Luận án Tiến sĩ Khoa học máy tính: Nghiên cứu một số giải pháp nâng cao chất lượng dịch vụ trong mạng chuyển mạch chùm quang

Chia sẻ: Nhiên Hà | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:134

Thêm vào BST

Báo xấu

26
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án đề xuất phương pháp phân tích dữ liệu lịch sử lập lịch nhằm xác định các nhân tố ảnh hưởng đến hiệu quả lập lịch, từ đó đề xuất giải pháp giảm mất mát dữ liệu nhằm nâng cao hiệu năng lập lịch tại nút lõi.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Khoa học máy tính: Nghiên cứu một số giải pháp nâng cao chất lượng dịch vụ trong mạng chuyển mạch chùm quang

ĐẠI HỌC HUẾ PHẠM TRUNG ĐỨC NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH HUẾ, NĂM 2021
ĐẠI HỌC HUẾ PHẠM TRUNG ĐỨC NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÁY TÍNH MÃ SỐ: 9480101 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH HUẾ, NĂM 2021
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Võ Viết Minh Nhật và TS. Đặng Thanh Chương. Những nội dung trong các công trình đã được công bố chung với các tác giả khác đã được sự chấp thuận của đồng tác giả khi đưa vào luận án. Các số liệu và kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa được công bố bởi tác giả nào trong bất kỳ công trình nào khác. Nghiên cứu sinh Phạm Trung Đức i
LỜI CẢM ƠN Trước hết tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến PGS. TS. Võ Viết Minh Nhật và TS. Đặng Thanh Chương là những người Thầy đã tận tình hướng dẫn chỉ bảo, động viên và giúp đỡ để tôi có thể hoàn thành được luận án này. Tôi xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ của Quý Thầy Cô trong Khoa Công nghệ Thông tin - Trường Đại học Khoa học Huế đã quan tâm, giúp đỡ, hướng dẫn trong suốt quá trình học tập. Tôi xin trân trọng cảm ơn Quý Lãnh đạo, Hội đồng quản trị Công ty cổ phần Bến xe Huế đã tạo điều kiện thuận lợi trong công tác để tôi có đủ thời gian hoàn thành luận án này. Tôi xin cảm ơn Quý Thầy Cô, cán bộ quản lý Phòng Đào tạo Sau đại học – Trường Đại học Khoa học Huế đã giúp đỡ tôi hoàn thành kế hoạch học tập. Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn các bạn đồng nghiệp, người thân trong gia đình luôn động viên, giúp đỡ tôi về mọi mặt trong suốt quá trình nghiên cứu, học tập. Nghiên cứu sinh Phạm Trung Đức ii
MỤC LỤC MỤC LỤC ................................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................ vi CÁC KÝ HIỆU ĐƯỢC SỬ DỤNG........................................................................ ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ................................................................................. xi DANH MỤC CÁC BẢNG ......................................................................................xv MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG ........................................................................8 1.1 Giới thiệu về mạng chuyển mạch chùm quang ................................................9 1.1.1 Kiến trúc của mạng OBS ...........................................................................9 1.1.2 So sánh về các mô hình chuyển mạch quang ..........................................10 1.1.3 Các hoạt động tại nút biên .......................................................................14 1.1.4 Các hoạt động tại nút lõi ..........................................................................17 1.1.5 Lập lịch trong mạng OBS ........................................................................22 1.2 Chất lượng dịch vụ trong mạng OBS .............................................................24 1.2.1 Sự cần thiết nâng