Luận văn nghiên cứu hoạt động của mạng chuyển mạch chùm quang pptx

Do những ưu, nhược điểm của mình, các hệ thống chuyển mạch quang sẽ là những phần tử cần thiết được bố trí tại các nút có thông lượng cao của mạng chuyển tải băng rộng cũng như phục vụ c

Học viện Công nghệ bưu chính viễn thông

-

Nguyễn LA GIANG

Nghiên cứu hoạt động

của mạng chuyển mạch chùm quang

Luận văn THạC Sĩ kỹ thuật

Hà nội - 2003

Häc viÖn C«ng nghÖ bưu chÝnh viÔn th«ng

-*** -

NGUYỄN LA GIANG

NGHIÊN CỨU HOẠT ĐỘNG CỦA MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG

Chuyên ngành : Điện tử - Viễn thông

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Ngưêi hưíng dÉn Khoa häc:

TS LÊ HỮU LẬP

TS LÊ NGỌC GIAO

Hµ néi - 2003

Lời cám ơn

Cho phép tôi được bày tỏ lòng cám ơn chân thành tới những người đã giúp đỡ

tôi trong thời gian nghiên cứu hoàn thành bản luận văn này

Trước hết xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Lê Hữu Lập và TS Lê

Ngọc Giao, hai thầy đã tận tình hướng dẫn giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn

Xin bày tỏ lòng biết ơn đối với sự giúp đỡ của các thầy, cô giáo trong Học Viện

Công nghệ Bưu chính Viễn thông, đặc biệt là các thầy, cô tham gia giảng dạy lớp

Cao học Điện tử - Viễn thông khoá II đã cung cấp kiến thức tạo tiền đề cho tôi hoàn

thành luận văn

Xin chân thành cám ơn các đồng nghiệp trong Phòng Nghiên cứu kỹ thuật

Chuyển mạch - Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện đã luôn tạo điều kiện thuận lợi,

hỗ trợ tôi trong quá trình thực hiện luận văn

Cuối cùng, xin chân thành cám ơn gia đình và bạn bè đã động viên, quan tâm,

giúp đỡ tôi hoàn thành bản luận văn này

Nguyễn La Giang

Mục lục

Lời cám ơn i

Danh mục hình vẽ v

Danh mục bảng vii

Thuật ngữ và chữ viết tắt viii

Mở đầu 1

Chương 1 Giới thiệu 3

1.1 Chuyển mạch quang 3

1.1.1 Chuyển mạch kênh quang 7

1.1.2 Chuyển mạch gói quang 9

1.1.3 Chuyển mạch chùm quang 11

1.2 Một số khái niệm cơ bản của chuyển mạch chùm quang 18

1.2.1 Offset của chùm 18

1.2.2 Các phương thức đặt trước bước sóng 20

1.2.3 Giải quyết xung đột 22

1.3 Các mô hình phân tích mạng OBS 23

Chương 2 Các giao thức truy nhập cho mạng Ring OBS 25

2.1 Giới thiệu chung 25

2.2 Các phương thức chuyển mạch chùm quang 25

2.3 Cấu trúc mạng 28

2.3.1 Cấu trúc Ring và nút 28

2.3.2 Hoạt động của bước sóng điều khiển 30

2.4 Các giao thức OBS 32

2.4.1 Round-Robin với lựa chọn ngẫu nhiên (RR/R) 33

2.4.2 Round-Robin với phục vụ liên tục (RR/P) 34

2.4.3 Round-Robin với phục vụ không liên tục (RR/NP) 36

2.4.4 Round-Robin có các Token (RR/Token) 36

2.4.5 Round-Robin có xác nhận (RR/ACK) 37

2.5 Phương pháp so sánh các giao thức 39

2.5.1 Chất lượng hoạt động của các giao thức với ODD Offset 41

2.5.2 JET và ODD 45

2.5.3 TAW và ODD 46

2.5.4 Lưu lượng không đối xứng 46

2.6 Tóm tắt 47

Chương 3 Nút biên của mạng lưới WDM OBS 48

3.1 Tiến trình đến của chùm 48

3.1.1 Mô tả mô hình 48

3.1.2 Khoảng thời gian của chùm 49

3.1.3 Thời gian giữa các lần đến của chùm 50

3.1.4 Các tham số điều khiển 52

3.2 Nút biên của mạng OBS 53

3.2.1 Tổng quan 53

3.2.2 Nút OBS biên 54

3.2.3 Mô hình mạng hàng đợi của nút OBS biên 57

3.2.4 Phân tích mạng hàng đợi một loại lưu lượng không có bộ chuyển đổi bước sóng 61

3.2.5 Phân tích mạng hàng đợi một loại lưu lượng có bộ chuyển đổi 67 3.2.6 Phân tích về mạng hàng đợi nhiều loại lưu lượng có hoặc không có các bộ chuyển đổi 67

3.2.7 Các trường hợp giới hạn 74

3.3 Nút biên với số lượng lớn các bộ chuyển đổi 77

3.3.1 Các vấn đề khi số lượng bước sóng lớn 77

3.3.2 Phân tích về mạng hàng đợi một loại lưu lượng 80

3.3.3 Phân tích mạng hàng đợi nhiều loại lưu lượng 85

3.3.4 Các nhận xét đánh giá 87

Chương 4 Khả năng ứng dụng của chuyển mạch chùm quang trong mạng viễn thông thế hệ sau 89

4.1 Chuyển mạch chùm quang: giải pháp thích hợp cho mạng đường trục Terabit IP 89

4.1.1 Mô tả chung 89

4.1.2 Các công nghệ chuyển mạch cho WDM 90

4.1.3 Cơ cấu cho IP-over-WDM sử dụng OBS 92

4.1.4 Các cơ chế QoS của IP 100

4.1.5 Khả năng sử dụng mạng và xác suất nghẽn chùm 101

4.2 Triển vọng của chuyển mạch chùm quang trong các mạng đường trục và mạng diện rộng sử dụng IP 102

4.2.1 Chuyển mạch chùm quang trong các mạng đường trục 103

4.2.2 Chuyển mạch chùm quang trong các mạng diện rộng 109

4.3 Hiện trạng của công nghệ chuyển mạch quang 112

4.4 Nhận xét tóm tắt 114

Kết luận 116

Tài liệu tham khảo 118

Danh mục hình vẽ

Hình 1.1 : Khái niệm chuyển mạch chùm 12

Hình 1.2 : Cấu trúc hệ thống chuyển mạch chùm quang 15

Hình 1.3 : Vận hành của hệ thống chuyển mạch chùm quang 16

Hình 1.4 : 4 kiểu phương thức đặt trước bước sóng 21

Hình 2.1 : Tính toán Offset trong giao thức JET OBS 26

Hình 2.2 : Vòng ring OBS của mạng MAN 28

Hình 2.3 : Kiến trúc nút OBS (Các đường trễ không được chỉ ra ở đây) 29

Hình 2.4 : Cấu trúc của khung điều khiển 31

Hình 3.1 : Tiến trình đến của chùm 48

Hình 3.2 : Server Coxy 2 cấp (2-stage) 50

Hình 3.3 : Mối quan hệ giữa các biến ngẫu nhiên A, B và I 50

Hình 3.4 : Người sử dụng được kết nối tới hệ thống chuyển mạch biên của mạng OBS 54

Hình 3.5 : Các bản tin báo hiệu trong JumpStart 57

Hình 3.6 : Mô hình mạng hàng đợi các hệ thống con của hệ thống chuyển mạch biên không có bộ chuyển đổi 59

Hình 3.7 : Sơ đồ tốc độ chuyển trạng thái của nút i với i=1, , P trong mạng hàng đợi ở Hình 3.6 62

Hình 3.8 : Mô hình hàng đợi của hệ thống chuyển mạch biên với một cổng ra "bận rộn" 75

Hình 3.9 : Mô hình hàng đợi của hệ thống chuyển mạch biên 81

Hình 3.10 : Sơ đồ chuyển trạng thái của nút 83

Hình 4.1: Mạng trục truyền dẫn IP-over-OBS WDM sử dụng MPLS 92

Hình 4.2 : Các chức năng tại kết nối chéo quang hỗ trợ OBS và MPLS 95

Hình 4.3 : Giao diện MAC giữa các lớp IP và OBS WDM 96

Hình 4.4 : Đồng bộ khi kết hợp luồng .97

Hình 4.5 : Tạo dạng dữ liệu chùm 98

Hình 4.6 : Xác suất nghẽn chùm 102

Hình 4.7 : Cấu hình mạng chuyển tải 103Hình 4.8 : Các giải pháp sắp xếp giao thức cho chuyển tải các mạng IP trên công

nghệ WDM 104Hình 4.9 : Quá trình phát triển dung lượng của router IP 106Hình 4.10 : So sánh hiệu quả của chuyển mạch gói/chùm và bước sóng về phương

diện số cổng liên quan với số nút trong mạng đường trục 107Hình 4.11 : Mô hình mạng chuyển mạch chùm quang 108Hình 4.12 : Mạng ring diện rộng 111

