Mô hình hàng đợi phân tích ảnh hưởng của sự kết hợp định tuyến lệch hướng và bộ đệm FDL trong giải quyết tắc nghẽn trên mạng chuyển mạch chùm quang

TẠP CHÍ KHOA HỌC, ðại học Huế, Số 65, 2011<br /> MÔ HÌNH HÀNG ðỢI PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ KẾT HỢP ðỊNH<br /> TUYẾN LỆCH HƯỚNG VÀ BỘ ðỆM FDL TRONG GIẢI QUYẾT TẮC<br /> NGHẼN TRÊN MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG<br /> ðặng Thanh Chương<br /> Trường ðại học Khoa học, ðại học Huế<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Bài toán tắc nghẽn trong mạng chuyển mạch chùm quang (OBS) ñược xem là bài toán<br /> lớn cần giải quyết. Sự tắc nghẽn chùm trong mạng OBS có thể xuất hiện khi hai chùm quang dữ<br /> liệu từ hai cổng vào khác nhau cố gắng ñi ra trên cùng một cổng ra tại cùng một thời ñiểm. Các<br /> giải pháp cho việc xử lý tắc nghẽn là: sử dụng ñường trễ quang (FDL); chuyển ñổi bước sóng<br /> và ñịnh tuyến lệch hướng. Tuy nhiên, nếu ñịnh tuyến lệch hướng ñược sử dụng, các FDL cần<br /> thiết ñược sử dụng ñể bù vào sự thiếu hụt thời gian offset do sự tăng thêm ñộ dài ñường ñi lệch<br /> hướng.<br /> Việc phân tích ưu, nhược ñiểm của mỗi phương pháp, cũng như kết hợp chúng thường<br /> ñược thực hiện qua mô hình hàng ñợi. Bài báo nhằm ñề xuất một mô hình hàng ñợi ñể phân tích<br /> việc sử dụng kỹ thuật ñịnh tuyến lệch hướng kết hợp với việc sử dụng FDL trong giải quyết bài<br /> toán tắc nghẽn ñối với mạng OBS. Kết quả phân tích cho thấy có sự cải thiện xác suất tắc nghẽn<br /> so với các mô hình ñã ñề xuất trước ñó.<br /> <br /> 1. Giới thiệu<br /> Chuyển mạch chùm quang (OBS) trong mạng quang WDM ñược ñề xuất gần<br /> ñây ñã ñược xem là công nghệ ñầy triển vọng ñối với mạng Internet thế hệ sau, bởi vì<br /> nó có nhiều lợi thế hấp dẫn như tốc ñộ nhanh và hiệu suất băng thông cao hơn nhiều so<br /> với chuyển mạch kênh quang [1]. Tại nút biên của mạng OBS, những dữ liệu vào<br /> (chẳng hạn các luồng IP) có cùng ñích ñến (và cùng lớp dịch vụ QoS) ñược tập hợp<br /> trong một chùm quang dữ liệu (data burst), ñược lập lịch (scheduling) và ñược gởi vào<br /> bên trong mạng OBS theo sau gói ñiều khiển chùm quang (BCP) một khoảng thời gian<br /> offset. Khoảng thời gian offset này ñược tính toán sao cho gói ñiều khiển có thể kịp ñặt<br /> trước và cấu hình các tài nguyên tại các nút mà chùm quang dữ liệu sẽ ñi qua. Bằng<br /> cách ñó, mạng OBS ñã loại bỏ ñược yêu cầu cần sử dụng các vùng ñệm quang, một<br /> trong những hạn chế mà công nghệ quang hiện nay chưa thể vượt qua ñược. Tại các nút<br /> lõi bên trong mạng OBS, chùm quang ñơn giản ñược chuyển mạch (forward) theo<br /> hướng ñến nút ñích như ñã cấu hình. Khi ñến nút biên ra, các luồng IP sẽ ñược khôi<br /> phục lại từ chùm quang dữ liệu này.<br /> 19<br /> <br /> Do sự bùng nổ tự nhiên của mạng dữ liệu, tắc nghẽn chùm có thể xuất hiện khi<br /> hai hoặc nhiều gói ñiều khiển cố gắng dành trước một kênh bước sóng tại cùng một thời<br /> ñiểm, từ ñó có thể gây ra mất chùm. Vì vậy, vấn ñề giải quyết tắc nghẽn chùm là rất<br /> quan trọng trong việc giảm bớt xác xuất mất chùm toàn mạng OBS [2]. Tắc nghẽn<br /> chùm có thể ñược giải quyết bằng một vài phương pháp, như chuyển ñổi bước sóng, sử<br /> dụng vùng ñệm dữ liệu dựa trên ñường trễ quang (FDL) hoặc ñịnh tuyến lệch hướng.