Luận văn Chất lượng dịch vụ trong mạng IP trên WDM

Nhà xuất bản: Đại học Bách Khoa Hà Nội Series/Report no.: H. 2008 111tr. Tóm tắt: Mục đích của luận văn này là tìm hiểu các mô hình QoS và các thuật toán có thể áp dụng cho mạng IP trên WDM, đặc biệt là với mạng WDM sử dụng công nghệ chuyển mạch chùm quang OBS. Ngoài ra các luận văn cũng đề cập đến phương pháp nâng cao hiệu năng QoS bằng cách chèn thêm các sợi trễ quang FDL. Bố cục luận văn gồm 5 chương; Chương 1: Tổng quan về mạng quang ghép kênh theo bước sóng . - Chương 2: Công nghệ truyền mạng quang .- Chương 3: Truyền dẫn IP trên mạng WDM .- Chương 4: Chất lượng dịch vụ trong mạng IP trên WDM . - Chương 5: Mô phỏng mạng quang WDM LỜI NÓI ĐẦU Trong một vài năm gần đây đã có sự bùng nổ về lưu lượng IP do sự phát triển của các ứng dụng đa phương tiện như HDTV, điện thoại Internet, âm thanh số Điều này dẫn đến có nhiều nghiên cứu về các kỹ thuật phân chia trong truyền dẫn tốc độ cao cũng như các công nghệ chuyển mạch, trong đó WDM đã nổi lên như là một công nghệ truyền dẫn mạng lõi đường trục Internet thế hệ sau với khả năng hỗ trợ đồng thời nhiều kênh tốc độ cao trên một sợi cáp quang. Một trong những vấn đề nảy sinh khi thực hiện kỹ thuật này đó là làm thế nào để hỗ trợ chất lượng dịch vụ (QoS) trong mạng IP trên WDM. Lý do là bởi vì hiện tại IP cung cấp dịch vụ không kết nối, truyền dẫn không tin cậy và phân phối gói tin đáp ứng tốt nhất nhưng các ứng dụng thời gian thực hiện nay lại có yêu cầu về QoS rất cao. Chất lượng dịch vụ đối với IP thường được đánh giá dựa vào các tiêu chí về tỷ lệ mất gói tin (được tính bằng số gói tin bị mất trên tổng số gói tin được truyền trên mạng), độ trễ gói tin (được tính là khoảng thời gian cần để truyền gói tin từ nguồn đến đích so với giá trị thời gian trung bình của các gói tin cùng nguồn /đích). Trong mạng IP trên WDM, có ba phương pháp chuyển mạch được ứng dụng là chuyển mạch định tuyến bước sóng (WR), chuyển mạch gói quang (OPS) và chuyển mạch chùm quang (OBS) và mỗi phương pháp đều có các ưu nhược điểm khác nhau. Tuy nhiên trong khuân khổ luận văn này chúng ta sẽ tập trung tìm hiểu chính về QoS của mạng IP trên WDM sử dụng công nghệ chuyển mạch chùm quang . Hiện nay, các mô hình QoS đều dựa trên chuyển mạch gói và qui định việc sử dụng bộ đệm để phân tách các lớp lưu lượng khác nhau được gọi là mô hình dựa trên bộ đệm (buffer-based). Thuật toán lập lịch trong mô hình này thường có độ phức tạp cao. Ngoài ra nó rất khó có thể áp dụng vào các mạng WDM với nguyên nhân chính là bởi sự truyền dẫn của lưu lượng trong các phương pháp này dựa trên mô hình lưu-và- chuyển tiếp và sử dụng bộ đệm để tránh xung đột. Do bộ đệm quang chưa phát triển 2 nên bộ đệm điện tử được sử dụng trong các chuyển mạch quang cùng với các bộ chuyển đổi quang-điện. Mặc dù có các đường trễ quang (FDL) được sử dụng để thay thế các bộ chuyển đổi này nhưng thực tế nó chưa đáp ứng được đầy đủ các khả năng theo các yêu cầu chất lượng dịch vụ cơ bản. Mục đích của luận văn này là tìm hiểu về các mô hình QoS và các thuật toán có thể áp dụng cho mạng IP trên WDM, đặc biệt là với mạng WDM sử dụng công nghệ chuyển mạch chùm quang OBS. Ngoài ra luận văn cũng đề cập đến phương pháp nâng cao hiệu năng QoS bằng cách chèn thêm các sợi trễ quang FDL. Bố cục của luận văn bao gồm 5 chương, chia thành hai phần chính. Phần thứ nhất bao gồm ba chương đầu nói về các kiến thức tổng quan về hệ thống mạng quang sử dụng công nghệ WDM. Chương 1 nói về mạng WDM và các thành phần cơ bản. Chương 2 đề cập đến các kỹ thuật chuyển mạch quang, đặc biệt là hệ thống chuyển mạch chùm quang và các giao thức hỗ trợ QoS. Chương 3 đề cập đến vấn đề tích hợp IP trên hệ thống mạng WDM và giao thức chuyển mạch nhãn đa giao thức sử dụng trong mạng này. Phần thứ hai bao gồm hai chương cuối. Chương 4 nói về các vấn đề về QoS trong mạng IP/WDM và các giải thuật lập lịch kênh trong chuyển mạch chùm quang OBS. Chương cuối cùng sẽ xây dựng một mô phỏng hệ thống mạng WDM và đánh giá các kết quả thu được trên hệ thống mô phỏng này.

pdf111 trang | Chia sẻ: lvcdongnoi | Ngày: 22/08/2013 | Lượt xem: 2385 | Lượt tải: 2download
Bạn đang xem nội dung tài liệu Luận văn Chất lượng dịch vụ trong mạng IP trên WDM, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
uang. Ngược lại, gán bước sóng Wp cho chùm quang mới đến và gọi giai đoạn 2. Giai đoạn 2: - Bước 1: Với mỗi bước sóng Wi khác Wp, xác định nếu chùm quang cuối cùng trên Wi có thể được lập lịch lại sang Wp và khoảng trống được tạo ra tại Wp sau khi lập lịch lại. Nếu việc lập lịch lại là có thể thực hiện được, nó được gọi là nội bước sóng phù hợp (valid in-wavelength) với Wp. Nếu không có nội bước sóng phù hợp tồn tại thì thoát khỏi giai đoạn 2. - Bước 2: Chọn một nội bước sóng Wj sao cho có khoảng trống nhỏ nhất. - Bước 3: lập lich lại cho chùm quang cuối cùng của Wj sang Wp - Bước 4: Gửi một bản tin tiêu đề “NOTIFY” đặc biệt để thông báo cho nút kế tiếp biết sự thay đổi bước sóng của chùm quang đã đổi. Hình 4.9 Không lập lịch được theo phương pháp LAUC, LACU-VF và ODBR [21] 70 Thuật toán này được dự định để ngăn chặn sự loại bỏ các chùm quang dữ liệu về sau bằng cách triệu gọi sự tái lập lịch mỗi khi một chùm quang được lập lịch thành công. Với ABR, trong lúc một chùm quang được lập lịch thành công tại Wp ở giai đoạn một, thì sự lập lịch lại của chùm quang cuối cùng ở các bước sóng khác Wi đến Wp sẽ được thực hiện ở giai đoạn hai nếu như chùm quang đó tồn tại. Sự tái lập lịch được khống chế bởi quy tắc là khoảng trống tạo ra khi một chùm quang được lập lịch lại từ Wi sang Wp phải nhỏ nhất. Bằng cách như vậy nên xác suất mất chùm quang dữ liệu đến sau có thể được giảm thiểu. (a) Chùm quang 4 được gán cho W2 (b) Chùm quang cuối của W1 được lập lịch lại sang W2 (c) Chùm 5 được gán cho W2 (d) Chùm 6 được lập lịch vào W1 Hình 4.10 Ví dụ về thuật toán ABR [21] 71 Ví dụ mô tả trong hình 4.9 và hình 4.10 được sử dụng để miêu tả thuật toán này. Trong hình 4.9 có hai bước sóng và các chùm quang 1,2,3,4 và 5 đi đến nút lần lượt và đã được lập lịch lên W1 và W2 tại giai đoạn 1. Khi chùm quang 6 đến, nó không thể lập lịch vào bất kỳ bước sóng nào theo thuật toán LAUC, LAUC-VF hay ODBR. Nhưng với ABR, theo hình 4.10a-d ta có thể thấy chùm quang 6 thay vì bị hủy bỏ, có thể được lập lịch thành công. Như trong hình 4.10a, khi chùm quang 4 được lập lịch vào bước sóng W2 thì vấn đề tái lập lịch cho chùm quang cuối cùng của bước sóng khác (W1) sang bước sóng hiện tại (W2) được đặt ra. Ở đây chùm quang cuối cùng của bước sóng W1 được lập lịch chuyển sang W2 bởi vì nó tuân theo quy tắc tạo khoảng trống nhỏ hơn sau khi được lập lịch lại (4.10b). Hình 4.10c cho thấy, khi chùm quang 5 đi đến, nó lại được lập lịch vào bước sóng W2 trong giai đoạn 1 vì nó là bước sóng khả dụng mới nhất. Cuối cùng, chùm quang 6 sẽ được lập lịch vào bước sóng W1 tại thời điểm t mà nó đến như hình 4.10d. Nếu như có nhiều hơn một chùm quang trên các bước sóng khác nhau có thể được lập lịch lại đến Wp thì chùm quang mà sẽ tạo ra khoảng trống nhỏ nhất sau khi chuyển sang Wp sẽ được chọn. Điều này để đảm bảo rằng khoảng trống nhỏ nhất sẽ được tạo ra mỗi khi sự lập lịch lại được thực hiện.