nghiên cứu, phân tích các mạng chuyển động mạch

Tài liệu tham khảo kỹ thuật công nghệ cơ khí nghiên cứu, phân tích các mạng chuyển động mạch

MỤC LỤC

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1

1.1 Sự phát triển của mạng quang 1

1.1.1 Sự phát triển của topo mạng 1

1.1.2 Sự phát triển của dung lượng truyền dẫn 1

1.1.3 Sự phát triển của mạng 2

1.2 Chuyển mạch quang 3

1.2.1 Phân loại chuyển mạch quang 5

1.2.1.1 Kỹ thuật chuyển mạch kênh quang 5

1.2.1.2 Chuyển mạch gói quang 6

1.2.1.3 Chuyển mạch burst quang 7

1.3 So sánh 8

1.3.1 Giữa chuyển mạch kênh và gói 8

1.3.2 Giữa chuyển mạch gói và chuyển mạch burst 8

CHƯƠNG II: CHUYỂN MẠCH GÓI QUANG 10

2.1 Giới thiệu chung 10

2.2 Vai trò của mạng chuyển mạch gói quang 10

2.3 Đặc tính lưu lượng của chuyển mạch gói quang 12

2.3.1 Đặc tính lưu lượng của chuyển mạch không có chức năng tách-ghép .122.3.1.1 Mạng và kiến trúc chuyển mạch của hệ thống WDM 12

2.3.1.2 ảnh hưởng của các bộ chuyển đổi bước sóng khả chỉnh 13

2.3.2 Đặc tính lưu lượng của chuyển mạch với chức năng tách ghép 16

2.3.2.1 Lưu lượng của mạng chuyển mạch gói tách- ghép WDM 18

2.3.2.2 Thuật toán định tuyến và kiểu kiểm tra 20

2.4 Bộ đệm trong chuyển mạch gói quang 23

2.4.3.3 Chuyển mạch với bộ đệm quang lớn SLOB 38

2.5 Kiến trúc định tuyến thực nghiệm gói quang có khả năng hoán đổi nhẵn OPERA 39

2.5.1 Kiến trúc mạng 39

2.5.2 Bộ định tuyến giao diện mạng quang 40

2.6 Kiến trúc chuyển mạch gói 40

2.6.1 Chuyển mạch dựa trên trường chuyển mạch không gian 41

2.6.1.1 Chuyển mạch xen kẽ 42

2.6.1.2 Chuyển mạch gói photonic bộ đệm đầu ra 42

2.6.1.3 Chuyển mạch dựa trên chuyển mạch không gian không bộ đệm 432.6.1.4 Chuyển mạch DAVID 44

2.6.2 Chuyển mạch định tuyến bước sóng 45

2.6.2.1 Chuyển mạch định tuyến bước sóng bộ đệm đầu ra 45

2.6.2.2 Chuyển mạch định tuyến bước sóng đệm đầu vào 47

2.6.3 Chuyển mạch lựa chọn và quảng bá 49

2.6.3.1 Chuyển mạch lựa chọn và quảng bá KEOPS 49

2.6.3.2 Chuyển mạch lựa chọn và quảng bá ULPHA 50

2.6.3.3 Chuyển mạch bộ nhớ lặp sợi 51

2.6.5 Chuyển mạch định tuyến quang phân khe thời gian 52

CHƯƠNG III: CÁC MÔ HÌNH CHUYỂN MẠCH 53

3.1 Kiến trúc chuyển mạch ATMOS 53

3.2 Kiến trúc chuyển mạch KEOPS 53

3.3 Kiến trúc chuyển mạch WASPNET 55

3.3.1 Chuyển mạch WASPNET 56

3.3.2 Điều khiển mạng 57

3.3.3 Định dạng gói 57

3.4 Mạng ứng dụng cho chuyển mạch gói quang 57

3.4.1 Chuyển mạch gói quang trong suốt 57

3.4.1.1 Các mạng gói quang 57

3.4.1.2 Node chuyển mạch gói quang 62

3.4.2 Mạng kết nối quang với bộ định tuyến IP terabit 64

3.4.2.1 Kiến trúc bộ định tuyến IP terabit 65

3.4.2.2 Bộ điều khiển tuyến và module bộ định tuyến 68

3.4.2.3 Mạng kết nối quang 70

3.4.2.4 Khối phân xử Ping –Pong 75

KẾT LUẬN 76

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN

1.1 Sự phát triển của mạng quang

1.1.1 Sự phát triển của topo mạng

Kiến trúc điểm - điểm là loại đơn giản của topo mạng Các gói được truyền giữa các nodequang, nhưng sự chuyển đổi quang điện tử được thực hiện ở mọi node SONET/SDH là một vídụ Một lựa chọn khác có ưu điểm hơn là sử dụng các topo mạng kiểu bus, vòng và sao

Hình1.1: Các topo mạngdạng Điểm - điểm, vòng, sao, lưới.

Trong mạng WDM topo kiểu vòng được ưa dùng hơn Topo kiểu mạng lưới cónhiều ưu điểm hơn khi so sánh với các loại trước bởi vì dung sai cắt sợi tốt hơn, khi cónhiều lựa chọn định tuyến Thêm nữa, một node với tốc độ lưu lượng cao được nối vớivài node, và một node với lưu lượng dữ liệu trên một node đơn chỉ có thể nối với nodeđơn này Đáng tiếc, một mạng topo dạng mạng lưới gặp nhiều khó khăn khi triển khaido yêu cầu phức tạp trong định tuyến và chuyển mạch Mạng WDM đầu tiên xuất hiệngiữa những năm 1990 là mạng kiểu điểm - điểm Sau đó các phần tử tách-ghép đượcsử dụng và cuối những năm 1990 topo mạng kiểu vòng trở nên ưa dùng Ngày nay đãsử dụng các mạng có topo mạng kiểu mạng lưới Một phần các mạng gói quang đượcthực hiện trong môi trường phòng thí nghiệm Chắc chắn các mạng gói thương mại sẽtheo sự phát triển giống như các mạng WDM trước đó.

1.1.2 Sự phát triển của dung lượng truyền dẫn

Tốc độ phát triển của dung lượng truyền dẫn nhanh hơn trong các năm trước đây.Giữa thập niên 90 tốc độ tăng là 30% trên năm, ngày nay là 60% Bảng mô tả dự báosự phát triển của tổng dung lượng và tốc độ bít người sử dụng.

Dung lượngtổng

Tốc độ bít người sử dụng

Quang, ADSL155Mbit/s2,10,50 Mbit/s

Quang, điện622Mbit/s100Mbit/s

1.1.3 Sự phát triển của mạng

Mạng quang đầu tiên được thực thi cách đây hơn thập kỷ, nhưng sự khai thácthực tế của mạng quang lại liên quan với hiện tượng mới Mạng sử dung công nghệWDM sẽ tới đỉnh điểm của nó trong nửa cuối năm nhưng năm 2000 Sự phát triển vẫntăng nhanh nếu như tốc độ phát triển của dung lượng vẫn tăng 60% trên năm

Hiện nay phương pháp ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) là côngnghệ ghép kênh ưa chuộng nhất cho các mạng thông tin quang, bởi vì mọi thiết bị đầucuối sử dụng chỉ cần hoạt động tại tần số của một kênh WDM WDM là một cáchghép, trong đó ta có thể lợi dụng sự không đối xứng băng tần quang điện rộng lớnbằng cách yêu cầu mỗi đầu cuối của mỗi người sử dụng chỉ hoạt động tại tốc độ điệntử và các kênh ghép WDM từ các đầu cuối của người sử dụng khác sẽ được ghép vàotrong cùng một cáp Trong ghép kênh theo bước sóng WDM, mỗi bước sóng hỗ trợmột kênh thông tin hoạt động tại bất kỳ tốc độ được thiết kế này.

Ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) xuất hiện như một giải pháp đượclựa chọn để cung cấp một cơ sở hạ tầng mạng nhanh hơn, đáp ứng được sự bùng nổcủa Internet Thế hệ đầu tiên của WDM chỉ cung cấp các liên kết vật lý điểm tới điểmđược sử dụng hạn chế trong các trung kế WAN Các cấu hình mạng WDM, WAN làcác cấu hình tĩnh.

Thế hệ thứ hai của WDM có khả năng thiết lập các tuyến quang kết nối từ đầucuối tới đầu cuối trong lớp quang sử dụng kết nối chéo lựa chọn bước sóng WSXC.Các tuyến quang tạo ra một tôpô ảo trên tôpô sợi quang vật lý Cấu hình bước sóng ảocó thể thay đổi động theo sự thay đổi quy hoạch mạng.

Kỹ thuật sử dụng trong thế hệ WDM thứ hai bao gồm các thiết bị kết nối chéo vàbộ tách ghép bước sóng với khả năng chuyển đổi bước sóng, định tuyến động và phânbố bước sóng tại các node nối chéo.