Danh mục bảng

Bảng 2.1 : Các giao thức OBS được L.Xu sử dụng trong mô phỏng 39

Bảng 3.1 : Ký hiệu được sử dụng trong phân tích 61

Bảng 3.2 : Ma trận tốc độ chuyển vị Q của nút 82

Bảng 4.1 : So sánh các công nghệ chuyển mạch có liên quan đến WDM 92

Multiplexing

Ghép kênh phân chia bước sóng mật độ cao

Class

Lớp chuyển tiếp tương đương

Interchange

Trao đổi dữ liệu phân tán trên cáp quang

Receiver

Phát cố định thu điều chỉnh được

Method

Phương pháp tìm kiếm kết hợp

Machine Corp

Hãng sản xuất máy tính IBM

IP Internet Protocol Giao thức Internet

Mạng thông tin thế hệ sau

Multiplexer

Bộ ghép kênh xen-tách quang

Switching

Chuyển mạch chùm quang kết hợp

RR/ACK Round-Robin with

Round-Robin với phục vụ liên tục

Mở đầu

Luận văn này trình bày các kết quả nghiên cứu về Chuyển mạch chùm quang (OBS), một giải pháp mới đầy hứa hẹn cho mạng Internet quang thế hệ sau

Bản luận văn gồm có 4 chương:

Chương 1 giới thiệu chung về chuyển mạch quang, phân loại chuyển mạch quang, một số khái niệm về chuyển mạch chùm quang làm cơ sở cho các nội dung trong các chương tiếp theo

Hiện nay, các nghiên cứu về mạng OBS thường là các mạng quang với cấu hình lưới chứ không phải cấu hình ring Tuy nhiên, các mạng ring đang chiếm một sự đầu tư lớn của nhiều nhà cung cấp và hiện nay đang được nâng cấp để hỗ trợ WDM

Do vậy, các nghiên cứu về hoạt động của các mạng OBS với cấu hình ring là cần thiết Chương 2 sẽ nói về mạng OBS với cấu hình Ring Vòng ring bao gồm N nút

và mỗi nút có một bước sóng riêng để truyền các chùm (burst) của nó Vòng ring vận hành theo phương thức phát cố định, thu điều chỉnh được (FTTR) Thông tin điều khiển được truyền trên một kênh riêng Một số giao thức truy nhập dùng để giải quyết xung đột giữa các bộ thu Chương này cũng mô tả chất lượng hoạt động của các giao thức truy nhập được đánh giá qua thông lượng, trễ gói, phân phối đều thông lượng, phân phối đều trễ với các tham số mạng khác nhau là: tốc độ đến trung bình của gói, kích thước cực đại của chùm và kích thước nhỏ nhất của chùm Phương pháp tính toán để có thể đơn giản hoá một cách đáng kể việc thiết kế giao thức truy nhập và làm giảm trễ gói cho tất cả các giao thức truy nhập cũng được trình bày trong chương này

Chương 3 mô tả tiến trình đến của chùm bằng tiến trình Markov 3 trạng thái Tiến trình này cho phép mô hình hoá các chùm ngắn và dài cũng như có thể lựa chọn các tham số của mô hình để "bắt giữ" các hành vi của dòng đến Nút biên được

mô hình hoá như là một mạng hàng đợi khép kín, bao gồm các nút đặc biệt với các khách hàng xung quanh Chương này trình bày các thuật toán cho cả mạng hàng đợi một loại lưu lượng và nhiều loại lưu lượng Trong trường hợp không có các bộ

chuyển đổi, biểu thức gần đúng cho thông lượng có điều kiện của nút đặc biệt với các khách hàng xung quanh sẽ được đưa ra Phương pháp phân tách sẽ được sử dụng để phân tích mạng hàng đợi nhiều loại lưu lượng Cụ thể là mạng hàng đợi nhiều loại lưu lượng được tách thành một tập hợp các mạng hàng đợi hai loại lưu lượng và mỗi một trong số các mạng này sẽ được xử lý bằng phương pháp tìm kiếm kết hợp Chương này cũng trình bày thuật toán xấp xỉ nhanh để phân tích nút OBS biên với số lượng lớn các bước sóng

Chương 4 đề xuất khả năng ứng dụng của chuyển mạch chùm quang trong mạng viễn thông thế hệ sau Việc triển khai IP trên WDM nhờ sử dụng OBS cũng như ứng dụng của OBS trong các mạng đường trục Terabit và mạng diện rộng được

mô tả cho thấy mức độ và triển vọng áp dụng OBS vào thực tế như thế nào

Phần kết luận của luận văn tóm tắt các kết quả nghiên cứu và đưa ra một số đề xuất về các hướng nghiên cứu trong tương lai

Chương 1 Giới thiệu 1.1 Chuyển mạch quang

Hiện nay, mạng viễn thông đang phát triển theo hướng đa dịch vụ băng rộng nhằm đáp ứng nhu cầu dịch vụ ngày càng tăng của khách hàng Trong mạng băng rộng tương lai, mỗi thuê bao thay vì truy nhập tới kênh băng hẹp 64 kb/s, được nâng lên truy nhập băng rộng, do đó năng lực xử lý của hệ thống chuyển mạch có thể lên tới hàng chục Tb/s cùng với dung lượng trên mạng chuyển tải chắc chắn sẽ tăng lên

Rõ ràng đây là một bước nhảy lớn và các mạng quang có khả năng đáp ứng được vấn đề này từ góc độ truyền dẫn

Từ những thập niên 70, 80 các tuyến truyền dẫn quang đã phát triển với tốc độ nhanh chóng, cùng với sự mở rộng các tuyến truyền dẫn này thì một câu hỏi đã xuất hiện: Có thể dùng các thiết bị quang không những chỉ để truyền tín hiệu mà còn chuyển mạch các tín hiệu đó hay không? Các kết quả nghiên cứu, thử nghiệm đã chỉ

ra rằng có thể chuyển mạch các tín hiệu băng rộng bằng các thiết bị quang, điện tử trên cơ sở lợi dụng tính chất sóng của ánh sáng và một công nghệ chuyển mạch mới ra đời: Chuyển mạch quang

quang-Ở đây cần chú ý là trong chuyển mạch quang vẫn còn dùng khái niệm chuyển mạch quang-điện tử (optoelectronic switching) Khái niệm này thường dùng khi quá trình chuyển mạch được thực hiện kèm theo sự biến đổi quang-điện, điện-quang và chức năng chuyển mạch gần với điện tử hơn là quang Chuyển mạch quang-điện tử còn là thuật ngữ dùng cho một kỹ thuật lấy mẫu nhanh tín hiệu điện tử do Auston đề xuất với việc nhờ các thiết bị quang tạo ra các xung quang tốc độ rất cao để xử lý các tín hiệu điện tử Sự khác biệt cơ bản giữa lấy mẫu quang-điện tử và ma trận quang-điện tử là trong ma trận quang-điện tử thì điều khiển là điện tử và tín hiệu là quang, trong khi đó lấy mẫu quang-điện tử thì ngược lại

Theo định nghĩa thì hệ thống chuyển mạch quang là một hệ thống chuyển mạch cho phép các tín hiệu bên trong các sợi cáp quang hay các mạch quang tích hợp (IOC) được chuyển mạch có lựa chọn từ một mạch này tới một mạch khác Với chú

ý là: một hệ thống chuyển mạch quang có thể được vận hành nhờ các phương tiện

cơ như chuyển dịch một sợi cáp quang tới một sợi cáp quang khác, hay nhờ các hiệu ứng điện-quang, từ-quang hoặc bằng các phương pháp khác Ngoài ra, các hệ thống chuyển mạch quang tốc độ chậm, như các hệ thống chuyển mạch quang sử dụng việc dịch chuyển cáp quang có thể được sử dụng cho việc định tuyến thay thế đường truyền dẫn quang, ví dụ định tuyến vòng qua một lỗi; các hệ thống chuyển mạch quang tốc độ nhanh như loại sử dụng các hiệu ứng điện-quang hay từ-quang

có thể được sử dụng cho việc thực hiện các hoạt động mang tính logic

Khái niệm chuyển mạch photonic (photonic switching) liên quan đến việc điều khiển trực tiếp đường truyền của tín hiệu ánh sáng mà không có bất cứ quá trình biến đổi quang điện nào có nghĩa là việc điều khiển chuyển mạch hoàn toàn bằng quang

Như vậy khái niệm chuyển mạch quang bao hàm cả khái niệm chuyển mạch photonic

Một điểm cần phải nhấn mạnh nữa là chuyển mạch photonic không cạnh tranh hay loại trừ chuyển mạch điện tử truyền thống mà chúng phối hợp, bổ sung cho nhau nhằm khai thác tốt nhất tiềm năng của mạng

Trong những năm gần đây, đã có nhiều nước trên thế giới, đặc biệt là 3 trung tâm viễn thông lớn là Mỹ, Tây Âu và Nhật bản nghiên cứu về vấn đề này đồng thời các khái niệm cũng như thử nghiệm khác nhau về chuyển mạch quang đã được giới thiệu, minh hoạ từng phần trên các tạp chí cũng như các hội nghị khoa học

