Tài liệu Vu thien huong

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC VŨ THIÊN HƯƠNG TÌM HIỂU MỘT SỐ KỸ THUẬT KẾT HỢP ĐỊNH TUYẾN LỆCH HƯỚNG VÀ TRUYỀN LẠI CHÙM TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÁY TÍNH MÃ SỐ: 60.48.01.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. ĐẶNG THANH CHƯƠNG Thừa Thiên Huế, 2016 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Đây là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi. Các số liệu, trích dẫn, kết quả thực nghiệm và cài đặt được trình bày trong luận văn là trung thực và có nguồn gốc rõ ràng. Huế, tháng 7 năm 2016 Học viên Vũ Thiên Hương Lời Cảm Ơn Hoàn thành luận văn này, tôi xin chân thành cám ơn Thầy giáo TS. Đặng Thanh Chương, Khoa Công nghệ thông tin - Đại học Khoa học Huế, đã tận tình hướng dẫn trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ về mọi mặt của Ban Giám hiệu, Phòng Quản lý sau đại học, Khoa Công nghệ Thông tin - Trường Đại học Khoa học - Đại học Huế cùng quý Thầy Cô đã tham gia giảng dạy trong suốt quá trình học tập. Xin chân thành cám ơn Ban Giám hiệu, Quý Thầy Cô giáo trong Khoa Công nghệ thông tin - Trường Đại học Khoa học - Đại học Huế đã quan tâm, động viên và tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành luận văn. Cảm ơn tất cả bạn bè, đồng nghiệp và người thân đã động viên, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này. Huế, tháng 7 năm 2016 Học viên Vũ Thiên Hương MỤC LỤC Trang Lời cam đoan ............................................................................................................... Lời cảm ơn ................................................................................................................... Mục lục ......................................................................................................................... Danh mục các bảng ..................................................................................................... Danh mục các hình ...................................................................................................... Danh mục các chữ viết tắt .......................................................................................... MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG ....... 5 1.1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CHUYỂN MẠCH QUANG ................................. 5 1.2. CÁC CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH QUANG ........................................... 5 1.2.1. Chuyển mạch kênh quang (OCS).............................................................. 5 1.2.2. Chuyển mạch gói quang (OPS) ................................................................. 6 1.2.3. Chuyển mạch chùm quang (OBS) ............................................................ 7 1.3. MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG OBS ........................................... 8 1.3.1. Đặc trưng chung của mạng OBS ............................................................... 8 1.3.2. Kiến trúc mạng chuyển mạch chùm quang ............................................... 9 1.4. CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN TẮC NGHẼN TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG ....................................................................................... 10 1.4.1. Tập hợp chùm.......................................................................................... 10 1.4.2. Báo hiệu .................................................................................................. 