1.3.1. Đặt vấn đề
Tương tự như mạng chuyển mạch gói OPS, sự mất chùm, thường xuất hiện do có sự tranh chấp giữa các chùm tại cổng ra, được xem là vấn đề quan trọng ảnh hưởng đến hiệu năng của mạng OBS. Do đó, nó là yếu tố cần thiết để xây dựng các mô hình phân tích nhằm đánh giá hiệu năng mạng chuyển mạch chùm quang thông
qua xác suất mất chùm (hay xác suất tắc nghẽn). Đối với mạng OBS sử dụng các
giao thức báo hiệu JET/JIT, là cơ chế báo hiệu một chiều (không chờ phản hồi), sự tranh chấp giữa các chùm thường xảy ra tại nút lõi, mà tại đó không có các bộ đệm quang (như trong mạng chuyển mạch gói điện tử). Khi các chùm tranh chấp một bước sóng tại một nút lõi, chùm có độ ưu tiên thấp hơn sẽ bị loại bỏ (dropped). Ngoài độ đo hiệu năng xác suất tắc nghẽn, độ trễ chùm (trong các đường trễ quang FDL) cũng có thể được xem xét để đánh giá hiệu năng tại nút lõi mạng OBS.
Việc tính toán xác suất tắc nghẽn (blocking probability) của chùm tại nút lõi trong mạng OBS là rất quan trọng với nhiều lý do [67]:
- Đầu tiên nó giúp ta hiểu được quá trình mất chùm và cung cấp các công thức tính tốc độ mất của chùm tại nút lõi.
- Thứ hai, nó giúp cho việc xác định ranh giới (bound) đối với tốc độ mất chùm, được xem là tiêu chí quan trọng của QoS trong mạng OBS.
- Cuối cùng, nó hỗ trợ trong việc thiết kế mô hình mới nhằm tối thiểu hóa việc mất chùm tại các vị trí khác nhau trong mạng để cải thiện hiệu năng của mạng tại các lớp cao hơn.
Tuy nhiên, tính toán xác suất tắc nghẽn trong mạng OBS là một thách thức do sự thiếu hụt của các bộ đệm quang tại nút lõi. Sự mất chùm do tắc nghẽn ở đây khác với sự mất theo các phương thức truyền thống (thường là do vùng đệm bị tràn), dẫn đến làm tăng tính phức tạp trong các biểu thức phân tích tính xác suất tắc nghẽn của chùm [67]. Trong chuyển mạch kênh, các yêu cầu kết nối đến bị tắc nghẽn tại nút nguồn là do sự thiếu hụt băng thông. Trong chuyển mạch gói, các gói được lưu giữ (buffered) trong bộ đệm tại nút trung gian nếu băng thông không sẵn có. Các gói chỉ bị loại bỏ khi vùng đệm bị tràn. Không giống như hai lược đồ chuyển mạch ở trên, sự mất chùm trong mạng OBS xảy ra khi có hai hoặc nhiều hơn các chùm yêu cầu bước sóng giống nhau trong cùng thời điểm, và sự mất chùm là hoàn toàn ngẫu nhiên. Xác suất của chùm bị loại bỏ do tranh chấp tại một nút lõi thường được xem như là xác suất tắc nghẽn hay xác suất mất chùm. Một điểm lưu ý nữa đó là, khác với trong mạng chuyển mạch kênh, bài toán đánh giá hiệu năng trong mạng OBS thường được thực hiện tại một nút lõi OBS thay vì thực hiện trên toàn bộ mạng
[39].
