Đề tài Qos trong mạng chuyển mạch burst quang

i HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG KHOA VIỄN THÔNG I  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: QoS TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH BURST QUANG ®edddddd dddddd Giáo viên hƣớng dẫn : T.S Bùi Trung Hiếu Ngƣời thực hiện : Nguyễn Kim Tuyến Hµ néi 11/2008 i HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG CỘNG HOÀ XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA VIỄN THÔNG 1 Độc lập - Tự do - Hạnh phúc ---------o0o-------- ---------o0o------ ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Họ và tên : Nguyễn Kim Tuyến Lớp : D04VT1 Khoá : 2004 – 2008 Ngành : Điện tử - Viễn thông Tên đề tài : QoS trong mạng chuyển mạch burst quang Nội dung đồ án :  Giới thiệu kỹ thuật chuyển mạch burts quang  Giới thiệu QoS và các kiến trúc để đảm bảo QoS  Tìm hiểu các vấn đề trong việc tích hợp IP qua mạng WDM  Tìm hiểu các phƣơng pháp để cải thiện QoS trong các mạng OBS  Tìm hiểu tác động của các FDL đối với QoS trong các mạng OBS Ngày giao đề tài : …..tháng…..năm 2008 Ngày nộp đồ án : …..tháng ….năm 2008 Ngày ….. tháng …..năm 2008 Giáo viên hƣớng dẫn T.S BÙI TRUNG HIẾU ii NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ………………………………. Điểm : …………( Bằng chữ : ………………..) Ngày ……tháng …….năm 2008 T.S BÙI TRUNG HIẾU iii NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ………………………. Điểm : ……….( Bằng chữ : ……………………….) Ngày ……..tháng ……..năm 2008 Đồ án tốt nghiệp Mục lục ____________________________________ Nguyễn Kim Tuyến - Lớp: D04VT1 I MỤC LỤC MỤC LỤC .......................................................................................................................... I DANH MỤC HÌNH VẼ ..................................................................................................... III DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................................ V THUẬT NGỮ VIẾT TẮT .................................................................................................. VI LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................................... IX CHƢƠNG 1 : KỸ THUẬT CHUYỂN MẠCH QUANG ................................................... 1 1.1. Các kỹ thuật chuyển mạch quang : .......................................................................... 1 1.1.1 Định tuyến bƣớc sóng quang (WR) : ................................................................. 1 1.1.1.1 Mạng định tuyến bƣớc sóng quang : ........................................................... 1 1.1.1.2 Các mạng chuyển mạch kênh quang : ........................................................ 2 1.1.2 Chuyển mạch gói quang (OPS) : ....................................................................... 3 1.1.2.1 Giới thiệu OPS : .......................................................................................... 3 1.1.2.2 Nguyên lý chuyển mạch OPS: .................................................................... 4 1.1.3 Chuyển mạch burst quang (OBS) : .................................................................... 6 1.1.3.1 Giới thiệu OBS : ......................................................................................... 6 1.1.3.2 Ƣu điểm của OBS so với WR và OPS : ...................................................... 7 1.2. Kiến trúc và các kỹ thuật chuyển mạch burst quang (OBS): ................................... 9 1.2.1 Kiến trúc OBS : .................................................................................................. 9 1.2.2 Các kỹ thuật OBS : ............................................................................................ 12 1.2.2.1 Các sơ đồ tập hợp burst : ............................................................................ 12 1.2.2.2 Các sơ đồ giành trƣớc bƣớc sóng : ............................................................. 14 1.2.2.3 Giao thức báo hiệu JET : ............................................................................ 16 1.2.2.4 Các thuật toán lập lịch burst : ..................................................................... 18 1.2.2.5 Các giải pháp khắc phục tranh chấp burst: ................................................. 20 1.3. Kết luận chƣơng ....................................................................................................... 21 CHƢƠNG 2 : CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ ( QoS ) ............................................................ 23 2.1 Định nghĩa QoS : ...................................................................................................... 