Chuyển mạch quang có nhiều ưu điểm như dải thông tín hiệu rộng, có thể tách/nhập tín hiệu quang trong kết nối quang không gian tự do, khả năng sử dụng miền tần số TetaHez, tốc độ chuyển mạch cao và loại trừ nhiễu điện từ Với những lợi thế như vậy chuyển mạch photonic rất phù hợp với các nhu cầu của mạng viễn thông tương lai trong đó ngoài dịch vụ thoại truyền thống còn có rất nhiều dịch vụ băng rộng như điện thoại thấy hình, truyền hình độ phân giải cao HDTV, truyền số liệu tốc độ lớn

Cũng cần chú ý rằng sự khác biệt giữa chuyển mạch và truyền dẫn đang trở nên không rõ ràng, với việc sử dụng các kết nối chéo số và các bộ ghép kênh xen-tách, lớp truyền dẫn sẽ đảm nhận một số vai trò của lớp chuyển mạch Do những ưu, nhược điểm của mình, các hệ thống chuyển mạch quang sẽ là những phần tử cần thiết được bố trí tại các nút có thông lượng cao của mạng chuyển tải băng rộng cũng như phục vụ cho các dịch vụ sử dụng băng thông cao

Chuyển mạch quang có nhiều ứng dụng trong mạng vận chuyển tái định tuyến toàn bộ các kênh hay các nhóm kênh mà không cần phân chia thành các đường số liệu riêng biệt Bằng cách này ta có thể tăng dung lượng, độ linh hoạt và độ tin cậy của mạng trong các hệ thống gồm các kênh nhiều Gigabit được kết hợp, phân chia theo không gian và bước sóng Các hệ thống chuyển mạch photonic có số cổng ít nhưng dung lượng được chuyển mạch của một cổng lại rất lớn, do vậy chúng thường được bố trí tại các nút có thông lượng cao của mạng, phối hợp với công nghệ SDH và ATM để chuyển mạch các luồng tín hiệu tốc độ từ hàng chục Gb/s đến hàng Tb/s nhằm giải toả lưu lượng, tránh được hiện tượng tắc nghẽn (nút cổ chai), trên cơ sở đó nâng cao hiệu quả sử dụng mạng

Chuyển mạch quang là một trong những thử nghiệm công nghệ để đáp ứng cho nhu cầu phát triển mạng trong giai đoạn tới Mặc dù gần đây đã có những tiến triển đáng kể nhưng nhiều vấn đề còn phải thực hiện để phát triển các hệ thống chuyển mạch photonic nhằm khắc phục các "nút thắt cổ chai" dung lượng của các hệ thống chuyển mạch điện tử và sẽ dần thay thế chúng nhằm để có được sự kết hợp tối ưu giữa các thiết bị quang và điện tử về mặt hoạt động cũng như giá thành

Tính hợp lý để đưa công nghệ chuyển mạch quang vào mạng quang có thể được

mô tả như sau: trước tiên chuyển mạch quang sẽ được sử dụng cho nhiều chức năng đơn giản tại các nút mạng, duy trì độ rộng băng lớn nhờ việc định tuyến các kênh bước sóng riêng biệt mà không quan tâm đến đồng bộ, trong khi các thiết bị điện tử

sẽ được sử dụng cho các chức năng phức tạp hơn Tuy nhiên với sự phát triển công nghệ photonic nhằm tạo nên các thiết bị tiên tiến hơn có thể thực hiện chuyển mạch tốc độ cao, đồng bộ, đệm và có thể là xử lý tín hiệu thì chuyển mạch photonic sẽ có

khả năng xử lý nhiều chức năng hơn tại các nút Bởi vậy sự kết hợp tối ưu giữa các thiết bị quang và điện tử sẽ thay đổi dần theo thời gian, dẫn tới việc các nút chuyển mạch được đơn giản hoá cùng với việc nâng cấp các hoạt động và các phương tiện quản lý

Hiện tại, do còn một số khó khăn về mặt công nghệ (ví dụ như bộ nhớ quang,

xử lý điều khiển chuyển mạch, kích thước, ), chuyển mạch quang còn chưa được

áp dụng rộng rãi trong thực tế Tuy nhiên, với những ưu điểm của nó, trong tương lai chuyển mạch quang sẽ được áp dụng trong các mạng chuyển tải dung lượng lớn, trong các mạng ISDN băng rộng nhằm bổ sung tốt nhất cho các hệ thống chuyển mạch điện tử Đối với các dịch vụ thoại truyền thống hay các dịch vụ không đòi hỏi

độ rộng băng cao, chuyển mạch điện tử vẫn là một giải pháp hợp lý về mặt giá thành và công nghệ Điều này khẳng định rằng chuyển mạch quang không cạnh tranh, loại trừ chuyển mạch điện tử mà chúng cùng nhau tồn tại, bổ sung lẫn nhau nhằm khai thác có hiệu quả nhất các công nghệ mới phục vụ cho mạng viễn thông

Kỹ thuật ghép kênh phân chia bước sóng (WDM) là một giải pháp lựa chọn để cung cấp một cơ sở hạ tầng mạng nhanh hơn nhằm đáp ứng sự phát triển bùng nổ của Internet Tuy nhiên, với sự phát triển nhanh chóng của lưu lượng dữ liệu trên mạng, tốc độ xử lý điện tử có thể không phù hợp trong tương lai nữa, đồng thời dữ liệu quang thường bị chậm lại do xử lý điện tử tại các nút, do đó việc tìm kiếm một phương pháp chuyển tải các gói IP trực tiếp trên lớp quang không cần qua chuyển đổi O/E/O cho mạng thông tin thế hệ sau (NGI) là một tất yếu Nhằm để xây dựng mạng toàn quang tại đó dữ liệu được duy trì trong miền quang ở tất cả các nút trung gian, cần phải thiết kế các giao thức mới dành cho các hệ thống chuyển mạch/router quang Một trong các vấn đề cần thiết là làm thế nào để hỗ trợ việc cung cấp tài nguyên nhanh chóng, truyền dẫn đồng bộ (của các gói kích thước biến đổi như các gói IP) cũng như hỗ trợ mức độ cao việc chia sẻ tài nguyên theo thống kê để xử lý hiệu quả lưu lượng có tính "bùng nổ" mà không cần có đệm ở lớp WDM (do chưa

có các bộ đệm quang dạng bộ nhớ truy nhập ngẫu nhiên RAM) Do đó các phương pháp chuyển tải toàn quang cần phải tránh đệm quang càng nhiều càng tốt Một vấn

đề khác là làm thế nào để hỗ trợ chất lượng dịch vụ (QoS) trong mạng Internet quang thế hệ sau Mạng IP ban đầu cung cấp các dịch vụ best-effort, tuy nhiên hiện nay các ứng dụng thời gian thực (ví dụ điện thoại và hội nghị truyền hình qua Internet) yêu cầu QoS cao hơn các ứng dụng không phải thời gian thực (như email

và trình duyệt Web thông thường) và do vậy vấn đề đặt ra đối với lớp WDM là làm thế nào để hỗ trợ QoS (ví dụ các mức ưu tiên) cho Internet quang Khả năng của lớp WDM để hỗ trợ QoS không chỉ cần thiết cho việc tải các tín hiệu điều khiển cũng như quản lý mạng để bảo vệ/khôi phục tại lớp WDM mà còn để thúc đẩy bổ sung tăng cường các phiên bản IP mới đáp ứng cho các ứng dụng nhạy cảm với QoS Hiện nay có nhiều trung tâm nghiên cứu cố gắng phát triển các phương thức QoS cho ATM và IP nhưng chưa có kết quả nào đáp ứng được yêu cầu cho lớp WDM Một số công nghệ khác nhau đã được phát triển để truyền dữ liệu trên WDM, như định tuyến bước sóng (chuyển mạch kênh quang), chuyển mạch gói quang và chuyển mạch chùm quang (OBS) Các mạng quang định tuyến bước sóng đã được triển khai và cho thấy đó là một công nghệ hứa hẹn nhất cho các mạng quang Tuy nhiên, các mạng quang định tuyến bước sóng lại sử dụng chuyển mạch kênh có thể không phải là công nghệ thích hợp nhất cho các ứng dụng khác nhau sử dụng Internet quang Kỹ thuật chuyển mạch gói quang là một giải pháp công nghệ khác

và có lẽ là tối ưu hơn cho các ứng dụng mới Tuy nhiên, vào thời điểm hiện tại, công nghệ này còn chưa đủ trưởng thành để có thể ứng dụng vào thực tế Chuyển mạch chùm quang là một giải pháp kỹ thuật trung gian giữa chuyển mạch kênh quang và chuyển mạch gói quang nhằm đáp ứng đầy đủ cho các tính năng mới trong giai đoạn tới

1.1.1 Chuyển mạch kênh quang

Mặc dù các mạng quang định tuyến bước sóng đã được triển khai nhưng có lẽ

nó không phải là kỹ thuật thích hợp nhất cho Internet quang Thí dụ, để thiết lập một đường dẫn ánh sáng sẽ chỉ cần một thời gian rất nhỏ của trễ toàn trình Điều này dẫn đến việc sử dụng bước sóng không hiệu quả nếu như thời giam chiếm giữ kết nối rất ngắn Bản chất "bùng nổ" của lưu lượng dữ liệu cũng là nguyên nhân dẫn

