Chương 1: "Tổng quan về lập lịch trong mạng chuyển mạch chùm quang" trình bày các kiến thức cơ bản về mạng chuyển mạch chùm quang bao gồm lịch sử phát triển của truyền thông quang, các mô hình chuyển mạch quang, kiến trúc mạng chuyển mạch chùm quang, các hoạt động bên trong mạng và tổng quan về các hướng tiếp cận lập lịch trong mạng chuyển mạch chùm quang. • Chương 2: "Một cải tiến giải thuật lập lịch trực tiếp kết hợp với lập lịch lại và phân đoạn chùm" trình bày tổng hợp các nghiên cứu trước đây về 5 mô hình kết hợp giữa lập lịch trực tiếp, lập lịch lại và phân đoạn chùm. Trên cơ sở các phân tích, so sánh và đánh giá, Luận án đề xuất một cải tiến lập lịch trực tiếp kết hợp với lập lịch lại và phân đoạn chùm nhằm giảm xác suất mất gói tin, giảm số chùm phải lập lịch lại và giảm số chùm bị phân đoạn. • Chương 3: "Một số cải tiến giải thuật lập lịch nhóm trên đơn kênh" trình bày tổng hợp các nghiên cứu liên quan đến lập lịch nhóm trong trường hợp không sử dụng chuyển đổi bước sóng.
Trên cơ sở các phân tích, so sánh và đánh giá, Luận án xây dựng mô hình lập lịch nhóm, đề xuất một số giải thuật cải tiến về lập lịch nhóm trên đơn kênh nhằm nâng cao hiệu suất lập lịch bao gồm: giảm xác suất mất mát dữ liệu, giảm độ phức tạp giải thuật và tăng tính thích nghi mô hình lập lịch chuyển biến theo lưu lượng chùm đến. • Chương 4: "Một số cải tiến giải thuật lập lịch nhóm trên đa kênh" trình bày tổng hợp, phân tích, so sánh và đánh giá các nghiên cứu liên quan đến lập lịch nhóm có sử dụng bộ chuyển đổi bước sóng đầy đủ. Từ đó Luận án đề xuất một số giải thuật lập lịch nhóm trên đa kênh theo hai hướng tiếp cận: tối ưu kết quả lập lịch và heuristic nhằm nâng cao hiệu suất lập lịch bao gồm: giảm xác suất mất mát dữ liệu, giảm độ phức tạp giải thuật, giảm độ phức tạp hệ thống và thực tế có thể triển khai trên mạng OBS. Đóng góp của Luận án Các đóng góp chính của Luận án bao gồm: • Đề xuất giải thuật lập lịch trực kết hợp lập lịch lại và phân đoạn chùm iCSA[CT2].
• Đề xuất giải thuật lập lịch nhóm trên đơn kênh LGS[CT8] và các cải tiến LGS-VF[CT4], LAGS[CT5], LAGS-VF[CT7]. • Đề xuất giải thuật lập lịch nhóm trên đa kênh OPT-GS theo hướng tiếp cận tối ưu và LGS-MC[CT6], LGS-MC-VF[CT3], MWC-GS[CT1], MWC- VF-GS[CT1] theo hướng tiếp cận heuristic. TỔNG QUAN VỀ LẬP LỊCH TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG 1. Tóm lược lịch sử phát triển của truyền thông quang Trong hơn hai thập kỷ qua, mạng truyền thông đã có một sự tăng trưởng mạnh mẽ.
Việc mở rộng nhanh chóng phạm vi bao phủ, cùng với sự bùng nổ các loại hình dịch vụ yêu cầu nhiều băng thông cao như truyền hình Internet (IPTV ), video theo yêu cầu (VoD), điện thoại Internet (VoIP ). đã làm tăng áp lực nhu cầu băng thông mạng; trong khi khả năng truyền tải của sợi cáp đồng đã đạt đến ngưỡng tới hạn. Điều này đòi hỏi phải phát triển những công nghệ truyền dẫn mới có khả năng đáp ứng những nhu cầu ngày càng cao không chỉ cho hiện tại mà cho cả tương lai. Mạng sợi quang [27], [8], [31] đã được công nhận như một giải pháp tốt nhất có thể đáp ứng những yêu cầu của các dịch vụ băng thông cao nhờ vào những đặc tính có lợi của sợi quang, như độ suy giảm thấp, tiềm năng băng thông rất lớn và khả năng miễn nhiễm đối với nhiễu điện từ.
