Tiến Sĩ Phân tích và đánh giá hiệu năng một số cơ chế điều khiển tránh tắc nghẽn tại nút lõi trong mạng chuy

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
NĂM 2013

MỤC LỤC
MỤC LỤC i
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ . iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT . v
DANH MỤC HÌNH VẼ viii
DANH MỤC BẢNG . xi
MỞ ĐẦU . 1


Chương 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 5
1.1. Mạng truyền dẫn quang và các công nghệ chuyển mạch quang 5
1.1.1. Chuyển mạch kênh quang 6
1.1.2. Chuyển mạch gói quang . 6
1.1.3. Chuyển mạch chùm quang . 7
1.2. Mạng chuyển mạch chùm quang 7
1.2.1. Đặc trưng chung của mạng chuyển mạch chùm quang 7
1.2.2. Kiến trúc mạng chuyển mạch chùm quang 8
1.2.3. Cơ chế hoạt động trong mạng chuyển mạch chùm quang 11
1.2.3.1. Tập hợp chùm . 11
1.2.3.2. Định tuyến chùm 13
1.2.3.3. Báo hiệu chùm 14
1.2.3.4. Lập lịch chùm . 15
1.2.3.5. Xử lý tranh chấp chùm . 16
1.3. Đánh giá hiệu năng trong mạng chuyển mạch chùm quang . 21
1.3.1. Đặt vấn đề 21
1.3.2. Các nghiên cứu liên quan đến Luận án 22
1.3.3. Vấn đề nghiên cứu trong Luận án 24
1.4. Kết luận chương . 25


Chương 2 ĐIỀU KHIỂN TRÁNH TẮC NGHẼN BẰNG ĐỊNH TUYẾN LỆCH HƯỚNG KẾT HỢP VỚI ĐƯỜNG TRỄ QUANG FDL . 26
2.1. Định tuyến lệch hướng dựa trên giao thức báo hiệu JET . 26
2.2. Kiến trúc nút lõi OBS và nguyên tắc chuyển mạch . 27
2.3. Mô hình phân tích cơ bản và các giả thiết 29
2.3.1 Các giả thiết 29
2.3.2 Mô hình phân tích cơ bản . 30
2.4. Mô hình định tuyến lệch hướng không có ưu tiên (mô hình DRNP) . 31
2.5. Mô hình định tuyến lệch hướng có ưu tiên (mô hình DRWP) . 33
2.5.1. Lược đồ chuyển trạng thái và hệ phương trình trạng thái cân bằng . 33
2.5.2. Tính toán xác suất tắc nghẽn 35
2.5.3. Một số kết quả phân tích 38
2.6. Mô hình định tuyến lệch hướng có ưu tiên với đường trễ quang FDL (mô hình DRPF) . 41
2.6.1. Lược đồ chuyển trạng thái và hệ phương trình trạng thái cân bằng . 41
2.6.2. Tính toán xác suất tắc nghẽn 45
2.6.3. Một số kết quả phân tích 46
2.7. Mô hình định tuyến lệch hướng 3 giai đoạn (mô hình DRND) . 49
2.7.1. Mô hình phân tích 49
2.7.2. Một số kết quả phân tích 54
2.8. Kết luận chương . 56


Chương 3 ĐIỀU KHIỂN TRÁNH TẮC NGHẼN BẰNG CHUYỂN ĐỔI BƯỚC SÓNG CÓ/KHÔNG CÓ SỰ LỆCH HƯỚNG 57
3.1. Mô hình và giả thiết chung . 57
3.2. Điều khiển tắc nghẽn dựa trên chuyển đổi bước sóng không xét sự lệch hướng . 58
3.2.1. Mô hình với kiến trúc nút lõi SPIL giới hạn chuyển đổi bước sóng 59
3.2.2. Mô hình với kiến trúc nút lõi SPL giới hạn bộ chuyển đổi bước sóng 72
3.3. Điều khiển tắc nghẽn kiến trúc nút lõi SPL giới hạn chuyển đổi bước sóng có hỗ trợ khả năng lệch hướng (mô hình SPLDF) . 78
3.3.1. Kiến trúc nút lõi và một số giả thiết bổ sung . 78
3.3.2. Mô hình phân tích với giới hạn bộ chuyển đổi bước sóng . 79
3.3.3. Mở rộng mô hình phân tích với giới hạn vùng chuyển đổi bước sóng 83
3.3.4. Thuật toán tính ma trận tốc độ chuyển trạng thái Q . 83
3.3.5. Một số kết quả phân tích 87
3.4. Kết luận chương . 90

