CHƯƠNG 4 CÀI ĐẶT CÁC THUẬT TOÁN VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG
4.4 Đánh giá hiệu năng mạng WDM-PON
4.4.2 Đánh giá các thuật toán WDBA
Trong nghiên cứu đánh giá hiệu năng mạng WDM-PON, tôi xin tập trung vào đánh giá thuật toán WDBA đã được trình bày ở trên với hai biến thể của nó là uncontrolled scheme (sẽ được viết tắt la WDBA-UC) và controlled scheme (được viết tắt là WDBA-C). Thuật toán cải tiến được đề xuất sẽ cài đặt trên WDBA-C và sẽ được gọi là thuật toán WDBA-CwE. Trước khi xem xét hiệu năng của hệ thống, chúng ta cùng xem xét xác suất xuất hiện của các ONU có yêu cầu băng thông lớn hơn trung bình của mạng. Hình dưới đây biểu diễn hàm phân bố xác suất của các ONU có yêu cầu lớn hơn trung bình tại mỗi chu kỳ truyền dẫn dữ liệu trong hệ thống với một số tải mạng khác nhau: 30%, 50%, 70% và cuối cùng là 90%. Chúng ta có thể nhận thấy rằng khi mạng có tải thấp (từ 30-50%) thì xác suất xuất hiện các ONU có yêu cầu cao hơn trung bình là thấp. Ngược lại khi mạng chịu tải lớn thì xác suất xuất hiện các ONU có yêu cầu băng thông lớn hơn trung bình là cao. Ví dụ với tải mạng 30%, chúng ta thấy xác xuất không xuất hiện bất kỳ ONU có yêu cầu băng thông lớn gần như bằng 1. Ngược lại, với tải mạng xấp xỉ hơn 90%, xác suất mà không có ONU nào yêu cầu nhiều băng thông là bằng 0 nhưng xác suất mà tất cả ONU trong hệ thống yêu cầu lớn băng thông là bằng 1. Với tải mạng biến đổi trong khoảng từ 0.3 tới 0.9 thì tải mạng càng cao thì xác suất xuất hiện nhiều ONU đòi hỏi nhiều băng thông càng lớn.
Hình 46 – Pdf các ONU có yêu cầu băng thông lớn
0.00E+00 2.00E-01 4.00E-01 6.00E-01 8.00E-01 1.00E+00 1.20E+00
0 2 4 6 8 10 12 14 16
(Probability)
ONU Number
Load 30%
Load 50%
Load 70%
Load 90%
78
Trước tiên chúng ta xem xét một mạng WDM-PON hỗ trợ 2 bước sóng. Hình 47 biểu diễn độ trễ trung bình quan sát được tại một ONU bất kỳ khi cài đặt thuật toán WDBA-UC. Chú ý là các kết quả chỉ được theo dõi trên một ONU duy nhất do các kết quả đạt được ở các ONU khác nhau gần như xấp xỉ. Quan sát hình vẽ chúng ta thấy ngoài các gói tin thuộc dịch vụ Best Effort tăng cao, các lớp dịch vụ khác đều có độ trễ trung bình của gói tin thấp hơn 10 ms và lớp dịch vụ có độ ưu tiên cao thì độ trễ trung bình gói tin của nó thấp hơn các lớp dịch vụ có độ ưu tiên thấp hơn. Độ trễ trung bình của cả 3 lớp dịch vụ Bronze, Silver và Premium đều không tăng khi tải mạng tăng. Ngược lại, độ trễ của lớp dịch vụ Best Effort tăng rất cao khi tải mạng tăng cao và nó vượt qua 60ms khi tải của mạng tăng hơn 80%.
