Tóm tắt 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:26

Thêm vào BST

Báo xấu

24
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án với mục tiêu nghiên cứu và cải tiến cơ chế điều khiển chấp nhận lập lịch nâng cao CLDV dựa vào dự đoán tốc độ chùm đến tại nút lõi nhằm nâng cao hiệu quả lập lịch đối với các chùm QoS thấp nhưng vẫn đảm bảo mức chất lượng dịch vụ đối với các chùm QoS cao. Hiệu quả của cơ chế điều khiển chấp nhận lập lịch được đánh giá thông qua mô phỏng và phân tích toán học.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt 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 TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC PHẠM TRUNG ĐỨC NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG NGÀNH: KHOA HỌC MÁY TÍNH MÃ SỐ: 9.48.01.01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH HUẾ - NĂM 2021
Công trình được hoàn thành tại: ..................................................................... ........................................................................................................................ ........................................................................................................................ Người hướng dẫn khoa học: (ghi họ tên, chức danh khoa học, học vị): ......... PGS. TS. Võ Viết Minh Nhật, TS. Đặng Thanh Chương Phản biện 1: PGS. TS. Phạm Thanh Giang Phản biện 2: PGS. TS. Võ Trung Hùng Phản biện 3: TS. Nguyễn Kim Quốc Luận án sẽ được bảo vệ tại Hội đồng chấm luận án cấp Đại học Huế họp tại: ........................................................................................................................ Vào hồi ................. giờ ............. ngày ........... tháng ........ năm................ ...... Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:............................................................... ........................................................................................................................ ........................................................................................................................ ........................................................................................................................ (ghi tên thư viện)
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 đ ề 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 [51] 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 offset này cần được tính toán sao cho đủ để đặt trước tài nguyên và cấu hình các 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 1
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]. 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 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. Các nhóm giải pháp kể trên thường nhắm đến mục tiêu nâng cao CLDV thông qua quá trình điều khiển chấp nhận lập lịch [5], [33] tại nút lõi, cung cấp sự phân biệt CLDV tại nút biên, hoặc cải thiện CLDV trên các nút. 3. Mục tiêu nghiên cứu  Nghiên cứu và cải tiến cơ chế điều khiển chấp nhận lập lịch nâng cao CLDV dựa vào dự đoán tốc độ chùm đến tại nút lõi nhằm nâng cao hiệu quả lập lịch đối với các chùm QoS thấp nhưng vẫn đảm bảo mức chất lượng dịch vụ đối với các chùm QoS cao. Hiệu quả của cơ chế điều khiển chấp nhận lập lịch được đánh giá thông qua mô phỏng và phân tích toán học.  Nghiên cứu và 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.  Nghiên cứu và cải tiến cơ chế cung cấp phân biệt CLDV dựa trên thời gian bù đắp và kích thước chùm tại nút biên vào. Trên cơ sở 2
