ĐẠI HỌC HUẾ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC
NGUYỄN HỒNG QUỐC
NGHIÊN CỨU MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP LẬP LỊCH
TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH
HUẾ - NĂM 2017
ĐẠI HỌC HUẾ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC
NGUYỄN HỒNG QUỐC
NGHIÊN CỨU MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP LẬP LỊCH
TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG
CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÁY TÍNH
MÃ SỐ: 62.48.01.01
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH
Người hướng dẫn khoa học:
PGS. TS. VÕ VIẾT MINH NHẬT
TS. NGUYỄN HOÀNG SƠN
HUẾ - NĂM 2017
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. Nguyễn Hoàng Sơn. Những nội dung trong
các công trình đã được công bố chung với các tác giả khác đã được sự đồng ý 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
Nguyễn Hồng Quốc
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. Nguyễn Hoàng Sơn 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, Đại học Huế đã quan tâm, giúp đỡ, hướng dẫn
trong suốt quá trình học tập.
Tôi xin chân thành cảm ơn Quý Thầy Cô, Ban chủ nhiệm Khoa Tin học - Trường
Đại học Sư phạm, Đại học 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, Đại 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 học tập, nghiên cứu.
Nghiên cứu sinh
Nguyễn Hồng Quốc
ii
MỤC LỤC
Lời cam đoan
i
Lời cảm ơn
ii
Mục lục
iii
Danh mục các từ viết tắt
v
Danh mục bảng biểu
vii
Danh mục hình vẽ
viii
Mở đầu
1
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ LẬP LỊCH TRONG MẠNG CHUYỂN
MẠCH CHÙM QUANG
1.1 Tóm lược lịch sử phát triển của truyền thông quang . . . . . .
1.2 Các mô hình chuyển mạch quang . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.1 Chuyển mạch kênh quang . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.2 Chuyển mạch gói quang . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.3 Chuyển mạch chùm quang . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3 Mạng chuyển mạch chùm quang . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3.1 Kiến trúc mạng OBS . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3.2 Các hoạt động bên trong mạng OBS . . . . . . . . . .
1.4 Lập lịch trong mạng OBS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4.1 Giới thiệu bài toán lập lịch . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4.2 Một số kiến thức liên quan . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4.3 Các giải thuật lập lịch đã công bố . . . . . . . . . . . .
1.4.4 Một số nhận xét các giải thuật lập lịch đã công bố . .
1.5 Tiểu kết Chương 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Chương 2. MỘT CẢI TIẾN MÔ HÌNH KẾT HỢP LẬP LỊCH
2.1
2.2
2.3
2.4
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
TRỰC
TIẾP VỚI LẬP LỊCH LẠI VÀ PHÂN ĐOẠN CHÙM
Giới thiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Phân tích và đánh giá các giải thuật lập lịch kết hợp đã công bố .
2.2.1 Giải thuật ODBR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.2 Giải thuật ABR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.3 Kỹ thuật phân đoạn chùm . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.4 Giải thuật SODBRA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.5 Giải thuật PCSA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Giải thuật lập lịch kết hợp đề xuất iCSA . . . . . . . . . . . . . .
Mô phỏng và phân tích kết quả . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
iii
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
7
7
9
9
10
11
12
14
17
22
22
23
26
35
36
37
37
37
38
39
40
42
42
44
48
2.5 Tiểu kết Chương 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Chương 3. MỘT SỐ CẢI TIẾN GIẢI THUẬT LẬP LỊCH NHÓM
54
TRÊN ĐƠN KÊNH
Giới thiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Phân tích và đánh giá các giải thuật lập lịch nhóm trên đơn kênh đã
55
55
công bố . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.1 Giải thuật OBS-GS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.2 Giải thuật MWIS-OS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3 Giải thuật lập lịch nhóm trên đơn kênh đề xuất LGS và các mở rộng .
3.3.1 Mô hình lập lịch nhóm trên đơn kênh . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.2 Giải thuật đề xuất LGS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.3 Các giải thuật mở rộng đề xuất từ LGS . . . . . . . . . . . . . .
3.4 Mô phỏng và phân tích kết quả . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5 Tiểu kết Chương 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Chương 4. MỘT SỐ CẢI TIẾN GIẢI THUẬT LẬP LỊCH NHÓM
56
56
57
59
59
60
63
67
71
TRÊN ĐA KÊNH
Giới thiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Phân tích và đánh giá các giải thuật lập lịch nhóm trên đa kênh đã công
72
72
3.1
3.2
4.1
4.2
bố . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.1 Nhóm các giải thuật lập lịch heuristic . . . . . . . . . .
4.2.2 Nhóm các giải thuật lập lịch tối ưu . . . . . . . . . . .
4.3 Các giải thuật lập lịch nhóm đề xuất trên đa kênh . . . . . . .
4.3.1 Giải thuật lập lịch nhóm tối ưu OPT-GS . . . . . . .
4.3.2 Giải thuật lập lịch nhóm heuristic LGS-MC . . . . . .
4.3.3 Giải thuật lập lịch nhóm heuristic MWC-GS . . . . . .
4.4 Mô phỏng và phân tích kết quả . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5 Tiểu kết Chương 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
KẾT LUẬN
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN
TÀI LIỆU THAM KHẢO
iv
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
ÁN
.