1.3.2. Các nghiên cứu liên quan đến Luận án
Để đánh giá được hiệu quả của từng phương pháp (định tuyến lệch hướng, sử dụng đường trễ quang FDL, chuyển đổi bước sóng) cũng như sự kết hợp giữa chúng, nhiều mô hình toán học cũng như mô phỏng đã được sử dụng để phân tích và lựa chọn phương án kết hợp tối ưu thông qua việc đánh giá xác suất tắc nghẽn (hay mất chùm). Với phương pháp mô phỏng, các nghiên cứu thường dựa trên các phần mềm mô phỏng mạng sẵn có như OBS-NS, OMNeT++ hay OPNET, … để mô phỏng hoạt động của mạng OBS nói chung, cũng các bài toán tránh tắc nghẽn nói riêng [14][15][61][62][68]. Trong khi đó, với mô hình toán học, các nghiên cứu thường sử dụng lý thuyết hàng đợi (mô hình Markov hay non-Markov) để đánh giá hiệu năng tại một nút lõi của mạng OBS thông qua giá trị xác suất tắc nghẽn theo các cơ chế điều khiển tránh tắc nghẽn khác nhau, như: định tuyến lệch hướng
[15][30][61], đường trễ quang FDL [33][65][67], lệch hướng có kết hợp đường trễ quang FDL [19][28][58][61], chuyển đổi bước sóng [38][39][46][49][51] hay kết hợp đường trễ quang FDL với chuyển đổi bước sóng [21-25]. Cụ thể:
Với cơ chế định tuyến lệch hướng có kết hợp đường trễ quang FDL: trong [19][28], các tác giả phân tích với việc lựa chọn phương pháp chính là định tuyến lệch hướng khi xảy ra tranh chấp, đồng thời kết hợp thêm các đường trễ quang FDL nhằm bù thời gian offset mở rộng ( ) do sự lệch hướng. Theo đó, mô hình 2 giai đoạn đã được đề xuất sử dụng một số đường trễ quang FDL để làm trễ chùm lệch hướng phù hợp với thời gian [28], đồng thời các đường trễ quang FDL còn lại làm đệm cho các chùm không lệch hướng [19]. Hạn chế của các mô hình này là tại giai đoạn 2, các chùm lệch hướng và không lệch hướng cùng chia s tất cả các bước sóng sẵn có, điều này có thể làm giảm hiệu năng với các chùm lệch hướng. Mô hình trong [58] được đề xuất cải tiến mô hình trong [19] với 3 giai đoạn nhằm khắc phục hạn chế này bằng cách dành riêng một số bước sóng nhất định cho các chùm lệch hướng (tại giai đoạn 2), và ngay khi chùm lệch hướng cũng không được phục vụ trong giai đoạn này, nó lại tiếp tục được chuyển sang giai đoạn 3 để sử dụng chung các bước sóng còn lại với các chùm không lệch hướng. Tuy nhiên, trong các mô hình [58], khi có sự tranh chấp bước sóng tại giai đoạn 3, các chùm lệch hướng (hay không lệch hướng) có thể bị loại bỏ một cách ngẫu nhiên. Ngoài ra, các mô hình cũng đều giả thiết các lưu lượng đến đều tuân theo phân phối Poisson. Việc mở rộng với lưu lượng non-Poisson do vậy sẽ được chúng tôi xem xét trong Luận án.
Với phương pháp chuyển đổi bước sóng, các nghiên cứu tập trung vào các mô hình với kiến trúc nút lõi OBS được thiết kế có các bộ chuyển đổi bước sóng đặt tại các vị trí khác nhau, bao gồm: kiến trúc SPL [38][39][51][56][72], kiến trúc SPIL [49][74] và kiến trúc SPN [39][56]. Hầu hết các nghiên cứu đều phân tích các vấn đề trong bài toán chuyển đổi bước sóng, bao gồm giới hạn số lượng các bộ chuyển đổi, cũng như giới hạn vùng chuyển đổi của các bộ chuyển đổi bước sóng. Cụ thể, tác giả trong [38][39] phân tích các kiến trúc SPL và SPN với giới hạn số bộ chuyển đổi bước sóng, bằng cách sử dụng mô hình Markov đa chiều. Các tác giả trong [72] mở rộng mô hình trong [38] với kiến trúc SPL có số bộ chuyển đổi bước sóng giới hạn cũng như vùng chuyển đổi hạn chế. Kiến trúc SPL và SPN cũng được phân tích trong [56] với trường hợp mở rộng thêm với kiến trúc đa sợi quang trên một kết nối ra và sử dụng thêm phương pháp xấp xỉ ERT để so sánh với phương pháp Markov đa chiều. Cũng với kiến trúc SPL giới hạn bộ chuyển đổi bước sóng, nhưng tác giả trong [51] mở rộng phân tích với trường hợp quá trình đến là Markov (Markovian Arrival Process) thay vì quá trình Poisson như trong [38][39][56]. Tuy nhiên, các tác giả ở trên chỉ phân tích với một phương pháp chuyển đổi bước sóng.