cao chất lượng dịch vụ ................................................24 1.2.2 Nâng cao chất lượng dịch vụ tại nút lõi ...................................................27 1.2.3 Nâng cao chất lượng dịch vụ tại nút biên ................................................30 1.3 Mục tiêu nghiên cứu của luận án ...................................................................33 1.4 Tiểu kết chương 1 ...........................................................................................34 CHƯƠNG 2. GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TẠI NÚT LÕI ........................................................................................................35 iii
2.1 Điều khiển chấp nhận lập lịch hỗ trợ cung cấp chất lượng dịch vụ ...............35 2.2 Phân tích và đánh giá các mô hình điều khiển chấp nhận ..............................37 2.2.1 Mô hình nhóm bước sóng ........................................................................37 2.2.2 So sánh và đánh giá dựa trên mô phỏng ..................................................40 2.2.3 Nhận xét ...................................................................................................42 2.3 Mô hình điều khiển chấp nhận dựa trên dự đoán tốc độ chùm đến ARP-SAC . ........................................................................................................................43 2.3.1 Mô hình dự đoán dựa trên tốc độ chùm đến ............................................43 2.3.2 Mô tả thuật toán điều khiển chấp nhận trong mô hình ARP-SAC ..........45 2.3.3 So sánh và đánh giá dựa trên mô phỏng ..................................................50 2.3.4 Nhận xét ...................................................................................................53 2.4 Phương pháp dành lại tài nguyên cho chùm ưu tiên cao ...............................53 2.4.1 Nguyên tắc dành lại tài nguyên cho chùm ưu tiên cao ............................53 2.4.2 Mô tả thuật toán điều khiển chấp nhận trong mô hình TPAC .................54 2.4.3 Phân tích mô hình TPAC .........................................................................55 2.4.4 So sánh và đánh giá dựa trên mô phỏng ..................................................60 2.4.5 Nhận xét ...................................................................................................66 2.5 Mô hình kết hợp TPAC và đường trễ .............................................................67 2.5.1 Mô tả thuật toán iTPAC ...........................................................................68 2.5.2 Mô phỏng, so sánh và đánh giá ...............................................................70 2.5.3 Nhận xét ...................................................................................................73 2.6 Tiểu kết chương 2 ...........................................................................................74 CHƯƠNG 3. GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TẠI NÚT BIÊN VÀ KẾT HỢP CÁC NÚT ............................................................................75 iv
3.1 Mô hình phân biệt chất lượng dịch vụ tại nút biên ........................................76 3.1.1 Tập hợp chùm kết hợp cung cấp chất lượng dịch vụ ...............................76 3.1.2 Phân tích các phương pháp phân biệt chất lượng dịch vụ dựa trên thời gian bù đắp và độ dài chùm ......................................................................................78 3.1.3 Mô hình cung cấp chất lượng dịch vụ OT-BLD......................................80 3.1.4 So sánh và đánh giá dựa trên mô phỏng ..................................................82 3.1.5 Nhận