ĐẠI HỌC HUẾ

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

PHẠM TRUNG ĐỨC

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP

NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ

TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG

NGÀNH: KHOA HỌC MÁY TÍNH

MÃ SỐ: 9.48.01.01

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

HUẾ - NĂM 2021

Công trình được hoàn thành tại: .....................................................................

........................................................................................................................

........................................................................................................................

Người hướng dẫn khoa học: (ghi họ tên, chức danh khoa học, học vị): .........

........................................................................................................................

........................................................................................................................

........................................................................................................................

Phản biện 1: ....................................................................................................

........................................................................................................................

........................................................................................................................

........................................................................................................................

Phản biện 2: ...................................................................................................

........................................................................................................................

........................................................................................................................

........................................................................................................................

Phản biện 3: ...................................................................................................

........................................................................................................................

........................................................................................................................

........................................................................................................................

Luận án sẽ được bảo vệ tại Hội đồng chấm luận án cấp Đại học Huế họp tại:

........................................................................................................................

Vào hồi ................. giờ ............. ngày ........... tháng ........ năm................ ......

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: ...............................................................

........................................................................................................................

........................................................................................................................

........................................................................................................................

(ghi tên thư viện)

1

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài

Với sự bùng nổ các ứng dụng mạng trong những năm gần đây, truyền tải

dữ liệu qua mạng trở thành một vấn đề thách thức và đang thu hút nhiều sự

quan tâm. Đã có nhiều đ ề xuất khác nhau về phương thức truyền tải dữ liệu,

từ kiểu truyền tải thông tin truyền thống qua các sợi cáp đồng, qua sóng vô

tuyến đến các sợi quang hỗ trợ truyền đa kênh, trong đó sợi quang có nhiều

ưu điểm như độ suy giảm thấp, băng thông rất lớn và khả năng miễn nhiễm

đối với nhiễu điện so với cáp đồng. Với những thành công vượt bậc gần đây

của công nghệ ghép kênh phân chia kênh bước sóng WDM, băng thông của

mỗi sợi quang được tách thành nhiều kênh bước sóng, từ đó đã đáp ứng tốt

hơn nhu cầu truyền thông ngày càng cao của người dùng [35], [53].

Truyền thông quang, từ khi ra đời cho đến nay, đã trải qua ba thế hệ phát

triển, từ những mô hình định tuyến bước sóng WR ban đầu cung cấp các liên

kết điểm-điểm, đến thế hệ thứ hai với những đường quang (lightpath) đầu –

cuối dành riêng ở lớp quang. Trong thế hệ thứ 3, các mô hình chuyển mạch

gói quang OPS [51] được đề xuất với ý tưởng được lấy cảm hứng từ mạng

chuyển mạch gói điện nhằm có thể triển khai trên các cấu trúc liên kết vòng

hay lưới nhằm có thể điều chỉnh linh hoạt để đáp ứng với việc lưu lượng thay

đổi. Tuy nhiên, với một số hạn chế về mặt công nghệ, như không thể sản xuất

các bộ đệm quang (tương tự bộ nhớ RAM trong mạng điện) hay các chuyển

mạch gói quang ở tốc độ nano giây, chuyển mạch gói quang OPS chưa thể

trở thành hiện thực. Một giải pháp thỏa hiệp là mô hình chuyển mạch chùm

quang OBS.

Một đặc trưng tiêu biểu của truyền thông trong mạng chuyển mạch chùm

quang OBS là phần (gói) điều khiển BCP tách rời với phần (chùm) dữ liệu

DB. Nói một cách khác, để thực hiện truyền một chùm quang, gói điều khiển

được hình thành và được gửi đi trước một khoảng thời gian bù đắp (thời gian

offset). Khoảng thời gian offset này cần được tính toán sao cho đủ để đặt

trước tài nguyên và cấu hình các chuyển mạch tại các nút trung gian dọc theo

hành trình mà chùm quang sẽ đi qua từ nút nguồn đến nút đích. Không chỉ

tách rời về mặt thời gian, gói điều khiển BCP cũng tách rời so với chùm dữ

liệu của nó về mặt không gian, trong đó một số kênh (bước sóng) được dành

riêng cho gói điều khiển BCP, trong khi các kênh còn lại được dùng cho việc

truyền chùm dữ liệu [75].

Với cách truyền tải dữ liệu như vậy, rõ ràng mạng OBS không cần đến các

2

bộ đệm quang để lưu tạm thời các chùm dữ liệu trong khi chờ đợi việc xử lý

các gói điều khiển BCP của chúng tại các nút trung gian (nút lõi) và mạng

OBS cũng không yêu cầu các chuyển mạch tốc độ nano giây. Tuy nhiên, cách

truyền thông này cũng đặt ra một áp lực là làm thế nào để một gói điều khiển

có thể kịp đặt trước tài nguyên và cấu hình chuyển mạch thành công tại các

nút lõi, đảm bảo cho việc chuyển tiếp chùm quang đi sau nó. Đó chính là

nhiệm vụ của các hoạt động như đặt trước tài nguyên, lập lịch và xử lý tranh

chấp [19].

Giải pháp để nâng cao CLDV trong mạng OBS có thể thực hiện được

bằng cách cung cấp sự phân biệt CLDV tại một số điểm (nút) trong mạng

OBS [32]. Cụ thể, các cách tiếp cận điển hình cho các cơ chế cung cấp sự

phân biệt này có thể là: phân biệt tại tầng điều khiển và tầng dữ liệu [45], tại

đó các hoạt động cung cấp phân biệt CLDV có thể là: phân biệt về thời gian

bù đắp, phân biệt trong chính sách giải quyết tranh chấp, phân biệt trong quá

trình tập hợp chùm và phân biệt trong một số hoạt động lập lịch... [32]. Các

mô hình này rất cần thiết có những cơ chế điều khiển hiệu quả nhằm cung

cấp sự phân biệt CLDV đã cam kết, đồng thời có thể cung cấp thêm tài

nguyên cho các ứng dụng khác nhau nhằm tối ưu hóa hiệu năng truyền thông

trên toàn mạng (dựa trên yêu cầu về độ trễ, tỉ lệ mất mát dữ liệu và các ràng

buộc về băng thông ...).

2. Động lực nghiên cứu

Hiện đã có các nghiên cứu nhằm nâng cao CLDV trong mạng OBS mà có

thể phân thành 2 nhóm tiếp cận, giải pháp chính:

- Nâng cao CLDV tại nút biên;

- Nâng cao CLDV tại nút lõi.

Các nhóm giải pháp kể trên thường nhắm đến mục tiêu nâng cao CLDV

thông qua quá trình điều khiển chấp nhận lập lịch [5], [33] tại nút lõi, cung

cấp sự phân biệt CLDV tại nút biên, hoặc cải thiện CLDV trên các nút.

3. Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu và cải tiến cơ chế điều khiển chấp nhận lập lịch nâng cao

CLDV dựa vào dự đoán tốc độ chùm đến tại nút lõi nhằm nâng cao

hiệu quả lập lịch đối với các chùm QoS thấp nhưng vẫn đảm bảo

mức chất lượng dịch vụ đối với các chùm QoS cao. Hiệu quả của cơ

chế điều khiển chấp nhận lập lịch được đánh giá thông qua mô phỏng

và phân tích toán học.

Nghiên cứu và đề xuất phương pháp phân tích dữ liệu lịch sử lập lịch

nhằm xác định các nhân tố ảnh hưởng đến hiệu quả lập lịch, từ đó đề

3

xuất giải pháp giảm mất mát dữ liệu nhằm nâng cao hiệu năng lập

lịch tại nút lõi.

Nghiên cứu và cải tiến cơ chế cung cấp phân biệt CLDV dựa trên

thời gian bù đắp và kích thước chùm tại nút biên vào. Trên cơ sở

thông tin tài nguyên khả dụng được phản hồi từ nút lõi, nút biên vào

thực hiện điều chỉnh một cách linh hoạt kích thước của các chùm

được sinh ra nhằm đem lại hiệu quả về băng thông sử dụng, giảm tỉ

lệ mất chùm nhưng vẫn nâng cao CLDV đối với mỗi lớp ưu tiên.

4. Đối tƣợng và Phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Các mô hình, giải thuật điều khiển chấp nhận và

tập hợp chùm trong mạng OBS.

- Phạm vi nghiên cứu: Nút biên và nút lõi trong mạng OBS.

5. Phƣơng pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tổng hợp các công bố liên quan đến

các mô hình, giải thuật, cơ chế đảm bảo đa dạng cải tiến và cung cấp QoS.

Phân tích, đánh giá ưu và khuyết điểm của các đề xuất đã công bố để làm cơ

sở cho việc cải tiến hoặc đề xuất mới.

- Phương pháp mô phỏng, thực nghiệm: Cài đặt các giải thuật cải tiến và

đề xuất mới nhằm chứng minh tính đúng đắn của các giải thuật này.

6. Cấu trúc luận án

Luận án bao gồm phần mở đầu, ba chương nội dung, phần kết luận và

danh mục các tài liệu tham khảo. Cụ thể:

- Chương 1, với tên chương “Tổng quan về chất lƣợng dịch vụ 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 vấn đề nâng cao CLDV trên mạng

OBS.

- Chương 2, với tên chương “Giải pháp nâng cao chất lƣợng dịch vụ tại

nút lõi”, tập trung vào vấn đề chính: đề xuất một số mô hình dự đoán tốc độ

chùm đến dựa vào điều khiển chấp nhận.

- Chương 3, với tên chương “Giải pháp nâng cao chất lƣợng dịch vụ tại

nút biên và kết hợp các nút”, giải quyết (3) vấn đề gồm: (1) trình bày tổng

hợp các nghiên cứu liên quan đến cơ chế cung cấp CLDV tại nút biên, (2) tìm

hiểu nguyên nhân gây ra mất chùm dựa vào phân tích dữ liệu lịch sử lập lịch

nhằm nâng cao hiệu năng tại nút lõi và (3) xem xét cấu trúc gói điều khiển

nhằm đề xuất mô hình cung cấp CLDV trên toàn mạng sau khi nhận được

4

thông tin phản hồi khoảng trống tại nút lõi gửi về trong gói điều khiển để

điều chỉnh giai đoạn tập hợp chùm nhằm tối ưu băng thông được sử dụng và

đem lại hiệu quả trong vấn đề nâng cao CLDV.

“Kết luận và hƣớng phát triển của luận án” nêu những đóng góp của

luận án, hướng phát triển và những vấn đề quan tâm của tác giả.