WDM thế hệ thứ ba được sử dụng trong các mạng quang chuyển mạch gói phi kếtnối, trong đó các tiêu đề hay các nhãn được gắn với dữ liệu, truyền đi cùng với tải vàđược xử lý tại mỗi chuyển mạch quang WDM Dựa trên tỷ lệ giữa thời gian xử lý tiêuđề gói và chi phí truyền dẫn gói, chuyển mạch WDM có thể được sử dụng hiệu quảbằng cách sử dụng chuyển mạch nhãn hay chuyển mạch burst quang Chuyển mạchgói quang vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu

Sự phát triển mạng của WDM được chỉ ra như hình vẽ

Thế hệ thứ 3Thế hệ thứ 1 Thế hệ thứ 2

Chuyển mạch kênh WDMChuyển mạch burst quangChuyển mạch gói quangCác kênh tĩnh tới động Các đường ảo và lưu giữ và chuyển tiễp

1.2 Chuyển mạch quang

Chuyển mạch là từ dùng để chỉ hai nghĩa khác nhau Một là để định nghĩa tóm tắtkhái niệm chuyển mạch tức là thiết bị sử dụng chuyển mạch các tín hiệu từ các cổngđầu vào tới các cổng đầu ra Hai là chuyển mạch chỉ một thiết bị với một vài thiết bịhoặc là một thiết bị phức hợp mà gồm khối điều khiển phức tạp, các bộ đệm đườngdây trễ, các bộ lọc, các bộ chuyển đổi bước sóng và các chuyển mạch đơn giản Các chuyển mạch không gian và các bộ định tuyến bước sóng là các thành phần cơbản của một chuyển mạch quang Một chuyển mạch không gian chỉ chuyển theo cáchđơn giản các tín hiệu từ mỗi đầu vào tới một đầu ra Có một vài cách để thực hiện mộtchuyển mạch không gian nhưng lựa chọn tốt nhất là sử dụng các SOA (các bộ khuyếchđại quang bán dẫn) Như hình 1.3 mô tả một chuyển mạch không gian.

Bé t¸chBé trénCæng SOA

Hình 1.3: Chuyển mạch dựa trên cổng SOA.

Chuyển mạch dựa trên cổng SOA NN như mô tả ở trên gồm N bộ tách 1N,N2 cổng SOA và N bộ trộn 1N Nếu tín hiệu được chuyển tới đầu ra j, cổng j ở trạngthái mở và các cổng khác ở trạng thái đóng Tất cả các cổng có cùng chỉ mục sẽ đượckết nối tới một bộ trộn

Một bộ định tuyến bước sóng có thể được cấu hình trước hoặc không Như hình1.4 mô tả bộ định tuyến bước sóng không cấu hình trước Mỗi tín hiệu từ đầu vào i vớibước sóng j luôn được truyền trực tiếp tới đầu ra k Một ví dụ của bộ định tuyến lạinày là AWGM Một AWGM gồm hai coupler sao và một AWG giữa chúng Couplersao tách các tín hiệu từ các cổng đầu vào và đưa tới tất cả các lưới ống dẫn sóng màcác lưới ống dẫn sóng này có độ dài khác nhau Độ trễ tín hiệu phụ thuộc vào độ dàicủa ống dẫn sóng và bước sóng Coupler sao thứ hai chỉ phối hợp theo cấu trúc các tínhiệu có pha khác nhau tại một cổng đầu ra đơn

Mặc dù một bộ định tuyến bước sóng không cấu hình trước không có thuộc tínhchuyển mạch thì vẫn được sử dụng rộng rãi trong các chuyển mạch gói quang địnhtuyến theo bước sóng Y tưởng chính để mọi gói được chuyển đổi đầu tiên thành mộtbước sóng chính xác và sau đó truyền trực tiếp tới AWGM Bởi vì AWGM chọn cổng racủa mỗi gói tuỳ thuộc cổng ra và bước sóng, mỗi gói sẽ được chuyển tới cổng ra đãđịnh.

1.2.1 Phân loại chuyển mạch quang

Chuyển mạch có thể được chia thành chuyển mạch điện và chuyển mạch quang.Các chuyển mạch điện có thiết bị phát triển hơn chuyển mạch quang và việc thực thichúng dễ dàng hơn Chuyển mạch quang lại được chia thành:

1.2.1.1 Kỹ thuật chuyển mạch kênh quang

Chuyển mạch kênh quang hoạt động theo kiểu định tuyến theo bước sóng Trongmạng chuyển mạch kênh quang, một đường dẫn bước sóng riêng được thiết lập trongkhoảng thời gian kết nối Để một mạng chuyển mạch kênh hoạt động, một kênh sẽđược ấn định từ đầu tới cuối cho một kết nối Kênh này sau đó chỉ được đăng ký phụcvụ cho một kết nối

AR 1

Giữ liệu người dùng

Tín hiệu chấp nhận cuộc gọi Trễ xử lý

Trễ đường truyềnYêu cầu cuộc gọi

Trong mạng chuyển mạch kênh trên đây yêu cầu nối giữa điểm A và B Một kênhđược thiết lập thông qua các node R1, R3, R4 và R5 Ta cũng có thể thành lập cáctuyến liên kết khác giữa A và B Giữa các node chuyển mạch có thể cho phép nhiềukênh được thiết lập

Chuyển mạch kênh gồm có 3 giai đoạn: Thiết lập kênh, truyền dữ liệu, và giảiphóng kênh.

liên kết trên đường dẫn được định hướng từ nguồn tới đích tương ứng của nó.

khiển được sử dụng trong giai đoạn định tuyến, một khoảng thời gian yêu cầugiữa giai đoạn thiết lập và giai đoạn truyền dẫn là T, có giá trị T=2p+delta (p làthời gian truyền một chiều), delta là tổng trễ xử lý do yêu cầu thiết thiết lập trênđường truyền) Dữ liệu trong chuyển mạch kênh không cần đệm ở các nodetrung gian do kênh chỉ sử dụng phục vụ cho việc truyền dữ liệu này tại thờiđiểm cụ thể

 Giải phóng kênh: Sau khi dữ liệu gửi đi tới đích, kênh truyền dẫn sẽ được giảiphóng Đích gửi về nguồn một bản tin xác nhận Các node trên đường truyềnlần lượt được giải phóng để phục vụ cho kết nối khác.

Hình 1.6 Tín hiệu trong chuyển mạch kênh.

1.2.1.2 Chuyển mạch gói quang

Chuyển mạch gói quang là công nghệ tiếp theo được lựa chọn phục vụ cho việctruyền tải dữ liệu qua WDM Hoạt động trong chuyển mạch gói: Các gói thông tinđược gửi đi trên tuyến thích hợp được lựa chọn bởi bộ định tuyến tại node khi gói đến.Trong chuyển mạch gói, mỗi gói có một tiêu đề tương ứng mang thông tin về gói cũng

như địa chỉ của gói, và mỗi node chuyển mạch trong mạng (các bộ định tuyến) sẽnhận thông tin này và gửi đi trên tuyến thích hợp

Hình vẽ 1.7 mô tả một mạng chuyển mạch gói Gói được gửi từ điểm C tới đíchD Một gói thông tin rời C và được gửi đi trên tuyến R1 tới R3, sau đó từ R3 gửi tớiR4 và tới D Tuy nhiên gói cũng có thể được truyền tới D theo hướng khác Nếu việctruyền dẫn từ R1 tới R3 chậm hoặc bị mất, gói từ R1 sẽ được gửi tới R2, từ R2 tới R5và cứ tiếp tục cho tới khi tới đích

Trong chuyển mạch gói, độ dài mỗi gói là Lp, có thể cố định hoặc thay đổi từ giátrị nhỏ nhất Smin tới giá trị lớn nhất S max Trường hợp gói có độ dài cố định, mộtbản tin kích thước Lb sẽ được chia thành các gói nhỏ hơn có kích thước giống nhau.

cần thiết đối với gói nhỏ hơn Smin

Một đặc điểm chính của chuyển mạch gói là lưu giữ và chuyển tiếp Tức là một

gói cần phải được tập hợp đầy đủ tại một node nguồn và mỗi node trung gian trước khinó được chuyển đi Đặc điểm này sẽ dẫn đến gói phải trải qua một khoảng thời giantrễ tương ứng với Lb tại mỗi node, khi đó cần phải có bộ đệm tại mỗi node trung giancủa mạng có kích thước nhỏ nhất là Smax.

Mặc dù vậy với công nghệ hiện tại chưa thể thực hiện chuyển mạch quang một

cách có hiệu quả do:

các gói tới tại các cổng đầu vào khác nhau phải được xếp hàng trước khi truynhập vào trường chuyển mạch Tuy nhiên để ứng dụng cho trường hợp khôngđồng bộ là rất khó và chi phí cao.

quang Đặc điểm chính của chuyển mạch gói là lưu đệm và chuyển tiếp Đặcđiểm này cần thiết để giải quyết vấn đề tranh chấp cổng đầu ra Tuy nhiên hiện

tại chưa có các bộ đệm truy nhập quang ngẫu nhiên cần thiết để thực hiện lưugiữ và chuyển tiếp.