Việc phân tích chuyển đổi bước sóng kết hợp với khả năng lệch hướng được chúng tôi xem xét ở các mô hình đề xuất trong [4][27].
o Với kiến trúc SPIL, tác giả trong [49] sử dụng mô hình Markov liên tục 1-chiều (tốc độ đến thay đổi) với 2 trường hợp là chuyển đổi bước sóng đầy đủ và giới hạn bộ chuyển đổi. Mô hình mở rộng giới hạn bộ chuyển đổi bước sóng kiểu LRWC, tức là xét với trường hợp hạn chế vùng chuyển đổi bước sóng (theo phương pháp đề xuất trong [74]) được chúng tôi đề xuất trong [2].
Ngoài việc sử dụng đường trễ quang FDL như là các bộ đệm truyền thống như trong [19][28][58], các tác giả trong [21-25] xem xét chi tiết kiến trúc của đường trễ quang FDL với các giá trị độ trễ khác nhau. Theo đó, lưu lượng đến và rời khỏi các FDL là lưu lượng non-Poisson, do đó, mô hình được áp dụng là mô hình non-Markov, sử dụng phương pháp xấp xỉ ERT. Trong các mô hình phân tích này, các tác giả sử dụng FDL để làm trễ các chùm bị tắc nghẽn do thiếu bước sóng (với giả thiết chuyển đổi bước là đầy đủ) với giá trị độ trễ nhất định. Mô hình do đó được xem là sự kết hợp giữa chuyển đổi bước sóng (đầy đủ) và đường trễ quang FDL.
1.3.3. Vấn đề nghiên cứu trong Luận án
Dựa trên các nghiên cứu đã được đề xuất chỉ ra ở trên, các vấn đề nghiên cứu đặt ra của Luận án đó là cải tiến và đề xuất mới một số mô hình phân tích (analytical models) nhằm mô hình hóa và đánh giá hiệu năng (dựa trên tính toán xác suất mất chùm hay xác suất tắc nghẽn, độ trễ chùm, … [10]) các cơ chế điều khiển tránh tắc nghẽn khác nhau (định tuyến lệch hướng, đường trễ quang FDL hay chuyển đổi bước sóng) tại nút lõi OBS (sử dụng giao thức dành trước tài nguyên JET và với một hoặc nhiều lớp lưu lượng đến khác nhau). Cụ thể là:
(1) - Nghiên cứu ứng dụng mô hình hàng đợi Markov rời rạc đa chiều để phân tích sự mất chùm tại một nút lõi OBS với định tuyến lệch hướng có sử dụng đường trễ quang FDL để bù thời gian offset mở rộng cho các luồng lệch hướng đến, cũng như hỗ trợ các chùm không lệch hướng trong việc làm trễ. Mô hình cũng phân tích sự tranh chấp trong hai trường hợp: có hoặc không xét đến chất lượng dịch vụ QoS. Trong các mô hình Markov này, đường trễ quang FDL được sử dụng có vai trò như là các hệ thống trễ (hàng đợi) truyền thống [A5][A6][A7]. Việc mở rộng phân tích độ trễ theo kiến trúc của đường trễ quang FDL cũng được thực hiện với mô hình non-Markov, sử dụng phương pháp xấp xỉ ERT[A9].