23 2.2 IntServ ....................................................................................................................... 26 2.2.1 Kiến trúc IntServ ................................................................................................ 26 2.2.2 Nguyên lí điều khiển luồng của IntServ ............................................................ 28 2.2.3 Nhƣợc điểm của IntServ .................................................................................... 30 2.3 DiffServ .................................................................................................................... 30 2.3 1 Các thành phần của kiến trúc DiffServ .............................................................. 31 2.3.1.1 DSCP .......................................................................................................... 31 2.3.1.2 PHB ............................................................................................................. 31 2.3.1.3 Miền DiffServ ............................................................................................. 31 2.3.1.4 Nút biên DiffServ ........................................................................................ 32 2.3.1.5 Nút lõi DiffServ .......................................................................................... 33 2.3.2 Quá trình thực hiện DiffServ ............................................................................. 33 2.3.3 Các vấn đề trong việc khiển khai DiffServ ........................................................ 36 2.4 Kết luận chƣơng : ...................................................................................................... 38 CHƢƠNG 3 : TRUYỀN TẢI IP QUA MẠNG WDM ...................................................... 40 3.1 Tích hợp IP và các mạng quang ................................................................................ 40 3.1.1 Mô hình mạng quang : ....................................................................................... 40 3.1.2 Các vấn đề truyền tải IP qua WDM .................................................................. 41 3.1.3 Mặt phẳng dữ liệu và mặt phẳng điều khiển : .................................................... 42 3.1.4 Các mô hình kiến trúc và định tuyến ................................................................. 44 3.1.5 So sánh giữa hai mô hình xếp chồng và mô hình ngang hàng ........................... 47 Đồ án tốt nghiệp Mục lục ____________________________________ Nguyễn Kim Tuyến - Lớp: D04VT1 II 3.2 Các kiến trúc lớp cho các mạng truyền tải IP qua WDM ......................................... 48 3.3 Kỹ thuật MPLS ......................................................................................................... 51 3.3.1 Giới thiệu kỹ thuật MPLS .................................................................................. 51 3.3.2 Các kỹ thuật MPLS ............................................................................................ 53 3.3.2.1 Các mạng định tuyến bƣớc sóng IP/MPLS ................................................. 54 3.3.2.2 Chuyển mạch quang OBS và MPLS ........................................................... 55 3.3.2.2.1 OBS sử dụng MPLS ............................................................................ 56 3.3.2.2.2 Lớp MAC ............................................................................................. 58 3.4 Kết luận chƣơng : ...................................................................................................... 61 CHƢƠNG 4 : HIỆU NĂNG QoS TRONG MẠNG OBS .................................................. 62 4.1 Giao thức báo hiệu hỗ trợ QoS : ............................................................................... 62 4.2 Thuật toán lập lịch hỗ trợ QoS trong các mạng OBS : ............................................. 64 4.3 Ảnh hƣởng của các FDL đến hiệu năng QoS của các mạng OBS : .......................... 68 4.3.1 Nút chuyển mạch quang và bộ đệm FDL .......................................................... 68 4.3.2 Sơ đồ QoS dựa trên thời gian cân bằng với FDL............................................... 70 4.3.2.1 Giới thiệu : .................................................................................................. 70 4.3.2.3 Tính toán thời gian cân bằng cần thiết : ...................................................... 73 4.3.3 Trễ hàng đợi và xác suất mất burst .................................................................... 