Đồ Án Nghiên cứu về Chuyển mạch chùm quang OBS, các giải thuật xếp lịch trong OBS và mô phỏng

MỞ ĐẦU
Trong giai đoạn hiện nay kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM là một giải pháp được lựa chọn để cung cấp một cơ sở hạ tầng mạng nhanh hơn nhằm đáp ứng sự phát triển bùng nổ của Internet. Tuy nhiên, với sự phát triển nhanh chóng của lưu lượng dữ liệu trên mạng, tốc độ xử lý điện tử có thể không còn phù hợp trong tương lai nữa, đồng thời dữ liệu quang thường bị chậm lại do xử lý điện tử tại các node, do đó việc tìm kiếm một phương pháp chuyển tải các gói IP trực tiếp trên lớp quang mà không cần qua chuyển đổi O/E/O cho mạng thông tin thế hệ sau (NGN) là một tất yếu. Nhằm để xây dựng một mạng toàn quang tại đó dữ liệu được duy trì trong miền quang ở tất cả các node trung gian, cần phải thiết kế các giao thức mới dành cho các hệ thống chuyển mạch quang. Một trong các vấn đề cần thiết là làm thế nào để hỗ trợ việc cung cấp tài nguyên nhanh chóng, truyền dẫn đồng bộ (của các gói kích thước biến đổi như các gói IP) cũng như hỗ trợ mức độ cao việc chia sẻ tài nguyên theo thống kê để xử lý hiệu quả lưu lượng có tính bùng nổ mà không cần có đệm ở lớp WDM (do chưa có các bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên RAM). Do đó các phương pháp chuyển tải toàn quang cần phải tránh đệm quang càng nhiều càng tốt.
Một vấn đề khác là làm thế nào hỗ trợ chất lượng dịch vụ (QoS) trong mạng Internet quang thế hệ sau. Mạng IP ban đầu cung cấp các các dịch vụ best-effort, tuy nhiên hiện nay các ứng dụng thời gian thực (ví dụ điện thoại và hội nghị truyền hình qua Internet) yêu cầu QoS cao hơn các ứng dụng không phải thời gian thực (như Email hay trình duyệt Web thông thường) và do vậy vấn đề đặt ra đối với lớp WDM là làm thế nào hỗ trợ QoS cho Internet quang. Một số công nghệ khác nhau đang được phát triển, như định tuyến bước sóng (chuyển mạch kênh quang OCS), chuyển mạch gói quang OPS và chuyển mạch chùm quang OBS. Các mạng quang định tuyến bước sóng đã được triển khai và đạt được một số hiệu quả nhất định tuy nhiên các mạng quang định tuyến bước sóng lại lại sử dụng chuyển mạch kênh có thể không phải là công nghệ thích hợp nhất cho các ứng dụng khác nhau sử dụng Internet quang. Kỹ thuật chuyển mạch gói quang là một giải pháp công nghệ khác và có lẽ là tối ưu hơn cho các ứng dụng mới. Tuy nhiên trong điều kiện một số công nghệ hiện đại như bộ đệm quang, logic quang vẫn chưa thực hiện được thì chuyển mạch gói quang vẫn chưa thể áp dụng vào thực tế. Chuyển mạch chùm quang là công nghệ trung gian giữa chuyển mạch kênh quang và chuyển mạch gói quang đáp ứng được yêu cầu vận chuyển một lượng lớn dữ liệu qua mạng với tốc độ cao và cung cấp các tính năng mới trong giai đoạn tới.
Các vấn đề cần nghiên cứu trong OBS là các giao thức dự trữ và giải phóng tài nguyên, phương pháp thiết lập burst, các giải thuật xếp lịch trên các liên kết đầu ra của mạng OBS. Nội dung đồ án này trình bày tổng quan về mạng OBS trong đó đi sâu tìm hiểu và mô phỏng các giải thuật xếp lịch và quá trình thiết lập burst, mục đích để tìm ra được thuật toán tối ưu nhất cho lượng dữ liệu truyền qua mạng cao nhất và kích thuớc burst cho xác suất mất burst nhỏ nhất để nâng cao chất lượng của mạng OBS.
Nội dung đồ án gồm 5 chương:
 Chương 1: Tổng quan về chuyển mạch chùm quang.
 Chương 2: Kiến trúc mạng chuyển mạch chùm quang
 Chương 3: Báo hiệu và giải quyết xung đột trong mạng OBS
 Chương 4: Các giải thuật xếp lịch trong mạng OBS
 Chương 5:Mô phỏng và kết quả
Phương pháp nghiên cứu của đồ án là mô phỏng các giải thuật xếp lịch trên các liên kết đầu ra của mạng OBS, so sánh kết quả của các giải thuật để từ đó tìm ra giải thuật tối ưu. Ngoài ra đồ án còn nêu lên kết quả mô phỏng quá trình thiết lập burst với 2 trường hợp một mức ngưỡng không có mức ưu tiên, một mức ngưỡng và có một mức ưu tiên để từ đó tìm ra kích thước burst tối ưu cho xác suất mất burst nhỏ nhất.