.
.
.
.
.
.
.
.
. 72
. 73
. 77
. 81
. 81
. 86
. 88
. 96
. 101
102
104
105
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Viết tắt
Dạng đầy đủ
Diễn giải ý nghĩa
ADM
Add-Drop Multiplexer
Bộ thêm/trích kênh
AON
All-Optical Network
Mạng toàn quang
ATM
Asynchronous Transfer Mode
Chế độ truyền tải không đồng bộ
BHP
Burst Header Packet
Gói điều khiển
CWDM
Coarse Wavelength Division Mul-
Ghép kênh phân chia bước sóng
tiplexing
thô
DWA
Dynamic Wavelength Allocation
Phân bổ bước sóng động
DWDM
Density
Ghép kênh phân chia bước sóng
Wavelength
Division
Multiplexing
mật độ cao
FDL
Fiber Delay Line
Đường trễ quang
FDM
Frequency Division Multiplexing
Ghép kênh phân chia tần số
GMPLS
Generalized Multiprotocol Label
Chuyển mạch nhãn đa giao thức
Switching
suy rộng
Just Enough Time
Giao thức báo hiệu với thời gian
JET
đặt trước tài nguyên vừa đủ
JIT
Just In Time
Giao thức báo hiệu với thời gian
đặt trước tức thời
LAUT
Latest
Available
Unscheduled
Thời điểm chưa được lập lịch sau
Time
cùng nhất
Limited-Range Wavelength Con-
Bộ chuyển đổi bước sóng có phạm
verter
vi giới hạn
MPLS
MultiProtocol Label Switching
Chuyển mạch nhãn đa giao thức
MWC
Optical/Electronic/Optical
Chuyển đổi quang-điện-quang
MWC
Maximum Weight Clipue
Clique có tổng trọng số lớn nhất
O/E/O
Optical/Electronic/Optical
Chuyển đổi quang-điện-quang
OADM
Optical Add-Drop Multiplexer
Bộ thêm/trích kênh quang
OBS
Optical Burst Switching
Chuyển mạch chùm quang
OCS
Optical Circuit Switching
Chuyển mạch kênh quang
OEO
Optical-Electrical-Optical
LRWC
version
v
con-
Chuyển đổi quang-điện-quang
Viết tắt
Dạng đầy đủ
Diễn giải ý nghĩa
OPS
Optical Packet Switching
Chuyển mạch gói quang
OTN
Optical Transport Network
Mạng truyền tải quang
OTDM
Optical Time Division Multiplex-
Ghép kênh quang phân chia thời
ing
gian
OXC
Optical Cross Connect
Chuyển mạch quang
QoS
Quality of Service
Chất lượng dịch vụ
ROADM
Reconfigurable Optical Add-Drop
Bộ thêm/trích kênh quang có thể
Multiplexer
cấu hình lại
RTT
Round-Trip Time
Thời gian khứ hồi
RAM
Random Access Memory
Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên
RWA
Routing and Wavelength Alloca-
Định tuyến và cấp phát bước sóng
tion
SCU
Switching Control Unit
Đơn vị điều khiển chuyển mạch
SDH
Synchronous Digital Hierarchy
Hệ phân cấp số đồng bộ
SDM
Space Division Multiplexing
Ghép kênh phân chia không gian
SIR
Source Initiated Reservation
Đặt tài nguyên từ nguồn
SONET
Synchronous Optical Network
Mạng quang đồng bộ
SPL
Share-Per-Link
Chia sẻ trên mỗi liên kết
SPN
Share-Per-Node
Chia sẻ trên mỗi nút
WADM
Wavelength
Add-Drop
Multi-
Bộ thêm/trích bước sóng
plexer
WC
Wavelength Converters
Bộ chuyển đổi bước sóng
WDM
Wavelength Division Multiplex-
Ghép kênh phân chia bước sóng
ing
WR
Wavelength Router
Định tuyến bước sóng
WRN
Wavelength Routed Network
Mạng định tuyến bước sóng
WXC
Wavelength Cross-Connect
Chuyển mạch bước sóng
vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU
1.1
So sánh chuyển mạch chùm quang với chuyển mạch kênh quang và
chuyển mạch gói quang
4.1
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
Thống kê số chùm được gỡ ra và lập lịch lại thành công của giải thuật
GreedyOPT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
vii
99
DANH MỤC HÌNH VẼ
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
Kiến trúc mạng chuyển mạch kênh quang . . . . . . . . .
Kiến trúc mạng OBS và chức năng của các nút mạng . .
Cấu trúc nút biên vào OBS . . . . . . . . . . . . . . . .
Cấu trúc nút lõi OBS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Tập hợp theo ngưỡng thời gian . . . . . . . . . . . . . . .
Tập hợp theo ngưỡng kích thước (số gói tin tối đa) . . . .