thông tin tài nguyên khả dụng được phản hồi từ nút lõi, nút biên vào thực hiện điều chỉnh một cách linh hoạt kích thước của các chùm được sinh ra nhằm đem lại hiệu quả về băng thông sử dụng, giảm tỉ lệ mất chùm nhưng vẫn nâng cao CLDV đối với mỗi lớp ưu tiên. 4. Đối tƣợng và Phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Các mô hình, giải thuật điều khiển chấp nhận và tập hợp chùm trong mạng OBS. - Phạm vi nghiên cứu: Nút biên và nút lõi trong mạng OBS. 5. Phƣơng pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tổng hợp các công bố liên quan đến các mô hình, giải thuật, cơ chế đảm bảo đa dạng cải tiến và cung cấp QoS. Phân tích, đánh giá ưu và khuyết điểm của các đề xuất đã công bố để làm cơ sở cho việc cải tiến hoặc đề xuất mới. - Phương pháp mô phỏng, thực nghiệm: Cài đặt các giải thuật cải tiến và đề xuất mới nhằm chứng minh tính đúng đắn của các giải thuật này. 6. Cấu trúc luận án Luận án bao gồm phần mở đầu, ba chương nội dung, phần kết luận và danh mục các tài liệu tham khảo. Cụ thể: - Chương 1, với tên chương “Tổng quan về chất lƣợng dịch vụ trong mạng chuyển mạch chùm quang”, trình bày các kiến thức cơ bản về mạng chuyển mạch chùm quang bao gồm: lịch sử phát triển của truyền thông quang, các mô hình chuyển mạch quang, kiến trúc mạng chuyển mạch chùm quang, các hoạt động bên trong mạng và vấn đề nâng cao CLDV trên mạng OBS. - Chương 2, với tên chương “Giải pháp nâng cao chất lƣợng dịch vụ tại nút lõi”, tập trung vào vấn đề chính: đề xuất một số mô hình dự đoán tốc độ chùm đến dựa vào điều khiển chấp nhận. - Chương 3, với tên chương “Giải pháp nâng cao chất lƣợng dịch vụ tại nút biên và kết hợp các nút”, giải quyết (3) vấn đề gồm: (1) trình bày tổng hợp các nghiên cứu liên quan đến cơ chế cung cấp CLDV tại nút biên, (2) tìm hiểu nguyên nhân gây ra mất chùm dựa vào phân tích dữ liệu lịch sử lập lịch nhằm nâng cao hiệu năng tại nút lõi và (3) xem xét cấu trúc gói điều khiển nhằm đề xuất mô hình cung cấp CLDV trên toàn mạng sau khi nhận được thông tin phản hồi khoảng trống tại nút lõi gửi về trong gói điều khiển để điều chỉnh giai đoạn tập hợp chùm nhằm tối ưu băng thông được sử dụng và đem lại hiệu quả trong vấn đề nâng cao CLDV. “Kết luận và hƣớng phát triển của luận án” nêu những đóng góp của luận án, hướng phát triển và những vấn đề quan tâm của tác giả. 3
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG 1.1 Giới thiệu về mạng chuyển mạch chùm quang Chuyển mạch quang được chia thành 3 loại: chuyển mạch kênh quang, chuyển mạch gói và chuyển mạch chùm quang 1.1.1 Kiến trúc của mạng OBS 1.1.2 So sánh về các mô hình chuyển mạch quang 1.1.3 Các hoạt động tại nút biên 1.1.4 Các hoạt động tại nút lõi 1.1.5 Lập lịch trong mạng OBS 1.2 Chất lƣợng dịch vụ trong mạng OBS 1.2.1 Sự cần thiết nâng cao chất lƣợng dịch vụ trong mạng OBS Nâng cao CLDV có thể thực hiện nhờ các cơ chế cung cấp/cải tiến CLDV tại mỗi nút hay kết hợp các nút trong mạng OBS, nhằm tạo sự đa dạng cho các phương án cung cấp các dịch vụ để đạt được dịch vụ cần cung cấp như yêu cầu ban đầu. Theo [39], tùy theo mô hình, cơ chế hay kỹ thuật, nâng cao cơ chế cung cấp/cải tiến CLDV có thể được phân thành hai cách chính, đó là: cơ chế cải tiến CLDV tại các nút và cơ chế cung cấp CLDV. Giải pháp nâng cao cơ chế cải tiến CLDV được thực hiện trên tất cả các nút, dựa