xét ...................................................................................................86 3.2 Phân tích nguyên nhân gây mất chùm............................................................87 3.2.1 Vấn đề mất chùm khi lập lịch ..................................................................87 3.2.2 Trích xuất dữ liệu trạng thái lập lịch .......................................................88 3.2.3 Xác định các thuộc tính ảnh hưởng đến mất chùm .................................89 3.2.4 Giải pháp sử dụng đường trễ nhằm giảm mất mát chùm ........................92 3.2.5 So sánh và đánh giá dựa trên mô phỏng ..................................................95 3.3 Kết hợp nút biên và nút lõi trong phân biệt chất lượng dịch vụ ....................96 3.3.1 Điều chỉnh kích thước chùm dựa trên phản hồi.......................................96 3.3.2 Mô hình phân biệt chất lượng dịch vụ dựa trên thời gian bù đắp và độ dài chùm được điều chỉnh OT-ABLD ....................................................................98 3.3.3 So sánh và đánh giá dựa trên mô phỏng ................................................100 3.3.4 Nhận xét .................................................................................................104 3.4 Tiểu kết chương 3 .........................................................................................104 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN ÁN ..............................106 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN .................107 v
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Thuật ngữ tiếng Anh Diễn giải ý nghĩa Điều khiển chấp nhận lập lịch Adaptive Rate Prediction ARP-SAC dựa trên dự đoán tốc độ đến một Scheduling Admission Control cách thích nghi BCP Burst Control Packet Gói điều khiển chùm (Kênh) phù hợp nhất với lấp đầy BF-VF Best Fit with Void Filling khoảng trống BLD Burst Length-based Differentiation Phân biệt dựa trên độ dài chùm CoS Class of Service Lớp dịch vụ QoS Chất lượng dịch vụ DB Data Burst Chùm dữ liệu Density Wavelength Division Ghép kênh phân chia bước sóng DWDM Multiplexing mật độ cao DWG Dynamic Wavelength Grouping Nhóm bước sóng động FDL Fiber Delay Line Đường trễ quang Kênh chưa được lập lịch phù FFUC First Fit Unscheduled Channel hợp đầu tiên First Fit Unscheduled Channel with Kênh chưa được lập lịch phù hợp FFUC-VF Void Filling đầu tiên với lấp đầy khoảng trống Generalized Multiprotocol Label Chuyển mạch nhãn đa giao thức GMPLS Switching suy rộng HP High Priority Lớp ưu tiên cao iBFVF improved Best Fit with Void Filling (kênh) phù hợp nhất với lấp đầy vi
Từ viết tắt Thuật ngữ tiếng Anh Diễn giải ý nghĩa khoảng trống cải tiến improved Traffic Prediction based Điều kiển chấp nhận dựa trên dự iTPAC Admission Control đoán lưu lượng cải tiến Giao thức báo hiệu với thời gian JET Just Enough Time đặt trước tài nguyên vừa đủ Lastest Available Unscheduled Kênh chưa được lập lịch khả LAUC Channel dụng gần nhất Kênh chưa được lập lịch khả Lastest Available Unscheduled LAUC-VF dụng gần nhất với lấp đầy Channel with Void Filling khoảng trống Thời điểm chưa được lập lịch LAUT Latest Available Unscheduled Time khả dụng sau cùng nhất Load-based Dynamic Wavelength Nhóm bước sóng động dựa trên LDWG Grouping tải Điều khiển chấp nhận dựa trên LLAC Load-Level Admission Control tải LP Low Priority Lớp ưu tiên thấp Khoảng trống với kết thúc tối Min-EV Minimum Ending Void thiểu NACK Negative Acknowledgement packet Gói báo nhận không thành công NS Network Simulator Mô phỏng mạng O/E/O Optical/Electronic/Optical Chuyển đổi quang-điện-quang OBS Optical Burst Switching Chuyển mạch chùm quang OCS Optical Circuit Switching Chuyển mạch kênh quang vii