Chương 4 CÁC MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN TRÁNH TẮC NGHẼN VỚI LƯU LƯỢNG ĐẾN LÀ TỔNG QUÁT (GI) HAY NON-POISSON 91
4.1. Đặt vấn đề 91
4.2. Mô hình phân tích xác suất tắc nghẽn lưu lượng lệch hướng trên một cổng ra tại nút lõi OBS với lưu lượng non-Poisson . 91
4.2.1. Một số giả thiết . 92
4.2.2. Tính xác suất tắc nghẽn với lưu lượng non-Poisson bằng phương pháp xấp xỉ ERT 93
4.2.3. Tính xác suất tắc nghẽn với lưu lượng lệch hướng là tổng quát GI bằng mô hình GI/M/ω/ω . 95
4.2.4. Trường hợp đặc biệt với quá trình đến là quá trình Poisson ngắt 96
4.2.5. Phân tích kết quả 99
4.3. Mô hình phân tích nút lõi OBS với các quá trình đến Renewal và Poisson . 103
4.3.1. Một số giả thiết mở rộng 103
4.3.2. Mô hình phân tích 104
4.3.3. Độ trễ trung bình trong các đường trễ quang FDL . 105
4.3.4. Xác suất tắc nghẽn tại nút lõi OBS với các quá trình đến Renewal và Poisson . 108
4.3.5. Phân tích kết quả 112
4.4. Kết luận chương . 115
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN . 116
Danh mục các công trình của tác giả . 118
Tài liệu tham khảo 120

MỞ ĐẦU MỞ ĐẦU MỞ ĐẦU
1. Dẫn nhập
Tốc độ phát triển nhanh của Internet những năm gần đây cộng với sự bùng nổ của các loại hình dịch vụ thông tin, làm gia tăng không ngừng nhu cầu về băng thông mạng. Ðiều này đòi hỏi phải xây dựng và phát triển những công nghệ truyền thông có dung lượng băng thông cao. Kỹ thuật truyền dẫn quang được xem là một công nghệ hứa hẹn bởi tốc độ truyền dữ liệu nhanh, khả năng băng thông tiềm năng lớn và mức độ lỗi tín hiệu nhỏ. Với một số thành tựu đạt được hiện nay của kỹ thuật ghép kênh bước sóng WDM, mạng truyền dẫn quang đã trở thành là một giải pháp hoàn hảo đáp ứng với xu hướng bùng nổ nhu cầu băng thông trên Internet hiện nay.
Lịch sử phát triển của mạng truyền dẫn quang đã trải qua các giai đoạn, từ mạng chuyển mạch kênh quang OCS, chuyển mạch chùm quang OBS và chuyển mạch gói quang OPS. Thực tế, mô hình chuyển mạch gói quang OPS là mục tiêu hướng đến của các nhà phát triển mạng quang, tuy nhiên nó chưa thể trở thành hiện thực bởi hạn chế của công nghệ quang hiện nay là không thể sản xuất được các bộ đệm quang (tương tự như bộ nhớ RAM điện tử) cần sử dụng trong mô hình mạng chuyển mạch gói OPS. Một thỏa hiệp hiện nay là mô hình mạng chuyển mạch chùm OBS, bởi nó dung hòa được các ưu điểm của mô hình chuyển mạch kênh OCS và mô hình chuyển mạch gói OPS. Hơn nữa mạng OBS không yêu cầu các bộ đệm quang và do đó trong suốt với tầng điều khiển.
Có thể nói các nhóm tác giả Harry Perros (và các đồng sự) và C. Qiao (và các đồng sự) là hai trong những người đầu tiên đề xuất mô hình mạng chuyển mạch chùm quang OBS với bài báo lần lượt trong [63] và [73], được xem là cơ sở cho các nghiên cứu sau này. Xuất phát từ các ý tưởng trong các bài báo này, rất nhiều vấn đề đã được đặt ra và nghiên cứu trong mạng OBS, như các bài toán về tập hợp chùm [20][36][48][59][60][77], các bài toán về lập lịch [29][37][41-43][53][70], các bài toán về báo hiệu [18][34][57], các bài toán về giải quyết tranh chấp (tắc nghẽn) [13][16][19][28][30][31][38][46][56][58][69][71-72], hay các bài toán về QoS [16][17][54] Trên thế giới, nhiều luận án tiến sĩ về mạng chuyển mạch chùm quang OBS cũng đã được hoàn thành [14] [25][35][47][55][62][68], trong đó có các luận án liên quan đến vấn đề giải quyết tắc nghẽn trong mạng OBS, như luận án của tác giả Hailong Li trong [39] nghiên cứu một số phương pháp chuyển đổi bước sóng, luận án của tác giả J.Lambert trong [33] nghiên cứu một số phương pháp sử dụng đường trễ quang FDL, luận án của tác giả Daniele Tafani năm 2012 [25] nghiên cứu phương pháp FDL và chuyển đổi bước sóng sử dụng lý thuyết tràn, hay một số nghiên cứu kênh tràn của tác giả Pratibha Menon trong [55]
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 truyền tải nhanh nhất mà không xảy ra tình trạng tắc nghẽn. Vì vậy, tắc nghẽn chùm được xem là một vấn đề thách thức trong mạng chuyển mạch chùm quang. Sự tắc nghẽn chùm trong mạng OBS có thể xảy ra khi hai hay nhiều chùm từ các cổng vào khác nhau cố gắng đi ra trên cùng một cổng ra tại cùng một thời điểm. Nếu với mạng IP, một vùng đệm điện tử RAM sẽ được sử dụng để lưu tạm thời các gói tin IP có độ ưu tiên thấp hơn và sau đó được truyền đi khi cổng ra tương ứng 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 đường trễ quang FDL để làm trễ chùm quang có độ ưu tiên thấp hơn [21-25][33][65][71][76]; hoặc thực hiện chuyển đổi bước sóng đối với một trong hai chùm quang tranh chấp này [13][28][38][39][46][49][51][56][58]; hoặc định tuyến chùm quang có độ ưu tiên thấp hơn đến một cổng ra rỗi khác và sau đó truyền đi theo một đường truyền khác để đến đích (gọi là định tuyến lệch hướng) [15][19][28][61]; hoặc phân đoạn chùm [54][69]. Nhiều hướng tiếp cận riêng l cũng như kết hợp các giải pháp này cũng đã được nghiên cứu và đề xuất [15][19][28][29][58][72][74]. Trong Luận án này, chúng tôi tập trung nghiên cứu, xây dựng các mô hình toán học nhằm mô hình hóa các cơ chế điều khiển tránh tắc nghẽn tại nút lõi mạng OBS với các kiến trúc nút lõi khác nhau; trên cơ sở đó đánh giá hiệu năng nút lõi mạng thông qua các độ đo hiệu năng phù hợp, như xác suất tắc nghẽn (hay xác suất mất chùm), độ trễ chùm
Các mô hình phân tích trong Luận án tập trung thực hiện tại nút lõi OBS với một hoặc nhiều cổng ra với nhiều kiến trúc khác nhau theo các tài nguyên nút mạng như bộ chuyển đổi bước sóng WC hay các đường trễ quang FDL. Luận án tập trung vào nghiên cứu ba vấn đề chính, ứng với ba bài toán mà chúng tôi đã đặt ra từ ban đầu:


Bài toán 1. Đề xuất, cải tiến mô hình toán học phân tích ảnh hưởng của định tuyến lệch hướng kết hợp với đường trễ quang FDL.
Bài toán 2. Đề xuất, cải tiến mô hình kết hợp định tuyến lệch hướng với các khả năng chuyển đổi bước sóng, có tính đến các tham số ràng buộc, như khả năng chuyển đổi bước sóng hoàn toàn (full), chuyển đổi bước sóng từng phần (partial), hay giới hạn vùng chuyển đổi bước sóng (limited).
Bài toán 3. Mở rộng một mô hình trong bài toán 1 với trường hợp lưu lượng đến là không Poisson (lưu lượng tổng quát hay quá trình đến Renewal).

2. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu của Luận án là nghiên cứu xây dựng các mô hình toán học (dựa trên lý thuyết hàng đợi – mô hình Markov và non-Markov) nhằm mô hình hoá một số cơ chế điều khiển tránh tắc nghẽn tại nút lõi mạng chuyển mạch chùm quang. Từ đó, phân tích, đánh giá, so sánh hiệu quả hoạt động của các cơ chế điều khiển tránh tắc nghẽn đề xuất dựa trên xác suất mất chùm (xác suất tắc nghẽn) tại mỗi nút lõi OBS, với các cơ chế đã được đề xuất trước đây.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của Luận án là mô hình nút lõi OBS với các kiến trúc khác nhau với các phân bố khác nhau của các bộ chuyển đổi bước sóng và các đường trễ quang FDL.
Phạm vi nghiên cứu của Luận án tập trung vào các bài toán điều khiển tránh tắc nghẽn tại nút lõi OBS dựa trên các phương pháp truyền thống là chuyển đổi bước sóng, sử dụng đường trễ quang FDL và định tuyến lệch hướng. Ngoài ra, Luận án cũng nghiên cứu áp dụng phương pháp xây dựng ma trận tốc độ chuyển trạng thái ứng với các mô hình đề xuất.