5

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ

TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG

1.1 Giới thiệu về mạng chuyển mạch chùm quang

Chuyển mạch quang được chia thành 3 loại: chuyển mạch kênh quang,

chuyển mạch gói và chuyển mạch chùm quang

1.1.1 Kiến trúc của mạng OBS

1.1.2 So sánh về các mô hình chuyển mạch quang

1.1.3 Các hoạt động tại nút biên

1.1.4 Các hoạt động tại nút lõi

1.1.5 Lập lịch trong mạng OBS 1.2 Chất lƣợng dịch vụ trong mạng OBS

1.2.1 Sự cần thiết nâng cao chất lƣợng dịch vụ trong mạng OBS

Nâng cao CLDV có thể thực hiện nhờ các cơ chế cung cấp/cải tiến CLDV

tại mỗi nút hay kết hợp các nút trong mạng OBS, nhằm tạo sự đa dạng cho

các phương án cung cấp các dịch vụ để đạt được dịch vụ cần cung cấp như

yêu cầu ban đầu. Theo [39], tùy theo mô hình, cơ chế hay kỹ thuật, nâng cao

cơ chế cung cấp/cải tiến CLDV có thể được phân thành hai cách chính, đó là:

cơ chế cải tiến CLDV tại các nút và cơ chế cung cấp CLDV. Giải pháp nâng

cao cơ chế cải tiến CLDV được thực hiện trên tất cả các nút, dựa trên những

cơ chế nhằm cải thiện hiệu suất chung của mạng, cụ thể gồm: tập hợp chùm,

lược đồ báo hiệu để đặt trước tài nguyên, các thuật toán lập lịch và xử lý

tranh chấp. Sau đó, các cơ chế cung cấp CLDV sẽ được xem xét, tức là có

quan tâm đến nhãn chất lượng dịch vụ (chùm ưu tiên cao hay chùm ưu tiên

thấp) với các cách tiếp cận khác nhau [76]. Một giải pháp nâng cao CLDV có

thể đạt được khác, đó là nhờ vào cách tiếp cận điển hình trong các cơ chế

phân biệt thực hiện tại tầng (plane) điều khiển hay dữ liệu [45], tại đó các

hoạt động cung cấp phân biệt CLDV có thể là: báo hiệu và định tuyến tại

tầng điều khiển. Tại tầng dữ liệu ở nút biên có những cơ chế cung cấp phân

biệt CLDV thông qua tham số trong quá trình tập hợp, kích thước chùm…,

nút lõi có các mô hình điều khiển nhằm nâng cao sự phân biệt CLDV từ nút

biên liên quan đến các chính sách đánh rơi hay lập lịch.

1.2.2 Nâng cao chất lƣợng dịch vụ tại nút lõi

1.2.3 Nâng cao chất lƣợng dịch vụ tại nút biên

1.3 Mục tiêu nghiên cứu của Luận án

Dựa trên các phân tích về các giải pháp đã công bố về nâng cao CLDV

trong mạng OBS và mục tiêu nghiên cứu chung đã được xác định trong phần

6

Mở đầu, đó là đề xuất một số giải pháp nâng cao CLDV trong mạng OBS,

luận án được triển khai theo 4 mục tiêu nghiên cứu cụ thể chính gồm:

Mục tiêu 1. Đề xuất phương pháp điều khiển chấp nhận lập lịch dựa

vào dự đoán tốc độ chùm đến nhằm nâng cao cung cấp CLDV tại nút

lõi.

Mục tiêu 2. Nghiên cứu và cải tiến cơ chế phân biệt CLDV tại nút

biên dựa trên việc kết hợp điều chỉnh độ dài chùm và thời gian bù

đắp.

Mục tiêu 3. Nghiên cứu và đề xuất phương pháp phân tích dữ liệu

lịch sử lập lịch nhằm xác định các nhân tố ảnh hưởng đến hiệu quả

lập lịch, từ đó đề xuất giải pháp giảm mất mát dữ liệu và nâng cao

hiệu quả lập lịch.

Mục tiêu 4. Nghiên cứu và đề xuất mô hình nâng cao CLDV kết hợp

tại nút biên và nút lõi. Trong đó, nút lõi chịu trách nhiệm phản hồi

thông tin khoảng trống, nút biên điều chỉnh quá trình tập hợp chùm

nhằm tăng tỉ lệ lập lịch thành công nhưng vẫn nâng cao phân biệt

CLDV.

Trong đó mục tiêu 1 sẽ được thực hiện trong Chương 2 và mục tiêu 2, 3, 4

sẽ được trình bày ở trong Chương 3.

1.4 Tiểu kết Chƣơng 1

Chương đầu tiên của luận án đã giới thiệu tổng quan về mạng OBS và

các hoạt động bên trong mạng, trong đó vấn đề điều khiển chấp nhận lập lịch

tại nút lõi và phân biệt thời gian offset tại nút biên được tập trung phân tích vì

nó ảnh hưởng quan trọng đến vấn đề nâng cao CLDV trên toàn mạng. Luận

án cũng đã phân tích và đánh giá các phương pháp đã công bố cho đến nay về

điều khiển chấp nhận và phân biệt CLDV. Đó chính là cơ sở để luận án cuối

cùng xác định được 4 mục tiêu cần nghiên cứu, cũng như đề xuất các mô đun

chức năng được thêm vào nhằm nâng cao triển khai CLDV và hiệu năng

truyền thông của mạng OBS.

7

CHƢƠNG 2. GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ

TẠI NÚT LÕI

2.1 Điều khiển chấp nhận lập lịch hỗ trợ cung cấp chất lƣợng dịch vụ

Điều khiển chấp nhận lập lịch (một cách ngắn gọn, điều khiển chấp nhận)

có thể được triển khai tại mỗi cổng ra của nút biên vào và nút lõi. Nhờ có sử

dụng các bộ đệm điện tử, điều khiển chấp nhận lập lịch tại nút biên vào

thường đơn giản và hiệu quả hơn.

2.2 Phân tích và đánh giá các mô hình điều khiển chấp nhận

2.2.1 Mô hình nhóm bƣớc sóng

2.2.2 So sánh và đánh giá dựa trên mô phỏng

Luận án tiến hành so sánh hiệu quả các mô hình điều khiển chấp nhận lập

lịch SWG, DWG và LLAC dựa trên mô phỏng, được cài đặt với sự hỗ trợ của

phân mềm mô phỏng mạng NS2 [77] tích hợp với gói Obs 0.9a, trên máy tính

PC có CPU 2,4GHz Intel Core 2,2G RAM. Mạng mô phỏng là NSFNET.

a. So sánh tỉ lệ mất chùm

Tỉ lệ mất chùm tổng của DWG đạt được là thấp nhất (Hình 2.4c). LLAC

luôn ưu tiên cho các chùm ưu tiên cao nên luôn đạt tỉ lệ mất chùm ưu tiên cao

thấp nhất, nhưng LLAC có tỉ lệ mất chùm ưu tiên thấp là khá cao. Điều này

cũng phản ánh đúng với kết quả cài đặt được thực hiện trong [22].

Hình 2.4 So sánh tỉ lệ mất chùm của lớp QoS cao và thấp giữa SWG, DWG và LLAC

b. So sánh băng thông sử dụng

Khi xem xét tỉ lệ sử dụng băng thông, DWG có tỉ lệ sử dụng băng thông

cao nhất, đối với cả hai lớp (Hình 2.5). Điều này là dễ hiểu bởi vì khi DWG

giảm được số chùm mất thì sẽ tăng hiệu quả sử dụng băng thông.

0

0.2

0.4

0.6

0.8

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

Tỉ lệ

mất

ch

ùm

(b

lr)

(c) Tải

SWG

DWG

LLAC

8

Hình 2.5 Băng thôn g sử dụng trong hai lớp của mô hình SWG, DWG và LLAC

2.2.3 Nhận xét

2.3 Mô hình điều khiển chấp nhận dựa trên dự đoán tốc độ chùm đến

ARP-SAC

2.3.1 Mô hình dự đoán dựa trên tốc độ chùm đến

Gọi là tốc độ đến của các chùm ưu tiên cao và là tốc độ đến của các

chùm ưu tiên thấp, số kênh cấp phát cho các chùm ưu tiên thấp

có thể được tính tỉ lệ với tốc độ đến của hai loại chùm ưu tiên cao và ưu

tiên thấp như công thức (2.2). Lưu ý rằng, các chùm ưu tiên cao được sử

dụng tất cả các kênh, có nghĩa là .

⌈ ⌉ (2.2)

Mô hình dự đoán dựa trên phương pháp TW-EWMA [32] xác định tốc

độ chùm đến bằng Công thức (2.6):

(2.6)

trong đó

là tốc độ đến trung bình trong quá khứ, là tốc độ đến

hiện thời, và là trọng số của

và . Trong [3], trọng số

này được chọn là . Tuy nhiên, theo đề xuất trong [60], hệ số này có

thể được điều chỉnh linh hoạt dựa trên tốc độ trung bình trong quá khứ và tốc

độ hiện thời như Công thức (2.7).

(2.7)

Mô hình điều khiển chấp nhận lập lịch dựa trên dự đoán tốc độ đến một

cách thích nghi do đó có tên gọi là mô hình ARP-SAC.

2.3.2 Mô tả thuật toán điều khiển chấp nhận trong mô hình ARP-SAC

Thuật toán 2.1:

Vào: - Tập các chùm đến , với

trong đó và là thời gian đến và kết thúc, xác định

9

là QoS cao (0) hay thấp (1).

- ; //cáckênh bước sóng ra

- ;

Ra: - Tập các chùm QoS cao được lập lịch , và bị đánh rơi ;

- Tập các chùm QoS thấp được lập lịch và bị đánh rơi .

Phƣơng pháp:

1 ; khởi gán điểm bắt đầu của cửa sổ quan sát

2 ; //khởi gán kích thước cửa sổ quan sát lựa chọn (bằng ½ của kích thước cửa sổ định kỳ là )

3

;

; khởi gán tốc độ trung bình của các lớp ưu tiên

4 ; //chỉ đếm khi và không đếm khi

5 ; //kênh được chọn để lập lịch, khi không chọn được kênh

6 while ( ) do

7 chùm đầu tiên từ tập ;

8 ;//loại chùm đến đã được xem xét lập lịch

9 if ( – ) then//giai đoạn dự đoán tốc độ chùm đến nhằm xác định số kênh bước sóng cho lớp ưu tiên thấp

10 if ( ) then

11 ; đếm số chùm QoS cao

12 else

13 ; đếm số chùm QoS thấp

14 end if

15 else

16 if ( ) then //trường hợp trong vùng cửa sổ quan sát

17

;

; tính tốc độ đến hiện thời

18

;

; điều chỉnh trọng số theo tốc độ đến

19

; tính lại tốc độ đến trung bình lớp ưu tiên cao

20

; //tính lại tốc độ đến trung bình lớp

ưu tiên thấp

21 ⌈

⌉; điều chỉnh lượng băng thông cấp phát

22 ; ; //gán biến đếm chùm ưu tiên cao và thấp về ban

10

đầu

23 ; ngừng đếm chùm khi cửa sổ quan sát nhỏ hơn

24 end if

25 end if

26 if – then bắt đầu quan sát lại với trường hợp ngoài vùng cửa sổ

27 ; bắt đầu đếm lại trong cửa sổ mới

28 ; khởi gán lại thời điểm bắt đầu quan sát mới

29 end if

30 if (( ) ( ; )) then//giai đoạn 2: xem xét điều kiện điều khiển chấp nhận cho chùm ưu tiên cao có thỏa mãn

31 ; ;// lập lịch chùm ưu tiên cao trên kênh và return nếu tìm kiếm thành công

32 if ( ) then trường hợp tìm kiếm kênh thành công

33 ; cập nhật số lượng chùm ưu tiên cao lập lịch thành công

34 else

35 ; cập nhật số lượng chùm ưu tiên cao không lập lịch

36 end if

37 else

38 if ( ) ( ; ) then xem xét điều kiện điều khiển chấp nhận cho chùm ưu tiên thấp có thỏa mãn

