CHƯƠNG 4 CÀI ĐẶT CÁC THUẬT TOÁN VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG
4.3 Đánh giá hiệu năng mạng EPON
Xét một mạng truy nhập EPON gồm 16 ONU kết nối với một OLT thông qua một coupler thụ động. Từ mỗi ONU, chúng ta coi một độ trễ từ OLT tới ONU và độ trễ từ ONU tới OLT là như nhau. Giả định rằng khoảng cách giữa các coupler và OLT là khoảng 10km (tương đương 0.05 ms) trong khi đó khoảng cách giữa các ONU và coupler vào khoảng 15km (tương đương 0.075 ms).
Khoảng thời gian bảo vệ (guard time) giữa hai cửa sổ truyền liên tiếp của 2 ONU khỏc nhau được thiết lập là 5 às. Khoảng thời gian tớnh toỏn giữa 2 chu kỳ truyền dữ liệu được sử dụng trong DBA và eDBA được thiết lập là 20 às.
CoS1 Premium
CoS2 Silver
CoS3 Bronze
CoS4 BE
%CoS 10 % 10 % 30 % 50 %
Packet size (in
bytes) 70 70 50, 500 &
1500
50, 500 &
1500
Source CBR CBR IPP IPP
Burst Length (Number of
Packets)
CBR CBR 10 20
Local Buffer Size
(in Kbytes) 100 250 250 500
Bảng 4: Lưu lượng giả định trong mô phỏng mạng EPON
Bảng trên mô tả chất lượng dịch vụ của các gói tin thuộc các lớp dịch vụ khác nhau trong bộ đệm ONU. Với những yêu cầu dịch vụ khác nhau đòi hỏi chất lượng dịch vụ khác nhau, điều này giúp cho việc nghiên cứu thực tế các thuật toán nhằm đáp ứng các dịch vụ mạng đòi hỏi chất lượng khác nhau. Chúng ta chú ý rằng các
65
lớp CoS1 và CoS2 là các lớp dịch vụ đòi hỏi chất lượng cao hơn so với lớp dịch vụ CoS3 và CoS4 nên sử dụng nguồn CBR để phát. Các gói tin phát ra từ nguồn này có độ dài không đổi là 70[6].
Để đánh giá hiệu năng mạng, tôi sử dụng một số các phép đo được trình bày như sau:
Thời gian truy cập trung bình của gói tin tại nút i: thời gian chờ đợi trung bình trong bộ đệm địa phương của một gói tin tại nút i.
Tỷ lệ mất gói tin tại nút i: tỷ lệ giữa số lượng các gói dữ liệu bị mất (hoặc bị từ chối) trên tổng số các gói tin nhận được tại nút i.
Sự cần thiết xác định yêu cầu chất lượng của các dịch vụ (QoS) cung cấp từ phía các ISP phụ thuộc vào:
Yêu cầu QoS khác nhau của các loại ứng dụng khác nhau (độ trễ đầu cuối thấp cho các ứng dụng tương tác, thông lượng cao cho các ứng dụng truyền tin ...);
Tầm quan trọng khác nhau của các ứng dụng khác nhau cho các doanh nghiệp khác nhau (các giao dịch cơ sở dữ liệu Oracle có thể được coi là quan trọng và do đó ưu tiên cao, trong khi lưu lượng truy cập, duyệt các trang web bên ngoài nói chung là ít quan trọng…);
Mong muốn tối ưu hóa việc sử dụng cơ sở hạ tầng mạng hiện có với chi phí hạn chế, trong khi đảm bảo một hiệu suất tốt cho các ứng dụng quan trọng.
Tôi xem xét bốn loại lưu lượng truy cập ứng dụng (Premium, Silver-Bạc, Bronze – Đồng và Best Effort) được hỗ trợ trong mạng EPON như thể hiện trong bảng 6 [10]. Tôi giả định rằng bốn cấp độ yêu cầu CoS bao gồm các đặc điểm lưu lượng dữ liệu, thực hiện và ưu tiên dịch vụ sẽ được coi là yêu cầu chuẩn, dự kiến được dùng cho nghiên cứu của tôi trong phần còn lại của đồ án này.