Theo lý thuyết mỗi sợi dẫn quang (hay sợi quang) có thể hỗ trợ băng thông lên đến 50Tb/s [31]. Ngoài ra sợi quang có chi phí sản xuất và độ lỗi bit khá thấp (khoảng 10−2 dB ). Quá trình phát triển của mạng sợi quang có thể chia thành 3 giai đoạn chính. Thế hệ đầu tiên của mạng sợi quang bao gồm các liên kết WDM điểm-nối-điểm (point-to-point WDM links), mà tại đó tín hiệu quang đến tại một nút được chuyển đổi từ quang sang điện (Optical-to-Electrical ), được xử lý trong miền điện và được chuyển đổi ngược lại từ điện sang quang (Electrical-to-Optical ) trước khi truyền đến nút khác.
Việc tách (dropping) và thêm (adding) lưu lượng tại các nút trong mạng do đó phải chịu thêm độ phức tạp và chi phí xử lý điện tử, đặc biệt phần lớn các lưu lượng chỉ chuyển tiếp qua các nút này. Để giảm thiểu chi phí, các thiết bị toàn quang (all-optical ) có thể được sử dụng. 7 Kiến trúc mạng quang thế hệ thứ hai dựa trên các bộ thêm/tách bước sóng (Wavelength Add-Drop Multiplexers) [37], [12], [31], trong đó lưu lượng có thể được thêm và tách tại các bộ WADM. Các bộ WADM cho phép lựa chọn kênh bước sóng kết thúc tại nút này trên một sợi quang, trong khi để các bước sóng khác chuyển tiếp qua mà không chịu một xử lý nào.
Nhìn chung, lượng lưu chuyển tiếp qua các nút trong mạng phổ biến hơn so với lượng lưu được thêm/tách tại một nút cụ thể. Do đó, bằng cách sử dụng các bộ WADM, tổng chi phí của mạng có thể được giảm. Các bộ WADM chủ yếu được sử dụng để xây dựng các mạng WDM hình vòng (ring), loại mạng dự kiến sẽ được triển khai tại các khu vực đô thị. Việc xây dựng một mạng hình lưới (mesh) bao gồm các sợi quang hỗ trợ đa bước sóng và các thiết bị kết nối sợi quang thích hợp là cần thiết.
Kiến trúc mạng quang thế hệ thứ ba dựa trên các thiết bị kết nối toàn quang. Các thiết bị này có thể chia thành 3 nhóm: các bộ chia hình sao thụ động (passive star couplers), các bộ định tuyến thụ động (passive routers) và các bộ chuyển mạch chủ động (active switches). Các bộ chia hình sao là một thiết bị phát sóng. Một tín hiệu đến trên một bước sóng nào đó tại một cổng vào của bộ chia sẽ được chia đều về mặt năng lượng (power ) đến tất cả các cổng ra.
Một bộ định tuyến thụ động có thể định tuyến một cách riêng biệt mỗi bước sóng đến trên một sợi quang vào đến một sợi quang ra trên cùng bước sóng. Bộ định tuyến thụ động là một thiết bị tĩnh, do đó cấu hình tuyến cố định. Một chuyển mạch chủ động cũng định tuyến các bước sóng từ sợi quang vào đến sợi quang ra và có thể hỗ trợ nhiều kết nối đồng thời. Không giống như bộ định tuyến thụ động, bộ chuyển mạch chủ động có thể được cấu hình lại để thay đổi mô hình kết nối của các bước sóng vào và ra.
