Chương 1 “Tổng quan về công bằng trong mạng chuyển mạch chùm quang” giới thiệu về các mô hình chuyển mạch trong truyền thông quang, nguyên tắc hoạt động của mạng OBS và vấn đề công bằng luồng trong mô hình mạng này. Trên cơ sở phân tích và đánh giá các giải pháp xử lý không công bằng khác nhau trong mạng OBS, các vấn đề nghiên cứu của luận án được xác định trong chương này. Chương 2 “Tập hợp chùm giảm độ trễ và công bằng độ trễ” trình bày các cải tiến và đề xuất mới của luận án về tập hợp chùm giảm độ trễ và công bằng độ trễ bao gồm: (1) giải pháp tập hợp chùm giảm độ trễ iBADR và OBADR khi xem xét trên từng hàng đợi tập hợp chùm và (2) đề xuất mô hình tập hợp chùm với điều khiển công bằng độ trễ BADF khi xem xét đồng thời trên các hàng đợi có mức ưu tiên khác nhau. Chương 3 “Công bằng thông lượng dựa trên cấp phát băng thông và đắp chùm” trình bày đề xuất giải pháp điều khiển công bằng thông lượng TFBA áp dụng 5 được cho nhiều loại luồng đến khác nhau và đề xuất mô hình đắp chùm sau tập hợp QDBAP nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng băng thông và tăng tính công bằng thông lượng.
“Kết luận và hướng phát triển của luận án” nêu những đóng góp của luận án và hướng phát triển. TỔNG QUAN VỀ CÔNG BẰNG TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG Sự gia tăng nhanh chóng của các dịch vụ “đói” băng thông trong thời gian gần đây đã đặt ra một nhu cầu lớn về băng thông, vốn đã vượt quá khả năng đáp ứng của cơ sở hạ tầng truyền thông Internet hiện có. Tăng khả năng băng thông và giảm chi phí truyền thông đang là động lực cho việc phát triển Internet toàn quang thế hệ mới. Đã có một số đề xuất nhằm tận dụng các lợi thế của truyền thông quang, trong đó các mô hình chuyển mạch quang được đặc biệt quan tâm.
Đề xuất đầu tiên là mô hình chuyển mạch kênh quang (OCS) dựa trên việc định tuyến bước sóng theo một đường quang (lightpath) duy nhất được thiết lập sẵn trên mỗi liên kết từ nguồn đến đích. Một thay thế cho mô hình OCS là chuyển mạch gói quang (OPS), trong đó phần điều khiển của gói quang được chuyển đổi quang/điện/quang (O/E/O) và được xử lý trong môi trường điện tại mỗi nút trung gian, trong khi phần dữ liệu phải chờ một khoảng thời gian nhất định để được chuyển tiếp đến nút tiếp theo [9], [65]. Nhằm cung cấp một cơ sở hạ tầng Internet toàn quang khả thi và linh hoạt, mô hình chuyển mạch chùm quang (OBS) do đó đã được đề xuất [16], [25] với hai đặc điểm khác biệt quan trọng: Dữ liệu đến từ các mạng truy cập được tập hợp (gộp) thành các chùm (burst) tại nút biên vào của mạng OBS và có thể được ghép kênh theo các cấp độ khác nhau. Dữ liệu và gói điều khiển được truyền trên các kênh (bước sóng) tách biệt nhau và chỉ có kênh điều khiển phải chịu chi phí chuyển đổi O/E/O.