66
Bảng 6 – Chất lượng của các lớp dịch vụ Trong đề tài, tôi nghiên cứu hai trường hợp như sau:
Trường hợp 1 – lưu lượng của đường truyền lên từ ONU tới OLT là 1Gbps và thời gian của một chu kỳ được khởi tạo ở 2ms (trong trường hợp IPACT – LSA thì cửa sổ truyền dữ liệu lớn nhất được cố định ở 15 Kbytes)
Trường hợp 2 - lưu lượng của đường truyền lên từ ONU tới OLT là 2.5Gbps và thời gian của một chu kỳ được khởi tạo ở 3ms (trong trường hợp IPACT – LSA thì cửa sổ truyền dữ liệu lớn nhất được cố định ở 50 Kbytes)
A. Tải của các nút ONU đồng đều
Trong hai trường hợp này, dữ liệu đến các ONU là xấp xỉ nhau hay nói cách khác là các ONU chịu tải mạng là tương đương nhau. Chú ý là tải mạng được đo trên quãng đường tính từ coupler đến OLT trong khi tải của từng ONU được đo trên đoạn đường từ ONU đó đến coupler. Khi chúng ta sử dụng tải mạng là 0.7 (70%) thì có nghĩa là lưu lượng dữ liệu đi qua coupler đến OLT khoảng 0.7*16*1Gbps trong trường hợp 1 hay là 0.7*16*2.5Gbps cho trường hợp 2. Phiên bản NS được sử dụng
Lớp dịch
vụ Đặc điểm dịch vụ
Chất lượng dịch vụ
Packet Loss Rate
(PLR) Độ trễ Jitter
Premium Ứng dụng video, phone Loss < 0.001% Delay < 5ms Jitter < 1 ms
Silver Ứng dụng yêu cầu cao về chất lượng
(giao dịch online, lưu trữ online,…) Loss < 0.01% Delay < 5ms Jitter = N/S
Bronze Ứng dụng yêu cầu đảm bảo băng
thông (game online,…) Loss < 0.1% Delay < 15ms Jitter = N/S
Standard Dịch vụ cơ bản (duyệt web,.) Loss < 0.5% Delay < 30ms Jitter = N/S
67
là phiên bản ns-2.35 để mô phỏng mạng. Trong nghiên cứu này, tôi sử dụng phương pháp LSA cho thuật toán IPACT và có hỗ trợ đa dịch vụ. Tôi sẽ cài đặt 3 thuật toán đã trình bày trong chương trước: IPACT, DBA và eDBA và so sánh kết quả đạt được khi cài đặt các thuật toán này trong 2 trường hợp ở trên. Tôi mặc định tỷ lệ sử dụng khoảng thời gian nhàn rỗi trong quá trình tính toán τ bằng 80% với eDBA.
Các kết quả quan sát được thu thập từ một ONU ngẫu nhiên vì các giá trị này ở các ONU khác nhau là xấp xỉ nhau. Đầu tiên chúng ta xem xét kết quả thu được với thuật toán DBA và IPACT trong trường hợp thứ nhất.
trư
Hình 34 – Trễ truy nhập với DBA (TH1)
Hình 34 biểu diễn độ trễ truy cập mạng trung bình của các gói tin tại ONU khi tải mạng EPON thay đổi từ 0.4 (40%) đến 0.9 (90%) với trường hợp 1 khi cài đặt DBA. Độ trễ này tăng khi tải mạng tăng lên do khi càng có nhiều gói tin gửi đi thì các gói tin đến sau phải chờ đợi lâu hơn trước khi được truy cập mạng để được chuyển tới OLT. Ngoài ra chúng ta cũng thấy rằng độ trễ trung bình cũng tăng lên nhanh chóng khi lớp dịch vụ thay đổi, đặc biệt với CoS4 (CoS có mức ưu tiên thấp nhất). Độ trễ thu được của CoS4 vượt hơn 0.1s khi tải mạng lên rất cao (~0.9).
