Đồ Án QoS trong mạng chuyển mạch burst quang

ĐỒ ÁN CHI TIẾT DỄ HIỂU

MỤC LỤC​​

DANH MỤC HÌNH VẼ III
DANH MỤC BẢNG BIỂU V
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT VI
LỜI NÓI ĐẦU IX
CHƯƠNG 1 : KỸ THUẬT CHUYỂN MẠCH QUANG 1
1.1. Các kỹ thuật chuyển mạch quang 1
1.1.1 Định tuyến bước sóng quang (WR) 1
1.1.1.1 Mạng định tuyến bước sóng quang 1
1.1.1.2 Các mạng chuyển mạch kênh quang 2
1.1.2 Chuyển mạch gói quang (OPS) 3
1.1.2.1 Giới thiệu OPS 3
1.1.2.2 Nguyên lý chuyển mạch OPS: 4
1.1.3 Chuyển mạch burst quang (OBS) 6
1.1.3.1 Giới thiệu OBS 6
1.1.3.2 Ưu điểm của OBS so với WR và OPS 7
1.2. Kiến trúc và các kỹ thuật chuyển mạch burst quang (OBS): 9
1.2.1 Kiến trúc OBS 9
1.2.2 Các kỹ thuật OBS 12
1.2.2.1 Các sơ đồ tập hợp burst 12
1.2.2.2 Các sơ đồ giành trước bước sóng 14
1.2.2.3 Giao thức báo hiệu JET 16
1.2.2.4 Các thuật toán lập lịch burst 18
1.2.2.5 Các giải pháp khắc phục tranh chấp burst: 20
1.3. Kết luận chương 21
CHƯƠNG 2 : CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ ( QoS ) 23
2.1 Định nghĩa QoS 23
2.2 IntServ 26
2.2.1 Kiến trúc IntServ 26
2.2.2 Nguyên lí điều khiển luồng của IntServ 28
2.2.3 Nhược điểm của IntServ 30
2.3 DiffServ 30
2.3 1 Các thành phần của kiến trúc DiffServ 31
2.3.1.1 DSCP 31
2.3.1.2 PHB 31
2.3.1.3 Miền DiffServ 31
2.3.1.4 Nút biên DiffServ 32
2.3.1.5 Nút lõi DiffServ 33
2.3.2 Quá trình thực hiện DiffServ 33
2.3.3 Các vấn đề trong việc khiển khai DiffServ 36
2.4 Kết luận chương 38
CHƯƠNG 3 : TRUYỀN TẢI IP QUA MẠNG WDM 40
3.1 Tích hợp IP và các mạng quang 40
3.1.1 Mô hình mạng quang 40
3.1.2 Các vấn đề truyền tải IP qua WDM 41
3.1.3 Mặt phẳng dữ liệu và mặt phẳng điều khiển 42
3.1.4 Các mô hình kiến trúc và định tuyến 44
3.1.5 So sánh giữa hai mô hình xếp chồng và mô hình ngang hàng 47
3.2 Các kiến trúc lớp cho các mạng truyền tải IP qua WDM 48
3.3 Kỹ thuật MPLS 51
3.3.1 Giới thiệu kỹ thuật MPLS 51
3.3.2 Các kỹ thuật MPLS 53
3.3.2.1 Các mạng định tuyến bước sóng IP/MPLS 54
3.3.2.2 Chuyển mạch quang OBS và MPLS 55
3.3.2.2.1 OBS sử dụng MPLS 56
3.3.2.2.2 Lớp MAC 58
3.4 Kết luận chương 61
CHƯƠNG 4 : HIỆU NĂNG QoS TRONG MẠNG OBS 62
4.1 Giao thức báo hiệu hỗ trợ QoS 62
4.2 Thuật toán lập lịch hỗ trợ QoS trong các mạng OBS 64
4.3 Ảnh hưởng của các FDL đến hiệu năng QoS của các mạng OBS 68
4.3.1 Nút chuyển mạch quang và bộ đệm FDL 68
4.3.2 Sơ đồ QoS dựa trên thời gian cân bằng với FDL 70
4.3.2.1 Giới thiệu 70
4.3.2.3 Tính toán thời gian cân bằng cần thiết 73
4.3.3 Trễ hàng đợi và xác suất mất burst 74
4.3.3.1 Thời gian cân bằng và trễ đầu cuối - đầu cuối 74
4.3.3.2 Xác suất mất burst trong OBS 75
4.3.4 FDL và hàng đợi trong mô hình (M/M/k/D) 78
4.4 Kết luận chương 79
CHƯƠNG 5 : KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC FDL ĐẾN QoS CỦA CÁC MẠNG OBS 80
5.1 Khảo sát các biên trên và biên dưới của xác suất mất burst trong mạng OBS 80
5.1.1 Phân tích 80
5.1.2 Kết quả 81
5.2 Mô hình Yoo 87
5.2.1 Ảnh hưởng của thời gian trễ lớn nhất B lên xác suất mất burst 87
5.2.2 Hiệu quả thực tế của sơ đồ dựa trên thời gian cân bằng: 89
5.3 Kết luận chương 91
KẾT LUẬN 92
TÀI LIỆU THAM KHẢO 94

LỜI NÓI ĐẦU
Giới thiệu:
Trong vài năm gần đây đã có sự phát triển bùng nổ về lưu lượng IP. Phạm vi và vùng phủ của mạng Internet đang mở rộng một cách nhanh chóng và do đó yêu cầu cho băng thông cũng cần phải tăng theo tương ứng. Lưu lượng tăng đột biến của những người sử dụng World Wide Web do nhu cầu sử dụng các thông tin và dịch vụ giải trí trực tuyến ngày càng tăng lên mạnh mẽ. Ngoài ra, các loại dịch vụ mạng cũng ngày càng đa dạng và phong phú, các công nghệ đa phương tiện như truyền hình di động (Mobile TV), thoại Internet, nhạc số cũng ngày càng trở nên phổ biến hơn. Tất cả những lý do đó đã làm cho lưu lượng Internet tăng nhanh một cách chóng mặt và yêu cầu cho băng thông mạng trở nên khẩn cấp hơn bao giờ.
Với sự phát triển bùng nổ của Internet và sự triển khai nhanh chóng của công nghệ ghép kênh phân chia theo bước sóng mật độ cao (DWDM) thì sợi quang được xem như là giải pháp truyền tải lý tưởng cho các mạng tốc độ cao trong tuơng lai. Trong hệ thống DWDM, mỗi sợi quang sẽ mang nhiều kênh thông tin, trong đó mỗi kênh hoạt động trên một bước sóng khác nhau. Hệ thống truyền dẫn quang có ưu điểm vượt trội so với các hệ thống truyền dẫn khác là nó có dung lượng rất lớn, có thể cung cấp băng thông lên đến trên 50Tbps trên một sợi quang đơn. Cho đến nay, chúng ta vẫn chưa thể khai thác hết băng thông tiềm ẩn của nó. Ngoài ra, sợi quang có chi phí rất thấp và độ chính xác lại rất cao.
Các mạng điển hình hiện nay bao gồm 4 lớp : lớp IP cho truyền tải các ứng dụng và dịch vụ, lớp ATM cho kỹ thuật lưu lượng, lớp SONET/SDH cho truyền tải và lớp DWDM cho tốc độ. Khi luồng dữ liệu đến một điểm chuyển mạch, thì tín hiệu quang của dữ liệu được chuyển sang dạng tín hiệu điện, sau đó việc xử lý và chuyển tiếp được thực hiện trong miền điện. Việc chuyển đổi này được gọi là chuyển đổi quang/điện (O/E). Khi tín hiệu điện của dữ liệu đi đến cổng ra, nó lại được chuyển thành tín hiệu quang và được điều chế lên sợi quang, gọi là chuyển đổi điện/quang (E/O). Như vậy, một điểm chuyển mạch được gọi là thực hiện chuyển đổi O/E/O.
Trong một mạng, tốc độ trao đổi thông tin thường bị hạn chế bởi khả năng xử lý điện của hệ thống. Mặc dù phần cứng hiện nay được sử dụng dựa trên các router IP điện tốc độ cao với tốc độ lên đến vài trăm Gbps nhưng vẫn không thích ứng được giữa tốc độ truyền dẫn của các sợi quang WDM và tốc độ chuyển mạch của các router IP. Do vậy cần phải có những phương án mới để tối thiểu hoá hoặc loại bỏ hoàn toàn việc xử lý điện nhằm khai thác triệt để tiềm năng của độ rộng băng tần mà công nghệ WDM cung cấp.
Lưu lượng IP đang trở thành lưu lượng chủ yếu trong các mạng, do đó kiến trúc mạng phân lớp truyền thống ngày càng không thích hợp cho sự phát triển của Internet. Trong kiến trúc đa lớp, mỗi lớp có thể làm hạn chế hiệu suất của toàn mạng và làm tăng chi phí của toàn bộ mạng. Ngày nay cùng với dung lượng và tốc độ của các router và các OXC (các kết nối chéo quang) ngày càng tăng nhanh và tốc độ dữ liệu cao của truyền tải quang giúp chúng ta có thể bỏ qua các lớp SONET/SDH và ATM và loại bỏ các chức năng của chúng. Điều này làm cho hệ thống mạng đơn giản hơn, chi phí ít hơn mà vẫn truyền tải lưu lượng với tốc độ rất lớn. IP qua WDM được xem là giải pháp đầy hứa hẹn cho mạng thế hệ sau vì nó không có lớp trung gian, do đó nó tránh được các chức năng dư thừa của các lớp ATM và SONET/SDH.