[21] 4.4 ẢNH HƯỞNG CỦA FDL ĐỐI VỚI HIỆU NĂNG QoS CỦA MẠNG OBS Trong phần này chúng ta sẽ nghiên cứu cách nâng cao hiệu năng QoS bằng cách đưa một số đường trễ quang FDL vào các nút chuyển mạch trung gian để thực hiện chức năng bộ đệm (trễ) đơn giản. Như đã giới thiệu trong phần 4.2, giao thức JET ưu tiên (PJET) sử dụng thời gian trễ như là một cách để phân biệt các lớp dịch vụ trong mạng quang không sử dụng bộ đệm (không sử dụng FDL). Do vậy ở đây chúng ta sẽ nghiên cứu những ảnh hưởng của các đường FDL giới hạn đối với hiệu năng QoS trong hệ thống dựa vào thời gian trễ trong khía cạnh xác suất mất chùm quang và trễ hàng đợi.[25] 72 Có ba mục trong phần này, mục đầu tiên sẽ giới thiệu về cấu trúc của nút chuyển mạch quang và bộ đệm FDL. Sau đó sẽ đề cập đến ảnh hưởng của các FDL đối với QoS của mạng. Cuối cùng, chúng ta sẽ nói đến xác suất mất gói tin và trễ hàng đợi sử dụng mô hình QoS dựa trên thời gian trễ với các FDL. 4.4.1 Nút chuyển mạch quang và bộ đệm FDL. Hình 4.11 Cấu trúc nút chuyển mạch quang [25] Trong mạng IP/WDM, các bộ định tuyến biên kết nối với lớp quang thông qua nút chuyển mạch quang (OSN-Nút chuyển mạch quang). Khi nói đến mạng xương sống WDM, mỗi OSN đều được liên kết với các OSN thông qua các đường cáp quang. Ta có thể nhìn thấy cấu trúc của một nút chuyển mạch quang trong hình 4.11, trong đó 73 có L sợi kết nối quang đi vào và đi ra, mỗi sợi quang lại có k bước sóng dùng để mang các chùm quang dữ liệu và có một (hoặc hơn một) bước sóng dùng để mang các gói tin điều khiển. Mỗi gói tin điều khiển đều được xử lý bởi khối điều khiển điện tử bên trong mỗi OSN, nhằm tạo ra các tín hiệu điều khiển phù hợp để thiết lập các bộ chuyển đổi bước sóng, các bộ đệm FDL, và các cấu trúc chuyển mạch. Các bộ đệm FDL nằm tại đầu vào của cấu trúc chuyển mạch có thể cung cấp cho các chùm quang một khoảng trễ nhất định. Mỗi liên kết đầu vào được tách kênh, sau đó các bước sóng nhận được sẽ được chuyển đổi (nếu cần thiết) trước khi đi vào cấu trúc chuyển mạch. Cấu trúc này có chức năng như là một chuyển mạch không khóa LK×LK không có bộ đệm ra dùng để chuyển mạch từng chùm quang trên các bước sóng đầu vào sang bước sóng đầu ra tương ứng. Cấu trúc của bộ đệm FDL được mô tả trong hình 4.12. Như ta thấy ở hình 4.12a, mỗi bộ đệm FDL có N đường trễ, mỗi đường này sẽ tạo ra một khoảng trễ khác nhau, có giá trị cố định nằm trong khoảng từ 0 đến thời gian trễ lớn nhất B = (N-1)×b, trong đó b là khoảng trễ mà một phần tử trễ quang cung cấp (thể hiện bằng vòng tròn trong hình 4.12). Cấu trúc này được gọi là bộ đệm FDL có độ trễ không đổi. Bộ đệm ở hình 4.12b cũng có cùng số đường trễ N, nhưng mỗi đường trễ có thể cung cấp một khoảng trễ biến thiên từ 0 đến B = (N-1)×b = (20 + 21 + … + 2n)×b bằng cách sử dụng đa chuyển mạch 2×2 có bước sóng nhạy. Cấu trúc này được gọi là bộ đệm FDL biến thiên. Bộ đệm có độ trễ không đổi có cấu tạo đơn giản nhưng hiệu quả thấp hơn bộ đệm trễ biến thiên. Bộ đệm trong hình 4.12c là sự kết hợp của (a) và (b) trong đó mỗi FDL có thể cung cấp một khoảng trễ biến đổi nhưng có giá trị trễ tối đa khác nhau và nằm trong khoảng từ b đến (N-1)×b. Chúng ta coi các bộ đệm FDL mô tả trong hình 4.12 đều có k chuyển mạch 1×N đi theo bởi N bộ ghép kênh k×1 tại đầu vào, và ở chiều ngược lại cũng có N bộ phân kênh k×1 đi sau k chuyển mạch 1×N được kết nối tại đầu ra. 74 Hình 4.12 Cấu trúc bộ đệm FDL[25] (a) trễ không đổi (b) trễ biến đổi (c) lai ghép Điều này cho phép một đường trễ quang FDL vật lý có thể được chia sẻ cho k bước sóng, có hiệu quả tạo nên k FDL ảo trên một FDL vật lý. Hơn nữa, các bộ chuyển đổi bước sóng đặt trước và sau bộ đệm FDL như trong hình 4.10 trở nên đặc biệt hữu dụng do chúng cho phép một chùm quang có thể sử dụng nhiều bước sóng khác nhau trong một bộ đệm FDL và trên một liên kết đầu ra. Do vậy nó đã giải quyết các xung đột giữa các chùm quang đầu vào tại cùng một FDL và liên kết một cách hiệu quả. 75 4.4.2 Mô hình QoS dựa trên thời gian offset và FDL 4.4.2.1 Giới thiệu Trước khi đi vào tìm hiểu mô hình QoS dựa trên thời gian trễ offset (offset- time-based), chúng ta cùng nhớ lại cách các tài nguyên (bước sóng, bộ đệm FDL) được chiếm giữ trong các mạng OBS không hỗ trợ QoS. Trong hệ thống mạng này, không có lưu lượng nào được đặt mức ưu tiên cao hơn và nó sẽ tuân theo giao thức JET đã nói đến trong phần 2.2.3.4. Tại bộ định tuyến biên nguồn, một khoảng thời gian offset cơ sở được tính dựa trên tổng thời gian xử lý (δ×L) gói tin điều khiển trên tuyến truyền đến bộ định tuyến biên đích. Nguyên lý cơ bản là gói tin điều khiển sẽ được gửi đi trước trong khi chùm quang dữ liệu tương ứng sẽ chờ tại bộ định tuyến biên nguồn trong khoảng thời gian offset cơ sở này. Sau khi gói tin điều khiển được xử lý tại mỗi OSN để thiết lập một tuyến toàn quang, chùm quang dữ liệu sẽ được truyền đi theo tuyến đã được thiết lập trước này. Với mạng OBS có hỗ trợ QoS, một khoảng thời gian offset “bổ xung” ngoài khoảng thời gian cơ sở sẽ cần phải được xác định. Gói tin điều khiển mang tổng giá trị thời gian offset (là thời gian offset cơ sở cộng với thời gian offset bổ xung) cùng với các thông tin khác như địa chỉ đích, độ dài chùm quang (theo thời gian). Việc xử lý gói tin điều khiển tại mỗi OSN trung gian sẽ giúp chiếm sẵn một bước sóng tại liên kết đầu ra mong muốn. Sự chiếm giữ được thực hiện từ thời điểm chùm quang đến cho đến khi chùm quang truyền qua hết. Nếu như không có bước sóng nào khả dụng tại thời điểm đó, chùm quang dữ liệu sẽ bị chặn và một FDL sẽ bị chiếm giữ. Chú ý rằng trong OBS, vì thời gian chiếm giữ của tất cả các bước sóng đều được biết trước nên thời gian chặn của chùm quang cũng được xác định một cách dễ dàng. Dựa vào thời gian chặn này, một FDL có độ dài phù hợp sẽ được lựa chọn để sử dụng cho chùm quang bị chặn. Nếu như thời gian chặn dài hơn thời gian trễ tối đa B, sẽ không có FDL nào bị chiếm và chùm quang dữ liệu sẽ bị bỏ mà không cần phải chờ bất kỳ bộ đệm khả dụng nào. Để 76 cho thuận tiện, từ nay trở đi ta giả sử rằng thời gian offset cơ sở là không đáng kể so với thời gian offset bổ xung và gọi chung là thời gian offset.