68
Hình 35 – Trễ truy nhập với IPACT-LSA (TH1)
Hình 35 biểu diễn độ trễ truy cập mạng trung bình của các gói tin tại ONU với tải mạng EPON thay đổi từ 0.4 (40%) đến 0.9 (90%) trong trường hợp 1 khi cài đặt IPACT-LSA. Giống như khi cài đặt thuật toán DBA, chúng ta thấy độ trễ trung bình của gói tin tăng khi tải mạng tăng lên hoặc khi lớp dịch vụ thay đổi, đặc biệt với CoS4 (CoS có mức ưu tiên thấp nhất trong mạng). Tuy nhiên, độ trễ trung bình của IPACT thấp hơn khi so với DBA đối với cả 4 lớp dịch vụ. Ví dụ với lớp CoS4, ở mức tải mạng là 0.8 giải thuật DBA cho thấy đỗ trễ các gói tin cao hơn bên IPACT- LSA gần 10 lần. Sự chênh lệch càng lớn khi tải mạng càng tăng. Điều này chứng tỏ trong thử nghiệm này, IPACT tận dụng băng thông tốt hơn so với DBA.
Chúng ta tiếp tục xem xét đến độ trễ truy nhập mạng trung bình của gói tin quan sát tại một ONU khi cài đặt DBA và IPACT-LSA cho trường hợp 2 trong các hình dưới đây.
69
Hình 36 – Độ trễ gói tin trong DBA (TH2)
Hình 37 – Độ trễ gói tin trong IPACT-LSA (TH2)
Trước tiên chúng ta tập trung vào Hình 36. Khi chúng ta so sánh độ trễ gói tin thu được trong trường hợp 1 và trường hợp 2 với cùng thuật toán DBA, chúng ta sẽ thấy rằng độ trễ trung bình của các gói tin thu được trong trường hợp 2 thấp hơn nhiều so với độ trễ thu được trong trường hợp 1. Hiện tượng này được quan sát trên
70
tất cả 4 lớp dịch vụ, từ CoS1 tới CoS4. Thật vậy, với tải mạng là 0.9, chúng ta có độ trễ của trường hợp 1 của CoS 4 là trên 0.1s trong khi giá trị này thu được trong trường hợp 2 là chỉ khoảng 0.07s. Chúng ta cũng quan sát thấy hiện tượng này khi xem Hình 37: độ trễ trung bình của các gói tin thu được trong trường hợp 2 thấp hơn nhiều so với độ trễ thu được trong trường hợp 1 với thuật toán IPACT-LSA cho các lớp dịch vụ khác nhau. Điều này có thể được giải thích là do chúng ta tăng lưu lượng băng thông cùng với tăng thời gian của một chu kỳ lên (trong trường hợp DBA) hoặc là tăng cửa sổ truyền dữ liệu (trong trường hợp của IPACT-LSA). Ví dụ với DBA, chúng ta thấy cải thiện hiệu suất của DBA đến từ sự gia tăng thời gian chu kỳ. Thời gian chu kỳ dài hơn tương ứng với cửa sổ truyền dẫn lớn hơn bổ sung cho các ONU. Nhờ kích thước cửa sổ lớn hơn đã cho, DBA với thời gian tính toán có thể gửi nhiều dữ liệu trong một chu kỳ hơn so với trường hợp đầu tiên.
Tiếp theo chúng ta thử so sánh kết quả đạt được giữa hai giải thuật DBA và IPACT-LSA. Chúng ta có thể nhận thấy độ trễ gói tin với thuật toán IPACT là thấp khi so với giá trị này thu được từ thuật toán DBA trong cả hai trường hợp. Điều này dễ dàng được giải thích là do khoảng thời gian DBA mà OLT dùng để chạy thuật toán tính băng thông cần thiết cho các ONU đã làm lãng phí đường truyền. Hay nói cách khác, DBA khai thác đường truyền không tốt bằng IPACT.
Hình 38 – Độ trễ trung bình gói tin tại một ONU khi cài đặt eDBA (TH1)
71
Chúng ta tiếp tục theo dõi hiêu năng của mạng EPON khi cài đặt thuật toán eDBA. Hình 38 biểu diễn độ trễ trung bình của các gói tin thu được khi chạy thuật toán eDBA trong trường hợp 1. Chúng ta nhận thấy rằng kết quả nhận được tương đối giống với kết quả thu được khi sử dụng IPACT-LSA đồng thời cho độ trễ thấp hơn so với DBA. Như vậy, trong trường hợp 1 eDBA chỉ cải thiện được độ trễ của DBA nhưng vẫn không tốt hơn IPACT-LSA.