12 1.4.3. Định tuyến ............................................................................................... 13 1.4.4. Lập lịch chùm .......................................................................................... 13 1.4.5. Giải quyết tranh chấp .............................................................................. 14 1.5. TIỂU KẾT CHƯƠNG 1 ................................................................................. 16 Chương 2. KỸ THUẬT KẾT HỢP ĐỊNH TUYẾN LỆCH HƯỚNG VÀ TRUYỀN LẠI CHÙM TRONG ĐIỀU KHIỂN TRÁNH TẮC NGHẼN TẠI NÚT LÕI MẠNG OBS ........................................................................................... 17 2.1. ĐẶT VẤN ĐỀ ................................................................................................ 17 2.2. MỘT SỐ KỸ THUẬT KẾT HỢP ĐỊNH TUYẾN LỆCH HƯỚNG VÀ TRUYỀN LẠI CHÙM TRONG ĐIỀU KHIỂN TRÁNH TẮC NGHẼN TẠI NÚT LÕI MẠNG OBS................................................................................................... 18 2.2.1. Sơ đồ kết hợp thuần định tuyến lệch hướng PDR và thuần truyền lại PRT:HDR ……………………………………………………………….…..18 2.2.2. Giải thuật LHDR (giới hạn số hop để hạn chế sự lệch hướng trong HDR)…… ......................................................................................................... 23 2.2.3. Một sơ đồ lai thích nghi kết hợp lệch hướng và truyền lại adaptive HDR (AHDR) ............................................................................................................. 27 2.2.4. Mô hình kết hợp xác suất lệch hướng và truyền lại CPDR nhằm giảm thiểu xác suất tắc nghẽn chùm .......................................................................... 35 2.3. TIỂU KẾT CHƯƠNG 2 ................................................................................. 46 Chương 3. CÀI ĐẶT MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ ...................... 47 3.1. GIỚI THIỆU HỆ MÔ PHỎNG NS VÀ GÓI MÔ PHỎNG MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG OBS-0.9A ..................................................................... 47 3.1.1. Giới thiệu hệ mô phỏng NS .................................................................... 47 3.1.2. Gói mô phỏng mạng chuyển mạch chùm quang OBS-0.9a .................... 52 3.2. CÀI ĐẶT, PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC GIẢI THUẬT LẬP LỊCH THÔNG QUA CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ...................................................... 55 3.2.1. Môi trường mô phỏng ............................................................................. 55 3.2.2. Kịch bản và mục tiêu mô phỏng ............................................................. 57 3.2.3. Phân tích kết quả ..................................................................................... 57 3.3. TIỂU KẾT CHƯƠNG 3 ................................................................................. 58 KẾT LUẬN .............................................................................................................. 59 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................... 61 PHỤ LỤC…………………………………………………………………………… DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 2.1. Xác suất mất chùm DP(ni, ni+1) ................................................................ 32 DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1.1. Nguyên lý chuyển mạch gói quang ............................................................ 6 Hình 1.2. Nguyên lý chuyển mạch chùm quang ........................................................ 