[13] 4.4.2.2 Cài đặt các FDL trong OBS có ưu tiên Trong phần này chúng ta cùng tìm hiểu cách cài đặt hệ thống dựa thời gian trễ offset trong mạng OBS hỗ trợ QoS cùng với các FDL. Để cho đơn giản, chúng ta giả sử có hai lớp lưu lượng, gọi là lớp 0 và lớp 1, trong đó lớp 1 có độ ưu tiên cao hơn lớp 0. Để đảm bảo lớp 1 có mức ưu tiên cao hơn trong việc chiếm giữ tài nguyên (bước sóng, FDL), một khoảng thời gian offset bổ xung ký hiệu là ݐ଴ଵ được gán cho lưu lượng lớp 1. Để đơn giản ta coi hệ thống bao gồm một bước sóng đơn và một đường trễ quang FDL cung cấp một giá trị độ trễ nằm trong khoảng từ 0 đến B. Hình 4.13 mô tả lý do tại sao nếu có thêm ݐ଴ଵ thì yêu cầu của lớp 1 lại có mức ưu tiên cao hơn so với lớp 0 khi chiếm giữ tài nguyên. Gọi ݐ௔௜ là thời gian đến của một yêu cầu lớp i, ký hiệu là req(i), và ݐ௦௜ là thời gian bắt đầu dịch vụ, tức là thời gian đến của chùm quang dữ liệu tương ứng. Độ dài chùm quang của lớp i được ký hiệu là li. Do đó ta có: ݐ௦௜ = ݐ௔௜ + ݐ଴ଵ và ݐ௦଴ ൌ ݐ௔଴ Hình 4.13 Phân tách lớp trong đặt trước tài nguyên[25] 77 Bây giờ chúng ta cùng xem cách thức phân tách (isolation) hai lớp lưu lượng khi chúng đặt trước tài nguyên bằng cách thời gian offset bổ xung. Nó được chia làm hai phần: phân tách trong đặt trước bước sóng và phân tách trong đặt trước FDL. - Nếu giả sử rằng khi req(0) đến tại thời điểm ݐ௔଴(=ݐ௦௢), ta có thể thấy trong hình 4.13(a) chỉ có bước sóng dữ liệu bị chiếm bởi một chùm quang đến sớm. Do đó, chùm quang tương ứng với req(0) cần phải bị làm trễ một khoảng thời gian ݐ௕଴. Nếu ݐ௕଴ ൏ ܤ, đường trễ quang FDL sẽ được dành riêng cho chùm quang thuộc lớp 0 trong khoảng thời gian từ ݐ௦଴ đến ݐ௦଴ ൅ l0, như minh họa trong hình 4.13b, và bước sóng sẽ được sử dụng trong khoảng thời gian từ ݐ௦଴+ ݐ௕଴ đến ݐ௦଴+ ݐ௕଴+l0 như minh họa trong hình 4.13a. Sau đó, yêu cầu req(1) được giả sử là sẽ đến tại thời điểm ݐ௔ଵ (sau ݐ௔଴) và cố gắng chiếm bước sóng cho chùm quang dữ liệu thuộc lớp 1 tương ứng. Từ hình 4.13a ta có thể nhận thấy req(1) sẽ được gán một bước sóng do thời gian trễ offset bổ xung ݐ଴ଵ đủ dài và ݐ௦ଵ= ݐ௔ଵ+ ݐ଴ଵ > ݐ௔଴+ ݐ௕ ଴+ ݈଴ . Cần lưu ý rằng nếu như req(1) đến sớm hơn req(0) như trong hình 4.13c thì req(1) sẽ chiếm dụng bước sóng trong khoảng thời gian từ ݐ௦ଵ đến ݐ௦ଵ+l1 theo phương pháp đặt trước bị trễ nhưng req(0) thì không. Điều này chỉ ra rằng dữ liệu lớp 1 có thể được phân biệt với lớp 0 trong vấn đề đặt trước bước sóng bằng cách sử dụng thời gian offset “bổ xung”. - Tương tự như vậy, hình 4.13b mô tả sự phân tách trong vấn đề chiếm dụng FDL bằng cách sử dụng thời gian trễ offset “bổ xung”. Cụ thể là, ta có thể giả sử req(0) đã đặt trước FDL như mô tả ở trên, và ݐ଴ଵ không đủ độ lớn (ݐ௦ଵ ൌ ݐ௔ଵ ൅ ݐ଴ଵ ൏ ݐ௔଴ ൅ ݐ௕ ଴ ൅ ݈଴ ), nên kết quả là làm cho req(1) bị chặn trong việc đặt trước bước sóng và do đó cần phải chiếm FDL để làm trễ chùm quang dữ liệu lớp 1 tương ứng. Trong trường hợp này, req(1) sẽ đặt trước thành công FDL với yêu cầu trong đó ݐ଴ଵ đủ dài để đảm bảo ݐ௦ଵ ൌ ݐ௔ଵ ൅ ݐ଴ଵ ൐ ݐ௔଴ ൅ ݈଴ do phần đầu của chùm quang lớp 1 sẽ đi vào FDL sau khi đuôi của chùm quang lớp 0 đi vào. Mặt 78 khác, nếu ݐ௦ଵ<ݐ௔଴ ൅ ݈଴ thì req(1) sẽ không đặt trước FDL thành công và do đó chùm quang lớp 1 sẽ bị loại bỏ. Chú ý rằng nếu như req(1) đến trước thì nó có thể đặt trước FDL, nhưng req(0) sẽ bị chặn (và bị loại bỏ) khi ݐ௔ଵ<ݐ௔଴<ݐ௦ଵ nhưng ݐ௔଴ ൅ ݈଴ ൐ ݐ௦ଵ hoặc khi ݐ௔ଵ ൏ ݐ௔଴ ൏ ݐ௦ଵ ൅ ݈ଵ . Từ những phân tích trên cho ta thấy rằng dữ liệu lớp 1 có thể được phân tách từ lớp 0 trong vấn đề đặt trước FDL và trong vấn đề đặt trước bước sóng bằng cách sử dụng thời gian trễ offset bổ xung phù hợp, để lớp 1 có mức ưu tiên cao hơn lớp 0. Nói cách khác, do dữ liệu lớp 0 có mức ưu tiên thấp trong vấn đề đặt trước tài nguyên nên các chùm quang dữ liệu lớp 0 sẽ có xác suất bị chặn (và mất) cao hơn. 4.4.2.3 Tính toán thời gian trễ cần thiết Trong phần này chúng ta sẽ thực hiện một số đánh giá về thời gian trễ cần thiết trong việc phân tách lớp khi đặt trước bước sóng và đặt trước các FDL. Chúng ta giả sử trong trường hợp tổng quát có n lớp dữ liệu (n > 1). Gọi ti,j > 0 là giá trị khác nhau của thời gian trễ gán cho lớp i và lớp j , ti,j = ݐ௔௜ -ݐ௔ ௝ , trong đó 0 ≤ j < i ≤ n – 1 và 0 ≤ Ri,j ≤ 1 biểu thị rằng xác suất gói tin req(i) sẽ bị chặn do gói tin yêu cầu req(j) đến sớm hơn. Do vậy chúng ta có thể định nghĩa là ti,j và Ri,j lần lượt là khoảng chênh lệch thời gian offset và mức độ khác biệt. Như đã đề cập đến ở trong phần trước, để phân tách hoàn toàn lớp i từ lớp i -1 (ở đây Ri,i-1 = 0) trong việc đặt trước FDL thì giá trị ti,i-1 cần phải lớn hơn độ dài lớn nhất của chùm quang thuộc lớp i-1 bởi vì trường hợp xấu nhất là khi ݐ௔௜ ≈ݐ௔௜ିଵ. Tương tự như vậy, trong vấn đề đặt trước bước sóng thì giá trị ti,i-1 cần phải lớn hơn tổng giá trị của B và giá trị độ dài chùm quang lớn nhất thuộc lớp i-1 vì trường hợp xấu nhất xảy ra khi ݐ௔௜ ≈ݐ௔௜ିଵ và ݐ௕௜ିଵ có thể lớn hơn B. Trong việc đặt trước FDL, mối quan hệ giữa Ri,i-1 và ti,i-1 chỉ phụ thuộc vào sự phân phối của độ dài chùm quang của lớp i-1. Khi chúng ta coi độ dài của lớp i-1 tuân theo một phân bố hàm mũ với giá trị trung bình là Li-1 thì xác suất một chùm quang lớp i-1 79 có độ dài nhỏ hơn một giá trị t cho trước là (1 - ݁ିఓ೔షభൈ௧), trong đó ߤ௜ିଵ = 1/Li-1. Cho một chùm quang lớp i sẽ không bị chặn khi độ dài của chùm quang lớp i-1 đến trước không lớn hơn ti,i-1, ta có: Ri,i-1 = (1-݁ିఓ೔షభൈ௧೔,೔షభ) hoặc ݐ௜,௜ିଵ= ݐ଴௜ െ ݐ଴௜ିଵ= -ln(1-Ri,i-1)×Li-1 Trong vấn đề đặt trước bước sóng, một chùm quang thuộc lớp i sẽ không bị chặn chừng nào mà độ dài của chùm quang lớp i-1 không vượt quá giá trị ti,i-1 – B. Do đó, ta có: Ri,i-1 = (1-݁ିఓ೔షభൈሺ௧೔,೔షభି஻ሻ) hoặc ݐ௜,௜ିଵ= ݐ଴௜ െ ݐ଴௜ିଵ= -ln(1-Ri,i-1)×Li-1 + B Bảng 4.1 trình bày một số giá trị của ti,i-1 cần để đạt giá trị Ri,i-1 cho trước trong vấn đề đặt trước FDL và đặt trước bước sóng. Bảng 4.1 Mức độ phân biệt và chênh lệch thời gian offset 4.4.3 Trễ hàng đợi và xác suất mất tin. 4.4.3.1 Thời gian trễ và trễ từ đầu cuối đến đầu cuối (end-to-end delay) Với các ứng dụng thời gian thực thì thời gian trễ từ đầu gửi đến đầu nhận là rất quan trọng và nó bao gồm ba thành phần chính trong mô hình QoS dựa trên thời gian trễ: trễ truyền dẫn từ nguồn đến đích P, trễ trước khi truyền tp (do thời gian offset) và trễ hàng đợi bên trong các FDL tq (do bị chặn). 