đến việc sử dụng bước sóng không hiệu quả Do vậy, nhằm sử dụng hoàn toàn bước sóng, cơ chế grooming của lưu lượng phức tạp là cần thiết để hỗ trợ việc ghép kênh thống kê dữ liệu từ các khách hàng khác nhau

Với định tuyến bước sóng, các đường dẫn ánh sáng được thiết lập giữa nguồn (các nút vào) và đích (các nút ra) thông qua các nút được trang bị các kết nối chéo WDM quang (hay các router bước sóng) Tại từng router bước sóng, bước sóng ra (ở cổng ra) tại đó tín hiệu vào được định tuyến tới vào thời điểm đã xác định trước

sẽ được xác định duy nhất dựa trên bước sóng vào (và cổng vào) mang tín hiệu này

Do đó định tuyến bước sóng là một dạng chuyển mạch kênh Trong báo hiệu phân tán, phương thức đặt trước hai chiều là cần thiết để thiết lập các đường dẫn ánh sáng nhờ đó nút nguồn gửi đi gói điều khiển để đặt trước, sau đó chờ xác nhận trước khi phát đi dữ liệu Một trong các thuận lợi của định tuyến bước sóng là không cần có đệm quang (hay chuyển đổi O/E/O của dữ liệu) tại các nút trung gian Hơn nữa, đó

là một lựa chọn đầy hứa hẹn vì các hệ thống chuyển mạch quang dựa trên các công nghệ cơ-quang, âm-quang hay nhiệt-quang quá chậm để chuyển mạch gói một cách hiệu quả Tuy nhiên, một trong các hạn chế của định tuyến bước sóng là đường dẫn phải thiết lập toàn bộ bước sóng trên từng kênh dọc theo đường dẫn, dẫn đến hiệu quả sử dụng băng tần thấp khi mang các dòng lưu lượng có tính "bùng nổ" (ví dụ các gói IP) vì lưu lượng từ các nút vào khác nhau không thể chia sẻ theo thống kê băng tần của đường dẫn ánh sáng Hơn nữa, do không có đủ bước sóng trong cáp quang để cho phép kết nối dạng lưới một cách hoàn toàn nên phân bố tải trong mạng có thể không đồng đều dẫn đến mật độ lưu lượng trên các đường dẫn ánh sáng thay đổi theo thời gian Chú ý là ở trên giả thiết rằng các nút quang chỉ hỗ trợ chức năng kết nối chéo và không có khả năng chuyển mạch/định tuyến nhanh Do việc thiết lập và huỷ bỏ đường dẫn ánh sáng mất tối thiểu vài chục ms, tương ứng với (hoặc thậm chí vượt quá) thời gian truyền vài Megabyte dữ liệu ở tốc độ truyền dẫn cao (ví dụ 2.5 Gb/s hay OC-48) nên việc thiết lập và giải phóng linh hoạt các đường dẫn ánh sáng theo các giai đoạn của chùm không phải là một mô hình hiệu quả

1.1.2 Chuyển mạch gói quang

Khi các hệ thống chuyển mạch nhanh dựa trên công nghệ như Lithium Niobate

và các bộ khuếch đại quang bán dẫn trở nên sẵn có thì kỹ thuật chuyển mạch gói/tế bào quang sẽ trở nên một lựa chọn hấp dẫn vì nó có hiệu quả sử dụng băng tần cao hơn và cho phép thực hiện kỹ thuật lưu lượng tốt hơn Với kỹ thuật này, tải tin (dữ liệu) được gửi đi cùng với header (điều khiển) của nó mà không cần thiết lập đường dẫn Tuy nhiên, do việc kết hợp một cách chặt chẽ về thời gian giữa tải tin và header cũng như bản chất cất giữ và chuyển tiếp (store-and-forward) của kỹ thuật chuyển mạch gói, từng gói cần được đệm tại tất cả các nút trung gian Vì sự khác nhau trong thời gian xử lý của header gói tại các nút trung gian nên kỹ thuật chuyển mạch gói/tế bào quang cần phải có sự đồng bộ chặt chẽ và điều khiển phức tạp Một vấn đề khác là kích thước của tải tin (đặc biệt các tế bào ATM) thường quá nhỏ so với băng tần cao của các mạng quang nên dẫn đến có số lượng khá lớn các mào đầu điều khiển

Mạng chuyển mạch gói quang bao gồm các hệ thống chuyển mạch gói quang kết nối với nhau bằng các sợi cáp quang hoạt động theo kỹ thuật WDM Các hệ thống chuyển mạch có thể nằm kề sát nhau hoặc được kết nối bằng các đường dẫn ánh sáng (Đường dẫn ánh sáng là kết nối được chuyển mạch kênh với cùng một bước sóng bố trí trên từng kênh dọc theo đường dẫn Nó có thể bao gồm các bước sóng khác nhau dọc theo đường dẫn nếu như có các bộ chuyển đổi) Dữ liệu của người sử dụng được truyền đi trong các gói quang, các gói này được chuyển mạch hoàn toàn trong miền quang Do vậy dữ liệu của người sử dụng vẫn còn là tín hiệu quang trong toàn bộ đường dẫn từ nguồn tới đích Không có chuyển đổi quang-điện hay điện-quang được yêu cầu

Một hệ thống chuyển mạch gói quang WDM bao gồm 4 phần: giao diện vào, cơ cấu chuyển mạch, giao diện ra và bộ phận điều khiển Giao diện vào chủ yếu được

sử dụng cho việc sắp xếp gói, tách ra thông tin header của gói và huỷ bỏ header gói

Cơ cấu chuyển mạch là trung tâm của hệ thống chuyển mạch và được sử dụng để chuyển mạch các gói hoàn toàn bằng quang Giao diện ra được sử dụng để phát lại

các tín hiệu quang và chèn vào header của gói Bộ phận điều khiển sẽ điều khiển hệ thống chuyển mạch bằng cách sử dụng thông tin trong các header gói Do các yêu cầu đồng bộ nên các hệ thống chuyển mạch gói quang điển hình được thiết kế cho các gói có kích thước cố định Khi một gói đi tới hệ thống chuyển mạch gói quang WDM, trước hết nó được giao diện vào xử lý Header và tải tin của gói được tách

ra, sau đó header được chuyển đổi vào miền điện tử và được bộ phận điều khiển xử

lý bằng điện tử Tải tin vẫn ở dạng tín hiệu quang khi đi qua hệ thống chuyển mạch Khi tải tin đã đi qua cơ cấu chuyển mạch, nó được kết hợp lại với header sau khi header này được chuyển đổi trở lại dạng quang tại giao diện ra

Chuyển mạch gói quang là một giải pháp công nghệ được đưa ra như là một lựa chọn tối ưu Tuy nhiên, vào thời điểm hiện tại thì công nghệ này chưa đủ trưởng thành để cung cấp một giải pháp ứng dụng được trong thực tế Các trở ngại còn phải giải quyết là:

- Một thử thách chính đó là yêu cầu về đồng bộ Các hệ thống chuyển mạch gói quang thường hoạt động một cách đồng bộ Thí dụ, các gói đi tới các cổng vào khác nhau phải được sắp hàng trước khi chúng đi vào bộ phận chuyển mạch Tuy nhiên, việc thực hiện các thành phần đồng bộ là khó khăn và tốn kém

- Một vấn đề quan trọng thứ hai trong việc thiết kế các hệ thống chuyển mạch gói quang là thiếu các bộ đệm quang được thương mại hoá Ý tưởng cơ bản của chuyển mạch gói là "Cất giữ và Chuyển tiếp", có nghĩa là các gói trước tiên được cất giữ trong các hệ thống chuyển mạch gói và sau đó mới được chuyển tiếp tới hệ thống chuyển mạch kế tiếp Điều này là cần thiết để tránh hiện tượng tranh chấp ở cổng ra Tuy nhiên, hiện nay vẫn chưa có các bộ đệm quang truy nhập ngẫu nhiên Một giải pháp thay thế là cáp quang được sử dụng làm các bộ đệm nhờ khả năng làm trễ các gói trong một khoảng thời gian nhất định

- Khó khăn thứ ba trong việc thực thi các hệ thống chuyển mạch gói quang là khoảng thời gian cần thiết để đặt cấu hình bộ phận chuyển mạch quang Giả sử coi

hệ thống chuyển mạch gói mất 1ms để thiết lập kết nối từ cổng vào tới cổng ra (đây

là giá trị thấp nhất có được trong trường hợp hoạt động hoàn hảo nhất) Ở tốc độ dữ

liệu 2,5 Gbps là tốc độ điển hình hiện nay của các hệ thống thông tin, sẽ mất khoảng

