lƣợng dịch vụ QoS.
Đoàn Đức Sinh 51
CHƢƠNG III - PHÂN BỔ BĂNG THÔNG ĐỘNG TIẾT KIỆM NĂNG LƢỢNG VỚI CÁC ONU Ở CHẾ ĐỘ NGỦ
3.1. Giới thiệu
Mạng PON đƣợc triển khai rộng rãi trong những năm gần đây nhƣ là một công nghệ truy nhập quan trọng. Một mạng PON gồm một OLT ở Central Office (CO) kết nối với nhiều ONU theo cấu trúc hình cây dọc theo đƣờng truyền cáp quang. OLT phát quảng bá luồng dữ liệu đƣờng xuống đến các ONU trong khi đó các ONU phát lƣu lƣợng hƣớng lên đến OLT theo những khe thời gian đƣợc định trƣớc. Vì vậy, đặt ONU vào trạng thái ngủ khi nó không có lƣu lƣợng là phƣơng pháp hợp lý để làm giảm tiêu thụ năng lƣợng. Điều này đƣợc mong đợi có thể làm giảm tổng năng lƣợng tiêu thụ của ONU xấp xỉ đến 80%. Một số cấu trúc đƣợc đƣa ra nhằm cho phép ONU chuyển qua lại giữa chế độ hoạt động và chế độ ngủ một cách thƣờng xuyên mà không có sự lãng phí nhiều thời gian hao tổn.
Trong suốt quá trình ngủ, ONU tắt khối thu phát của nó để làm giảm năng lƣợng tiêu thụ. Để tránh mất gói tin, luồng dữ liệu hƣớng xuống và hƣớng lên nên đƣợc chờ tại bộ đệm ở OLT và ONU. Hơn nữa, ONU nên thức dậy trƣớc khi có hoạt động truyền thông tin kế tiếp với OLT. Do lƣu lƣợng sắp tới từ OLT không đƣợc dự báo chính xác bởi các ONU đang ngủ cho nên chu kỳ ngủ của ONU [8] cũng nên đƣợc lập cẩn thận. OLT nên đáp ứng đầy đủ các yêu cầu về băng thông theo cả 2 hƣớng truyền lƣu lƣợng lên và xuống để bảo đảm hoạt động của mạng. Và nhƣ vậy điều đó làm cho có thể truyền đồng thời lƣu lƣợng hƣớng lên và hƣớng xuống, tạo thời gian ngủ tối đa cho các ONU. Tuy nhiên, hầu hết các phƣơng thức DBA (Dynamic Bandwidth Allocation) đang tồn tại chỉ quan tâm đến việc chia sẻ tài nguyên theo chiều hƣớng lên. Do không có chức năng ngủ trong các ONU, OLT luôn phải quảng bá lƣu lƣợng hƣớng xuống đến chúng. Điều đó không thích hợp cho các mạng quang thụ động PON tiết kiệm năng lƣợng với các ONU đang trong trạng thái ngủ bởi vì lƣu lƣợng hƣớng xuống sẽ phải mất thời gian trễ do cổng phát
Đoàn Đức Sinh 52
đƣợc cấp cho chỉ dựa trên các yêu cầu hƣớng lên. Vì vậy, chúng ta mong muốn nghiên cứu framework DBA hiệu quả về năng lƣợng để tạo lịch trình cho ONU truyền và nhận lƣu lƣợng theo cả hai chiều và đạt đƣợc hiệu suất tiết kiệm năng lƣợng cao nhất mà vẫn đảm bảo cho hoạt động của mạng đƣợc diễn ra bình thƣờng. Trong chƣơng này [5], chúng ta đƣa ra phƣơng thức điều khiển lớp MAC (Medium Access Control) hiệu quả năng lƣợng để điều khiển chế độ hoạt động của các ONU. Phƣơng thức điều khiển MAC tạo điều kiện thu thập tất các các yêu cầu băng thông hƣớng lên và hƣớng xuống, và tạo lịch trình cho các slot truyền dẫn cho mỗi ONU.