80 Khi đề cập đến trễ trước khi truyền tp, ta cần phải nhớ rằng thời gian offset bao gồm hai thành phần là thời gian offset cơ sở và thời gian offset bổ xung. So với chuyển mạch gói thì việc sử dụng offset bổ xung sẽ không làm tăng thời gian trễ từ nơi gửi đến nơi nhận. Tuy nhiên việc này lại làm tăng trễ trước truyền. Thực tế thì khi sử dụng thời gian offset bổ xung, trễ bổ xung trước truyền là một chức năng của số lớp n và sự chênh lệch thời gian offset ti,i-1 (hay Ri,i-1). Để đơn giản, ta giả sử rằng tất cả các chênh lệch thời gian offset là bằng nhau, nghĩa là tn-1,n-2 = tn-2,n-3=…=t1,0=tdiff, thì trễ trước truyền bổ xung dài nhất là tp = ݐ଴௡ିଵ= (n - 1)×tdiff. Từ các nhận xét ở trên ta thấy rằng để hỗ trợ các ứng dụng có ảnh hưởng bởi thời gian trễ bằng việc sử dụng mô hình QoS dựa trên thời gian offset thì số lớp và độ dài trung bình của chùm quang phải được coi như là các tham số chính. Mặt khác, thời gian trễ tq là một hàm của xác suất bị chặn sẽ giảm theo độ chênh lệch thời gian offset. Như chúng ta đã biết, cùng với sự tăng độ chênh lệnh thời gian offset thì độ phân biệt cũng tăng theo làm cho xác suất chặn giảm xuống và do đó các lớp có mức ưu tiên cao sẽ có thời gian trễ hàng đợi thấp. Cần chú ý rằng với thời gian trễ từ nơi gửi đến nơi nhận thì giá trị độ trễ tp là cố định, trong khi giá trị tq là biến đổi. Điều này thể hiện rằng trong mô hình QoS dựa trên thời gian offset, các lớp có mức ưu tiên cao có tq thấp do tp của nó không đáng kể như mô tả ở trên. Do vậy, với lợi ích mà thời gian offset bổ xung mang lại thì giá trị trễ từ nơi gửi đến nơi nhận của các lớp có độ ưu tiên cao có thể dự đoán là rất thất. 4.4.3.2 Xác suất mất thông tin trong OBS Trong phần này chúng ta phân tích các xác suất của hai giao thức OBS đã được đề cập đến ở trong phần trước là OBS không phân lớp (classless OBS) và OBS có ưu tiên (prioritized OBS). Giả sử rằng lớp i phát ra các chùm quang theo một phân bố hàm mũ với tỷ lệ đến trung bình λi và tốc độ dịch vụ được phân bố theo hàm mũ trung bình µi = ଵ ௅೔ . Cường độ lưu lượng của lớp i là ρi= ఒ೔ ሺఓ೔ൈ௞ሻ ൌ ௥೔ ௞ , trong đó ri = ఒ೔ ఓ೔ , và tổng cường 81 độ lưu lượng là ρ = ∑ ߩ௜௡௜ୀଵ . Để đơn giản, ta coi một OSN tương tự như trong hình 4.11 và tập trung vào một đầu ra xác định có k bước sóng và một bộ đệm FDL gồm N đường FDL. a. OBS không phân lớp Đầu tiên ta đề cập đến xác suất mất thông tin của OBS không phân lớp bắt nguồn từ việc phân tích các giá trị giới hạn trên và dưới của nó. Trong OBS không phân lớp, giới hạn trên của xác suất mất thông tin được biểu thị bằng pbµ. Giá trị này có được khi không có bộ đệm FDL (nghĩa là nếu như một chùm quang bị chặn thì nó sẽ bị loại bỏ ngay lập tức), nghĩa là B = 0. Giới hạn này được xác định bằng công thức tính tổn thất của Erlang (M/M/k/k), trong đó r = ρ×k pbµ = β(k,ρ) = ଵ/௞!ൈ௥ೖ ∑ ଵ/௠!ൈ௥೘ೖ೘సబ (1) Mặt khác, giá trị giới hạn dưới thu được bằng cách giả sử rằng chuyển mạch có một bộ đệm FDL được mô phỏng theo mô hình M/M/k/D (D xác định). Cụ thể là bộ đệm này sẽ có N đường FDL, và như vậy với mô hình này sẽ có tổng số đường FDL là d = N×k và kết quả là số chùm quang tối đa trong chuyển mạch (bao gồm cả các chùm đang được truyền và các chùm đang được làm trễ) là D = k + d = k + k×N. Dựa theo mô hình M/M/k/D thì giá trị hạn dưới của xác suất tổn thất pbi sẽ là: pbi = Pβ(k,ρ,D) = ௥ವ ௞ವషೖ.௞! ൈ ݌଴ (2) trong đó p0 = ቀ∑ ௥೙ ௡! ௞ିଵ ௡ୀ଴ ൅ ∑ ௥೙ ௞೙షೖ.௞! ஽ ௡ୀ௞ ቁ ିଵ b. OBS có ưu tiên Cho đến khi OBS có ưu tiên được đề cập đến thì các giới hạn trên và dưới của xác suất tổn thất thông tin của lớp i được biểu thị lần lượt bằng ݌ܾ௟௜ và ݌ܾ௨௜ , trong đó 82 i = n-1, n-2,…, 0. Để đơn giản, ta có thể giả sử rằng lớp i được phân biệt hoàn toàn với lớp i-1 (ở đây Ri,i-1 = 0). Hơn nữa, giả sử rằng theo định luật bảo toàn, tổng hiệu năng (bao gồm xác suất tổn thất và thông lượng trung bình trên tất cả các lớp) của mạng luôn giữ mức cố định bất kể số lớp và bộ phân tách như thế nào. Cụ thể, nếu ρn-1,j là tổng cường độ lưu lượng từ lớp n-1 đến lớp j (ρn-1,j = ∑ ߩ௜௡ିଵ௜ୀ௝ . Do sự phân tách lớp nên lưu lượng từ các lớp có mức ưu tiên thấp (lớp j-1 đến lớp 0) không ảnh hưởng tới xác suất tổn thất thông tin của các lớp có độ ưu tiên cao hơn (lớp n-1 đến lớp j). Do vậy, theo luật bảo toàn, giới hạn dưới và giới hạn trên của xác suất được tính theo (1) và (2) như sau: ݌ܾఓ ௡ିଵ,௝ =β(k,ρn-1,j) ݌ܾ௟ ௡ିଵ,௝ =Pβ(k,ρn-1,j,D) Ta cũng có thể trình bày giá trị xác suất trung bình sử dụng tổng trọng số của xác suất tổn thất của từng lớp. Cụ thể hơn, gọi ܿ௜ ൌ ఘ೔ ఘ là tỷ số của cường độ lưu lượng của lớp i trên tổng cường độ lưu lượng, thì trung bình giới hạn trên và trung bình giới hạn dưới của xác suất tổn thất thông tin của lớp n-1 đến lớp j có thể được viết như sau: ݌ܾఓ ௡ିଵ,௝ =∑ ܿ௜௡ିଵ௜ୀ௝ . ݌ܾఓ௜ ݌ܾ௟ ௡ିଵ,௝ =∑ ܿ௜௡ିଵ௜ୀ௝ . ݌ܾ௟௜ Từ bốn công thức trên ta có thể tính được giới hạn trên của xác suất tổn thất thông tin là ݌ܾఓ ௡ିଵ,௝ =β(k,ρn-1,j)ൌ ∑ ܿ௜௡ିଵ௜ୀ௝ . ݌ܾఓ௜ (3) và giới hạn dưới là: ݌ܾ௟ ௡ିଵ,௝ =Pβ(k,ρn-1,j,D)ൌ ∑ ܿ௜௡ିଵ௜ୀ௝ . ݌ܾ௟௜ (4) 83 Vì ta đã có hai biểu thức trên nên có thể suy ra ݌ܾ௟௜ và ݌ܾ௨௜ bắt đầu bằng lớp ưu tiên cao nhất (lớp i = n-1). Do lớp n-1 có mức ưu tiên cao nhất và ta coi như nó được phân tách hoàn toàn với các lớp khác nên giới hạn trên của nó được tính theo (2) và giới hạn dưới được tính theo (2). Để tính được giá trị giới hạn trên và dưới của lớp có mức ưu tiên thấp hơn n -2, ta có thể sử dụng biểu thức (3) và (4). Công thức tổng quát để tính mức giới hạn trên của xác suất tổn thất cho một lớp j cho trước (0 ≤ j ≤ n-2) là: ݌ܾ௨ ௝ ൌ ఉ൫௞,ఘ೙షభ,ೕ൯ି∑ ௖೔.௣௕ഋ೔ ೙షభ ೔సೕశభ ௖ೕ (5) ݌ܾ௟ ௝ ൌ Pఉ൫௞,ఘ೙షభ,ೕ,D൯ି∑ ௖೔.௣௕೗ ೔೙షభ ೔సೕశభ ௖ೕ (6) 4.4.4 FDL và hàng đợi trong mô hình M/M/k/D FDL không thể thực hiện mô hình một cách chính xác như một hàng đợi bởi vì hàng đợi trong mô hình M/M/k/D có thể lưu giữ bất kỳ chùm quang nào mà không cần quan tâm đến thời gian chặn của nó, trong khi FDL có thể loại bỏ một chùm quang nếu như thời gian chặn của chùm quang đó lớn hơn B. Từ đây ta có thể thấy rằng nếu như giá trị của B càng tăng thì sự khác biệt giữa chúng sẽ càng nhỏ lại. Hình 4.14 Sự khác biệt giữa FDL và hàng đợi [25] Nếu như không quan tâm đến giá trị của B, khoảng thời gian một FDL khả dụng có thể khác với thời gian khả dụng của hàng đợi trong mô hình M/M/k/D như mô tả ở trong hình 4.14. Cụ thể, nếu ta coi chùm quang I chỉ sử dụng bước sóng có sẵn như 84 hình 4.14a trong khi đó, chùm quang khác (II hoặc III) đến và sau đó chiếm giữ một FDL như trong hình 4.14b hoặc 4.14c. Trong mô hình M/M/k/D, một hàng đợi trở thành khả dụng đối với các chùm quang khác chỉ khi chùm quang I giải phóng bước sóng cho chùm II hoặc III. Ngược lại, đường FDL bị chùm quang II (hoặc III) chiếm và chỉ khả dụng khi đuôi của chùm đó đi vào FDL. Điều này nghĩa là thời điểm FDL khả dụng hoàn toàn phụ thuộc vào độ dài của chùm quang II (hoặc III) và có thể trễ hơn (hoặc sớm hơn) thời điểm hàng đợi có thể dùng được như hình 4.14b hoặc 4.14c. Do đó, từ những nhận xét ở trên ta có thể thấy được nếu