Ảnh hưởng của phương pháp tập hợp chùm theo ngưỡng
. . .
. . .
. . .
. . .
. . .
. . .
thời
. . .
. . .
. . .
. . .
. . .
. . .
gian
. .
. .
. .
. .
. .
. .
và
10
15
16
17
18
18
19
1.8
ngưỡng độ dài đối với kích thước chùm được sinh ra . . . . . . . . . . .
Đồ thị khoảng G được xây dựng từ tập các khoảng thời gian chồng lấp
25
1.9
nhau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Đồ thị khoảng G được xây dựng từ tập các khoảng thời gian không chồng
lấp nhau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.10 Mô tả các giải thuật lập lịch trực tiếp . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.11 Ví dụ so sánh hiệu quả giữa lập lịch trực tiếp và lập lịch nhóm: (a) các
25
26
gói điều khiển và chùm đến trong khe thời gian τ , (b) kết quả của lập
lịch trực tiếp và (c) kết quả của lập lịch nhóm dựa trên tối đa tổng số
chùm được lập lịch và (d)dựa trên tối đa tổng độ dài của các chùm được
lập lịch . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.12 Phân loại các giải thuật lập lịch nhóm đã
1.13 Mô tả giải pháp chuyển đổi bước sóng w1
1.14 Mô tả giải pháp định tuyến lệch hướng .
2.1
2.2
2.3
2.4
. . . . . . . .
được công bố
qua w2 . . . .
. . . . . . . .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
31
32
33
34
Một ví dụ về lập lịch lại của giải thuật ODBR . . . . . . . . . . . . . .
Một ví dụ cơ chế hoạt động của giải thuật lập lịch lại ABR . . . . . . .
Phân đoạn chùm và cấu trúc bên trong của header của đoạn . . . . . .
Trong trường hợp chùm tranh chấp bị phân đoạn, có 2 khá năng xảy ra:
38
40
41
(a) loại bỏ đoạn đuôi và (b) loại bỏ đoạn đầu của chùm tranh chấp
2.5 Ví dụ một chùm đến ub yêu cầu lập lịch trên 3 kênh ra . . . . . .
2.6 Ví dụ về một trường hợp giải thuật ODBR không thực hiện được
2.7 Mô hình mạng mô phỏng NSFNET . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.8 So sánh xác suất mất gói tin của LAUC và BFVF . . . . . . . . .
2.9 So sánh xác suất mất gói tin của ODBR và ABR . . . . . . . . .
2.10 So sánh số chùm phải lập lịch lại giữa ODBR và ABR . . . . . .
2.11 So sánh xác suất mất gói tin của iCSA so với ODBR và ABR . .
viii
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
41
43
44
48
49
50
50
51
2.12
2.13
2.14
2.15
So
So
So
So
sánh
sánh
sánh
sánh
số chùm
xác suất
số chùm
số chùm
lập lịch lại của iCSA so với ODBR và ABR . .
mất gói tin của iCSA so với PCSA và SODBRA
lập lịch lại của iCSA so với SODBRA và PCSA
phân đoạn của iCSA so với SODBRA và PCSA
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
51
52
53
53
3.1
3.2
(a) Mô tả hoạt động lập lịch nhóm trên đơn kênh và (b)đa kênh . . . .
Các gói điều khiển đến trong khe thời gian τ , tương ứng với thứ tự đến
55
56
3.3
của các chùm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(a)Đồ thị khoảng được xây dựng tương ứng trạng thái các chùm đến và
3.4
3.5
3.6
3.7
(b)Kết quả tìm tập các tập độc lập cực đại của giải thuật OBS-GS . . .
Kết quả tìm tập các tập độc lập cực đại của giải thuật MWIS-OS . . .
So sánh xác suất mất gói tin của OBS-GS và MWIS-OS . . . . . . . .
Mô hình hoạt động của lập lịch nhóm được đề xuất . . . . . . . . . . .
Ví dụ Các gói điều khiển đến trong thời gian τ và thứ tự đến của các
57
58
58
59
62
3.8
chùm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(a) Thứ tự các chùm sau khi sắp xếp theo thời điểm kết thúc và (b) cách
62
3.9
tính index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Khe thời gian lập lịch nhóm τ được điều chỉnh nghịch biến với tốc độ
3.10
3.11
3.12
3.13
3.14
3.15
của luồng các chùm đến . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Mô hình mạng mô phỏng Dumbbell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
So sánh xác suất mất gói tin giữa LAUC-VF và LGS . . . . . . . . . .
So sánh xác suất mất gói tin giữa OBS-GS, MWIS-OS, LGS và LGS-VF
So sánh thông lượng của OBS-GS, MWIS-OS và LGS-VF . . . . . . .
So sánh xác suất mất gói tin giữa LGS-VF và LAGS-VF . . . . . . .
Phân bố độ rộng khe thời gian τ của MWIS-OS và LAGS-VF trong 300
64
67
68
68
69
69
lần lập lịch nhóm liên tiếp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.16 So sánh thời gian chờ trung bình (của từng 500 khe liên tiếp) của MWISOS và LAGS-VF (trong 7500 lần lập lịch nhóm liên tiếp)
. . . . . . .