<br /> Một phương pháp khác là phân ñoạn chùm, giải quyết tắc nghẽn bằng cách chia các<br /> chùm bị tắc nghẽn thành các phần nhỏ hơn, gọi là các ñoạn, sao cho chỉ một vài ñoạn bị<br /> rơi thay vì toàn bộ chùm.<br /> Trong phương pháp ñầu tiên, chùm bị tắc nghẽn ñược gởi ñi trên bước sóng<br /> khác thông qua bộ chuyển ñổi bước sóng. Với phương pháp thứ hai, chùm ñược chuyển<br /> ñến một ñường trễ FDL, từ ñó có thể làm trễ chùm trong một vài ñơn vị thời gian cố<br /> ñịnh ñể tránh khỏi tắc nghẽn [4]. ðối với phương pháp ñịnh tuyến lệch hướng, các<br /> chùm bị tắc nghẽn sẽ ñược gởi tới cổng ra khác của nút và sau ñó ñược ñịnh tuyến trên<br /> một tuyến khác ñể ñến ñích. ðịnh tuyến lệch hướng là một hướng giải quyết tắc nghẽn<br /> ñang thu hút nhiều sự quan tâm trong mạng OBS, bởi vì nó không cần thêm chi phí về<br /> các thành phần vật lý và sử dụng miền phổ quang sẵn có. Tuy nhiên, khi lưu lượng<br /> mạng tăng lên, ñịnh tuyến lệch hướng có thể làm giảm hiệu suất và tính ổn ñịnh của<br /> mạng.<br /> Nhiều phương pháp ñịnh tuyến lệch hướng ñã ñược ñề xuất, như ñịnh tuyến lệch<br /> hướng sử dụng offset bổ sung và ñịnh tuyến ñường ñi ngắn nhất [4]. Trong phương<br /> pháp ñịnh tuyến lệch hướng thông thường, chỉ một chùm ñược chuyển ñi theo tuyến<br /> ngắn nhất (tuyến chính), còn chùm tắc nghẽn sẽ ñược ñịnh tuyến lệch hướng sang tuyến<br /> mới (tuyến lệch hướng). Tuy nhiên, khi cả tuyến lệch hướng mới cũng không sẵn có thì<br /> chùm ñó sẽ bị hủy.<br /> Mặc dù các kết quả nghiên cứu ñã chứng minh rằng ñịnh tuyến lệch hướng có<br /> thể làm giảm ñáng kể việc mất chùm, tuy nhiên, nó cũng làm tăng ñộ trễ ñầu-cuối bởi vì<br /> lộ trình lệch hướng thường dài hơn lộ trình ban ñầu. Vì vậy, trong mạng OBS, thường<br /> kết hợp ñịnh tuyến với các phương pháp khác (như truyền lại, sử dụng FDL, chuyển ñổi<br /> bước sóng,…). ðể phân tích và ñánh giá các lược ñồ ñịnh tuyến lệch hướng có kết hợp<br /> với các phương pháp khác, mô hình lý thuyết hàng ñợi thường ñược sử dụng ñể lựa<br /> chọn phương án tối ưu. Mục tiêu của bài báo là nghiên cứu vấn ñề ứng dụng mô hình<br /> hàng ñợi Markov ñể phân tích và ñánh giá các hướng giải quyết tắc nghẽn trong mạng<br /> OBS dựa trên phương pháp chính là ñịnh tuyến lệch hướng, kết hợp với việc sử dụng<br /> ñường trễ quang FDL.<br /> Nội dung tiếp theo của bài báo bao gồm: phần 2 giới thiệu mô hình hàng ñợi ñể<br /> phân tích ñịnh tuyến lệch hướng kết hợp với sử dụng bộ ñệm FDL; phần 3 phân tích kết<br /> quả với một số mô hình khác; và cuối cùng là phần kết luận.