Luận án TS: Nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng dịch vụ mạng chuyển mạch chùm quang

ĐẠI HỌC HUẾ PHẠM TRUNG ĐỨC NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH HUẾ, NĂM 2021 ĐẠI HỌC HUẾ PHẠM TRUNG ĐỨC NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÁY TÍNH MÃ SỐ: 9480101 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH HUẾ, NĂM 2021 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. Võ Viết Minh Nhật và TS. Đặng Thanh Chương. Những nội dung trong các công trình đã được công bố chung với các tác giả khác đã được sự chấp thuận của đồng tác giả khi đưa vào luận án.

Các số liệu và kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa được công bố bởi tác giả nào trong bất kỳ công trình nào khác. Nghiên cứu sinh Phạm Trung Đức i LỜI CẢM ƠN Trước hết tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến PGS. Võ Viết Minh Nhật và TS. Đặng Thanh Chương là những người Thầy đã tận tình hướng dẫn chỉ bảo, động viên và giúp đỡ để tôi có thể hoàn thành được luận án này.

Tôi xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ của Quý Thầy Cô trong Khoa Công nghệ Thông tin - Trường Đại học Khoa học Huế đã quan tâm, giúp đỡ, hướng dẫn trong suốt quá trình học tập. Tôi xin trân trọng cảm ơn Quý Lãnh đạo, Hội đồng quản trị Công ty cổ phần Bến xe Huế đã tạo điều kiện thuận lợi trong công tác để tôi có đủ thời gian hoàn thành luận án này. Tôi xin cảm ơn Quý Thầy Cô, cán bộ quản lý Phòng Đào tạo Sau đại học – Trường Đại học Khoa học Huế đã giúp đỡ tôi hoàn thành kế hoạch học tập. Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn các bạn đồng nghiệp, người thân trong gia đình luôn động viên, giúp đỡ tôi về mọi mặt trong suốt quá trình nghiên cứu, học tập.

Nghiên cứu sinh Phạm Trung Đức ii MỤC LỤC MỤC LỤC. iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT. vi CÁC KÝ HIỆU ĐƯỢC SỬ DỤNG. ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.