70
70
4.1
(a) Ví dụ tình trạng các gói điều khiển đến lập lịch cho các chùm trong
73
4.2
mỗi khe thời gian τ , và (b) kết quả lập lịch của giải thuật SSF . . . . .
(a) Ví dụ tình trạng các gói điều khiển đến lập lịch cho các chùm trong
4.3
4.4
4.5
mỗi khe thời gian τ , và (b) kết quả lập lịch của giải thuật LIF . . . . .
Đồ thị khoảng được xây dựng từ trạng thái các chùm đến ở Hình 4.1(a)
Ví dụ 3 chùm đến yêu cầu lập lịch trên 2 kênh dữ liệu ra . . . . . . . .
Đồ thị khoảng được xây dựng từ trạng thái các chùm đến và các chùm
74
75
78
4.6
4.7
đã lập lịch trong Hình 4.4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
Kết quả các clique cực đại được tìm thấy từ đồ thị khoảng trong Hình 4.5 79
Đồ thị luồng được xây dựng từ các clique cực đại trong Hình 4.6 . . . . 80
ix
4.8
4.9
Ví dụ 6 chùm đến yêu cầu lập lịch trên hai kênh ra . . . . . . . . . . .
(a) Một ví dụ về tình trạng các chùm đến yêu cầu lập lịch hai kênh dữ
80
liệu ra và (b) kết quả lập lịch tối ưu các chùm trên hai kênh ra . . . . .
4.10 Đơn đồ thị có hướng có trọng số được xây dựng từ tập các chùm đến lập
84
lịch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.11 (a) Ví dụ về các chùm đến và (b) kết quả lập lịch tối ưu trên 2 kênh . .
4.12 (a)Đồ thị khoảng biểu diễn các khả năng lập lịch của các chùm đến trong
84
89
Hình 4.11a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.13 (b)MWC được tìm thấy tương ứng với kết quả lập lịch tối ưu trong Hình
89
4.11b . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.14 (a)Ví dụ về các chùm đến và (b) kết quả lập lịch tối ưu có lấp đầy khoảng
90
trống trên 2 kênh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.15 (a) Đồ thị khoảng biểu diễn các khả năng lập lịch có lấp đầy khoảng
95
trống của các chùm đến trong Hình 4.14a và (b) Clique được tìm thấy
tương ứng với kết quả lập lịch trong Hình 4.14b . . . . . . . . . . . . .
4.16 So sánh xác suất mất gói tin của LGS-MC, MWC-GS với các giải thuật
95
heuristic trên mô hình mạng Dumbbell . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.17 So sánh xác suất mất gói tin của LGS-MC, MWC-GS với các giải thuật
97
heuristic trên mô hình mạng NSFNET-14 nút . . . . . . . . . . . . . .
4.18 So sánh xác suất mất gói tin của LGS-MC, MWC-GS với GreedyOPT
97
trên mô hình mạng Dumbbell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.19 So sánh xác suất mất gói tin của LGS-MC, MWC-GS với GreedyOPT
98
trên mô hình mạng NSFNET-14 nút . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.20 So sánh xác suất mất gói tin của MWC-VF-GS, OPT-GS với BATCHOPT
trên mô hình mạng Dumbbell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.21 So sánh xác suất mất gói tin của MWC-VF-GS, OPT-GS với BATCHOPT
trên mô hình mạng NSFNET-14 nút . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.22 So sánh ảnh hưởng của kích thước khe thời gian τ đến hiệu quả lập lịch
nhóm của MWC-VF-GS, OPT-GS với BATCHOPT . . . . . . . . . . . 101
x
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Tốc độ phát triển nhanh của Internet trong những năm gần đây, cùng với sự
bùng nổ của các loại hình dịch vụ truyền thông, đã làm gia tăng không ngừng
nhu cầu về băng thông truyền thông. Điều này đã đặt ra một thách thức mới
trong việc tìm kiếm công nghệ truyền thông phù hợp nhằm nâng cao khả năng
vận chuyển của mạng thế hệ mới. Mạng sợi quang cùng với sự phát triển của
công nghệ ghép kênh bước sóng (Wavelength Division Multiplexing), đã mang
đến một giải pháp hoàn hảo đáp ứng được nhu cầu băng thông bùng nổ của
Internet trong tương lai.
Mạng sợi quang từ khi ra đời vào thập niên 90 cho đến nay, đã trải qua
nhiều thế hệ phát triển [46], [64], [27], [24], [31], [12]: từ những mô hình định
tuyến bước sóng (Wavelength-Routed ) ban đầu dựa trên những đường quang
(lightpath) đầu-cuối dành riêng, cho đến các mô hình chuyển mạch gói quang
(Optical Packet Switching) được đề xuất gần đây, với ý tưởng xuất phát từ các
mô hình mạng chuyển mạch gói điện tử. Tuy nhiên với một số hạn chế về công
nghệ, như chưa thể sản xuất các bộ đệm quang (tương tự bộ nhớ RAM trong
môi trường điện tử) hay các chuyển mạch ở tốc độ nano giây [8] [12], mô hình
chuyển mạch gói quang chưa thể trở thành hiện thực. Một giải pháp thỏa hiệp
được đề xuất là chuyển mạch chùm quang (Optical Burst Switching) đã mở ra
một hướng nghiên cứu mới và được xem là công nghệ hứa hẹn cho mạng Internet
thế hệ tiếp theo.