5 µs để truyền đi một gói 1500 byte Do vậy, nếu như một hệ thống chuyển mạch vận hành ở mức gói thì chỉ sẽ có nhỏ hơn 0,5% của thời gian được sử dụng cho việc chuyển mạch dữ liệu, trong khi phần thời gian còn lại bị lãng phí trong lúc thiết lập

có trễ và ABT với việc phát ngay lập tức Trong trường hợp thứ nhất, khi nguồn muốn phát đi chùm, nó gửi gói tới các hệ thống chuyển mạch ATM trên đường dẫn của kết nối để thông báo rằng nó muốn phát chùm Nếu tất cả các hệ thống chuyển mạch trên đường dẫn có thể thích ứng được chùm thì yêu cầu sẽ được chấp nhận và nguồn được phép phát Nếu khác đi thì yêu cầu cầu sẽ bị từ chối và sau đó nguồn phải gửi đi yêu cầu khác Trong trường hợp thứ hai, nguồn gửi đi gói yêu cầu và ngay lập tức sau đó phát đi chùm mà không cần phải nhận được xác nhận Nếu như

hệ thống chuyển mạch trên đường dẫn không thể mang được chùm do tắc nghẽn thì chùm sẽ bị huỷ

Mạng chuyển mạch chùm quang bao gồm các hệ thống chuyển mạch chùm quang được kết nối bằng các kênh WDM Hệ thống chuyển mạch chùm quang truyền đi chùm từ cổng vào tới cổng ra đích của nó Phụ thuộc vào kiến trúc của hệ thống chuyển mạch, nó có thể được hoặc không được trang bị bộ đệm quang Các liên kết cáp quang mang nhiều bước sóng và mỗi bước sóng có thể được xem như một kênh Một chùm được gán linh động với một kênh Gói điều khiển của chùm cũng có thể được phát đi trên một kênh hoặc trên một mạng không phải là quang Chùm có thể được bố trí cố định mang một hay nhiều gói IP

HÖ thèng chuyÓn m¹ch hiÖn t¹i

Hình 1.1 : Khái niệm chuyển mạch chùm

Hình 1.1 chỉ ra khái niệm cơ bản về mạng chuyển mạch chùm Các liên kết truyền dẫn trong hệ thống mang nhiều kênh, mỗi kênh đều có thể được gán linh động cho một chùm dữ liệu của khách hàng Các kênh có thể được thực thi theo nhiều cách, ở thời điểm hiện tại thì WDM là hợp lý nhưng trong tương lai kỹ thuật ghép kênh phân chia thời gian quang (OTDM) cũng có thể được sử dụng Cho dù

kỹ thuật nào được sử dụng thì một kênh trên mỗi liên kết cũng được gán làm kênh điều khiển và được sử dụng để điều khiển việc gán linh động các kênh còn lại cho các chùm dữ liệu của khách hàng Khuôn dạng của dữ liệu gửi đi trên các kênh dữ liệu không bị ràng buộc bởi hệ thống chuyển mạch chùm Các chùm dữ liệu có thể

là các gói IP, dòng các tế bào ATM, các gói frame relay hay các dòng bit thô từ bộ cảm biến dữ liệu ở xa Tuy nhiên, do hệ thống chuyển mạch chùm phải có khả năng biên dịch thông tin trên kênh điều khiển nên cần phải có một dạng chuẩn cho kênh này Ví dụ các tế bào ATM có thể được sử dụng cho kênh điều khiển Việc sử dụng này nhằm mục đích có thể sử dụng các thành phần chuyển mạch ATM cho phần điều khiển của hệ thống chuyển mạch chùm và làm giảm số thành phần cần thiết

Khi một hệ thống đầu cuối có chùm dữ liệu để gửi đi, một kênh rỗi trên liên kết truy nhập sẽ được lựa chọn và chùm dữ liệu được gửi đi trên kênh rỗi đó Một khoảng thời gian ngắn trước khi việc phát chùm bắt đầu, tế bào header của chùm (BHC) được gửi đi trên kênh điều để xác định kênh mà chùm sẽ được phát và đích của chùm Hệ thống chuyển mạch chùm khi nhận được BHC sẽ lựa chọn liên kết ra hướng đến đích mong muốn cùng với kênh rỗi, sau đó thiết lập đường dẫn giữa kênh đã xác định trên liên kết truy nhập và kênh đã lựa chọn để mang chùm Hệ thống này cũng chuyển BHC trên kênh điều khiển của liên kết đã lựa chọn sau khi

đã sửa đổi tế bào nhằm xác định kênh mà chùm được chuyển tiếp trên đó Quá trình này được lặp lại trên tất cả các hệ thống chuyển mạch dọc theo đường dẫn đến đích BHC có chứa trường độ dài xác định lượng dữ liệu trong chùm Giá trị này được sử dụng để giải phóng đường dẫn khi kết thúc chùm Có hai cách để định tuyến chùm Trong phương thức Datagram, các BHC bao gồm các địa chỉ mạng của thiết bị kết cuối đích, từng hệ thống chuyển mạch sẽ lựa chọn linh hoạt liên kết ra trong số các liên kết tới địa chỉ đích đó Do vậy hệ thống chuyển mạch cần phải tham chiếu cơ

sở dữ liệu định tuyến vào lúc bắt đầu một chùm để có quyết định định tuyến thích hợp Trong phương thức kênh ảo, việc phát chùm phải được thực hiện trước nhờ quá trình lựa chọn tuyến end-to-end tương tự với việc thiết lập kênh ảo ATM Trong khi lựa chọn định tuyến, thông tin chuyển tiếp được kết hợp với phiên end-to-end đã xác định lưu giữ trong các hệ thống chuyển mạch dọc theo đường dẫn Các BHC bao gồm bộ nhận dạng kênh ảo (VCI), bộ phận này được các hệ thống chuyển mạch chùm sử dụng giống với cách các hệ thống chuyển mạch ATM sử dụng ATM VCI Chú ý rằng trong khi việc lựa chọn tuyến cố định cho chuỗi các liên kết được chùm

sử dụng trong phiên end-to-end đã định thì các kênh riêng mà chùm sử dụng sẽ không được chỉ ra Các kênh này chỉ được gán trong khi các chùm đang được gửi

bắt đầu và kết thúc các chùm sẽ dẫn đến việc sử dụng không hiệu quả hệ thống chuyển mạch Đó là do các hệ thống chuyển mạch chùm buộc phải phụ thuộc vào giá trị thời gian không chính xác này khi thiết lập và giải phóng các đường dẫn Để vận hành hiệu quả, tính không xác định về thời gian phải không lớn hơn 10% khoảng thời gian trung bình của chùm Để xử lý hiệu quả các chùm với các độ dài trung bình 1 Kb hoặc nhỏ hơn trên các kênh 2,4 Gb/s thì cần phải duy trì tính không xác định về thời gian end-to-end trong mạng chuyển mạch chùm không lớn hơn 333

ns

OBS là mô hình kết hợp các gói IP thành một chùm tại nút biên vào dựa trên địa chỉ của nút biên ra hoặc dựa trên các thuộc tính khác như QoS, sau đó phát chùm đó đi mà không cần đệm tại các nút trung gian Việc tạo chùm có thể được thực hiện theo thời gian và/hoặc kích thước Các tham số thời gian và kích thước có thể là cố định hay thay đổi theo tải lưu lượng cũng như điều kiện mạng khác nhau

để có chất lượng hoạt động của mạng tốt nhất Cần chú ý OBS là một phương pháp truyền tải IP trực tiếp trên mạng WDM quang không có đệm và cũng có thể có các phương pháp khác để thực hiện điều này OBS kết hợp các ưu điểm của chuyển mạch kênh và gói trong khi lại tránh được các nhược điểm của chúng OBS dựa trên các giao thức đặt trước 1 chiều, trong đó chùm dữ liệu đi sau gói điều khiển tương ứng mà không cần phải chờ xác nhận, dẫn đến việc trễ end-to-end thấp hơn nhiều so với chuyển mạch kênh Khi ứng dụng cho Internet quang thế hệ sau, gói điều khiển

sẽ được xử lý tại thực thể IP trung gian để thiết lập đường dẫn toàn quang (bằng việc lấy cấu hình các hệ thống chuyển mạch WDM) nhưng chùm tương ứng (ví dụ các gói IP) sẽ đi qua các hệ thống chuyển mạch WDM đã lấy cấu hình trước đó ở các nút trung gian dọc theo đường dẫn

1.1.3.2 Cấu trúc hoạt động của hệ thống chuyển mạch chùm quang

Hình 1.2 minh hoạ cấu trúc hệ thống chuyển mạch chùm quang có khả năng mở rộng bao gồm các mô đun vào/ra (IOM) giao tiếp với các liên kết bên ngoài và một mạng kết nối chiều chặng của các phần tử chuyển mạch chùm (BSE) Mạng kết nối

sử dụng cấu hình Benes, cung cấp các đường dẫn song song giữa cổng vào và ra

liên kết bên ngoài (mỗi liên kết mang nhiều kênh WDM) Cấu hình có thể được mở rộng thành 5, 7 hoặc nhiều chặng hơn Nói chung, cấu hình 2k-1 chặng có thể hỗ trợ

cổng Nếu từng cổng mang 128 kênh WDM ở tốc độ 2,4 Gb/s thì dung lượng toàn

bộ của hệ thống sẽ lớn hơn 1.250 Tb/s

C¸c trung kÕ WDM

vµ c¸c vßng ring

truy nhËp

Hình 1.2 : Cấu trúc hệ thống chuyển mạch chùm quang

Hình 1.3 minh hoạ vận hành của hệ thống chuyển mạch chùm BHC được mang trên các kênh vào dành riêng cho thông tin điều khiển BHC chứa thông tin địa chỉ

mà hệ thống chuyển mạch sử dụng để xác định cách chùm được định tuyến qua mạng và xác định kênh mang chùm dữ liệu đến IOM sử dụng thông tin địa chỉ để tìm kiếm bảng định tuyến Kết quả tìm kiếm này bao gồm số của cổng ra mà chùm được chuyển tiếp tới Thông tin này được chèn vào BHC và BHC sau đó được chuyển tiếp vào BSE chặng thứ nhất Các kênh dữ liệu chuyển trực tiếp qua các IOM nhưng bị trễ ở cổng vào một khoảng thời gian cố định để chờ các hoạt động điều khiển được thực hiện xong