định cấu hình cơ cấu chuyển mạch quang

1.2.1.3 Chuyển mạch burst quang

Khái niệm chuyển mạch quang xuất hiện từ đầu những năm 1980 Gần đây,chuyển mạch burst quang được nghiên cứu trở lại và được biết đến như một giải phápkế tiếp của chuyển mạch gói quang Thực chất chuyển mạch burst quang được xem xéttrong tầng quang đơn thuần như một môi trường truyền dẫn trong suốt không bộ đệmcho các ứng dụng Tuy nhiên không có một định nghĩa tổng quát cho chuyển mạchburst quang

Sự bùng nổ lưu lượng mạnh mẽ trong mạng Internet, sự phát triển nhanh chóng cáclớp lưu lượng là những vấn đề quan trọng cần phải được xử lý Để hỗ trợ cho việc sửdụng độ rộng băng có hiệu quả, phương pháp truyền tải toàn quang cho phép đệmquang trong khi vẫn xử lý sự bùng nổ lưu lượng, và hỗ trợ cho việc cung cấp tàinguyên nhanh và truyền dẫn không đồng bộ các gói có kích thước khác nhau cần phảiđược phát triển Chuyển mạch burst quang (OBS) như một giải pháp cho sự truyền tảilưu lượng trực tiếp qua mạng WDM quang mà không cần bộ đệm.

Chuyển mạch burst quang là phương pháp kết hợp cả hai kỹ thuật chuyển mạchkênh quang và chuyển mạch gói quang Nó được thiết kế đạt được cân bằng giữanhững ưu điểm của chuyển mạch kênh quang và nhược điểm của chuyển mạch góiquang

1.3 So sánh

1.3.1 Giữa chuyển mạch kênh và gói

Các mạng toàn quang hiện nay là các chuyển mạch kênh Các mạng chuyển mạchgói quang vẫn đang tiếp tục nghiên cứu và trên thế giới chuyển mạch kênh quang làlựa chọn thích hợp hơn chuyển mạch gói quang Nói cách khác, lưu lượng viễn thôngtrong tương lai vẫn còn tiếp tục bùng nổ Trong bất cứ trường hợp nào, thì lưu lượngdạng gói sẽ ở mức lựa chọn cao hơn Nếu tìm thấy một cách để thực hiện thương mạichuyển mạch gói quang, thì rõ ràng đó có thể là một kỹ thuật tốt hơn Tuy nhiên,chừng nào mà các thiết bị quang cũng như kỹ thuật chuyển mạch vẫn chưa đáp ứngđược yêu càu thì chuyển mạch kênh vẫn là lựa chọn số 1.

1.3.2 Giữa chuyển mạch gói và chuyển mạch burst

Ưu điểm của chuyển mạch gói là một gói bao gồm cả tiêu đề và tải gửi đi mà

không cần thiết lập kênh và chúng chia sẻ các bước sóng liên kết giữa các gói với cácnguồn và các đích khác nhau Tuy nhiên do cơ cấu lưu đệm và chuyển tiếp, mọi nodeđều phải xử lý tiêu đề của gói tới để xác định tuyến truyền của gói, vì vậy cần phải sửdụng bộ đệm tại các node.

Chuyển mạch burst quang không cần phải có bước sóng riêng cho mỗi kết nốiđầu cuối tới đầu cuối vì vậy ngay sau khi burst đi qua một tuyến liên kết thì bước sóngsẽ được giải phóng ngay Khác với chuyển mạch gói, chuyển mạch burst không nhấtthiết phải sử dụng các bộ đệm.

Chuyển mạch burst quang là chuyển mạch hứa hẹn nhiều triển vọng, nó sẽ thaythế các chuyển mạch hiện tại, và sẽ mang tính thương mại cao hơn chuyển mạch góiquang, nó tránh được hai vấn đề chính là: Tốc độ chuyển mạch cao và bộ đệm quang.Nghẽn cổ chai trong mạng chuyển mạch gói quang khi xử lý tiêu đề gói tin trongtrường chuyển mạch Bởi vì dữ liệu được móc nối vào nhau bên trong các phần tử lớnhơn trong các mạng chuyển mạch burst, có nhiều dữ liệu / tiêu đề hơn so với các mạngchuyển mạch gói Trước tiên, là đạt được tốc độ dữ liệu cao hơn với cùng một tốc độxử lý tiêu đề hơn nữa, không cần thiết phải triển khai các bộ đệm quang phức tạp Cácburst có thể được đệm trong miền điện tại cạnh của mạng thay cho bộ đệm tại mỗinode vì thời gian mao đầu đã được xử lý Các trường chuyển mạch có thể được triểnkhai mà không cần bộ đệm hoặc với một vài đường trễ để giải quyết xung đột Chuyểnmạch burst đã tránh được những vấn đề của chuyển mạch gói, và phù hợp cho yêu cầulưu lượng hiện nay Trong thời gian tới, chuyển mạch burst rõ ràng sẽ hấp dẫn hơnchuyển mạch gói quang, và trong cuộc đua đường dài chuyển mạch burst dường như làđối thủ mạnh nhất của chuyển mạch gói quang

CHƯƠNG II: CHUYỂN MẠCH GÓI QUANG

2.1 Giới thiệu chung

Mạng với các thiết bị quang hiện đang có triển vọng lớn trong việc cung cấp cácứng dụng đa phương tiện thời gian thực cao, vì nó có khả năng truyền dẫn ở tốc độ caohơn rất nhiều với độ tin cậy lớn hơn so với mạng điện thông thường Hiện nay, các liênkết quang đã thay thế cho cáp đồng trong rất nhiều mạng, tuy nhiên mạng quang theođúng nghĩa mới chỉ được bắt đầu phát triển, nó bao gồm truyền dẫn quang, chuyểnmạch quang và cả khả năng xử lí gói tin bằng công nghệ quang Dưới đây sẽ nghiêncứu một kĩ thuật mới, hiện chưa được triển khai trên thực tế, song lại là một giải phápcó rất nhiều ưu điểm, và có khả năng đáp ứng được các yêu cầu của mạng thế hệ mớivề mọi mặt, đó là "chuyển mạch gói quang" Chuyển mạch gói quang là kĩ thuậtchuyển mạch gói được thực hiện bởi hoàn toàn công nghệ quang thông qua các thiết bịquang Mạng chuyển mạch gói quang hoàn toàn có khả năng truyền tải mọi loại thôngtin, từ tốc độ bit thấp như thoại cho tới tốc độ bit cao là video rõ nét, và có thể đáp ứngcác yêu cầu khác nhau của mỗi loại dịch vụ có về tốc độ bit, đặc tính, kiểu tốc độ (cốđịnh hay thay đổi), độ chính xác thông tin (như độ mất gói và tỉ lệ lỗi bit) và đảm bảothời gian (độ trễ và jitter).

Chuyển mạch gói quang có thể đáp ứng mọi yêu cầu và ta có thể phân loại cácyêu cầu thông tin của chuyển mạch đó là:

 Khả năng quản lí các loại tốc độ thông tin khác nhau.

 Có hiệu năng cao về độ trễ, khả năng thông qua và tỉ lệ lỗi bit (BER)

Hiện nay mạng chuyển mạch gói quang vẫn chưa hoàn toàn quang, các tín hiệuđều cần chuyển đổi trở lại dạng điện trước khi chuyển mạch và xử lí Như vậy, các ưuđiểm lớn của thông tin quang như tốc độ và hiệu quả vẫn chưa được phát huy cao dođộ trễ vẫn lớn Mạng chuyển mạch gói quang có thể chưa được áp dụng vào cuộc sốngtrong một vài năm tới do giới hạn về công nghệ quang Tuy nhiên với sự phát triểnnhanh chóng và rất nhiều các mô hình nghiên cứu chuyển mạch gói quang, mạng viễnthông sẽ có thể áp dụng công nghệ này vào thực tiễn để đáp ứng được đòi hỏi ngàycàng cao của các dịch vụ người dùng

2.2 Vai trò của mạng chuyển mạch gói quang

Sự phát triển của các dịch vụ hiện có và các dịch vụ mới băng thông cao đã làmcho lưu lượng viễn thông không ngừng tăng nhanh, và từ đó băng thông yêu cầu cũng

Chuyển mạch gói quang

Tầngtruyền dẫn quang

TẦNG CHUYỂN MẠCH ĐIỆN

Truy nhậpTruy nhập

Tầng gói quangOPS

Xen rẽ ATM điện

Hình 2.1: Mô hình mạng phân tầng tham chiếu

tăng lên ngày càng lớn Bước đầu để đáp ứng băng thông là sự triển khai hệ thốngtruyền dẫn WDM Và bước tiếp theo, mạng thế hệ mới cần phải tận dụng được kĩ thuậtWDM bằng cách thực hiện các chức năng quang trong điều khiển và quản lí các tínhiệu hàng megabit, như thế sẽ làm giảm sự phức tạp trong hệ thống điện và giảm giáthành.

