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
1 ... ... . CWC CWC FDLN FDL1 ... ... CWC CWC FDLN FDL1 ... ...
Lưu lượng lệch hướng Lưu lượng không lệch hướng
... . ... . cổ ng r a 1 ... CWC Sợi quang ra 1 ... . Chuyển mạch quang cổ ng r a K Sợi quang ra K CWC CWC CWC ... .
Sợi quang vào K cổ ng v ào K ... cổ ng v ào 1 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Sợi quang vào
1 ... CWC FDL N CWC FDL 1 CWC ... ... ... . CWC CWC
Lưu lượng lệch hướng Lưu lượng không lệch hướng CWC = Complete Wavelength Conversion
Với trường hợp SPL và hồi quy, các bộ chuyển đổi bước sóng đặt tại mỗi kết nối ra (chỉ được sử dụng cho các lưu lượng đến kết nối ra đó), trong khi các FDL được đặt chung tại nút lõi và các lưu lượng đến trên kết nối (vào) bất kỳ đều có thể sử dụng nếu sẵn có (Hình 2.4).
Việc làm trễ các chùm lệch hướng có thể được thực hiện tại các vị trí khác nhau phụ thuộc vào kiến trúc với các FDL của nút lõi OBS. Nếu thực hiện làm trễ chùm ngay tại nút tắc nghẽn, kiến trúc đường trễ FDL phải là truyền thẳng [19] (ví dụ trong Hình 2.1, thực hiện làm trễ trên kết nối C-D). Trong trường hợp làm trễ chùm tại nút lõi tiếp theo của nút bị tắc nghẽn (ví dụ nút D), có thể áp dụng với cả kiến trúc hồi quy (thực hiện ngay tại nút lõi D) và truyền thẳng (thực hiện trên kết nối D-E).
Trong Chương 2 của Luận án, chúng tôi thực hiện nghiên cứu, cải tiến các mô hình phân tích để tính xác suất tắc nghẽn tại một nút lõi OBS sử dụng giao thức báo hiệu JET và định tuyến lệch hướng. Các mô hình được xem xét ở nút lõi OBS với kiến trúc SPL đối với CWC và truyền thẳng đối với FDL như ở Hình 2.1 và Hình 2.3 (tại nút lõi C và trên kết nối C-D).
2.3. Mô hình phân tích cơ bản và các giả thiết 2.3.1 Các giả thiết 2.3.1 Các giả thiết
Việc áp dụng định tuyến lệch hướng cho phép làm giảm xác suất mất chùm nhưng đồng thời nó cũng có thể làm tăng tính mất ổn định của mạng trong điều kiện tải cao. Do định tuyến lệch hướng có thể làm tăng tải lưu lượng tại kết nối ra thay thế (ví dụ kết nối C-D trong Hình 2.1), nên việc xây dựng các mô hình phân tích để nghiên cứu chính xác ảnh hưởng của định tuyến lệch hướng đến xác suất mất chùm trong mạng OBS là thật sự cần thiết [19][28][58][67]. Các mô hình phân tích trong Chương 2 này cũng tuân theo nguyên tắc đó. Theo đó, chúng tôi sẽ sử dụng mô hình Markov để phân tích ảnh hưởng của định tuyến lệch hướng có/không có các đường trễ quang FDL ở kết nối ra C-D của nút lõi C (Hình 2.1) với lộ trình ban đầu được xem xét là A-B-C-E. Mô hình phân tích dựa trên một số giả thiết sau:
– là số bước sóng trên mỗi kết nối sợi quang ra, tương ứng một tập các bước sóng ; Giả thiết khả năng chuyển đổi bước sóng là đầy đủ nên cũng sẽ có bộ chuyển đổi CWC trên mỗi cổng ra.
– Độ dài chùm được phân bố theo hàm mũ với giá trị trung bình ⁄ ; là tốc độ trung bình phục vụ chùm;
– là thời gian xử lý tối đa đối với gói điều khiển tại mỗi hop;
– là số đường trễ FDL với bước sóng sẽ sử dụng, trong đó FDL (ứng với FDL “ảo”) dành cho các chùm lệch hướng (ở giai đoạn 1) để cung cấp thời gian offset mở rộng, ; và FDL (ứng với FDL “ảo”) dành cho các chùm không lệch hướng tại giai đoạn 2, tức là ,
, .