trên những cơ chế nhằm cải thiện hiệu suất chung của mạng, cụ thể gồm: tập hợp chùm, lược đồ báo hiệu để đặt trước tài nguyên, các thuật toán lập lịch và xử lý tranh chấp. Sau đó, các cơ chế cung cấp CLDV sẽ được xem xét, tức là có quan tâm đến nhãn chất lượng dịch vụ (chùm ưu tiên cao hay chùm ưu tiên thấp) với các cách tiếp cận khác nhau [76]. Một giải pháp nâng cao CLDV có thể đạt được khác, đó là nhờ vào cách tiếp cận điển hình trong các cơ chế phân biệt thực hiện tại tầng (plane) điều khiển hay dữ liệu [45], tại đó các hoạt động cung cấp phân biệt CLDV có thể là: báo hiệu và định tuyến tại tầng điều khiển. Tại tầng dữ liệu ở nút biên có những cơ chế cung cấp phân biệt CLDV thông qua tham số trong quá trình tập hợp, kích thước chùm…, nút lõi có các mô hình điều khiển nhằm nâng cao sự phân biệt CLDV từ nút biên liên quan đến các chính sách đánh rơi hay lập lịch. 1.2.2 Nâng cao chất lƣợng dịch vụ tại nút lõi 1.2.3 Nâng cao chất lƣợng dịch vụ tại nút biên 1.3 Mục tiêu nghiên cứu của Luận án Dựa trên các phân tích về các giải pháp đã công bố về nâng cao CLDV trong mạng OBS và mục tiêu nghiên cứu chung đã được xác định trong phần 4
Mở đầu, đó là đề xuất một số giải pháp nâng cao CLDV trong mạng OBS, luận án được triển khai theo 4 mục tiêu nghiên cứu cụ thể chính gồm:  Mục tiêu 1. Đề xuất phương pháp điều khiển chấp nhận lập lịch dựa vào dự đoán tốc độ chùm đến nhằm nâng cao cung cấp CLDV tại nút lõi.  Mục tiêu 2. Nghiên cứu và cải tiến cơ chế phân biệt CLDV tại nút biên dựa trên việc kết hợp điều chỉnh độ dài chùm và thời gian bù đắp.  Mục tiêu 3. Nghiên cứu và 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 và nâng cao hiệu quả lập lịch.  Mục tiêu 4. Nghiên cứu và đề xuất mô hình nâng cao CLDV kết hợp tại nút biên và nút lõi. Trong đó, nút lõi chịu trách nhiệm phản hồi thông tin khoảng trống, nút biên điều chỉnh quá trình tập hợp chùm nhằm tăng tỉ lệ lập lịch thành công nhưng vẫn nâng cao phân biệt CLDV. Trong đó mục tiêu 1 sẽ được thực hiện trong Chương 2 và mục tiêu 2, 3, 4 sẽ được trình bày ở trong Chương 3. 1.4 Tiểu kết Chƣơng 1 Chương đầu tiên của luận án đã giới thiệu tổng quan về mạng OBS và các hoạt động bên trong mạng, trong đó vấn đề điều khiển chấp nhận lập lịch tại nút lõi và phân biệt thời gian offset tại nút biên được tập trung phân tích vì nó ảnh hưởng quan trọng đến vấn đề nâng cao CLDV trên toàn mạng. Luận án cũng đã phân tích và đánh giá các phương pháp đã công bố cho đến nay về điều khiển chấp nhận và phân biệt CLDV. Đó chính là cơ sở để luận án cuối cùng xác định được 4 mục tiêu cần nghiên cứu, cũng như đề xuất các mô đun chức năng được thêm vào nhằm nâng cao triển khai CLDV và hiệu năng truyền thông của mạng OBS. 5
CHƢƠNG 2. GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ TẠI NÚT LÕI 2.1 Điều khiển chấp nhận lập lịch hỗ trợ cung cấp chất lƣợng dịch vụ Điều khiển chấp nhận lập lịch (một cách ngắn gọn, điều khiển chấp nhận) có thể được triển khai tại mỗi cổng ra của nút biên vào và nút lõi. Nhờ có sử dụng các bộ đệm điện tử, điều khiển chấp nhận lập lịch tại nút biên vào thường đơn giản và hiệu quả hơn. 2.2 Phân tích và đánh giá các mô hình điều khiển chấp nhận 2.2.1 Mô hình nhóm bƣớc sóng 2.2.2 So sánh và đánh giá dựa trên mô phỏng Luận án tiến hành so sánh hiệu quả các mô hình điều khiển chấp nhận lập lịch SWG, DWG và LLAC dựa trên mô phỏng, được cài đặt với sự hỗ trợ của phân mềm mô phỏng mạng NS2 [77] tích hợp với gói Obs 0.9a, trên máy tính PC có CPU 2,4GHz Intel Core 2,2G RAM. Mạng mô phỏng là NSFNET. a. So sánh tỉ lệ mất chùm Tỉ lệ mất chùm tổng của DWG đạt được là thấp nhất (Hình 2.4c). LLAC luôn ưu tiên cho các chùm ưu tiên cao nên luôn đạt tỉ lệ mất chùm ưu tiên cao thấp nhất, nhưng LLAC có tỉ lệ mất chùm ưu tiên thấp là khá cao. Điều này cũng phản ánh đúng với kết quả cài đặt được thực hiện trong [22]. 