74 4.3.3.1 Thời gian cân bằng và trễ đầu cuối - đầu cuối : .......................................... 74 4.3.3.2 Xác suất mất burst trong OBS : .................................................................. 75 4.3.4 FDL và hàng đợi trong mô hình (M/M/k/D) ...................................................... 78 4.4 Kết luận chƣơng : ...................................................................................................... 79 CHƢƠNG 5 : KHẢO SÁT ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC FDL ĐẾN QoS CỦA CÁC MẠNG OBS ....................................................................................................................... 80 5.1 Khảo sát các biên trên và biên dƣới của xác suất mất burst trong mạng OBS ......... 80 5.1.1 Phân tích ............................................................................................................ 80 5.1.2 Kết quả ............................................................................................................... 81 5.2 Mô hình Yoo ............................................................................................................. 87 5.2.1 Ảnh hƣởng của thời gian trễ lớn nhất B lên xác suất mất burst ......................... 87 5.2.2 Hiệu quả thực tế của sơ đồ dựa trên thời gian cân bằng: ................................... 89 5.3 Kết luận chƣơng ........................................................................................................ 91 KẾT LUẬN ......................................................................................................................... 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................. 94 Đồ án tốt nghiệp Danh mục hình vẽ ____________________________________ Nguyễn Kim Tuyến - Lớp: D04VT1 III DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Thiết lập lightpath ................................................................................. 1 Hình 1.2 Hiệu quả sử dụng đường dẫn ................................................................ 3 Hình 1.4 Mô hình chuyển mạch burst quang ....................................................... 7 Hình 1.5 So sánh giữa OPS (a) và OBS (b) ......................................................... 9 Hình 1.6 Mô hình mạng OBS ............................................................................... 10 Hình 1.7 Kiến trúc của router biên ...................................................................... 11 Hình 1.8 Kiến trúc của router lõi ......................................................................... 12 Hình 1.9 Kỹ thuật báo hiệu Just – Enough – Time (JET) .................................... 16 Hình 1.10 OBS sử dụng giao thức JET ................................................................ 17 Hình 1.11 Minh hoạ thuật toán FFUC ................................................................ 19 Hình 1.12 Minh hoạ thuật toán LAUC ................................................................. 19 Hình 1.13 Minh hoạ thuật toán LAUC – VF ........................................................ 20 Hình 2.1 Kiến trúc của IntServ ............................................................................ 26 Hình 2.2 Nguyên lí điều khiển của IntServ .......................................................... 29 Hình 2.3 Miền DiffServ ........................................................................................ 32 Hình 2.4 Cấu trúc của nút biên DiffServ ............................................................. 32 Hình 2.5 Cấu trúc của nút lõi DiffServ ................................................................ 33 Hình 2.6 DiffServ và điều chỉnh đầu vào với Broker dung lượng ....................... 36 Hình 3.1 Mô hình mạng quang ............................................................................ 41 Hình 3.2 Mặt phẳng dữ liệu và mặt phẳng điều khiển trong mạng quang .......... 42 Hình 3.3 Nút quang .............................................................................................. 43 Hình 3.4 Mối quan hệ giữa các router IP và các OXC trên mặt phẳng điều khiển .............................................................................................................................. 45 Hình 3.5 Các mô hình dịch vụ : (a) mô hình dịch vụ miền ................................ 46 (b) mô hình dịch vụ hợp nhất ............................................................................... 46 Hình 3.6 Ngăn xếp giao thức cho bốn giải pháp IPoW ....................................... 49 Hình 3.7 Mối quan hệ giữa các mạng MPLS và MPλS ....................................... 