như độ dài trung bình của chùm quang mà dài hơn thời gian chặn trung bình thì mô hình M/M/k/D có khuynh hướng cho ta một xác suất chùm quang bị chặn thấp hơn so với trường hợp sử dụng FDL. Trong trường hợp này, thời gian trễ tối đa B có liên quan một chút đến độ dài trung bình chùm quang, và khi số bước sóng k là nhỏ thì sẽ làm cho thời gian chặn trung bình dài hơn. Mặt khác, nếu như độ dài trung bình của chùm quang mà ngắn hơn so với trung bình thời gian bị chặn thì xác suất bị chặn có thể thấp hơn so với giá trị được dự đoán bởi mô hình M/M/k/D, và trong trường hợp này B là tương đối dài nếu so với độ dài trung bình chùm quang, và khi k là lớn sẽ làm cho thời gian chặn ngắn đi. 4.5 TỔNG KẾT CHƯƠNG Trong chương này chúng ta đã giới thiệu một giao thức hỗ trợ QoS trong mạng chuyển mạch chùm quang, đó là giao thức JET có ưu tiên (priority JET). Sau đó giới thiệu đến một số thuật toán lập lịch hỗ trợ QoS trong mạng này. Cuối cùng là mô hình QoS dựa trên thời gian offset, chức năng của các đường trễ quang FDL và một số tính toán hiệu năng theo xác suất mất thông tin và trễ hàng đợi. 85 Chương 5 MÔ PHỎNG MẠNG QUANG WDM Chương này sẽ đánh giá hiệu năng mạng WDM bằng cách sử dụng chương trình mô phỏng mạng quang WDM (Owns) dựa trên phiên bản ns-allinone-2.b16 chạy trên nền Rethat Linux. Hiệu năng của mạng được đánh giá thông qua các thông số về xác suất chặn, trễ trung bình gói tin, trung bình số hop và sự tận dụng liên kết. Phần đầu tiên sẽ giới thiệu một số thông tin về OWns với các khái niệm về kiến trúc và các thành phần của OWns. Sau đó sẽ trình bày các kết quả mô phỏng cũng như các phân tích đánh giá trong mạng WDM mô phỏng này. 5.1 THIẾT KẾ CỦA OWns OWns là sự phát triển mở rộng của chương trình mô phỏng mạng NS2, một chương trình mô phỏng được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực nghiên cứu mạng. Kiến trúc của OWns bao gồm các đặc điểm chính của mạng WDM bao gồm các thành phần như nút chuyển mạch quang OSN, các liên kết đa bước sóng, thuật toán định tuyến và gán bước sóng (RWA). Trong OWns, các tô pô vật lý và logic của mạng WDM đều được thực thi một cách lần lượt như lớp vật lý và lớp logic. Nó kế tục các mức trừu tượng đã có để xây dựng các mô hình chuyển mạch cụ thể của mạng WDM (ví dụ như chuyển mạch kênh) dựa trên nền tảng chuyển mạch gói của ns. Hơn thế nữa, nó đã phát triển them lớp lưu lượng để tạo ra lưu lượng phù hợp với các mô phỏng chuyển mạch kênh WDM. 5.1.1 Kiến trúc của OWns Kiến trúc của OWns được thiết kế để thỏa mãn các đặc tính chính của mạng WDM. Từ hình 5.1 ta có thể thấy các tôpô vật lý và lôgic của mạng WDM được thực thi như lớp vật lý và lớp logic. Trong lớp vật lý có các nút chuyển mạch quang OSN và 86 các đường liên kết quang đa bước sóng. Trong lớp logic chứa các modul định tuyến và modul gán bước sóng từ đó thiết lập được quang tuyến và tạo nên tô pô ảo. Hình 5.1 Kiến trúc OWns và các tầng [9] 5.1.2 Các thành phần của OWns Với nền tảng ns đã có, chúng ta cùng xem các thành phần hỗ trợ mô phỏng mạng WDM. OWns được thiết kế để hỗ trợ các thành phần sau: • Các liên kết quang đa bước sóng (multi-wavelength links): Công nghệ quang WDM sử nhiều bước sóng để truyền dữ liệu trên một liên kết quang. • Chuyển mạch/ bộ định tuyến quang (Optical swiches/Routers): Thành phần này cần để mô tả các nút trên mạng với nhiều mức độ chuyển đổi bước sóng. • Kiến trúc chuyển mạch (Switching architecture): thành phần này để hỗ trợ mạng chuyển mạch kênh và chuyển mạch chùm quang. 87 • Các mô hình thiết kế topô ảo (Virtual Topology Design Schemes): Tô pô ảo xây dựng các thuật toán dựa trên sự khám phá để hỗ trợ định tuyến trong mạng WDM. Tương ứng với các thuật toán này thì các tác nhân tô pô ảo cần phải được tích hợp vào framework. Hình 5.2 Các thành phần của OWns • Các hệ thống định tuyến (Routing schemes): Các thuật toán khác nhau cần phải được biến đổi để có thể làm việc với mạng WDM. • Tác nhân tích hợp dịch vụ/QoS (Intergrated sevices/QoS agent): Để nghiên cứu các kiến trúc hỗ trợ các dịch vụ tích hợp trên mạng quang WDM thì hệ thống phải hỗ trợ các tác nhân hỗ trợ QoS. Các tác nhân QoS có thể sử dụng các thuật toán dành riêng cho các mạng quang WDM để hỗ trợ QoS trong miền quang. • Thành phần ảo (Visualization component) : nam cần được mở rộng để có thể hình dung được các mô phỏng của mạng WDM. Hình dung được lưu lượng 88 mạng sẽ giúp hiểu tốt hơn sự tương tác giữa lưu lượng mạng truyền thống và lưu lượng trên đường trục chính WDM quang. 89 5.2 MẠNG MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 5.2.1 Cấu hình hệ thống mô phỏng Sau khi cài OWns vào ns-allinone-2.1b6 thì ta có thể bắt đầu tiến hành mô phỏng mạng. Hệ mô phỏng này dựa trên chuyển mạch kênh và thuật toán RWA với phương pháp định tuyến đường ngắn nhất cố định thay thế (fix-alternate shortest path) và gán bước sóng phù hợp đầu tiên (first-fit wavelength assignment), chúng ta sẽ đề cập đến bốn thông số hiệu năng chính: xác suất bị chặn, trễ trung bình của gói tin, số hop trung bình và sự tận dụng liên kết. Ngoài ra chúng ta cũng sẽ nghiên cứu ảnh hưởng của sự chuyển đổi bước sóng và lưu lượng tải đối với hiệu năng của mạng WDM được mô phỏng. Trước tiên cần phải nói rằng hệ số chuyển đổi bước sóng (wvlen_conv_factor) biểu thị tỷ lệ phần trăm số nút trong mạng có khả năng chuyển đổi bước sóng, và khoảng cách chuyển đổi bước sóng (wvlen_conv_dist) thể hiện khoảng hữu hạn của khả năng chuyển đổi bước sóng của một nút. Nội dung file chương trình mô phỏng này được trình bày trong phần phụ lục, nó bao gồm hai phần: phần đầu tiên là định nghĩa các thông số mô phỏng và phần còn lại thực hiện cấu hình hệ mô phỏng dựa trên các thông số đã có. Cụ thể, trong phần đầu tiên, tham số wnln_routing và wvln_assign lần lượt được gán giá trị WDMStatic và FirstFit để cấu hình các thuật toán định tuyến và gán bước sóng. Tham số về tô pô được định nghĩa ngay sau đó. Phần thứ hai kích hoạt tô pô và tạo lưu lượng cũng như các câu lệnh để thực hiện cảnh mô phỏng, trong đó cấu hình OWns để sử dụng các thuật toán định tuyến và gán bước sóng (dòng 32,33), tạo tô pô và lưu lượng mạng (dòng 36-49), xác định thời gian bắt đầu và kết thúc mô phỏng (dòng 52-58). 