Sự nâng cấp mạng từ điện sang quang làm phát sinh vấn đề nghẽn cổ chai về khảnăng thông qua Vấn đề này đã thấy được trên mạng đường trục kết nối chéo quang, vàngười ta cần sử dụng tầng chuyển mạch gói quang giữa tầng chuyển mạch điện và tầngtruyền dẫn Như vậy tầng chuyển mạch gói quang sẽ kết nối, lấp khe trống giữa tầngđiện đang tồn tại và các kênh quang ở đường trục, đồng thời cho phép chuyển mạchgói nhanh các kết nối đổi tần ở tốc độ cao hơn nhiều so với tầng điện mà không ảnhhưởng trực tiếp lên kết nối chéo Ta có mô hình phân tầng tham khảo như hình 2.1.

Các xu hướng phát triển của các mạng viễn thông chủ yếu phụ thuộc vào nhữngyêu cầu của các dịch vụ tương lai Qua thực tế người ta dự đoán môi trường mạng sẽbiến đổi hoàn toàn theo những xu hướng chủ đạo là:

 Lưu lượng internet trong đó thông tin dữ liệu chiếm ưu thế.

băng thông cũng như số lượng kênh bước sóng và tốc độ bít trên một kênh.

Các nghiên cứu cho thấy mạng chuyển mạch gói là mạng chủ đạo trong tương laivà có thể đáp ứng được các yêu cầu dịch vụ, một trong số đó có mạng chuyển mạchgói quang Mạng chuyển mạch gói quang đã được nghiên cứu cách đây khoảng chụcnăm Từ đó đến nay có rất nhiều thay đổi, các thiết bị đã được cải thiện cũng như đặctính lưu lượng có nhiều biến đổi Có rất nhiều vấn đề chưa được giải quyết, song côngnghệ quang đã bắt đầu có những dấu hiệu trưởng thành Mạng quang có thể được trảirộng từ mạng đường trục với khoảng cách lớn tới mạng truy cập, và mạng đã càngngày càng phức tạp hơn, hiệu quả hơn và độ tin cậy cao hơn trước đây Chuyển mạchgói quang có thể vẫn chỉ trong phòng thí nghiệm nhiều năm nữa, song với công nghệphát triển ngày càng cao để đáp ứng cho các phương thức chuyển mạch hiện có nhưchuyển mạch kênh quang, sẽ tạo bước xúc tiến cho mạng chuyển mạch gói quang rađời.

2.3 Đặc tính lưu lượng của chuyển mạch gói quang

2.3.1 Đặc tính lưu lượng của chuyển mạch không có chức năng tách - ghép

2.3.1.1 Mạng và kiến trúc chuyển mạch của hệ thống WDM

Mạng gói quang WDM xác định ở đây được chỉ ra trong hình 2.2.

M¹ng con

M¹ng con

M¹ng con M¹ng con

ChuyÓn m¹ch gãi cña hÖ thèng WDM

Hình 2.2 : Chuyển mạch gói của hệ thống WDM

Chuyển mạch gói quang chuyển dữ liệu giữa các mạng con như MAN, LAN Mạng giống với một mạng sao và N bước sóng khác nhau, l1 lN-1,lN trên một sợivà các bước sóng này được sử dụng để mang lưu lượng mạng.

Kiến trúc chuyển mạch ATMOS và KEOPS với các cổng đầu vào kênh đơn đượcmô tả Ơ đây, thực hiện chung của một node chuyển mạch gói WDM được xác địnhnhư trong hình 2.3

Tách bước sóngĐổi bước sóng khả chỉnhĐệm B vị trí

Hình 2.3: Khối chuyển mạch gói quang WDM.

định l1, l2,…, lN và bộ chuyển đổi bước sóng quang khả chỉnh (TOWC's) sẽđánh địa chỉ các gói theo không gian trống trong bộ đệm đầu ra đường dây trễ. Khối chuyển mạch không gian không nghẽn (nonblocking) có chức năng

chuyển gói tới đầu ra yêu cầu cũng như đệm đầu ra đường dây trễ thích hợp.

mạch là N M x M (NB+1) , trong đó B là số vị trí gói trong bộ đệm, N là sốbước sóng, M là số đầu vào và đầu ra, B/N là số lượng đường dây trễ Các kếtnối cuối B/N +1 từ chuyển mạch không gian qua bộ đệm tới đầu ra là một đoạncáp có chiều dài rất nhỏ Đặt B/N+1 =  để nhấn mạnh rằng với số đườngđường dây trễ cho trước, thì số vị trí gói B là bội số của N hay  là số nguyên Kiến trúc này không thể hiện giao diện quang/điện đặt ngay sau bộ tách kênh ởđầu vào của chuyển mạch Giao diện này được dùng để tách tiêu đề mỗi gói tìm đầu ra,sau đó xác định vị trí hay trạng thái hàng đợi để điều khiển bộ chuyển đổi bước sóngcũng như trạng thái cổng ở chuyển mạch không gian

2.3.1.2 ảnh hưởng của các bộ chuyển đổi bước sóng khả chỉnh

1 Lưu lượng kiểu ngẫu nhiên

Bộ biến đổi bước sóng khả chỉnh TOWC (Tunable Optical WavelengthConverter) làm giảm rõ rệt số lượng đường dây trễ vì TOWC cho phép lưu chuyểnnhiều gói quang ở nhiều bước sóng khác nhau trên cùng một đường dây trễ Mặc dù sửdụng TOWC có thể làm đảo lộn thứ tự gói, song ta có thể bỏ qua vì ảnh hưởng lên độ

Không chuyển đổi bước sóng

Có chuyển đổi bước sóng

Gói 1:Gói 2:

Gói 1:Gói 2:

Hình 2.4: Xử lí đệm khi có và không có chuyển đổi bước sóng

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

Tải trên mỗi kênhKhông đổi bước sóng

Có đổi bước sóngN = 2

Hình 2.6: Số đường dây trễ yêu cầu.

cần đặt N=1 Khi có bộ biến đổi, xác suất mất gói PLR được cải thiện khi số lượngbước sóng tăng tức là khi N tăng, tổng số lượng kênh đầu vào và đầu ra cũng tăng dođó dung lượng chuyển mạch không gian tăng làm giảm tỉ lệ mất gói tin Mặc dù sốkênh đầu vào tăng, nhưng mỗi đầu ra có thể nhận cùng tỉ lệ tải tin  độc lập với N, vàdo đó với cùng một tỉ lệ mất gói PLR mà độ sâu bộ đệm không đổi Mặt khác nếu B/Ncố định, thì độ sâu bộ đệm sẽ tăng theo N Do vậy, xác suất mất gói giảm với số kênh

-10, N=4/ 8 nếu có bộ chuyển đổi thì cần số đường dây trễ là 12/6, trong khi đó nếukhông có bộ chuyển đổi thì cần số đường dây trễ là 48.

2 Lưu lượng biến đổi đột ngột

Mô hình tính toán cho lưu lượng biến đổi đột ngột đã được thực hiện và xácnhận Các tính toán cơ bản khi áp dụng trên đơn kênh, đã chỉ ra rằng tải chấp nhậnđược thấp hơn nhiều khi so sánh với lưu lượng ngẫu nhiên Tuy nhiên, với hệ thốngWDM thì vấn đề này cũng được giản quyết như trường hợp tải ngẫu nhiên.

Hình 2.6 (a) mô tả số lượng đường dây trễ giảm nhờ có TOWC's trong chuyểnmạch gói WDM với tỉ lệ mất gói tin PLR = 10-10

Ta thấy rất rõ số lượng đường dây trễ giảm khi số bước sóng tăng lên Một điểmquan trọng khác là cấu hình chuyển mạch không gian gần như không đổi, được minh

N+1) đối với tải tin, trong điều kiện chuyển

Hình 2.7 : Đồ thị tải kênh lớn nhất với số burstiness.

mạch 4 x 4 ứng với số kênh bước sóng là 1, 2 & 4 Do đó, khả năng thông qua đượctăng khi tăng số kênh bước sóng mà không cần tăng số cổng

Gọi burstness là số gói thành công trung bình từ nguồn lưu lượng Nếu burstnesstăng thì số đường dây trễ cũng cần tăng Nếu giữ số đường dây trễ không đổi thì tỉ lệtải có thể giảm khi burstness tăng Đối với chuyển mạch 4 x 4, số đường dây trễkhông đổi bằng 7, hình 2.7 chỉ ra vai trò quan trọng của TOWC khi tốc độ kênh là10Gb/s

Nếu không có TOWC, thì tỉ lệ tải trên mỗi kênh là hàm số của burstness, khảnăng thông qua (N.M.) là 160 Mb/s, M là số lượng đầu vào/đầu ra Nếu có TOWC,khi bustness tăng thì tỉ lệ tải lớn hơn nhiều, khả năng thông qua lên tới 60 Gb/s

2.3.2 Đặc tính lưu lượng của chuyển mạch với chức năng tách ghép

Như mô tả trong hình 3.8, các node chuyển mạch gói tách ghép được sử dụng từcấu trúc của node mạng con hoặc phân chia thì nhận được các mạng khác nhau ví dụMAN, WAN Kiến trúc chuyển mạch gói cũng được chuyển đổi trực tiếp thành chuyểnmạch tách ghép bằng cách dành ghép một số đầu vào và tách ở phía đầu ra Tuy nhiên,có vài điểm khác nhau trong kiến trúc xuất hiện như trình bày dưới đây.