0.8 SWG Tỉ lệ mất chùm (blr) 0.6 DWG LLAC 0.4 0.2 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 (c) Tải Hình 2.4 So sánh tỉ lệ mất chùm của lớp QoS cao và thấp giữa SWG, DWG và LLAC b. So sánh băng thông sử dụng Khi xem xét tỉ lệ sử dụng băng thông, DWG có tỉ lệ sử dụng băng thông cao nhất, đối với cả hai lớp (Hình 2.5). Điều này là dễ hiểu bởi vì khi DWG giảm được số chùm mất thì sẽ tăng hiệu quả sử dụng băng thông. 6
Hình 2.5 Băng thôn g sử dụng trong hai lớp của mô hình SWG, DWG và LLAC 2.2.3 Nhận xét 2.3 Mô hình điều khiển chấp nhận dựa trên dự đoán tốc độ chùm đến ARP-SAC 2.3.1 Mô hình dự đoán dựa trên tốc độ chùm đến Gọi là tốc độ đến của các chùm ưu tiên cao và là tốc độ đến của các chùm ưu tiên thấp, số kênh cấp phát cho các chùm ưu tiên thấp có thể được tính tỉ lệ với tốc độ đến của hai loại chùm ưu tiên cao và ưu tiên thấp như công thức (2.2). Lưu ý rằng, các chùm ưu tiên cao được sử dụng tất cả các kênh, có nghĩa là . ⌈ ⌉ (2.2) Mô hình dự đoán dựa trên phương pháp TW-EWMA [32] xác định tốc độ chùm đến bằng Công thức (2.6): (2.6) trong đó là tốc độ đến trung bình trong quá khứ, là tốc độ đến hiện thời, và là trọng số của và . Trong [3], trọng số này được chọn là . Tuy nhiên, theo đề xuất trong [60], hệ số này có thể được điều chỉnh linh hoạt dựa trên tốc độ trung bình trong quá khứ và tốc độ hiện thời như Công thức (2.7). (2.7) Mô hình điều khiển chấp nhận lập lịch dựa trên dự đoán tốc độ đến một cách thích nghi do đó có tên gọi là mô hình ARP-SAC. 2.3.2 Mô tả thuật toán điều khiển chấp nhận trong mô hình ARP-SAC Thuật toán 2.1: Vào: - Tập các chùm đến , với trong đó và là thời gian đến và kết thúc, xác định 7
là QoS cao (0) hay thấp (1). - ; //cáckênh bước sóng ra - ; Ra: - Tập các chùm QoS cao được lập lịch , và bị đánh rơi ; - Tập các chùm QoS thấp được lập lịch và bị đánh rơi . Phƣơng pháp: 1 ; khởi gán điểm bắt đầu của cửa sổ quan sát 2 ; //khởi gán kích thước cửa sổ quan sát lựa chọn (bằng ½ của kích thước cửa sổ định kỳ là ) 3 ; ; khởi gán tốc độ trung bình của các lớp ưu tiên 4 ; //chỉ đếm khi và không đếm khi 5 ; //kênh được chọn để lập lịch, khi không chọn được kênh 6 while ( ) do 7 chùm đầu tiên từ tập ; 8 ;//loại chùm đến đã được xem xét lập lịch 9 if ( – ) then//giai đoạn dự đoán tốc độ chùm đến nhằm xác định số kênh bước sóng cho lớp ưu tiên thấp 10 if ( ) then 11 ; đếm số chùm QoS cao 12 else 13 ; đếm số chùm QoS thấp 14 end if 15 else 16 if ( ) then //trường hợp trong vùng cửa sổ quan sát 17 ; ; tính tốc độ đến hiện thời 18 ; ; điều chỉnh trọng số theo tốc độ đến 19 ; tính lại tốc độ đến trung bình lớp 20 ; //tính lại tốc độ đến trung bình lớp ưu tiên thấp 21 ⌈ ⌉; điều chỉnh lượng băng thông cấp phát 22 ; ; //gán biến đếm chùm ưu tiên cao và thấp về ban 8