Hình 47 – Độ trễ trung bình đo tại một ONU với thuật toán WDBA-UC
Hình 48 –Độ trễ trung bình đo tại một ONU với thuật toán WDBA-C
0.00E+00 1.00E-02 2.00E-02 3.00E-02 4.00E-02 5.00E-02 6.00E-02 7.00E-02
0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
(s)
Network Load
Best Effort - UC Bronze - UC Silver - UC Premium - UC
0.00E+00 1.00E-02 2.00E-02 3.00E-02 4.00E-02 5.00E-02 6.00E-02 7.00E-02
0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
(s)
Network Load
Best Effort - C
Bronze - C
79
Hình 48 biểu diễn độ trễ trung bình đo tại một ONU bất kỳ với thuật toán WDBA-C. Trước hết chúng ta nhận thấy về cơ bản thì không có nhiều khác biệt khi so sánh Hình 47 với Hình 48. Khác biệt duy nhất ở đây chính là sự cải tiến của các lớp dịch vụ Bronze, Silver và Premium mà thể hiện rõ nhất ở tải mạng bằng 0.6.
Trong khi đó với lớp dịch vụ Best Effort thì độ trễ thu được gần như là không đổi so với thuật toán WDBA-UC. Nói một cách khác, thuật toán WDBA-C cho phép cải tiến một chút hiệu năng mạng (về mặt độ trễ gói tin) nhưng không nhiều.
Hình 49 – Độ trễ trung bình đo tại một ONU với thuật toán WDBA-CwE Hình 49 biểu diễn độ trễ trung bình đo tại một ONU bất kỳ với thuật toán WDBA-CwE. Cũng như thuật toán WDBA-C, chúng ta nhận thấy về cơ bản thì nó cũng không có nhiều khác biệt khi so sánh với các hình trước. Khác biệt chính ở đây là sự cải tiến về độ trễ của lớp dịch vụ Best Effort. Độ trễ thu được với lớp dịch vụ Best Effort thấp hơn nhiều so với hai thuật toán trước. Ví dụ với tải mạng là 90%, độ trễ thu được với lớp dịch vụ Best Effort đạt chưa tới 50ms, thấp hơn rất nhiều so với độ trễ cùng lớp dịch vụ với hai thuật toán trước (đều trên 70ms). Như vậy, thuật toán WDBA-CwE cho thấy sự cải tiến rõ rệt về hiệu năng mạng (về mặt độ trễ gói tin).
0.00E+00 1.00E-02 2.00E-02 3.00E-02 4.00E-02 5.00E-02 6.00E-02
0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
(s)
Network Load
Best Effort - CwE Bronze - CwE Silver - CwE Premium - CwE
80
Hình 50 – Tỷ lệ mất gói tin tại một ONU với thuật toán WDBA-UC
Quan sát tỷ lệ mất gói tin khi cài đặt thuật toán WDBA-UC (Hình 50), chúng ta thấy rằng ngoại trừ lớp dịch vụ Best Effort cho tỷ lệ mất gói tin rất cao thì 3 lớp dịch vụ còn lại không có hiện tượng mất gói tin. Các gói tin Best Effort bắt đầu bị mất khi tải mạng vượt 70% và tỷ lệ mất gói tin càng tăng nhanh khi tải mạng tăng nhanh.
Thậm chí tỷ lệ này lên đến gần 45% khi tải mạng đạt 90%.
Hình 51 – Tỷ lệ mất gói tin tại một ONU với thuật toán WDBA-C
0.00E+00 5.00E+00 1.00E+01 1.50E+01 2.00E+01 2.50E+01 3.00E+01 3.50E+01 4.00E+01 4.50E+01 5.00E+01
0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
(%)
Network Load
Best Effort - UC Bronze - UC Silver - UC Premium - UC
0.00E+00 5.00E+00 1.00E+01 1.50E+01 2.00E+01 2.50E+01 3.00E+01 3.50E+01 4.00E+01 4.50E+01 5.00E+01
0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
PLR (%)
Network Load
Best Effort - C Bronze - C Silver - C Premium - C
81
Hình 51 biểu tỷ lệ mất gói tin đo tại một ONU bất kỳ với thuật toán WDBA-C.