Ví dụ một mạng sử dụng chuyển mạch tách ghép là Shufflenetwork như chỉ trong hình 2.8.

Kiểu kết nối theo hình trụ của Shufflenetworks nhận được sự phối hợp địa chỉtheo cách thông thường, cho phép khả năng tự định tuyến và lựa chọn định tuyến trảlời từ tắc nghẽn và lỗi mạng Hơn nữa, vấn đề quan trọng của đặc tính lưu lượng sẽtrình bày ở sau Các mạng đó đảm bảo số lượng nhỏ các hop giữa các node thu vàphát.

Trước khi truyền sự mô tả, phân tích rất quan trọng để xác định mạng và kích cỡchuyển mạch ưa thích Mạng nội hạt và mạng trung tâm ít khi có hơn 250 node Thamkhảo mạng RAINBOW II , nó như một WDM MAN, gồm 32 node hoạt động tại800Mb/s trong khi mạng STARNET (như LAN) hỗ trợ tới gần 200 node, có tốc độ1Gb/s hoặc 80 node tại tốc độ 2,5 Gb/s Thông qua các ví dụ đó chúng chỉ ra kích cỡmạng ưa dùng.

Liên quan tới kích cỡ của các chuyển mạch gói tách ghép quang, kích cỡ quantrọng do nó được giữ ở mức độ tương đối thấp, tức là 22 (M = 2), 44 (M = 4), 88(M = 8), để đảm bảo như là số bước sóng yêu cầu được hoạt động và cũng chắc chắnmức độ phức tạp của thực thể mạng thấp.

Một kiến trỳc chung của chuyển mạch gúi tỏch ghộp quang như hỡnh 2.9.

Bộ đệm điệnM sợi

Hỡnh 2.9: Chuyển mạch tỏch ghộp gúi quang.

Tại mỗi M đầu vào cỏc gúi đến từ cỏc node mạng khỏc nhau trong khi cỏc đầu vàocũn lại Nadd để sử dụng cho lưu lượng nội hạt Tại cỏc bộ ghộp kờnh đầu vào mạng sẽ lựachọn cỏc gúi đến tại N bước súng, l1 lN-1,lN trong khi đú Nadd cỏc kờnh mang cỏc gúiđược ghộp lưu lượng nội hạt Tiếp theo, cỏc bộ chuyển bước súng khả chỉnh được sửdụng để đỏnh điạ chỉ khụng gian trống trong cỏc bộ đệm đầu ra đường trễ sợi Mộtchuyển mạch khụng gian được sử dụng để truy cập cỏc đường trễ sợi quang và để địnhtuyến cỏc gúi tới cỏc đầu ra thớch hợp Một gúi phải bị tỏch ra để định tuyến tới đầu ratỏch sau đú thực hiện chuyển đổi quang thành điện và bộ đệm điện (cỏc đầu ra khỏcđược tham chiếu như cỏc đầu ra của mạng) Chỳ ý rằng trong nguyờn lý bộ đệm tại đầura tỏch cú thể là quang và được thực hiện như một bộ đệm WDM.

2.3.2.1 Lưu lượng của mạng chuyển mạch gúi tỏch- ghộp WDM

Để cú được sự nhận dạng cỏc kiến trỳc chỳng ta cần tiếp tục phỏt triển một kiểulưu lượng để tớnh toỏn cho cỏc bộ chuyển đổi bước súng, WDM và quan trọng là sốcỏc hop giữa cỏc node.

Sự phõn tớch kiểu lưu lượng được dựa trờn kiểu chuyển mạch gúi WDM Phảichỉ ra được những gỡ đó xem xột trong Shufflenetworks, kiểu ứng dụng với bất cứmạng gúi tỏch ghộp nào cung cấp theo giả thuyết :

 Tất cả cỏc đầu vào phỏt ra tải trọng lưu lượng như nhau add và lưu lượng thừanhận được phõn phối một cỏch ngẫu nhiờn

nhau và mang đi tải trọng add trung bỡnh giống nhau.

 Mỗi gói được phát có xác xuất tới đích giống nhau cho bất kỳ node nào trongmạng chẳng hạn 1/ (Nnodes – 1) nếu số node trong mạng là Nnodes.

Nếu giả sử lưu lượng được phân phối một cách ngẫu nhiên Vẫn còn lưu lượngburstiness trong lớp gói quang khi so sánh với lớp chuyển mạch ATM bằng điệnthường thấp vì vậy giải thích cho giả định Với liên quan tới giả thuyết thứ hai, chỉ rasự phối hợp định tuyến thích ứng đơn giản cho điều khiển tắc nghẽn ở mạng sóng ánhsáng đa hop Shufflenet mà ở đó giả sử đúng nếu thuật toán định tuyến thích ứng đượcthực hiện với Shufflenetwork.

Luồng lưu lượng ra chẳng hạn của bộ đệm tách điện được biểu thị bởi add và dođó giá trị lưu lượng khởi tạo được đưa đến đích như chỉ trên hình 3.10 Với add cónghĩa là tải trọng trên đầu vào ghép, toàn bộ gói mất trên mạng sẽ là 1−

ρdropNadd⋅ρadd ,vì vậy nhiệm vụ để từ kết quả drop thu được giá trị của add

Thông lượng của các hàng đợi mạng (tất cả các hàng đợi khác nhiều hơn hàng đợitách) là N - ol với ol là số trung bình của số bước sóng được sử dụng Với giả định ở

trên , tải trọng trung bình của mỗi kênh đầu vào N.M là (N - ol)/ N Tải trọng nàycũng là tải trọng của mỗi kênh tại các đầu vào mạng của chuyển mạch net (xem hình

2.10), khi giả định tải trọng trên mỗi kênh trong mạng bằng nhau.

O/EChuyển mạch

l1 lN

l1 lN l1 lN

M

M

l1 lN l1 lN

l1 lN l1 lN

T¶i trªn kªnh: add

T¶i ®uîc t¸ch ra: drop

được ứng dụng cho hàng đợi đầu ra WDM quang, việc xử lý gói đến tới mỗi hàng đợimạng phải được tìm thấy Có hai điều kiện:

 các gói từ Nadd kênh khởi nguồn từ các đầu vào ghép.

Nếu số trung bình các hop giữa các node là E sau đó xác xuất của một gói từ đầuvào mạng tới các đầu ra là 1−

xuất bằng nhau Bằng cách ấy, xác xuất cnet,j của j gói đến:

i=0N M

j cnet, j=N ρnet.(1−1

E) (1)

Biểu thức cuối cùng là số trung bình của các gói đến Như thế, các gói đến từ cácđầu vào ghép Nadd tới hàng đợi đầu ra mạng có tải trọng là add /M và xác xuất cadd,i củai gói đến từ các đầu vào đó là:

i cadd, i=Nadd.ρadd

M (2).Phối hợp với biểu thức ở trên, xác xuất cl của tổng số l gói đến :

Số gói đến hàng đợi tách thì giống với mô tả trong nối chéo toàn quang cho mạngtruyền tải quang đa bước sóng dung lượng cao, chỉ khác xác xuất

bởi 1

E vì vậy xác xuất cdrop,p của p gói tách là:

2.3.2.2 Thuật toán định tuyến và kiểu kiểm tra

Sự chính xác của kiểu phân tích thì đã được kiểm tra với hai kích cỡ khác nhaucủa Shufflenetwork Tuy nhiên, trước khi mô tả kết quả cần giải thích về thuật toánđịnh tuyến sử dụng Thuật toán định tuyến phải kết nối các node mà tài nguyên mạngđược tận dụng tốt nhất và trễ đầu cuối là nhỏ nhất Để giữ trễ thấp nhất chỉ có cách sửdụng kênh ngắn nhất tức là các kênh mà sử dụng số lượng các hop ít nhất Cũng cầnchú ý trong một vài trường hợp sử dụng các kênh lớn hơn có thể cải thiện được đặctính lưu lượng.