Từ viết tắt Thuật ngữ tiếng Anh Diễn giải ý nghĩa OPS Optical Packet Switching Chuyển mạch gói quang Phân biệt dựa trên thời gian bù Offset Time and Adjusted Burst OT-ABLD đắp và kích thước chùm được Length-based Differentiation điều chỉnh Offset Time and Burst Length Phân biệt dựa trên thời gian bù OT-BLD based Differentiation đắp và kích thước chùm Phân biệt dựa trên thời gian bù OTD Offset Time based Differentiation đắp OXC Optical Cross Connect Thiết bị chuyển mạch quang QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ RTT Round-Trip Time Thời gian khứ hồi RAM Random Access Memory Bộ nhớ lưu trữ ngẫu nhiên RED Random Early Detection Sự phát hiện sớm ngẫu nhiên RWA Routing Wavelength Assignment Định tuyến gán bước sóng SWG Static Wavelength Grouping Nhóm bước sóng tĩnh Traffic Prediction based Admission Điều khiển chấp nhận dựa trên dự TPAC Control đoán lưu lượng TW- Time Window - Exponentially Trung bình dịch chuyển có trọng EWMA Weighted Moving Average số dựa trên cửa sổ thời gian WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia bước sóng WR Wavelength Router Bộ định tuyến bước sóng viii
CÁC KÝ HIỆU ĐƯỢC SỬ DỤNG Ký hiệu Ý nghĩa 𝑎𝑖 Lưu lượng tải đến của luồng 𝑖 𝐵𝑚𝑖𝑛 Ngưỡng kích thước chùm tối thiểu 𝐵(𝑖) Kích thước hàng đợi 𝑖 𝐿 Độ dài chùm hoàn thành của lần tập hợp chùm hiện thời 𝐿𝑚𝑖𝑛 Ngưỡng độ dài chùm tối thiểu 𝐿𝑚𝑎𝑥 Ngưỡng độ dài chùm tối đa 𝐿(𝑖) Độ dài chùm hoàn thành của hàng đợi 𝑖 𝑀 Số lần tập hợp chùm sau cùng nhất 𝑚 Số chùm trung bình đã lập lịch 𝑁 Số chùm đến trong tập các chùm chưa được lập lịch 𝑃 Tổng xác suất mất chùm của toàn liên kết ra 𝑃𝑖 Tổng xác suất mất chùm của luồng 𝑖 𝑅𝐸 Lỗi ước tính trung bình trong các lần tập hợp chùm 𝑡1 Thời điểm gửi gói điều khiển 𝑡1 (𝑖) Thời điểm gửi gói điều khiển của hàng đợi 𝑖 𝑡2 Thời điểm gửi chùm dữ liệu 𝑡2 (𝑖) Thời điểm gửi chùm dữ liệu của hàng đợi 𝑖 𝑇𝑎 Ngưỡng thời gian tập hợp chùm 𝑇𝑎 (𝑖) Ngưỡng thời gian tập hợp chùm của hàng đợi 𝑖 ix
Ký hiệu Ý nghĩa 𝑇0 Thời gian bù đắp (offset time) 𝑇0 (𝑖) Thời gian bù đắp của hàng đợi 𝑖 𝑇𝑊 Cửa sổ thời gian dự đoán 𝑘 Số kênh bước sóng 𝑊 Tổng số bước sóng của liên kết ra 𝑛 Số chùm đến lập lịch 𝑖 Tốc độ đến của luồng 𝑖 𝜆′𝑖 Tốc độ đến dự đoán của luồng 𝑖 𝜆𝑖𝑐𝑢𝑟 Tốc độ đến hiện thời của chùm 𝑖 𝜆𝑖𝑎𝑣𝑔 Tốc độ đến trung bình của chùm 𝑖 𝜇 Tốc độ phục vụ trung bình 1/𝜇 Độ dài chùm trung bình 𝜔 Độ chồng lấp của chùm với các kênh bước sóng 𝜔𝑖 Độ chồng lấp của chùm 𝑖 với các kênh bước sóng 𝑙𝑖 Tải đến của chùm 𝑖 𝛽 Tải chuẩn hóa 𝛿 Tham số điều khiển 𝑇 Cửa sổ thời gian quan sát 𝑖 Trọng số của 𝜆𝑐𝑢𝑟 𝑖 1 − 𝑖 Trọng số của 𝜆𝑖 𝑎𝑣𝑔 x
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Kiến trúc mạng chuyển mạch chùm quang [8] ............................................9 Hình 1.2 Các hoạt động chính của nút mạng chuyển mạch chùm quang [8] ...........10 Hình 1.3 Kiến trúc chuyển mạch kênh quang [43] ...................................................11 Hình 1.4 Kiến trúc chuyển mạch gói quang OPS [43]..............................................12 Hình 1.5 Nút biên vào mạng chuyển mạch chùm quang [8] ....................................15 Hình 1.6 Tập hợp và tách chùm tại nút biên mạng chuyển mạch chùm quang [43] 15 Hình 1.7 Cấu tạo nút lõi mạng chuyển mạch chùm quang [43] ...............................18 Hình 1.8 Hai mô hình đường trễ FDL: (a) kiểu truyền thẳng, (b) kiểu hồi quy .......21 Hình 1.9 Sự khác biệt của các thuật toán lập lịch khác nhau ....................................22 Hình 1.10 Sơ đồ khối tầng IP trên OBS trong ba lớp [43]........................................26 Hình 1.11 Phân lớp cung cấp QoS trong