đầu 23 ; ngừng đếm chùm khi cửa sổ quan sát nhỏ hơn 24 end if 25 end if if – then bắt đầu quan sát lại với trường hợp 26 ngoài vùng cửa sổ 27 ; bắt đầu đếm lại trong cửa sổ mới 28 ; khởi gán lại thời điểm bắt đầu quan sát mới 29 end if if (( ) ( ; )) then//giai đoạn 30 2: xem xét điều kiện điều khiển chấp nhận cho chùm ưu tiên cao có thỏa mãn 31 ; ;// lập lịch chùm ưu tiên cao trên kênh và return nếu tìm kiếm thành công 32 if ( ) then trường hợp tìm kiếm kênh thành công 33 ; cập nhật số lượng chùm ưu tiên cao lập lịch thành công 34 else 35 ; cập nhật số lượng chùm ưu tiên cao không lập lịch 36 end if 37 else 38 if ( ) ( ; ) then xem xét điều kiện điều khiển chấp nhận cho chùm ưu tiên thấp có thỏa mãn 39 ; ; // lập lịch chùm ưu tiên thấp trên kênh và return nếu tìm kiếm thành công 40 end if 41 if ( ) then trường hợp tìm kiếm kênh thành công 42 ; cập nhật số lượng chùm ưu tiên thấp lập lịch 43 else 44 ; cập nhật số lượng chùm ưu tiên thấp không 45 end if 46 end if 47 end while 9
2.3.3 So sánh và đánh giá dựa trên kết quả mô phỏng Luận án sử dụng các tham số cài đặt trong phần này tương tự Mục 2.2.2. a. So sánh tỉ lệ mất chùm Hình 2.9a So sánh tỉ lệ mất chùm lớp QoS thấp giữa SWG, DWG, LLAC và ARP-SAC Kết quả trong Hình 2.9c chỉ ra rằng tỉ lệ mất chùm của ARP-SAC luôn cho kết quả tốt nhất nhờ chính sách cấp phát thêm băng thông cho luồng chùm ưu tiên thấp. Mức cải thiện về tỉ lệ mất chùm đối với chùm ưu tiên thấp trong trường hợp này là 44%, 38% và 20% với các trường hợp tỉ lệ lưu lượng đến 3:7, 5:5 và 7:3. b. So sánh sự biến động về số bƣớc sóng phân bổ cho lớp ƣu tiên thấp Hình 2.10 So sánh sự phân bổ bước sóng cho luồng chùm ưu tiên thấp 2.1.3.4 Nhận xét Dựa trên kết quả mô phỏng, mô hình điều khiển chấp nhận dựa trên dự đoán tốc độ chùm đến ARP-SAC cho tỉ lệ mất chùm ưu tiên thấp và tỉ lệ mất tổng giảm bình quân 30% và 15% so với các mô hình khác. Tuy nhiên, nếu 10
xét về tỉ lệ mất chùm ưu tiên cao thì phương pháp ARP-SAC có tỉ lệ mất chùm cao hơn trung bình 3% so với các mô hình đã công bố trước đây (Hình 2.9b). Nguyên nhân là do mô hình ARP-SAC dành số bước sóng phân bổ cho chùm ưu tiên thấp linh động theo tốc độ chùm đến mà không sử dụng một giá trị ngưỡng bước sóng tối thiểu, kết quả là tỉ lệ mất chùm ưu tiên thấp giảm, dẫn đến số bước sóng cung cấp cho lớp ưu tiên cao bị chiếm dụng; điều này làm tăng tỉ lệ mất chùm ưu tiên cao, dù không nhiều. Để giải quyết vấn đề này luận án tiếp tục đề xuất một mô hình dự đoán tốc độ mới sẽ được trình bày trong phần tiếp theo. Mô hình điều khiển chấp nhận dựa trên dự đoán tốc độ chùm đến ARP-SAC đã được công bố trong [CT2]. 2.4 Phƣơng pháp dành lại tài nguyên cho chùm ƣu tiên cao 2.4.1 Nguyên tắc dành lại tài nguyên cho chùm ƣu tiên cao Nguyên tắc dành lại tài nguyên từ chùm ưu tiên thấp cho chùm ưu tiên cao được đề xuất như sau: Khi một chùm ưu tiên cao đến tại một liên kết (cổng) ra và không tìm thấy bước sóng khả dụng cho việc lập lịch, tài nguyên đã bị chiếm dụng bởi một chùm ưu tiên thấp sẽ được xem xét gỡ bỏ để dùng cho việc lập lịch chùm ưu tiên cao này. Việc gở bỏ chùm ưu tiên thấp chỉ được thực hiện nếu thỏa mãn cả 2 điều kiện:  Chùm ưu tiên cao chỉ chồng lấp với chùm ưu tiên thấp được dự định được gở bỏ;  Gói điều khiển của chùm ưu tiên thấp chưa được gửi đến nút tiếp theo. Nếu không, chùm ưu tiên cao mới đến bị loại bỏ. Với trường hợp chùm ưu tiên thấp đến và tất cả tài nguyên đều bận, chùm này sẽ bị rơi. 2.4.2 Mô tả thuật toán TPAC Thuật toán 2: Vào: - ; //chùm đến - ; //các kênh bước sóng ra - ; //thời gian quan sát; Ra: - Tập các chùm QoS cao được lập lịch , và bị đánh rơi ; - Tập các chùm QoS thấp được lập lịch và bị đánh rơi . Phương pháp: 1 for each chùm đến do 2 if (hết thời gian ;) then //giai đoạn 1: dự đoán tốc độ chùm đến nhằm xác định số kênh bước sóng cho lớp ưu tiên thấp 11