Trong các kiểu mô phỏng, hai thuật toán định tuyến được xem xét Thuật toánhữu dụng nhất là thuật toán có nhiều hơn một đường ngắn nhất giữa hai node Thuậttoán đầu tiên chọn các đường một cách đều đặn Thuật toán thứ hai rắc rối hơn và liênquan chặt chẽ với định toán thích ứng đơn giản để điều khiển tắc nghẽn trong mạngsóng ánh sáng đa hop Shufflenet Dựa vào tình hình lưu lượng truyền , các gói đượcđịnh tuyến dọc theo đường nơi có trễ hàng đợi lớn nhất trên một node thuộc về đườngngắn nhất (xem hình 3.11) Phương pháp này giống với thuật toán định tuyến lớn nhất– nhỏ nhất.

Đuờng thứ nhấtTrễ tổng = 3+2++6=11Trễ lớn nhất trong

một node = 6

Đừơng thứ hai = 4+4+5=13Trễ lớn nhất trong

một node = 5

3 gói trong hàng đợi

2 gói trong hàng đợi

6 gói trong hàng đợi

4 gói trong hàng đợi

4 gói trong hàng đợi

5 gói trong hàng đợi

Chuyển mạch tách ghép

hỡnh 2.11 : Thuật toỏn định tuyến lớn nhỏ

Trong mụ phỏng đầu tiờn chỉ thuật toỏn định tuyến tiờn tiến được sử dụng Kếtquả được thể hiện trong hỡnh 2.12(a), mà đem lại PLR ngược với tải trọng cung cấp,

bước súng trờn sợi N= 1 và ở đú một kờnh được ghộp vào node, Nadd = 1 Gúi mất trờntoàn mạng cũng như trờn hàng đợi mạng cho một chuyển mạch đơn tầng thỡ cựng đượcxem xột.

Chỳ ý với kớch cỡ bộ đệm trong hàng đợi mạng là ba gúi trong khi bộ đệm điệnvới hàng đợi tỏch cú thể lưu giữ 128 gúi Kớch cỡ bộ đệm này được chọn bởi vỡ mộthàng đợi tỏch lớn hơn 100 đảm bảo xỏc xuất mất gúi dưới 10-10 với tải trọng tỏch là0,9 Để kiểm tra kiểu mụ phỏng trong mạng lớn hơn và so sỏnh với cỏc thuật toỏnđịnh tuyến Hỡnh 2.12 (b) chỉ ra kết quả cho Shufflenet 24 node với cả hai ưu điểm vàsự phối hợp định tuyến lần lượt

Node mÊt nhu m« pháng

T¶i ®uîc cung cÊp

Node mÊt nhu m« pháng

T¶i ®uîc cung cÊp

X¸c xuÊt mÊt gãi

T¶i ®uîc cung cÊp

Hình 2.12: Xác xuất mất gói trong các hàng đợi mạng.

Để kết thúc sự mô phỏng bằng việc mô tả khái niệm đặc tính lưu lượng của cácmạng chuyển mạch tách ghép gói và được sử dụng dưới sự phân tích các tiêu điểm củaWDM với việc sử dụng các bộ chuyển đổi bước sóng khả chỉnh Với sự phân tích nàyba sự kiện cơ bản cho các kiến trúc chuyển mạch gói tách ghép 22 với hai kênh bướcsóng trên sợi được mô tả như hình 2.13

O/EChuyển

mạch không gian

l1, l2 l1, l2

mạch không

mạch không

2.4 Bộ đệm trong chuyển mạch gói quang

2.4.1 Các kỹ thuật đệm

Trước khi xem xét các kiến trúc chuyển mạch với các cách đệm khác nhau, cần xemxét các phương pháp xác định hiệu năng quang, vì đây là một công việc rất quan trọng đểxác định mô hình chuyển mạch với kiểu đệm nào có khả năng ứng dụng trong thực tế

Tham số tỉ lệ lỗi bit BER (Bit Error Rate) là một trong các tham số hiệu năng rấtquan trọng, không những trong hệ thống chuyển mạch mà còn trong rất nhiều các hệthống khác như các hệ thống truyền dẫn BER của mỗi cấu hình được xác định bằngviệc phân tích các mô hình và được định lượng nhờ máy tính Nhiễu và xuyên âm đềuđược lấy mẫu, nhiễu giao thoa có thể bỏ qua (vì nhỏ hơn 60 dB so với tín hiệu) Hệ sốtăng ích của mỗi kiến trúc chuyển mạch đều được chỉnh bằng 0, và sử dụng một haymột số tầng khuyếch đại thêm bên ngoài để thuận tiện tính toán

Giả thuyết rằng suy hao trên đường dây trễ có thể bỏ qua Để chứng minh giảthuyết hãy giả sử thiết kế đệm được 250 gói tin hoạt động ở tốc độ 10 Gb/s Nếu tế bàoATM được đệm thì bộ đệm phải lưu 53x8x250 = 106.000 bit Vì mỗi bit kéo dài 0,1 nsnên độ trễ là 10,6 s, như vậy độ dài đường dây trễ là 2,12 km Với suy hao quangthông thường thì mỗi đường dây trễ như vậy sẽ không ảnh hưởng tới mô hình, do đósuy hao trên đương dây trễ có thể bỏ qua Ngoài ra cũng có thể bỏ qua sự thay đổi độdài đường dưới tác động nhiệt độ, vì mỗi đường dây trễ đều có bộ ổn định nhiệt.

đường truyền và BER hợp lí ở liên kết đầu cuối Trong chuyển mạch điện, BER cũngđạt được gần như bằng không, nên các công nghệ quang mới nhất cũng phải đáp ứngđược chỉ tiêu hiệu năng này

Các bộ khuyếch đại quang bán dẫn (SOA's) được sử dụng để chuyển mạch vàkhuyếch đại, phát sinh thêm nhiễu cộng tự phát, điều này rất bất lợi và cũng được xéttrong mô hình tính toán Nguồn nhiễu này đã làm giới hạn kích thước mỗi chuyểnmạch và số lượng chuyển mạch có thể ghép tầng Ngoài ra, các thiết bị như bộ kết hợpvà AWG (sử dụng để định tuyến theo bước sóng) cũng sinh ra nhiễu xuyên kênh nênlàm suy giảm tín hiệu, và trong trường hợp xấu nhất là trùng với bước sóng và trạngthái phân cực của tín hiệu Nói chung, mọi tính toán đều dựa trên một số giả thiết sau:

làm việc.

 Tín hiệu đầu vào tới SOA nằm ở tần số trung tâm của băng tần bộ khuyếch đại.

 Thành phần điều hoà thứ hai trong SOA có thể bỏ qua khi lấy đạo hàm.

khuyếch đại bão hoà do tín hiệu vì tín hiệu lớn hơn nhiễu rất nhiều.

được trong thực tế.

cộng, nhưng chúng lại cải thiện dạng tín hiệu nhờ hiệu ứng truyền đạt phi tuyến.

khi tín hiệu tới đầu ra chính xác, và 37 dB (2dB +35dB) khi tín hiệu bị sai đầura AWG gây nhiễu xuyên kênh nhỏ hơn 35 dB so với tín hiệu.

 Laser hoạt động với tần số ổn định.

 Sợi dịch tán sắc được sử dụng làm đường dây trễ để tránh ảnh hưởng tán sắc. Tỉ lệ suy hao đầu vào là 20 dB.

10log10n+2dB (2 dB là hệ số quá nhiễu), do đó suy hao có mối quan hệ trực

tiếp với số lượng đầu vào và đầu ra.

2.4.1.1 Bộ đệm đầu ra

Cấu trúc đệm đầu ra gồm một trường chuyển mạch và một bộ đệm ở đầu ra củatrường chuyển mạch như hình 3.14 Trong một khe thời gian, các gói tới cùng một đầura đều được đưa vào bộ đệm đồng thời một cách thích hợp Nếu bộ đệm đã đầy thì cácgói đến tiếp theo sẽ bị loại và xảy ra mất gói Xác suất mất gói thường là từ 10-10 tới10-11 tuỳ thuộc từng loại ứng dụng.

Chuyển mạchkhông gian

Hình 2.14: Chuyển mạch gói đệm đầu ra

Nếu chọn kích thước bộ đệm tuỳ ý thì sẽ không có sự mất gói song ta đã khôngtính đến độ trễ gói cũng như hiệu năng chuyển mạch

Trễ gói xảy ra do tranh chấp khi có nhiều gói muốn tới cùng đầu ra ngay lập tức.Độ trễ được tính là độ trễ trung bình thống kê ở một bộ đệm Các phân tích, tính toánđộ trễ thường dựa trên kiểu lưu lượng Bernoulli hay lưu lượng đều, tức là các biến cốlà độc lập, có xác suất không đổi, đồng thời sự phân bố lưu lượng ở đầu ra là nhưnhau Cách phân tích này tuy có hạn chế vì lưu lượng trên thực tế là không đều, mangtính chất bùng nổ (có thời điểm rất lớn), song lại dễ phân tích và dễ so sánh tươngquan giữa các loại cấu hình đệm khác nhau, do đó ta chọn kiểu lưu lượng này để phântích.