mạng OBS [45] ........................................30 Hình 2.1 Một ví dụ về chủ động đánh rơi chùm ưu tiên thấp để dành tài nguyên cho chùm ưu tiên cao đến sau (b), so với kiểu lập lịch truyền thống là đến trước, phục vụ trước (a) .....................................................................................................................36 Hình 2.2 Ví dụ về điều khiển chấp nhận của (a) SWG và (b) DWG ........................37 Hình 2.3 Các ví dụ mô tả cách thức hoạt động của LLAC .......................................38 Hình 2.4 So sánh tỉ lệ mất chùm của lớp ưu tiên cao, thấp và tổng giữa SWG, DWG và LLAC ....................................................................................................................41 Hình 2.5 Băng thông sử dụng trong hai lớp của mô hình SWG, DWG và LLAC ...42 Hình 2.6 Các cửa sổ quan sát gián đoạn được thực hiện trong TW-EWMA ...........45 Hình 2.7 Mô hình hoạt động ARP-SAC ...................................................................46 Hình 2.8 Sự thay đổi dữ liệu đến trong 50 cửa sổ ước tính đầu tiên ........................50 xi
Hình 2.9 So sánh tỉ lệ mất chùm giữa các mô hình SWG, DWG, LLAC, ARP-SAC ...................................................................................................................................51 Hình 2.10 So sánh sự phân bổ bước sóng cho luồng chùm ưu tiên thấp ..................52 Hình 2.11 Cách thức phân bổ bước sóng trong TPAC .............................................56 Hình 2.12 Lược đồ chuyển trạng thái của mô hình...................................................57 Hình 2.13 Một ví dụ về một lược đồ chuyển trạng thái với W0=4 và W1=3 ...........59 Hình 2.14 Tỉ lệ lỗi dự đoán trung bình (¯(R_E )) của lớp 0 và lớp 1 khi tải đến thay đổi ..............................................................................................................................62 Hình 2.15 Tổng số chùm đến của 2 lớp trong 100 cửa sổ quan sát đầu tiên ở tải 0.9 ...................................................................................................................................63 Hình 2.16 Tỉ lệ mất chùm (a) ưu tiên cao, (b) ưu tiên thấp và (c) cả hai lớp ưu tiên ...................................................................................................................................64 Hình 2.17 Tỉ lệ sử dụng băng thông (a) ưu tiên cao, (b) ưu tiên thấp và (c) cả hai lớp ưu tiên ........................................................................................................................66 Hình 2.18 Xác suất mất chùm theo mô phỏng và phân tích toán học.......................66 Hình 2.19 Mô tả cách thức sử dụng đường trễ FDL trong mô hình iTPAC .............67 Hình 2.20 So sánh tỉ lệ mất chùm của lớp ưu tiên thấp giữa TPAC và iTPAC trong trường hợp tỉ lệ luồng ưu tiên cao và ưu tiên thấp đến khác nhau (tổng tải chuẩn hóa 0.9).............................................................................................................................71 Hình 2.21 So sánh tỉ lệ mất chùm lớp ưu tiên thấp của iTPAC khi thay đổi độ dài đường trễ ...................................................................................................................72 Hình 2.22 So sánh tỉ lệ mất chùm lớp ưu tiên thấp của iTPAC khi sử dụng 1, 2 và 3 đường trễ với các tỉ lệ luồng ưu tiên cao và ưu tiên thấp đến khác nhau..................73 Hình 3.1 Kiến trúc nút biên mạng OBS [70] ............................................................77 Hình 3.2 Một ví dụ về phân biệt QoS dựa vào thời gian bù đắp ..............................78 xii