Khi BHC đi đến BSE, phần điều khiển của BSE sử dụng giá trị cổng ra trong BHC để xác định các liên kết ra nào của nó được sử dụng khi chuyển tiếp chùm

Nếu liên kết ra có kênh rỗi thì chùm được chuyển mạch trực tiếp qua liên kết ra đó Nếu không có kênh nào sẵn có thì chùm có thể được cất giữ trong bộ phận cất giữ chùm (BSU) của BSE Trong chặng đầu tiên của mạng 3 chặng, các chùm có thể được định tuyến tới một cổng ra bất kỳ của BSE Việc lựa chọn cổng được thực hiện linh hoạt để cân bằng tải lưu lượng qua mạng kết nối Việc sử dụng định tuyến động tạo ra các đặc tính mở rộng tối ưu, từ đó có thể xây dựng các hệ thống lớp với giá thành cho một cổng không tăng nhiều khi số cổng trong hệ thống tăng lên

Hình 1.3 : Vận hành của hệ thống chuyển mạch chùm quang

Tại cổng ra của hệ thống chuyển mạch chùm, BHC được chuyển tiếp trên liên kết ra và trường offset được điều chỉnh bằng với thời gian trễ giữa thời điểm phát bit đầu tiên của BHC và bit đầu tiên của chùm

1.1.3.3 Các đặc tính của chuyển mạch chùm quang

Gần đây, chuyển mạch chùm quang đã thu được sự quan tâm đáng kể như là một giải pháp cho chuyển mạch gói quang Về cơ bản, chuyển mạch chùm quang coi lớp quang chỉ đơn thuần như là một phương tiện truyền trung gian không có bộ đệm cho các ứng dụng [1] Tuy nhiên, không có một định nghĩa tổng quát cho

chuyển mạch chùm quang Chuyển mạch chùm quang là một kỹ thuật để phát đi các chùm lưu lượng qua mạng chuyển tải quang nhờ việc thiết lập kết nối và đặt trước các tài nguyên xuyên suốt chỉ trong khoảng thời gian có chùm Chuyển mạch quang dựa trên việc tách mặt bằng điều khiển và mặt bằng dữ liệu Các gói dữ liệu được kết hợp thành chùm lớn hơn trước khi truyền qua mạng nhằm làm giảm số overhead được chuyển mạch và giảm số kết nối chéo quang Dolzer và cộng sự [12] đã tóm tắt một số đặc tính chung được chấp nhận rộng rãi như sau: (không phải tất cả các

cơ chế chuyển mạch chùm quang được đề xuất đều phải có tất cả các đặc điểm như

mô tả dưới đây)

• Tính hạt (Granularity): kích thước đơn vị truyền dẫn của chuyển mạch chùm quang là nằm giữa chuyển mạch kênh quang và chuyển mạch gói quang

• Tách biệt giữa điều khiển và dữ liệu: thông tin điều khiển được truyền trên một bước sóng (hoặc kênh) riêng biệt

• Hạn chế một chiều: Các tài nguyên được cấp phát sử dụng hạn chế một chiều Tức là một nút nguồn không cần thiết phải chờ xác nhận từ nút đích trước khi nó bắt đầu phát chùm

• Độ dài chùm thay đổi: Kích thước của chùm là thay đổi

• Không có đệm quang: Nút trung gian trong mạng quang không đòi hỏi các

bộ đệm quang Các chùm đi qua nút trung gian mà không có bất kỳ một trễ nào

Đặc biệt, đơn vị truyền dẫn là chùm (burst), nó có thể bao gồm một vài gói IP,

một dòng các tế bào ATM, các khung HDTV, hay dòng các bit thô (chưa xử lý) từ các bộ cảm biến dữ liệu ở xa Việc phát từng chùm được thực hiện sau khi phát gói điều khiển mà gói này thường được phát trên một kênh báo hiệu riêng biệt Không như chuyển mạch kênh, nút nguồn không chờ xác nhận rằng một đường dẫn với các tài nguyên khả dụng đã được thiết lập; thay vào đó, nó bắt đầu phát chùm dữ liệu ngay sau khi phát gói điều khiển Khoảng thời gian giữa thời điểm nút nguồn phát bit đầu tiên của gói điều khiển và thời điểm nút nguồn phát bit đầu tiên của chùm dữ

liệu là một tham số quan trọng và được gọi là offset Gói điều khiển mang thông tin

về chùm, bao gồm giá trị của offset, chiều dài của chùm, độ ưu tiên của nó, Mục đích của gói điều khiển là thông báo cho các nút trung gian về chùm dữ liệu sắp phát đi, do vậy nút này có thể đưa ra quyết định về tuyến và đặt cấu hình để chuyển mạch chùm tới cổng ra thích hợp Tuy nhiên, trong trường hợp tắc nghẽn hay xung đột ở cổng ra, nút trung gian có thể đánh mất chùm Bởi vậy, giống như trong chuyển mạch gói phi kết nối, sẽ không có bảo đảm cho việc phân phát Cũng vậy, các chùm liên tiếp nhau giữa một cặp nguồn-đích cho trước có thể được định tuyến một cách độc lập với nhau

Chuyển mạch chùm quang hoàn toàn tương tự với Giao thức đặt trước nhanh

(Fast Reservation Protocol) trong ATM hay Chuyển giao khối ATM với việc truyền dẫn ngay lập tức (ATM Block Transfer with Immediate Transmissions ATM-

IT) Tuy nhiên, trong loại thứ nhất thì tất cả các gói hay các tế bào trong chùm được

hệ thống chuyển mạch xử lý cùng với nhau thành một khối, trong khi ở loại thứ hai thì từng gói hay tế bào được hệ thống chuyển mạch cất giữ và chuyển tiếp riêng lẻ

1.2 Một số khái niệm cơ bản của chuyển mạch chùm quang

1.2.1 Offset của chùm

Offset của chùm là khoảng thời gian giữa thời điểm nút nguồn phát đi bit đầu tiên của gói điều khiển và thời điểm nút nguồn phát đi bit đầu tiên của chùm dữ liệu Dựa trên chiều dài offset của chùm, chuyển mạch chùm quang có thể được phân thành 3 loại sau:

• Không đặt trước (No Reservation): Chùm được gửi đi ngay sau gói điều khiển Điều đó có nghĩa offset chính bằng thời gian truyền của gói điều khiển Phương thức này chỉ có tính thực tế khi thời gian lấy cấu hình của hệ thống chuyển mạch và thời gian xử lý của hệ thống chuyển mạch của gói điều khiển là rất ngắn Loại này gần giống với chuyển mạch gói quang

Phương thức chuyển mạch chùm quang có tên gọi là "Nói và đi" (Tell And

Go -TAG) thuộc về loại này

• Đặt trước một chiều: Sau khi gói điều khiển gửi đi được một khoảng thời gian ngắn thì chùm được gửi đi, và nút nguồn không chờ sự xác nhận từ phía nút đích Do vậy, độ lớn của offset sẽ nằm trong khoảng thời gian phát gói điều khiển và trễ toàn trình của gói điều khiển Các cơ chế chuyển mạch chùm quang khác nhau có thể lựa chọn các giá trị offset khác nhau trong dải giá trị trên

Trong mô hình "thời gian vừa đủ" (just-enough-time JET) do Qiao và Yoo

[25] đề xuất, offset sẽ được lựa chọn dựa theo cách tính đến các trễ xử lý của gói điều khiển ở các hệ thống chuyển mạch trung gian Do vậy khi chùm đi tới các hệ thống chuyển mạch trung gian thì các hệ thống chuyển mạch này trước đó đã được đặt cấu hình rỗi Tại nút đích, chùm chỉ đi đến sau khi nút

đã được đặt cấu hình Yoo và cộng sự [38] cũng đã mô tả phương thức ưu tiên cho JET để hỗ trợ lưu lượng có nhiều loại Đặc biệt, chùm với loại cao hơn sẽ được gán với offset bổ sung Yoo cũng đã phân tích hoạt động của phương thức ưu tiên này với giả thiết không có xuyên nhiễu giữa các loại lưu lượng Dolzer và Gauger [11] đã đề xuất thuật toán lặp để phân tích một cách gần đúng phương thức ưu tiên này có quan tâm đến xuyên nhiễu giữa các loại lưu lượng, và họ thấy rằng phân bố thời gian giữa các lần đến của chùm chỉ có tác động nhỏ lên xác suất mất chùm, còn phân bố chiều dài chùm và tỉ

lệ độ dài chùm trung bình của các loại lưu lượng lại có tác động lớn lên xác suất mất chùm