Tuy nhiên, có nhiều khó khăn và thử thách trong việc hiện thực hóa các mạng toàn quang. Chẳng hạn, RAM quang bây giờ vẫn đang tiếp tục nghiên cứu, việc xử lý các gói điều khiển trong miền quang vẫn chưa thực hiện được và hệ thống điều khiển router quang vẫn được thực hiện trong miền điện. Ngày nay, hầu hết chúng ta chỉ nghiên cứu các mạng truyền tải bán quang. Trong các mạng truyền tải quang, các bản tin điều khiển được xử lý hoàn toàn trong miền điện. Để thực hiện kiến trúc IP qua DWDM, một vài hướng được đề xuất như : Định tuyến bước sóng (WR), chuyển mạch gói quang (OPS) và chuyển mạch burst quang (OBS). Trong tất cả các hướng đó, chuyển mạch burst quang được xem là giải pháp có triển vọng nhất vì nó là sự kết hợp giữa WR và OPS. Do đó, nó kết hợp các ưu điểm của hai phương pháp đó và đồng thời hạn chế các nhược điểm của chúng.
Trong số những vấn đề cần phải giải quyết khi thực hiện việc tích hợp IP qua các mạng WDM thì vấn đề làm thế nào có thể hỗ trợ QoS (chất lượng dịch vụ) trong các mạng IP/WDM được xem là một trong những vấn đề quan trọng nhất trong xu hướng hiện nay. Bởi vì mạng IP hiện nay chỉ cung cấp dịch vụ “nỗ lực tối đa” (best effort), là dịch vụ phi kết nối, không tin cậy Dịch vụ này không thể đáp ứng các yêu cầu QoS cao khi sử dụng các dịch vụ thời gian thực như truyền hình di động, thoại Internet, hội nghị truyền hình Do đó, em đã chọn nội dung “QoS trong chuyển mạch burst” làm đề tài Tốt nghiệp Đại học của mình. Sau một thời gian thực hiện và được sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô giáo bộ môn Thông tin quang, đặc biệt là thầy giáo hướng dẫn – T.S Bùi Trung Hiếu đã giúp đỡ em hoàn thành đồ án tốt nghiệp của mình.
 Tổ chức của Đồ án :
Nội dung của Đồ án đề cập đến vấn đề cải thiện QoS trong mạng chuyển mạch burst quang. Đồ án gồm có 5 chương :
Chương 1 trình bày các kỹ thuật chuyển mạch quang, trong đó trọng tâm là kỹ thuật chuyển mạch burst quang và sau đó so sánh ưu nhược điểm của kỹ thuật này với các kỹ thuật định tuyến bước sóng quang và chuyển mạch gói quang. Trong chương này giới thiệu kiến trúc của các mạng OBS cùng với các kỹ thuật liên quan đến chuyển mạch OBS như : sơ đồ tập hợp burst, sơ đồ giành trước bước sóng, giao thức báo hiệu JET, các thuật toán lập lịch
Chương 2 trình bày vấn đề Chất lượng dịch vụ (QoS). Trong chương này giới thiệu một cách khái quát định nghĩa QoS và sau đó đưa ra hai mô hình kiến trúc để đảm bảo QoS trong các mạng IP (IntServ và DiffServ).
Chương 3 giới thiệu vấn đề tích hợp IP qua mạng WDM. Chương này giới thiệu các mô hình tích hợp IP/WDM và so sánh các mô hình này với nhau. Ngoài ra trong chương này còn trình bày kỹ thuật MPLS được sử dụng trong mạng IP/WDM và mạng OBS.
Chương 4 và Chương 5 là nội dung chính của Đồ án này. Trong đó, chương 4 đề cập đến vấn đề đảm bảo QoS trong mạng OBS. Trong chương này, chúng ta giới thiệu giao thức báo hiệu và thuật toán lập lịch có hỗ trợ QoS trong các mạng OBS. Ngoài ra còn phân tích ảnh hưởng của các đường trễ quang (FDL) đến QoS của các mạng OBS. Chương 5 đưa ra các công thức để tính các biên của xác suất mất burst và qua đó bằng công cụ MATLAB để phân tích và khảo xác các tham số ảnh hưởng đến xác suất mất burst.Chương này còn đưa ra mô hình Yoo trong đó phân tích và đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến xác suất mất burst và trễ hàng đợi. Từ đó, đưa ra các nhận xét nhằm mục đích cải thiện hiệu suất QoS của các mạng OBS.