39 ; ; // lập lịch chùm ưu tiên thấp trên kênh và return nếu tìm kiếm thành công

40 end if

41 if ( ) then trường hợp tìm kiếm kênh thành công

42 ; cập nhật số lượng chùm ưu tiên thấp lập lịch thành công

43 else

44 ; cập nhật số lượng chùm ưu tiên thấp không lập lịch

45 end if

46 end if

47 end while

11

2.3.3 So sánh và đánh giá dựa trên kết quả mô phỏng

Luận án sử dụng các tham số cài đặt trong phần này tương tự Mục 2.2.2.

a. So sánh tỉ lệ mất chùm

Hình 2.9a So sánh tỉ lệ mất chùm lớp QoS thấp giữa SWG, DWG, LLAC và ARP-SAC

Kết quả trong Hình 2.9c chỉ ra rằng tỉ lệ mất chùm của ARP-SAC luôn

cho kết quả tốt nhất nhờ chính sách cấp phát thêm băng thông cho luồng

chùm ưu tiên thấp. Mức cải thiện về tỉ lệ mất chùm đối với chùm ưu tiên thấp

trong trường hợp này là 44%, 38% và 20% với các trường hợp tỉ lệ lưu lượng

đến 3:7, 5:5 và 7:3.

b. So sánh sự biến động về số bƣớc sóng phân bổ cho lớp ƣu tiên thấp

Hình 2.10 So sánh sự phân bổ bước sóng cho luồng chùm ưu tiên thấp

2.1.3.4 Nhận xét

Dựa trên kết quả mô phỏng, mô hình điều khiển chấp nhận dựa trên dự

đoán tốc độ chùm đến ARP-SAC cho tỉ lệ mất chùm ưu tiên thấp và tỉ lệ mất

tổng giảm bình quân 30% và 15% so với các mô hình khác. Tuy nhiên, nếu

12

xét về tỉ lệ mất chùm ưu tiên cao thì phương pháp ARP-SAC có tỉ lệ mất

chùm cao hơn trung bình 3% so với các mô hình đã công bố trước đây (Hình

2.9b). Nguyên nhân là do mô hình ARP-SAC dành số bước sóng phân bổ cho

chùm ưu tiên thấp linh động theo tốc độ chùm đến mà không sử dụng một giá

trị ngưỡng bước sóng tối thiểu, kết quả là tỉ lệ mất chùm ưu tiên thấp giảm,

dẫn đến số bước sóng cung cấp cho lớp ưu tiên cao bị chiếm dụng; điều này

làm tăng tỉ lệ mất chùm ưu tiên cao, dù không nhiều. Để giải quyết vấn đề

này luận án tiếp tục đề xuất một mô hình dự đoán tốc độ mới sẽ được trình

bày trong phần tiếp theo. Mô hình điều khiển chấp nhận dựa trên dự đoán tốc

độ chùm đến ARP-SAC đã được công bố trong [CT2].

2.4 Phƣơng pháp dành lại tài nguyên cho chùm ƣu tiên cao

2.4.1 Nguyên tắc dành lại tài nguyên cho chùm ƣu tiên cao

Nguyên tắc dành lại tài nguyên từ chùm ưu tiên thấp cho chùm ưu tiên cao

được đề xuất như sau:

Khi một chùm ưu tiên cao đến tại một liên kết (cổng) ra và không tìm thấy

bước sóng khả dụng cho việc lập lịch, tài nguyên đã bị chiếm dụng bởi một

chùm ưu tiên thấp sẽ được xem xét gỡ bỏ để dùng cho việc lập lịch chùm ưu

tiên cao này. Việc gở bỏ chùm ưu tiên thấp chỉ được thực hiện nếu thỏa mãn

cả 2 điều kiện:

Chùm ưu tiên cao chỉ chồng lấp với chùm ưu tiên thấp được dự định

được gở bỏ;

Gói điều khiển của chùm ưu tiên thấp chưa được gửi đến nút tiếp

theo.

Nếu không, chùm ưu tiên cao mới đến bị loại bỏ.

Với trường hợp chùm ưu tiên thấp đến và tất cả tài nguyên đều bận,

chùm này sẽ bị rơi.

2.4.2 Mô tả thuật toán TPAC

Thuật toán 2:

Vào: - ; //chùm đến

- ; //các kênh bước sóng ra

- ; //thời gian quan sát;

Ra: - Tập các chùm QoS cao được lập lịch , và bị đánh rơi ;

- Tập các chùm QoS thấp được lập lịch và bị đánh rơi .

Phương pháp:

1 for each chùm đến do

2 if (hết thời gian ;) then //giai đoạn 1: dự đoán tốc độ chùm đến nhằm xác định số kênh bước sóng cho lớp ưu tiên thấp

13

3 := tỉ lệ tốc độ hiện tại của các lớp HP và LP đến trong

cửa sổ quan sát;

4

;//điều chỉnh trọng số theo tốc độ đến

5

;//tính tốc độ trung bình

6

;//điều chỉnh lượng bước sóng cấp phát

7 end if

8 ; ;//giai đoạn 2: lập lịch chùm trên kênh và return

9 end for;

Độ phức tạp của thuật toán TPAC là , trong đó n là số các

chùm đến ( ) và là tổng số bước sóng ra.

2.4.3 Phân tích mô hình TPAC

Mô hình phân bổ bước sóng trong TPAC tương đương với mô hình hệ

thống hàng đợi mà tại đó có kênh bước sóng (với chuyển đổi bước sóng

đầy đủ) phục vụ cho chùm đến. Một mô hình Markov 2 chiều

[14], [28], [58] do đó có thể được sử dụng để phân tích hiệu quả (theo giá trị

xác suất tắc nghẽn) cho mô hình điều khiển chấp nhận nêu trên. Các tham số

mô phỏng là tương tự như trong Mục 2.2.2.

Phương trình xác suất tắc nghẽn của lớp ưu tiên cao và thấp lần lượt:

∑

∑

(2.9)

(2.10)

Tổng xác suất tắc nghẽn của các chùm thuộc 2 lớp ưu tiên cao và thấp:

(2.11)

2.4.4 So sánh và đánh giá dựa trên mô phỏng

a. So sánh lỗi dự đoán trung bình

Như được khuyến cáo trong [34], ưu điểm của phương pháp TW-EWMA

là giúp giảm chi phí tính toán. Do đó, nên có một sự thỏa hiệp giữa lỗi dự

đoán với chi phí tính toán nhằm giúp hệ thống đạt được hiệu quả cao hơn là

điều cần thiết. Nên luận án lựa chọn kích thước cửa sổ quan sát bằng ½ chu

kỳ thực hiện dự đoán (thỏa hiệp theo phân tích tại Hình 2.14 và Hình 2.15),

công bố [CT3].

b. So sánh tỉ lệ mất chùm

14

Hình 2.16c cho thấy tỉ lệ mất chùm hai lớp của TPAC thấp hơn tất cả các

phương pháp đã được đề xuất trước đó.

Hình 2.16 Tỉ lệ mất chùm hai lớp ưu tiên TPAC

b. So sánh về tỉ lệ sử dụng băng thông

Hình 2.17 Tỉ lệ sử dụng băng thông cả hai lớp ưu tiên trong TPAC

Như thể hiện ở Hình 2.17c, TPAC có tỉ lệ sử dụng băng thông cao nhất

đối với cả hai lớp ưu tiên. Ngoài ra, Hình 2.18 chỉ ra rằng có một sự tương

đồng về hình dáng giữa kết quả mô phỏng và xác suất tắc nghẽn của phương

15

trình 2.11 được tính toán bởi phần mềm Mathematica [78]. Điều này khẳng

định tính đúng đắn của mô hình đề xuất. Công bố trong [CT4].

Hình 2.18 Xác suất mất chùm theo mô phỏng và phân tích toán học

2.4.5 Nhận xét

2.5 Mô hình kết hợp đƣờng trễ iTPAC

2.5.1 Mô tả thuật toán cải tiến iTPAC

Một cơ chế điều khiển việc làm trễ bằng FDL đối với các chùm ưu tiên

thấp này được đề xuất như sau:

nếu độ trễ cho phép (được xác định dựa trên thời gian bù đắp hiện

tại) của chùm ưu tiên thấp là bé hơn thời gian làm trễ của đường trễ

FDL thì vì việc đưa chùm ưu tiên thấp vào đường trễ là không cần

thiết (do chúng sẽ bị đánh rơi vì đã hết thời gian bù đắp nhưng vẫn

chưa đi đến nút biên ra) và chùm ưu tiên thấp này sẽ bị loại bỏ;

nếu độ trễ cho phép của chùm ưu tiên thấp lớn hơn độ dài đường trễ,

chùm này sẽ được đưa vào đường trễ với hy vọng có thể tìm thấy tài

nguyên để lập lịch khi ra khỏi đường trễ.

2.5.2 Mô phỏng, so sánh và đánh giá

2.5.3 Nhận xét

2.6 Tiểu kết chƣơng 2

Việc điều khiển chấp nhận có tác động lớn đến tỉ lệ mất chùm và hiệu

năng sử dụng băng thông tại nút lõi đối với các chùm có mức độ ưu tiên khác

nhau. Trong chương này, luận án đã đề xuất mô hình điều khiển chấp nhận

dựa trên dự đoán lưu lượng chùm đến với 3 mô hình ARP-SAC [CT2],

TPAC [CT3], [CT4] và iTPAC [CT5]. Dựa vào kết quả mô phỏng, các mô

hình không chỉ nâng cao CLDV cho lớp ưu tiên cao mà còn cải thiện tỉ lệ mất

chùm của lớp ưu tiên thấp. Chương kế tiếp, giải pháp nâng cao CLDV tại nút

16

biên và kết hợp các nút sẽ được phân tích và đề xuất giải pháp.

17

CHƢƠNG 3. GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ

TẠI NÚT BIÊN VÀ KẾT HỢP CÁC NÚT

3.1 Mô hình phân biệt chất lƣợng dịch vụ tại nút biên

3.1.1 Tập hợp chùm cung cấp chất lƣợng dịch vụ

Phân biệt CLDV là một yêu cầu quan trọng đối với các mạng truyền thông

thực tế, bởi vì sự đa dạng của các yêu cầu dịch vụ từ người dùng và ứng dụng

luôn gia tăng. Thông qua các hoạt động trong mạng OBS, việc phân biệt

CLDV có thể được thực hiện trong quá trình tập hợp chùm, phân bổ tài

nguyên, lập lịch hoặc giải quyết tranh chấp.

3.1.2 Phân tích các nghiên cứu liên quan

Có hai hướng tiếp cận phân biệt dịch vụ tại nút biên vào: phân biệt dựa

trên thời gian bù đắp OTD [23], [49] và phân biệt dựa trên độ dài chùm BLD

[25], [42]. Với OTD, do bổ sung thêm thời gian bù đắp vào các chùm ưu tiên

cao, nên các chùm này phải chịu thêm một độ trễ. Ngoài ra, một vấn đề trong

BLD là nút biên vào không biết được kích thước của các khoảng trống nhàn

rỗi được hình thành tại các nút lõi nên cần có một cơ chế phản hồi để thông

báo kích thước khoảng trống về cho nút biên vào nhằm điều chỉnh kích thước

chùm hoàn thành cho phù hợp với khoảng trống.