– Các chùm được lệch hướng và không lệch hướng đến trên cổng ra đều tuân theo phân phối Poisson với tốc độ trung bình lần lượt là và ; Lưu lượng tải đến trung bình do đó là , trong đó ⁄ là lưu lượng tải vào trung bình của chùm không lệch hướng và ⁄ là lưu lượng tải vào trung bình của chùm được lệch hướng.
– Giả thiết phân bố lưu lượng các chùm đến các cổng ra của nút lõi OBS là như nhau, nên mô hình có thể chỉ cần xem xét tại một cổng ra của nút lõi OBS [39].
2.3.2 Mô hình phân tích cơ bản
Các mô hình phân tích trong Chương 2 này dựa trên mô hình hàng đợi Markov đa chiều , xuất phát từ mô hình cơ bản gồm 2 giai đoạn (Hình 2.5) [5][28] tại mỗi nút lõi OBS, trong đó về cơ bản các mô hình có phương thức hoạt động giống nhau ở giai đoạn 1. Mô hình phân tích cơ bản với giai đoạn 1 dựa trên ý tưởng sử dụng FDL để làm trễ các chùm lệch hướng được chỉ ra trong
[19][58]. Các mô hình tiếp theo khác nhau chủ yếu ở giai đoạn 2. Việc đưa ra mô hình cơ bản cho phép hệ thống hóa các mô hình phân tích, bắt đầu từ mô hình đơn giản nhất và cải tiến với các mô hình tiếp theo.
– Giai đoạn đầu tiên tương ứng với mô hình hàng đợi , trong đó , với đường trễ quang FDL để cung cấp thời gian offset mở rộng cho các chùm lệch hướng. Điều này có nghĩa là các chùm lệch hướng sẽ được làm trễ trong một FDL trước khi nó được phục vụ (ở các giai đoạn sau). Độ trễ được cung cấp bởi FDL bằng thời gian offset mở rộng để đảm bảo chùm lệch hướng không vượt trước gói điều khiển của nó.
o Như mô tả trong Hình 2.5, , với , xác định đường trễ quang FDL “ảo” thứ được thiết kế cho các chùm lệch hướng. Xác suất tắc nghẽn khi tất cả các đường trễ FDL “ảo” đều bận được tính bằng công thức Erlang (Erlang’s loss formula) [10] như sau:
⁄
∑ ⁄ (2.1)
o Độ phức tạp của giai đoạn 1 tính được bằng [8].
o Tốc độ trung bình của các chùm sau giai đoạn 1 (giả thiết cũng theo phân phối Poisson) do đó sẽ là:
(2.2)
– Các mô hình phân tích trong các phần tiếp theo sẽ khác nhau ở giai đoạn sau tương ứng với mô hình hai lớp lưu lượng hay mô hình lưu lượng đa chiều (lưu lượng lệch hướng và không lệch hướng, ứng với tốc độ trung bình là và ) cùng chia s bước sóng trên kết nối sợi quang ra (xét với 2 trường hợp: có và không có QoS). Ngoài ra, tại giai đoạn này, – FDL còn lại cũng có thể được sử dụng dành riêng cho các chùm không lệch hướng.
Hình 2.5. Mô hình phân tích cơ bản tại nút lõi OBS
2.4. Mô hình định tuyến lệch hướng không có ưu tiên (mô hình DRNP) DRNP)
Xuất phát từ mô hình cơ bản ở trên, tại giai đoạn 2, đầu tiên chúng tôi phân tích với trường hợp các lưu lượng lệch hướng và không lệch hướng cùng chia s bước sóng trên một cổng ra (kết nối C-D trong Hình 2.1) nhưng không xét chất lượng dịch vụ (QoS) [5]. Đây là mô hình được đưa ra với mục đích đơn giản hóa, từ đó tạo sự lô-gic theo sự phát triển của các mô hình tiếp theo. Lược đồ chuyển trạng thái trong mô hình DRNP được chỉ ra như ở Hình 2.6.
... Giai đoạn 1 Giai đoạn 2 Dd D2 D1 ... d f ' d (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 2.6. Lược đồ chuyển trạng th i tại nút lõi OBS kh ng t oS (mô hình DRNP)
Mỗi trạng thái trong mô hình ở trên ứng với cặp : , và , tương ứng là số chùm không lệch hướng và lệch hướng.