7 Hình 1.3. Kiến trúc của mạng chuyển mạch chùm quang .......................................... 9 Hình 1.4. Tập hợp và tách chùm .............................................................................. 10 Hình 1.5. Tập hợp chùm theo ngưỡng thời gian ...................................................... 11 Hình 1.6. Tập hợp chùm theo ngưỡng độ dài chùm (số gói tối đa) ......................... 11 Hình 1.7. Tập hợp chùm theo ngưỡng thời gian và ngưỡng độ dài chùm ............... 11 Hình 2.1 Truyền lại BCP trong các trường hợp khác nhau ...................................... 19 Hình 2.2. Sơ đồ kết hợp định tuyến lệch hướng và truyền lại HDR ........................ 21 Hình 2.3. Sơ đồ thuật toán định tuyến lệch hướng dựa trên số hop LHDR ............. 25 Hình 2.4. Cặp nút nguồn – đích trong mạng NSF (NSFNET) ................................. 26 Hình 2.5. Sơ đồ tín hiệu được sử dụng bởi AHDR và truyền lại chùm ................... 28 Hình 2.6. Sơ đồ thuật toán định tuyến lệch hướng dựa trên xác suất thành công. ... 31 Hình 2.7. Sơ đồ của thuật toán CPDR ...................................................................... 35 Hình 2.8. Thuật toán sử dụng để có được các giá trị tập huấn luyện ....................... 38 Hình 2.9. Thuật toán sử dụng xác suất hao phí chùm cho mạng máy tính. ............. 43 Hình 3.1. NS dưới góc độ người dùng ..................................................................... 48 Hình 3.2. Phân cấp của hệ mô phỏng NS ................................................................. 48 Hình 3.3. Cấu trúc của NS ........................................................................................ 49 Hình 3.4. Cấu trúc các thành phần trong NS ............................................................ 50 Hình 3.5. Mô hình mô tả nút mạng (Unicast Node và Multicast Node) .................. 51 Hình 3.6. Mô hình thể hiện mối liên kết trong NS ................................................... 51 Hình 3.7. Mô tả liên kết và gửi gói tin trên hai nút .................................................. 52 Hình 3.8. Cấu trúc nút biên ...................................................................................... 54 Hình 3.9. Cấu trúc nút lõi ......................................................................................... 54 Hình 3.10. Mô hình mạng mô phỏng NSFNET 14 nút. ........................................... 56 Hình 3.11. So sánh tỉ lệ mất byte trên toàn mạng đối với 2 phương pháp OBS và lệch hướng theo thời gian mô phỏng......................................................................... 57 Hình 3.12. So sánh tỉ lệ mất byte trên toàn mạng đối với 2 phương pháp OBS và lệch hướng theo tải .................................................................................................... 58 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ACK AHDR Acknowledged (Gói tin xác nhận) Adaptive Hybrid Deflection Routing (Định tuyến lệch hướng lai thích nghi) AON All-Optical Network (Mạng toàn quang) BCP Burst Control Packet (Gói điều khiển chùm) BHP Burst Header Packet (Gói tiêu đề chùm) BLP Burst Loss Probability (Xác suất mất chùm) BLR Burst Loss Rate (Tỉ lệ mất chùm) CBR Constant Bit Rate (Tốc độ bit cố định) CPDR Combined Probability Deflected and Retransmission (Kết hợp xác suất lệch hướng và truyền lại) DB Data Burst (Chùm dữ liệu) DP Dropping Probability (Xác suất rơi chùm) DR Deflection Routing (Định tuyến lệch hướng) DWDM Density Wavelength Division Multiplexing (Ghép kênh phân chia bước sóng dày đặc) FDL Fiber Delay Line (Đường trễ quang) FTP File