Chương này của luận án đầu tiên sẽ giới thiệu các mô hình chuyển mạch khác nhau trong truyền thông quang và lý do vì sao OBS là khả thi đối với Internet toàn quang thế hệ tiếp theo. Nguyên tắc hoạt động và các hoạt động bên trong của mạng OBS, như tập hợp, báo hiệu, lập lịch và xử lý tắc nghẽn chùm, sẽ được trình bày tiếp theo, trong đó các giải thuật tập hợp chùm và đặc điểm của luồng sau khi tập hợp sẽ được tập trung mô tả. Các vấn đề công bằng luồng, bao gồm công bằng độ trễ, công 7 bằng thông lượng và công bằng khoảng cách trong mạng OBS theo đó sẽ được phân tích để chỉ ra rằng có một nhu cầu cần có thêm các nghiên cứu mới để tìm ra các giải pháp nhằm đảm bảo và nâng cao hiệu quả công bằng truyền thông trong mạng OBS.1 Các mô hình chuyển mạch trong truyền thông quang Những cải tiến gần đây của kỹ thuật ghép kênh đa bước sóng (WDM) đã cho phép một sợi quang có thể mang đến 256 bước sóng độc lập [1]. Kết quả thực nghiệm của NEC và Alcatel cho thấy rằng mỗi bước sóng có thể truyền dữ liệu với tốc độ 10Tps.
Tuy nhiên, vấn đề đặt ra là việc chuyển đổi dữ liệu giữa hai miền quang và điện đã tạo nên hiện tượng thắt nút cổ chai. Để đạt được tiềm năng về băng thông và các lợi ích của mạng ghép kênh đa bước sóng mang lại thì việc chuyển đổi này phải được tối thiểu hóa. Một vài công nghệ chuyển mạch quang đã được đề xuất nhằm tận dụng lợi thế về khả năng truyền tải tốc độ cao của sợi quang. Những tiếp cận sớm liên quan đến mạng chuyển mạch kênh quang (OCS), trong đó các đường quang (lightpath) điểm–điểm thường được thiết lập trong khoảng thời gian tương đối dài.
Mạng OCS dùng cách truyền gói tin theo kiểu lưu trữ và chuyển tiếp, trong đó mỗi bộ chuyển tiếp (chuyển mạch) quang thực hiện những hoạt động chuyển đổi tín hiệu quang/điện/quang (O/E/O). Tuy nhiên mạng OCS sớm bộc lộ các hạn chế như không dễ dàng hỗ trợ những biến đổi lưu lượng của mạng hoặc những yêu cầu kết nối thay đổi thường xuyên. Giao thức IP đã trở thành một giao thức có ảnh hưởng lớn đối với các dịch vụ mạng trên Internet và có mặt ở khắp mọi nơi, nên đã có nhiều nghiên cứu nhằm tích hợp mạng IP với mạng WDM. Mạng chuyển mạch gói (OPS) đã được đề xuất nhằm hỗ trợ việc tích hợp này.
Với mạng chuyển mạch gói, mỗi gói tin bao gồm phần điều khiển (header) và phần dữ liệu (data) được truyền trong mạng quang. Khi gói tin đến, phần đầu gói tin sẽ được chuyển đổi sang tín hiệu điện và được xử lý, còn phần dữ liệu sẽ được đưa vào các bộ đệm quang, chẳng hạn các cuộn dây làm trễ tín hiệu (FDL), cho tới khi phần đầu gói tin được xử lý hoàn tất. Mạng OPS được dự báo là rất thành công trong việc giải quyết những thiếu sót, hạn chế và kém hiệu quả của mạng OCS. Tuy nhiên, những hạn chế về công nghệ để sản xuất các chuyển mạch tốc 8 độ cao (nano giây) và chi phí quá cao cho những bộ đệm quang hiện nay đã ngăn cản việc triển khai công nghệ này vào thực tế.
Mạng chuyển mạch chùm quang (OBS) đã thu hút các nhà nghiên cứu nhờ khả năng phân phối băng thông động và theo yêu cầu hơn mạng OCS. Nó đem lại nhiều cải tiến mặt kinh tế và cho phép tích hợp việc điều khiển và quản lý. So sánh với OPS, việc lắp đặt hệ thống mạng OBS sẽ thực tế hơn và nó kết hợp được những ưu điểm của cả hai mạng OPS và OCS. Kiến trúc cơ bản của một nút chuyển mạch với các mô hình chuyển mạch khác nhau được thể hiện trong Hình 1.1 So sánh sự khác biệt giữa các loại chuyển mạch quang tại nút lõi OBS [65] Với chuyển mạch kênh quang (OCS), mô hình chuyển mạch trong Hình 1.1a bao gồm một đường quang khi đã được thiết lập thì tất cả dữ liệu vào trên bước sóng λ sẽ đi ra trên cùng bước sóng.
