Nhận viết luận văn Đại học , thạc sĩ - Zalo: 0917.193.864 Tham khảo bảng giá dịch vụ viết bài tại: vietbaocaothuctap.net Download luận văn tiến sĩ ngành khoa học máy tính với đề tài: Nghiên cứu một số phương pháp lập lịch trong mạng chuyển mạch chùm quang, cho các bạn làm luận án tham khảo

1. ĐẠI HỌC HUẾ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC
NGUYỄN HỒNG QUỐC
NGHIÊN CỨU MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP LẬP LỊCH
TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH
HUẾ - NĂM 2017

2. ĐẠI HỌC HUẾ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC
NGUYỄN HỒNG QUỐC
NGHIÊN CỨU MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP LẬP LỊCH
TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG
CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÁY TÍNH
MÃ SỐ: 62.48.01.01
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH
Người hướng dẫn khoa học:
PGS. TS. VÕ VIẾT MINH NHẬT
TS. NGUYỄN HOÀNG SƠN
HUẾ - NĂM 2017

3. LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn
của PGS. TS. Võ Viết Minh Nhật và TS. Nguyễn Hoàng Sơn. Những nội dung trong
các công trình đã được công bố chung với các tác giả khác đã được sự đồng ý 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
Nguyễn Hồng Quốc
i

4. LỜI CẢM ƠN
Trước hết tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến PGS. TS. Võ Viết
Minh Nhật và TS. Nguyễn Hoàng Sơn 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, Đại học Huế đã quan tâm, giúp đỡ, hướng dẫn
trong suốt quá trình học tập.
Tôi xin chân thành cảm ơn Quý Thầy Cô, Ban chủ nhiệm Khoa Tin học - Trường
Đại học Sư phạm, Đại học 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, Đại 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 học tập, nghiên cứu.
Nghiên cứu sinh
Nguyễn Hồng Quốc
ii

5. MỤC LỤC
Lời cam đoan i
Lời cảm ơn ii
Mục lục iii
Danh mục các từ viết tắt v
Danh mục bảng biểu vii
Danh mục hình vẽ viii
Mở đầu 1
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ LẬP LỊCH TRONG MẠNG CHUYỂN
MẠCH CHÙM QUANG 7
1.1 Tóm lược lịch sử phát triển của truyền thông quang . . . . . . . . . . . 7
1.2 Các mô hình chuyển mạch quang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.1 Chuyển mạch kênh quang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.2 Chuyển mạch gói quang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2.3 Chuyển mạch chùm quang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3 Mạng chuyển mạch chùm quang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.1 Kiến trúc mạng OBS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3.2 Các hoạt động bên trong mạng OBS . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.4 Lập lịch trong mạng OBS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.4.1 Giới thiệu bài toán lập lịch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.4.2 Một số kiến thức liên quan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.4.3 Các giải thuật lập lịch đã công bố . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.4.4 Một số nhận xét các giải thuật lập lịch đã công bố . . . . . . . 35
1.5 Tiểu kết Chương 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Chương 2. MỘT CẢI TIẾN MÔ HÌNH KẾT HỢP LẬP LỊCH TRỰC
TIẾP VỚI LẬP LỊCH LẠI VÀ PHÂN ĐOẠN CHÙM 37
2.1 Giới thiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.2 Phân tích và đánh giá các giải thuật lập lịch kết hợp đã công bố . . . . 37
2.2.1 Giải thuật ODBR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.2.2 Giải thuật ABR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.2.3 Kỹ thuật phân đoạn chùm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.2.4 Giải thuật SODBRA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.2.5 Giải thuật PCSA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.3 Giải thuật lập lịch kết hợp đề xuất iCSA . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.4 Mô phỏng và phân tích kết quả . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
iii

6. 2.5 Tiểu kết Chương 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
Chương 3. MỘT SỐ CẢI TIẾN GIẢI THUẬT LẬP LỊCH NHÓM
TRÊN ĐƠN KÊNH 55
3.1 Giới thiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.2 Phân tích và đánh giá các giải thuật lập lịch nhóm trên đơn kênh đã
công bố . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.2.1 Giải thuật OBS-GS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.2.2 Giải thuật MWIS-OS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.3 Giải thuật lập lịch nhóm trên đơn kênh đề xuất LGS và các mở rộng . 59
3.3.1 Mô hình lập lịch nhóm trên đơn kênh . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.3.2 Giải thuật đề xuất LGS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.3.3 Các giải thuật mở rộng đề xuất từ LGS . . . . . . . . . . . . . . 63
3.4 Mô phỏng và phân tích kết quả . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.5 Tiểu kết Chương 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
Chương 4. MỘT SỐ CẢI TIẾN GIẢI THUẬT LẬP LỊCH NHÓM
TRÊN ĐA KÊNH 72
4.1 Giới thiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.2 Phân tích và đánh giá các giải thuật lập lịch nhóm trên đa kênh đã công
bố . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.2.1 Nhóm các giải thuật lập lịch heuristic . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.2.2 Nhóm các giải thuật lập lịch tối ưu . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.3 Các giải thuật lập lịch nhóm đề xuất trên đa kênh . . . . . . . . . . . . 81
4.3.1 Giải thuật lập lịch nhóm tối ưu OPT-GS . . . . . . . . . . . . 81
4.3.2 Giải thuật lập lịch nhóm heuristic LGS-MC . . . . . . . . . . . 86
4.3.3 Giải thuật lập lịch nhóm heuristic MWC-GS . . . . . . . . . . . 88
4.4 Mô phỏng và phân tích kết quả . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.5 Tiểu kết Chương 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
KẾT LUẬN 102
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 104
TÀI LIỆU THAM KHẢO 105
iv

7. DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Viết tắt Dạng đầy đủ Diễn giải ý nghĩa
ADM Add-Drop Multiplexer Bộ thêm/trích kênh
AON All-Optical Network Mạng toàn quang
ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền tải không đồng bộ
BHP Burst Header Packet Gói điều khiển
CWDM Coarse Wavelength Division Mul-
tiplexing
Ghép kênh phân chia bước sóng
thô
DWA Dynamic Wavelength Allocation Phân bổ bước sóng động
DWDM Density Wavelength Division
Multiplexing
Ghép kênh phân chia bước sóng
mật độ cao
FDL Fiber Delay Line Đường trễ quang
FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia tần số
GMPLS Generalized Multiprotocol Label
Switching
Chuyển mạch nhãn đa giao thức
suy rộng
JET Just Enough Time Giao thức báo hiệu với thời gian
đặt trước tài nguyên vừa đủ
JIT Just In Time Giao thức báo hiệu với thời gian
đặt trước tức thời
LAUT Latest Available Unscheduled
Time
Thời điểm chưa được lập lịch sau
cùng nhất
LRWC Limited-Range Wavelength Con-
verter
Bộ chuyển đổi bước sóng có phạm
vi giới hạn
MPLS MultiProtocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức
MWC Optical/Electronic/Optical Chuyển đổi quang-điện-quang
MWC Maximum Weight Clipue Clique có tổng trọng số lớn nhất
O/E/O Optical/Electronic/Optical Chuyển đổi quang-điện-quang
OADM Optical Add-Drop Multiplexer Bộ thêm/trích kênh quang
OBS Optical Burst Switching Chuyển mạch chùm quang
OCS Optical Circuit Switching Chuyển mạch kênh quang
OEO Optical-Electrical-Optical con-
version
Chuyển đổi quang-điện-quang
v

8. Viết tắt Dạng đầy đủ Diễn giải ý nghĩa
OPS Optical Packet Switching Chuyển mạch gói quang
OTN Optical Transport Network Mạng truyền tải quang
OTDM Optical Time Division Multiplex-
ing
Ghép kênh quang phân chia thời
gian
OXC Optical Cross Connect Chuyển mạch quang
QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ
ROADM Reconfigurable Optical Add-Drop
Multiplexer
Bộ thêm/trích kênh quang có thể
cấu hình lại
RTT Round-Trip Time Thời gian khứ hồi
RAM Random Access Memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên
RWA Routing and Wavelength Alloca-
tion
Định tuyến và cấp phát bước sóng
SCU Switching Control Unit Đơn vị điều khiển chuyển mạch
SDH Synchronous Digital Hierarchy Hệ phân cấp số đồng bộ
SDM Space Division Multiplexing Ghép kênh phân chia không gian
SIR Source Initiated Reservation Đặt tài nguyên từ nguồn
SONET Synchronous Optical Network Mạng quang đồng bộ
SPL Share-Per-Link Chia sẻ trên mỗi liên kết
SPN Share-Per-Node Chia sẻ trên mỗi nút
WADM Wavelength Add-Drop Multi-
plexer
Bộ thêm/trích bước sóng
WC Wavelength Converters Bộ chuyển đổi bước sóng
WDM Wavelength Division Multiplex-
ing
Ghép kênh phân chia bước sóng
WR Wavelength Router Định tuyến bước sóng
WRN Wavelength Routed Network Mạng định tuyến bước sóng
WXC Wavelength Cross-Connect Chuyển mạch bước sóng
vi

9. DANH MỤC BẢNG BIỂU
1.1 So sánh chuyển mạch chùm quang với chuyển mạch kênh quang và
chuyển mạch gói quang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
4.1 Thống kê số chùm được gỡ ra và lập lịch lại thành công của giải thuật
GreedyOPT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
vii

10. DANH MỤC HÌNH VẼ
1.1 Kiến trúc mạng chuyển mạch kênh quang . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2 Kiến trúc mạng OBS và chức năng của các nút mạng . . . . . . . . . . 15
1.3 Cấu trúc nút biên vào OBS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4 Cấu trúc nút lõi OBS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.5 Tập hợp theo ngưỡng thời gian . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.6 Tập hợp theo ngưỡng kích thước (số gói tin tối đa) . . . . . . . . . . . . 18
1.7 Ảnh hưởng của phương pháp tập hợp chùm theo ngưỡng thời gian và
ngưỡng độ dài đối với kích thước chùm được sinh ra . . . . . . . . . . . 19
1.8 Đồ thị khoảng G được xây dựng từ tập các khoảng thời gian chồng lấp
nhau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.9 Đồ thị khoảng G được xây dựng từ tập các khoảng thời gian không chồng
lấp nhau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.10 Mô tả các giải thuật lập lịch trực tiếp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.11 Ví dụ so sánh hiệu quả giữa lập lịch trực tiếp và lập lịch nhóm: (a) các
gói điều khiển và chùm đến trong khe thời gian τ, (b) kết quả của lập
lịch trực tiếp và (c) kết quả của lập lịch nhóm dựa trên tối đa tổng số
chùm được lập lịch và (d)dựa trên tối đa tổng độ dài của các chùm được
lập lịch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.12 Phân loại các giải thuật lập lịch nhóm đã được công bố . . . . . . . . . 32
1.13 Mô tả giải pháp chuyển đổi bước sóng w1 qua w2 . . . . . . . . . . . . . 33
1.14 Mô tả giải pháp định tuyến lệch hướng . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.1 Một ví dụ về lập lịch lại của giải thuật ODBR . . . . . . . . . . . . . . 38
2.2 Một ví dụ cơ chế hoạt động của giải thuật lập lịch lại ABR . . . . . . . 40
2.3 Phân đoạn chùm và cấu trúc bên trong của header của đoạn . . . . . . 41
2.4 Trong trường hợp chùm tranh chấp bị phân đoạn, có 2 khá năng xảy ra:
(a) loại bỏ đoạn đuôi và (b) loại bỏ đoạn đầu của chùm tranh chấp . . . 41
2.5 Ví dụ một chùm đến ub yêu cầu lập lịch trên 3 kênh ra . . . . . . . . . 43
2.6 Ví dụ về một trường hợp giải thuật ODBR không thực hiện được . . . 44
2.7 Mô hình mạng mô phỏng NSFNET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.8 So sánh xác suất mất gói tin của LAUC và BFVF . . . . . . . . . . . . 49
2.9 So sánh xác suất mất gói tin của ODBR và ABR . . . . . . . . . . . . 50
2.10 So sánh số chùm phải lập lịch lại giữa ODBR và ABR . . . . . . . . . 50
2.11 So sánh xác suất mất gói tin của iCSA so với ODBR và ABR . . . . . 51
viii