Chính sách định cỡ đảm bảo các yêu cầu băng thông của các ONU có tải nhẹ và chỉ định đƣờng truyền cho các ONU có tải lớn với tài nguyên băng thông dƣ thừa. Sau đó, chúng ta xây dựng lịch trình cho phép tiết kiệm năng lƣợng.
Các nhà nghiên cứu đề xuất một khung phân bổ băng thông xanh (GBA). Trong GBA, ONU đi vào trạng thái ngủ trong một thời gian nhất định trƣớc khi thức dậy gửi/nhận một loạt lƣu lƣợng upstream/downstream trong bộ đệm. Dựa trên yêu cầu về trễ tối đa quan trọng hơn so với lƣu lƣợng upstream/downstream đang chờ, OLT tính toán thời gian ngủ cho phép của mỗi ONU.
Có hai giải pháp dựa trên cơ chế quản lý năng lƣợng (EMM - Energy Management Mechanism) [10]. Trong giải pháp truyền hƣớng lên (UCS), OLT đệm lƣu lƣợng downstream cho 1 ONU cụ thể cho đến khi khe thời gian upstream đƣợc phân bổ dành cho nó. Trong giải pháp truyền hƣớng xuống (DCS), ONU phải thức dậy bất cứ khi nào có lƣu lƣợng upstream và downstream của nó. Trong khi nó có thể đạt hiệu quả năng lƣợng cao hơn, UCS mang đến thêm trễ gói và bỏ qua sự cân bằng cho truyền hƣớng xuống. Mặt khác, với hiệu quả năng lƣợng thấp hơn, DCS có thể đảm bảo sự cân bằng truyền dẫn và có ít trễ hƣớng xuống hơn bằng cách đánh thức các ONU dậy mỗi lúc có yêu cầu truyền dẫn đến.
Một giải pháp tiết kiệm năng lƣợng nữa đƣợc đề ra, gọi là ESPS [9], nhằm tối thiểu sự tiêu thụ năng lƣợng trong mạng quang thụ động PON. ESPS đƣa ra các yêu cầu về băng thông trên cả hai hƣớng upstream/downstream sao cho trễ gói là nhỏ
Đoàn Đức Sinh 53
nhất. Tuy nhiên, giống nhƣ một giải pháp lịch trình offline, ESPS phân bổ các ONU theo có chế Round Robin. Sau đó, một chế độ ngủ hybrid đƣợc giới thiệu nhƣ là một sự kết hợp của chế độ ONU ngủ sâu và các chế độ ngủ độc lập của bộ phát và bộ thu.
Có hai thuật toán phân bổ băng thông động (DBA) just-in-time (JIT) dựa trên các ONU sử dụng công nghệ laser phát xạ mặt với bộ cộng hƣởng thẳng đứng. Trong thuật toán đầu tiên, JIT DBA với các chu kỳ thời gian xoay vòng khác nhau, OLT chờ đợi cho đến khi nó nhận đƣợc các bản tin REPORT từ tất cả các ONU và sau đó tính toán băng thông cho phép dành cho chúng. Dựa trên băng thông đƣợc phân bổ, OLT lựa chọn chế độ thích hợp (active, doze và sleep) cho mỗi ONU [11]. Trong thuật toán thứ 2, JIT DBA với các chu kỳ thời gian xoay vòng cố định, có thể khắc phục sự thiếu hụt của các chu kỳ thời gian xoay vòng ngắn của thuật toán thứ nhất. Tuy nhiên, ở trong mỗi chu kỳ DBA, OLT phân bổ băng thông nhƣ nhau cho tất cả các ONU dù cho yêu cầu băng thông của chúng khác nhau, kết quả dẫn đến một số tài nguyên băng thông bị lãng phí.