90 Hình 5.3 Ví dụ mô phỏng mạng với 25 nút 5.2.2 Kết quả Trong hệ mô phỏng này có hai mạng 100 nút, trong đó một mạng có các liên kết trong đó có 48 bước sóng và mạng kia có các liên kết chứa 64 bước sóng. Lớp vật lý được tạo bởi bộ tạo tôpô với khả năng kết nối mỗi nút có xác suất là 0.03 Khoảng cách chuyển đổi bước sóng là 4, mật độ lưu lượng hai chiều là 60% và định tuyến bước sóng đã được thực hiện trên cả đường ngắn nhất (shortest path – path 1) và đường thay thế (alternate path – path 2). Trong mô phỏng này có bốn đại lượng được đề cập đến trong mạng WDM mô phỏng này: xác suất bị chặn, trễ trung bình gói tin số hop trung bình và độ hiệu dụng của liên kết. 5.2.2.1 Ảnh hưởng của hệ số chuyển đổi bước sóng a. Xác suất bị chặn (Blocking probability) 91 Wavelength conversion factor Blocking probability (Load per traffic pair = 0.3 Erlangs) 48 wvlens (shortest path) 48 wvlens (alternate path) 64 wvlens (shortest path) 64 wvlens (alternate path) 0 0.86596e-1 0.28387e-1 0.63096e-2 0.12814e-2 0.2 0.77737e-1 0.22067e-1 0.49239e-2 0.93057e-3 0.4 0.72339e-1 0.19110e-1 0.45871e-2 0.74989e-3 0.6 0.64938e-1 0.12824e-1 0.39811e-2 0.56234e-3 0.8 0.60430e-1 0.12409e-1 0.39811e-2 0.56234e-3 1 0.52330e-1 0.83768e-2 0.27935e-2 0.33982e-3 Bảng 5.1 Xác suất bị chặn Hình 5.4 Mối quan hệ giữa xác suất bị chặn và hệ số chuyển đổi bước sóng Trong trường hợp này mối quan hệ giữa xác suất bị chặn và hệ số chuyển đổi được đề cập đến. Như kết quả trong bảng 5.1, xác suất bị chặn của đường 48 bước sóng cao hơn 92 so với 64 bước sóng đơn giản là vì nếu số bước sóng khả dụng càng lớn thì số yêu cầu bị chặn càng nhỏ đi. Hơn nữa, với các phương pháp định tuyến bước sóng khác nhau thì phương pháp định tuyến đường thay thế cho kết quả tốt hơn phương pháp định tuyến đường ngắn nhất, nêu hai phương pháp này sử dụng cùng số bước sóng. Như đã nói đến ở phần 2.1.2, phương pháp định tuyến đường ngắn nhất được coi là một tuyến đường ngắn nhất, ngược lại phương pháp định tuyến đường thay thế sẽ được coi là k tuyến đường và chỉ khi toàn bộ các tuyến đường này không thể sử dụng thì yêu cầu kết nối mới bị chặn. Do đó, phương pháp định tuyến đường ngắn nhất cho xác suất bị chặn cao hơn so với phương pháp định tuyến đường thay thế. Ngoài ra ta có thể thấy rằng xác suất bị chặn giảm dần theo độ tăng của hệ số chuyển đổi bước sóng. Điều này chứng minh sự phân tích trong phần 2.1.2 rằng sự chuyển đổi bước sóng sẽ nâng cao hiệu năng mạng là hoàn toàn đúng. b. Trễ trung bình của gói tin (Average packet delay) Wavelength conversion factor Average packet delay (Load per traffic pair = 0.3 Erlangs) 48 wvlens (shortest path) 48 wvlens (alternate path) 64 wvlens (shortest path) 64 wvlens (alternate path) 0 0.0688 0.0699 0.0691 0.0693 0.2 0.0701 0.0708 0.0692 0.0693 0.4 0.0705 0.0711 0.0693 0.0693 0.6 0.0715 0.0719 0.0693 0.0693 0.8 0.0716 0.0720 0.0693 0.0693 1 0.0734 0.0734 0.0693 0.0693 Bảng 5.2 Trễ trung bình gói tin Bảng 5.2 đánh giá hiệu năng mạng thông qua độ trễ trung bình của gói tin. Ta có thể thấy rằng độ trễ trung bình gói tin trong phương pháp định tuyến đường thay thế lớn 93 hơn so với phương pháp định tuyến đường ngắn nhất. Nguyên do là vì phương pháp định tuyến đường thay thế đầu tiên sẽ thực hiện tìm kiếm tuyến đường ngắn nhất, sau đó đến tuyến đường ngắn thứ hai… từng bước một trước khi truyền gói tin đi. Hơn nữa, cùng với sự tăng của hệ số chuyển đổi bước sóng thì số lượng tuyến đường có thể được chọn tăng lên làm cho gói tin phải chờ đợi lựa chọn đường, do đó làm cho thời gian trễ trung bình tăng lên. Hình 5.5 Mối quan hệ giữa hệ số chuyển đổi bước sóng và trễ trung bình gói tin c. Số hop trung bình (Average hop count) Về khía cạnh số hop trung bình, bảng 5.3 cho chúng ta thấy phương pháp định tuyến đường thay thế sẽ có số hop cao hơn so với phương pháp định tuyến đường ngắn nhất. Nguyên do là vì phương pháp định tuyến đường ngắn nhất sẽ lựa chọn tuyến ngắn nhất (số hop nhỏ nhất) để truyền gói tin. 94 Wavelength conversion factor Average hop count (Load per traffic pair = 0.3 Erlangs) 48 wvlens (shortest path) 48 wvlens (alternate path) 64 wvlens (shortest path) 64 wvlens (alternate path) 0 3.8545 3.9122 3.8737 3.8758 0.2 3.8558 3.9095 3.8737 3.8558 0.4 3.8579 3.90945 3.8737 3.8758 0.6 3.8632 3.9047 3.8737 3.8758 0.8 3.8737 3.9047 3.8737 3.8758 1 3.8695 3.8979 3.8737 3.8758 Bảng 5.3 Số hop trung bình Hình 5.6 Mối quan hệ giữa số hop trung bình và hệ số chuyển đổi bước sóng d. Độ hiệu dụng của liên kết (Link Utilization) 95 Wavelength conversion factor Link utilization (Load per traffic pair = 0.3 Erlangs) 48 wvlens (shortest path) 48 wvlens (alternate path) 64 wvlens (shortest path) 64 wvlens (alternate path) 0 0.3140 0.3265 0.2435 0.2440 0.2 0.3170 0.3265 0.2435 0.2440 0.4 0.3175 0.3265 0.2435 0.2440 0.6 0.3190 0.3265 0.2435 0.2440 0.8 0.3200 0.3265 0.2435 0.2440 1 0.3220 0.3265 0.2435 0.2440 Bảng 5.4 Mối quan hệ giữa độ hiệu dụng của liên kết với hê số chuyển đổi bước sóng Hình 5.7 Mối quan hệ giữa độ hiệu dụng của liên kết với hê số chuyển đổi bước sóng Hình 5.7 cho ta thấy hiệu năng trong trường hợp 64 bước sóng kém hơn so với mạng 48 bước sóng. Ngoài ra, hệ số chuyển đổi bước sóng không ảnh hưởng lớn đến độ hiệu dụng của liên kết. 96 5.2.2.2 Ảnh hưởng của tải lưu lượng đối với hiệu năng mạng a. Xác suất bị chặn Session Traffic Load Blocking probability (Wavelength conversion factor = 0.5) 48 wvlens (shortest path) 48 wvlens (alternate path) 64 wvlens (shortest path) 64 wvlens (alternate path) 0.05 0.15399e-3 0.56234e-4 0.39242e-4 0.80584e-5 0.15 0.42170e-3 0.12409e-3 0.42170e-4 1.00000e-5 0.25 0.31623e-1 0.56234e-2 0.74989e-3 0.13335e-3 0.35 0.11548 0.31623e-1 0.13335e-1 0.23718e-2 0.45 0.17783 0.86596e-1 0.56234e-1 0.11548e-1 0.5 0.20535 0.10746 0.74989e-1 0.17783e-1 Bảng 5.5 Xác suất bị chặn và tải lưu lượng Hình 5.8 Mối quan hệ giữa xác suất bị chặn và tải lưu lượng 97 Hình 5.8 mô tả ảnh hưởng của lưu lượng tải đối với xác suất bị chặn. Ta có thể thấy xác suất bị chặn tăng lên đáng kể khi lưu lượng tải tăng. Khi trong mạng có lưu lượng tải tăng thì càng có nhiều gói tin bị chặn do không đủ tài nguyên (ví dụ: bước sóng) để hỗ trợ lưu lượng đó. b. Trễ trung bình gói tin Session Traffic Load Average packet delay (Wavelength conversion factor = 0.5) 48 wvlens (shortest path) 48 wvlens (alternate path) 64 wvlens (shortest path) 64 wvlens (alternate path) 0.05 0.0694 0.0694 0.0694 0.0694 0.15 0.0693 0.0693 0.0693 0.0693 0.25 0.0700 0.0703 0.0693 0.0693 0.35 0.0720 0.0731 0.0696 0.0696 0.45 0.0738 0.0765 0.0708 0.0710 0.5 0.0740 0.0783 0.0715 0.0720 Bảng 5.6 Trễ trung bình gói tin và tải lưu lượng biến đổi Hình 5.9 Mối quan hệ giữa tải lưu lượng và trễ trung bình gói tin 98 Từ hình 5.9 trên ta có thể thấy được là lưu lượng tải ảnh hưởng rất lớn đến trễ trung bình gói tin. Lý do tương tự như phần trước, đó là khi lưu lượng tăng thì số gói tin bị trễ tăng lên vì tài nguyên trong mạng không đổi. c. Số hop trung bình Session Traffic Load Average hop count (Wavelength conversion factor = 0.5) 48 wvlens (shortest path) 48 wvlens (alternate