2.4.1.2 Bộ đệm chia xẻ

Đây là một dạng của đệm đầu ra, song mọi bộ đệm trên từng đầu ra đều dùngchung một vùng RAM (bộ nhớ truy nhập ngẫu nhiên) Như vậy giới hạn khả năng đệmđược tính là tổng số gói trên toàn bộ đệm RAM Đây là phương thức phổ biến trongchuyển mạch ATM, thực hiện theo kiểu truy nhập bộ nhớ ngẫu nhiên điện Nó khôngcó khả năng thực hiện dạng bằng quang, vì không có bộ nhớ bằng quang tương đương,và do sự phức tạp của chuyển mạch Tuy nhiên, nhiều chuyển mạch gói quang có thểnói đã sử dụng bộ đệm chia xẻ khi cạnh tranh với bộ đệm đầu ra, các đường trễ đượcchia xẻ giữa các bộ đệm đầu ra.

Chuyển mạchkhông gian

Trễ mộtkhe thời gian

Hình 2.15: Chuyển mạch quay vòng STARLITE.

Chuyển mạch không gian

4 1 22 2 14 3 12 1 4

Hình 2.16: Chuyển mạch đệm đầu vào, có HoL

Trên đây là bốn kiểu đệm chính trong kĩ thuật chuyển mạch, tuy trong thực tế cácthiết kế thường kết hợp các kiểu đệm này với nhau, có thể là đệm đầu vào kết hợp vớiđệm đầu ra.

2.4.2 Chuyển mạch đơn tầng2.4.2.1 OASIS

Hai loại OASIS sẽ được xét về hiệu năng, khả năng modul và khả năng mở rộngmà một loại có coupler thụ động liên kết với bộ lọc để cung cấp chức năng định tuyến,loại thứ hai sử dụng thiết bị AWG để giảm suy hao

OASIS là mô phỏng của đệm đầu ra, độ đệm gói hay số khe thời gian đệm giốngnhư đệm đầu ra, và được định hướng chính xác tới đầu ra Trước hết ta sẽ mô phỏng

tóm tắt đệm đầu ra, sau đó sẽ mô tả về chuyển mạch OASIS

Mô phỏng đệm đầu ra

Chuyển mạch được cấu hình để mỗi gói đầu vào có thể trễ từ 0 tới b khe thời gian blà độ sâu của mỗi bộ đệm đầu ra Tại một thời điểm, nếu không có tranh chấp đầu ra, gói sẽđược chuyển tới đầu ra yêu cầu ngay lập tức Để mô phỏng ta dùng N bộ đếm (N là sốlượng đầu vào và đầu ra), mỗi bộ đếm liên kết với 1 đầu ra của chuyển mạch để tính toán độtrễ gói Mỗi bộ đếm sẽ điều khiển một số gói trong bộ đệm đầu ra ảo có nguyên tắc truynhập "vào trước ra trước" FIFO (First In First out), giá trị bộ đếm giảm một khi một gói tinra khỏi và tăng một khi có một gói tin tới Mỗi gói tin sẽ được chuyển ra tại một khe thờigian mới trừ khi bộ đệm rỗng Nếu nhiều gói muốn tới cùng một đầu ra ở một khe thời gianthì chúng sẽ được đăng kí một độ trễ và được chuyển lần lượt tới bộ đệm

Tổng độ trễ tính bằng khe thời gian được thống kê là giá trị bộ đếm đầu ra Khibộ đếm hiện giá trị là b thì gói đến sẽ bị loại trước khi vào trường chuyển mạch vì xảyra hiện tượng quá tải Qua quá trình thử nghiệm trên thực tế, người ta thấy OASIS cócùng hiệu năng với chuyển mạch đệm đầu ra với độ sâu của bộ đệm b.

a) OASIS sử dụng coupler thụ động

Mô hình này được mô tả như hình 2.17

Coupler thụ động

Hình 2.17 : Chuyển mạch OASIS sử dụng coupler thụ động

Các bộ chuyển đổi bước sóng khả chỉnh (TWC's) sẽ mã hoá các gói tin đầu vàodưới một bước sóng thích hợp với bộ lọc ở đầu ra Mỗi gói tin sau đó đưa vào bộchuyển mạch quang (như một bộ tách kênh) 1 đầu vào và (b+1) đầu ra, để điều khiểngói tin tới một trong các đường đây trễ có độ dài 1, 2, … , b khe thời gian hoặc 0 (nếuchiều dài hiệu dụng bằng 0) Với thuật toán mô phỏng đệm đầu ra ở trên và độ trễ mỗigói đã biết, tín hiệu điều khiển của thiết bị có thể dễ dàng xác định được

Với các giả thiết trong phần tính hiệu năng quang ở trên, công suất quang suyhao của kiến trúc này có thể xác định, được thể hiện trên hình 2.18.

Giả thiết chiều sâu bộ đệm bằng số đầu vào và đầu ra, khi đó có thể đánh giá hiệunăng quang chính xác mà không quá phức tạp Do đó, nếu kích thước chuyển mạchtăng (số đầu vào và đầu ra tăng) thì độ sâu của bộ đệm cũng tăng, và tỉ lệ mất gói sẽgiảm Ngoài ra, tốc độ bit cũng ảnh hưởng tới hiệu năng vì nhiễu bộ khuyếch đạiquang bán dẫn SOA tăng nhanh với tốc độ bit Hiệu năng đã được tính toán ở tốc độ

-14 ở tốc độ 2,5 Gb/s hay 10 Gb/s, và suy hao công suất quá lớn (lớn hơn 2 dB) ở tốc độ10 Gb/s đối với chuyển mạch 8 8 Bộ khuyếch đại quang bán dẫn SOA được sử dụngnhư một thành phần của bộ tách kênh tích cực, hai bộ SOA có thể bù suy hao khi táchvà ghép kênh, nhưng nhiễu do nó sinh ra làm giảm hiệu năng quang của chuyển mạch

2,521,510,50

Số lượng đầu vào/ ra

4 8 12 16

Hình 2.19: Công suất suy hao của OASIS sử dụng AWG's

622 Mb/s2,5 Gb/s10 Gb/s

b) OASIS sử dụng AWG

Cấu hình này là sự thay đổi của của cấu hình trước, các coupler thụ động và bộlọc được thay thế bằng AWG để giảm suy hao Hoạt động giống như trên, chỉ khác làcác bộ chuyển đổi bước sóng khả chỉnh mã hóa bước sóng gói tin theo đầu ra yêu cầu,và nếu tương ứng với bước sóng hoạt động của đường dây trễ thì đều được truyền qua.Hình 2.19 trình bày về hiệu năng quang của mô hình này, BER có thể đạt tới 10-14 ởtốc độ bit 2,5 Gb/s với chuyển mạch 1616, và suy hao công suất đối với chuyểnmạch 8 8 ở tốc độ 10 Gb/s chỉ dưới 1,5 dB

Cả hai mô hình OASIS này đều không thể thực hiện ưu tiên gói vì các gói khi đãvào hàng đợi thì không thể hủy bất cứ một gói nào khi có độ ưu tiên cao hơn Hai kiếntrúc OASIS có cùng độ mất gói và độ trễ như chuyển mạch đệm đầu ra.

2.4.2.2 Chuyển mạch lựa chọn và quảng bá

Mô hình chuyển mạch lựa chọn và quảng bá được minh họa trên hình 2.20

Bộ chia thụ độngBộ kết hợp thụ động

Bộ lọc cố địnhCổng khuyếch đại Laser bán dẫn.

Bộ chuyển đổi bước sóng cố định

3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0

48 12 16

Số đầu vào/ ra

622 Mb/s2,5 Gb/s10 Gb/s

Hình 2.21 : Công suất suy hao chuyển mạch lựa chọn và quảng bá đơn tầng.Hình 2.20: Chuyển mạch lựa chọn và quảng bá.

Các bộ chuyển đổi bước sóng cố định sẽ mã hoá luồng gói tin ở đầu vào, do đócác gói trên mỗi đầu vào được xuất hiện dưới mỗi bước sóng riêng biệt Các luồng nàysau đó được kết hợp và phân tán tới các đường dây trễ Với phương thức chuyển mạchSOA và bộ kết hợp thụ động, mỗi đầu ra sẽ chọn một tín hiệu từ một đường dây trễ.Do đó, ở mỗi đầu ra sẽ sử dụng một loạt bộ lọc để chọn các gói tin chính xác từ đầuvào Cũng giống với chuyển mạch đệm đầu ra, nên chuyển mạch lựa chọn và quảng bácó cùng hiệu năng với chuyển mạch đệm đầu ra Hơn nữa, vì tất cả các gói đều quảngbá tới mọi đầu ra, với mọi độ trễ có thể, nên chuyển mạch này có thể hoạt động quảngbá gói tin, và thực hiện ưu tiên gói Hình 3.21 chỉ ra mức suy hao công suất ứng vớikích thước chuyển mạch khác nhau, ở tốc độ 622 Gb/s; 2,5 Gb/s và 10 Gb/s ở mô hìnhnày, có thể sử dụng hai bộ khuyếch đại SOA và một EDFA ở đầu ra để bù lại suy hao

FFPFCổng SOA

Chuyển đổi bước sóng khả chỉnhBộ lọc DBF khả chỉnhSợi trễ một khe thời gian

FFPF (Fiber Febry Perot Filter): bộ lọc sợi Fabry Perot.