Hình 3.3 Một ví dụ về phân biệt QoS dựa vào kích thước chùm .............................79 Hình 3.4 Tập hợp chùm tại nút biên của mô hình OT-BLD .....................................80 Hình 3.5 Thiết lập thời gian bù đắp bổ sung lớn hơn độ dài chùm ưu tiên thấp sẽ giúp giảm tranh chấp giữa 2 lớp chùm ưu tiên ..................................................................81 Hình 3.6 So sánh tỉ lệ mất chùm ưu tiên cao (a), ưu tiên thấp (b) và tổng (c) giữa các mô hình: undiff, OTD, BLD và OT-BLD .................................................................83 Hình 3.7 So sánh độ trễ trung bình (µs) giữa các mô hình: undiff, OTD, BLD và OT- BLD ...........................................................................................................................85 Hình 3.8 Các trường hợp không lập lịch được do chồng lấp LAUT (a), đầu (b), đuôi (c) ..............................................................................................................................87 Hình 3.9 Topo mạng cho việc trích xuất dữ liệu trạng thái lập lịch và các luồng được thiết lập ......................................................................................................................88 Hình 3.10 Phân bố các lớp head_overlap, LAUT_overlap và tail_overlap trong dữ liệu lập lịch không thành công ..................................................................................90 Hình 3.11 Kết quả xếp hạng các thuộc tính với CSE................................................91 Hình 3.12 Kết quả xếp hạng các thuộc tính với CA .................................................92 Hình 3.13 Chồng lấp LAUT (a) hay chồng lấp đầu (b) đều có thể được khắc phục nhờ thay đổi thời gian chùm đến ......................................................................................93 Hình 3.14 Mô hình điều khiển lập lịch tại nút lõi OBS ............................................94 Hình 3.15 So sánh tỉ lệ mất chùm khi có và không sử dụng đường trễ FDL............95 Hình 3.16 Tỉ lệ phần trăm độ trễ trung bình tăng thêm khi sử dụng đường trễ FDL96 Hình 3.17 Cấu trúc của gói điều khiển được sử dụng trong giao thức JET ..............97 Hình 3.18 Các trường hợp một chùm đến không thể lập lịch vào một khoảng trống ...................................................................................................................................98 Hình 3.19 Cấu trúc của gói NACK được thêm bởi 4 byte cho kích thước khoảng trống xiii
...................................................................................................................................99 Hình 3.20 Các mô-đun chức năng được thêm cho các nút biên vào và nút lõi để phản hồi thông tin kích thước khoảng trống và điều chỉnh kích thước của chùm ưu tiên cao hoàn thành .................................................................................................................99 Hình 3.21 So sánh về tổng tỉ lệ mất chùm giữa các mô hình undiff, OTD, BLD và OT-ABLD ...............................................................................................................101 Hình 3.22 So sánh tỉ lệ mất chùm giữa các mô hình undiff, OTD, BLD và OT-ABLD .................................................................................................................................101 Hình 3.23 Một so sánh giữa kích thước khoảng trống và chiều dài trên 100 cửa sổ quan sát liên tiếp với hai trường hợp tải: (0,2, 0,2) và (0,4, 0,2) ............................102 Hình 3.24 Độ trễ trung bình (µs) của chùm ưu tiên cao (theo gói).........................103 Hình 3.25 Thời gian tập hợp (μs) của hàng đợi ưu tiên cao (L(0)) thay đổi trong 100 cửa sổ quan sát thành công trong hai trường hợp tải: (0.2,0.2) và (0.4,0.2) ...........103 xiv