Transmission Protocol (Giao thức truyền tập tin) GMPLS Generalized Multi-Protocol Label Switching (Chuyển mạch nhãn đa giao thức tổng quát) HDR Hybrid Deflection Routing (Định tuyến lệch hướng lai) IP Internet Protocol (Giao thức Internet) JIT Just In Time (Đặt trước tài nguyên ngay tức thì) JET Just Enough Time (Đặt trước tài nguyên sau khoảng trễ) LAN Local Area Network (Mạng cụ c bộ ) LAUC Latest Available Unscheduled Channel (Kênh lập lịch khả dụng gần nhất) LAUC-VF LHDR Latest Available Unscheduled Channel with void filling (Kênh lập lịch khả dụng gần nhất với lấp đầy khoảng trống) Limited Hybrid Deflection Routing (Định tuyến lệch hướng lai dựa trên số hop) NACK Not Acknowledged (Gói tin không xác nhận) NS Network Simulator (Bộ mô phỏng mạng) NSF National Science Foundation OBS Optical Burst Switching (Mạng chuyển mạch chùm quang) OCS Optical Circuit Switching (Mạng chuyển mạch kênh quang) OPS Optical Packet Switching (Mạng chuyển mạch gói quang) OTN Optical Transmission Network (Mạng truyền tải quang) PDR Pure Deflection Routing (Thuần định tuyến lệch hướng) PRT Pure Retransmission (Thuần truyền lại) PR Primary Route (Lộ trình chính) QoS Quality of Service (Chất lượng dịch vụ) RWA Routing and Wavelength Assignment (Định tuyến và cấp phát bước sóng) SP Shortest Path (Đường đi ngắn nhất) TCP Transmission Control Protocol (Giao thức điều khiển truyền tải) UDP User Data Protocol (Giao thức gói người dùng) WDM WR Wavelength Division Multiplexing (Kỹ thuật ghép kênh phân chia bước sóng) Wavelength Router (Bộ định tuyến bước sóng) MỞ ĐẦU  Lý do chọn đề tài Hiện nay, các dịch vụ Internet ngày càng được phát triển rộng rãi và yêu cầu băng thông ngày càng cao. Kỹ thuật ghép kênh phân chia bước sóng Wavelength Division Multiplexing (WDM) ra đời nhằm mục đích đáp ứng yêu cầu này. Đây cũng chính là công nghệ quan trọng được sử dụng trong mạng hiện nay và tương lai. Có nhiều vấn đề cần phải giải quyết trong mạng quang nhằm ngày càng hoàn thiện kiến trúc mạng. Trong các vấn đề đó, việc nghiên cứu mạng chuyển mạch chùm quang Optical Burst Switching (OBS) được coi là những hướng đi hấp dẫn nhất và rất có ý nghĩa. Bởi vì mạng chuyển mạch chùm quang OBS là sự kết hợp các ưu điểm của các công nghệ chuyển mạch trước đó: công nghệ chuyển mạch kênh quang và chuyển mạch gói quang nhằm cố gắng loại bỏ các nhược điểm của các công nghệ này trong mạng WDM. Hiện nay, OBS được xem như công nghệ hứa hẹn nhất cho mạng Internet quang thế hệ sau Next Generation Network (NGN) [1]. Với tốc độ giao tiếp và nhu cầu sử dụng băng thông mạng ngày càng cao như hiện nay thì vấn đề đặt ra là làm thế nào để tăng tốc độ truyền tin, lượng thông tin có thể được truyền tải nhanh nhất mà không xảy ra tình trạng tắc nghẽn. Vì vậy, tình trạng tắc nghẽn chùm được xem là một vấn đề thách thức trong mạng chuyển mạch chùm quang OBS. Sự tắc nghẽn chùm có thể xuất hiện khi hai chùm từ hai cổng vào khác nhau cố gắng đi ra trên cùng một cổng ra tại cùng một thời điểm. Nếu với mạng Internet Protocol (IP), một vùng đệm Random Access Memory (RAM) sẽ được sử dụng để lưu tạm thời các gói tin IP có độ ưu tiên thấp hơn và sau đó sẽ được truyền đi khi cổng ra tương ứng rảnh rỗi. Tuy nhiên, công nghệ quang hiện nay không cho phép tạo ra các bộ đệm quang tương tự như vậy và do đó chùm quang có độ ưu tiên thấp hơn sẽ bị loại bỏ. Các giải pháp cho việc xử lý tắc nghẽn hiện nay trên mạng OBS là: hoặc sử dụng bộ đệm Fiber Delay Line (FDL) để làm trễ chùm quang có độ ưu tiên thấp hơn [1][11]; hoặc thực hiện chuyển đổi bước sóng đối với một trong hai chùm