11. 2.12 So sánh số chùm lập lịch lại của iCSA so với ODBR và ABR . . . . . 51
2.13 So sánh xác suất mất gói tin của iCSA so với PCSA và SODBRA . . . 52
2.14 So sánh số chùm lập lịch lại của iCSA so với SODBRA và PCSA . . . 53
2.15 So sánh số chùm phân đoạn của iCSA so với SODBRA và PCSA . . . 53
3.1 (a) Mô tả hoạt động lập lịch nhóm trên đơn kênh và (b)đa kênh . . . . 55
3.2 Các gói điều khiển đến trong khe thời gian τ, tương ứng với thứ tự đến
của các chùm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.3 (a)Đồ thị khoảng được xây dựng tương ứng trạng thái các chùm đến và
(b)Kết quả tìm tập các tập độc lập cực đại của giải thuật OBS-GS . . . 57
3.4 Kết quả tìm tập các tập độc lập cực đại của giải thuật MWIS-OS . . . 58
3.5 So sánh xác suất mất gói tin của OBS-GS và MWIS-OS . . . . . . . . 58
3.6 Mô hình hoạt động của lập lịch nhóm được đề xuất . . . . . . . . . . . 59
3.7 Ví dụ Các gói điều khiển đến trong thời gian τ và thứ tự đến của các
chùm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.8 (a) Thứ tự các chùm sau khi sắp xếp theo thời điểm kết thúc và (b) cách
tính index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.9 Khe thời gian lập lịch nhóm τ được điều chỉnh nghịch biến với tốc độ
của luồng các chùm đến . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.10 Mô hình mạng mô phỏng Dumbbell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.11 So sánh xác suất mất gói tin giữa LAUC-VF và LGS . . . . . . . . . . 68
3.12 So sánh xác suất mất gói tin giữa OBS-GS, MWIS-OS, LGS và LGS-VF 68
3.13 So sánh thông lượng của OBS-GS, MWIS-OS và LGS-VF . . . . . . . 69
3.14 So sánh xác suất mất gói tin giữa LGS-VF và LAGS-VF . . . . . . . 69
3.15 Phân bố độ rộng khe thời gian τ của MWIS-OS và LAGS-VF trong 300
lần lập lịch nhóm liên tiếp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.16 So sánh thời gian chờ trung bình (của từng 500 khe liên tiếp) của MWIS-
OS và LAGS-VF (trong 7500 lần lập lịch nhóm liên tiếp) . . . . . . . 70
4.1 (a) Ví dụ tình trạng các gói điều khiển đến lập lịch cho các chùm trong
mỗi khe thời gian τ, và (b) kết quả lập lịch của giải thuật SSF . . . . . 73
4.2 (a) Ví dụ tình trạng các gói điều khiển đến lập lịch cho các chùm trong
mỗi khe thời gian τ, và (b) kết quả lập lịch của giải thuật LIF . . . . . 74
4.3 Đồ thị khoảng được xây dựng từ trạng thái các chùm đến ở Hình 4.1(a) 75
4.4 Ví dụ 3 chùm đến yêu cầu lập lịch trên 2 kênh dữ liệu ra . . . . . . . . 78
4.5 Đồ thị khoảng được xây dựng từ trạng thái các chùm đến và các chùm
đã lập lịch trong Hình 4.4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.6 Kết quả các clique cực đại được tìm thấy từ đồ thị khoảng trong Hình 4.5 79
4.7 Đồ thị luồng được xây dựng từ các clique cực đại trong Hình 4.6 . . . . 80
ix

12. 4.8 Ví dụ 6 chùm đến yêu cầu lập lịch trên hai kênh ra . . . . . . . . . . . 80
4.9 (a) Một ví dụ về tình trạng các chùm đến yêu cầu lập lịch hai kênh dữ
liệu ra và (b) kết quả lập lịch tối ưu các chùm trên hai kênh ra . . . . . 84
4.10 Đơn đồ thị có hướng có trọng số được xây dựng từ tập các chùm đến lập
lịch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.11 (a) Ví dụ về các chùm đến và (b) kết quả lập lịch tối ưu trên 2 kênh . . 89
4.12 (a)Đồ thị khoảng biểu diễn các khả năng lập lịch của các chùm đến trong
Hình 4.11a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.13 (b)MWC được tìm thấy tương ứng với kết quả lập lịch tối ưu trong Hình
4.11b . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.14 (a)Ví dụ về các chùm đến và (b) kết quả lập lịch tối ưu có lấp đầy khoảng
trống trên 2 kênh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.15 (a) Đồ thị khoảng biểu diễn các khả năng lập lịch có lấp đầy khoảng
trống của các chùm đến trong Hình 4.14a và (b) Clique được tìm thấy
tương ứng với kết quả lập lịch trong Hình 4.14b . . . . . . . . . . . . . 95
4.16 So sánh xác suất mất gói tin của LGS-MC, MWC-GS với các giải thuật
heuristic trên mô hình mạng Dumbbell . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.17 So sánh xác suất mất gói tin của LGS-MC, MWC-GS với các giải thuật
heuristic trên mô hình mạng NSFNET-14 nút . . . . . . . . . . . . . . 97
4.18 So sánh xác suất mất gói tin của LGS-MC, MWC-GS với GreedyOPT
trên mô hình mạng Dumbbell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.19 So sánh xác suất mất gói tin của LGS-MC, MWC-GS với GreedyOPT
trên mô hình mạng NSFNET-14 nút . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.20 So sánh xác suất mất gói tin của MWC-VF-GS, OPT-GS với BATCHOPT
trên mô hình mạng Dumbbell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.21 So sánh xác suất mất gói tin của MWC-VF-GS, OPT-GS với BATCHOPT
trên mô hình mạng NSFNET-14 nút . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.22 So sánh ảnh hưởng của kích thước khe thời gian τ đến hiệu quả lập lịch
nhóm của MWC-VF-GS, OPT-GS với BATCHOPT . . . . . . . . . . . 101
x

13. MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Tốc độ phát triển nhanh của Internet trong những năm gần đây, cùng với sự
bùng nổ của các loại hình dịch vụ truyền thông, đã làm gia tăng không ngừng
nhu cầu về băng thông truyền thông. Điều này đã đặt ra một thách thức mới
trong việc tìm kiếm công nghệ truyền thông phù hợp nhằm nâng cao khả năng
vận chuyển của mạng thế hệ mới. Mạng sợi quang cùng với sự phát triển của
công nghệ ghép kênh bước sóng (Wavelength Division Multiplexing), đã mang
đến một giải pháp hoàn hảo đáp ứng được nhu cầu băng thông bùng nổ của
Internet trong tương lai.
Mạng sợi quang từ khi ra đời vào thập niên 90 cho đến nay, đã trải qua
nhiều thế hệ phát triển [46], [64], [27], [24], [31], [12]: từ những mô hình định
tuyến bước sóng (Wavelength-Routed) ban đầu dựa trên những đường quang
(lightpath) đầu-cuối dành riêng, cho đến các mô hình chuyển mạch gói quang
(Optical Packet Switching) được đề xuất gần đây, với ý tưởng xuất phát từ các
mô hình mạng chuyển mạch gói điện tử. Tuy nhiên với một số hạn chế về công
nghệ, như chưa thể sản xuất các bộ đệm quang (tương tự bộ nhớ RAM trong
môi trường điện tử) hay các chuyển mạch ở tốc độ nano giây [8] [12], mô hình
chuyển mạch gói quang chưa thể trở thành hiện thực. Một giải pháp thỏa hiệp
được đề xuất là chuyển mạch chùm quang (Optical Burst Switching) đã mở ra
một hướng nghiên cứu mới và được xem là công nghệ hứa hẹn cho mạng Internet
thế hệ tiếp theo.
Một đặc trưng tiêu biểu của mạng chuyển mạch chùm quang (mạng OBS)
là phần (gói) điều khiển (Burst Header Packet) được tách rời với phần (chùm)
dữ liệu (Data Burst). Nói một cách khác, để thực hiện việc truyền một chùm
vào trong mạng lõi, gói điều khiển BHP được tạo ra và được gửi đi trước một
khoảng thời gian offset(offset-time). Thời gian offset này phải được tính toán
đủ để đặt trước tài nguyên và cấu hình các chuyển mạch tại các nút trung gian
dọc theo hành trình của chùm quang từ nguồn đến đích. Thêm vào đó, mạng
1

14. OBS dành riêng một số kênh (bước sóng), được gọi là kênh điều khiển cho việc
truyền gói điều khiển BHP, trong khi các kênh còn lại được dùng cho việc truyền
chùm dữ liệu, nên được gọi là kênh dữ liệu. Như vậy việc truyền gói điều khiển
BHP tách rời hoàn toàn với truyền dữ liệu về mặt không gian (trên kênh truyền
khác) và về mặt thời gian (gửi đi trước một khoảng thời gian offset). Với cách
truyền dữ liệu như vậy, rõ ràng mạng OBS không cần đến các bộ đệm quang để
lưu tạm các chùm dữ liệu trong khi chờ đợi việc xử lý chuyển mạch tại các nút
lõi, cũng như không yêu cầu các chuyển mạch ở tốc độ nano giây. Tuy nhiên,
cách truyền tải này cũng đặt ra áp lực là làm thế nào để một gói điều khiển
BHP kịp lập lịch đặt trước tài nguyên và cấu hình chuyển mạch tại các nút lõi,
đảm bảo việc truyền tải chùm quang theo sau; đó chính là nhiệm vụ của hoạt
động lập lịch đặt trước tài nguyên tại các nút lõi mạng. Vì vậy vấn đề lập lịch
rất cần được quan tâm và nghiên cứu nhằm tối đa hiệu suất băng thông, giảm
mất mát dữ liệu và nâng cao hiệu suất hoạt động của mạng OBS.
2. Động lực nghiên cứu
Lập lịch là một trong những hoạt động quan trọng trong mạng chuyển mạch
chùm quang. Khi gói điều khiển của một chùm đến tại một nút lõi mạng, dựa
vào thông tin được chứa trong gói điều khiển như thời điểm đến, thời điểm kết
thúc của chùm, lúc này một giải thuật lập lịch sẽ được gọi để tìm kênh bước
sóng ra khả dụng để lập lịch cho chùm đến (một kênh bước sóng được gọi khả
dụng khi và chỉ khi thời điểm đến của chùm lập lịch lớn hơn LAUT hoặc thời
gian đến của chùm nằm trong một khoảng trống (khoảng băng thông nhàn rồi
trên một kênh nào đó). Mục đích chính của giải thuật lập lịch là sắp xếp các
chùm đến trên các kênh bước sóng ra, nhằm tối đa hiệu suất băng thông sử
dụng, giảm số lượng chùm bị loại bỏ và nâng cao hiệu suất hoạt động của mạng
OBS.
Hiện đã có nhiều giải thuật lập lịch được đề xuất mà có thể được phân vào
trong hai nhóm tiếp cận chính:
• Phương pháp lập lịch trực tiếp.
• Phương pháp lập lịch nhóm.
Đối với phương pháp lập lịch trực tiếp khi một gói điều khiển đến một nút
2