(2) -Với trường hợp bài toán chuyển đổi bước sóng, chúng tôi phân tích với các trường hợp nút lõi OBS kiến trúc SPIL và kiến trúc SPL. Với mỗi kiến trúc nút lõi OBS, tất cả các vấn đề như giới hạn bộ chuyển đổi, hạn chế vùng chuyển đổi đều được xem xét. Ngoài ra, với kiến trúc SPL, bài toán định tuyến lệch hướng và kết hợp chuyển đổi bước sóng cũng sẽ được chúng tôi phân tích. Tất cả các mô hình mà chúng tôi phân tích trong bài toán chuyển đổi bước sóng đều sử dụng mô hình Markov liên tục 1-chiều hay đa chiều [A1][A2][A3][A4].
(3) -Trong mỗi mô hình Markov phân tích, chúng tôi xây dựng lại các thuật toán tính ma trận tốc độ chuyển trạng thái tương ứng với từng mô hình đề xuất theo phương pháp trong [57][64], từ đó tính các xác suất trạng thái cân bằng và xác suất tắc nghẽn. Ngoài ra, dựa trên ma trận , chúng tôi mô phỏng chuỗi Markov, xác định xác suất tắc nghẽn, để từ đó so sánh với kết quả phân tích
[A1][A2][A3][A4].
(4) -Ngoài việc sử dụng các mô hình Markov để mô hình hóa các cơ chế điều khiển tránh tắc nghẽn tại nút lõi OBS (tức là xem các quá trình đến là Poisson), chúng tôi cũng mở rộng với trường hợp lưu lượng lệch hướng đến là không Poisson, vì vậy mô hình sử dụng là mô hình non-Markov. Theo đó, chúng tôi sẽ xem lưu lượng lệch hướng đến cổng ra như là lưu lượng non-Poisson, và là một trường hợp đặc biệt của quá trình đến Renewal (lưu lượng tổng quát ) [A8][A9].
1.4. Kết luận chương
Nội dung của Chương 1 nhằm giới thiệu tổng quát về mạng chuyển mạch chùm quang, khái quát các phương pháp điều khiển tránh tắc nghẽn trong mạng OBS, đồng thời hệ thống hóa các nghiên cứu đã được đề xuất liên quan đến Luận án. Vì vậy, các vấn đề đặt ra trong Chương 1 là cơ sở để chúng tôi mở rộng nghiên cứu trong các Chương 2, Chương 3 và Chương 4 tiếp theo.
Chương 2
ĐIỀU KHIỂN TRÁNH TẮC NGHẼN BẰNG ĐỊNH TUYẾN LỆCH HƯỚNG KẾT HỢP VỚI ĐƯỜNG TRỄ QUANG FDL 2.1. Định tuyến lệch hướng dựa trên giao thức báo hiệu JET
Xét lưu lượng được định tuyến trên các chặng (hop) A-B-C-E trong một mạng chuyển mạch chùm quang (Hình 2.1).Tại nút lõi C với hai cổng ra (có bước sóng trên mỗi cổng ra), lưu lượng các chùm quang đến tại cổng ra trên kết nối C-D bao gồm các chùm lệch hướng đến từ kết nối C-E (do tranh chấp) và các chùm thông thường (không lệch hướng) được định tuyến ra trên kết nối C-D. Giả thiết quá trình đến của các chùm và quá trình xử lý các chùm tại nút C là ngẫu nhiên, tuân theo quá trình Poisson, và giao thức báo hiệu được sử dụng để đặt trước tài nguyên tại mỗi nút lõi trên đường đi từ A đến E là giao thức báo hiệu JET.
Hình 2.1. Mô hình mạng OBS với nút lõi C có tranh chấp ở một cổng ra
Đặt là số chặng trên lộ trình từ nút A đến nút E; là thời gian xử lý tối đa của gói điều khiển tại mỗi chặng. Tổng thời gian trễ của gói điều khiển dọc theo đường đi phải không lớn hơn giá trị , vì vậy thời gian offset có giá trị tối thiểu là (trong Hình 2.1, ). Nếu gói điều khiển không thành công việc đặt trước tài nguyên tại một kết nối nào đó (ví dụ, tại cổng ra đi đến E của nút C), chùm đến nút C sẽ bị loại bỏ (Hình 2.2a). Trong trường hợp này, để làm giảm xác suất tắc nghẽn, định tuyến lệch hướng được sử dụng tại nút lõi C, với lộ trình lệch hướng là A-B-C-D-E.