Trong chương này sẽ đề xuất mô hình nhằm cung cấp CLDV tại nút biên

và giải quyết tồn tại đã phân tích nêu trên, với mô hình phân biệt chất lượng

dịch vụ kết hợp thời gian bù đắp và kích thước chùm có tên gọi là OT-BLD.

3.1.3 Mô hình cung cấp QoS tại nút biên OT-BLD

Mô hình OT-BLD tập hợp chùm theo các tiêu chí: chùm ưu tiên cao có

thời gian bù đắp lớn, nhưng độ dài chùm bé; trong khi chùm ưu tiên thấp có

thời gian bù đắp bé, nhưng độ dài chùm lớn như Hình 3.4.

Độ dài

chùmBổ sung

t0 t1 t2

T0(0)

T0(1)

Lớp HP

Lớp LP

t0 t1t2

TA(0)

Độ dài

chùm

TA(1)

Thời gian

bù đắp

Thời gian

bù đắp

Hình 3.4 Tập hợp chùm tại nút biên của mô hình OT-BLD

Mô hình OT-BLD quy định thời gian bù đắp của chùm ưu tiên thấp sẽ là

18

thời gian bù đắp cơ bản và thời gian bù đắp của chùm ưu tiên cao sẽ là tổng

thời gian bù đắp cơ bản và độ dài của chùm ưu tiên thấp như Hình 3.5.

Chùm HPLớp (0)

Lớp (1) Chùm LP

OT(1)

basic OT

basic OT

BCP

Hình 3.5 Thiết lập thời gian bù đắp bổ sung lớn hơn độ dài chùm ưu tiên thấp sẽ giúp giảm

tranh chấp giữa 2 lớp chùm ưu tiên

3.1.4 So sánh và đánh giá dựa trên mô phỏng

Xét các gói tin đến tại các hàng đợi của nút biên OBS có phân phối

Poisson và có kích thước các gói tin nằm trong khoảng [500, 1000] byte. Tại

mỗi nút biên vào, số hàng đợi được xem xét ứng với mỗi đích đến ,

gồm một hàng đợi ưu tiên cao có ngưỡng thời gian và một

hàng đợi ưu tiên thấp với ngưỡng thời gian Giá trị thời

gian bù đắp cơ bản được thiết lập là .Các ngưỡng độ dài cho các hàng

đợi tập hợp chùm được thiết lập ban đầu là và ,

như khuyến nghị của B. Kantarci và cộng sự trong [25]. Giá trị được

chọn là , số bước sóng trên mỗi liên kết ra là , băng thông của

mỗi liên kết là .

a. So sánh tỉ lệ mất chùm giữa các mô hình

Tỉ lệ mất chùm tổng của cả hai lớp được chỉ ra như trong Hình 3.6(c),

trong đó, ở giai đoạn một (từ 0.0s đến 1.0s, vởi tải 0.2 đối với cả hai lớp ưu

tiên), OT-BLD cho tỉ lệ mất chùm tốt hơn so với OTD, BLD và undiff lần

lượt khoảng 4%, 5% và 12%.

19

Hình 3.6 So sánh tỉ lệ mất chùm hai lớp ưu tiên của OT-BLD so với mô hình khác

Ở giai đoạn thứ hai (từ 1.0s đến 2.0s, với tải 0.4 của lớp ưu tiên cao và tải

0.2 của lớp ưu tiên thấp), OT-BLD cũng cho kết quả mất chùm tốt hơn so với

BLD, OTD và undiff khoảng 3%, 7% và 10%. Như vậy, mô hình OT-BLD

thể hiện tính hiệu quả của mình một cách ổn định đối với sự tăng giảm tải

đến.

b, So sánh độ trễ trung bình các gói tin

Kết quả Hình 3.7(a) cho thấy độ trễ trung bình của các gói tin chùm ưu

tiên cao của mô hình OT-BLD và BLD là thấp nhất trong cả hai giai đoạn,

trong khi độ trễ trung bình của các gói tin trong mô hình undiff và OTD là

cao hơn.

Hình 3.7 So sánh độ trễ trung bình (µs) của các gói tin chùm ưu tiên cao (a)

3.1.5 Nhận xét

Luận án đã đề xuất mô hình cải tiến kết hợp các phương pháp tập hợp

chùm đã công bố, với mô hình có tên gọi OT-BLD. Khi so sánh kết quả về tỉ

lệ mất chùm của OT-BLD đã cho thấy được hiệu quả của mô hình này so với

các mô hình khác thông qua tỉ lệ mất chùm tổng và từng lớp được giảm đáng

kể. Ngoài ra, độ trễ trung bình của gói tin mô hình OT-BLD giảm khi so sánh

với mô hình undiff và OTD trong các thời gian mô phỏng khác nhau cũng

chứng minh được sự hiệu quả của việc kết hợp qua mô hình này. Tuy nhiên

độ trễ trung bình mô hình OT-BLD còn cao hơn so với mô hình BLD cũng là

động lực cho các nghiên cứu tiếp theo. Các kết quả được trình bày trong mục

này đã được công bố trong [CT6].

20

3.2 Phân tích nguyên nhân gây mất chùm

3.2.1 Vấn đề mất chùm khi lập lịch

Các đặc trưng cần thiết cho dữ liệu trạng thái lập lịch là: thời điểm chùm

đến, độ dài chùm, , thời điểm bắt đầu và kết thúc khoảng trống.

3.2.2 Trích xuất dữ liệu trạng thái lập lịch

Mô hình mạng NFSNET bao gồm 14 nút. Kết quả mô phỏng cho thấy tỉ lệ

mất chùm tại các nút 3, 5 và 8 là đáng kể và dữ liệu trạng thái lập lịch được

trích xuất tại đây có thể đại diện cho trạng thái lập lịch chung tại các nút lõi

trên toàn mạng (tại Hình 3.9).

3.2.3 Xác định thuộc tính ảnh hƣớng đến mất chùm

Trong 44959 mẫu thu thập được, có 22187 mẫu thuộc về trường hợp lập

lịch thành công với không lấp đầy khoảng trống, 752 trường hợp lập lịch

thành công với lấp đầy khoảng trống và 22019 mẫu trường hợp lập lịch

không thành công. Điều cần quan tâm là những thuộc tính nào có ảnh hưởng

đến việc lập lịch không thành công. Kết quả phân tích dữ liệu lập lịch trong

Hình 3.12 cho thấy rằng chồng lấp đầu (head_overlap) và chồng lấp LAUT

(LAUT_overlap) là nguyên nhân chính gây nên mất chùm (chiếm hơn 90%),

trong đó hai thuộc tính thời gian đến (burst_time) và độ dài chùm

(burst_length) có tác động chính đến việc lập lịch không thành công (Hình

3.11 và 3.12).

Đây chính là cơ sở của đề xuất sau đây nhằm nâng cao hiệu năng lập lịch.

3.2.4 Giải pháp sử dụng đƣờng trễ nhằm giảm mất mát chùm

Việc điều khiển lập lịch dựa trên đường trễ FDL được đề xuất như trong

Hình 3.14, trong đó khi một chùm đến không thể lập lịch được, việc kiểm tra

chồng lấp đầu và chồng lấp LAUT sẽ được xem xét (phần hình chữ nhật nét

đứt). Nếu có chồng lấp đầu hay chồng lấp LAUT, chùm sẽ được đưa vào

đường trễ để làm thay đổi (làm trễ) thời gian đến của nó. Trong trường hợp

chồng lấp đuôi, chùm sẽ bị loại bỏ (dropped).

3.2.5 Mô phỏng và phân tích kết quả

a. Phân tích tỉ lệ mất chùm

Hình 315 cho thấy việc sử dụng đường trễ FDL cho tỉ lệ mất chùm trong

khoảng tải từ 0.1 đến 0.6 giảm nhiều nhất khoảng 60% so với không sử dụng

đường trễ. Nhưng khi tải tăng từ 0.7 đến 0.9 thì tỉ lệ mất giảm rất ít (khoảng

4%). FDL với độ trễ 100µs cho tỉ lệ mất chùm ít hơn so FDL với độ trễ

150µs.

21

Hình 3.15 So sánh tỉ lệ mất chùm khi có và không sử dụng đường trễ FDL

b. Phân tích độ trễ khi sử dụng FDL

Hình3.

16 Tỉ lệ phần trăm độ trễ trung bình tăng thêm khi sử dụng đường trễ FDL

Như Hình 3.16 tỉ lệ độ trễ trung bình của các chùm tăng thêm khi sử dụng

đường trễ FDL, khi sử dụng FDL với độ trễ 150µs thì độ trễ chùm tăng thêm

trung bình khoảng 21% so với gần 16% khi sử dụng FDL với độ trễ 100µs.

3.3 Kết hợp nút biên và nút lõi trong phân biệt chất lƣợng dịch vụ

3.3.1 Phân biệt chất lƣợng dịch vụ dựa trên thời gian bù đắp và độ dài

chùm thay đổi OT-ABLD

Chương 3 của luận án tiếp tục tìm hiểu mô đun thông tin kích thước

khoảng trống được phản hồi lại từ nút lõi có thể được mang trong gói điều

khiển mà cấu trúc của nó đã được đề xuất trong [44]. Cụ thể, thông tin kích

thước khoảng trống cần được phản hồi về cho nút biên để nó điều chỉnh kích

thước chùm sinh ra. Thông tin này có thể được mang trong gói điều khiển

22

NACK. Với cấu trúc gói tin NACK như trong Hình 3.17, các byte nhàn rỗi

trong trường PDU CTR được tận dụng để mang thông tin kích thước khoảng

trống. Cụ thể, 4 trong 6 byte rỗi được đề xuất để mang thông tin khoảng

trống. Cấu trúc của trường PDU CTR do đó được mô tả lại như Hình 3.19.

NDA NSA IDBURST NACK QoS

OFFSET LEN BURST PDUCTRLCHANNEL

8 byte

idleKÍCH THƯỚC KHOẢNG TRỐNG

Hình 3.19 Cấu trúc của gói NACK được thêm bởi 4 byte cho kích thước khoảng trống

Để triển khai mô hình OT-ABLD, tại nút lõi luận án sử dụng thuật toán BF-

VF [45], giải thuật lấp đầy khoảng trống tốt nhất cho đến nay, để lập lịch cho

các chùm đến và được giả thiết rằng có khả năng tính toán kích thước khoảng

trống trung bình để định kỳ gửi về cho nút biên vào.