15. lõi mạng, một trong các giải thuật lập lịch trực tiếp [30], [74], [72], [71], [38], [11],
[68], [18], [42], [6], [13], [2] sẽ được gọi ngay để tìm kênh bước sóng khả dụng
lập lịch cho chùm của nó; nếu có nhiều hơn một kênh bước sóng khả dụng thì
giải thuật lập lịch này sẽ chọn một kênh lập lịch mà tối ưu tiêu chí đặt ra của
giải thuật. Trong số các giải thuật lập lịch trực tiếp, BF-VF [42] là giải thuật
lập lịch tốt nhất về hiệu suất sử dụng băng thông. Tuy nhiên hiệu quả của lập
lịch trực tiếp phụ thuộc vào tình trạng băng thông của các kênh ra mà ở đó các
chùm đã lập lịch phân bố. Một số giải pháp kết hợp lập lịch trực tiếp với lập
lịch lại và phân đoạn chùm đã được đề xuất [55], [56], [49], [40], [66], [65], [57],
[67], [54], [28], [39]. Cụ thể khi lập lịch trực tiếp không tìm thấy kênh khả dụng,
thay vì chùm đến sẽ bị đánh rơi hoàn toàn, lập lịch lại sẽ sắp xếp lại các chùm
đã được lập lịch trên các kênh bước sóng nhằm tìm kiếm vị trí băng thông nhàn
rỗi để lập lịch cho chùm đến hoặc thực hiện phân đoạn chùm nhằm để chỉ đánh
rơi một phần của chùm đến bị tranh chấp. Tuy nhiên lập lịch trực tiếp và lập
lịch trực tiếp kết hợp chỉ tối ưu việc lập lịch cho chùm đến hiện thời mà không
quan tâm đến các chùm đến sau đó, nên sự phân mãnh băng thông được tạo ra
do việc lập lịch chùm hiện thời và có thể ảnh hưởng đến hiệu quả của các lập
lịch sau đó. Phương pháp lập lịch nhóm [25], [75], [15], [29], [9], [22], [21], [20] do
đó được đề xuất, trong đó các gói điều khiển đến trong một khoảng thời gian sẽ
tiến hành lập lịch đồng thời các chùm tương ứng của chúng. Tuỳ thuộc vào các
nút lõi mạng có được trang bị bộ chuyển đổi bước sóng đầy đủ hay không, các
giải thuật lập lịch nhóm có thể chia thành hai nhóm: Lập lịch nhóm trên đơn
kênh trong trường hợp không sử dụng bộ chuyển đổi và lập lịch nhóm trên đa
kênh khi được trang bị các bộ chuyển đổi bước sóng đầy đủ.
Tuy nhiên các giải thuật lập lịch nêu trên vẫn bộc lộ những tồn tại sau:
• Giải thuật lập lịch kết hợp: chưa sử dụng giải thuật lập lịch trực tiếp
tối ưu nhất ở giai đoạn 1 để lập lịch cho chùm đến. Việc lập lịch lại của
các giải thuật ở giai đoạn 2 chỉ xem xét đối với chùm sau cùng nhất trên
các kênh ra. Đoạn chồng lấp khi sử dụng kỹ thuật phân đoạn chùm ở giai
đoạn 3 bị loại bỏ.
• Giải thuật lập lịch nhóm trên đơn kênh: Độ phức tạp tính toán của
các giải thuật cao; chưa tận dụng các khoảng trống băng thông được tạo
3

16. ra giữa các chùm đã được lập lịch để lập lịch cho các chùm đến và khe thời
gian chờ lập lịch được thiết lập với một giá trị cố định mà chưa quan tâm
lưu lượng các chùm đến.
• Giải thuật lập lịch nhóm trên đa kênh: Các giải thuật theo hướng
tiếp cận heuristic chưa đưa ra tiêu chí chọn tối ưu lập lịch cho các chùm
đến mà chỉ dựa vào thứ tự sắp xếp. Các giải thuật lập lịch tối ưu làm tăng
số lượng gói điều khiển, yêu cầu hệ thống phải có sự thay đổi về mặt giao
thức. Hơn nữa việc gỡ hết các chùm đã được lập lịch trên các kênh để đưa
về bài toán lập lịch trên máy đồng nhất là không thực tế trên mạng thật.
Những tồn tại nêu trên chính là động lực để Luận án tập trung nghiên cứu,
cải tiến và đề xuất mới các giải thuật lập lịch nhằm tối thiểu mất mất dữ liệu,
tối đa băng thông sử dụng, giảm thời gian chờ lập lịch, giảm độ phức tạp tính
toán và nâng cao hiệu quả hoạt động mạng OBS.
3. Mục tiêu nghiên cứu của luận án
Mục tiêu của Luận án là nghiên cứu, cải tiến và đề xuất một số giải thuật
lập lịch nhằm nâng cao hiệu năng của mạng chuyển mạch chùm quang bao gồm:
tối thiểu mất mát dữ liệu, tối đa hiệu suất băng thông, giảm độ trễ và giảm độ
phức tạp tính toán. Mục tiêu cụ thể của Luận án là:
• Nghiên cứu, cải tiến giải thuật lập lịch trực tiếp kết hợp với lập lịch lại và
phân đoạn chùm.
• Nghiên cứu, cải tiến và đề xuất mới giải thuật lập lịch nhóm trên đơn kênh.
• Nghiên cứu, cải tiến và đề xuất mới giải thuật lập lịch nhóm trên đa kênh.
Trên cơ sở mục tiêu nghiên cứu, Luận án được triển khai theo ba vấn đề nghiên
cứu chính:
• Vấn đề 1: Cải tiến giải thuật kết hợp lập lịch trực tiếp với lập lịch lại và
phân đoạn chùm.
• Vấn đề 2: Cải tiến và đề xuất mới giải thuật lập lịch nhóm trên đơn kênh.
• Vấn đề 3: Cải tiến và đề xuất mới giải thuật lập lịch nhóm trên đa kênh.
4

17. 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• Đối tượng nghiên cứu: Các mô hình, giải thuật lập lịch và các phương pháp
xử lý tắc nghẽn trong mạng OBS.
• Phạm vi nghiên cứu: Nút lõi mạng OBS.
5. Phương pháp nghiên cứu
• Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tổng hợp các công bố liên quan đến các
mô hình, giải thuật lập lịch trong mạng OBS. Phân tích, đánh giá ưu và
khuyết điểm của các công trình đã công bố để làm cơ sở cho việc cải tiến
hoặc đề xuất mới. Đề xuất các giải thuật lập lịch trực tiếp kết hợp, lập lịch
nhóm trên đơn kênh và đa kênh ra nhằm nâng cao hiệu năng mạng, bao
gồm: giảm xác suất mất dữ liệu, tăng mức độ sử dụng băng thông, giảm
độ trễ đầu cuối và giảm độ phức tạp tính toán. Chứng minh tính đúng đắn
và tính toán độ phức tạp của các giải thuật được cải tiến và đề xuất mới.
• Phương pháp mô phỏng, thực nghiệm: Cài đặt các giải thuật cải tiến và đề
xuất mới nhằm chứng minh hiệu quả của các giải thuật này. Hệ mô phỏng
NS2, gói mô phỏng obs-0.9a được sử dụng để tạo dữ liệu mô phỏng và các
giải thuật lập lịch được cài đặt bằng ngôn ngữ C++.
6. Nội dung và bố cục của luận án
Nội dung của Luận án bao gồm mở đầu, bốn chương nội dung, phần kết
luận, danh mục các công trình liên quan đến Luận án và danh mục tài liệu tham
khảo. Bốn chương nội dung cụ thể như sau:
• Chương 1: "Tổng quan về lập lịch trong mạng chuyển mạch chùm quang"
trình bày các kiến thức cơ bản về mạng chuyển mạch chùm quang bao
gồm lịch sử phát triển của truyền thông quang, các mô hình chuyển mạch
quang, kiến trúc mạng chuyển mạch chùm quang, các hoạt động bên trong
mạng và tổng quan về các hướng tiếp cận lập lịch trong mạng chuyển mạch
chùm quang.
• Chương 2: "Một cải tiến giải thuật lập lịch trực tiếp kết hợp với lập lịch
lại và phân đoạn chùm" trình bày tổng hợp các nghiên cứu trước đây về
5

18. mô hình kết hợp giữa lập lịch trực tiếp, lập lịch lại và phân đoạn chùm.
Trên cơ sở các phân tích, so sánh và đánh giá, Luận án đề xuất một cải
tiến lập lịch trực tiếp kết hợp với lập lịch lại và phân đoạn chùm nhằm
giảm xác suất mất gói tin, giảm số chùm phải lập lịch lại và giảm số chùm
bị phân đoạn.
• Chương 3: "Một số cải tiến giải thuật lập lịch nhóm trên đơn kênh" trình
bày tổng hợp các nghiên cứu liên quan đến lập lịch nhóm trong trường hợp
không sử dụng chuyển đổi bước sóng. Trên cơ sở các phân tích, so sánh và
đánh giá, Luận án xây dựng mô hình lập lịch nhóm, đề xuất một số giải
thuật cải tiến về lập lịch nhóm trên đơn kênh nhằm nâng cao hiệu suất lập
lịch bao gồm: giảm xác suất mất mát dữ liệu, giảm độ phức tạp giải thuật
và tăng tính thích nghi mô hình lập lịch chuyển biến theo lưu lượng chùm
đến.
• Chương 4: "Một số cải tiến giải thuật lập lịch nhóm trên đa kênh" trình
bày tổng hợp, phân tích, so sánh và đánh giá các nghiên cứu liên quan đến
lập lịch nhóm có sử dụng bộ chuyển đổi bước sóng đầy đủ. Từ đó Luận
án đề xuất một số giải thuật lập lịch nhóm trên đa kênh theo hai hướng
tiếp cận: tối ưu kết quả lập lịch và heuristic nhằm nâng cao hiệu suất lập
lịch bao gồm: giảm xác suất mất mát dữ liệu, giảm độ phức tạp giải thuật,
giảm độ phức tạp hệ thống và thực tế có thể triển khai trên mạng OBS.
7. Đóng góp của Luận án
Các đóng góp chính của Luận án bao gồm:
• Đề xuất giải thuật lập lịch trực kết hợp lập lịch lại và phân đoạn chùm
iCSA[CT2].
• Đề xuất giải thuật lập lịch nhóm trên đơn kênh LGS[CT8] và các cải tiến
LGS-VF[CT4], LAGS[CT5], LAGS-VF[CT7].
• Đề xuất giải thuật lập lịch nhóm trên đa kênh OPT-GS theo hướng tiếp
cận tối ưu và LGS-MC[CT6], LGS-MC-VF[CT3], MWC-GS[CT1], MWC-
VF-GS[CT1] theo hướng tiếp cận heuristic.
6

19. Chương 1.
TỔNG QUAN VỀ LẬP LỊCH
TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG
1.1. Tóm lược lịch sử phát triển của truyền thông quang
Trong hơn hai thập kỷ qua, mạng truyền thông đã có một sự tăng trưởng
mạnh mẽ. Việc mở rộng nhanh chóng phạm vi bao phủ, cùng với sự bùng nổ
các loại hình dịch vụ yêu cầu nhiều băng thông cao như truyền hình Internet
(IPTV ), video theo yêu cầu (VoD), điện thoại Internet (VoIP). . . đã làm tăng
áp lực nhu cầu băng thông mạng; trong khi khả năng truyền tải của sợi cáp
đồng đã đạt đến ngưỡng tới hạn. Điều này đòi hỏi phải phát triển những công
nghệ truyền dẫn mới có khả năng đáp ứng những nhu cầu ngày càng cao không
chỉ cho hiện tại mà cho cả tương lai.
Mạng sợi quang [27], [8], [31] đã được công nhận như một giải pháp tốt nhất
có thể đáp ứng những yêu cầu của các dịch vụ băng thông cao nhờ vào những
đặc tính có lợi của sợi quang, như độ suy giảm thấp, tiềm năng băng thông rất
lớn và khả năng miễn nhiễm đối với nhiễu điện từ. Theo lý thuyết mỗi sợi dẫn
quang (hay sợi quang) có thể hỗ trợ băng thông lên đến 50Tb/s [31]. Ngoài ra
sợi quang có chi phí sản xuất và độ lỗi bit khá thấp (khoảng 10−2dB).
Quá trình phát triển của mạng sợi quang có thể chia thành 3 giai đoạn chính.
Thế hệ đầu tiên của mạng sợi quang bao gồm các liên kết WDM điểm-nối-điểm
(point-to-point WDM links), mà tại đó tín hiệu quang đến tại một nút được
chuyển đổi từ quang sang điện (Optical-to-Electrical), được xử lý trong miền
điện và được chuyển đổi ngược lại từ điện sang quang (Electrical-to-Optical)
trước khi truyền đến nút khác. Việc tách (dropping) và thêm (adding) lưu lượng
tại các nút trong mạng do đó phải chịu thêm độ phức tạp và chi phí xử lý điện
tử, đặc biệt phần lớn các lưu lượng chỉ chuyển tiếp qua các nút này. Để giảm
thiểu chi phí, các thiết bị toàn quang (all-optical) có thể được sử dụng.
7