Một đặc trưng tiêu biểu của mạng chuyển mạch chùm quang (mạng OBS)
là phần (gói) điều khiển (Burst Header Packet) được tách rời với phần (chùm)
dữ liệu (Data Burst). Nói một cách khác, để thực hiện việc truyền một chùm
vào trong mạng lõi, gói điều khiển BHP được tạo ra và được gửi đi trước một
khoảng thời gian offset(offset-time). Thời gian offset này phải được tính toán
đủ để đặt trước tài nguyên và cấu hình các chuyển mạch tại các nút trung gian
dọc theo hành trình của chùm quang từ nguồn đến đích. Thêm vào đó, mạng
1
OBS dành riêng một số kênh (bước sóng), được gọi là kênh điều khiển cho việc
truyền gói điều khiển BHP, trong khi các kênh còn lại được dùng cho việc truyền
chùm dữ liệu, nên được gọi là kênh dữ liệu. Như vậy việc truyền gói điều khiển
BHP tách rời hoàn toàn với truyền dữ liệu về mặt không gian (trên kênh truyền
khác) và về mặt thời gian (gửi đi trước một khoảng thời gian offset). Với cách
truyền dữ liệu như vậy, rõ ràng mạng OBS không cần đến các bộ đệm quang để
lưu tạm các chùm dữ liệu trong khi chờ đợi việc xử lý chuyển mạch tại các nút
lõi, cũng như không yêu cầu các chuyển mạch ở tốc độ nano giây. Tuy nhiên,
cách truyền tải này cũng đặt ra áp lực là làm thế nào để một gói điều khiển
BHP kịp lập lịch đặt trước tài nguyên và cấu hình chuyển mạch tại các nút lõi,
đảm bảo việc truyền tải chùm quang theo sau; đó chính là nhiệm vụ của hoạt
động lập lịch đặt trước tài nguyên tại các nút lõi mạng. Vì vậy vấn đề lập lịch
rất cần được quan tâm và nghiên cứu nhằm tối đa hiệu suất băng thông, giảm
mất mát dữ liệu và nâng cao hiệu suất hoạt động của mạng OBS.
2. Động lực nghiên cứu
Lập lịch là một trong những hoạt động quan trọng trong mạng chuyển mạch
chùm quang. Khi gói điều khiển của một chùm đến tại một nút lõi mạng, dựa
vào thông tin được chứa trong gói điều khiển như thời điểm đến, thời điểm kết
thúc của chùm, lúc này một giải thuật lập lịch sẽ được gọi để tìm kênh bước
sóng ra khả dụng để lập lịch cho chùm đến (một kênh bước sóng được gọi khả
dụng khi và chỉ khi thời điểm đến của chùm lập lịch lớn hơn LAU T hoặc thời
gian đến của chùm nằm trong một khoảng trống (khoảng băng thông nhàn rồi
trên một kênh nào đó). Mục đích chính của giải thuật lập lịch là sắp xếp các
chùm đến trên các kênh bước sóng ra, nhằm tối đa hiệu suất băng thông sử
dụng, giảm số lượng chùm bị loại bỏ và nâng cao hiệu suất hoạt động của mạng
OBS.
Hiện đã có nhiều giải thuật lập lịch được đề xuất mà có thể được phân vào
trong hai nhóm tiếp cận chính:
• Phương pháp lập lịch trực tiếp.
• Phương pháp lập lịch nhóm.