Verma [28] và Chaskar [9] đã đưa ra phương thức tạo dạng lưu lượng bằng cách ngẫu nhiên hoá offset để giảm xác suất mất chùm

• Đặt trước 2 chiều: offset sẽ là thời gian cần thiết để nhận được xác nhận từ đích Loại này rất giống với chuyển mạch kênh quang tại đó nó phải chịu trễ toàn trình để thiết lập truyền dẫn và do gói điều khiển được đặt trước các tài nguyên nên việc phân phát của chùm được đảm bảo Phương thức chuyển

mạch chùm quang có tên gọi là "Nói và chờ" TAW (Tell And Wait) thuộc về

loại này Nhược điểm chính của loại này là thời gian của offset dài, do vậy gây ra trễ dữ liệu lớn

Düser và Bayvel [13] đã đề xuất kỹ thuật chuyển mạch chùm quang định tuyến bước sóng (WR-OBS) sử dụng đặt trước hai chiều Điểm khác biệt so với các loại đặt trước hai chiều khác thường gửi gói điều khiển sau khi kết hợp chùm là WR-OBS gửi gói điều khiển ngay trong quá trình kết hợp Đặc biệt, tại một số điểm trong quá trình kết hợp, nút nguồn sẽ gửi gói điều khiển

để đặt trước các tài nguyên dọc theo đường dẫn tới nút đích Nút nguồn tiếp tục kết hợp các gói vào chùm cho đến khi nó nhận được xác nhận Chùm này sau đó được gửi tới nút đích Do vậy trễ dữ liệu trung bình được giảm xuống Tuy nhiên, nút nguồn phải ước lượng được kích thước của chùm cuối cùng nhờ việc giám sát thống kê quá trình điền đầy bộ đệm khi nó gửi đi gói điều khiển

1.2.2 Các phương thức đặt trước bước sóng

Phần này mô tả các phương thức đặt trước bước sóng khác nhau cho chuyển mạch chùm quang dựa trên đặt trước một chiều Phụ thuộc vào thời điểm bắt đầu và kết thúc, Baldine và cộng sự [4] đã mô tả 4 kiểu sau của các phương thức đặt trước bước sóng như được chỉ ra trong Hình 1.4:

- Phương thức 1: Thiết lập rõ ràng và giải phóng rõ ràng Trong phương thức này, bản tin thiết lập (gói điều khiển) chứa offset của chùm, nhưng không chứa khoảng thời gian của chùm Việc đặt trước bắt đầu ngay sau khi hệ thống chuyển mạch nhận được bản tin thiết lập và kết thúc sau khi bản tin giải phóng đi đến Do vậy, chỉ có một bit on/off được yêu cầu để ghi lại tình trạng của bước sóng "On" có nghĩa là bước sóng đó bận còn "off" có nghĩa là bước sóng đó rỗi Bit on/off được lật bằng các bản tin thiết lập và giải phóng

- Phương thức 2: Thiết lập rõ ràng và giải phóng theo ước tính Trong phương thức này, bản tin thiết lập chứa cả offset và khoảng thời gian của chùm Mỗi bước sóng được kết hợp với một giá trị thời hạn cuối cùng cho biết khi nào thì bước sóng

sẽ rỗi Việc đặt trước bắt đầu sau khi hệ thống chuyển mạch nhận được bản tin thiết lập và sau khi hết thời hạn cho phép Việc đặt trước kết thúc ở cuối của chùm, giá trị cuối này được tính toán dựa trên việc sử dụng khoảng thời gian của chùm

Kết nối chéo được lấy cấu hình

Chùm quang

Host chủ gọi

Chuyển mạch chủ gọi

Chuyển mạch

bị gọi

Host bị gọi

Chùm quang

Host chủ gọi

Chuyển mạch chủ gọi

Chuyển mạch

bị gọi

Host bị gọi

Chuyển mạch

bị gọi

Host bị gọi

Giải phóng

Giải phóng

Giải phóng Phương thức 1

Chùm quang

Host chủ

gọi

Chuyển mạch chủ gọi

Chuyển mạch

bị gọi

Host bị gọi

Thiết lập

Trễ xử lý Thiết lập

Thiết lập

Kết nối chéo được lấy cấu hình

Giải phóng

Giải phóng

Giải phóng Phương thức 3

Hình 1.4 : 4 kiểu phương thức đặt trước bước sóng

- Phương thức 3: Thiết lập theo ước tính và giải phóng rõ ràng Trong phương thức này, bản tin thiết lập chứa offset của chùm nhưng không chứa khoảng thời gian của chùm Việc đặt trước bắt đầu ở điểm đầu tiên của chùm được tính toán dựa trên việc sử dụng offset của chùm, và kết thúc sau khi bản tin giải phóng đi đến

- Phương thức 4: Thiết lập theo ước tính và giải phóng theo ước tính Trong phương thức này, bản tin thiết lập chứa cả offset và khoảng thời gian của chùm Việc đặt trước bắt đầu ở điểm đầu tiên của chùm được tính toán dựa trên việc sử dụng offset của chùm, và kết thúc ở điểm cuối của chùm được tính toán dựa trên việc sử dụng khoảng thời gian của chùm Mỗi bước sóng được kết hợp với một vector của khoảng thời gian bước sóng bận

1.2.3 Giải quyết xung đột

Giải quyết xung đột là cần thiết để xử lý các trường hợp tại nơi có nhiều hơn một chùm đi tới một cổng ra ở cùng một thời điểm Trong hệ thống chuyển mạch chùm quang, các kỹ thuật được thiết kế cho mục đích xử lý sự cố này bao gồm 4 phương pháp sau

- Khai thác miền bước sóng: Trong WDM, một số bước sóng cùng hoạt động trên một kênh quang kết nối giữa 2 hệ thống chuyển mạch quang Khả năng này sẽ được khai thác để tối thiểu hoá xung đột và được thực hiện như sau: Giả sử rằng hai chùm được gửi tới cùng lúc ở một cổng ra Tuy vậy, chúng sẽ được truyền đi nhưng trên hai bước sóng khác nhau Phương pháp này có khả năng tối thiểu hoá xung đột, đặc biệt nếu số lượng bước sóng có thể kết hợp vào một sợi cáp quang tiếp tục tăng lên

- Đệm quang: Đệm quang hiện nay được sử dụng mới chỉ là các đường trễ quang (Optical delay line - ODL) ODL có thể làm trễ một chùm trong một khoảng thời gian nhất định phụ thuộc vào độ dài của đường trễ Các đường trễ có thể được chấp nhận trong các hệ thống chuyển mạch mẫu nhưng chúng không thích hợp khi thương mại hoá trong thực tế Một cách khác là chuyển đổi gói quang thành tín hiệu điện và cất giữ nó bằng điện Đây không phải là giải pháp có thể chấp nhận được vì các bộ nhớ điện không thể theo kịp với tốc độ của các mạng quang

- Định tuyến lệch hướng: phù hợp một cách lý tưởng với các hệ thống chuyển mạch có không gian đệm nhỏ hoặc không có không gian đệm Khi có xung đột giữa hai chùm thì một chùm sẽ được định tuyến tới cổng cần ra, còn chùm kia sẽ được

định tuyến tới bất kỳ một cổng ra đang rỗi khác Theo cách này, sẽ không cần có hoặc chỉ cần đệm rất ít Tuy nhiên, chùm bị lệch hướng có thể đi đến đích sau khi đi qua một quãng đường dài hơn Kết quả là, trễ end-to-end của chùm có thể cao quá mức chấp nhận được Cũng vậy, các chùm sẽ phải được sắp xếp lại tại đích do chúng đến đích không theo đúng thứ tự

- Phân đoạn chùm: Trong phương pháp này, khi xảy ra xung đột, nút sẽ không huỷ bỏ chùm mà nó phân chia chùm thành nhiều đoạn và chỉ các đoạn chồng lấn mới bị huỷ bỏ Theo cách này, mặc dù xác suất mất chùm không thay đổi nhưng xác suất mất dữ liệu chứa trong chùm sẽ được giảm xuống

Yoo và cộng sự [38] đã nghiên cứu ảnh hưởng của đường trễ quang lên xác suất mất chùm, và thấy rằng các đường trễ quang có thể làm giảm xác suất mất chùm, còn độ dài của đường trễ quang nhằm có được xác suất mất chùm nhất định có thể được giảm đáng kể khi số lượng bước sóng gia tăng Kim và cộng sự [16] đã trình bày thuật toán định tuyến lệch hướng Ngoài khoảng thời gian offset thông thường, mỗi chùm được gán thêm "khoảng thời gian offset định tuyến" để bổ sung cho trễ phát sinh thêm của chùm do định tuyến lệch hướng Họ thấy rằng nhờ việc đưa thêm "khoảng thời gian offset định tuyến" 10% thì xác suất mất chùm có thể được giảm đi đáng kể Detti và cộng sự [10] đã đề xuất kỹ thuật chuyển mạch chùm quang kết hợp (optical composite burst switching - OCBS) Kỹ thuật này sử dụng cả kích thước của bước sóng và phân đoạn chùm để giải quyết xung đột Họ thấy rằng việc phân đoạn của chùm có thể làm giảm xác suất mất chùm và số lượng các gói được phân chia trong một chùm càng nhiều thì OCBS càng có khả năng đạt được chất lượng cao của hoạt động