20. Kiến trúc mạng quang thế hệ thứ hai dựa trên các bộ thêm/tách bước sóng
(Wavelength Add-Drop Multiplexers) [37], [12], [31], trong đó lưu lượng có thể
được thêm và tách tại các bộ WADM. Các bộ WADM cho phép lựa chọn kênh
bước sóng kết thúc tại nút này trên một sợi quang, trong khi để các bước sóng
khác chuyển tiếp qua mà không chịu một xử lý nào. Nhìn chung, lượng lưu chuyển
tiếp qua các nút trong mạng phổ biến hơn so với lượng lưu được thêm/tách tại
một nút cụ thể. Do đó, bằng cách sử dụng các bộ WADM, tổng chi phí của
mạng có thể được giảm. Các bộ WADM chủ yếu được sử dụng để xây dựng các
mạng WDM hình vòng (ring), loại mạng dự kiến sẽ được triển khai tại các khu
vực đô thị.
Việc xây dựng một mạng hình lưới (mesh) bao gồm các sợi quang hỗ trợ đa
bước sóng và các thiết bị kết nối sợi quang thích hợp là cần thiết. Kiến trúc
mạng quang thế hệ thứ ba dựa trên các thiết bị kết nối toàn quang. Các thiết
bị này có thể chia thành 3 nhóm: các bộ chia hình sao thụ động (passive star
couplers), các bộ định tuyến thụ động (passive routers) và các bộ chuyển mạch
chủ động (active switches). Các bộ chia hình sao là một thiết bị phát sóng. Một
tín hiệu đến trên một bước sóng nào đó tại một cổng vào của bộ chia sẽ được
chia đều về mặt năng lượng (power) đến tất cả các cổng ra. Một bộ định tuyến
thụ động có thể định tuyến một cách riêng biệt mỗi bước sóng đến trên một
sợi quang vào đến một sợi quang ra trên cùng bước sóng. Bộ định tuyến thụ
động là một thiết bị tĩnh, do đó cấu hình tuyến cố định. Một chuyển mạch chủ
động cũng định tuyến các bước sóng từ sợi quang vào đến sợi quang ra và có
thể hỗ trợ nhiều kết nối đồng thời. Không giống như bộ định tuyến thụ động,
bộ chuyển mạch chủ động có thể được cấu hình lại để thay đổi mô hình kết nối
của các bước sóng vào và ra. Trong các mạng quang thế hệ thứ ba, dữ liệu được
phép chuyển tiếp qua các nút trung gian mà không trải qua bất kỳ một chuyển
đổi quang-điện-quang (Optical-Electrical-Optical) nào, do đó làm giảm chi phí
liên quan đến việc cung cấp các chuyển mạch và định tuyến điện tử tốc độ cao
tại mỗi nút.
Các hệ thống mạng toàn quang đang nổi lên, dự kiến sẽ cung cấp các kết nối
chuyển mạch kênh quang (Optical Circuit Switching) hoặc đường quang(lightpaths)
giữa các bộ định tuyến biên qua một mạng lõi quang [37], [3]. Bởi vì các kết
8

21. nối OCS là khá tĩnh, chúng có thể không thích ứng với bản chất bursty của
lưu lượng của Internet một cách hiệu quả. Một cách lý tưởng, để cung cấp khả
năng sử dụng mạng lõi quang cao nhất, các nút cần có khả năng chuyển mạch
gói quang (Optical Packet Switching) [73], [1]. Tuy nhiên OPS chưa thể khả thi
trong một tương lai gần do hạn chế về mặt công nghệ. Một thay thế đối với
chuyển mạch kênh quang và chuyển mạch gói quang là chuyển mạch chùm quang
(Optical Burst Switching) [46], [64], [8], [14], [12].
1.2. Các mô hình chuyển mạch quang
Các mô hình chuyển mạch quang có thể được chia thành 3 loại: chuyển mạch
kênh quang [37], [3], chuyển mạch gói quang [73], [1] và chuyển mạch chùm quang
[46], [64], [8], [14], [12], mà mỗi mô hình này sẽ đươc mô tả chi tiết trong các
mục tiếp theo.
1.2.1. Chuyển mạch kênh quang
Chuyển mạch kênh quang hay còn gọi là định tuyến bước sóng quang, trong
đó một đường quang (lightpath) được thiết lập giữa cặp nút nguồn - đích trước
khi truyền dữ liệu (Hình 1.1). Như vậy các nút trung gian không cần thực hiện
những công việc phức tạp như xử lý phần điều khiển (header) hay lưu tạm
(buffering) phần dữ liệu. Một đường quang sẽ cung cấp một kết nối mà nó có
thể đi qua nhiều liên kết quang trong mạng chuyển mạch kênh quang (mạng
OCS). Khả năng chuyển đổi bước sóng của mỗi nút quang sẽ cho phép các liên
kết quang nối tiếp nhau mang các bước sóng khác nhau.
Trong mạng OCS băng thông được cấp phát là tĩnh (cố định) nên không
thích ứng với lưu lượng thay đổi liên tục trên mạng Internet. Với một số bước
sóng giới hạn cho trước, chỉ một số lượng đường quang hạn chế được thiết lập
tại cùng một thời điểm. Nếu lưu lượng thay đổi liên tục khi được truyền qua các
đường quang tĩnh thì sẽ làm việc tận dụng băng thông trở nên kém hiệu quả.
Để có thể đáp ứng được yêu cầu về băng thông lớn trong mạng đô thị và mạng
diện rộng, những phương thức truyền tải phải hỗ trợ việc dự trữ tài nguyên và
có khả năng thích ứng được sự đột biến lưu lượng. Tuy nhiên nếu cố gắng thiết
lập các đường quang một cách động, thông tin trạng thái của mạng sẽ thay đổi
liên tục gây khó khăn trong việc cập nhật trạng thái của mạng. Hơn nữa, việc
9

22. Hình 1.1: Kiến trúc mạng chuyển mạch kênh quang
đặt trước tài nguyên trong mạng OCS là hai chiều trong đó khi nguồn gửi một
yêu cầu thiết lập đường quang, một xác nhận từ đích sẽ được gửi về là kết nối
đã được thiết lập với dung lượng không xác định trước được. Do vậy việc sử
dụng băng thông là không hiệu quả.
1.2.2. Chuyển mạch gói quang
Chuyển mạch gói quang là một mô hình chuyển mạch cho phép chuyển mạch
và định tuyến của các gói tin IP trong miền quang mà không cần một chuyển đổi
nào về miền điện tử tại mỗi nút. Một nút mạng chuyển mạch gói quang(mạng
OPS) có một ma trận chuyển mạch (switching fabric) có khả năng cấu hình
lại đối với từng gói tin. Các gói quang được gửi đi cùng với phần điều khiển
(header) mà không cần bất kỳ thiết lập nào trước khi vào mạng. Tại mỗi nút
lõi, gói tin được lưu tạm ở một bộ đệm quang, trong khi phần điều khiển được
chuyển đổi từ quang sang điện và được xử lý trong miền điện. Dựa trên thông
tin điều khiển, chuyển mạch được cấu hình để chuyển gói quang từ một cổng
vào đến một cổng ra và sau đó được truyền đến nút tiếp theo ngay lập tức.
Vì tài nguyên mạng không được đặt trước, các gói quang có thể tranh chấp
nhau tại cùng một cổng ra và có thể dẫn đến mất gói. Việc thiếu công nghệ
đệm quang đã làm trầm trọng thêm vấn đề tranh chấp trong mạng OPS so với
các chuyển mạch gói điện tử truyền thống, mà ở đó công nghệ đệm điện tử đã
rất phát triển. Đệm quang hiện nay được thực hiện thông qua việc sử dụng các
10

23. đường trễ quang (Fiber Delay Link) nhưng nó chỉ có thể giữ gói quang trong
một khoảng thời gian nhất định phụ thuộc vào các đường trễ được cài đặt theo
kiểu tuần tự hay song song. Hơn nữa kích thước của bộ đệm quang bị giới hạn
bởi không gian vật lý. Để trì hoãn một gói quang trong 5 micro giây, người ta
phải cần đến 200km sợi quang [31]. Do hạn chế này, một nút chuyển mạch gói
quang không hiệu quả trong việc xử lý tải cao hoặc lưu lượngbursty.
Ngoài ra việc triển khai thực tế mạng OPS yêu cầu thời gian chuyển mạch
nhanh trong khi các thiết bị chuyển mạch quang hiện tại dựa trên các hệ thống vi
cơ điện tử (micro-electro-mechanical) với thời gian chuyển mạch khoảng 1nano
giây. Mặc dù các bộ chuyển mạch dựa trên khuếch đại bán dẫn quang có thời
gian chuyển mạch thấp hơn đáng kể (khoảng 1ns), tuy nhiên chúng là khá đắt
và kiến trúc chuyển mạch sử dụng các bộ chia quang gây tổn thất điện năng khá
cao. Bên cạnh đó các vấn đề liên quan đến việc trích phần điều khiển và chuyển
mạch quang cũng làm cho việc triển khai mạng OPS trở nên khó khăn hơn
trong tương lai gần. Để tránh việc sử dụng đệm quang và chuyển mạch quang
nhanh nhưng vẫn thực hiện được các chuyển mạch trong miền quang, các nhà
nghiên cứu đã đưa ra mô hình chuyển mạch chùm quang. Chuyển mạch chùm
quang được coi là một mô hình chuyển mạch khả thi để thực hiện các mạng toàn
quang do nó cung cấp được một sự cân bằng giữa mức thô của chuyển mạch
kênh quang và mức mịn của chuyển mạch gói quang. Với dữ liệu được chuyển
mạch toàn quang ở mức chùm (burst), chuyển mạch chùm quang kết hợp được
tính trong suốt (transparency) của chuyển mạch kênh quang và lợi ích ghép kênh
của chuyển mạch gói quang.
1.2.3. Chuyển mạch chùm quang
Chuyển mạch chùm quang được đề xuất vào năm 1980 và đây là một giải
pháp cho phép truyền tải lưu lượng trực tiếp qua mạng WDM mà không cần
bộ đệm quang và các bộ chuyển mạch tốc độ cao. Thực tế chuyển mạch chùm
quang đã được đề xuất đầu tiên trong mạng điện tử nhưng giải pháp này không
thành công trong mạng chuyển mạch điện tử do nhu cầu và tính phức tạp so
với kỹ thuật chuyển mạch gói. Trong mạng quang có sự khác biệt lớn giữa khả
năng truyền dẫn quang và khả năng xử lý điện tử, thêm vào đó khả năng sử
dụng các bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên trong miền quang là không khả dụng, vì
11

24. vậy không thể giữ được dữ liệu đợi xử lý trong miền quang. Chuyển mạch chùm
quang được đề xuất lại vào cuối năm 1990 và nó trở thành một công nghệ hứa
hẹn có thể tận dụng được những ưu điểm của chuyển mạch kênh quang, chuyển
mạch gói quang và khắc phục những những bất lợi về kỹ thuật hiện tại.
Trong chuyển mạch chùm quang, các gói tin điện tử (chẳng hạn các gói IP,
các tế bào ATM hay các khung Ethernet) được gộp vào các đơn vị vận chuyển
lớn hơn có tên gọi là chùm quang (chùm). Các chùm sau đó được chuyển mạch
và truyền bên trong mạng lõi quang. Chuyển mạch chùm quang cho phép một
mức độ lớn hơn về mặt ghép kênh và phù hợp hơn đối với xử lý lưu lượng bursty
so với chuyển mạch kênh quang. Đồng thời chuyển mạch chùm quang không chịu
nhiều ràng buộc về mặt công nghệ như chuyển mạch gói quang.
Một so sánh về các kỹ thuật chuyển mạch quang được tóm tắt trong Bảng
1.1 cho thấy những lợi thế của chuyển mạch chùm quang so với chuyển mạch
kênh quang và chuyển mạch gói quang.
Bảng 1.1: So sánh chuyển mạch chùm quang với chuyển mạch kênh quang và chuyển
mạch gói quang
Loại Khả năng Mức Đệm Xử lý/Đồng bộ Khả năng
chuyển tận dụng trễ quang gói thích ứng
mạch băng thông điều khiển với tải
lưu lượng
OCS Thấp Cao Không Thấp Thấp
OPS Cao Thấp Yêu cầu Cao cao
OBS Cao Thấp Không Thấp cao
1.3. Mạng chuyển mạch chùm quang
Mạng OBS được xem như là một công nghệ hứa hẹn cho mạng Internet toàn
quang thế hệ kế tiếp bởi nó có nhiều chức năng và ưu điểm hơn so với các mạng
chuyển mạch quang khác. Mạng OBS là một giải pháp cho phép truyền tải lưu
lượng trực tiếp qua mạng WDM mà không cần bộ đệm quang. Mạng OBS sử
dụng các sơ đồ đặt trước tài nguyên một chiều với quá trình truyền tức thời,
chùm được truyền ngay sau gói điều khiển của nó mà không chờ đợi một phản
12