Nút lõi
Nút lõi phân tích
Nút lõi
Nút biên vào Nút biên ra
B A' C D E Lộ trình lệch hướng Lộ trình không lệch hướng Nút biên vào A Chùm không lệch hướng Nút biên vào A'' Chùm lệch hướng
Rõ ràng lộ trình lệch hướng dài hơn lộ trình ban đầu, vì vậy thời gian offset
ban đầu sẽ không đủ để có thể xử lý việc dự trữ tài nguyên. Đặt là số hop được thêm vào so với lộ trình ban đầu để lệch hướng. Như vậy chúng ta cần bổ sung thêm (offset mở rộng) cho thời gian offset đủ khi lệch hướng. Với thời gian , gói điều khiển có đủ thời gian để đặt trước băng thông trên đường đi từ D đến E (Hình 2.2b [28]).
Hình 2.2. Giao thức báo hiệu JET với định tuyến lệch hướng
Việc bù thêm thời gian có thể được thực hiện bằng cách tính toán lại thời gian offset dựa trên độ dài dự kiến của đường lệch hướng (thường là theo đường đi dài nhất) [61] hoặc là sử dụng các đường trễ quang FDL trên các nút dọc theo đường lệch hướng [19] (chẳng hạn nút C hoặc nút D trong ví dụ ở Hình 2.1). Trong trường hợp đầu tiên có thể làm lãng phí băng thông và sinh ra độ trễ không cần thiết đối với các chùm. Vì vậy việc cung cấp các đường trễ quang FDL trên các kết nối dọc theo lộ trình đường đi và làm đệm cho các chùm lệch hướng thường là lựa chọn tối ưu hơn. Đây cũng chính là giải pháp chúng tôi lựa chọn để ứng dụng tại giai đoạn 1 trong các mô hình đề xuất.
2.2. Kiến trúc nút lõi OBS và nguyên tắc chuyển mạch
Trong kiến trúc nút chuyển mạch lõi OBS, các bộ chuyển đổi bước sóng và FDL có thể được thiết kế chung để hỗ trợ tốt hơn vấn đề giải quyết tắc nghẽn tại cổng ra. Các chuyển mạch quang có thể được cấu hình khác nhau với một vài bộ chuyển đổi bước sóng được chia s cho tất cả các cổng theo kiến trúc SPN, chỉ cho một cổng ra SPL hoặc chỉ cho một cổng vào SPIL, cùng với một tập các đường trễ
quang FDL (một hoặc nhiều kênh bước sóng), kiểu truyền thẳng (feed-forward) hay hồi quy (feed-back) [19][22]. Có nhiều kiến trúc nút lõi kết hợp các CWC và các FDL này.
Hình 2.3. Nút lõi kiến trúc SPL (share-per-link) với CWC và FDL truyền thẳng
Hình 2.3 cho thấy kiến trúc nút lõi với kiến trúc SPL (share-per-link) và bộ chuyển đổi bước sóng CWC cùng đường trễ quang FDL truyền thẳng. Trong trường hợp này, các bộ chuyển đổi bước sóng và các FDL được đặt tại các cổng ra và chỉ được sử dụng bởi các lưu lượng hướng đến cổng ra đó [22]. Khi có tranh chấp ở một cổng ra, ví dụ cổng thứ , lưu lượng định tuyến ra cổng được định tuyến lệch hướng đến cổng ra 1, cùng với lưu lượng định tuyến ban đầu ra cổng 1, sẽ chia s chung tài nguyên ở cổng ra 1.
Hình 2.4. Nút lõi kiến trúc shar -per-link (SPL) với CWC và FDL hồi quy
CWC = Complete Wavelength Conversion
... . Chuyển mạch quang cổ ng r a
K Sợi quang vào
K ... . ... . cổ ng r a 1 Sợi quang ra 1 ... .
Sợi quang vào K cổ ng v ào K ... cổ ng v ào 1
Sợi quang vào