3 := tỉ lệ tốc độ hiện tại của các lớp HP và LP đến trong cửa sổ quan sát; 4 ;//điều chỉnh trọng số theo tốc độ đến 5 ;//tính tốc độ trung bình 6 ;//điều chỉnh lượng bước sóng cấp phát 7 end if 8 ; ;//giai đoạn 2: lập lịch chùm trên kênh và return 9 end for; Độ phức tạp của thuật toán TPAC là , trong đó n là số các chùm đến ( ) và là tổng số bước sóng ra. 2.4.3 Phân tích mô hình TPAC Mô hình phân bổ bước sóng trong TPAC tương đương với mô hình hệ thống hàng đợi mà tại đó có kênh bước sóng (với chuyển đổi bước sóng đầy đủ) phục vụ cho chùm đến. Một mô hình Markov 2 chiều [14], [28], [58] do đó có thể được sử dụng để phân tích hiệu quả (theo giá trị xác suất tắc nghẽn) cho mô hình điều khiển chấp nhận nêu trên. Các tham số mô phỏng là tương tự như trong Mục 2.2.2. Phương trình xác suất tắc nghẽn của lớp ưu tiên cao và thấp lần lượt: ∑ ∑ (2.9) (2.10) Tổng xác suất tắc nghẽn của các chùm thuộc 2 lớp ưu tiên cao và thấp: (2.11) 2.4.4 So sánh và đánh giá dựa trên mô phỏng a. So sánh lỗi dự đoán trung bình Như được khuyến cáo trong [34], ưu điểm của phương pháp TW-EWMA là giúp giảm chi phí tính toán. Do đó, nên có một sự thỏa hiệp giữa lỗi dự đoán với chi phí tính toán nhằm giúp hệ thống đạt được hiệu quả cao hơn là điều cần thiết. Nên luận án lựa chọn kích thước cửa sổ quan sát bằng ½ chu kỳ thực hiện dự đoán (thỏa hiệp theo phân tích tại Hình 2.14 và Hình 2.15), công bố [CT3]. b. So sánh tỉ lệ mất chùm 12
Hình 2.16c cho thấy tỉ lệ mất chùm hai lớp của TPAC thấp hơn tất cả các phương pháp đã được đề xuất trước đó. Hình 2.16 Tỉ lệ mất chùm hai lớp ưu tiên TPAC b. So sánh về tỉ lệ sử dụng băng thông Hình 2.17 Tỉ lệ sử dụng băng thông cả hai lớp ưu tiên trong TPAC Như thể hiện ở Hình 2.17c, TPAC có tỉ lệ sử dụng băng thông cao nhất đối với cả hai lớp ưu tiên. Ngoài ra, Hình 2.18 chỉ ra rằng có một sự tương đồng về hình dáng giữa kết quả mô phỏng và xác suất tắc nghẽn của phương 13
trình 2.11 được tính toán bởi phần mềm Mathematica [78]. Điều này khẳng định tính đúng đắn của mô hình đề xuất. Công bố trong [CT4]. Hình 2.18 Xác suất mất chùm theo mô phỏng và phân tích toán học 2.4.5 Nhận xét 2.5 Mô hình kết hợp đƣờng trễ iTPAC 2.5.1 Mô tả thuật toán cải tiến iTPAC Một cơ chế điều khiển việc làm trễ bằng FDL đối với các chùm ưu tiên thấp này được đề xuất như sau:  nếu độ trễ cho phép (được xác định dựa trên thời gian bù đắp hiện tại) của chùm ưu tiên thấp là bé hơn thời gian làm trễ của đường trễ FDL thì vì việc đưa chùm ưu tiên thấp vào đường trễ là không cần thiết (do chúng sẽ bị đánh rơi vì đã hết thời gian bù đắp nhưng vẫn chưa đi đến nút biên ra) và chùm ưu tiên thấp này sẽ bị loại bỏ;  nếu độ trễ cho phép của chùm ưu tiên thấp lớn hơn độ dài đường trễ, chùm này sẽ được đưa vào đường trễ với hy vọng có thể tìm thấy tài nguyên để lập lịch khi ra khỏi đường trễ. 2.5.2 Mô phỏng, so sánh và đánh giá 2.5.3 Nhận xét 2.6 Tiểu kết chƣơng 2 Việc điều khiển chấp nhận có tác động lớn đến tỉ lệ mất chùm và hiệu năng sử dụng băng thông tại nút lõi đối với các chùm có mức độ ưu tiên khác nhau. Trong chương này, luận án đã đề xuất mô hình điều khiển chấp nhận dựa trên dự đoán lưu lượng chùm đến với 3 mô hình ARP-SAC [CT2], TPAC [CT3], [CT4] và iTPAC [CT5]. Dựa vào kết quả mô phỏng, các mô hình không chỉ nâng cao CLDV cho lớp ưu tiên cao mà còn cải thiện tỉ lệ mất chùm của lớp ưu tiên thấp. Chương kế tiếp, giải pháp nâng cao CLDV tại nút biên và kết hợp các nút sẽ được phân tích và đề xuất giải pháp. 14