25. hồi (báo nhận) nào từ nút đích. Mạng OBS xem xét lớp quang đơn thuần như
một phương tiện truyền thông trong suốt đối với các ứng dụng. Tuy nhiên cho
đến hiện nay chưa có định nghĩa chung nào cho mạng OBS. Một số đặc trưng
của mạng OBS như sau:
• Tách biệt giữa kênh truyền gói điều khiển và kênh truyền chùm: gói điều
khiển được truyền trên một kênh riêng biệt.
• Dành riêng một chiều: tài nguyên được cấp phát theo kiểu dành riêng một
chiều, nghĩa là nút nguồn không cần đợi thông tin phản hồi từ nút đích
trước khi nó bắt đầu truyền chùm.
• Độ dài chùm thay đổi được: kích thước của chùm có thể thay đổi được theo
yêu cầu.
• Không cần bộ đệm quang: các nút trung gian của mạng OBS không yêu
cầu phải có bộ đệm quang. Các chùm đi qua các nút trung gian không chịu
bất kì một sự trì hoãn nào.
Một so sánh ngắn gọn giữa mạng OBS so với mạng OCS và mạng OPS dựa
trên các yếu tố hiệu năng dưới đây [24], [12]:
• Hiệu suất sử dụng băng thông (Bandwidth utilization efficiency): Mạng
OCS có hiệu suất sử dụng băng thông sợi quang thấp nhất. Băng thông
được thiết lập cho một đường quang giữa một cặp nút mà không được sử
dụng hết thì cũng không thể được sử dụng cho các lưu lượng khác. Mạng
OCS không thể chuyển mạch lưu lượng ở độ mịn (granularity) thấp hơn
một bước sóng. Ngược lại mạng OPS và OBS cho phép lưu lượng giữa
nhiều cặp nút đầu-cuối cùng chia sẻ băng thông trên một liên kết nhờ vào
kỹ thuật ghép kênh thống kê.
• Độ trễ thiết lập (Setup delay): mạng OBS sử dụng sơ đồ báo hiệu một
chiều để đặt trước tài nguyên trên hành trình trước khi chùm được truyền.
Độ trễ thiết lập này là rất ngắn, không giống như mạng OCS trong đó
các thông điệp báo hiệu được trao đổi giữa nút nguồn và đích để thiết lập
(setup) và gỡ bỏ (release) các đường quang.
• Tốc độ chuyển mạch (Switching speed): mạng OPS yêu cầu các thiết bị
chuyển mạch tốc độ rất cao để chuyển mạch các gói quang có kích thước
13

26. nhỏ. Hơn nữa, đường quang thường được thiết lập cho thời gian dài hơn
và do đó thời gian cấu hình của các thiết bị chuyển mạch có thể dài hơn.
Trong trường hợp mạng OBS, thiết bị chuyển mạch có tốc độ trung bình
do kích thước của các chùm quang lớn hơn so với các gói dữ liệu quang.
• Độ phức tạp về xử lý (Processing complexity): Trong mạng OPS, vì thông
tin điều khiển chứa trong các gói quang, nên độ phức tạp về xử lý là rất
cao, hơn nữa phần điều khiển phải được trích từ mỗi gói và xử lý trong
miền điện tử. Trong mạng OCS, bởi vì đường quang được thiết lập trong
một thời gian truyền dài, độ phức tạp là tương đối thấp khi so sánh với
mạng OPS và mạng OBS. Vì kích thước các chùm là lớn hơn (được tạo từ
nhiều gói tin IP) so với các gói quang, độ phức tạp xử lý của mạng OBS
là giữa mạng OCS và mạng OPS.
• Tính thích nghi của lưu lượng (Traffic adaptivity): mạng OCS không thích
nghi với sự biến thiên lưu lượngbursty do độ trễ thiết lập cao và việc sử
dụng chuyển mạch bước sóng, trong khi mạng OBS và OPS thích nghi tốt
hơn.
Vì vậy mạng OBS kết hợp được những ưu điểm của mạng OCS và mạng
OPS, trong khi khắc phục được những thiếu sót của chúng.
1.3.1. Kiến trúc mạng OBS
Một mạng OBS bao gồm các nút chuyển mạch chùm quang (nút OBS) kết
nối với nhau bởi các sợi quang [46], [64], [8], [14], [12]. Mỗi sợi quang có khả
năng hỗ trợ các kênh đa bước sóng. Như được mô tả trong Hình 1.2 có hai kiểu
nút OBS: nút biên và nút lõi.
Nút biên được xem như là giao diện giữa miền điện và miền quang. Nút biên
có thể được chia thành hai loại: nút biên vào và nút biên ra. Nút biên vào thực
hiện tập hợp các gói điện tử (chẳng hạn các gói IP, các tế bào ATM hoặc các
khung Ethernet) có cùng đích đến thành một đơn vị truyền dẫn lớn gọi là chùm
quang (hay chùm). Hoạt động tiếp theo bao gồm định tuyến, cấp phát bước
sóng và lập lịch cho chùm trên một kênh dữ liệu ở cổng ra. Chùm sau đó được
truyền qua mạng OBS và cuối cùng được tách tại nút biên ra và gửi các gói ban
đầu tới đích của chúng. Nút lõi được trang bị một ma trận chuyển mạch để thực
14

27. Hình 1.2: Kiến trúc mạng OBS và chức năng của các nút mạng
hiện chuyển tiếp (chuyển mạch) các chùm đến nút kế tiếp.
Một nút lõi OBS bao gồm 2 phần: quang và điện. Phần quang là các
bộ thêm/tách bước sóng (multiplexer/demultiplexer) và ma trận chuyển mạch
quang. Phần điện gồm các mô-đun vào/ra, lập lịch và điều khiển định tuyến.
Đơn vị chuyển mạch quang điều khiển các chùm từ một cổng vào đến một cổng
ra tuỳ theo đích đến của chùm.
1.3.1.1. Cấu trúc nút biên
Các mạng biên liên kết với mạng OBS thông qua các nút biên OBS. Mạng
biên có thể kể đến như mạng IP, ATM, SONET/SDH. Một nút biên OBS có
thể là nút biên vào hoặc nút biên ra. Nút biên vào (ingress) chịu trách nhiệm
tập hợp các gói tin điện tử đến từ nhiều nguồn khác nhau vào thành một chùm.
Chùm sau đó được truyền trong môi trường toàn quang qua các bộ định tuyến
lõi mà không cần bất kỳ lưu tạm nào tại các nút trung gian. Nút biên ra tiếp
nhận chùm, tách chùm thành những gói tin ban đầu và chuyển chúng tới đích.
Cấu trúc một nút biên có thể mô tả trong Hình 1.3.
Trước khi một chùm được gửi đi, một gói điều khiển được tạo ra mà nó
mang các thông tin điều khiển như chiều dài chùm, thời điểm đến của chùm, địa
chỉ nút đích. Gói điều khiển được gửi đi trước một khoảng thời gian offset trên
kênh điều khiển được dành riêng đến các nút trung gian để lập lịch đặt trước
tài nguyên. Bộ lập lịch chùm (Scheduler) thực hiện lập lịch chùm trên các kênh
15

28. Hình 1.3: Cấu trúc nút biên vào OBS
dữ liệu ra. Sự tách rời gói điều khiển và chùm dữ liệu này làm cho kênh điều
khiển có thể hoạt động ở tốc độ bit thấp hơn nhiều so với kênh dữ liệu nên có
thể sử dụng các phương pháp điều khiển khác nhau.
Một yêu cầu đặt ra là phải tính toán khoảng thời gian offset này như thế nào
để không quá lớn tránh lãng phí băng thông hoặc không quá nhỏ nhằm tránh
trường hợp chùm được tạo ra và gửi đi khi việc lập lịch và đặt trước tài nguyên
chưa được hoàn thành trên các kênh ra tại các nút trung gian và khi đó chùm
sẽ bị loại bỏ.
1.3.1.2. Cấu trúc nút lõi
Chuyển mạch và chuyển tiếp (bypass) các chùm là được thực hiện bởi các
nút lõi (Hình 1.4). Các khối chức năng của nút lõi bao gồm: giao diện vào, bộ
điều khiển chuyển mạch, bộ chuyển mạch quang và giao diện ra.
Chức năng chính của giao diện vào là chọn lựa các kênh dữ liệu và kênh điều
khiển. Mỗi kênh điều khiển được kết nối với một bộ tiếp nhận chùm. Bộ tiếp
nhận chùm khôi phục lại thông tin điều khiển từ các gói điều khiển, chuyển đổi
thành dạng điện và chuyển xuống bộ điều khiển chuyển mạch. Đồng thời các
chùm trên các bước sóng vào được tách kênh và phân phối đến ma trận (fabric)
chuyển mạch quang.
Bộ điều khiển chuyển mạch xử lý gói điều khiển, cụ thể là thực hiện tìm
16

29. Hình 1.4: Cấu trúc nút lõi OBS
kiếm và lập lịch tài nguyên cho chùm dữ liệu tương ứng. Bộ điều khiển chịu
trách nhiệm cập nhật thông tin cho gói điều khiển, gửi các tín hiệu điều khiển
trong khoảng thời gian thích hợp đến ma trận chuyển mạch và các thành phần
khác để điều khiển các chùm.
Bộ chuyển mạch được xây dựng với ma trận chuyển mạch và các bộ phận
chuyên dụng khác. Ma trận chuyển mạch có thể được đặc trưng bởi chế độ thực
hiện (không đồng bộ/đồng bộ), kích thước, thời gian chuyển mạch và các khối
bên trong. Kích thước của ma trận chuyển mạch sẽ là (N × W) × (N × W) nếu
N là số cổng vào/ra, W là số bước sóng trên mỗi cổng. Các thành phần khác có
thể được tìm thấy trong lõi chuyển mạch quang, ví dụ: chuyển đổi bước sóng,
đường trễ sợi quang, chúng được sử dụng cho cơ chế xử lý tranh chấp.
Giao diện ra thực hiện cập nhật thông tin điều khiển, ghép kênh WDM cho
các kênh điều khiển và dữ liệu và các điều kiện cho tín hiệu vào.
1.3.2. Các hoạt động bên trong mạng OBS
Các hoạt động bên trong mạng OBS bao gồm: tập hợp, báo hiệu, lập lịch và
giải quyết tranh chấp. Mỗi hoạt động đều đóng vai trò quan trọng và tác động
trực tiếp đến hiệu quả hoạt động của mạng OBS.
17

30. 1.3.2.1. Tập hợp
Tập hợp là quá trình gộp các gói tin điện tử đến và đóng gói thành một
chùm tại nút biên vào của mạng OBS. Các gói đến sẽ được đưa vào hàng đợi
tùy theo đích của chúng. Một giá trị ngưỡng được sử dụng như một giới hạn để
quyết định khi nào sinh ra một chùm và gửi nó vào trong mạng.
Có nhiều kỹ thuật tập hợp được đề xuất trong đó hai kỹ thuật được quan
tâm nhất là tập hợp dựa vào ngưỡng thời gian (timer-based) như Hình 1.5 và
dựa vào ngưỡng độ dài (length-based) như Hình 1.6. Trong phương pháp tập
Hình 1.5: Tập hợp theo ngưỡng thời gian
Hình 1.6: Tập hợp theo ngưỡng kích thước (số gói tin tối đa)
hợp dựa vào ngưỡng thời gian [63], một chùm được sinh ra và được gửi vào trong
mạng theo từng khoảng thời gian, đúng bằng thời gian đã được xác định mà
không quan tâm đến kích thước chùm sinh ra dài hay ngắn. Chiều dài chùm sẽ
biến đổi tuỳ theo tốc độ đến của các gói.
Đối với phương pháp tập hợp dựa vào ngưỡng độ dài chùm [34], một giới
hạn về số lượng gói tin tối đa chứa trong mỗi chùm hoặc về kích thước chùm
18