xi DANH MỤC CÁC BẢNG .xv MỞ ĐẦU. TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG .1 Giới thiệu về mạng chuyển mạch chùm quang .1 Kiến trúc của mạng OBS .2 So sánh về các mô hình chuyển mạch quang .3 Các hoạt động tại nút biên .4 Các hoạt động tại nút lõi .5 Lập lịch trong mạng OBS .2 Chất lượng dịch vụ trong mạng OBS .1 Sự cần thiết nâng cao chất lượng dịch vụ .2 Nâng cao chất lượng dịch vụ tại nút lõi .3 Nâng cao chất lượng dịch vụ tại nút biên .3 Mục tiêu nghiên cứu của luận án .4 Tiểu kết chương 1. GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TẠI NÚT LÕI .1 Điều khiển chấp nhận lập lịch hỗ trợ cung cấp chất lượng dịch vụ .2 Phân tích và đánh giá các mô hình điều khiển chấp nhận .1 Mô hình nhóm bước sóng .2 So sánh và đánh giá dựa trên mô phỏng .3 Mô hình điều khiển chấp nhận dựa trên dự đoán tốc độ chùm đến ARP-SAC .1 Mô hình dự đoán dựa trên tốc độ chùm đến .2 Mô tả thuật toán điều khiển chấp nhận trong mô hình ARP-SAC .3 So sánh và đánh giá dựa trên mô phỏng .4 Phương pháp dành lại tài nguyên cho chùm ưu tiên cao .1 Nguyên tắc dành lại tài nguyên cho chùm ưu tiên cao .2 Mô tả thuật toán điều khiển chấp nhận trong mô hình TPAC .3 Phân tích mô hình TPAC .4 So sánh và đánh giá dựa trên mô phỏng .5 Mô hình kết hợp TPAC và đường trễ .1 Mô tả thuật toán iTPAC .2 Mô phỏng, so sánh và đánh giá .6 Tiểu kết chương 2. GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TẠI NÚT BIÊN VÀ KẾT HỢP CÁC NÚT .1 Mô hình phân biệt chất lượng dịch vụ tại nút biên .1 Tập hợp chùm kết hợp cung cấp chất lượng dịch vụ .2 Phân tích các phương pháp phân biệt chất lượng dịch vụ dựa trên thời gian bù đắp và độ dài chùm .3 Mô hình cung cấp chất lượng dịch vụ OT-BLD.4 So sánh và đánh giá dựa trên mô phỏng .2 Phân tích nguyên nhân gây mất chùm.1 Vấn đề mất chùm khi lập lịch .2 Trích xuất dữ liệu trạng thái lập lịch .3 Xác định các thuộc tính ảnh hưởng đến mất chùm .4 Giải pháp sử dụng đường trễ nhằm giảm mất mát chùm .5 So sánh và đánh giá dựa trên mô phỏng .3 Kết hợp nút biên và nút lõi trong phân biệt chất lượng dịch vụ .1 Điều chỉnh kích thước chùm dựa trên phản hồi.2 Mô hình phân biệt chất lượng dịch vụ dựa trên thời gian bù đắp và độ dài chùm được điều chỉnh OT-ABLD .3 So sánh và đánh giá dựa trên mô phỏng .4 Tiểu kết chương 3 .104 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN ÁN .106 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN .107 v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Thuật ngữ tiếng Anh Diễn giải ý nghĩa Điều khiển chấp nhận lập lịch Adaptive Rate Prediction ARP-SAC dựa trên dự đoán tốc độ đến một Scheduling Admission Control cách thích nghi BCP Burst Control Packet Gói điều khiển chùm (Kênh) phù hợp nhất với lấp đầy BF-VF Best Fit with Void Filling khoảng trống BLD Burst Length-based Differentiation Phân biệt dựa trên độ dài chùm CoS Class of Service Lớp dịch vụ QoS Chất lượng dịch vụ DB Data Burst Chùm dữ liệu Density Wavelength Division Ghép kênh phân chia bước sóng DWDM Multiplexing mật độ cao DWG Dynamic Wavelength Grouping Nhóm bước sóng động FDL Fiber Delay Line Đường trễ quang Kênh chưa được lập lịch phù FFUC First Fit Unscheduled Channel hợp đầu tiên First Fit Unscheduled Channel with Kênh chưa được lập lịch phù hợp FFUC-VF Void Filling đầu tiên với lấp đầy khoảng trống Generalized Multiprotocol Label Chuyển mạch nhãn đa giao thức GMPLS Switching suy rộng HP High Priority Lớp ưu tiên cao iBFVF improved Best Fit with Void Filling (kênh) phù hợp nhất với lấp đầy vi Từ viết tắt Thuật ngữ tiếng Anh Diễn giải ý nghĩa khoảng trống cải tiến improved Traffic Prediction based Điều kiển chấp nhận dựa trên dự iTPAC Admission Control đoán lưu lượng cải tiến Giao thức báo hiệu với thời gian JET Just Enough Time đặt trước tài nguyên vừa đủ Lastest Available Unscheduled Kênh chưa được lập lịch khả LAUC Channel dụng gần nhất Kênh chưa được lập lịch khả Lastest Available Unscheduled