CHƢƠNG 3. GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ TẠI NÚT BIÊN VÀ KẾT HỢP CÁC NÚT 3.1 Mô hình phân biệt chất lƣợng dịch vụ tại nút biên 3.1.1 Tập hợp chùm cung cấp chất lƣợng dịch vụ Phân biệt CLDV là một yêu cầu quan trọng đối với các mạng truyền thông thực tế, bởi vì sự đa dạng của các yêu cầu dịch vụ từ người dùng và ứng dụng luôn gia tăng. Thông qua các hoạt động trong mạng OBS, việc phân biệt CLDV có thể được thực hiện trong quá trình tập hợp chùm, phân bổ tài nguyên, lập lịch hoặc giải quyết tranh chấp. 3.1.2 Phân tích các nghiên cứu liên quan Có hai hướng tiếp cận phân biệt dịch vụ tại nút biên vào: phân biệt dựa trên thời gian bù đắp OTD [23], [49] và phân biệt dựa trên độ dài chùm BLD [25], [42]. Với OTD, do bổ sung thêm thời gian bù đắp vào các chùm ưu tiên cao, nên các chùm này phải chịu thêm một độ trễ. Ngoài ra, một vấn đề trong BLD là nút biên vào không biết được kích thước của các khoảng trống nhàn rỗi được hình thành tại các nút lõi nên cần có một cơ chế phản hồi để thông báo kích thước khoảng trống về cho nút biên vào nhằm điều chỉnh kích thước chùm hoàn thành cho phù hợp với khoảng trống. Trong chương này sẽ đề xuất mô hình nhằm cung cấp CLDV tại nút biên và giải quyết tồn tại đã phân tích nêu trên, với mô hình phân biệt chất lượng dịch vụ kết hợp thời gian bù đắp và kích thước chùm có tên gọi là OT-BLD. 3.1.3 Mô hình cung cấp QoS tại nút biên OT-BLD Mô hình OT-BLD tập hợp chùm theo các tiêu chí: chùm ưu tiên cao có thời gian bù đắp lớn, nhưng độ dài chùm bé; trong khi chùm ưu tiên thấp có thời gian bù đắp bé, nhưng độ dài chùm lớn như Hình 3.4. t0 t1 t2 Độ dài Thời gian Bổ sung Lớp HP chùm bù đắp TA(0) T0(0) Độ dài Thời gian Lớp LP chùm bù đắp t0 t1 t2 TA(1) T0(1) Hình 3.4 Tập hợp chùm tại nút biên của mô hình OT-BLD Mô hình OT-BLD quy định thời gian bù đắp của chùm ưu tiên thấp sẽ là 15
thời gian bù đắp cơ bản và thời gian bù đắp của chùm ưu tiên cao sẽ là tổng thời gian bù đắp cơ bản và độ dài của chùm ưu tiên thấp như Hình 3.5. Lớp (0) Chùm HP basic OT BCP Lớp (1) Chùm LP basic OT OT(1) 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 3.1.4 So sánh và đánh giá dựa trên mô phỏng Xét các gói tin đến tại các hàng đợi của nút biên OBS có phân phối Poisson và có kích thước các gói tin nằm trong khoảng [500, 1000] byte. Tại mỗi nút biên vào, số hàng đợi được xem xét ứng với mỗi đích đến , gồm một hàng đợi ưu tiên cao có ngưỡng thời gian và một hàng đợi ưu tiên thấp với ngưỡng thời gian Giá trị thời gian bù đắp cơ bản được thiết lập là .Các ngưỡng độ dài cho các hàng đợi tập hợp chùm được thiết lập ban đầu là và , như khuyến nghị của B. Kantarci và cộng sự trong [25]. Giá trị được chọn là , số bước sóng trên mỗi liên kết ra là , băng thông của mỗi liên kết là . a. So sánh tỉ lệ mất chùm giữa các mô hình Tỉ lệ mất chùm tổng của cả hai lớp được chỉ ra như trong Hình 3.6(c), trong đó, ở giai đoạn một (từ 0.0s đến 1.0s, vởi tải 0.2 đối với cả hai lớp ưu tiên), OT-BLD cho tỉ lệ mất chùm tốt hơn so với OTD, BLD và undiff lần lượt khoảng 4%, 5% và 12%. 16