Trong quá trình làm đồ án mặc đã cố gắng nhiều nhưng không thể trách khói những sai sót, mong các thầy cô thông cảm và hướng dẫn cho em. Để hoàn thành đồ án này em đã được sự hướng dẫn tận tình của thầy Nguyễn Duy Nhật Viễn, em xin gởi lời cảm ơn chân thành đến thầy. Em xin cảm ơn các thầy cô trong khoa điện tử viễn thông đã truyền đạt cho em kiến thức trong năm năm qua, gia đình, bạn bè em đã hỗ trợ em trong suốt quá trình làm đồ án.
Cuối cùng em xin tỏ lòng biết ơn bố mẹ đã luôn động viên, giúp đỡ và tạo điều kiện tốt để em có thể học hành đến ngày hôm nay.


MỤC LỤC
CÁC CHỮ VIẾT TẮT 4
MỞ ĐẦU 6
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG 9
1.1. Giới thiệu chương 9
1.2. Các thế hệ mạng quang 9
1.3. Các công nghệ chuyển mạch quang 10
1.3.1. Chuyển mạch kênh quang OCS 11
1.3.2. Chuyển mạch gói quang OPS 11
1.3.3. Chuyển mạch chùm quang OBS 12
1.4. Nguyên tắc thiết lập burst 13
1.5. Thời gian offset 17
1.5.1. Offset cố định 18
1.5.2. Offset khi không có dự trữ 19
1.6. Kết luận chương 19
Chương 2 KIẾN TRÚC MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG OBS 20
2.1 Giới thiệu chương 20
2.2 Kiến trúc mạng OBS 20
2.2.1. Kiến trúc OBS dạng mắt lưới 21
2.2.2. Kiến trúc OBS dạng vòng node 22
2.2.3. Cấu trúc và chức năng của node biên 24
2.2.4. Cấu trúc và chức năng của node lõi 27
2.3 Kết luận chương 29
Chương 3 BÁO HIỆU VÀ GIẢI QUYẾT XUNG ĐỘT TRONG MẠNG OBS 30
3.1. Giới thiệu chương 30
3.2. Báo hiệu trong mạng OBS 30
3.2.1. Phân loại các giao thức báo hiệu 31
3.2.1.1. Báo hiệu một chiều, hai chiều hay kết hợp 32
3.2.12. Phương thức dự trữ được khởi tạo ở node nguồn, node đích và ở node trung gian 32
3.2.1.3. Phương thức bền (Persistent) hay không bền (Non-Persistent) 33
3.2.1.4 Dự trữ tức thời (Intermediate Reservation) hay dự trữ có trì hoãn (Delayed Reservation) 34
3.2.1.5. Giải tỏa tường minh (Explicit Release) hay không tường minh (Implicit Release) 34
3.2.1.6. Báo hiệu tập trung hay phân bố 35
3.2.2. Giao thức báo hiệu JET (Just Enough Time) 36
3.2.3. Giao thức báo hiệu TAW (Tell And Wait) 38
3.2.4. Báo hiệu được khởi tạo tại node trung gian INI (Intermediate Node Initiated) 40
3.2.5. Ví dụ minh họa 42
3.3 Các phương pháp giải quyết xung đột trong mạng OBS 43
3.3.1. Các đường dây trễ quang FDL 44
3.3.2. Bộ chuyển đổi bước sóng 45
3.3.3. Định tuyến chuyển hướng 46
3.3.4. Phân đoạn burst 47
3.4. Kết luận chương 48
Chương 4 CÁC GIẢI THUẬT XẾP LỊCH TRONG MẠNG OBS 49
4.1. Giới thiệu chương 49
4.2. Các thông số sử dụng trong các thuật toán sắp xếp 49
4.3. Các giải thuật xếp lịch cơ bản 50
4.3.1. Không sử dụng void filling 50
4.3.1.1. Giải thuật FFUC 50
4.3.1.2. Giải thuật LAUC 51
4.3.2. Có sử dụng void filling 52
4.3.2.1. Giải thuật FFUC_VF 53
4.3.2.2. Giải thuật LAUC_VF 55
4.3.3. Vấn đề sử dụng FDL trong các giải thuật xếp lịch 55
4.3.3.1. Thuật toán không sử dụng FDL 56
4.3.3.2. Thuật toán có sử dụng FDL 59
4.5 Kết luận chương 60
Chương 5 MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 61
5.1. Giới thiệu chương 61
5.2. Giới thiệu phần mềm NS2 61
5.3. Mô phỏng các giải thuật xếp lịch trong mạng OBS 63
5.3.1. Giải thuật FFUC 64
5.3.2. Giải thuật LAUC 65
5.3.3. Giải thuật LAUC_VF 65
5.3.4. So sánh các giải thuật 66
5.3.5. So sánh các thuật toán LAUC có và không sử dụng FDL 67
5.3.5.1. Thuật toán LAUC không sử dụng FDL 67
5.3.5.2. Thuật toán LAUC có sử dụng FDL 68
5.4. Mô phỏng ảnh hưởng quá trình thiết lập burst 68
5.4.1. Ảnh hưởng của thiết lập burst đến độ trễ trong mạng 68
5.4.2. Bài toán mô phỏng quá trình thiết lập burst 69
5.4.3. Lưu đồ thuật toán 71
5.4.4. Trường hợp một mức ngưỡng có 2 mức ưu tiên 72
5.5 Kết luận chương 72
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 74
TÀI LIỆU THAM KHẢO 75
PHỤC LỤC 76