Trung bình, thời gian kết nối của OCS trong vòng 1 phút hoặc lâu hơn và thời gian ngắt kết nối là thường vài trăm mili giây (ms). Các kết 9 nối với thời gian ngắn hơn thường sẽ làm rời rạc việc truyền dữ liệu dẫn đến chi phí điều khiển tăng cao. Hơn nữa, băng thông được phân bổ trên bước sóng λ tại mọi thời điểm là không cần thiết. Trong thực tế, hầu hết các ứng dụng hiện nay chỉ cần kết nối đến bước sóng λ tại một vài thời điểm.
Khi môi trường mạng có sự biến động về mật độ dữ liệu đến thì các chùm được truyền đi có thể chỉ trong vài giây hoặc ít hơn. Để khắc phục các hạn chế của OCS, mô hình chuyển mạch O/E/O đã được giới thiệu như Hình 1. Ở đây phương pháp ghép kênh được thực hiện trong môi trường điện tử và có sử dụng bộ đệm. Vì mỗi đơn vị dữ liệu đều cần phải chuyển đổi O/E/O, phương pháp này là không đủ khả năng mở rộng để hỗ trợ hàng trăm bước sóng với tốc độ 40Gbps hoặc lớn hơn mà có thể đạt được trong tương lai [36].
Mạng chuyển mạch gói quang OPS (Hình 1.1c) chỉ thực hiện chuyển đổi O/E/O đối với phần điều khiển. Một khác biệt quan trọng trong chuyển đổi O/E/O là ở cách tiếp cận, trong đó phần điều khiển có khả năng gửi chậm hơn so với phần dữ liệu của nó và chỉ phần điều khiển được xử lý nên giảm được yêu cầu về tốc độ đối với chuyển đổi O/E/O nhưng vẫn truyền dữ liệu ở tốc độ cao. Tuy nhiên, mạng OPS khó thực hiện được trong tương lai gần vì yêu cầu sử dụng một số lượng lớn các thiết bị chuyển mạch O/E/O cho mỗi bước sóng. Trong mô hình chuyển mạch OBS, chỉ có một vài kênh điều khiển phải chuyển đổi O/E/O như trong Hình 1.
Do phần dữ liệu được truyền trong môi trường toàn quang, nên OBS tách biệt giữa kênh truyền chùm dữ liệu và phần gói điều khiển. Mạng OBS do đó giảm được chi phí chuyển đổi O/E/O mà vẫn đảm bảo xử lý được dữ liệu ở tốc độ cao, tận dụng được những tiến bộ của công nghệ trong tương lai và giải pháp hứa hẹn cho Internet toàn quang thế hệ tiếp theo. Ngoài ra, để giảm thiểu việc mất mát dữ liệu, các đường trễ quang và chuyển đổi bước sóng [9] có thể được sử dụng tại các nút trung gian trong mạng OBS. Đây đang là một thách thức cho các nhà khoa học trong việc chế tạo các thiết bị phù hợp với tốc độ lên tới nano giây, nhưng có thể thực hiện được trong tương lai [18], [67].2 Nguyên tắc hoạt động của mạng OBS Trong mạng OBS, các loại dữ liệu đến khác nhau được tập hợp tại nút biên vào 10 và được truyền dưới dạng các chùm (burst) (Hình 1.
Tại nút biên ra, các chùm sẽ được tách thành các gói dữ liệu ban đầu để chuyển đến đích mong muốn (Hình 1.2 Quá trình tập hợp chùm và tách chùm tại các nút biên OBS [65] Hình 1.3 mô tả sự tách biệt giữa kênh truyền dữ liệu và kênh truyền gói điều khiển. Mỗi chùm sẽ có một gói điều khiển chứa thông tin về độ dài chùm nhằm đặt trước tài nguyên tại mỗi nút trung gian; chùm dữ liệu theo sau một khoảng thời gian offset mà khoảng thời gian này cần tính toán đủ để gói điều khiển kịp đặt trước tài nguyên tại mỗi nút trung gian.