S

q(0)

q(1)

Tập hợp chùm tại nút biên vào

Mô đun cho việc điều chỉnh ngưỡng

kích thước La(0)

Mô đun cho việc đo kích thước khoảng trống trung bình và

phản hồi nó

Các kênh ra tại nút lõi

S: Trình lập lịch

Khoảng

trống

chùm

NACK

Hình 3.20 Các mô-đun chức năng được thêm cho các nút biên vào và nút lõi để phản hồi thông

tin kích thước khoảng trống và điều chỉnh kích thước của chùm ưu tiên cao hoàn thành

3.3.2 So sánh và đánh giá dựa trên mô phỏng

a. So sánh về tỉ lệ mất chùm

Hình 3.21 mô tả so sánh tỉ lệ mất chùm tổng đối với các mô hình phân

biệt dịch vụ: undiff, OTD, BLD, OT-ABLD. Kết quả cho thấy rằng OT-

ABLD đạt được tỉ lệ mất chùm thấp nhất ở cả hai giai đoạn mô phỏng. Cụ thể

ở giai đoạn thứ nhất (từ 0s đến 1.0s) OT-ABLD đạt tỉ lệ mất chùm thấp hơn

khoảng 10% so với BLD, OTD và khoảng 20% so với undiff. Ở giai đoạn hai

(từ 1.1s đến 2.0s) OT-ABLD cho tỉ lệ mất chùm thấp hơn 15% so với BLD,

25% so với OTD và gần 30% so với undiff.

23

Hình 3.21Một so sánh về tổng tỉ lệ mất chùm giữa các mô hình: undiff, OTD, BLD và OT-ABLD

b. So sánh độ trễ trung bình của chùm ƣu tiên cao (theo gói)

Về so sánh độ trễ trung bình của chùm (theo gói), Hình 3.24 cho thấy OT-

ABLD gây ra độ trễ đầu cuối là thấp nhất khi so sánh với OTD, BLD và

undiff; OTD và undiff có độ trễ trung bình trùng nhau; và độ trễ trung bình

có xu hướng giảm ở giai đoạn hai trong mô phỏng.

Hình 3.24 Độ trễ trung bình (µs) của chùm ưu tiên cao (theo gói)

24

Đối với OTD và undiff mặc dù thời gian tập hợp chùm thực tế như nhau ở

cả hai giai đoạn, nhưng ở giai đoạn hai khi mật độ của luồng ưu tiên cao đến

dày đặc (như phân bổ tại Hình 3.25), ngưỡng độ dài La(0) luôn đạt đến trước

so với giá trị Ta(0) và kết quả là độ trễ của lớp ưu tiên cao có xu hướng giảm

(như Hình 3.24).

Hình 3.25 Thời gian tập hợp ( s) của hàng đợi 0 thay đổi trong 100 cửa sổ quan sát thành công

trong hai trường hợp tải: (0.2,0.2) và (0.4,0.2)

3.3.3 Nhận xét

Trong mô hình cung cấp QoS tại nút biên và nút lõi, luận án đã đề xuất

mô hình có tên gọi là OT-ABLD, với việc sử dụng thông tin kích thước

khoảng trống để điều chỉnh độ dài của chùm ưu tiên cao và cài đặt thời gian

bù đắp cho lớp ưu tiên cao bao gồm tổng chiều dài chùm ưu tiên thấp và thời

gian bù đắp của nó. Tỉ lệ mất chùm của mô hình OT-ABLD đã giảm đáng kể

khi so sánh với các mô hình undiff, OTD và BLD. Công bố tại [CT8]

3.3 Tiểu kết chƣơng 3

Trong chương này, luận án đã giới thiệu ba mô hình phân biệt CLDV

được đề xuất mới: (1) là mô hình OT-BLD nhằm nâng cao cơ chế cung cấp

CLDV tại nút biên, là kết quả của sự kết hợp giữa OTD và BLD; (2) mô hình

giảm thiểu mất mát chùm tại nút lõi khi không xem xét CLDV; và (3) mô

hình OT-ABLD nhằm nâng cao cơ chế cung cấp CLDV kết hợp các nút dựa

vào mô hình cung cấp CLDV tại nút biên OT-BLD và việc phản hồi từ kích

thước các khoảng trống từ nút lõi. Kết quả của các mô hình này giúp giảm

đáng kể tỉ lệ mất chùm và độ trễ trung bình gói tin của lớp ưu tiên cao. Tuy

nhiên, các mô hình này vẫn có hạn chế về tỉ lệ mất chùm ưu tiên thấp do chưa

xem xét ngưỡng điều chỉnh trong quá trình tập hợp chùm cho lớp ưu tiên thấp

cũng là vấn đề cần được khắc phục. Ngoài ra, cần bổ sung thêm mô đun tính

25

toán khoảng trống trung bình gửi về nút biên và định kỳ theo thời gian điều

chỉnh lại quá trình tập hợp chùm của lớp ưu tiên cao cũng làm cho mô hình

đề xuất khá phức tạp. Kết quả được công bố chi tiết trong [CT6], [CT7] và

[CT8].

KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN ÁN

KẾT LUẬN:

Chuyển mạch chùm quang trên mạng WDM được xem là một công nghệ

đầy triển vọng đối với mạng Internet thế hệ tiếp theo, bởi vì OBS khắc phục

được những hạn chế về công nghệ của chuyển mạch gói quang hiện tại và

khai thác băng thông linh hoạt, tốt hơn hơn chuyển mạch kênh quang. Một

trong những vấn đề quan trọng trong mạng OBS là làm thế nào để nâng cao

CLDV giữa các luồng dịch vụ khác nhau. Với mục đích đó luận án đã tập

trung nghiên cứu các mô hình, giải thuật nâng cao cơ chế CLDV trong mạng

OBS với các hướng tiếp cận khác nhau. Kết quả mà luận án đã đạt được bao

gồm:

1. Tổng hợp phân tích, đánh giá và phân loại các phương pháp nâng cao

cơ chế CLDV trong mạng OBS. Qua đó đưa ra được những ưu điểm và tồn

tại của các giải thuật và đây chính là cơ sở để đề xuất và cải tiến các giải

thuật nhằm nâng cao cơ chế cung cấp CLDV tại các nút và kết hợp.

2. Đề xuất 3 mô hình điều khiển chấp nhận có tên là ARP-SAC [CT2],

TPAC [CT3], [CT4] và iTPAC [CT5] nhằm giảm tỉ lệ mất các loại chùm dữ

liệu.

3. Đề xuất mô hình cung cấp CLDV tại nút biên OT-BLD [CT6].

4. Đề xuất mô hình giảm mất mát tại nút lõi khi không xét CLDV [CT7].

5. Đề xuất mô hình cung cấp CLDV kết hợp nút biên và nút lõi OT-

ABLD [CT8] cũng đã được đưa ra nhằm tối ưu băng thông sử dụng và góp

phần nâng cao cơ chế cung cấp CLDV giữa lớp dịch vụ.

HƢỚNG PHÁT TRIỂN LUẬN ÁN:

26

Từ những kết quả đạt được trong luận án các vấn đề cần được quan tâm

nghiên cứu trong thời gian tới:

1. Nghiên cứu vấn đề nâng cao cơ chế cải tiến CLDV tại nút lõi mở rộng

nhiều lớp QoS hơn để thấy được vai trò cải thiện tỉ lệ truyền và nhận dữ liệu

trong mạng.

2. Xây dựng mô hình cung cấp CLDV mới tại nút biên, kết hợp phân đoạn

chùm và nâng cao cung cấp CLDV kết hợp các nút với sử dụng FDL.

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN

[CT1]. Phạm Trung Đức. Một cải tiến về điều khiển chận lập lịch trong

mạng OBS có xét đến QoS, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Trường Đại học

Khoa học, Đại học Huế, T1/2018, Tập 11, Số 1, Trang 1-12.

[CT2]. Phạm Trung Đức, Võ Viết Minh Nhật, Đặng Thanh Chương. Điều

khiển chấp nhận lập lịch dựa trên dự báo tốc độ chùm đến trong mạng

chuyển mạch chùm quang, Kỷ yếu Hội nghị Khoa học Quốc gia FAIR lần thứ

XI, 2018, Trang 137-145.

[CT3]. Pham Trung Duc, Dang Thanh Chuong, Vo Viet Minh Nhat. A

Model of Traffic Prediction based Admission Control in OBS Nodes, in 2019

IEEE-RIVF International Conference on Computing and Communication

Technologies (RIVF), 2019, pp. 1–6, DOI: 10.1109/RIVF.2019.8713683

(SCOPUS).

[CT4]. Phạm Trung Đức, Lê Văn Hòa, Nghiên cứu ảnh hưởng của kích

thước cửa sổ quan sát đến độ chính xác dự báo trong mô hình điều khiển

chấp nhận lập lịch, Tạp chí Khoa học Đại học Huế: Kỹ thuật và Công nghệ

(đã được chấp nhận đăng).

[CT5]. Phạm Trung Đức, Võ Viết Minh Nhật, Đặng Thanh Chương. Một

cải tiến về điều khiển chấp nhận lập lịch dựa trên dự báo tốc độ chùm đến kết

hợp đường trễ FDL, Kỷ yếu Hội nghị Khoa học Quốc gia FAIR lần thứ XII,

2019, Trang 268-275.

[CT6]. Phạm Trung Đức, Đặng Thanh Chương, Mô hình phân biệt QoS dựa

trên thời gian bù đắp và kích thước chùm trong mạng OBS, Tạp chí Khoa học

Đại học Huế: Kỹ thuật và Công nghệ, Vol 128, No 2A (2019).

DOI: http://dx.doi.org/10.26459/hueuni-jtt.v128i2A.5496.

[CT7]. Phạm Trung Đức, Võ Viết Minh Nhật, Đặng Thanh Chương, Nâng

cao hiệu năng nút lõi OBS dựa trên phân tích dữ liệu trạng thái lập lịch, Tạp

27

chí Khoa học Công nghệ Thông tin và Truyền thông, ISSN 2525-2224, Số 02

(CS.01) 2020, Trang 53-60.

[CT8]. Vo Viet Minh Nhat, Pham Trung Duc, Dang Thanh Chuong, Le Van

Hoa, A mechanism of QoS differentiation based on Offset Time and Adjusted

Burst Length in OBS Networks, Turk J Elec Eng & Comp Sci, ISSN 1300-

0632, Volume 28, Issue 5, 2020, pp. 2808-2820, DOI:10.3906/elk-1906-87

(SCIE).

HUE UNIVERSITY

UNIVERSITY OF SCIENCES

PHAM TRUNG DUC

RESEARCH SOLUTIONS TO IMPROVE QUALITY OF

SERVICE IN OPTICAL BURST SWITCHING NETWORK

MAJOR: COMPUTER SCIENCE

CODE: 9.48.01.01

SUMMARY OF PHD THESIS

HUE, YEAR 2021

The thesis has been completed at: .................................................................

........................................................................................................................

........................................................................................................................

Supervisor:

1. Assoc. Prof. Dr. Vo Viet Minh Nhat, Hue University

2. Dr. Dang Thanh Chuong, University of Sciences, Hue University

........................................................................................................................

Reviewer 1: .....................................................................................................

........................................................................................................................

........................................................................................................................

........................................................................................................................

Reviewer 2: ....................................................................................................

........................................................................................................................

........................................................................................................................

........................................................................................................................

Reviewer 3: ....................................................................................................

........................................................................................................................

........................................................................................................................

........................................................................................................................

The thesis will be presented at the thesis Committee meeting of Hue

University, to be held by Hue University at: .................................................

…………………….................. ......................................................................

The thesis can be found at the following libraries: ........................................

........................................................................................................................

........................................................................................................................

........................................................................................................................