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 So sánh các mô hình chuyển mạch quang [26] .........................................14 Bảng 1.2 So sánh giữa các tiếp cận xử lý tranh chấp trong mạng OBS [32] ............20 Bảng 1.3 Tóm lược các cơ chế cung cấp/cải tiến CLDV tại các nút mạng OBS .....32 Bảng 2.1 Ưu điểm và vấn đề chưa giải quyết các mô hình điều khiển chấp nhận đã công bố ......................................................................................................................39 Bảng 3.1 Độ trễ trung bình (µs) của các gói tin chùm thuộc lớp ưu tiên cao ...........86 Bảng 3.2 Độ trễ trung bình (µs) các gói tin chùm thuộc lớp ưu tiên thấp ................86 Bảng 3.3 Mô tả dữ liệu trạng thái lập lịch được trích xuất từ các nút lõi .................89 Bảng 3.4 Mô tả dữ liệu được chuyển đổi thành nguyên nhân lập lịch không thành công ...........................................................................................................................90 Bảng 3.5 Độ trễ trung bình các gói tin thuộc lớp ưu tiên thấp đơn vị theo µs........104 xv
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Với sự bùng nổ các ứng dụng mạng trong những năm gần đây, truyền tải dữ liệu qua mạng trở thành một vấn đề thách thức và đang thu hút nhiều sự quan tâm. Đã có nhiều đề xuất khác nhau về phương thức truyền tải dữ liệu, từ kiểu truyền tải thông tin truyền thống qua các sợi cáp đồng, qua sóng vô tuyến đến các sợi quang hỗ trợ truyền đa kênh, trong đó sợi quang có nhiều ưu điểm như độ suy giảm thấp, băng thông rất lớn và khả năng miễn nhiễm đối với nhiễu điện so với cáp đồng. Với những thành công vượt bậc gần đây của công nghệ ghép kênh phân chia kênh bước sóng WDM, băng thông của mỗi sợi quang được tách thành nhiều kênh bước sóng, từ đó đã đáp ứng tốt hơn nhu cầu truyền thông ngày càng cao của người dùng [35], [53]. Truyền thông quang, từ khi ra đời cho đến nay, đã trải qua ba thế hệ phát triển, từ những mô hình định tuyến bước sóng WR ban đầu cung cấp các liên kết điểm- điểm, đến thế hệ thứ hai với những đường quang (lightpath) đầu – cuối dành riêng ở lớp quang. Trong thế hệ thứ 3, các mô hình chuyển mạch gói quang OPS [53] được đề xuất với ý tưởng được lấy cảm hứng từ mạng chuyển mạch gói điện nhằm có thể triển khai trên các cấu trúc liên kết vòng hay lưới nhằm có thể điều chỉnh linh hoạt để đáp ứng với việc lưu lượng thay đổi. Tuy nhiên, với một số hạn chế về mặt công nghệ, như không thể sản xuất các bộ đệm quang (tương tự bộ nhớ RAM trong mạng điện) hay các chuyển mạch gói quang ở tốc độ nano giây, chuyển mạch gói quang OPS chưa thể trở thành hiện thực. Một giải pháp thỏa hiệp là mô hình chuyển mạch chùm quang OBS. Một đặc trưng tiêu biểu của truyền thông trong mạng chuyển mạch chùm quang OBS là phần (gói) điều khiển BCP tách rời với phần (chùm) dữ liệu DB. Nói một cách khác, để thực hiện truyền một chùm quang, gói điều khiển được hình thành và được gửi đi trước một khoảng thời gian bù đắp (thời gian offset). Khoảng thời gian bù đắp này cần được tính toán sao cho đủ để đặt trước tài nguyên và cấu hình các 1