Hình 2.22: Chuyển mạch vòng đa bước sóng.

Với các giả thiết trong phần tính hiệu năng quang, coi bộ lọc khả chỉnh có hệ sốtăng ích 21 tới 25 dB, và hệ số nhiễu là 6 dB Hình 2.23 trình bày về công suất suyhao không tăng nhanh quá với số vòng lặp ở tốc độ 2,5 Gb/s và 10 Gb/s

Số lần quay vòng

2,5 Gb/s10 Gb/s

Hình 2.23: Công suất suy hao của chuyển mạch đệm vòng đa bước sóng.

Chuyển mạch này cũng là mô phỏng của đệm đầu ra, nên có xác suất mất tế bàovà độ trễ trên đường dây trễ như chuyển mạch đệm đầu ra với độ sâu bộ đệm bằng vớisố lần quay vòng lớn nhất Mô hình này cũng có thể thực hiện ưu tiên gói.

2.4.2.4 Chuyển mạch gói quang dùng chung bộ nhớ

SMOP (Share Memory Optical Packet switching) gồm chuyển mạch đệm quayvòng với độ dài đường dây trễ là 1, 2, 3, …, m, và chuyển mạch không gian trung tâm(N + m)(N + m) thường được thiết kế hình cây, sao cho nhiễu và xuyên âm nhỏ Cácđường dây trễ có chiều dài lớn hơn một nên giảm được số vòng hồi tiếp và số bộkhuyếch đại, đồng thời giảm kích thước chuyển mạch không gian

Khi nhiều tế bào tới chuyển mạch không gian cùng định hướng tới một đầu ra,thì tất cả trừ một gói đều chuyển tới các đường dây trễ vòng Thuật toán điều khiểndựa trên mô phỏng đệm đầu ra, và xử lí trên mỗi khe thời gian như sau:

 Các gói tới từ đường dây trễ tới đầu ra đều đã được định tuyến.

 Bất kỳ gói nào tới đầu vào của SMOP mà có thể đi trực tiếp tới đầu ra, đều đi theomột tuyến nhất định, trừ khi quy tắc hàng đợi "vào trước ra trước" FIFO bị vi phạm.

được lập lịch chỉ sau đúng một lần quay vòng, sau đó ra khỏi trường chuyểnmạch Quyền ưu tiên sẽ thuộc về gói có độ trễ còn lại nhỏ nhất.

 Tất cả các gói tin còn lại trên đường dây trễ cố gắng tránh trường hợp có nhiềugói tới cùng một đầu ra sau một lần lặp.

Nói chung các gói được lưu đệm theo nguyên tắc hàng đợi FIFO và dựa trên kếtquả mô phỏng, cho thấy số lần quay vòng cho phép lớn nhất là 10 Kiến trúc chuyểnmạch này cho phép ưu tiên gói, vì những gói có độ ưu tiên thấp hơn có thể bị trễ nhiềuhơn sau lần quay vòng khác Xác suất mất gói gần với chuyển mạch chia sẻ bộ nhớ.

phỏng, mỗi SOA đều được sử dụng ở đầu ra và trên mạch vòng để bù lại suy hao,

0 5 10 20 40 800,4

Số lần quay vòng

0 5 10 20 40 804

Số lần quay vòng

10 Gb/s622 Mb/s

0 5 10 20 40 802,5

Số lần quay vòng

4 I/Os8 I/Os16 I/Os2,5 Gb/s

Hình 2.24: Công suất suy hao của SMOP.

thông thường N =M Hình 3.24 trình bày về công suất suy hao tỉ lệ với số lần lặp vòngứng với tốc độ 2,5 Gb/s và 10 Gb/s.

Ta thấy trong tất cả các kiến trúc chuyển mạch đơn tầng, SMOP cho suy haocông suất thấp nhất vì kiến trúc chuyển mạng hình cây rất thông minh và xuyên âmnhỏ Với OASIS, do sử dụng AWG nên cũng cải thiện được hiệu năng do giảm đượcsuy hao Tất cả các kiến trúc chuyển mạch này đều có hiệu năng trễ và mất gói nhưchuyển mạch đệm đầu ra trừ SMOP Ngoài ra, chỉ OASIS là không thể có chế độ ưutiên gói vì nó không thực hiện được quay vòng cũng như quảng bá gói tin tới tất cảđường dây trễ chuyển tiếp

Đó là các kiểu đệm gói tin trong chuyển mạch đơn tầng, sau đây ta xét chuyểnmạch đa tầng Kiến trúc chuyển mạch đa tầng sử dụng đệm bằng nhiều tầng đường dâytrễ Wave_Mux sử dụng phần lớn là đệm điện, còn đệm quang chỉ theo lịch trình để dễdàng dễ chuyển mạch Chủ yếu chuyển mạch đa tầng là là sự mở rộng ghép nối củacác phần tử chuyển mạch 2 x2.

Chuyển mạch không gian trung tâmIGM

2.4.3.1 Chuyển mạch ghép bước sóng Wave-Mux

Trong chuyển mạch Wave_Mux, chuyển mạch trung tâm thay đổi trạng thái ởmọi khe thời gian, hoạt động theo cách thức lập lịch trình (hình 2.25 (a))

Các đầu vào và đầu ra được phân chia thành các nhóm gọi là nhóm đầu vào IGM(Input Group Module) và nhóm đầu ra OGM (Output Group Module) Mỗi IGM/OGM được đăng kí một khe thời gian nhất định, và các IGM sẽ đệm cho tất cả các góiđầu vào, cho tới khi chúng được truyền qua chuyển mạch trung tâm ở khe thời gianchính xác, như vậy Wave_mux có bản chất là chuyển mạch đệm đầu vào Mỗi gói tinhay tế bào tin trên một khe thời gian xác định, đều được chuyển qua trường chuyểnmạch trung tâm, trên một đường xác định tại một bước sóng khác.

Các gói tin khi tới IGM, trước tiên được chuyển về dạng điện để chuyển đổi tiêuđề gói tin và đệm, sau đó mới được chuyển đổi về dạng tín hiệu quang như hình 3.25(b).

Đệm điện cần phải sử dụng vì yêu cầu khả năng đệm lớn để đảm bảo tỉ lệ mất góitin Bộ nhớ đệm cần được tổ chức, sao cho các gói tin từ một đầu vào có thể vào bộphân loại đồng thời, để tránh hiện tượng tắc nghẽn đầu vào HoL (Head Of Line) nhưhình 2.25 (c).

Chuyển mạch không gian

Biến đổi bước sóng khả chỉnh Coupler thụ động1

Hình 2.25 (c) : Bộ phân loại trong modul IGM

Bộ phân loại được sử dụng để đảm bảo các gói tới trường chuyển mạch trong khethời gian chính xác, tại đầu ra chính xác Bộ chuyển đổi bước sóng cho phép các góitin truyền qua trường chuyển mạch không gian đồng thời trên cùng một tuyến NhómOGM gồm các đường dây trễ và bộ lọc khả chỉnh sẽ lần lượt chuyển các gói tin tới đầura chính xác như hình 2.25 (d).

Hình 2.25d: Bộ phân loại trong modul OGM

Một ưu điểm của chuyển mạch Wave_mux là kích thước yêu cầu của chuyểnmạch không gian rất nhỏ, ngay cả khi gói tin có kích thước lớn Với 128 đầu vào vàđầu ra, 8 đầu vào trong một IGM và 16 đầu ra trong một OGM, 128 gói tin trên mỗiđường trong bộ đệm điện và tải 0,8, thì có thể đạt được tỉ lệ mất gói hay tế bào tin là10-10 Kiến trúc này cũng có thể thực hiện ưu tiên gói.

Khi xây dựng mô hình này, một cổng SOA và hai bộ khuyếch đại EDFA (mỗiEDFA cho một chuyển mạch 4 x4) đều cần sử dụng để bù lại suy hao, và cũng nhưSMOP, tất cả chuyển mạch không gian đều có kiến trúc hình cây Trong mỗi bộ phânloại của IGM, các coupler thụ động được đặt tại đầu ra của chuyển mạch để có thểchuyển mạch theo cơ chế nối thông nhiều_tới_một Hình 2.26 trình bày công suất suyhao tỉ lệ với kích thước chuyển mạch với tốc độ bit.