Đối với phương pháp lập lịch trực tiếp khi một gói điều khiển đến một nút
2
lõi mạng, một trong các giải thuật lập lịch trực tiếp [30], [74], [72], [71], [38], [11],
[68], [18], [42], [6], [13], [2] sẽ được gọi ngay để tìm kênh bước sóng khả dụng
lập lịch cho chùm của nó; nếu có nhiều hơn một kênh bước sóng khả dụng thì
giải thuật lập lịch này sẽ chọn một kênh lập lịch mà tối ưu tiêu chí đặt ra của
giải thuật. Trong số các giải thuật lập lịch trực tiếp, BF-VF [42] là giải thuật
lập lịch tốt nhất về hiệu suất sử dụng băng thông. Tuy nhiên hiệu quả của lập
lịch trực tiếp phụ thuộc vào tình trạng băng thông của các kênh ra mà ở đó các
chùm đã lập lịch phân bố. Một số giải pháp kết hợp lập lịch trực tiếp với lập
lịch lại và phân đoạn chùm đã được đề xuất [55], [56], [49], [40], [66], [65], [57],
[67], [54], [28], [39]. Cụ thể khi lập lịch trực tiếp không tìm thấy kênh khả dụng,
thay vì chùm đến sẽ bị đánh rơi hoàn toàn, lập lịch lại sẽ sắp xếp lại các chùm
đã được lập lịch trên các kênh bước sóng nhằm tìm kiếm vị trí băng thông nhàn
rỗi để lập lịch cho chùm đến hoặc thực hiện phân đoạn chùm nhằm để chỉ đánh
rơi một phần của chùm đến bị tranh chấp. Tuy nhiên lập lịch trực tiếp và lập
lịch trực tiếp kết hợp chỉ tối ưu việc lập lịch cho chùm đến hiện thời mà không
quan tâm đến các chùm đến sau đó, nên sự phân mãnh băng thông được tạo ra
do việc lập lịch chùm hiện thời và có thể ảnh hưởng đến hiệu quả của các lập
lịch sau đó. Phương pháp lập lịch nhóm [25], [75], [15], [29], [9], [22], [21], [20] do
đó được đề xuất, trong đó các gói điều khiển đến trong một khoảng thời gian sẽ
tiến hành lập lịch đồng thời các chùm tương ứng của chúng. Tuỳ thuộc vào các
nút lõi mạng có được trang bị bộ chuyển đổi bước sóng đầy đủ hay không, các
giải thuật lập lịch nhóm có thể chia thành hai nhóm: Lập lịch nhóm trên đơn
kênh trong trường hợp không sử dụng bộ chuyển đổi và lập lịch nhóm trên đa
kênh khi được trang bị các bộ chuyển đổi bước sóng đầy đủ.
Tuy nhiên các giải thuật lập lịch nêu trên vẫn bộc lộ những tồn tại sau:
• Giải thuật lập lịch kết hợp: chưa sử dụng giải thuật lập lịch trực tiếp
tối ưu nhất ở giai đoạn 1 để lập lịch cho chùm đến. Việc lập lịch lại của
các giải thuật ở giai đoạn 2 chỉ xem xét đối với chùm sau cùng nhất trên
các kênh ra. Đoạn chồng lấp khi sử dụng kỹ thuật phân đoạn chùm ở giai
đoạn 3 bị loại bỏ.
• Giải thuật lập lịch nhóm trên đơn kênh: Độ phức tạp tính toán của
các giải thuật cao; chưa tận dụng các khoảng trống băng thông được tạo
3
ra giữa các chùm đã được lập lịch để lập lịch cho các chùm đến và khe thời
gian chờ lập lịch được thiết lập với một giá trị cố định mà chưa quan tâm
lưu lượng các chùm đến.
• Giải thuật lập lịch nhóm trên đa kênh: Các giải thuật theo hướng
tiếp cận heuristic chưa đưa ra tiêu chí chọn tối ưu lập lịch cho các chùm
đến mà chỉ dựa vào thứ tự sắp xếp. Các giải thuật lập lịch tối ưu làm tăng
số lượng gói điều khiển, yêu cầu hệ thống phải có sự thay đổi về mặt giao
thức. Hơn nữa việc gỡ hết các chùm đã được lập lịch trên các kênh để đưa
về bài toán lập lịch trên máy đồng nhất là không thực tế trên mạng thật.
Những tồn tại nêu trên chính là động lực để Luận án tập trung nghiên cứu,
cải tiến và đề xuất mới các giải thuật lập lịch nhằm tối thiểu mất mất dữ liệu,
tối đa băng thông sử dụng, giảm thời gian chờ lập lịch, giảm độ phức tạp tính
toán và nâng cao hiệu quả hoạt động mạng OBS.
3. Mục tiêu nghiên cứu của luận án
Mục tiêu của Luận án là nghiên cứu, cải tiến và đề xuất một số giải thuật
lập lịch nhằm nâng cao hiệu năng của mạng chuyển mạch chùm quang bao gồm:
tối thiểu mất mát dữ liệu, tối đa hiệu suất băng thông, giảm độ trễ và giảm độ
phức tạp tính toán. Mục tiêu cụ thể của Luận án là:
• Nghiên cứu, cải tiến giải thuật lập lịch trực tiếp kết hợp với lập lịch lại và
phân đoạn chùm.
• Nghiên cứu, cải tiến và đề xuất mới giải thuật lập lịch nhóm trên đơn kênh.
• Nghiên cứu, cải tiến và đề xuất mới giải thuật lập lịch nhóm trên đa kênh.
Trên cơ sở mục tiêu nghiên cứu, Luận án được triển khai theo ba vấn đề nghiên
cứu chính:
• Vấn đề 1 : Cải tiến giải thuật kết hợp lập lịch trực tiếp với lập lịch lại và
phân đoạn chùm.
• Vấn đề 2 : Cải tiến và đề xuất mới giải thuật lập lịch nhóm trên đơn kênh.
• Vấn đề 3 : Cải tiến và đề xuất mới giải thuật lập lịch nhóm trên đa kênh.
4
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• Đối tượng nghiên cứu: Các mô hình, giải thuật lập lịch và các phương pháp
xử lý tắc nghẽn trong mạng OBS.