31. tính theo bytes (trong trường hợp các gói tin đến có kích thước thay đổi) được
sử dụng như là điều kiện để sinh ra chùm. Vì vậy, các chùm được tạo ra có kích
thước bằng nhau.
Vấn đề quan trọng được đặt ra là làm thế nào để chọn một giá trị ngưỡng
thời gian hoặc ngưỡng độ dài tối ưu nhằm để giảm số lượng gói tin điện tử bị
mất khi có tranh chấp xảy ra và tăng hiệu suất băng thông mạng OBS. Rõ
ràng nếu giá trị ngưỡng thời gian quá thấp, chiều dài chùm sinh ra sẽ ngắn và
số lượng chùm di chuyển trong mạng sẽ tăng lên, dẫn đến tình trạng số lượng
tranh chấp trong mạng cao, nhưng số lượng gói tin mất trung bình trong mỗi
chùm lại thấp. Hơn nữa, số lượng chùm sinh ra nhiều sẽ gây ra áp lực lên tốc
độ xử lý các gói điều khiển tại các nút lõi OBS. Ngược lại nếu giá trị ngưỡng
thời gian lớn, độ dài chùm tăng lên và số lượng chùm di chuyển trong mạng là
giảm, do đó giảm được số lượng tranh chấp trong mạng so với trường hợp chùm
ngắn, nhưng số lượng gói tin bị mất trên mỗi tranh chấp là cao. Tóm lại, cần
xác định độ dài chùm tối ưu để tăng hiệu năng của một mạng OBS.
Hình 1.7 mô tả ảnh hưởng của kỹ thuật tập hợp dựa trên ngưỡng thời gian
và ngưỡng độ dài đối với chùm sinh ra. Trong trường hợp các gói tin bị giới hạn
Hình 1.7: Ảnh hưởng của phương pháp tập hợp chùm theo ngưỡng thời gian và ngưỡng
độ dài đối với kích thước chùm được sinh ra
19

32. về chất lượng dịch vụ (Quality of Service), như ràng buộc về độ trễ, tập hợp
chùm theo ngưỡng thời gian sẽ được chọn, trong đó giá trị ngưỡng được chọn
được dựa trên yêu cầu độ trễ của các gói điện tử. Trong trường hợp không bắt
buộc về độ trễ, việc thiết lập chùm theo ngưỡng độ dài tỏ ra hợp lý hơn vì các
chùm có kích thước cố định sẽ giúp giảm khả năng mất chùm do xung đột.
Thực tế lưu lượng mạng Internet thay đổi thường xuyên, phương pháp tập
hợp tốt nhất là kết hợp giữa tập hợp dựa trên ngưỡng thời gian và vừa ngưỡng
độ dài [7], [41], [61], [48], [51].
1.3.2.2. Báo hiệu
Báo hiệu trong mạng OBS là quá trình gửi một gói điều khiển đến tại các
nút lõi để lập lịch tài nguyên và cấu hình ma trận chuyển mạch sao cho phù hợp
với chùm theo sau của nó. Các gói điều khiển được truyền trên một kênh bước
sóng độc lập (gọi là kênh điều khiển) so với các kênh truyền chùm (gọi là các
kênh dữ liệu).
Có nhiều phương thức báo hiệu được phân biệt dựa trên cách thức thực hiện
và thời điểm tài nguyên được đặt trước. Các loại phương thức báo hiệu được
phân loại như sau [69], [47], [43], [35]:
• Theo hướng: đặt trước tài nguyên một chiều, hai chiều hay kết hợp.
• Theo vị trí: đặt trước bắt đầu từ nguồn, từ đích hoặc từ nút trung gian.
• Khi tài nguyên không sẵn sàng: đặt trước bền vững hay không bền vững.
• Theo thời gian: đặt trước tài nguyên tức thời hoặc sau một thời gian trễ.
• Giải phóng tài nguyên: tường minh hoặc ngầm định.
• Theo cách tính toán: tập trung hoặc phân tán.
• Báo hiệu một chiều, hai chiều hay hỗn hợp.
1.3.2.3. Lập lịch
Khi gói điều khiển đến tại các nút lõi OBS, dựa vào thông tin được mang
trong gói điều khiển, một giải thuật lập lịch sẽ được gọi để xác định một kênh
ra khả dụng cho việc lập lịch chùm của nó. Mục đích của giải thuật lập lịch là
20

33. tìm được một kênh khả dụng để lập lịch chùm đến sao cho đạt được một tiêu
chí về mặt hiệu suất băng thông.
Các phương pháp lập lịch có thể được phân loại thành: lập lịch trực tiếp,
lập lịch trực tiếp kết hợp và lập lịch nhóm. Chi tiết về các phương pháp lập lịch
này sẽ được trình bày trong Mục 1.4.3.
1.3.2.4. Định tuyến
Định tuyến để chỉ sự lựa chọn đường đi của một kết nối phục vụ cho việc gửi
dữ liệu. Định tuyến chỉ ra hướng dịch chuyển của chùm dữ liệu từ nguồn đến
đích và qua các nút trung gian; thiết bị chuyên dùng cho việc định tuyến là bộ
định tuyến (router). Quá trình định tuyến chỉ hướng đi thường dựa vào bảng
định tuyến, bảng chứa các lộ trình tốt nhất đến các đích khác nhau trên mạng.
Vì vậy việc xây dựng bảng đinh tuyến, được tổ chức trong bộ nhớ của bộ định
tuyến, trở nên vô cùng quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả của việc định tuyến.
Trong mạng sợi quang, các nút biên kết nối với nhau qua các đường quang.
Đường quang là một đường đi của tín hiệu ánh sáng từ nguồn đến đích và qua
các nút trung gian. Trong mạng quang không sử dụng bộ chuyển đổi bước sóng,
đường quang phải sử dụng cùng một bước sóng duy nhất từ nguồn đến đích. Khi
có yêu cầu thiết lập một kết nối, bộ định tuyến bước sóng (Wavelenght Router)
phải sử dụng một giải thuật được chọn từ trước để xác định một cổng ra và
bước sóng tương ứng. Việc lựa chọn bước sóng đóng một vai trò rất quan trọng
đối với xác suất tắc nghẽn trên toàn mạng sau này. Vì vậy một bộ định tuyến
bước sóng phải tìm ra đường quang và thực hiện gán bước sóng sao cho xác suất
tắc nghẽn là tối thiểu. Đây là loại bài toán quan trọng trong việc thiết kế các
mạng toàn quang.
Bài toán định tuyến và cấp phát bước sóng (Routing and Assignment Wave-
lenght - RWA) được chia làm hai loại [59], [36], [45]:
• Bài toán định tuyến và cấp phát bước sóng dành cho lưu lượng mạng cố
định (static traffic).
• Bài toán định tuyến và cấp phát bước sóng dành cho lưu lượng mạng thay
đổi (dynamic traffic).
21

34. 1.4. Lập lịch trong mạng OBS
1.4.1. Giới thiệu bài toán lập lịch
Lập lịch hay lập kế hoạch là một chủ đề quan trọng thuộc lĩnh vực vận trù
học, xuất hiện từ đầu những năm 1950. Mục tiêu của lập lịch là phân phối tài
nguyên dùng chung một cách hiệu quả nhất cho các tác vụ đồng thời trong toàn
bộ thời gian xử lí. Vấn đề lập lịch xuất hiện trong nhiều lĩnh vực khác nhau
như trong sản xuất, cấp phát băng thông, giáo dục - đào tạo, vận tải, . . . trong
đó lập lịch công việc [4], [70], [23], [44] có tầm quan trọng đặc biệt trong cả lí
thuyết lẫn thực tiễn.
Bài toán lập lịch công việc được phát biểu như sau:
Xét một tập n các công việc I = {J1, J2, . . . , Jn} cần thực hiện trên M máy,
trong đó mỗi công việc chỉ thực hiện một lần tại một máy. Mỗi công việc Ji có
thời điểm bắt đầu thực hiện là si, thời điểm kết thúc thực hiện là ei và li là
trọng số của công việc đó 0 ≤ si ≤ ei < ∞. Nếu công việc Ji được chọn, thì nó
sẽ độc chiếm tài nguyên trong khoảng thời gian (si, ei). Công việc Ji và Jj được
gọi là “tương thích nhau” nếu khoảng thời gian (si, ei) và (sj, ej) không chồng
lấp lên nhau([si, ei] ∩ [sj, ej] = ∅). Nếu tất cả các máy đều rỗi tại thời điểm 0, bài
toán lập lịch được xem thực hiện trên các máy đồng nhất(Scheduling problem on
Identical Machines, S-IM), nhưng nếu tồn tại một hay một số công việc không
thể lập lịch trên một máy bất kỳ, bài toán lập lịch công việc trở thành không
đồng nhất (Scheduling problem on Non-Identical Machines, S-NIM). Mục tiêu
chung của bài toán lập lịch công việc là tìm một tập các công việc I ⊆ I tương
thích nhau sao cho tổng số lượng hoặc tổng trọng số các công việc được lập lịch
là lớn nhất.
Trong mạng OBS, vấn đề lập lịch các chùm trên các kênh ra của một cổng
ra tại một nút lõi OBS có thể được xây dựng (formulate) như mô hình lập lịch
công việc, trong đó mỗi kênh ra được xem như là một máy và mỗi chùm cần lập
lịch tương ứng với một công việc. Giả sử có một danh sách các gói điều khiển
đến {BHP1, BHP2, . . . , BHPn}, yêu cầu lập lịch đồng thời cho n chùm đến tương
ứng I = {b1, b2, . . . , bn}, trong đó mỗi bi = (si, ei) gồm thời điểm đến và kết thúc
của chùm tương ứng. Chiều dài của chùm khi đó là li = ei − si. Mỗi kênh k duy
22

35. trì một giá trị LAUTk là thời gian khả dụng mà từ đó có thể lập lịch cho chùm
đến hoặc thời điểm bắt đầu và thời điểm kết thúc của các chùm đã được lập
lịch (khoảng trống, khoảng băng thông nhàn rỗi giữa các chùm đã lập lịch) trên
kênh đó, một chùm thứ i có thể được lập lịch trên kênh thứ k khi và chỉ khi
si > LAUTk hoặc thời gian đến của chùm thứ i nằm trong một khoảng trống
trên một kênh nào đó. Hai chùm thứ i và thứ j chỉ có thể được lập lịch trên cùng
một kênh ra nếu chúng không chồng lấp nhau về thời gian ([si, ei] ∩ [sj, ej] = ∅).
Từ những phân tích trên vấn đề lập lịch cho các chùm đến trên các kênh ra của
một cổng ra trở thành bài toán xác định một tập các chùm I ⊆ I tương thích
nhau sao cho tổng số lượng hoặc tổng trọng số (tổng chiều dài của các chùm
được lập lịch) là lớn nhất.
1.4.2. Một số kiến thức liên quan
Đồ thị là một cặp G = (V, E), trong đó V là tập hữu hạn các đỉnh và E ⊆ V ×V
là tập các cặp đỉnh còn được gọi là cạnh. Nếu cạnh (u, v) ∈ E thì ta nói hai đỉnh
u và v liền kề hay kề nhau, và cạnh (u, v) liên thuộc với các đỉnh u, v. Cạnh có
dạng (v, v) được gọi là khuyên. Khi cần nhấn mạnh tập đỉnh V và tập cạnh E
là của đồ thị G, thì ta viết lại tương ứng là V (G) và E(G)[52].
Như vậy về bản chất, đồ thị là một tập các đối tượng được biểu diễn bằng
các đỉnh và giữa các đối tượng có một quan hệ hai ngôi biểu diễn bằng các cạnh.
Khi chúng ta không phân biệt thứ tự của các cặp đỉnh trong tập E thì đồ thị
G = (V, E) còn được gọi là đồ thị vô hướng. Ngược lại G là đồ thị có hướng. Các
cạnh của đồ thị vô hướng còn được gọi là cung. Trong Luận án này khi chúng
tôi đề cập đến đồ thị nhưng không nói rõ là vô hướng hay có hướng thì đồ thị
đó có thể vô hướng và cũng có thể có hướng. Đồ thị không có khuyên trong đó
mỗi cặp đỉnh được nối với nhau bởi không quá một cạnh được gọi là đơn đồ thị.
Ngược lại nếu đồ thị không có khuyên và có những cặp đỉnh được nối với nhau
nhiều hơn một cạnh thì được gọi là đa đồ thị. Một đồ thị G = (V , E ) trong đó
V ⊆ V và E ⊆ E được gọi là đồ thị con của G = (V, E).
Bậc của đỉnh v trong đồ thị vô hướng G = (V, E) là số cạnh liên thuộc với v và
ký hiệu là deg(v). Đỉnh v gọi là đỉnh treo nếu deg(v) = 1, và gọi là đỉnh cô lập nếu
deg(v) = 0. Cạnh có một đỉnh là treo được gọi là cạnh treo. Bậc lớn nhất (tương
23