1

PREFACE

1. The urgency of the topic

With the explosion of network applications in recent years, the

transmission of data over the network has become a challenging problem and

it is attracting a lot of attention. There have been many different proposals

about data transmission methods, from traditional information transmission

way via copper cables, over radio waves to burst swich support multichannel

transmission, in which optical bursts have many advantages such as low

attenuation, very large bandwidth and immunity to electrical interference

compared to copper cables. With the recent great success of Wavelength

Division Multiplexing (WDM) technology, the bandwidth of each optical

burst is separated into multiple wavelength channels, thereby responds better

increasing communication needs of the users [35], [53].

Optical communication, since its inception until now, has gone through

three generations of development, from the original WR wavelength routing

models providing point-to-point links, to the second generation with end-to-

end optical links (lightpath) which is reserved in the optical layer. In the 3rd

generation, Opitical Packet Switching (OPS) models [51] are proposed with

the idea which is inspired by the packet-switched network. In order to deploy

on ring or grid topologies to be able to adjust flexibly in responsing to change

of the flow rate. However, with some technological limitations, such as not

being able to produce optical buffers (similar to RAM in electrical networks)

or optical packet switches at nanoseconds rate, Optical Packet Switching

(OPS) can’t be come reality. One compromise solution is the Optical Burst

Switching (OBS).

A typical feature of communication in the Optical Burst Switching (OBS)

network is that the BCP control part (packet) is separated from the DB data

part (burst). In other words, in order to transmit an optical burst, a control

packet is formed and is sent before an offset (offset time). This offset time

should be calculated such that it is sufficient to preset the resource and

configure the switches at the intermediate nodes throughout the journey

which the optical burst will pass from the source node to the destination

node. Not only is it separated in terms of time, the BCP control packet is also

separated in terms of space from its data burst, where several channels

(wavelengths) are reserved for the BCP control package, while the other

channels is used for data burst transmission [75].

With this data transmission, it is clear that the OBS network does not need

optical buffers to save temporarily data bursts while waiting for the

processing their BCP control packets at the intermediate nodes (the core

2

node) and the OBS network also does not require nanosecond rate switches.

However, this communication way also puts a pressure. That’s how a control

package can reserve resources promptly and switching configure success at

the core nodes, which ensure optical burst transition follow it. That is the task

of such activities as reserving resources, scheduling and disputing resolution

[19].

A solution to enhance service quality in the OBS network can be

performed by providing differentiation of service quality at some point

(node) in the OBS network [32]. Specifically, typical approaches to

mechanisms that provide this distinction can be: differentiation at the control

layer and data layer [45], where the activities provide differentiation of

service quality can be: differentiation about compensation time,

differentiation in dispute resolution policy, differentiation in the process of

gathering burst and differentiation in some scheduling activities ... [32].

These models are essential to have effective control mechanisms to provide

the QoS differentiation which is committed, and can provide more resources

for different applications to optimize communication performance on the

whole network (based on requirements about latency, data loss rate and

bandwidth constraints ...).

2. Research motivation

There are available studies to improve quality of services (QoS) in the

OBS network, which can be classified into 2 main approaches solution

groups:

- Improve QoS at the edge node;

- Improve QoS at the core node.

The above solution groups usually aim to improve QoS through

scheduling admission control process [5], [33] at the core node, provide

differentiation of QoS at the edge node, or improve QoS on the nodes.

3. Research objectives

• Research and improve scheduling admission control mechanism to

enhance QoS based on incoming burst rate prediction at core node to improve

scheduling efficiency for low QoS bursts but still ensure a level of service

quality for high QoS bursts. The effectiveness of the scheduling admission

control mechanism was valued through simulation and mathematical

analysis.

• Research and propose scheduling historical data anylysis method to

identify factors affecting to scheduling efficiency, thereby proposing

solutions which reduce data loss to improve scheduling performance at core

node.

• Research and improve the mechanism which provide difference of based

3

on offset time and burst size at the egde node. Based on the available

resource information base which is reflected from the core node, the egde

node to adjusts the size of the burst is generated to provide bandwidth

efficiency, reduce burst loss rates but still improve QoS for each priority

class.

4. Object and scope of the study

- Object of study: Models and admission control algorithms and burst

aggregation in the OBS network.

- Scope of study: Edge node and core node in OBS network.

5. Research Methodology

- Theoretical research method: Synthesize of publications related to

models, algorithms, improved diversity assurance mechanism and provide

QoS. Analyze and evaluate the pros and cons of published proposals as a

basis for improvement or new proposal.

- Simulation and experiment methods: Install innovative algorithms and

propose new solutions to prove the correctness of these algorithms.

6. Thesis structure

The thesis includes the introduction, three chapters of content, the

conclusion and the list of references. Specifically:

- Chapter 1, with the chapter title "Overview about quality of service in

optical burst switching networks", presents the basic knowledge about optical

burst swithching networks, including: history of optical communications,

optical switching models, optical-burst switching network’s architecture,

network internal operations and the problem of improving QoS on the OBS

network.

- Chapter 2, with the chapter title "Solutions to improve service quality at

the core node", focuses on the main issue: proposing some models which are

used to predict the incoming burst rate based on admission control.

- Chapter 3, with the chapter title "Solutions to improve service quality at

the egde node and the combination of nodes", solves (3) the problems

including: (1) presentating synthesis of the research related to the mechanism

which provide QoS at the edge node, (2) finding out the cause of the burst

loss based on analyzing scheduling historical data to improve performance at

the core node and (3) reviewing the control packet structure to propose the

QoS providing model on the whole network after receiving feedback on the

gap at the core node which is sent back in the control packet to adjust the

burst aggregation phase in order to optimize the used bandwidth and provide

efficiency in the problem how to improve QoS.

"Conclusion and development direction of the thesis" stated the

contributions of the thesis, development direction and concerns of the author.

4

CHAPTER 1. OVERVIEW ABOUT QUALITY OF SERVICE

IN OPTICAL BURST SWITCHING NETWORK

1.1 Introduction about optical burst switching network

Optical switching is divided into 3 types: optical channel switching,

optical packet switching and optical burst switching.

1.1.1 Architecture of the OBS network

1.1.2 Comparison of optical switch models

1.1.3 Operations at the edge node

1.1.4 Operations at the core node

1.1.5 Scheduling in OBS network

1.2 Quality of service in the OBS network

1.2.1 The need to improve quality of service (QoS) in the OBS network

QoS enhancement can be done by some mechanisms such as

providing/improving QoS at each node or combining nodes in the OBS

network, in order to create a variety of options which provide services at to

achieve the required service, original request. According to [39], depending

on the model, mechanism or technique, the enhancement of the QoS

provisioning/improvement mechanism can be classified into two main ways,

they are the QoS improvement mechanism at the nodes and the QoS

provisioning mechanism. The solution enhances the QoS improvement

mechanism which is implemented on all nodes, based on mechanisms to

improve the general performance of the network, specifically: burst

aggregation, signaling scheme for resource reservation, scheduling

algorithms and disputing resolution. Then, the QoS providing mechanisms

will be considered, which means that they concern to the QoS label (high

priority burst or low priority burst) with different approaches [76]. Another

QoS enhancement solution can achieve by the typical approach in

differentiation mechanisms which are implemented at the control or data

plane [45], where operations to provide QoS differentiation can be: signaling

and routing at the control layer. At the data layer at the edge node, there are

mechanisms that provide QoS differentiation through parameters during

aggregation process, burst size ..., the core node has control models to

enhance the QoS differentiation from the egde node related to dropping or

scheduling policies.

1.2.2 Improve quality of service at the core node

1.2.3 Improve quality of service at the egde node

5

1.3 The research objectives of the thesis

Based on the analysis of published solutions about enhancing QoS in

OBS network and the general research goal identified in the introduction

section, specifically proposing some solutions to improve QoS in OBS

network. The thesis is implemented under 4 main research objectives,

including:

• Objective 1. Propose scheduling admission control method based on

incoming burst rate prediction in order to improve QoS provision at the

core node.

• Objective 2. Research and improve the quality of service differentiation

mechanism at the egde node based on the combination between burst

length adjustment and offset time.

• Objective 3. Research and propose methods of analyzing scheduling

historical data in order to identify factors affecting to scheduling

efficiency, thereby proposing solutions which reduce data loss and

improve scheduling efficiency.

• Objective 4. Study and propose the QoS enhancement model by

associating at the edge node and the core node. In which, the core node is

responsible for responding to the gap information, the edge node adjusts the

burst aggregation process to increase successful scheduling rate but still

improve QoS differentiation.

In which, objective 1 will be implemented in Chapter 2 and objectives 2,

3, 4 will be presented in Chapter 3.

1.4 Summary of Chapter 1

The first chapter of the thesis introduced an overview about the OBS

network and operations inside the network, in which the scheduling

admission control problem at the core node and the offset time differentiation

at the edge node which is focused on analysis because it has an important

effect to the QoS enhancement problem on the whole network. The thesis

also analyzed and evaluated the published methods so far about admission

control and differentiation QoS. That is the basis for the final thesis to

identify 4 goals which need to be studied as well as propose functional

modules which are added to enhance QoS deployment and communication

performance of OBS network.

6

CHAPTER 2. SOLUTIONS TO IMPROVE QUALITY OF SERVICE

AT THE CORE NODE

2.1 Scheduling admission control is supported to provide quality of

service

Scheduling admission control (admission control) can be deployed at each

output port of egde node and core node. Thanks to the use of electronic

buffers, scheduling admission control at the egde node is often simpler and

more efficient.

2.2 Analysis and evaluation of admission control models

2.2.1 Wavelength group model

2.2.2 Comparison and evaluation based on simulation

The thesis conducted the effective comparison between the scheduling

admission control models of SWG, DWG and LLAC based on simulation

which is installed with the supportion of NS2 network simulation software

[77] integrated with Obs 0.9 package, on a PC with CPU 2.4GHz Intel Core

2.2G RAM. The simulation network is NSFNET.

a. Comparing burst loss rate

DWG's total burst loss rate was the lowest (Figure 2.4c). LLAC always

gives priority to high priority bursts so it always get the lowest high priority

burst loss rate, but LLAC with low priority burst loss rate is quite high. This

is true with setting result which is performed in [22].

Figure 2.4 Comparison of burst loss rates of high and low QoS class between SWG,

DWG and LLAC

b. Comparing bandwidth utilization

When considering bandwidth utilization rate, DWG has the highest

bandwidth utilization, for both 2 classes (Figure 2.5). This is understandable

when DWG reduces the number of loss burst it will increases bandwidth

utilization efficiency.

7

Figure 2.5 Bandwidth utilization in 2 classes of the SWG, DWG and LLAC model

2.2.3 Result

2.3 The admission control model is based on the ARP-SAC incoming

burst rate prediction

2.3.1 The prediction model is based on the incoming burst rate

Let is the arrival rate of the high priority bursts and is the arrival

rate of the low priority bursts, the number of channels assigned for the low

priority can be calculated in proportion to the arrival rates of

the two types of high priority and low priority burst which are shown in

formula (2.2). Note that high priority bursts are used all channels, it means …

⌈ ⌉ (2.2)

Predictive model based on TW-EWMA method [32] determines the

incoming burst rate by equation (2.6):

(2.6)

which

is the average arrival rate in the past, is the current

arrival rate, and is the weight of

and . In [3], this

weight is chosen as . However, as the proposal in [60], this

coefficient can be adjusted flexibly based on average rate in the pass and

current rate as equation (2.7).