Các nhà nghiên cứu đƣa ra một giải pháp cho mạng TDM-PON là ADAEE (Adaptive Delay-Aware Energy-Efficient), tạm dịch là giải pháp tiết kiệm năng lƣợng nhận biết trễ tƣơng thích [7]. ADAEE nhắm đến tiết kiệm năng lƣợng nhiều nhất có thể trong khi vẫn bắt gặp những hạn chế trễ trong truy nhập mạng PON. Một cấu trúc ONU lý tƣởng là có khả năng lựa chọn chế độ ngủ thích hợp và một thuật toán lý tƣởng để tính toán khoảng thời gian ngủ tối đa cho các ONU. Với những hạn chế về độ trễ, OLT sẽ tính toán thời gian ngủ cho mỗi ONU, và sau đó lựa chọn chế độ ngủ thích hợp (ngủ không sâu hay ngủ sâu).
Các nhà nghiên cứu cũng mô tả 4 trạng thái của ONU và 2 chế độ ngủ. Bốn trạng thái có đƣợc bởi các trạng thái thu và phát khác nhau. Trong chế độ ngủ thứ nhất, ONU đƣợc phép ngủ nhiều hơn 1 chu kỳ dựa trên một ngƣỡng đƣợc dự báo từ trƣớc. Khi kết thúc thời gian ngủ, ONU thức dậy và kiểm tra liệu lƣu lƣợng downstream đã đến nó chƣa. Nếu nhƣ không có lƣu lƣợng cho nó, nó sẽ tính thời gian ngủ mới và đƣa vào chế độ ngủ lần nữa. Trong chế độ ngủ thứ hai, OLT tạo
Đoàn Đức Sinh 54
lịch trình gửi lƣu lƣợng downstream xuống ONU theo từng đợt một. Với sự dự toán lƣu lƣợng cho các ONU khác, OLT xác định thời gian ngủ cho từng ONU cụ thể trong giới hạn mỗi chu kỳ DBA.
Các nhà nghiên cứu cũng đƣa ra một sự đánh giá thực nghiệm cho một mạng TDMA-PON tiết kiệm năng lƣợng sử dụng kỹ thuật ngủ xoay vòng. Và hai phƣơng pháp tiếp cận hành động ngủ ONU đƣợc đánh giá. Trong cách thức dựa trên hƣớng downstream (DS), ONU đƣa vào chế độ ngủ chỉ dựa trên lƣu lƣợng DS. Và trong cách thức Cooperative, ONU đƣa vào chế độ ngủ khi tải lƣu lƣợng ở cả hai chiều đều thấp. Để xác định xem tải lƣu lƣợng có thấp hay là không, 2 lần đến liên tiếp của khung dự tính đƣợc so sánh với 2 ngƣỡng đã đặt trƣớc cho lƣu lƣợng DS và US. Cả hai phƣơng thức ngủ có thể đạt đƣợc hiệu quả tiết kiệm năng lƣợng cao. Tuy nhiên chỉ có một ONU đƣợc xem xét trong hệ thống.
Các nhà nghiên cứu cũng đƣa ra một kế hoạch phân bổ băng thông động để nhận biết giấc ngủ nhằm tối đa hiệu quả năng lƣợng trong khi vẫn đảm bảo các yêu cầu về QoS trên cả 2 hƣớng upstream và downstream. Dựa trên các yêu cầu về QoS chính xác nhất về tất cả lƣu lƣợng, SDBA tối đa độ dài chu kỳ xoay vòng để kéo dài thời gian ngủ của ONU. Và, một thiết kế dựa trên FPGA và đánh giá của các hệ thống 10G - PON sẽ đƣợc mô tả một cách đầy đủ. Các kết quả thực nghiệm cho thấy rằng SDBA có thể đạt đƣợc kết quả tiết kiệm năng lƣợng cao trong khi vẫn thỏa mãn các yêu cầu về QoS.
Trong chƣơng này, chúng ta sẽ nghiên cứu framework DBA tiết kiệm năng lƣợng dạng offline, trong đó OLT tạo lich trình truyền lƣu lƣợng cho cả hƣớng upstream và downstream của mỗi ONU trong mỗi chu kỳ xoay vòng. Để tránh có thêm độ trễ lƣu lƣợng do sự chồng chéo lƣu lƣợng upstream và down stream, chúng ta cho phép có những sự khác nhau về miền thời gian giữa các khung truyền upstream và downstream của ONU.
Đoàn Đức Sinh 55