36. ứng nhỏ nhất) của các đỉnh trong G được gọi là bậc cực đại (tương ứng bậc cực
tiểu) của G và ký hiệu (G) (tương ứng δ(G)). Trường hợp đồ thị có hướng thì
khái niệm bậc được phân làm hai loại, bậc vào và bậc ra. Bậc ra (tương ứng bậc
vào) của đỉnh v trong đồ thị có hướng G = (V, E) ký hiệu là deg+(v) (tương ứng
deg−(v)) là số cung của G đi ra khỏi(tương ứng đi vào) v. Đỉnh v gọi là đỉnh treo
nếu deg+(v) = 0 và deg−(v) = 1. Trường hợp deg+(v) = deg−(v) = 0 thì v được
gọi là đỉnh cô lập. Cung có một đỉnh là treo được gọi là cung treo.
Một đường đi độ dài n từ đỉnh u đến đỉnh v trong đồ thị G = (V, E) là một
dãy n cạnh hay cung e1, e2, . . . , en của G sao cho e1 = (v0, v1), e2 = (v1, v2), ..., en =
(vn−1, vn) hoặc một dãy n+1 đỉnh v0, v1, ..., vn sao cho u = v0, v = vn và (vi, vi+1) ∈
E, i = 0, 1, . . . , n − 1.
Một đơn đồ thị vô hướng G được gọi là đầy đủ nếu hai đỉnh bất kỳ của G
đều liền kề với nhau. Đồ thị đầy đủ n đỉnh thường được ký hiệu là Kn hoặc
Cn. Một clique của đồ thị vô hướng G là một tập con các đỉnh của G sao cho
hai đỉnh bất kỳ thuộc nó đều kề nhau. Một tập con các đỉnh của G được gọi là
clique cực đại nếu không thể thêm bất kỳ đỉnh nào vào nó để tạo ra clique có số
đỉnh lớn hơn. Clique có nhiều đỉnh nhất của G được gọi là clique lớn nhất. Rõ
ràng một clique lớn nhất cũng là một clique cực đại, tuy nhiên điều ngược lại
không đúng. Một tập con các đỉnh của G sao cho không có hai đỉnh nào thuộc
nó là kề nhau được gọi là tập ổn định trong hay tập độc lập của G. Một tập con
các đỉnh của G được gọi là tập độc lập cực đại nếu thêm vào bất kỳ một đỉnh
nào cũng làm mất tính độc lập của nó, tức là không tồn tại một tập độc lập
nào khác chứa nó. Tập độc lập có nhiều phần tử nhất được gọi là tập độc lập
lớn nhất. Tập độc lập lớn nhất là tập độc lập cực đại nhưng ngược lại thì không
đúng. Số đỉnh của tập độc lập lớn nhất của đồ thị G được gọi là chỉ số độc lập
của G.
Một đồ thị vô hướng G được gọi là đồ thị khoảng thời gian [10], [16] hay đồ
thị khoảng nếu có một phép tương ứng giữa tập các đỉnh V và tập các khoảng
thời gian I trên một dòng thời gian, sao cho tồn tại một cạnh giữa hai đỉnh nếu
và chỉ nếu hai khoảng thời gian tương ứng có chồng lấp (hoặc không chồng lấp
nhau).
Đồ thị thời gian tương ứng có chồng lấp được mô tả trong Hình 1.8 và không
24

37. chồng lấp được mô tả trong Hình 1.9.
Hình 1.8: Đồ thị khoảng G được xây dựng từ tập các khoảng thời gian chồng lấp nhau
Hình 1.9: Đồ thị khoảng G được xây dựng từ tập các khoảng thời gian không chồng lấp
nhau
Tô màu đồ thị [16], [23] là công cụ hữu dụng trong việc mô hình hóa rất
nhiều bài toán khác nhau trong vấn đề xếp lịch, xây dựng chương trình và phân
công công việc. Tô màu đồ thị là tô màu các đỉnh của đồ thị sao cho hai đỉnh
kề nhau phải có màu khác nhau.
Quy hoạch động (Dynamic Programming) là một phương pháp nhằm đơn
giản hóa việc tính toán các công thức truy hồi bằng cách lưu toàn bộ hay một
phần kết quả tính toán tại mỗi bước trước đó với mục đích sử dụng lại. Phương
pháp quy hoạch động thường được dùng để giải các bài toán tối ưu có bản chất
đệ qui, tức là việc tìm phương án tối ưu cho một bài toán quy hoạch động có
thể được đưa về việc tìm các phương án tối ưu của một số hữu hạn các bài toán
con và quy hoạch động là một trong những phương pháp giảm thời gian thực
hiện và độ phức tạp các giải thuật của các bài toán có tính chất trên.
25

38. 1.4.3. Các giải thuật lập lịch đã công bố
Lập lịch là một trong những hoạt động quan trọng trong mạng OBS. Khi
một gói điều khiển đến tại một nút, tùy thuộc vào đích đến của chùm tương
ứng, tài nguyên sẽ dành riêng tại cổng ra, bao gồm kênh bước sóng và khoảng
thời gian chiếm giữ sẽ được cấp phát. Đã có nhiều giải thuật lập lịch được đề
xuất theo các hướng tiếp cận khác nhau nhằm nâng cao hiệu quả của hoạt động
lập lịch. Các giải thuật lập lịch này có thể được phân loại vào: lập lịch trực tiếp
[62], [17], [30], [74], [72], [71], [38], [11], [68], [18], [42], [6], [13], [2], lập lịch trực
tiếp kết hợp với lập lịch lại và kỹ thuật phân đoạn [55], [56], [49], [40], [66], [65],
[57], [67], [54], [28], [40], [5], [39] và lập lịch nhóm [25], [75], [15], [33], [22], [21],
[20], [58].
1.4.3.1. Lập lịch trực tiếp
Khi một gói điều khiển đến tại một nút, một giải thuật lập lịch được gọi để
lập lịch cho chùm tương ứng trên một kênh dữ liệu ra. Dựa vào thông tin trong
gói điều khiển, bộ lập lịch biết được thời điểm đến, độ dài chùm và tiến hành
tìm kênh khả dụng để lập lịch cho chùm đó.
Hình 1.10: Mô tả các giải thuật lập lịch trực tiếp
Các giải thuật lập lịch trực tiếp trong mạng OBS có thể được chia thành 2
26

39. loại: lập lịch không lấp đầy khoảng trống và lấp đầy khoảng trống [62], [17], [30],
[74], [72], [71], [38], [11], [68], [18], [42], [6], [13]. Turner và các cộng sự trong [62],
[17] đã đề xuất 2 giải thuật lập lịch không lấp đầy khoảng trống: FFUC (First-
Fit Unscheduled Channel) và LAUC (Latest Available Unscheduled Channel).
Đối với 2 giải thuật này bộ lập lịch sẽ duy trì các giá trị LAUTi (Latest Available
Unscheduled Time) trên mỗi kênh bước sóng ra i; là thời điểm kết thúc của
chùm được lập lịch sau cùng nhất, Một kênh sẽ được chọn để lập lịch cho một
chùm đến nếu thời điểm đến của chùm lớn hơn giá trị LAUTi. Giải thuật FFUC
sẽ chọn kênh khả dụng đầu tiên được tìm thấy để lập lịch cho chùm đến (Hình
1.10a). Giải thuật LAUC sẽ chọn kênh trong số các kênh khả dụng có khoảng
trống sinh ra (khoảng gap, khoảng thời gian từ thời điểm đến của chùm ub đến
LAUTi) là nhỏ nhất (Hình 1.10b).
Lập lịch không lấp đầy khoảng trống có ưu điểm là đơn giản và ít thông tin
lưu trữ vì chỉ cần duy trì giá trị LAUT của mỗi kênh. Tuy nhiên nhược điểm
của loại lập lịch này là chưa tận dụng được các khoảng trống được tạo ra giữa
hai chùm đã được lập lịch trước đó để lập lịch cho chùm mới đến; nên chưa khai
thác tốt băng thông của các kênh ra và dẫn đến tỉ lệ rơi chùm cao.
Để khắc phục tồn tại này, Xu và cộng sự trong [72], [71] đã đề xuất hai
giải thuật lập lịch có lấp đầy khoảng trống (Void-Filling): giải thuật FFUC-
VF (First-Fit Unscheduled Channel with Void Filling) và giải thuật LAUC-VF
(Latest Available Unscheduled Channel with Void Filling), hay còn có tên gọi
khác là Min-SV (Minimal Start Void), là cải tiến từ giải thuật FFUC và LAUC.
Đối với loại lập lịch này, bộ lập lịch phải lưu lại thời điểm bắt đầu và kết thúc
của các chùm đã lập lịch trên các kênh nhằm khai thác những khoảng trống được
tạo ra giữa chúng để lập lịch cho chùm mới đến. FFUC-VF sẽ chọn kênh đầu
tiên được tìm thấy có khoảng trống phù hợp (Hình 1.10c), trong khi LAUC-VF
chọn trong số các kênh có khoảng trống khả dụng, kênh có khoảng gap được
sinh ra ở trước nhỏ nhất để lập lịch cho chùm đến (Hình 1.10d).
Một số giải thuật lập lịch lấp đầy khoảng trống khác cũng đã được đề xuất.
Lizuka và cộng sự trong [30] cố gắng tối thiểu khoảng gap sinh ra ở sau nhỏ
nhất (Hình 1.10e) nên có tên gọi là MinEV (Minimal End Void). Tiêu chí của
hai giải thuật BFUC(Best Fit Unscheduled Channel) [42] và BF-VF (Best Fit
27

40. unscheduled channel with Void Filling) tìm khoảng trống vừa khít nhất để lập
lịch cho chùm đến. Trong BF-VF, Nandi và cộng sự định nghĩa một đại lượng
về mức độ sử dụng băng thông (utilization) khi lập lịch là:
utilization = (burstlenght × 100)/voidlenght
Trong đó burstlenght là độ dài chùm và voidlenght là độ dài khoảng trống;
BF-VF sẽ chọn kênh với khoảng trống có mức độ sử dụng lớn nhất. Với BFUC,
Ljolje và cộng sự sử dụng cách tính khác là chọn kênh có tổng 2 khoảng gap
sinh ra trước và sau khi lập lịch chùm đến là nhỏ nhất. Như mô tả ở Hình 1.10f,
BF-VF hay BFUC chọn kênh 2 là kênh có khoảng trống vừa khít nhất để lập
lịch.
1.4.3.2. Lập lịch trực tiếp kết hợp
Các giải thuật lập lịch trực tiếp có thể thất bại khi không tìm thấy kênh khả
dụng để lập lịch cho chùm đến. Kết quả là chùm sẽ bị loại bỏ và sẽ gây mất mát
dữ liệu lớn, trong khi các chùm đã được lập lịch trên các kênh ra có thể được
sắp xếp lại nhằm tạo ra khoảng băng thông rỗi để có thể lập lịch cho chùm đến.
Trong trường hợp việc loại bỏ không thể tránh khỏi, kỹ thuật phân đoạn chùm
có thể làm giảm mất mát nếu chấp nhận loại bỏ đoạn chồng lấp và phần còn
lại của chùm sẽ được lập lịch. Một hướng tiếp cận kết hợp do đó được đề xuất
nhằm tránh hay giảm việc loại bỏ toàn bộ chùm. Sau đây là các tiếp cận kết
hợp đã được công bố.
1.4.3.2.1. Kết hợp lập lịch trực tiếp và lập lịch lại
Ý tưởng của lập lịch lại là sắp xếp lại tài nguyên đối với các chùm đã được
lập lịch trên các kênh bước sóng ra, sao cho phần băng thông khả dụng được
sinh ra có thể cấp phát cho các chùm đến sau. Mục đích của lập lịch lại là nhằm
tăng khả năng sử dụng băng thông trên các kênh ra, giảm mất mát chùm và
hạn chế các xử lý phức tạp khác.
Tan và cộng sự [57], [56] đề xuất 2 giải thuật lập lịch trực tiếp kết hợp lập
lịch lại là ODBR và ABR. ODBR là một giải thuật lập lịch lại đơn mức1 và dựa
trên giải thuật lập lịch trực tiếp LAUC. Cụ thể, giải thuật ODBR có hai giai
1
Giải thuật chỉ lập lịch lại cho chùm đã được lập lịch sau cùng trên một kênh nào đó
28