Hình 39 – Độ trễ trung bình gói tin tại một ONU khi cài đặt eDBA (TH2) Hình 39 biểu diễn độ trễ trung bình gói tin tại một ONU khi cài đặt eDBA trong trường hợp 2. Với trường hợp này, eDBA cho kết quả tốt hơn nhiều so với kết quả thu được với thuật toán DBA. Ngoài ra, nó còn nhỉnh hơn so với độ trễ khi cài đặt IPACT-LSA. Thật vậy, tập trung vào tải mạng cao là 0.9, thì độ trễ thu được với CoS4 với eDBA chi xấp xỉ 0.01s trong khi độ trễ thu được cùng các điều kiện của thuật toán IPACT-LSA vào khoảng gần 0.03s.
Sau đây, chúng ta cùng xem xét tỷ lệ mất gói tin Ethernet (PLR) tại bộ đệm cục bộ của một ONU ngẫu nhiên cho các lớp dịch vụ khác nhau của cả ba thuật toán.
Hình 40 thể hiện giá trị này cho tất cả các thuật toán với trường hợp 1 trong khi Hình 41 thể hiện tỷ lệ mất gói tin với trường hợp 2. Trước hết, chúng ta tập trung vào
72
Hình 40. Chúng ta có thể quan sát thấy được là gói tin bị mất chỉ xảy ra trong bộ đệm cục bộ với dịch vụ CoS4 (tương ứng với lượng dữ liệu Best Effort). Đối với trường hợp nghiên cứu 1, thuật toán eDBA và IPACT-LSA cho kết quả mất mát gói tin (PLR) gần tương tự nhau (đều có giá trị rất nhỏ), trong khi DBA cho kết quả PLR rất cao. Dưới tải mạng 0.9, DBA cho tỷ lệ mất gói tin là hơn 11%, theo sau là IPACT-LSA với khoảng 6%, và cuối cùng là eDBA chỉ khoảng 5%.
Hình 40 – Tỷ lệ mất gói tin của IPACT, DBA, eDBA (TH1)
Hình 41 – Tỷ lệ mất gói tin của IPACT, DBA, eDBA (TH2)
73
Bây giờ, chúng ta sẽ xem xét tỷ lệ mất gói tin (PLR) trong bộ đệm cục bộ tại một ONU bất kỳ cho mỗi lớp với 3 thuật toán. Hình 41 biểu diễn các giá trị cho trường hợp nghiên cứu 2. Chúng ta quan sát thấy mất mát gói dữ liệu chỉ xảy ra trong bộ đệm cục bộ tương ứng với lưu lượng Best Effort. Thuật toán eDBA cung cấp kết quả PLR thấp nhất trong khi DBA cung cấp giá trị PLR cao nhất. Với một lưu lượng tải lớn (90%), DBA gây ra PLR rất cao (khoảng 11%), tiếp theo là LSA (0,6%) và eDBA (0,2%) (Hình 41). Việc cải thiện hiệu năng nhờ eDBA xuất phát từ sự gia tăng thời gian chu kỳ truyền dữ liệu. Một thời gian chu kỳ dài hơn tương ứng với một cửa sổ truyền dẫn bổ sung lớn hơn cấp cho các ONU. Nhờ kích thước cửa sổ được cấp lớn hơn, eDBA cho phép gửi nhiều dữ liệu hơn trong một chu kỳ. Hơn nữa, eDBA thể hiện PLR thấp hơn so với IPACT-LSA là do nó có thể dự báo số lượng các gói tin dữ liệu khách đến trong chu kỳ tiếp theo.
B. Tải của các ONU không đồng đều
Qua các thử nghiệm trước chúng ta thấy được hiệu quả của việc cài đặt thuật toán eDBA so với DBA nhưng rõ ràng là eDBA không cho hiệu năng tốt hơn so với thuật toán IPACT-LSA. Điều này là do chúng ta mô phỏng mạng khi các luồng dữ liệu đến các ONU là đồng đều nhau. Nói một cách khác là các nút ONU được mô phỏng chịu tải tương đương nhau và điều này chưa thể hiện hết các trường hợp đối với một mạng EPON trong thực tế.