1.3 Các mô hình phân tích mạng OBS

Toàn bộ hoạt động nghiên cứu về các mạng OBS được đề xuất đều dựa trên việc mô phỏng hoặc các mô hình phân tích đơn giản Trong [9, 12, 11, 28], cổng ra của nút OBS được phân tích với giả thiết các tiến trình đến là Poisson và không có đệm Theo các giả thiết này, cổng ra có thể được mô hình hoá bằng một số lượng

hữu hạn các server, mỗi server biểu thị một bước sóng và không có hàng đợi Xác suất mà chùm bị mất khi đi đến cổng ra này sẽ có được từ công thức Erlang B Trong [27, 38], cổng ra được phân tích với giả thiết các tiến trình đến là Poisson và

có đệm Cổng ra sẽ được mô hình hoá bằng hàng đợi M/M/m/K, với m là số lượng bước sóng và K - m là dung lượng của bộ đệm Wei và McFarland [31] đã xem xét

nhiều loại lưu lượng chùm mà mỗi loại là một tiến trình đến Poisson

Tuy nhiên, rõ ràng là tiến trình đến Poisson không phải là một mô hình hợp lý cho lưu lượng mạng diện rộng và không chắc chắn là các tiến trình đến của chùm trong các mạng quang tương lai sẽ được đặc tính hoá một cách chính xác bằng mô hình Poisson Một vấn đề khác đó là trong tiến trình Poisson, quá trình đến xảy ra tức thời và thời gian phục vụ cần thiết cho quá trình đến độc lập với thời gian giữa các lần đến của hai chùm liên tiếp Tuy nhiên, trong chuyển mạch chùm quang, thời gian phục vụ của chùm chính là khoảng thời gian của chùm và không độc lập với thời gian giữa các lần đến của các chùm Thí dụ, thời gian giữa các lần đến giữa một chùm rất dài và do đó chùm kế tiếp sau cùng phải rất dài Do vậy, các mô hình phức tạp hơn là cần thiết để hiểu rõ hơn được chất lượng hoạt động cũng như tiềm năng của các mạng OBS

Trong [10], một nút OBS được phân tích với giả thiết lưu lượng On/Off, và giả thiết này có tính thực tế cao hơn tiến trình Poisson Tuy nhiên, chùm đến sẽ được gán với một cổng ra đích theo phân bố đồng nhất Đó không phải một giả thiết thực

tế vì trong hầu hết các trường hợp, một cổng ra đặc biệt sẽ có lưu lượng cao hơn các cổng ra khác Mô hình này cũng giả thiết rằng tất cả các bước sóng lối vào đều có quá trình On/Off như nhau Điều này cũng là một giả thiết không thực tế Cuối cùng, một vấn đề đối với quá trình On/Off là nó chỉ là mô hình mẫu cho một loại lưu lượng chùm đơn lẻ

Chương 2 Các giao thức truy nhập cho mạng Ring OBS 2.1 Giới thiệu chung

Hiện nay, đã có nhiều nghiên cứu về chuyển mạch chùm quang trong phạm vi mạng diện rộng với cấu hình lưới Tuy nhiên, chương này chỉ trình bày nghiên cứu

về các giao thức truy nhập OBS cho các mạng ring WDM Lý do để nghiên cứu về các cấu hình ring là sự triển khai rộng rãi của các vòng ring SONET/SDH trong thực tế Các mạng này đã thu hút sự đầu tư lớn của nhiều nhà cung cấp thiết bị và hiện nay đang được nâng cấp để hỗ trợ WDM Đây là một nghiên cứu mới về các giao thức chuyển mạch chùm quang đặc biệt cho các mạng ring Ở đây vòng ring OBS được sử dụng để chuyển tải các kiểu lưu lượng khác nhau như IP, ATM và lưu lượng Frame Relay, kể cả HDTV và lưu lượng của bộ cảm biến (sensor) không được chuyển tải trên IP, ATM hay Frame Relay Mục đích của chương này là phân tích hoạt động cũng như tính đồng đều (fairness) của 5 giao thức truy nhập OBS khác nhau Việc các giao thức này có thể được sử dụng như thế nào để cung cấp các loại hình dịch vụ khác nhau cho các ứng dụng khác nhau nằm ngoài phạm vi của chương này

Chương này được tổ chức như sau Phần 2.2 mô tả các phương thức chuyển mạch chùm quang trong mạng ring và đưa ra một phương pháp tính toán offset nhằm đơn giản hoá việc sắp xếp giao thức Phần 2.3 mô tả mạng ring và việc vận hành cơ bản của chuyển mạch chùm quang trong mạng ring này Phần 2.4 mô tả chi tiết về các giao thức truy nhập khác nhau của chuyển mạch chùm quang Mục 2.5 trình bày về một số phương pháp thực nghiệm để mô tả hoạt động của các giao thức truy nhập chuyển mạch chùm quang ở trên, và mục 2.6 trình bày một số nhận xét tóm tắt

2.2 Các phương thức chuyển mạch chùm quang

Có một số kiểu chuyển mạch chùm quang, chủ yếu khác nhau về độ dài của

offset Trong phương thức chuyển mạch chùm có tên gọi "Nói và đi" (Tell And Go -

TAG), thì chùm được phát đi ngay lập tức sau gói header của chùm Điều này có

nghĩa offset chính là khoảng thời gian phát gói header của chùm Phương thức này

là thực tế chỉ khi thời gian lấy cấu hình hệ thống chuyển mạch và thời gian xử lý hệ thống chuyển mạch gói header của chùm rất ngắn Một phương thức khác là "Nói

và Chờ" (Tell and Wait - TAW) đòi hỏi offset tối thiểu phải bằng với thời gian cần

thiết để nhận xác nhận từ đích TAW tương đương với kỹ thuật chuyển mạch kênh tại đó nó phải chịu trễ toàn trình để thiết lập đường truyền và do vậy gói header của chùm sẽ đặt trước các tài nguyên, việc phân phát chùm sẽ được bảo đảm Một thuận lợi khác của TAW là nó loại trừ các xung đột của bộ thu vì nút chỉ trả lại xác nhận cho các chùm khi nút đó đã sẵn sàng tiếp nhận

Hình 2.1 : Tính toán Offset trong giao thức JET OBS

Phương thức chuyển mạch chùm trung gian có tên gọi "Thời gian vừa đủ" (Just

Enough Time - JET), phương thức này lựa chọn offset theo cách có tính đến trễ xử

lý của gói header của chùm ở các hệ thống chuyển mạch trung gian Ký hiệu

T s

d

)

(

biểu thị thời gian để thiết lập (lấy cấu hình) hệ thống chuyển mạch đích Khi

đó, giá trị offset cho JET là:

T T

d

p d i

p i JET

Như ta có thể thấy từ biểu thức (2.1), phần của giá trị offset phụ thuộc vào đường dẫn giữa nguồn và đích là tổng của các thời gian xử lý ở các nút trung gian Với các tiến bộ gần đây về thực thi phần cứng của các các giao thức thông tin, sẽ

i

) (

trong (2.1) là rất ngắn đối với hầu hết các chức năng thông thường của giao thức báo hiệu (tức là không có các điều kiện ngoại lệ) Trong trường hợp này, các đường trễ quang với độ dài hợp lý có thể được

sử dụng ở các nút trung gian để làm trễ từng chùm đi đến với một khoảng thời gian

này được gọi là giao thức "Chỉ có trễ ở đích" (Only Destination Delay - ODD) và

offset của nó được xác định bằng công thức:

T s

d

p d ODD

Hơn nữa, thay vì việc sử dụng các giá trị riêng đối với từng đích cho các trễ xử

lý và chuyển mạch trong (2.2), một giá trị offset không đổi được sử dụng nhờ việc lấy giá trị cực đại của các giá trị này trên toàn bộ các đích Giá trị offset không đổi không phụ thuộc vào đường dẫn (hay số lượng các chặng) tới đích làm đơn giản đáng kể việc thiết kế và thực thi các giao thức báo hiệu cùng như các hệ thống chuyển mạch quang cho các mạng chuyển mạch chùm

2.3 Cấu trúc mạng

2.3.1 Cấu trúc Ring và nút

Nót OBS

N+1 b−íc sãng

C¸c m¹ng truy nhËp

Vßng Ring OBS MAN

Hình 2.2 : Vòng ring OBS của mạng MAN

Xét N nút OBS được tổ chức theo vòng ring một hướng duy nhất như chỉ ra

trong Hình 2.2 Vòng ring có thể là mạng thành phố (MAN) đóng vai trò làm đường trục để kết nối các mạng truy nhập và chuyển tải nhiều kiểu lưu lượng từ các khách hàng, ví dụ như lưu lượng IP, lưu lượng ATM, lưu lượng HDTV và lưu lượng của

bộ cảm biến Mỗi liên kết cáp quang giữa hai nút OBS liên tiếp trong vòng ring có

thể hỗ trợ N +1 bước sóng Trong đó, N bước sóng được sử dụng để truyền đi các chùm và bước sóng thứ N+1 được sử dụng làm kênh điều khiển