<br /> 20<br /> <br /> 2. Mô hình hàng ñợi phân tích kỹ thuật lệch hướng với việc sử dụng ñường trễ<br /> quang FDL<br /> Mô hình mạng OBS ñược nghiên cứu ở ñây (hình 1) sử dụng giao thức báo hiệu<br /> một chiều JET và giao thức lập lịch tài nguyên LAUC_VF [5]. Gói ñiều khiển sẽ ñược<br /> gởi trên kênh bước sóng ñiều khiển tách biệt và ñược xử lý (hoàn toàn trong miền ñiện<br /> tử) tại các nút trung gian ñể dành trước tài nguyên bước sóng cho chùm. Sau khi gói<br /> ñiều khiển ñã ñặt trước bước sóng trên toàn tuyến từ nguồn ñến ñích thì chùm sẽ ñược<br /> phát ñi. Việc phân tích mô hình mạng hàng ñợi áp dụng cho ñịnh tuyến lệch hướng xét<br /> từ nút lõi D.<br /> <br /> Hình 1. Mô hình mạng OBS<br /> <br /> Xét với trường hợp truyền chùm dữ liệu giữa cặp nút A-E (hình 1). ðặt H là số<br /> chặng (hop) từ nút A ñến nút E, δ là thời gian xử lý tối ña của gói ñiều khiển tại mỗi<br /> chặng. Tổng thời gian trễ của gói ñiều khiển dọc theo ñường ñi không lớn hơn giá trị ∆<br /> = H*δ, vì vậy offset có giá trị tối thiểu là T=∆. Trong hình 1, ñường ñi ban ñầu giữa A<br /> và E là A-B-C-E. Nếu T = 3*δ, chùm sẽ ñến nút E sau khi gói ñiều khiển ñã ñược xử lý.<br /> Nếu gói ñiều khiển không thành công ñặt trước băng thông tại một số chặng trước (ví<br /> dụ, tại chặng C-E), gói ñiều khiển sẽ không thể ñến nút E. Hệ quả là chùm ñến nút C sẽ<br /> bị rơi. Trong trường hợp này, ñịnh tuyến lệch hướng có thể ñược sử dụng tại nút bị tắc<br /> nghẽn. Lộ trình lệch hướng giữa nút tắc nghẽn C và nút ñích E là C-D-E, vì vậy chùm<br /> sẽ ñược ñịnh tuyến lại từ C qua D ñến E. Rõ ràng lộ trình lệch hướng dài hơn lộ trình<br /> ban ñầu, vì vậy thời gian offset ban ñầu sẽ không ñủ ñể có thể xử lý việc ñặt trước tài<br /> nguyên.<br /> Xét trường hợp chùm bị tắc nghẽn tại C và ñược lệch hướng sang D ñể ñến ñích.<br /> ðặt h là số chặng ñược thêm vào so với lộ trình ban ñầu ñể lệch hướng. Nếu offset ban<br /> ñầu là T = H*δ, và h>0 thì chùm ñược lệch hướng ñi qua H chặng của ñường ñi và ñến<br /> 21<br /> <br /> D trước khi băng thông giữa D và E ñược dự trữ. Vì vậy, ñể ngăn trường hợp chùm bị<br /> rơi, cần cung cấp thêm một thời gian offset bổ sung bằng h*δ. Trong thời gian offset mở<br /> rộng ñó, gói ñiều khiển có thể ñặt trước băng thông trên ñường ñi D ñến E. Có một vài<br /> phương pháp ñã ñược ñề xuất ñể giải quyết vấn ñề này [4], ở ñây chúng tôi xem xét<br /> phương pháp sử dụng các ñường trễ quang FDL tại nút tiếp theo nút bị tắc nghẽn (ví dụ<br /> nút D) ñể bù thêm khoảng thời gian offset mở rộng này (bù sự thiếu hụt thời gian offset<br /> do sự tăng thêm của ñộ dài ñường ñi lệch hướng) [5].<br /> Trong bài báo này, mô hình ñược ñề xuất trên cơ sở của các mô hình ñã ñề nghị<br /> trong [4, 5]. Trong ñó, ngoài việc sử dụng các FDL ñể bù thời gian offset tăng thêm do<br /> ñịnh tuyến lệch hướng, các chùm ñược lệch hướng cũng sẽ ñược cấp phát trên các bước<br /> sóng riêng ñể làm giảm tắc nghẽn và cải tiến hiệu suất mạng. Ngoài ra, các FDL còn lại<br /> cũng ñược sử dụng cho các chùm không lệch hướng ñể làm trễ chùm nếu có sự tranh<br /> chấp bước sóng giữa chùm lệch hướng và chùm không lệch hướng.<br /> Một số giả thiết trong mô hình:<br /> - Có ω bước sóng trên mỗi kết nối sợi quang ra, tương ứng một tập Λ = {λ1, λ2,<br /> … λω};<br /> - ðộ dài chùm ñược phân bố theo hàm mũ với giá trị trung bình L = 1/µ; trong<br /> ñó, các chùm ñều ñược phục vụ với tốc ñộ trung bình µ.