chuyển mạch tại các nút trung gian dọc theo hành trình mà chùm quang sẽ đi qua từ nút nguồn đến nút đích. Không chỉ tách rời về mặt thời gian, gói điều khiển BCP cũng tách rời so với chùm dữ liệu của nó về mặt không gian, trong đó một số kênh (bước sóng) được dành riêng cho gói điều khiển BCP, trong khi các kênh còn lại được dùng cho việc truyền chùm dữ liệu [75]. Với cách truyền tải dữ liệu như vậy, rõ ràng mạng OBS không cần đến các bộ đệm quang để lưu tạm thời các chùm dữ liệu trong khi chờ đợi việc xử lý các gói điều khiển BCP của chúng tại các nút trung gian (nút lõi) và mạng OBS cũng không yêu cầu các chuyển mạch tốc độ nano giây. Tuy nhiên, cách truyền thông này cũng đặt ra một áp lực là làm thế nào để một gói điều khiển có thể kịp đặt trước tài nguyên và cấu hình chuyển mạch thành công tại các nút lõi, đảm bảo cho việc chuyển tiếp chùm quang đi sau nó. Đó chính là nhiệm vụ của các hoạt động như đặt trước tài nguyên, lập lịch và xử lý tranh chấp [19]. Trong mạng máy tính, vấn đề nâng cao chất lượng dịch vụ (CLDV) được hiểu là khả năng đáp ứng của các dịch vụ với các mức độ chất lượng khác nhau cho các ứng dụng khác nhau [31]. Đây là vấn đề quan trọng và cần thiết đối với bất cứ mạng truyền thông nào, bao gồm cả mạng OBS. Thực tế, dữ liệu từ các mạng truy cập đến nút biên mạng OBS có thể thuộc về các lớp CLDV khác nhau, với các yêu cầu về dịch vụ truyền tải khác nhau trong mạng OBS. Do đó, việc định nghĩa các lớp dịch vụ quang tương đương với các lớp CLDV IP hoặc ATM là cần thiết [43]. Nâng cao chất lượng dịch vụ trong mạng OBS có thể diễn dịch như việc đưa ra các giải pháp hoặc cơ chế cung cấp/cải tiến CLDV tại mỗi nút biên, nút lõi hay kết hợp giữa nút biên và nút lõi, tại đó các cơ chế cung cấp/cải tiến CLDV có thể được phân chia thành hai loại: (1) cơ chế cải tiến CLDV chung, có thể định nghĩa là bất kỳ cơ chế cải thiện hiệu năng chung trên toàn mạng và cung cấp dịch vụ thỏa đáng cho người dùng cuối, và (2) đưa ra một kịch bản mới nhằm cung cấp CLDV [31]. Giải pháp để nâng cao CLDV trong mạng OBS có thể thực hiện được bằng cách cung cấp sự phân biệt CLDV tại một số điểm (nút) trong mạng OBS [32]. Cụ thể, các 2
cách tiếp cận điển hình cho các cơ chế cung cấp sự phân biệt này có thể là: phân biệt tại tầng điều khiển và tầng dữ liệu [45], tại đó các hoạt động cung cấp phân biệt CLDV có thể là: phân biệt về thời gian bù đắp, phân biệt trong chính sách giải quyết tranh chấp, phân biệt trong quá trình tập hợp chùm và phân biệt trong một số hoạt động lập lịch... [32]. Các mô hình này rất cần thiết có những cơ chế điều khiển hiệu quả nhằm cung cấp sự phân biệt CLDV đã cam kết, đồng thời có thể cung cấp thêm tài nguyên cho các ứng dụng khác nhau nhằm tối ưu hóa hiệu năng truyền thông trên toàn mạng (dựa trên yêu cầu về độ trễ, tỉ lệ mất mát dữ liệu và các ràng buộc về băng thông ...). 2. Động lực nghiên cứu Hiện đã có các nghiên cứu nhằm nâng cao CLDV trong mạng OBS mà có thể phân thành 2 nhóm tiếp cận, giải pháp chính: - Nâng cao CLDV tại nút biên; - Nâng cao CLDV tại nút lõi; Với nhóm giải pháp nâng cao CLDV tại nút biên, có 2 hướng tiếp cận nhằm cung cấp sự phân biệt CLDV gồm: (1) phân biệt dựa trên thời gian bù đắp (OTD) và (2) phân biệt dựa trên kích thước chùm (BLD). Phân biệt dựa trên thời gian bù đắp dựa trên ý tưởng chính là bổ sung thêm thời gian bù đắp vào chùm có lớp ưu tiên (QoS) cao nhằm đạt được một sự phân biệt “hoàn toàn” về mất mát dữ liệu (chùm) so với chùm có lớp QoS thấp [23], [49]. Với phân biệt dựa trên kích thước chùm, các gói tin QoS cao sẽ được tập hợp thành chùm có kích thước ngắn nhằm tăng cơ hội lập lịch vào các khoảng trống nhàn rỗi, trong khi các gói tin có QoS thấp hơn sẽ được tập hợp vào chùm có kích thước dài hơn [25], [42]. Các phương pháp phân biệt này chủ yếu sử dụng các giải thuật tập hợp chùm với các ngưỡng thời gian/độ dài khác nhau nhằm cung cấp được sự phân biệt CLDV tại nút biên vào. Một đặc điểm khác là các phương pháp này đều không yêu cầu cơ chế điều khiển chấp nhận [39] nhằm cung cấp CLDV tại các nút biên vào. Khác với các giải pháp nâng cao CLDV tại nút biên, nhóm giải pháp nâng cao 3