Hình 3.6 So sánh tỉ lệ mất chùm hai lớp ưu tiên của OT-BLD so với mô hình khác Ở giai đoạn thứ hai (từ 1.0s đến 2.0s, với tải 0.4 của lớp ưu tiên cao và tải 0.2 của lớp ưu tiên thấp), OT-BLD cũng cho kết quả mất chùm tốt hơn so với BLD, OTD và undiff khoảng 3%, 7% và 10%. Như vậy, mô hình OT-BLD thể hiện tính hiệu quả của mình một cách ổn định đối với sự tăng giảm tải đến. b, So sánh độ trễ trung bình các gói tin Kết quả Hình 3.7(a) cho thấy độ trễ trung bình của các gói tin chùm ưu tiên cao của mô hình OT-BLD và BLD là thấp nhất trong cả hai giai đoạn, trong khi độ trễ trung bình của các gói tin trong mô hình undiff và OTD là cao hơn. Hình 3.7 So sánh độ trễ trung bình (µs) của các gói tin chùm ưu tiên cao (a) 3.1.5 Nhận xét Luận án đã đề xuất mô hình cải tiến kết hợp các phương pháp tập hợp chùm đã công bố, với mô hình có tên gọi OT-BLD. Khi so sánh kết quả về tỉ lệ mất chùm của OT-BLD đã cho thấy được hiệu quả của mô hình này so với các mô hình khác thông qua tỉ lệ mất chùm tổng và từng lớp được giảm đáng kể. Ngoài ra, độ trễ trung bình của gói tin mô hình OT-BLD giảm khi so sánh với mô hình undiff và OTD trong các thời gian mô phỏng khác nhau cũng chứng minh được sự hiệu quả của việc kết hợp qua mô hình này. Tuy nhiên độ trễ trung bình mô hình OT-BLD còn cao hơn so với mô hình BLD cũng là động lực cho các nghiên cứu tiếp theo. Các kết quả được trình bày trong mục này đã được công bố trong [CT6]. 17
3.2 Phân tích nguyên nhân gây mất chùm 3.2.1 Vấn đề mất chùm khi lập lịch Các đặc trưng cần thiết cho dữ liệu trạng thái lập lịch là: thời điểm chùm đến, độ dài chùm, , thời điểm bắt đầu và kết thúc khoảng trống. 3.2.2 Trích xuất dữ liệu trạng thái lập lịch Mô hình mạng NFSNET bao gồm 14 nút. Kết quả mô phỏng cho thấy tỉ lệ mất chùm tại các nút 3, 5 và 8 là đáng kể và dữ liệu trạng thái lập lịch được trích xuất tại đây có thể đại diện cho trạng thái lập lịch chung tại các nút lõi trên toàn mạng (tại Hình 3.9). 3.2.3 Xác định thuộc tính ảnh hƣớng đến mất chùm Trong 44959 mẫu thu thập được, có 22187 mẫu thuộc về trường hợp lập lịch thành công với không lấp đầy khoảng trống, 752 trường hợp lập lịch thành công với lấp đầy khoảng trống và 22019 mẫu trường hợp lập lịch không thành công. Điều cần quan tâm là những thuộc tính nào có ảnh hưởng đến việc lập lịch không thành công. Kết quả phân tích dữ liệu lập lịch trong Hình 3.12 cho thấy rằng chồng lấp đầu (head_overlap) và chồng lấp LAUT (LAUT_overlap) là nguyên nhân chính gây nên mất chùm (chiếm hơn 90%), trong đó hai thuộc tính thời gian đến (burst_time) và độ dài chùm (burst_length) có tác động chính đến việc lập lịch không thành công (Hình 3.11 và 3.12). Đây chính là cơ sở của đề xuất sau đây nhằm nâng cao hiệu năng lập lịch. 3.2.4 Giải pháp sử dụng đƣờng trễ nhằm giảm mất mát chùm Việc điều khiển lập lịch dựa trên đường trễ FDL được đề xuất như trong Hình 3.14, trong đó khi một chùm đến không thể lập lịch được, việc kiểm tra chồng lấp đầu và chồng lấp LAUT sẽ được xem xét (phần hình chữ nhật nét đứt). Nếu có chồng lấp đầu hay chồng lấp LAUT, chùm sẽ được đưa vào đường trễ để làm thay đổi (làm trễ) thời gian đến của nó. Trong trường hợp chồng lấp đuôi, chùm sẽ bị loại bỏ (dropped). 3.2.5 Mô phỏng và phân tích kết quả a. Phân tích tỉ lệ mất chùm Hình 315 cho thấy việc sử dụng đường trễ FDL cho tỉ lệ mất chùm trong khoảng tải từ 0.1 đến 0.6 giảm nhiều nhất khoảng 60% so với không sử dụng đường trễ. Nhưng khi tải tăng từ 0.7 đến 0.9 thì tỉ lệ mất giảm rất ít (khoảng 4%). FDL với độ trễ 100µs cho tỉ lệ mất chùm ít hơn so FDL với độ trễ 150µs. 18