Chúng ta nhận thấy về cơ bản thì nó cũng không có nhiều khác biệt so với kết quả chúng ta nhận được từ thuật toán WDBA-UC. Các gói tin Best Effort cũng bắt đầu bị mất khi tải mạng vượt 70% và tỷ lệ mất gói tin càng tăng nhanh khi tải mạng tăng nhanh. Tỷ lệ này lên đến gần 45% khi tải mạng đạt 90%.
Hình 52 – Tỷ lệ mất gói tin tại một ONU với thuật toán WDBA-CwE
Chúng ta tập trung vào Hình 52 – mô tả tỷ lệ mất gói tin tại một nút ONU bất kỳ với thuật toán WDBA-CwE. Chúng ta có thể dễ dàng nhận ra sự cải tiến tương đối lớn đối với lớp dịch vụ Best Effort. Thật vậy, với tải mạng là 70% dễ dàng nhận thấy là tỷ lệ mất gói tin của lớp dịch vụ này gần như bẳng 0. Trong khi đó, với tải mạng là 80% và 90% tương ứng chúng ta thấy tỷ lệ mất mát gói tin thấp hơn rất nhiều so với hai thuật toán WDBA-UC và WDBA-C.
Hình 53 – Phân bố các chu kỳ truyền dẫn theo tỷ lệ điền đầy (tải mạng 50%)
0.00E+00 5.00E+00 1.00E+01 1.50E+01 2.00E+01 2.50E+01 3.00E+01 3.50E+01
0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
PLR (%)
Network Load
Best Effort - CwE Bronze - CwE Silver - CwE Premium - CwE
0 200 400 600 800 1000
40 50 60 70 80 90
Number occurrence
Time Cycle Filling-Ratio
WDBA-UC WDBA-C WDBA-CwE
82
Hình 53 biểu diễn một thông tin rất thú vị: số lượng của các chu kỳ truyền dẫn phân bổ theo tỷ lệ điền đầy bởi các gói tin dữ liệu khi tải mạng là 50%. Ở đây, tôi đếm số lượng các chu kỳ truyền dẫn mà tại đó tỷ lệ được điền đầy gói tin trên cả hai bước sóng lần lượt trên 10%, 20%, 30%,… đến hơn 90% trong khoảng thời gian 5s của mô phỏng. Trước hết, chúng ta tập trung vào thuật toán WDBA-UC. Với thuật toán này, số lượng các chu kỳ truyền dẫn có tỷ lệ được điền đầy 40% đến 80% tương đối đồng đều, xấp xỉ từ 200 đến 300 lượt đếm. Tuy nhiên số lượng của các chu kỳ được điền đầy hơn 90% rất thấp và có thể coi là gần bằng 0. Chúng ta tiếp tục tập trung vào thuật toán WDBA-C. Với thuật toán này thì số lượng xuất hiện của các chu kỳ truyền dẫn được điền đầy 40% gần như bằng 0. Số lượng chu kỳ được điền đầy từ 50 đến 60% xuất hiện nhiều hơn và nhiều nhất là số lượng chu kỳ có tỷ lệ điền đầy hơn 70% (và < 80%). Chúng ta tập trung tiếp vào thuật toán WDBA-CwE. Số lượng các chu kỳ truyền dẫn có tỷ lệ điền đầy lớn hơn 40% đến 70% được quan sát rất thấp. Tuy nhiên số lượng các chu kỳ có tỷ lệ điền đấy hơn 80% và 90% tăng rất cao.Thậm chí số lượng chu kỳ có tỷ lệ điền đầy hơn 80% xuất hiện gần 1000 lần trên tổng số 1500 lần quan sát trong mô phỏng (5s mô phỏng). Có một chú ý quan trọng ở đây là số lượng càng nhiều lần xuất hiện của các chu kỳ có tỷ lệ điền đầy càng cao thì băng thông của mạng được khai thác càng triệt để. Như vậy, thông qua kết quả đạt được chúng ta dễ dàng nhận thấy thuật toán WDBA-CwE khai thác băng thông tốt hơn nhiều so với hai thuật toán còn lại.