LAUC-VF dụng gần nhất với lấp đầy Channel with Void Filling khoảng trống Thời điểm chưa được lập lịch LAUT Latest Available Unscheduled Time khả dụng sau cùng nhất Load-based Dynamic Wavelength Nhóm bước sóng động dựa trên LDWG Grouping tải Điều khiển chấp nhận dựa trên LLAC Load-Level Admission Control tải LP Low Priority Lớp ưu tiên thấp Khoảng trống với kết thúc tối Min-EV Minimum Ending Void thiểu NACK Negative Acknowledgement packet Gói báo nhận không thành công NS Network Simulator Mô phỏng mạng O/E/O Optical/Electronic/Optical Chuyển đổi quang-điện-quang OBS Optical Burst Switching Chuyển mạch chùm quang OCS Optical Circuit Switching Chuyển mạch kênh quang vii Từ viết tắt Thuật ngữ tiếng Anh Diễn giải ý nghĩa OPS Optical Packet Switching Chuyển mạch gói quang Phân biệt dựa trên thời gian bù Offset Time and Adjusted Burst OT-ABLD đắp và kích thước chùm được Length-based Differentiation điều chỉnh Offset Time and Burst Length Phân biệt dựa trên thời gian bù OT-BLD based Differentiation đắp và kích thước chùm Phân biệt dựa trên thời gian bù OTD Offset Time based Differentiation đắp OXC Optical Cross Connect Thiết bị chuyển mạch quang QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ RTT Round-Trip Time Thời gian khứ hồi RAM Random Access Memory Bộ nhớ lưu trữ ngẫu nhiên RED Random Early Detection Sự phát hiện sớm ngẫu nhiên RWA Routing Wavelength Assignment Định tuyến gán bước sóng SWG Static Wavelength Grouping Nhóm bước sóng tĩnh Traffic Prediction based Admission Điều khiển chấp nhận dựa trên dự TPAC Control đoán lưu lượng TW- Time Window - Exponentially Trung bình dịch chuyển có trọng EWMA Weighted Moving Average số dựa trên cửa sổ thời gian WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia bước sóng WR Wavelength Router Bộ định tuyến bước sóng viii CÁC KÝ HIỆU ĐƯỢC SỬ DỤNG Ký hiệu Ý nghĩa 𝑎𝑖 Lưu lượng tải đến của luồng 𝑖 𝐵𝑚𝑖𝑛 Ngưỡng kích thước chùm tối thiểu 𝐵(𝑖) Kích thước hàng đợi 𝑖 𝐿 Độ dài chùm hoàn thành của lần tập hợp chùm hiện thời 𝐿𝑚𝑖𝑛 Ngưỡng độ dài chùm tối thiểu 𝐿𝑚𝑎𝑥 Ngưỡng độ dài chùm tối đa 𝐿(𝑖) Độ dài chùm hoàn thành của hàng đợi 𝑖 𝑀 Số lần tập hợp chùm sau cùng nhất 𝑚 Số chùm trung bình đã lập lịch 𝑁 Số chùm đến trong tập các chùm chưa được lập lịch 𝑃 Tổng xác suất mất chùm của toàn liên kết ra 𝑃𝑖 Tổng xác suất mất chùm của luồng 𝑖 𝑅𝐸 Lỗi ước tính trung bình trong các lần tập hợp chùm 𝑡1 Thời điểm gửi gói điều khiển 𝑡1 (𝑖) Thời điểm gửi gói điều khiển của hàng đợi 𝑖 𝑡2 Thời điểm gửi chùm dữ liệu 𝑡2 (𝑖) Thời điểm gửi chùm dữ liệu của hàng đợi 𝑖 𝑇𝑎 Ngưỡng thời gian tập hợp chùm 𝑇𝑎 (𝑖) Ngưỡng thời gian tập hợp chùm của hàng đợi 𝑖 ix Ký hiệu Ý nghĩa 𝑇0 Thời gian bù đắp (offset time) 𝑇0 (𝑖) Thời gian bù đắp của hàng đợi 𝑖 𝑇𝑊 Cửa sổ thời gian dự đoán 𝑘 Số kênh bước sóng 𝑊 Tổng số bước sóng của liên kết ra 𝑛 Số chùm đến lập lịch 𝑖 Tốc độ đến của luồng 𝑖 𝜆′𝑖 Tốc độ đến dự đoán của luồng 𝑖 𝜆𝑖𝑐𝑢𝑟 Tốc độ đến hiện thời của chùm 𝑖 𝜆𝑖𝑎𝑣𝑔 Tốc độ đến trung bình của chùm 𝑖 𝜇 Tốc độ phục vụ trung bình 1/𝜇 Độ dài chùm trung bình 𝜔 Độ chồng lấp của chùm với các kênh bước sóng 𝜔𝑖 Độ chồng lấp của chùm 𝑖 với các kênh bước sóng 𝑙𝑖 Tải đến của chùm 𝑖 𝛽 Tải chuẩn hóa 𝛿 Tham số điều khiển 𝑇 Cửa sổ thời gian quan sát 𝑖 Trọng số của 𝜆𝑐𝑢𝑟 𝑖 1 − 𝑖 Trọng số của 𝜆𝑖 𝑎𝑣𝑔 x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Kiến trúc mạng chuyển mạch chùm quang [8] .2 Các hoạt động chính của nút mạng chuyển mạch chùm quang [8] .3 Kiến trúc chuyển mạch kênh quang [43] .4 Kiến trúc chuyển mạch gói quang OPS [43].5 Nút biên vào mạng chuyển mạch chùm quang [8] .6 Tập hợp và tách chùm tại nút biên mạng chuyển mạch chùm quang [43] 15 Hình 1.7 Cấu tạo nút lõi mạng chuyển mạch chùm quang [43] .8 Hai mô hình đường trễ FDL: (a) kiểu truyền thẳng, (b) kiểu hồi quy .9 Sự khác biệt của các thuật toán lập lịch khác nhau .10 Sơ đồ khối tầng IP trên OBS trong ba lớp [43].11 Phân lớp cung cấp QoS trong mạng OBS [45] .