Theo lược đồ chuyển trạng thái đối với mô hình lưu lượng đa chiều [10], chỉ ra xác suất trạng thái ổn định mà hệ thống đạt được trong trạng thái . Giả thiết tốc độ phục vụ của các chùm lệch hướng và không lệch hướng ở giai đoạn này là như nhau, bằng , khi đó ta có hệ các hàm ở trạng thái ổn định:
[ ]
(2.3)
trong đó , và
(2.4)
trong đó – , và với
Biểu diễn riêng rẽ lưu lượng chùm không lệch hướng và chùm được lệch hướng bởi ⁄ và ⁄ có thể chỉ ra kết quả thỏa mãn (2.3) và (2.4)
[10][28]: (2.5) ' d ' d ' d ' d ' d ' d (-1) 2 ' d 0,0 0,1 0,-1 0, 1,0 1,1 1,-1 -1,0 -1,1 0 ... ... ... ... . . . . . . (-1) (-1) (-1) không lệch hướng lệch hướng j i f f f f f f ' d 2
trong đó được tính như sau: [∑ ∑ ] (2.6)
Theo các luật chuyển trạng thái được xác định trong Hình 2.6, sử dụng các công thức (2.5) và (2.6), xác suất tắc nghẽn của các chùm trong trường hợp này được tính như sau [10]:
∑ (2.7)
Độ phức tạp trong giai đoạn 2 này tính được dựa trên độ phức tạp của 2 công thức (2.6) và (2.7) và bằng [64]. Do đó, độ phức tạp của mô hình DRNP sẽ là .
Khi đó, lời giải đối với xác suất tắc nghẽn trung bình với các chùm không lệch hướng và với các chùm lệch hướng tương ứng là:
(2.8)
2.5. Mô hình định tuyến lệch hướng có ưu tiên (mô hình DRWP)
Nhằm hỗ trợ cho các chùm được lệch hướng tại giai đoạn 2 (giảm khả năng các chùm lệch hướng sẽ bị tắc nghẽn tiếp theo), trạng thái của hệ thống sẽ không chỉ đơn giản là dành toàn bộ số bước sóng được dự trữ tại một cổng ra cho cả hai loại chùm đến, mà sẽ xem xét đến độ ưu tiên của mỗi chùm. Ý tưởng chính mà chúng tôi cải tiến trong mô hình DRWP này (từ mô hình DRNP) là xem xét đến chất lượng dịch vụ QoS theo tài nguyên bước sóng [5][13], tức là luồng có độ ưu tiên cao (luồng lệch hướng) sẽ được cấp phát tài nguyên nhiều hơn so với lớp có độ ưu tiên thấp (luồng không lệch hướng) [5][26].
2.5.1. Lược đồ chuyển trạng thái và hệ phương trình trạng thái cân bằng bằng
Tương tự mô hình DRNP, xét các chùm lệch hướng và các chùm không lệch hướng đến trên kết nối C-D tương ứng với 2 lớp dịch vụ có độ ưu tiên khác nhau, ký hiệu tương ứng là (các chùm lệch hướng) và (các chùm không lệch hướng), trong đó lớp có độ ưu tiên cao hơn lớp . Một số giả thiết được phát biểu bổ sung để phù hợp với mô hình DRWP:
– Tốc độ đến của các lớp dịch vụ là độc lập, và được biểu thị đơn giản là đối với lớp và đối với lớp .
– Mỗi sợi quang mang bước sóng, trong đó các chùm thuộc lớp không được phép sử dụng nhiều hơn bước sóng tại bất kỳ thời điểm nào. Nói cách khác, trong số bước sóng, các chùm lệch hướng được sử dụng độc quyền bước sóng, trong khi bước sóng còn lại được chia s cho cả 2 chùm (chùm không lệch hướng và chùm lệch hướng khi tất cả bước sóng đều bận).
Hình 2.7. Lược đồ chuyển trạng th i tại nút lõi OBS với QoS (mô hình DRWP)
Khi đó, lược đồ chuyển trạng thái trong mô hình này được chỉ ra như ở Hình 2.7. Trong đó, trạng thái của hệ thống tại mỗi thời điểm có thể được biểu diễn bởi một cặp , với và lần lượt là số chùm của lớp (không lệch hướng) và lớp