quang dữ liệu tranh chấp này [1][11]; hoặc định 1 tuyến chùm quang dữ liệu có độ ưu tiên thấp hơn đến một cổng ra khác và sau đó truyền đi theo một đường truyền khác để đến đích. Kỹ thuật xử lý tranh chấp thứ ba này có tên gọi là kỹ thuật định tuyến lệch hướng. Định tuyến lệch hướng thường không được ưu tiên trong các mạng chuyển mạch gói điện tử vì khả năng lặp lại và truyền gói không theo thứ tự. Tuy nhiên cần thiết phải cài đặt kỹ thuật định tuyến lệch hướng trong các mạng sợi quang chuyển mạch chùm, nơi mà khả năng bộ đệm rất giới hạn. Một trong những vấn đề của định tuyến lệch hướng đó là một chùm chuyển hướng sẽ đi con đường dài hơn để tới đích, dẫn tới làm tăng độ trễ và giảm chất lượng tín hiệu. Một số cơ chế khác nhau phải được thực hiện để ngăn chặn độ dài đường đi lệch hướng quá mức như: sử dụng một bộ đếm số nút đi qua (hop) cực đại hay xem xét đến khả năng truyền lại chùm. Vì vậy, việc kết hợp phương pháp định tuyến lệch hướng với một số phương pháp khác là thực sự cần thiết nhằm tận dụng ưu điểm của mỗi giải pháp. Đây cũng chính là lý do tôi chọn đề tài luận văn với tên gọi “TÌM HIỂU MỘT SỐ KỸ THUẬT KẾT HỢP ĐỊNH TUYẾN LỆCH HƯỚNG VÀ TRUYỀN LẠI CHÙM TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG”.  Mục tiêu của luận văn Mục tiêu của Luận văn là nghiên cứu một số kỹ thuật kết hợp định tuyến lệch hướng và truyền lại chùm đối với bài toán giảm xác suất mất chùm tại nút lõi mạng OBS.  Đối tượng nghiên cứu - Một số kỹ thuật kết hợp định tuyến lệch hướng và truyền lại chùm trong mạng chuyển mạch chùm quang. - Gói mô phỏng OBS0.9a tích hợp trong NS2.  Phương pháp nghiên cứu Phương pháp mô phỏng (dựa trên phần mềm mô phỏng OBS-ns2). 2  Phạm vi nghiên cứu Một số kỹ thuật (giải pháp) kết hợp định tuyến lệch hướng với truyền lại chùm tại nút lõi của mạng OBS.  Ý nghĩa thực tiễn Trong mạng OBS, tắc nghẽn chùm có thể được giải quyết bằng một vài phương pháp, như chuyển đổi bước sóng, sử dụng vùng đệm dữ liệu dựa trên đường trễ quang (FDL) hoặc định tuyến lệch hướng [1][2]. Đối với phương pháp định tuyến lệch hướng, các chùm bị tắc nghẽn sẽ được gửi tới liên kết ra khác của nút và sau đó được định tuyến qua một tuyến khác để đến đích. Định tuyến lệch hướng là một hướng giải quyết tắc nghẽn đang thu hút nhiều sự quan tâm trong mạng OBS, bởi vì nó không cần thêm chi phí về các thành phần vật lý và sử dụng miền phổ quang sẵn có [1][11]. Tuy nhiên, khi lưu lượng mạng tăng lên, định tuyến lệch hướng có thể làm giảm hiệu suất và tính ổn định của mạng. Định tuyến lệch hướng không hoàn toàn loại bỏ được việc rơi chùm, do đó, một số phương pháp khác thường được kết hợp với định tuyến lệch hướng để khắc phục nhược điểm này. Một trong những phương pháp được sử dụng kết hợp với định tuyến lệch hướng đó là phương pháp truyền lại chùm (burst retransmission) [7], cho phép các chùm bị rơi có thể được truyền lại trong lớp OBS. Tuy nhiên, phương pháp này có thể gây nên độ trễ mở rộng (extra delay), cụ thể đó là độ trễ truyền lại (retransmission delay). Luận văn sẽ nghiên cứu các vấn đề trong việc kết hợp của định tuyến lệch hướng Pure Deflection Routing (PDR) với truyền lại chùm Pure Retransmission (PRT)[5][6]. Một số mô hình sẽ được tập trung tìm hiểu trong Luận văn bao gồm: kết hợp lệch hướng và truyền lại Hybrid Deflection Routing (HDR), hạn chế sự lệch hướng Limited Hybrid Deflection Routing (LHDR), mô hình lai thích nghi adaptive HDR Adaptive Hybrid Deflection Routing (AHDR)[4][8], kết hợp xác suất lệch hướng và truyền lại Combined Probability Deflected and Retransmission (CPDR) [3]. Việc đánh giá các mô hình trên có thể được thực hiện qua mô phỏng hoặc kết hợp với phân tích toán học [2][4]. 