• Phạm vi nghiên cứu: Nút lõi mạng OBS.
5. Phương pháp nghiên cứu
• Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tổng hợp các công bố liên quan đến các
mô hình, giải thuật lập lịch trong mạng OBS. Phân tích, đánh giá ưu và
khuyết điểm của các công trình đã công bố để làm cơ sở cho việc cải tiến
hoặc đề xuất mới. Đề xuất các giải thuật lập lịch trực tiếp kết hợp, lập lịch
nhóm trên đơn kênh và đa kênh ra nhằm nâng cao hiệu năng mạng, bao
gồm: giảm xác suất mất dữ liệu, tăng mức độ sử dụng băng thông, giảm
độ trễ đầu cuối và giảm độ phức tạp tính toán. Chứng minh tính đúng đắn
và tính toán độ phức tạp của các giải thuật được cải tiến và đề xuất mới.
• Phương pháp mô phỏng, thực nghiệm: Cài đặt các giải thuật cải tiến và đề
xuất mới nhằm chứng minh hiệu quả của các giải thuật này. Hệ mô phỏng
NS2, gói mô phỏng obs-0.9a được sử dụng để tạo dữ liệu mô phỏng và các
giải thuật lập lịch được cài đặt bằng ngôn ngữ C++.
6. Nội dung và bố cục của luận án
Nội dung của Luận án bao gồm mở đầu, bốn chương nội dung, phần kết
luận, danh mục các công trình liên quan đến Luận án và danh mục tài liệu tham
khảo. Bốn chương nội dung cụ thể như sau:
• Chương 1: "Tổng quan về lập lịch 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 tổng quan về các hướng tiếp cận lập lịch trong mạng chuyển mạch
chùm quang.
• Chương 2: "Một cải tiến giải thuật lập lịch trực tiếp kết hợp với lập lịch
lại và phân đoạn chùm" trình bày tổng hợp các nghiên cứu trước đây về
5
mô hình kết hợp giữa lập lịch trực tiếp, lập lịch lại và phân đoạn chùm.
Trên cơ sở các phân tích, so sánh và đánh giá, Luận án đề xuất một cải
tiến lập lịch trực tiếp kết hợp với lập lịch lại và phân đoạn chùm nhằm
giảm xác suất mất gói tin, giảm số chùm phải lập lịch lại và giảm số chùm
bị phân đoạn.
• Chương 3: "Một số cải tiến giải thuật lập lịch nhóm trên đơn kênh" trình
bày tổng hợp các nghiên cứu liên quan đến lập lịch nhóm trong trường hợp
không sử dụng chuyển đổi bước sóng. Trên cơ sở các phân tích, so sánh và
đánh giá, Luận án xây dựng mô hình lập lịch nhóm, đề xuất một số giải
thuật cải tiến về lập lịch nhóm trên đơn kênh nhằm nâng cao hiệu suất lập
lịch bao gồm: giảm xác suất mất mát dữ liệu, giảm độ phức tạp giải thuật
và tăng tính thích nghi mô hình lập lịch chuyển biến theo lưu lượng chùm
đến.
• Chương 4: "Một số cải tiến giải thuật lập lịch nhóm trên đa kênh" trình
bày tổng hợp, phân tích, so sánh và đánh giá các nghiên cứu liên quan đến
lập lịch nhóm có sử dụng bộ chuyển đổi bước sóng đầy đủ. Từ đó Luận
án đề xuất một số giải thuật lập lịch nhóm trên đa kênh theo hai hướng
tiếp cận: tối ưu kết quả lập lịch và heuristic nhằm nâng cao hiệu suất lập
lịch bao gồm: giảm xác suất mất mát dữ liệu, giảm độ phức tạp giải thuật,
giảm độ phức tạp hệ thống và thực tế có thể triển khai trên mạng OBS.
7. Đóng góp của Luận án
Các đóng góp chính của Luận án bao gồm:
• Đề xuất giải thuật lập lịch trực kết hợp lập lịch lại và phân đoạn chùm
iCSA[CT2].
• Đề xuất giải thuật lập lịch nhóm trên đơn kênh LGS[CT8] và các cải tiến
LGS-VF[CT4], LAGS[CT5], LAGS-VF[CT7].
• Đề xuất giải thuật lập lịch nhóm trên đa kênh OPT-GS theo hướng tiếp
cận tối ưu và LGS-MC[CT6], LGS-MC-VF[CT3], MWC-GS[CT1], MWCVF-GS[CT1] theo hướng tiếp cận heuristic.
6
Chương 1.
TỔNG QUAN VỀ LẬP LỊCH
TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG
1.1. Tóm lược lịch sử phát triển của truyền thông quang
Trong hơn hai thập kỷ qua, mạng truyền thông đã có một sự tăng trưởng
mạnh mẽ. Việc mở rộng nhanh chóng phạm vi bao phủ, cùng với sự bùng nổ
các loại hình dịch vụ yêu cầu nhiều băng thông cao như truyền hình Internet
(IPTV ), video theo yêu cầu (VoD), điện thoại Internet (VoIP ). . . đã làm tăng
áp lực nhu cầu băng thông mạng; trong khi khả năng truyền tải của sợi cáp
đồng đã đạt đến ngưỡng tới hạn. Điều này đòi hỏi phải phát triển những công
nghệ truyền dẫn mới có khả năng đáp ứng những nhu cầu ngày càng cao không
chỉ cho hiện tại mà cho cả tương lai.