(2.7)

The scheduling admission control model based on adaptive arrival rate

prediction therefore it’s called ARP-SAC model.

2.3.2 Describing an admission control algorithm in the ARP-SAC model

Algorithm 2.1:

Input: - Set bursts coming , each

inside and time is coming and ending,

8

defines as high (0) or low (1) QoS.

- ; //output wavelength channels

- ;

Output: - Set of high QoS burst is scheduling to , and dropped ;

- Set of high QoS burst is scheduling to , and dropped .

Process:

1 ;

2 ;

3

;

;

4 ;

5 ;

6 while ( ) do

7 chùm đầu tiên từ tập ;

8 ;

9 if ( – ) then

10 if ( ) then

11 ;

12 else

13 ;

14 end if

15 else

16 if ( ) then

17

;

;

18

;

;

19

;

20

;

21 ⌈

⌉;

22 ; ;

23 ;

24 end if

9

25 end if

26 if – then

27 ;

28 ;

29 end if

30 if (( ) ( )) then

31 ;

32 if ( ) then

33 ;

34 else

35

36 end if

37 else

38 if ( ) ( ) then

39 ;

40 end if

41 if ( ) then

42 ;

43 else

44 ;

45 end if

46 end if

47 end while

2.3.3 Comparing and evaluating based on simulation results

The thesis uses the parameters which are set in this part as Section 2.2.2.

a. Comparing burst loss rates

The result in Figure 2.9c shows that the burst loss rate of ARP-SAC

always gives the best results thanks to the policy of allocating more

bandwidth for the low priority burst traffic. The improvement about the burst

loss rate for the low priority burst in this case is 44%, 38% and 20% in the

cases of incoming traffic rate is 3:7, 5:5 and 7:3 respectively.

10

Figure 2.9a Comparison of low QoS class burst loss rate between SWG, DWG, LLAC and

ARP-SAC

b. Comparing the variation about the number of wavelengths allocated

for the low priority class.

Figure 2.10 Comparison of wavelength allocation for low priority burst traffic

2.1.3.4 Result

Based on simulation results, the admission control model based on ARP-

SAC icoming burst rate predictions shows low priority burst loss rate and

total loss rate decrease about 30% and 15% compared to others models .

However, in terms of the high priority burst loss rate, the ARP-SAC method

has burst loss rate which is 3% higher compared to the previously published

models (Figure 2.9b).

This is because the ARP-SAC model reserve the number of allocated

wavelengths for the flexibly low priority burst follows the incoming burst

rate without using a minimum wavelength value, so the result is that in a low

priority burst loss rate reduction, and lead to the number of wavelengths that

provide for the high priority class are occupied; this increases priority of

11

burst loss rate, though not much. To solve this problem, the thesis continues

to propose a new rate prediction model which will be presented in the next

section. Admission control model is based on ARP-SAC incoming burst rate

prediction which was published in [CT2].

2.4 The method of reclaiming resource for high priority burst

2.4.1 The principle of reclaiming resources for high priority bursts

The principle of reclaiming resources from a low priority burst for a high

priority burst is proposed as follows:

When a high priority burst arrives at an output link and no wavelength is

found for scheduling it, the resource which has been occupied by a low

priority burst will be removed to use for scheduling this high priority burst.

Low priority burst removal only is performed if 2 following conditions are

satisfied:

The high priority burst only overlaps with the low priority burst that

is intended to remove;

The control package of the low priority burst has not been sent to the

next node.

Otherwise, the high priorburst is dropped.

In the case that a low prior burst arrives and all resources are busy, this

burst is dropped.

2.4.2 Description of the TPAC algorithm

Algorithm 2:

Input: - ; //incoming burst

- ; //number of output wavelength

- ; //the size of observation window;

Output: - Set of high QoS burst is scheduling to , and dropped ;

- Set of high QoS burst is scheduling to , and dropped .

Process:

1 for each an burst arrives do

2 if ( ;) then

3 := the current rates of high priority and low priority

classes arrived in the observation window; 4

;

5

;

6

;

7 end if

12

8

9 end for;

The complexity of the TPAC algorithm is , where n is the

number of incoming bursts ( ) and is the total output

wavelength.

2.4.3 TPAC analysis model

The wavelength distribution model in the TPAC is equivalent to the queue

system model where there are wavelength channels (with full wavelength

conversion) serving incoming bursts.

The two-dimensional Markov model [14], [28], [58] can

therefore be used to analyze the efficiency (in terms of the blocking

probability) for the admission control models. The simulation parameters are

the same as in Section 2.2.2.

Thus, the blocking probability equations of the high and low priority

classes are:

∑

∑

(2.9)

(2.10)

Total probabilities of high and low priority classes is:

(2.11)

2.4.4 Comparing and evaluating based on simulation

a. Comparing average prediction error

As recommended in [34], the advantage of the TW-EWMA method is that

it helps to reduce computation costs. Therefore, it is essential to have a

compromise between predictive error and computational cost in order to help

the system achieve higher efficiency. Therefore, the thesis chooses the half

size of the observation window by the predictive execution cycle (according

to analysis in Figure 2.14 and Figure 2.15), and published [CT3].

b. Comparing burst loss rates

Figure 2.16c shows TPAC’s burst loss rate of the both priority classes

TPAC lower than all the previously proposed methods.

13

Figure 2.16 Comparison of the burst loss rate of both classes in the TPAC model

b. Comparing of bandwidth usage

Figure 2.17 bandwidth utilization rate for both classes in TPAC model

As shown in Figure 2.17c, TPAC has the highest bandwidth utilization

rate for both priority classes. In addition, Figure 2.18 shows that there is an

approximation between the simulation result and the blocking probability of

Equation 2.11 calculated by Mathematica software [78]. This confirms the

correctness of our proposed model published in [CT4].

14

Figure 2.18 Comparison on the burst blocking probability between analytical model

and simulation.

2.4.5 Result

2.5 ITPAC delay line combination model

2.5.1 Description of improved iTPAC algorithm

A Fiber Delay Line (FDL) control mechanism for these low priority bursts

is proposed as follows:

• if the allowable delay (determined by the current offset time) of the low

priority burst is less than the delay time of the FDL then it is not

necessary to include the low priority burst in the delay line (because they

will be dropped because not enough the offset time but the edge node has

not been reached yet) and this low priority burst will be rejected;

• if the allowable delay of the low priority burst is greater than the delay

line length, the burst will be inserted into FDL in the hope that resources

can be found to schedule when it leaves the delay line.

2.5.2 Simulating, comparing and evaluating

2.5.3 Result

2.6 Summary of chapter 2

Admission control has a large impact on the burst loss rate and the

bandwidth utilization efficiency at the core node for bursts of different

priority. In this chapter, the thesis has proposed an admission control model

based on burst traffic prediction with 3 models ARP-SAC [CT2], TPAC

[CT3], [CT4] and iTPAC [CT5].

Based on the simulation results, the models not only improve the quality

of service for the high priority class but also improve the burst loss rate of the

low priority class. In the next chapter, solutions to improve QoS at the edge

nodes and nodes combination will be analyzed and proposed.

15

CHAPTER 3. SOLUTIONS TO IMPROVE QUALITY OF

SERVICE AT THE NODE AND COMBINE NODES

3.1 The model to differentiate quality of service at the edge node

3.1.1 The burst assembly provides quality of service

Differentiating QoS is an important requirement for actual communication

networks, because the variety of service requests from users and applications

is increasing. Through operations in the OBS network, QoS discrimination

can be realized during burst assembly, resource allocation, scheduling, or

blocking resolution.

3.1.2 Analysing of related works

There are two approaches for QoS differentiation at the edge node: offset

time-based differentiation (OTD) [23], [49] and burst length-based

differentiation (BLD) [25], [42]. With OTD, by adding extra offset time to

the high priority bursts, these bursts are subjected to an additional delay.

However, a problem in BLD is that the edge node does not know the size

of voids generated at the related core nodes, so it is necessary to feedback the

value of void size from the core node so that the edge node can resize the

generated bursts appropriately.

In this chapter, we will propose a model to provide QoS at the edge node

and solve the problem discussed above, with the model to quality of service

differentiation combining the offset time and the burst size called OT-BLD.

3.1.3 Model of providing QoS at the edge node OT-BLD

The OT-BLD model burst assembly according to the following criteria:

high priority burst with long offset time, but short burst length; while the low

priority burst has short offset time, the burst length is long as shown in Figure

3.4.

Offset timeBurst length Extra

Burst length Offset time

t0 t1 t2

T0(0)

T0(1)

HP class

LP class

t0 t1 t2

Figure 3.4 The assembly burst at the edge node of OT-BLD model

The OT-BLD model is set at offset time of the low priority burst will be

the basic offset time (basic OT), and the offset time of the high priority burst

16

is thus the sum of basic offset time and the length of low priority burst

(Figure 3.5).

HP burstclass(0)

class(1) LP burst

OT(1)

basic OT

basic OT

BCP

Figure 3.5 Setting the additional offset time greater than the low priority burst length will

help reduce the resolution between 2 class priority burst.

3.1.4 Comparison and evaluation based on simulation

Consider incoming packets at the OBS edge node queues that have

Poisson's distribution and have packet sizes in the from [500, 1000] bytes. At

each edge node, the number of queues is considered for each destination

, consisting of a high priority queue with time threshold

and a low priority queue with time threshold .

The basic offset time value is set to 300µs. The length thresholds are

initially set for and , as recommended by B.

Kantarci and et al in [25]. value is chosen to be , the number of

wavelengths per output link is , the bandwidth of each link is ..

a. Comparison of the burst loss rate between models

The total burst loss rate of both classes is shown in Figure 3.6 (c), where,

in the first period (from 0.0s to 1.0s, with load 0.2 for both priority classes),

OT-BLD for better burst loss rates than OTD, BLD and undiff 4%, 5% and

12%.

Figure 3.6 Comparison of the total loss rate among undiff, OTD, BLD and OT-BLD

At the second period (from 1.0s to 2.0s, when the high priority class

increases to 0.4 and the 0.2 load for the low priority class), OT-BLD also

17

results in better burst loss than BLD, OTD and undiff about 3%, 7% and

10%. Thus, the OT-BLD model shows its effectiveness in terms of the

increase or decrease of the incoming load.

b, Comparison of the average delay of packets

The result Figure 3.7 (a) shows that the average delay of the high priority

burst packets of the OT-BLD and BLD models is the lowest in both phases,

while the average delay of the packets in the undiff and OTD model are

higher.

Figure 3.7 Comparison of the average delay (µs) of high priority burst (packets).

3.1.5 Result

The thesis has proposed an improved model combining published burst

assembly methods, with a model called OT-BLD. When comparing the

results of the burst loss rate of OT-BLD, it was shown that the efficiency

about burst loss of this model compared to other models. In addition, the

average delay of the OT-BLD model packet decreased when compared with

the undiff and OTD models in different simulation times, which also

demonstrated the efficiency of the combination this model. However, the

average delay of the OT-BLD model is higher than that of the BLD model,

which is also the urgency for the futher work. The results presented in this

section have been published in [CT6].