Hình 54 – Phân bố các chu kỳ truyền dẫn theo tỷ lệ điền đầy (tải mạng 80%)
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
40 50 60 70 80 90
Number Occurrence
Time Cycle Filling-Ratio
WDBA-UC WDBA-C WDBA-CwE
83
Hình 54 một lần nữa cho chúng ta thấy sự khai thác tối ưu băng thông của thuật toán WDBA-CwE so với hai thuật toán còn lại. Với thuật toán WDBA-CwE, gần 100%
các chu kỳ truyền dẫn trong hệ thống được điền đầy hơn 90% bởi gói tin dữ liệu.
Hình 55 – Độ trễ trung bình gói tin Premium khi K thay đổi với các thuật toán Hình 55 biểu diễn độ trễ trung bình của các gói tin Premium khi K thay đổi từ 2 đến 6 với các thuật toán WDBA-UC và WDBA-CwE. Độ trễ của lớp gói tin Premium với các thuật toán đều nhỏ hơn 2ms và điều này phù hợp với yêu cầu nêu ở bảng 6.
Chúng ta dễ dàng quan sát thấy là khi K tăng lên thì độ trễ thu được sẽ tốt dần lên, đặc biệt với thuật toán WDBA-CwE. Điều này có được là do hiện tượng cân bằng tải đã nêu trong chương trước.
Hình 56 – Độ trễ trung bình lớp dịch vụ BestEffort khi K thay đổi với các thuật toán
1.00E-03 1.10E-03 1.20E-03 1.30E-03 1.40E-03 1.50E-03 1.60E-03 1.70E-03 1.80E-03 1.90E-03
30 50 70 80
(s)
Network Load
WDBA-UC-2 WDBA-UC-4 WDBA-UC-6 WDBA-CwE-2 WDBA-CwE-4 WDBA-CwE-6
0.00E+00 1.00E-02 2.00E-02 3.00E-02 4.00E-02 5.00E-02
30 50 70 80
(s)
Network Load
WDBA-UC-2 WDBA-UC-4 WDBA-UC-6 WDBA-CwE-2 WDBA-CwE-4 WDBA-CwE-6
84
Hình 56 biểu diễn độ trễ trung bình của các gói tin BestEffort khi K thay đổi từ 2 đến 6 với các thuật toán WDBA-UC và WDBA-CwE. Độ trễ của lớp gói tin BestEffort với cả hai thuật toán đều nhỏ hơn 30ms chỉ trừ trường hợp thuật toán WDBA-UC, K=2 với tải mạng là 80%. Độ trễ trong trường hợp này đạt gần 45 ms.
Tuy nhiên khi sử dụng thuật toán WDBA-CwE trong trường hợp K=2, độ trễ này giảm xuống chỉ còn xấp xỉ 30ms và điều này thỏa mãn yêu cầu nêu ở bảng 6.
Hình 57 – Tỷ lệ mất gói tin BestEffort khi K thay đổi với các thuật toán Quan sát Hình 57 chúng ta thấy sự cải tiến rõ rệt của thuật toán WDBA-CwE so với thuật toán WDBA-UC mà không phụ thuộc vào K theo tỷ lệ mất mát gói tin. Với việc áp dụng thuật toán WDBA-CwE, lượng băng thông lãng phí trong mạng cũng giảm đi nhiều hơn. Thật vậy, Hình 58 biểu diễn lượng băng thông lãng phí quan sát được cho thấy trung bình thuật toán WDBA-CwE cho phép khai thác băng thông tốt hơn thuật toán WDBA-C gần 10%.
0 5 10 15 20 25 30
30 50 70 80
PLR(%)
Network Load
WDBA-UC-2 WDBA-UC-4 WDBA-UC-6 WDBA-CwE-2 WDBA-CwE-4 WDBA-CwE-6
85
Hình 58 – Lượng băng thông lãng phí với K=2,4,6