path) 64 wvlens (shortest path) 64 wvlens (alternate path) 0.05 3.874 3.874 3.874 3.874 0.15 3.872 3.872 3.872 3.872 0.25 3.876 3.890 3.870 3.876 0.35 3.868 3.925 3.848 3.880 0.45 3.865 3.960 3.820 3.900 0.5 3.860 3.970 3.806 3.814 Bảng 5.7 Số hop trung bình Hình 5.10 Mối quan hệ giữa lưu lượng tải và số hop trung bình 99 Từ hình trên ta thấy rằng ảnh hưởng của lưu lượng đối với mỗi hệ thống là khác nhau. Điều này có nghĩa là lưu lượng tải tăng sẽ ảnh hưởng đến số hop trung bình trên từng hê thống với tỉ lệ khác nhau. d. Độ hiệu dụng liên kết Session Traffic Load Link utilization (Wavelength conversion factor = 0.5) 48 wvlens (shortest path) 48 wvlens (alternate path) 64 wvlens (shortest path) 64 wvlens (alternate path) 0.05 0.065 0.065 0.050 0.050 0.15 0.180 0.180 0.140 0.140 0.25 0.280 0.280 0.215 0.214 0.35 0.350 0.365 0.275 0.275 0.45 0.400 0.440 0.320 0.330 0.5 0.420 0.465 0.340 0.355 Bảng 5.8 Mối tương quan giữa tải lưu lượng và độ hiệu dụng liên kết Hình 5.11 Mối tương quan giữa tải lưu lượng và độ hiệu dụng liên kết 100 Từ hình 5.11 trên ta thấy khi lưu lượng tải tăng lên thì độ hiệu dụng của liên kết cũng tăng lên theo. Nguyên nhân là do khi lưu lượng tăng lên sẽ kéo theo có nhiều bước sóng được sử dụng để truyền dữ liệu nên độ hiệu dụng của liên kết sẽ được tăng lên. 5.2.3 Nhận xét về kết quả mô phỏng Từ các kết quả trên ta có thể thấy được hiệu năng của mạng WDM được mô phỏng thông qua xác suất bị chặn, trễ trung bình gói tin, số hop trung bình và độ hiệu dụng của liên kết. Tổng kết lại, bảng 5.1 và 5.5 cho ta thấy số bước sóng và hệ số chuyển đổi bước sóng lớn kết hợp với phương pháp định tuyến đường thay thế sẽ làm giảm giá trị xác suất bị chặn. Bảng 5.2 và 5.6 thể hiện rằng trễ trung bình của gói tin có thể giảm bẳng cách sử dụng liên kết nhiều bước sóng và chọn phương pháp định tuyến đường ngắn nhất. Tuy nhiên, bảng 5.4 và 5.8 cho ta thấy số bước sóng lớn sẽ làm giảm độ hiệu dụng của liên kết trong mạng WDM. Do đó, tùy thuộc yêu cầu đối với mạng WDM mà ta có thể lựa chọn các thông số phù hợp để đạt được hiệu năng cao nhất. 101 KẾT LUẬN Trong luận văn này đã đề cập đến một số vấn đề công nghệ truyền dẫn IP trong mạng WDM như các thành phần chính và các kỹ thuật trong mạng WDM, kiến trúc và các kỹ thuật tích hợp IP và mạng WDM. Luận văn cũng đề cập đến các công nghệ chuyển mạch mạch trong mạng WDM, đặc biệt là về công nghệ chuyển mạch chùm quang (OBS). Phần tiếp theo, cũng là nội dung chính của luận văn này là đi vào tìm hiểu về hiệu năng chất lượng dịch vụ (QoS) trong mạng IP trên WDM, tập trung chủ yếu vào mạng sử dụng chuyển mạch chùm quang. Cụ thể, luận văn đã tìm hiểu, đánh giá hiệu năng của một số giải thuật lập lịch kênh trong mạng WDM sử dụng chuyển mạch chùm quang. Sau đó, luận văn đề cập đến vấn đề cung cấp QoS trong mạng WDM sử dụng chuyển mạch chùm quang với các đường trễ quang giới hạn (FDL). Đây là mô hình QoS dựa trên thời gian offset để phân biệt các lớp lưu lượng bằng cách sử dụng bộ đệm quang. Phần cuối của luận văn mô tả cách xây dựng hệ thống mô phỏng mạng WDM và sử dụng hệ thống mạng này để nghiên cứu hiệu năng mạng thông qua các thông số xác suất chặn gói tin, trễ trung bình của gói tin, số hop trung bình, và độ hiệu dụng của liên kết. Trong mạng mô phỏng này có sử dụng hai phương pháp định tuyến bước sóng là định tuyến đường ngắn nhất và định tuyến đường thay thế cố định. Từ các kết quả thu được, ta có thể kết luận rằng với mạng sử dụng nhiều bước sóng cho định tuyến và gán bước sóng sẽ giúp làm giảm xác suất gói tin bị chặn nhưng độ hiệu dụng của liên kết thấp. Để có được một hệ thống mạng có hiệu năng cao, nghĩa là có xác suất mất gói tin thấp và độ hiệu dụng của liên kết cao, cần phải tính toán số bước sóng trên mỗi liên kết trong mạng cho phù hợp với yêu cầu của mạng. Hệ thống OWns trong phần mô phỏng mới chỉ giúp cho việc nghiên cứu các thông số cơ bản của mạng WDM. Các vấn đề về chuyển mạch gói quang, chuyển mạch 102 chùm quang và chuyển mạch nhãn đa giao thức chưa được hỗ trợ đầy đủ trong hệ thống này. Chính vì vậy kết quả đánh giá mô phỏng mạng WDM trong luận văn chỉ mang tính chất tham khảo chung với mạng WDM cơ bản chứ chưa thể hiện được các vấn đề hiệu năng QoS trong truyền IP trên mạng WDM sử dụng chuyển mạch chùm quang (OBS) như trong phần chính của luận văn đề cập đến. Đây cũng chính là hướng nghiên cứu sau này của đề tài với nền tảng OWns có thể hỗ trợ các mạng chuyển mạch chùm quang cũng như các mô hình QoS cho các dịch vụ tích hợp. 103 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Đỗ Văn Việt Em (2007), Giáo trình Kỹ thuật thông tin quang 2, Học viện công nghệ bưu chính viễn thông. Tiếng Anh [2] Ayman, K., Tamer, K., Amr, M. & Hussein, A. (2002), “Quality-of-Service Mechanisims in IP-over-WDM Networks”, IEEE Communications Magazine, vol. 40 Issue: 12 , pp 38 –43. [3] A. Gencata & B. Mukherjee (2002), “Virtual-topology for WDM mesh networks under dynamic traffic”, Proc., IEEE INFOCOM, New York, Jun. 2002. [4] Braden, R., et al.(1997), Resource Reservation Protocol (RSVP) --- Version 1 Functional Specification: RFC 2205. [5] B.Ramamurthy & B. Mukherjee (1998), “Wavelength conversion in optical networks: progress and challenges”, IEEE J. Selected Areas in Commun., vol. 16, no. 7, pp. 1040-1050. [6] Bonenfant, P., & A. Rodriguez- Moral (2000), Optical Data Networking, IEEE Communications Magazine, vol. 38, no. 3, pp.72-84. [7] B. Mukherjee, D. Banerjee, S. Ramamurthy, & A. Mukherjee (1996), “Some principles for designing a wide-area WDM optical network”, IEEE/ACM Trans. On Networking, vol. 4, no. 5, pp. 684-696. [8] B. Mukherjee (1997), Optical Communication Networks, McGraw-Hill, New York. [9] B.Wen, N.M. Bhide, R.K.Shenai and K.M.Sivalingam (2000), Optical Wavelength Division Multiplexing (WDM) network simulator (OWns): Architecture and performance studies, First workshop on optical networks, (Dallas, TX). [10] Cisco (2001), Introduction to DWDM technology, Cisco System Inc. 104 [11] Cisco document, Fundamentals of DWDM technology, univercd/cc/td/doc/product/mels/cm1500/dwdm/dwdm_ovr.htm [12] C. Qiao (2000), “Labeled optical burst switching for IP-over-WDM integration”, Comm. Mag., IEEE , Vol. 38 Issue: 9 , pp. 104 -114. [13] C. Qiao & M. Yoo(1999), Optical burst switching (OBS) - a new paradigm for an Optical Internet, J. High Speed Networks (JHSN), vol. 8, no. 1, pp. 69–84. [14] T. Khattab et al.