41. đoạn: Giai đoạn 1 gọi giải thuật LAUC để tìm kênh khả dụng lập lịch cho chùm
mới đến; Nếu không thể tìm thấy kênh khả dụng, Giai đoạn 2 được gọi để kiểm
tra nếu tồn tại một kênh mà trên đó chùm đã được lập lịch sau cùng có thể lập
lịch lại sang một kênh khác sao cho khoảng trống được tạo ra là khả dụng cho
việc lập lịch chùm mới đến. Khác với ODBR, giải thuật ABR thực hiện lập lịch
lại mỗi khi một chùm đến được lập lịch thành công. Giải thuật ABR cũng bao
gồm 2 giai đoạn: lập lịch chùm đến với LAUC ở Giai đoạn 1; Nếu lập lịch thành
công, Giai đoạn 2 được gọi để lập lịch lại cho các chùm sau cùng trên các kênh
khác nếu thỏa mãn điều kiện khoảng trống (void) sau khi di chuyển chùm đến
là nhỏ hơn khoảng trống ban đầu. Đây là một giải thuật sắp xếp lại thứ tự các
chùm đã lập lịch nhằm giảm tắc nghẽn đối với các chùm đến trong tương lai.
1.4.3.2.2. Kết hợp lập lịch trực tiếp và phân đoạn chùm
Ý tưởng phân đoạn chùm được đề xuất đầu tiên bởi Vokkarane và cộng sự
trong [65], [66], ở đó chùm được chia thành các đoạn để khi có xung đột xảy ra
chỉ có một vài đoạn bị loại bỏ và các đoạn còn lại vẫn được truyền qua mạng. Các
đoạn bị mất có thể là phần trước (head dropping) hay phần sau (tail dropping).
Vokkarane và cộng sự trong [67] đã đề xuất 2 giải thuật lập lịch kết hợp NP-
MOC (Non-Preemptive Minimum Overlapping Channel), NP-MOC-VF (Non-
Preemptive Minimum Overlapping Channel Void Filling) có và không lấp đầy
khoảng trống. NP-MOC dựa trên giải thuật LAUC. Ngoài các thông tin được
sử dụng cho LAUC, NP-MOC duy trì thêm thông tin về khoảng chồng lấp tối
thiểu giữa chùm đến với các chùm bị tranh chấp trên tất cả các kênh. Kênh mà
với khoảng chồng lấp tối thiểu sẽ được chọn để tối đa phần còn lại của chùm
được lập lịch. NP-MOC-VF là tương tự với NP-MOC nhưng có kết hợp với lấp
đầy khoảng trống, tức sử dụng giải thuật LAUC-VF.
1.4.3.2.3. Kết hợp lập lịch trực tiếp, lập lịch lại và phân đoạn chùm
Không chỉ kết hợp lập lịch trực tiếp với phân đoạn, Umaru, Aydin và cộng
sự trong [40], [5] đề xuất một tổ hợp khác giữa lập lịch, lập lịch lại và phân
đoạn. Cụ thể, PCSA (Pre-emptive Channel Scheduling Algorithm) trong [40]
dựa trên LAUC-VF, ODBR và phân đoạn chùm. Sơ đồ lập lịch kết hợp này
được thiết kế nhằm thỏa mãn các yêu cầu QoS trong mạng OBS. Trong [5], một
29

42. sự kết hợp khác có tên gọi là SODBRA (Segmentation-based On-Demand Burst
Rescheduling Algorithm), là tổ hợp của FFUC-VF, ODBR và phân đoạn chùm.
Ưu điểm chính của các tổ hợp này nhằm giảm xác suất mất gói khi kết hợp nhiều
phương pháp với nhau. Tuy nhiên, giới hạn của chúng đến từ giải thuật lập lịch,
lập lịch lại và phân đoạn chùm. Ví dụ SODBRA sử dụng FFUC-VF trong Giai
đoạn 1 sẽ không tối ưu khi lấp đầy các khoảng trống, trong khi ODBR trong
Giai đoạn 2 chẳng quan tâm đến việc khai thác băng thông của các khoảng
trống. PCSA đã cải thiện được vấn đề này bằng cách sử dụng LAUC-VF, nhưng
giải thuật này chỉ tối thiểu một bên của khoảng trống.
Một tồn tại khác của lập lịch trực tiếp và lập lịch kết hợp là các giải thuật
được gọi ngay khi có một gói điều khiển đến nên việc lập lịch tài nguyên cho
chùm hiện thời sẽ không quan tâm đến tình trạng của các chùm đến sau nó;
Kết quả là băng thông của các kênh dữ liệu ra có thể bị phân mảnh và việc sử
dụng băng thông của các kênh ra sẽ không hiệu quả. Ví dụ, xét trường hợp các
gói điều khiển (từ b1 đến b8) đến tại một nút mạng OBS trong khe thời gian
τ(timeslot) trên một kênh bước sóng ra i như Hình 1.11a. Nếu sử dụng giải thuật
lập lịch trực tiếp, chỉ có chùm b1 và b5 được lập lịch (Hình 1.11b), còn các chùm
còn lại bị loại bỏ, nhưng nếu các chùm đến này được lập lịch đồng thời thì kết
quả lập lịch có thể tốt hơn như Hình 1.11c hay Hình 1.11d. Giải pháp để khắc
phục được điểm tồn tại này là lập lịch nhóm.
1.4.3.3. Lập lịch nhóm
Trong lập lịch nhóm, một giải thuật lập lịch không được gọi ngay khi một
gói điều khiển đến, mà các gói điều khiển đến trong một khe thời gian τ sẽ tiến
hành lập lịch đồng thời cho các chùm của chúng.
Hình 1.11c và Hình 1.11d mô tả kết quả của lập lịch nhóm dựa trên (c) tối
đa tổng số chùm được lập lịch và (d) tối đa tổng độ dài các chùm được lập lịch;
Cách làm này rõ ràng tăng hiệu suất băng thông các kênh bước sóng ra. Lập lịch
nhóm có thể được chia thành 2 loại: lập lịch nhóm không có chuyển đổi bước
sóng, nghĩa là lập lịch nhóm trên đơn kênh và lập lịch nhóm có chuyển đổi bước
sóng, nghĩa là lập lịch nhóm trên đa kênh. Hình 1.12 mô tả sự phân loại các giải
thuật lập lịch nhóm đã được công bố.
30

43. Hình 1.11: Ví dụ so sánh hiệu quả giữa lập lịch trực tiếp và lập lịch nhóm: (a) các gói
điều khiển và chùm đến trong khe thời gian τ, (b) kết quả của lập lịch trực tiếp và (c)
kết quả của lập lịch nhóm dựa trên tối đa tổng số chùm được lập lịch và (d)dựa trên
tối đa tổng độ dài của các chùm được lập lịch
Giải thuật OBS-GS (OBS Group Scheduling) và MWIS-OS (Maximum Weight
Independent Set - Optimal Scheduling) [25], [75], [15] là các ví dụ tiêu biểu của
lập lịch nhóm không có chuyển đổi bước sóng, trong đó OBS-GS tìm tất cả các
trường hợp lập lịch chùm có thể và chọn trường hợp có tổng số chùm được lập
lịch lớn nhất; trong khi MWIS-OS chọn trường hợp có tổng độ dài các chùm
được lập lịch lớn nhất.
Với trường hợp lập lịch nhóm có hỗ trợ chuyển đổi bước sóng, giả sử các nút
OBS được trang bị các bộ chuyển đổi bước sóng đầy đủ, một chùm đến trên một
kênh bước sóng có thể được lập lịch trên kênh có bước sóng bất kỳ tại cổng ra.
Vì vậy mục tiêu của lập lịch nhóm trên đa kênh là tìm tập các chùm có thể lập
lịch với tổng số chùm được lập lịch lớn nhất hoặc tổng độ dài các chùm được lập
lịch lớn nhất. Đã có một số đề xuất đối với loại lập lịch nhóm này mà chúng có
thể được chia thành 2 nhóm: hướng tiếp cận heuristic bao gồm SSF (Smallest
Start-time First), LIF (Largest Interval First), SLV (Smallest-Last Vertex) và
MCF (Maximal Cliques First) [33]; và hướng tiếp cận tối ưu hoá với việc xem
xét bài toán lập lịch nhóm trong mạng OBS như bài toán lập lịch công việc trên
máy đồng nhất bao gồm GreedyOPT [21] và BATCHOPT [20]. Các phân tích
chi tiết về hai hướng tiếp cận này sẽ được trình bày trong Chương 3 và 4.
31

44. Hình 1.12: Phân loại các giải thuật lập lịch nhóm đã được công bố
1.4.3.4. Kết hợp lập lịch và các giải pháp xử lý tắc nghẽn
Việc lập lịch tại một cổng ra có thể thất bại (tắc nghẽn) khi gói điều khiển
đến tại một nút lõi yêu cầu lập lịch cho chùm tương ứng của nó trên một kênh
(bước sóng) ra, tuy nhiên kênh ra không khả dụng. Giải pháp cho vấn đề này
hoặc là làm trễ thời điểm đến của chùm (sử dụng đường trễ FDL) hoặc thay đổi
kênh ra (chuyển đổi bước sóng) hoặc lập lịch qua một cổng ra khác (định tuyến
lệch hướng). Sau đây là các mô tả về 3 giải pháp xử lý tắc nghẽn này.
1.4.3.4.1. Sử dụng đường trễ FDL
Cách tiếp cận sử dụng đường trễ nhằm cố gắng làm trì hoãn thời điểm đến
của chùm cho đến khi một kênh bước sóng ra khả dụng để lập lịch cho chùm đó.
Trong các mạng chuyển mạch gói điện tử các gói được đệm trong các bộ nhớ
truy cập ngẫu nhiên RAM (Random Access Memory) [26], [53] nhưng các bộ
đệm quang như RAM hiện không khả dụng; do đó, các đường trễ FDL có thể
được sử dụng để làm trễ các chùm ra trong một khoảng thời gian xác định.
Phương pháp sử dụng đường trễ làm giảm khả năng chùm bị loại bỏ, nhưng
nó không đảm bảo thứ tự đến của các chùm một cách chính xác. Cũng cần chú
ý thêm rằng, trong bất kỳ kỹ thuật đường trễ quang nào, kích thước của bộ
đệm bị giới hạn rất nghiêm ngặt, không những bởi chất lượng tín hiệu mà còn
bởi giới hạn về không gian vật lý. Thực tế, để làm trễ một chùm với thời gian
5ms, chúng ta cần đến hơn 200km sợi quang [31].
32

45. 1.4.3.4.2. Chuyển đổi bước sóng
Với công nghệ WDM, nhiều bước sóng có thể được truyền trên một sợi quang
nối giữa hai chuyển mạch quang. Nhiều bước sóng được khai thác nhằm cực tiểu
hóa các tranh chấp, ví dụ hai chùm đến yêu cầu lập lịch trên cùng một kênh
bước sóng ra tại một cổng ra và cùng thời điểm thì có thể được lập lịch trên
hai kênh bước sóng khác nhau như thể hiện trong Hình 1.13. Phương pháp này
có thể cực tiểu hóa tranh chấp chùm, khi số lượng các bước sóng trên một sợi
quang đơn tiếp tục tăng. Một sợi quang hiện nay có thể mang từ 160 đến 320
bước sóng [19], [32].
Hình 1.13: Mô tả giải pháp chuyển đổi bước sóng w1 qua w2
Chuyển đổi bước sóng là quá trình thay đổi bước sóng của một chùm trên
một kênh vào thành một bước sóng khác trên một kênh ra. Việc chuyển đổi bước
sóng được thực hiện bởi các bộ chuyển đổi bước sóng. Cách này cho phép tăng
khả năng sử dụng lại các bước sóng, tức là cùng một bước sóng có thể được tái
sử dụng về mặt không gian để mang các đường quang trên các sợi quang khác
nhau trong mạng.
Trong mạng OBS có chuyển đổi bước sóng, tranh chấp sẽ được giảm nhờ
việc tạo ra nhiều bước sóng khả dụng trên một kết nối. Một chùm tranh chấp
có thể được chuyển đến bất kì bước sóng rỗi nào tại cổng ra. Mặc dù chuyển đổi
bước sóng đã được chứng minh trong môi trường thí nghiệm, nhưng chưa hoàn
toàn khả dụng về mặt thương mại và miền chuyển đổi vẫn bị giới hạn. Do đó có
sự phân loại về chuyển đổi bước sóng như sau:
• Chuyển đổi hoàn toàn: bất kì một bước sóng vào nào cũng có thể được
33