3.2 Analysing the cause of the burst loss

3.2.1 Burst loss problem when scheduling

The characteristics require of for the scheduling state data are: arrival

burst time, burst length, , void start and void end time.

18

3.2.2 Extract scheduling status data

NFSNET network model consists of 14 nodes. The simulation results

show that the burst loss rates at the nodes 3, 5, and 8 are significant and the

scheduled status data extracted here can represent the general scheduling

state at the core nodes across the network. (in Figure 3.9).

3.2.3 Determining the properties that influence the burst loss

In 44959 collected samples, there were 22187 samples which belong to

successful scheduling cases without voids filling, 752 successful scheduling

cases with voids filling and 22019 samples which belong to unsuccessful

scheduling cases. The important thing is how to know what attributes affect

to the unsuccessful scheduling. The result of the scheduling data analysis in

Figure 3.12 shows that head_overlap and LAUT overlap are the main causes

of the burst loss (accounting for more than 90%), in which two properties

burst_time and burst_length have the primary impaction on unsucessful

scheduling (Figures 3.11 and 3.12). This is the basis of the following

proposal to improve scheduling performance.

3.2.4 The solution to use the delay line to reduce burst loss

The scheduling control based on the FDL delay line is proposed in Figure

3.14, when an incoming burst cannot be scheduled, the LAUT_overlap and

head_overlap checking are considered (the rectangular part is dashed). If

there is head_overlap or LAUT_overlap, the burst will be inserted into the

delay line to delay its arrival time. In the case of the tail_overlap, the burst

will be dropped.

3.2.5 Simulation and analysis of the results

a. Analysis of burst loss rate

Figure 315 shows that using the FDL delay line for burst loss rate from

load 0.1 to 0.6 is the biggest reduction about 60% compared to no using a

delay line. But when the load increases from 0.7 to 0.9, the loss rate

decreases very little (about 4%). FDL with the delay of 100µs has a lower

burst loss rate than FDL with a delay of 150µs.

19

Figure 3.15 Comparison of the burst loss rate when using or not using FDL

b. Analysing the delay when using FDL

Fi

gure 3.16 The average delay (%) increases when using FDL.

In Figure 3.16, the average delay rate of bursts increases when using the

FDL. When using FDL with 150 µs delay, the burst delay increases on

average 21% compared to nearly 16% when using FDL with 100µs delay.

3.3 Combining the edge node and the core node in the quality of

service differentiation

3.3.1 Quality of service differentiation based on offset time and adjusted

burst length OT-ABLD

Chapter 3 of the thesis continues to explore the void dimension

information module that is feedbacked from core nodes can be carried in the

control package whose structure is described as in [44]. Specifically, void

size information needs to be returned to the edge node in order for it to adjust

20

burst of generated length.

This information can be carried in the NACK control package. With the

structure of a NACK packet as shown in Figure 3.17, the idle bytes in the

PDU CTR field are utilized to carry this value. Specifically, 4 of 6 idle bytes

are proposed to carry the value of void size. The structure of PDU CTR is

therefore modifield as shown in Figure 3.19.

NDA NSA IDBURST NACK QoS

OFFSET LEN BURST PDU

CTRLCHANNEL

8 bytes

idleVOID SIZE

Figure 3.19 The structure of the NACK packet with 4 bytes dedicated to carry the value of void

size

To implement the OT-ABLD model, at the core node, the thesis uses BF-

VF [45] algorithm, the best void filling algorithm to date, is chosen. Because

BF-VF tests all voids and chooses the most fitting void, the average size of

voids is easy to be calculated in the OT-ABLD model.

S

q(0)

q(1)

Burst Assembler at ingress node

Module for adjusting

the length threshold

La(0)

Module for measuring the

average void size and

feedback it

Output channels at core node

S: Scheduler

voids

burst

NACK

Figure 3.20 The schema of measuring the average void size at the core node and sent it to the

edge node to adjust the length threshold high priority burst.

3.3.2 Comparing and evaluating based on simulation

a. Comparison of the burst loss rate

Figure 3.21 shows a comparison of the total loss rate between of the QoS

differentiation models: undiff, OTD, BLD, OT-ABLD. The results showed

that OT-ABLD achieved the lowest total burst loss rate in both periods.

Specifically, in the first period (from 0.1s to 1.0s), OT-ABLD achieves the

21

total loss rate that is 10% lower than BLD, OTD and 20% lower than undiff.

In the second period (from 1.1s to 2.0s), OT-ABLD has the burst loss rate

that is 15% lower than BLD, 25% lower than OTD and nearly 30% lower

than undiff.

Figure 3.21 Comparison of total loss rate among: undiff, OTD, BLD and OT-ABLD

b. Comparison of the delay high priority burst (packet)

For the comparison of the average delay of high priority bursts (packets),

Figure 3.24 shows that OT-ABLD causes the lowest end-to-end delay when it

is compared to OTD, BLD and undiff; OTD and undiff have the same

average delay; and the delay tends to decrease in the second period of the

simulation.

Figure 3.24 The average delay (µs) of high priority burst (packets)

For OTD and undiff, although their absembly time is practically the same

in both periods, but in the second period, when the density of arriving high

priority burst is high (as in Figure 3.25), the length threshold La(0) always

reaches first and as a result, the delay of the high priority class with to cases

0.12

0.14

0.16

0.18

0.2

0.22

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

Bu

rst

loss r

ate

2 c

lass

Simulation time (s)

undiffOTDBLDOT-ABLD

22

of incoming load (as shown in Figure 3.24).

Figure 3.25 A comparison of the delay (μs) of HP bursts (packet) in 100 successful

observation windows with two cases of incoming loads: (0.2,0.2) and (0.4,0.2)

3.3.3 Result

In the model of providing QoS at the edge and core nodes, the thesis has

proposed a model called OT-ABLD, with the use of void size information to

adjust the length of the high priority burst and setting up their isolated offset

times. Not only increasing the efficiency for the high priority burst, the OT-

ABLD model contributes to reduce the loss of the low priority burst when

compared with undiff, OTD and BLD models published at [CT8]

3.3 Summary of chapter 3

In this chapter, the thesis introduces three new QoS differentiation models

which are proposed: (1) the OT-BLD model to improve the QoS providing

mechanism at the edge node, that is the result of the combination of OTD and

BLD; (2) the model to minimize burst loss at the core node when not

considering QoS; and (3) the OT-ABLD model to improve the QoS

providing mechanism associated the nodes based on the providing QoS

model at the OT-BLD edge node and the response from the void size from

the core node.

The results of these models help to reduce significantly the burst loss rate

and packet’s average delay of ther high priority class. However, these models

still have limitations about the low priority burst loss rate due to not

considering the adjustment in the burst assembly process for low priority

class which is also a problem that needs to be overcome. In addition, it is

important to add a module to calculate the average void which is sent to the

edge node and periodically adjust the burst assembly process of the high

priority class which make the proposed model quite complicated. The results

are published in detail in [CT6], [CT7] and [CT8].

0

50

1001 5 9

13

17

21

25

29

33

37

41

45

49

53

57

61

65

69

73

77

81

85

89

93

97B

urs

t le

ng

th o

r v

oid

siz

e

(s)

100 successive observation windows

Void size (0.2,0.2) Burst lenght (0.2,0.2)

23

CONCLUSION

Optical Burst Switching on the WDM network is considered a promising

technology for the next generation Internet, because OBS overcomes the

technological limitations of current Optical Packet Switching and exploits

flexibly bandwidth, better than Optical Channel Switching. One of the

important problems in OBS network is how to enhance QoS between

different service flows. For that purpose, the thesis has focused on

researching models and algorithms to improve the QoS mechanism in the

OBS network with different approaches. The result which are thesis has

achieved include:

1. Synthesizing, analyzing, evaluating and classifying methods of

improving the QoS mechanism in the OBS networks. Thereby identify the

advantages and disadvantages of the algorithms and this is also the basis for

proposing and improving the algorithms to improve the QoS providing

mechanism at each node and both nodes.

2. Proposing 3 admission control models, which are named ARP-SAC

[CT2], TPAC [CT3], [CT4] and iTPAC [CT5] to reduce the loss rate of data

burst types.

3. Proposing the quality of service provding model at the edge node OT-

BLD [CT6].

4. Proposing the model to reduce loss at the core node when not

considering QoS [CT7].

5. Proposal of QoS providing model which combine edge node and OT-

ABLD core node [CT8] has also been proposed to optimize used bandwidth

and contribute to improve the quality of service providing mechanism

between service class.

THESIS’S DEVELOPMENT DIRECTION

From the achieved results in the thesis, the issues need to be studied in the

next time include:

1. Research the problem of improving the QoS improvement mechanism at

the core node that extends more QoS layers to see the role of improving the

data transmission rate and data reception rate in the network.

2. Building the new QoS providing model at the edge node, combining burst

segmentation and improving QoS provision with combine the nodes with

using FDL.

24

LIST OF RESULTS PULISHED BY AUTHOR

[CT1]. Pham Trung Duc. An improvement in scheduling admission control

in OBS network taking into account QoS, Journal of Science and Technology,

University of Science, Hue University, Jan 2018, Volum 11, Issue 1, pp. 1-

12.

[CT2]. Pham Trung Duc, Vo Viet Minh Nhat, Dang Thanh Chuong.

Scheduling admission control based on incoming burst rate prediction in

Optical Switching Burst networks, Proceedings of the XI National FAIR

Scientific Conference, 2018, pp. 137-145.

[CT3]. Pham Trung Duc, Dang Thanh Chuong, Vo Viet Minh Nhat. A

Model of Traffic Prediction based Admission Control in OBS Nodes, in 2019

IEEE-RIVF International Conference on Computing and Communication

Technologies (RIVF), 2019, pp. 1–6, DOI: 10.1109/RIVF.2019.8713683

(SCOPUS).

[CT4]. Pham Trung Duc, Le Van Hoa, Study the effect of observation

window size on predictive accuracy in scheduling admission control model,

Journal of Science, Hue University: Engineering and Technology (accepted).

[CT5]. Pham Trung Duc, Vo Viet Minh Nhat, Dang Thanh Chuong. A

scheduling admission control improvement based on the FDL incoming burst

speed prediction, Proceedings of the XII FAIR National Science Conference,

2019, pp. 268-275.

[CT6]. Pham Trung Duc, Dang Thanh Chuong,. QoS differentiation model

based on offset time and burst size in OBS network, Hue University Science

Journal: Engineering and Technology, Vol 128, No 2A (2019). DOI:

http://dx.doi.org/10.26459/hueuni-jtt.v128i2A.5496.

[CT7]. Pham Trung Duc, Vo Viet Minh Nhat, Dang Thanh Chuong,. OBS

core node performance enhancement based on scheduling state data

analysis, Journal of Information Technology and Communication, ISSN

2525-2224, Issue 02 (CS.01) 2020, pp. 53-60.

[CT8]. Vo Viet Minh Nhat, Pham Trung Duc, Dang Thanh Chuong, Le Van

Hoa, A mechanism of QoS differentiation based on Offset Time and Adjusted

Burst Length in OBS Networks, Turk J Elec Eng & Comp Sci, ISSN 1300-

0632, Volume 28, Issue 5, 2020, pp. 2808-2820, DOI:10.3906/elk-1906-87

(SCIE).