Trong các mạng quang thế hệ thứ ba, dữ liệu được phép chuyển tiếp qua các nút trung gian mà không trải qua bất kỳ một chuyển đổi quang-điện-quang (Optical-Electrical-Optical ) nào, do đó làm giảm chi phí liên quan đến việc cung cấp các chuyển mạch và định tuyến điện tử tốc độ cao tại mỗi nút. Các hệ thống mạng toàn quang đang nổi lên, dự kiến sẽ cung cấp các kết nối chuyển mạch kênh quang (Optical Circuit Switching) hoặc đường quang(lightpaths) giữa các bộ định tuyến biên qua một mạng lõi quang [37], [3]. Bởi vì các kết 8 nối OCS là khá tĩnh, chúng có thể không thích ứng với bản chất bursty của lưu lượng của Internet một cách hiệu quả. Một cách lý tưởng, để cung cấp khả năng sử dụng mạng lõi quang cao nhất, các nút cần có khả năng chuyển mạch gói quang (Optical Packet Switching) [73], [1].
Tuy nhiên OPS chưa thể khả thi trong một tương lai gần do hạn chế về mặt công nghệ. Một thay thế đối với chuyển mạch kênh quang và chuyển mạch gói quang là chuyển mạch chùm quang (Optical Burst Switching) [46], [64], [8], [14], [12]. Các mô hình chuyển mạch quang Các mô hình chuyển mạch quang có thể được chia thành 3 loại: chuyển mạch kênh quang [37], [3], chuyển mạch gói quang [73], [1] và chuyển mạch chùm quang [46], [64], [8], [14], [12], mà mỗi mô hình này sẽ đươc mô tả chi tiết trong các mục tiếp theo. Chuyển mạch kênh quang Chuyển mạch kênh quang hay còn gọi là định tuyến bước sóng quang, trong đó một đường quang (lightpath) được thiết lập giữa cặp nút nguồn - đích trước khi truyền dữ liệu (Hình 1.
Như vậy các nút trung gian không cần thực hiện những công việc phức tạp như xử lý phần điều khiển (header ) hay lưu tạm (buffering) phần dữ liệu. Một đường quang sẽ cung cấp một kết nối mà nó có thể đi qua nhiều liên kết quang trong mạng chuyển mạch kênh quang (mạng OCS). Khả năng chuyển đổi bước sóng của mỗi nút quang sẽ cho phép các liên kết quang nối tiếp nhau mang các bước sóng khác nhau. Trong mạng OCS băng thông được cấp phát là tĩnh (cố định) nên không thích ứng với lưu lượng thay đổi liên tục trên mạng Internet.
Với một số bước sóng giới hạn cho trước, chỉ một số lượng đường quang hạn chế được thiết lập tại cùng một thời điểm. Nếu lưu lượng thay đổi liên tục khi được truyền qua các đường quang tĩnh thì sẽ làm việc tận dụng băng thông trở nên kém hiệu quả. Để có thể đáp ứng được yêu cầu về băng thông lớn trong mạng đô thị và mạng diện rộng, những phương thức truyền tải phải hỗ trợ việc dự trữ tài nguyên và có khả năng thích ứng được sự đột biến lưu lượng. Tuy nhiên nếu cố gắng thiết lập các đường quang một cách động, thông tin trạng thái của mạng sẽ thay đổi liên tục gây khó khăn trong việc cập nhật trạng thái của mạng.
Hơn nữa, việc 9 Hình 1.1: Kiến trúc mạng chuyển mạch kênh quang đặt trước tài nguyên trong mạng OCS là hai chiều trong đó khi nguồn gửi một yêu cầu thiết lập đường quang, một xác nhận từ đích sẽ được gửi về là kết nối đã được thiết lập với dung lượng không xác định trước được. Do vậy việc sử dụng băng thông là không hiệu quả. Chuyển mạch gói quang Chuyển mạch gói quang là một mô hình chuyển mạch cho phép chuyển mạch và định tuyến của các gói tin IP trong miền quang mà không cần một chuyển đổi nào về miền điện tử tại mỗi nút. Một nút mạng chuyển mạch gói quang(mạng OPS) có một ma trận chuyển mạch (switching fabric) có khả năng cấu hình lại đối với từng gói tin.
Các gói quang được gửi đi cùng với phần điều khiển (header ) mà không cần bất kỳ thiết lập nào trước khi vào mạng. Tại mỗi nút lõi, gói tin được lưu tạm ở một bộ đệm quang, trong khi phần điều khiển được chuyển đổi từ quang sang điện và được xử lý trong miền điện.
