Đồ Án Tránh nghẽn trong mạng chuyển mạch chùm quang theo phương pháp định lệch hướng

LỜI NÓI ĐẦU
Trong vài năm gần đây đã có sự phát triển bùng nổ về lưu lượng IP. Điều này dẫn đến có nhiều hướng nghiên cứu về các kỹ thuật phân chia trong truyền dẫn tốc độ cao cũng như các công nghệ chuyển mạch. WDM là một công nghệ truyền dẫn mạng lõi cho mạng đường trục IP thế hệ sau với khả năng hỗ trợ nhiều kênh tốc độ cao (Gigabit) trên một sợi cáp quang. Nó cung cấp độ rộng băng rất lớn tại lớp vật lý. Do vậy cần phải phát triển cơ chế cũng như các giao thức ở các lớp cao hơn để sử dụng một cách hiệu quả băng tần cực lớn này tại lớp quang (WDM).
Hiện nay, đã có một số công nghệ chuyển mạch có tính khả thi cho việc truyền tải lưu lượng IP trên WDM, đó là sử dụng chuyển mạch kênh truyền thống có thể được triển khai theo hai cách nhằm kết hợp một cách tối ưu giữa chuyển mạch quang và chuyển mạch điện tử. Chuyển mạch chùm quang OBS (Optical Burst Switching) là một giải pháp thuộc kiểu này.
Chuyển mạch chùm quang OBS đáp ứng được nhu cầu về mạng Internet ngày nay, chính về thế em chọn đề tài này. Trong đồ án, em đề cập đến phương pháp làm lệch hướng đi, một giải pháp điều khiển nghẽn mạng tối ưu trong mạng OBS để triển khai trong thực tế.
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Vương Hoàng Nam đã tận tình hướng dẫn, cung cấp tài liệu, đồng thời động viên trong thời gian em nghiên cứu đề tài này. Em xin cảm ơn tất cả các thầy cô giáo trong khoa Điện Tử Viễn Thông đã nhiệt tình dạy dỗ, cung cấp trang bị cho em những kiến thức quí báu, cảm ơn gia đình đã động viên em trong suốt thời gian vừa qua, cảm ơn các bạn đã góp những ý kiến chân thành góp phần giúp em hoàn thành đồ án.
Trong thời gian thực hiện đồ án khá ngắn đồ, mặc dù có nhiều cố gắng nhưng đồ án không tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong các thầy cô giáo trong khoa cùng các bạn tận tình chỉ bảo và góp ý để đồ án được hoàn thiện hơn.

TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Thông tin quang ra đời với những khả năng vượt trội như: băng thông khổng lồ (gần 50Tbps), suy giảm tín hiệu thấp (khoảng 0.2dB/km), méo tín hiệu thấp, đòi hỏi năng lượng cung cấp thấp, không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ, khả năng bảo mật cao nên ngày càng ứng dụng rộng rãi. WDM là tiến bộ rất lớn trong công nghệ truyền thông quang, nó cho phép tăng dung lượng kênh mà không cần tăng tốc độ bit đường truyền cũng như không cần dùng thêm sợi dẫn quang, nhưng băng thông mạng lại bị giới hạn bởi tốc độ xử lí ở các nút. Vì vậy, giải pháp đặt ra là xây dựng mạng mà trong đó tín hiệu được xử lí hoàn toàn trong miền quang, gọi là mạng toàn quang.
Một trong những vấn đề được quan tâm trong hệ thống WDM là chuyển mạch quang, nó là một hệ thống chuyển mạch cho phép các tín hiệu bên trong các sợi cáp quang hay các mạch quang tích hợp được chuyển mạch có lựa chọn từ một mạch này tới một mạch khác. Có 3 loại chuyển mạch quang là Chuyển mạch kênh (OCS), Chuyển mạch gói (OPS) và Chuyển mạch chùm (OBS) Ở đây, ta nghiên cứu đến chuyển mạch chùm quang do những ưu điểm của nó khi hoạt động trong mạng toàn quang và là một loại chuyển mạch không cần đến bộ đệm.
OBS cho phép chuyển mạch toàn bộ các kênh dữ liệu trong miền quang nhờ việc cấp phát tài nguyên trong miền điện tử. Trong OBS, gói điều khiển đi trước gói dữ liệu. Gói điều khiển và chùm dữ liệu tương ứng được tạo ra tại nguồn cùng một lúc và được tách biệt bằng offset. Gói điều khiển chứa thông tin cần thiết để định tuyến chùm dữ liệu qua mạng lõi truyền dẫn quang, độ dài của chùm và giá trị offset, sau đó nó được gửi đi trên kênh điều khiển ngoài băng tần. Gói điều khiển được xử lý điện tử tại từng nút trung gian (các kết nối chéo quang) để đưa ra quyết định định tuyến, tiếp đó các kết nối chéo quang được lấy cấu hình để chuyển mạch chùm dữ liệu mong muốn đến đấy sau khoảng thời gian đưa ra ở trường offset trong gói điều khiển.
Trong quá trình truyền dữ liệu, khi có nhiều chùm dữ liệu đến một nút trung gian, sẽ gây ra hiện tượng nghẽn chùm. Một trong những giải pháp điều khiển nghẽn mạng có hiệu quả là phương pháp làm lệch hướng đi. Phương pháp này liên quan đến : topo mạng, cấu hình nút, những thông số liên quan tới nút và tài nguyên liên kết, những số liệu liên quan tới giới hạn của tài nguyên.
Trên đường truyền dữ liệu, nếu gói điều khiển cảm thấy nghẽn mạch, dựa vào thông số trong bản DRT, nó sẽ lựa chọn một tuyến khác để đến đích. Những tuyến được chọn lựa trong mạng là những tuyến thể hiện những thông số tốt nhất, là tuyến tối ưu sao cho lượng tranh chấp đảm bảo thấp khi chùm truyền qua nút. Tại nút chuyển mạch, nếu không có liên kết ngõ ra nào có hiệu lực và nguồn thực hiện kiểm tra trước khi làm lệch hướng mà nút nghẽn là nút nguồn thì nguồn truyền lại thay việc định lệch hướng đi.
Sau khi nghiên cứu về cách thức làm lệch hướng, ta xem xét đến xác xuất suy hao chùm khi sử dụng phương pháp này có bộ đệm và không có bộ đệm để từ đó đưa ra nhưng giải pháp điều khiều nghẽn trong mạng OBS có hiệu quả nhất.

Abstract
Optical network has been built and applied widely with many powerful features such as: huge bandwidth (almost 50Tbps), low signal attenuation (about 0.2dB/km), low signal distortion, low power requirement, no affectation by electromagnetic jam, and high security. Wavelength Division Multiplexing (WDM) is an advanced technology employed in the optical network system. WDM help to increase channel capacity without the enhancement of transmission speed (bit) and the use of optical fiber. However, with WDM, the network bandwidth is limited by the processing speed at the terminals. Thus, a new kind of networks, called totally optical network, which is considered to be the solution for this, has been built. In the totally optical network, the signal is processed completely in optical area.
An important part of WDM technology is optical switching system which support the signal of optical fiber or integrated optical networks to be optionally switched to another network. There are 3 types of optical switching system as followed: Optical Circuit Switching (OCS), Optical Packet Switching (OPS), and Optical Burst Switching (OBS). In this graduation thesis, we focus on Optical Burst Switching (OBS) ( a kind of switching without using a buffer) for a variety of advantages.
OBS help to switch all data channels in optical area by network resource allocation in electronic domains. In OBS, the control packet is forwarded before the data packet. The control packet and corresponding data packet are created at the same time at the source and separated by using offset technique. The control packet containing routing information in the optical network such as: the length of the data list, the parameter of the offset. Then, the packet is sent in the out-bandwidth control channel. The control packet will be electro-processed at the exchange terminals to be routed. After the waiting time of the offset containing in the control packet, the exchange terminals receive the configuration to switch the data packets. During the process of data transmission, if more than 1 data packet is received at a exchange terminal, a network congestion occurs. Diverting is regarded as one of the effective solutions for network congestion. The solution relates to the network topology, the configuration of the terminal, terminal parameters and resource, and the limitation of the resource.
In the transmission line, if a network congestion occurs, basing on the DRT information, the control packet will select another route to destination. The selected routes must be the optimal routes with the best parameters, which help to maximum limit conflicts when the data packet goes through the terminal. At the switching point, if there is no valid out-way and before diverting the packet, the congestion point is the source, the source will resend but not divert the packet
After studying about the diverting method, we should compare the deficiency probability of the sent data when we use this method in the case with a buffer and in the case without a buffer. Then, we can suggest the most effective solutions to control the congestion in OBS –WDM.


MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU 1
TÓM TẮT ĐỒ ÁN .2
MỤC LỤC 6
DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ .9
CÁC TỪ VIẾT TẮT 12
MỞ ĐẦU .15
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
Giới thiệu chương Trang 16
1.1. Giới thiệu về thông tin quang 17
1.1.1. Những ưu điểm của hệ thống thông tin quang 17
1.1.2. Cấu trúc và các thành phần chính của hệ thống thông tin quang 19
1.2. Giới thiệu mạng WDM 21
1.2.1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống WDM 23
1.2.2 Ưu điểm của hệ thống WDM 24
1.2.3 Vấn đề tồn tại của hệ thống WDM và hướng giải quyết trong tương lai 25
1.3. Chuyển mạch quang 25
1.3.1. Khái niệm về chuyển mạch quang 25
1.3.2. Mạng quang định tuyến bước sóng 25
1.3.2.1. Chuyển mạch kênh quang 27
1.3.2.2. Chuyển mạch gói quang 29
1.3.2.3. Chuyển mạch chùm quang 32
1.4. Các thành phần chính trong mạng chuyển mạch chùm quang 34
1.4.1. Thiết bị đầu cuối (OLT) 34
1.4.2. Bộ khuyếch đại quang 36
1.4.3. Bộ ghép kênh xen/rớt quang (OADM) 38
1.4.4. Bộ kết nối chéo quang (OXC) 42
Kết luận chương 50


CHƯƠNG 2: MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG (OBS)
Giới thiệu chương Trang 51
2.1. Ưu điểm của chuyểm mạch quang 51
2.2. Kiến trúc mạng chuyển mạch chùm quang 52
2.2.1. Kiến trúc mạng OBS dạng mắc lưới 52
2.2.2. Kiến trúc mạng OBS dạng Ring 55
2.3. Hoạt động của bước sóng điều khiển 57
2.4. Quá trình tạo và vận chuyển chùm 58
2.4.1. Cấu trúc khung của chùm 58
2.4.2. Giá trị Offset của chùm 60
2.4.3. Giá trị Offset và các sơ đồ dành riêng 60
2.4.4. Cấu trúc IP-over-WDM sử dụng OBS 63
2.4.4.1 Chuyển mạch chùm quang sử dụng MPLS 64
2.4.4.2 Hoạt động lớp OBS MAC 66
2.4.4.3 Các chức năng điểu khiển OBS tại các kết nối chéo 69
2.5. Khả năng gây nghẽn chùm trong mạng OBS 69
2.5.1 Các cơ chế QoS của IP 69
2.5.2 Khả năng sử dụng mạng và xác suất nghẽn chùm 70
2.6. Các giải pháp điều khiển nghẽn 71
2.6.1. Biến đổi bước sóng 71
2.6.2. Bộ đệm quang 73
2.6.3. Làm lệch hướng đi 76
Kết luận chương 79

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH LỆCH HƯỚNG ĐI TRONG MẠNG OBS (OPTICAL BURST SWITCHING)
Giới thiệu chương Trang 80
3.1. Thuật toán định tuyến làm lệch hướng đi 80
3.1.1. Tính toán tuyến lựa chọn. 83
3.1.1.1. Phân loại ứng dụng trong mạng 83
3.1.1.2 Tính toán. 84
3.1.2. Phương pháp định tuyến làm lệch hướng đi 88
3.2.Xác suất chùm suy hao trong phương pháp định lệch hướng 94
Kết luận chương 96

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG XÁC SUẤT CHÙM SUY HAO
Giới thiệu chương Trang 97
4.1. Vấn đề mô phỏng 97
4.2. Tính toán các thông số mô phỏng 98
4.3. Kết quả mô phỏng 100
Kết luận chương 112

KẾT LUẬN 113
TÀI LIỆU THAM KHẢO 114
PHỤ LỤC