Mạng sợi quang [27], [8], [31] đã được công nhận như một giải pháp tốt nhất
có thể đáp ứng những yêu cầu của các dịch vụ băng thông cao nhờ vào những
đặc tính có lợi của sợi quang, như độ suy giảm thấp, tiềm năng băng thông rất
lớn và khả năng miễn nhiễm đối với nhiễu điện từ. Theo lý thuyết mỗi sợi dẫn
quang (hay sợi quang) có thể hỗ trợ băng thông lên đến 50Tb/s [31]. Ngoài ra
sợi quang có chi phí sản xuất và độ lỗi bit khá thấp (khoảng 10−2 dB ).
Quá trình phát triển của mạng sợi quang có thể chia thành 3 giai đoạn chính.
Thế hệ đầu tiên của mạng sợi quang bao gồm các liên kết WDM điểm-nối-điểm
(point-to-point WDM links), mà tại đó tín hiệu quang đến tại một nút được
chuyển đổi từ quang sang điện (Optical-to-Electrical ), được xử lý trong miền
điện và được chuyển đổi ngược lại từ điện sang quang (Electrical-to-Optical )
trước khi truyền đến nút khác. Việc tách (dropping) và thêm (adding) lưu lượng
tại các nút trong mạng do đó phải chịu thêm độ phức tạp và chi phí xử lý điện
tử, đặc biệt phần lớn các lưu lượng chỉ chuyển tiếp qua các nút này. Để giảm
thiểu chi phí, các thiết bị toàn quang (all-optical ) có thể được sử dụng.
7
Kiến trúc mạng quang thế hệ thứ hai dựa trên các bộ thêm/tách bước sóng
(Wavelength Add-Drop Multiplexers) [37], [12], [31], trong đó lưu lượng có thể
được thêm và tách tại các bộ WADM. Các bộ WADM cho phép lựa chọn kênh
bước sóng kết thúc tại nút này trên một sợi quang, trong khi để các bước sóng
khác chuyển tiếp qua mà không chịu một xử lý nào. Nhìn chung, lượng lưu chuyển
tiếp qua các nút trong mạng phổ biến hơn so với lượng lưu được thêm/tách tại
một nút cụ thể. Do đó, bằng cách sử dụng các bộ WADM, tổng chi phí của
mạng có thể được giảm. Các bộ WADM chủ yếu được sử dụng để xây dựng các
mạng WDM hình vòng (ring), loại mạng dự kiến sẽ được triển khai tại các khu
vực đô thị.
Việc xây dựng một mạng hình lưới (mesh) bao gồm các sợi quang hỗ trợ đa
bước sóng và các thiết bị kết nối sợi quang thích hợp là cần thiết. Kiến trúc
mạng quang thế hệ thứ ba dựa trên các thiết bị kết nối toàn quang. Các thiết
bị này có thể chia thành 3 nhóm: các bộ chia hình sao thụ động (passive star
couplers), các bộ định tuyến thụ động (passive routers) và các bộ chuyển mạch
chủ động (active switches). Các bộ chia hình sao là một thiết bị phát sóng. Một
tín hiệu đến trên một bước sóng nào đó tại một cổng vào của bộ chia sẽ được
chia đều về mặt năng lượng (power ) đến tất cả các cổng ra. Một bộ định tuyến
thụ động có thể định tuyến một cách riêng biệt mỗi bước sóng đến trên một
sợi quang vào đến một sợi quang ra trên cùng bước sóng. Bộ định tuyến thụ
động là một thiết bị tĩnh, do đó cấu hình tuyến cố định. Một chuyển mạch chủ
động cũng định tuyến các bước sóng từ sợi quang vào đến sợi quang ra và có
thể hỗ trợ nhiều kết nối đồng thời. Không giống như bộ định tuyến thụ động,
bộ chuyển mạch chủ động có thể được cấu hình lại để thay đổi mô hình kết nối
của các bước sóng vào và ra. Trong các mạng quang thế hệ thứ ba, dữ liệu được
phép chuyển tiếp qua các nút trung gian mà không trải qua bất kỳ một chuyển
đổi quang-điện-quang (Optical-Electrical-Optical ) nào, do đó làm giảm chi phí
liên quan đến việc cung cấp các chuyển mạch và định tuyến điện tử tốc độ cao
tại mỗi nút.
Các hệ thống mạng toàn quang đang nổi lên, dự kiến sẽ cung cấp các kết nối
chuyển mạch kênh quang (Optical Circuit Switching) hoặc đường quang(lightpaths)
giữa các bộ định tuyến biên qua một mạng lõi quang [37], [3]. Bởi vì các kết
8
- Xem thêm -