3 Cấu trúc luận văn bao gồm phần mở đầu, nội dung, phần kết luận và tài liệu tham khảo. Trong đó phần nội dung được triển khai thành ba chương: Chương 1: Tổng quan về mạng chuyển mạch chùm quang. Trong chương này trình bày tổng quan về mạng chuyển mạch chùm quang và các hoạt động bên trong mạng chuyển mạch chùm quang. Chương 2: Kỹ thuật kết hợp định tuyến lệch hướng và truyền lại chùm trong điều khiển tránh tắc nghẽn tại nút lõi mạng OBS. Trong chương này trình bày một số kỹ thuật kết hợp định tuyến lệch hướng và truyền lại chùm trong điều khiển tránh tắc nghẽn tại nút lõi mạng OBS. Chương 3: Mô phỏng và đánh giá kết quả. Trong chương này giới thiệu cấu trúc và hoạt động của phần mềm mô phỏng mạng NS2 và gói mở rộng OBS-ns dùng mô phỏng mạng chuyển mạch chùm quang. Mô phỏng đưa ra phân tích, đánh giá các kỹ thuật kết hợp định tuyến lệch hướng và truyền lại chùm trong điều khiển tránh tắc nghẽn tại nút lõi mạng OBS. 4 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG Chương này sẽ giới thiệu tổng quang mạng truyền dẫn quang, sự phát triển bùng nổ của cáp quang trong viễn thông từ những truyền dẫn đơn lẻ thành một mạng truyền dẫn quang và đang hướng tới một mạng toàn quang. Trong chương này cũng giới thiệu về ba công nghệ chuyển mạch quang là chuyển mạch gói quang, chuyển mạch kênh quang, chuyển mạch chùm quang và sau đó đi sâu vào các đặc điểm kiến trúc mạng của chuyển mạch chùm quang. 1.1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CHUYỂN MẠCH QUANG Xu thế phát triển mạng hiện nay trên thế giới và ở Việt Nam là xây dựng mạng truyền tải quang Optical Transmission Network (OTN) cho mạng NGN dựa trên công nghệ WDM. Những nỗ lực phi thường về công nghệ truyền dẫn quang trong đó tập trung vào việc nghiên cứu các vấn đề công nghệ mạng WDM trên thế giới hiện nay đang dần đáp ứng được nhu cầu phát triển tất yếu của mạng. Có nhiều vấn đề cần phải giải quyết trong mạng OTN nhằm ngày càng hoàn thiện đặc tính mạng. Trong các vấn đề đó, chuyển mạch quang trong mạng OTN được coi là những hướng đi hấp dẫn nhất và rất có ý nghĩa. 1.2. CÁC CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH QUANG Cũng như chuyển mạch điện, chuyển mạch quang cũng có nhiều phương thức, công nghệ khác nhau. Trong phần này sẽ giới thiệu ba công nghệ chuyển mạch quang đã và đang nghiên cứu. 1.2.1. Chuyển mạch kênh quang (OCS) Chuyển mạch kênh quang Optical Circuit Switching (OCS) được thực hiện trong mạng quang định tuyến bước sóng thực hiện thiết lập các bước sóng toàn quang giữa hai nút mạng. Sự thiết lập các luồng quang bao gồm một số bước thực hiện: cấu hình tài nguyên, định tuyến, gán bước sóng, báo hiệu và đặt trước tài nguyên. Sự phát triển của All-Optical Network (AON) bắt đầu với Wavelength Routed Networks (WRNs), quá trình hoạt động bao gồm việc thiết lập các kết nối 5 kênh, được gọi là kênh quang (lightpaths), giữa các nút của mạng. Ràng buộc chính của WRNs, điển hình của tất cả các giao tiếp quang, là giới hạn số bước sóng trên mỗi sợi quang. Ví dụ, trong một WRN lớn, vấn đề khan hiếm số bước sóng có thể tạo nên một vấn đề là không thể tạo ra mạng lưới trọn vẹn các kênh quang giữa tất cả các người sử dụng đầu-cuối. Vì vậy, với mỗi topo WRN, những người thiết kế mạng phải giải quyết được bài toán NP-đầy đủ, là bài toán định tuyến và phân phối bước sóng Routing and Wavelength Assignment ( RWA) của các kênh quang để thỏa mãn một cách tối ưu các yêu cầu kết nối của người sử dụng. Giao thức truyền tín hiệu (signaling) được đề nghị đối với WRNs là Generalized Multi-Protocol Label Switching (GMPLS). 