<br /> - Số chặng mở rộng trung bình ñối với các chùm ñược lệch hướng là h;<br /> - Thời gian xử lý tối ña ñối với gói ñiều khiển tại mỗi chặng là δ;<br /> - Số FDL tại nút ñang xét là n; trong ñó nd FDL ñược thiết kế dành cho các chùm<br /> ñược lệch hướng trong giai ñoạn 1, và (n-nd) FDL còn lại dành cho các chùm ở giai<br /> ñoạn 2.<br /> - Có ω bước sóng trong bộ ñệm FDL, thời gian offset mở rộng trung bình ñối với<br /> các chùm lệch hướng, bằng 1/µd.δ; do ñó số FDL ảo ñối với các chùm ñược lệch hướng<br /> là vd = nd.ω<br /> - Mô hình ñơn giản chỉ xét tại một cổng ra của nút OBS với chỉ một kết nối ra, ở<br /> ñó cả các chùm ñược lệch hướng và không lệch hướng ñến ñều theo phân bố Poisson<br /> với tốc ñộ trung bình lần lượt là λd và λf ;<br /> - Lưu lượng ñến tương ứng là A = a1 + a2, trong ñó, a1 = λf /µ là lưu lượng tải<br /> vào chùm không lệch hướng, và a2 = λd /µ là lưu lượng vào của chùm ñược lệch hướng.<br /> - ðể duy trì thời gian offset vừa ñủ giữa gói ñiều khiển và chùm dữ liệu ngay sau<br /> lệch hướng, mỗi chùm lệch hướng ñược làm trễ trong FDL trước khi nó ñược phục vụ.<br /> - ðộ trễ ñược cung cấp bởi các FDL ít nhất bằng thời gian offset mở rộng ñược<br /> yêu cầu sao cho chùm dữ liệu không ñến trước gói ñiều khiển của nó. Thời gian offset<br /> mở rộng này có thể ñược tính toán bằng cách xét thêm số chặng mà chùm phải ñi qua<br /> 22<br /> <br /> do lệch hướng.<br /> Mô hình ñược ñề xuất ở ñây là mô hình hàng ñợi Markovain M/M/c/c, gồm 3<br /> giai ñoạn tại một nút OBS (hình 2). Giai ñoạn ñầu tiên tương ứng với các ñường trễ<br /> quang FDL ñể cung cấp thời gian offset mở rộng cho các chùm ñược lệch hướng. Giai<br /> ñoạn thứ 2 ứng với k bước sóng (trong số ω bước sóng) trên kết nối sợi quang ra ñược<br /> ưu tiên cấp phát chỉ cho các chùm ñược lệch hướng. Giai ñoạn thứ 3 ứng với số bước<br /> sóng còn lại trên kết nối ra (ω-k) ñược chia sẻ cho các chùm không lệch hướng và các<br /> chùm lệch hướng không thành công từ giai ñoạn 2 và (n-nd).ω FDL “ảo”. Tại giai ñoạn<br /> này, các chùm ñược lệch hướng từ giai ñoạn 2 ñược cho quyền ưu tiên cao hơn so với<br /> các chùm không lệch hướng. Nếu tất cả các bước sóng ñều bận, các chùm (lệch hướng<br /> và không lệch hướng) sẽ ñược làm trễ tạm thời bởi (n-nd) ñường trể FDL còn lại.<br /> <br /> Hình 2. Mô hình 3 giai ñoạn của node lõi OBS ñang xét<br /> <br /> Giai ñoạn ñầu tiên là mô hình hệ thống hàng ñợi M/M/vd/vd ñối với các chùm<br /> ñược lệch hướng ñi vào nd FDL, trong ñó, Di, với i = 1, 2,…, vd, xác ñịnh FDL thứ i<br /> ñược thiết kế cho các chùm lệch hướng, với tốc ñộ phục vụ trung bình µd = 1/(δ.h), δ là<br /> thời gian xử lý tối ña của gói ñiều khiển tại một nút và h là số chặng trung bình ñược<br /> cộng thêm trên lộ trình ñến ñích. Xác suất tắc nghẽn (PB1) tại giai ñoạn này có thể ñược<br /> tính từ công thức tổn thất của Erlang (Erlang’s loss formula) [6]:<br /> <br /> PB1 =<br /> <br /> (λd / µ d )v / vd !<br /> v<br /> ∑k =0 (λd / µd )k / k!<br /> d<br /> <br /> d<br /> <br /> 23<br /> <br /> (1)<br /> <br />