(2002), “Optical packet switching with packet aggregation”, Proc. SoftCOM 2002. [15] C. Ramaswami & K. Sivarajan (1995), Optical Routing and Wavelength Assignment in large wavelength-route optical networks, IEEE/ACM Trans. Networking, vol. 3, no. 5, pp.489-500. [16] C. Qiao & M. Yoo (2000), choices, features, and issues in optical burst switching, Opt. Net. Mag., vol. 1, no. 2, pp. 36-44. [17] C.Qiao, M.Yoo, Just-Enough-Time (JET): A high speed protocol for burst traffic in optical network, IEEE [18] D. Banerjee & B. Mukherjee (1996), A practical approach for routing and wavelength assignment in large wavelength-router optical networks, IEEE J. Selected Areas in Commun., Special Issue on Optical Networks, vol.16, no. 5, pp. 903-908. [19] Ding, Z. & Mounir, H., (2003), “Optical network resource management and allocation”, in The hand book of optical communication networks, eds M. Ilyas & H. T. Mouftah, CRC Press LLC, MA., pp. 149-175. [20] D. Awduche (1999), MPLS and Traffic Engineering in IP Networks, IEEE Commun. Mag. [21] K.C.Chua, M.Gurusamy, Y.Liu, M.H.Phung, Quality of service in optical burst switched networks, pp 35-47, Springer press, 2007. 105 [22] J. S. Turner(1997), Terabit Burst Switching, Tech. rep. WUCS-97-49, Dept. of Comp. Sci., Washington Univ. [23] Klinkowski, M.; Marciniak, M.( 2001), development of IP/WDM optical networks, 3rd International Workshop on, May. 2001, pp. 84 [24] M. Yang, S.Q. Zheng, & D. Verchere(2001), A qos supporting scheduling algorithm for optical burst switching in dwdm networks, Proceedings of GLOBECOM 2001, pp. 86-91. [25] M.Yoo, C.Qiao, S.Dixit.(2000), “Qos Performance in IP over WDM Networks”, Selected Areas in Communications, IEEE Journal vol: 18, pp. 2062 –2071. [26] M.Yoo, C.Qiao, S.Dixit (2000), “The effect of limited fiber delay lines on QoS performance of optical burst switched WDM networks Communications”, 2000. ICC 2000. 2000 IEEE International Conference on, vol. 2 , pp. 974 -979. [27] M. Yoo & C. Qiao (1997), “Just-enough-time (JET): a high speed protocol for bursty traffic in optical networks”, in IEEE/LEOS Technologies for a Global Information Infrastructure. [28] M. Yoo & C. Qiao (1998), “A new optical burst switching protocol for supporting quality of service”, in SPIE Proceedings, All Optical Networking: Architecture, Control and Management Issues, vol. 3531, pp. 396–405. [29] M. Yoo, M. Jeong, & C. Qiao 1997), A high-speed protocol for bursty traffic in optical networks, in SPIE Proceedings, All Optical Communication Systems: Architecture, Control and Network Issues, vol. 3230, pp. 79–90. [30] N.Ghani, S. Dixit, & T. S. Wang (2000), On IP-over-WDM integration, IEEE Commun. Mag., vol. 4, no. 5, pp. 72-84. [31] N. M. Bhide (2001), Network protocols and algorithms for next generation optical Wavelength division multiplexed networks, Wash. State Univ. [32] G.N. Rouskas, Routing and Wavelength assignment in optical WDM network 106 [33] S. Ramamurthy & B. Mukherjee (1998), “fixed-alternate routing and wavelength conversion in wavelength-route optical networks”, IEEE Globecom, Sydney, vol. 4, pp. 2295-2302. [34] T.P. Yum & K. Chan (1994), Analysis of least congested path routing in WDM lightwave networks, Proc., IEEE INFOCOM ’94, Toronto, Canada, vol. 2, pp. 962-969. [35] Verma, S., Chaskar, H., & Ravikanth, R.(2000), Optical burst switching: a viable solution for terabit IP backbone, IEEE Network, vol. 14, pp. 48-53. [36] W. Kim, Lee B. G (2002), Integrated broadband network: TCP/IP, ATM, SDH/SONET, and WDM/Optics, ARTECH HOUSE, INC., MA 107 PHỤ LỤC Mã nguồn chương trình mô phỏng mạng WDM : OWns.tcl # Define Simulation Variables set val(result file) "demo.res" ;# result file set val(wvlen routing) WDMStatic ;# wvlen routing protocol set val(wvlen assign) FirstFit ;# wvlen assignment protocol set val(shortest path num) 1 ;# number of the shortest path set val(node num) 100 ;# total nodes number in network set val(conn prob) 0.03 ;# nodes connection prob. set val(topo seed) 98765 ;# seed to generate random topology set val(link bw) 16Mb ;# bandwidth of link set val(link wvlen num) 48 ;# wavelengths number on each link set val(wvlen conv factor) 0.6 ;# wvlen conversion factor, between 0 and 1 set val(wvlen conv dist) 4 ;# wvlen conversion distance, <= wvlen num set val(wvlen conv time) 0.024 ;# wvlen conversion time (relative time) set val(traf density) 0.6 ;# generated traffic density in networks set val(traf arrival rate) 0.3 ;# mean of each session arrival rate set val(traf holding time) 1.0 ;# mean of each session holdingtime set val(traf pkt size) 1000 ;# session-traffic packet size set val(traf pkt rate) 1Mb ;# session-traffic packet arrival rate set val(traf type) Exponential ;# session-traffic type in network set val(traf exp burst time) 0.7 ;# expoo traffic average burst time set val(traf exp idle time) 0.1 ;# expoo traffic average idle time set val(traf max req) 1000 ;# max traffic requests number set val(traf start time) 0.0 ;# session-traffic starting time set val(traf stop time) 1.0 ;# session-traffic stoping time # Create a simulator object set ns [new Simulator] # Wvlen routing protocol and assigning mechanism $ns wrouting-proto $val(wvlen routing) 108 $ns wassign-proto $val(wvlen assign) # Generate the topology creation script topology -outfile $val(topofile) -nodes $val(node num) -connection prob $val(conn prob) -seed $val(topo seed) # Generate the traffic creation script traffic $val(traf type) $val(node num) $val(traf num) $val(traffile) # Create random topology create-topology ns WDMNode SessionTrafficRcvr $val(link bw) $val(link wvlen num) $val(wvlen conv factor) $val(wvlen conv dist) $val(wvlen conv time) $val(wvlen alloc path2) $val(util sample interval) $val(traf max req) # Create random traffics create-traffic ns traffic WDMNode SessionTrafficRcvr $val(node num) $val(traf num) $val(traf pkt size) $val(traf pkt rate) $val(traf arrival rate) $val(traf holding time) $val(traf exp burst time) $val(traf exp idle time) # Schedule session traffics for f set i 0 g f $i < $val(traf num) g f incr i g f $ns schedule-sessiontraffic $traffic($i) $val(traf start time) $val(traf stop time) # Schedule ns stop if f $val(traf stop time) > 0 g f $ns at [expr $val(traf stop time) + 1.0] "finish" # before ns runs, prepare wassignlogic $ns pre-run-wassignlogic $ns run 109 109 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -------------------------------------------- LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG IP TRÊN WDM NGÀNH: XỬ LÝ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG MÃ SỐ: 00826C68 ĐỐ SINH TRƯỜNG Người hướng dẫn khoa học: GS -TS. NGUYỄN THÚC HẢI HÀ NỘI 2008

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfChất lượng dịch vụ trong mạng IP trên WDM-.pdf
Luận văn liên quan