1.2.2. Chuyển mạch gói quang (OPS) Hình 1.1. Nguyên lý chuyển mạch gói quang Về nguyên tắc, chuyển mạch gói quang Optical Packet Switching (OPS) tổ chức dựa trên gói tiêu đề và điều khiển được thực hiện trong miền quang, tuy nhiên phải trong nhiều năm nữa mới thực hiện được. Trong thời điểm hiện nay, chuyển mạch gói quang sử dụng điều khiển điện tử để xử lý tiêu đề gói vẫn được xem là thực tế hơn. Trong chuyển mạch gói quang, tiêu đề hoặc nhãn được đọc và so sánh với một bảng định tuyến. Tải số liệu sau đó sẽ được định tuyến tới cổng ra tương ứng với một nhãn mới (trao đổi nhãn) (Hình 1.1). Điều quan trọng là tải dữ liệu được truyền trong suốt qua chuyển mạch. Trong OPSNs, lưu lượng người sử dụng 6 được mang trong các gói quang cùng với thông tin điều khiển in-band. Thông tin điều khiển được rút trích và xử lý trong miền điện tử tại mỗi nút. Đây là kiến trúc có tính triển vọng bởi nó đã được biết đến trên thực tế là mạng chuyển mạch gói điện tử, đặc trưng bởi thông lượng cao và dễ dàng thích ứng với sự tắc nghẽn hay bị lỗi. Tuy nhiên, bài toán đặt ra với OPSNs đó là thiếu công nghệ đệm quang. 1.2.3. Chuyển mạch chùm quang (OBS) Trong chuyển mạch chùm quang (OBS), dữ liệu truyền tải trong các đơn vị có kích thước khác nhau, được gọi là chùm (burst) (Hình 1.2). Bởi vì tính biến thiên lớn trong suốt thời gian tồn tại của các chùm, mạng OBS có thể được xem như nằm giữa OPSNs và WRNs. Điều đó có nghĩa là, khi thời gian tồn tại của tất cả các chùm là rất ngắn, bằng thời gian tồn tại của một gói quang, OBSN có thể được xem tương tự như một OPSN. Mặt khác, khi thời gian tồn tại của tất cả các chùm là vô cùng lớn (có thể kéo dài một vài tháng), thì OBSN có thể được xem tương tự là WRN. Trong OBS, có sự phân tách mạnh giữa cách bố trí kênh điều khiển và dữ liệu, cho phép có thể điều khiển mạng linh động và đạt hiệu quả cao. Hơn nữa, bản chất động (dynamic) của nó dẫn đến khả năng thích nghi của mạng cao, làm cho nó hoàn toàn phù hợp với sự truyền dẫn của lưu lượng chùm [2]. Hình 1.2. Nguyên lý chuyển mạch chùm quang 7 1.3. MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG OBS 1.3.1. Đặc trưng chung của mạng OBS Khái niệm chuyển mạch chùm đã được nghiên cứu vào năm 1980. Tuy nhiên, kỹ thuật này không thành công trong mạng chuyển mạch điện tử do nhu cầu và tính phức tạp so với kỹ thuật chuyển mạch gói. Trong mạng quang có sự khác biệt lớn giữa khả năng truyền dẫn quang và khả năng xử lý điện tử; thêm vào đó khả năng sử dụng các bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên trong miền quang là không khả dụng, vì vậy không thể giữ được dữ liệu đợi xử lý trong miền quang. Mạng chuyển mạch chùm quang được nghiên cứu vào cuối năm 1990 và nó trở thành một công nghệ hứa hẹn có thể tận dụng được những ưu điểm của mạng chuyển mạch kênh quang và mạng chuyển mạch gói quang để tránh được những bất lợi về kỹ thuật trong thời gian này. Mạng chuyển mạch chùm quang được xem như là một công nghệ hứa hẹn cho mạng Internet toàn quang thế hệ kế tiếp. Nó có nhiều chức năng riêng và nhiều ưu điểm hơn so với các kỹ thuật chuyển mạch khác. Mạng chuyển mạch chùm quang là một giải pháp cho phép truyền tải lưu lượng trực tiếp qua mạng WDM mà không cần bộ đệm quang. Mạng chuyển mạch chùm quang sử dụng các sơ đồ định trước một hướng với quá trình truyền tức thời, chùm dữ liệu truyền đi sau gói điều khiển tương ứng mà không đợi phản hồi (báo nhận) từ nút đích. Thực chất, mạng chuyển mạch chùm quang xem xét lớp quang