54 Hình 3.8 Mô hình mạng định tuyến bước sóng IP/MPLS/MPλS ......................... 55 Hình 3.9 Truyền tải IP qua OBS WDM sử dụng MPLS ....................................... 56 Hình 3.10 Các chức năng của chuyển mạch quang hỗ trợ OBS và MPLS .......... 57 Hình 3.11 Giao diện MAC giữa các lớp IP và OBS WDM .................................. 58 Hình 3.12 Đồng bộ khi kết hợp luồng .................................................................. 59 Hình 4.1 Thời gian cân bằng cho dịch vụ ưu tiên ................................................ 63 Hình 4.2 Cấu trúc của nút lõi OBS ...................................................................... 66 Hình 4.3 Mối quan hệ giữa thời gian nhận của BHPi và DBi ............................. 67 Hình 4.4 Cấu trúc của nút chuyển mạch quang (OSN) ....................................... 69 Hình 4.5 Cấu trúc của các bộ đệm FDL .............................................................. 70 Hình 4.6 Sự phân loại lớp sử dụng thời gian cân băng mở rộng ........................ 72 Hình 4.7 Sự khác biệt giữa FDL và hàng đợi ...................................................... 78 Đồ án tốt nghiệp Danh mục hình vẽ ____________________________________ Nguyễn Kim Tuyến - Lớp: D04VT1 IV Hình 5.1 Xác suất mất burst và thời gian trễ lớn nhất B ..................................... 83 Hình 5.2 Xác suất mất burst và số lượng các FDL .............................................. 84 Hình 5.3 Xác suất mất burst và số lượng k các bước sóng .................................. 85 Hình 5.4 Xác suất mất burst và mật độ lưu lượng tổng ....................................... 87 Hình 5.5 Xác suất mất burst và thời gian trễ lớn nhất ........................................ 88 Hình 5.6 Trễ hàng đợi trung bình và thời gian trễ lớn nhất B ............................ 89 Hình 5.7 Xác suất mất burst và số các mảng FDL .............................................. 90 Hình 5.8 Xác suất mất burst và số lượng bước sóng k ........................................ 91 Đồ án tốt nghiệp Danh mục bảng biểu ____________________________________ Nguyễn Kim Tuyến - Lớp: D04VT1 V DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.2 So sánh ba kỹ thuật chuyển mạch quang ................................................. 22 Bảng 3.1 Tóm tắt một số so sánh giữa hai mô hình ................................................ 48 Bảng 4.1 Độ phân biệt và chênh lệch thời gian cân bằng ...................................... 74 Bảng 5.1 Xác suất mất burst và trễ thời gian lớn nhất ........................................... 82 Bảng 5.2 Xác suất mất burst và số lượng các FDL ............................................... 84 Bảng 5.3 Xác suất mất burst và số lượng bước sóng .............................................. 85 Bảng 5.4 Xác suất mất burst và mật độ lưu lượng tổng ......................................... 86 Đồ án tốt nghiệp Thuật ngữ viết tắt ____________________________________ Nguyễn Kim Tuyến - Lớp: D04VT1 VI THUẬT NGỮ VIẾT TẮT TÊN VIẾT TẮT TIẾNG ANH NGHĨA TIẾNG VIỆT AF Assured Forwarding Chuyển đảm bảo ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền dẫn bất đồng bộ BB Bandwidth Broker Broker dung lƣợng BE Best Effort Nỗ lực tối đa BHP Burst Header Packet Gói mào đầu burst CB Control Burst Burst điều khiển CC Control Channel Kênh điều khiển CCG Control Channel Group Nhóm kênh điều khiển CR-LDP Constraint Routing Label Distribution Protocol Giao thức phân bổ nhãn định tuyến ràng buộc DB Data Burst Burst dữ liệu DC Data Channel Kênh dữ liệu DWDM Dense Waveleng Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bƣớc sóng mật độ cao EF Expedited Forwarding Chuyển nhanh FDL Fiber Delay Line Đƣờng trễ quang FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số FEC Forwarding Equivalence Class Lớp chuyển tiếp tƣơng Đồ án tốt nghiệp Thuật ngữ viết tắt ____________________________________ Nguyễn Kim Tuyến - Lớp: D04VT1 VII đƣơng GMPLS Generalized Multi Protocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức tổng quát IETF Internet Engineering Task Force Nhóm chuyên trách về kỹ thuật Internet IP Internet Protocol Giao thức Internet IPoW IP over WDM IP qua WDM ISP Internet Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ Internet ITU-T International Telecommunications Union - Telecommunication Standardization Sector Tiêu chuẩn hoá viễn thông quốc tế JET Just Enough Time Thời gian vừa đủ LDP Label Distributing Protocol Giao thức phân bổ nhãn LIB Label Information Base Cơ sở dữ liệu nhãn LSP Label Switching Path Đƣờng chuyển mạch nhãn LSR Label Switching R