Trong thử nghiệm này, chúng ta sẽ mô phỏng mạng EPON cài đặt hai thuật toán eDBA và IPACT-LSA với các ONU chịu tải khác nhau để đánh giá hiệu năng mạng. Chúng ta tập trung vào trường hợp thứ 2 với tải mạng giữ khoảng 50%. Tuy nhiên, lúc này ONU 1 chỉ chịu tải bằng một nửa so với ONU2, bằng 1/3 so với ONU3 … và bằng khoảng 1/16 so với ONU16. Khi đó chúng ta có tải mạng sẽ là lớn nhất tại ONU16 và đạt là 100% tải của ONU16 (=2.5Gbps) trong khi tải của nút ONU1 chỉ khoảng 150Mbps.
Sau khi chạy thử nghiệm, chúng ta có một số kết quả được vẽ trong các hình dưới đây. Hình 42 biểu diễn độ trễ truy cập mạng trung bình của 15 ONU khi cài đặt IPACT-LSA. Chúng ta nhận thấy là ở những ONU có tải thấp (từ ONU 1 tới
74
ONU7) thì độ trễ truy nhập mạng của các gói tin là thấp (chỉ khoảng tử 0.1 ms tới gần 1 ms lần lượt cho CoS3 và CoS4). Độ trễ này càng lúc càng tăng cao khi tải nút tăng. Đối với nút ONU 15, chúng ta có thể tính ra lưu lượng gói tin chuyển tới nút là khoảng 150 Mbps*15 = 2,25Gbps tương đương với 90% tải. Do đó, độ trễ truy nhập ghi nhận được lên rất cao (trung bình gần 0.1s mỗi gói tin cho CoS4 và gần 0.01s cho CoS3).
Hình 42– Cài đặt IPACT-LSA với tải không đồng đều ở ONU
Trái ngược với kết quả thu được ở Hình 42, Hình 43 cho chúng ta thấy độ trễ trung bình thu được với thuật toán eDBA với lượng tải không đồng đều giữa các nút ONU tương đối cân bằng hơn. Chúng ta có thể dễ dàng nhận thấy từ ONU9 trở đi thì độ trễ có tăng lên nhưng không đáng kể. Ngay cả khi ở lượng tải rất lớn như tại những nút ONU lớn (như ONU 15 hoặc ONU 16) thì độ trễ cũng chỉ xấp xỉ 1ms.
Để giải thích cho hiện tượng này, chúng ta cùng nhắc lại về thuật toán IPACT-LSA.
Trong thuật toán này, OLT sẽ cấp phát băng thông tùy ý theo yêu cầu của từng ONU nhưng sẽ bị hạn chế bởi kích thước cửa sổ lớn nhất. Do đó, với các ONU có lượng tải lớn thì các gói tin sẽ bị ứ đọng lại bởi sự hạn chế này, dẫn tới độ trễ trung bình lớn. Đối với trường hợp eDBA, các ONU có lượng tải thấp sẽ phải chia sẻ băng thông của mình cho các ONU có lượng tải cao nên các ONU có tải lớn sẽ không bị hạn chế về mặt băng thông nên nói chung thì độ trễ trung bình của các gói
75
tin tại bộ đệm trước khi truy cập mạng sẽ thấp hơn. Qua thử nghiệm này chúng ta đã thấy rõ được sự khác biệt giữa hai thuật toán.
Hình 43 – Cài đặt EDBA với tải không dồng đều ở ONU
Kết quả cuối cùng (thể hiện trong Hình 44) hiển thị tỷ lệ sử dụng băng thông được đo tại coupler pasive khi tải mạng đồng đều ở các ONU. Hình này cho thấy thuật toán eDBA khai thác băng thông tốt hơn IPACT-LSA và DBA. Trong thời gian hoạt động, eDBA có thể gửi nhiều dữ liệu hơn so với các cơ chế khác hiện có.
Trong từng trường hợp, như tải mạng tới 90%, eDBA có thể khai thác băng thông tới 87%, trong khi LSA và DBA tương ứng chiếm 84,5% và 80% lượng băng thông.
Hình 44 – Tỷ lệ băng thông được sử dụng (đo tại coupler)