đơn thuần như một phương tiện truyền thông trong suốt cho các ứng dụng. Một số đặc trưng chung của mạng chuyển mạch chùm quang như sau: - Tách biệt giữa kênh truyền gói điều khiển Burst Control Packet (BCP) và kênh truyền chùm dữ liệu Data Burst (DB): Gói điều khiển được truyền trên một kênh riêng biệt. - Sự dành riêng một chiều: Tài nguyên được cấp phát theo kiểu dành riêng một chiều, nghĩa là nút nguồn không cần đợi thông tin phản hồi từ nút đích trước khi nó bắt đầu truyền chùm. 8 - Độ dài chùm thay đổi được: Kích thước của chùm có thể thay đổi được theo yêu cầu. - Không cần bộ đệm quang: Nút trung gian trong mạng quang không yêu cầu phải có bộ đệm quang. Các chùm đi qua các nút trung gian mà không chịu bất kỳ sự trễ nào. 1.3.2. Kiến trúc mạng chuyển mạch chùm quang Một mạng chuyển mạch chùm quang bao gồm các nút chuyển mạch chùm quang kết nối với nhau thông qua các sợi cáp quang. Mỗi sợi quang có khả năng hỗ trợ các kênh đa bước sóng. Như được trình bày ở Hình 1.3, các nút trên mạng chuyển mạch chùm quang có hai kiểu: nút biên và nút lõi. Nút biên được xem như là giao diện giữa miền điện tử và miền quang. Hình 1.3. Kiến trúc của mạng chuyển mạch chùm quang Tại nút biên, những dữ liệu vào (ví dụ các luồng IP) có cùng đích đến và cùng lớp dịch vụ Quality of Service (QoS) được tập hợp (Assembling) trong một chùm quang dữ liệu, được lập lịch (scheduling) và được gởi vào bên trong mạng OBS theo sau gói điều khiển chùm quang BCP một khoảng thời gian offset. Khoảng thời gian offset này phải được tính toán sao cho gói điều khiển BCP có thể kịp đặt 9 trước và cấu hình các tài nguyên tại các nút mà chùm quang dữ liệu sẽ đi qua. Bằng cách đó, mạng OBS đã loại bỏ được yêu cầu cần sử dụng các vùng đệm quang, một trong những hạn chế mà công nghệ quang hiện nay chưa thể vượt qua được. Tại các nút lõi bên trong mạng OBS, chùm quang đơn giản được chuyển (forward) theo hướng đến nút đích như đã cấu hình. Khi đến nút biên ra, các luồng IP sẽ được khôi phục lại từ chùm quang dữ liệu này. 1.4. CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN TẮC NGHẼN TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG 1.4.1. Tập hợp chùm Tập hợp chùm (burst) là quá trình tập hợp các gói tin điện tử và đóng gói thành chùm tại nút biên ngõ vào của mạng chuyển mạch chùm quang. Tất cả gói đến sẽ chuyển đến hàng đợi tùy theo đích của chúng như trình bày trong Hình 1.4. Một giá trị ngưỡng được sử dụng như một tham số giới hạn để quyết định khi nào tạo ra một chùm và gởi chùm vào trong mạng. Hình 1.4. Tập hợp và tách chùm Hiện nay có nhiều kỹ thuật tập hợp chùm được đưa ra trong đó hai kỹ thuật được quan tâm nhất là tập hợp chùm dựa vào ngưỡng thời gian (timer-based) (Hình 1.5) và tập hợp chùm dựa trên ngưỡng độ dài chùm (size-based) (Hình 1.6). Trong phương pháp tập hợp chùm dựa trên ngưỡng thời gian, một chùm được tạo ra và gởi vào trong mạng theo chu kỳ thời gian, đúng bằng thời gian đã được định sẵn vì vậy mà không quan tâm đến kích thước chùm dài hay ngắn. Do đó, chiều dài của chùm biến đổi tuỳ theo tần suất đến của gói, trong những khoảng thời gian bằng nhau. 10 Hình 1.5. Tập hợp chùm theo ngưỡng thời gian Đối với phương pháp tập hợp chùm dựa trên giá trị ngưỡng độ dài chùm, một giới hạn dựa trên số lượng tối đa gói tin chứa trong mỗi chùm. Vì vậy, những chùm được tạo ra có kích thước cố định. Hình 1.6. Tập hợp chùm theo ngưỡng độ dài chùm (số gói tối đa) Cần xác định độ dài chùm tối ưu để tăng hiệu quả của một mạng chuyển mạch chùm quang. Hình 1.7. Tập hợp chùm theo ngưỡng thời gian và ngưỡng độ dài chùm 11