GIỚI THIỆU CHUNG
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 đợc truyền giữa các node quang, nhng sự chuyển đổi quang điện tử đợc thực hiện ở mọi node SONET/SDH là một ví dụ Một lựa chọn khác có u điểm hơn là sử dụng các topo mạng kiểu bus, vòng và sao
Hình1.1: Các topo mạngdạng Điểm - điểm, vòng, sao, lới.
Trong mạng WDM topo kiểu vòng đợc a dùng hơn Topo kiểu mạng l- ới có nhiều u điểm hơn khi so sánh với các loại trớc bởi vì dung sai cắt sợi tốt hơn, khi có nhiều lựa chọn định tuyến Thêm nữa, một node với tốc độ lu lợng cao đợc nối với vài node, và một node với lu lợng dữ liệu trên một node đơn chỉ có thể nối với node đơn này Đáng tiếc, một mạng topo dạng mạng lới gặp nhiều khó khăn khi triển khai do yêu cầu phức tạp trong định tuyến và chuyển mạch Mạng WDM đầu tiên xuất hiện giữa những năm
1990 là mạng kiểu điểm - điểm Sau đó các phần tử tách-ghép đợc sử dụng và cuối những năm 1990 topo mạng kiểu vòng trở nên a dùng Ngày nay đã sử dụng các mạng có topo mạng kiểu mạng lới Một phần các mạng gói quang đợc thực hiện trong môi trờng phòng thí nghiệm Chắc chắn các mạng gói thơng mại sẽ theo sự phát triển giống nh các mạng WDM trớc đó.
1.1.2 Sự phát triển của dung lợng truyền dẫn
Tốc độ phát triển của dung lợng truyền dẫn nhanh hơn trong các năm trớc đây Giữa thập niên 90 tốc độ tăng là 30% trên năm, ngày nay là 60%. Bảng mô tả dự báo sự phát triển của tổng dung lợng và tốc độ bít ngời sử dông.
1Tbit/sTốc độ bít POTS ADSL Quang, ADSL Quang, ngời sử dông
1.1.3 Sự phát triển của mạng
Mạng quang đầu tiên đợc thực thi cách đây hơn thập kỷ, nhng sự khai thác thực tế của mạng quang lại liên quan với hiện tợng mới Mạng sử dung công nghệ WDM sẽ tới đỉnh điểm của nó trong nửa cuối năm nhng năm
2000 Sự phát triển vẫn tăng nhanh nếu nh tốc độ phát triển của dung lợng vẫn tăng 60% trên năm
Hiện nay phơng pháp ghép kênh phân chia theo bớc sóng (WDM) là công nghệ ghép kênh a chuộng nhất cho các mạng thông tin quang, bởi vì mọi thiết bị đầu cuối sử dụng chỉ cần hoạt động tại tần số của một kênh WDM WDM là một cách ghép, trong đó ta có thể lợi dụng sự không đối xứng băng tần quang điện rộng lớn bằng cách yêu cầu mỗi đầu cuối của mỗi ngời sử dụng chỉ hoạt động tại tốc độ điện tử và các kênh ghép WDM từ các đầu cuối của ngời sử dụng khác sẽ đợc ghép vào trong cùng một cáp. Trong ghép kênh theo bớc sóng WDM, mỗi bớc sóng hỗ trợ một kênh thông tin hoạt động tại bất kỳ tốc độ đợc thiết kế này.
Ghép kênh phân chia theo bớc sóng (WDM) xuất hiện nh một giải pháp đợc lựa chọn để cung cấp một cơ sở hạ tầng mạng nhanh hơn, đáp ứng đợc sự bùng nổ của Internet Thế hệ đầu tiên của WDM chỉ cung cấp các liên kết vật lý điểm tới điểm đợc sử dụng hạn chế trong các trung kế WAN. Các cấu hình mạng WDM, WAN là các cấu hình tĩnh.
Thế hệ thứ hai của WDM có khả năng thiết lập các tuyến quang kết nối từ đầu cuối tới đầu cuối trong lớp quang sử dụng kết nối chéo lựa chọn bớc sóng WSXC Các tuyến quang tạo ra một tôpô ảo trên tôpô sợi quang vật lý Cấu hình bớc sóng ảo có 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 và bộ tách ghép bớc sóng với khả năng chuyển đổi bớc sóng, định tuyến động và phân bố bớc sóng tại các node nối chéo.
WDM thế hệ thứ ba đợc sử dụng trong các mạng quang chuyển mạch gói phi kết nối, trong đó các tiêu đề hay các nhãn đợc gắn với dữ liệu, Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 1: Giới thiệu chung truyền đi cùng với tải và đợc xử lý tại mỗi chuyển mạch quang WDM Dựa trên tỷ lệ giữa thời gian xử lý tiêu đề gói và chi phí truyền dẫn gói, chuyển mạch WDM có thể đợc sử dụng hiệu quả bằng cách sử dụng chuyển mạch nhãn hay chuyển mạch burst quang Chuyển mạch gói quang vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu
Sự phát triển mạng của WDM đợc chỉ ra nh hình vẽ
Chuyển mạch kênh quang đợc sử dụng cho lu lợng đợc tập hợp lại có kích thớc lớn, một kênh truyền sẽ đợc thiết lập trớc và không thay đổi trong quá trình truyền dữ liệu Chuyển mạch gói quang sử dụng cho các gói dữ liệu có kích thớc nhỏ.
Chuyển mạch quang
Chuyển mạch là từ dùng để chỉ hai nghĩa khác nhau Một là để định nghĩa tóm tắt khái niệm chuyển mạch tức là thiết bị sử dụng chuyển mạch
Thế hệ thứ 3 Thế hệ thứ 1 Thế hệ thứ 2
Chuyển mạch kênh WDM Chuyển mạch burst quang Chuyển mạch gãi quang Các kênh tĩnh tới động Các đ ờng ảo và l u giữ và chuyển tiễp
Hình 1.2 Sự phát triển mạng WDM
OLS chỉ một thiết bị với một vài thiết bị hoặc là một thiết bị phức hợp mà gồm khối điều khiển phức tạp, các bộ đệm đờng dây trễ, các bộ lọc, các bộ chuyển đổi bớc sóng và các chuyển mạch đơn giản
Các chuyển mạch không gian và các bộ định tuyến bớc sóng là các thành phần cơ bản của một chuyển mạch quang Một chuyển mạch không gian chỉ chuyển theo cách đơn giản các tín hiệu từ mỗi đầu vào tới một đầu ra Có một vài cách để thực hiện một chuyển mạch không gian nhng lựa chọn tốt nhất là sử dụng các SOA (các bộ khuyếch đại quang bán dẫn) Nh hình 1.3 mô tả một chuyển mạch không gian.
Hình 1.3: Chuyển mạch dựa trên cổng SOA.
Chuyển mạch dựa trên cổng SOA NN nh mô tả ở trên gồm N bộ tách 1N, N 2 cổng SOA và N bộ trộn 1N Nếu tín hiệu đợc chuyển tới đầu ra j, cổng j ở trạng thái mở và các cổng khác ở trạng thái đóng Tất cả các cổng có cùng chỉ mục sẽ đợc kết nối tới một bộ trộn
Một bộ định tuyến bớc sóng có thể đợc cấu hình trớc hoặc không Nh hình 1.4 mô tả bộ định tuyến bớc sóng không cấu hình trớc Mỗi tín hiệu từ đầu vào i với bớc sóng j luôn đợc truyền trực tiếp tới đầu ra k Một ví dụ của bộ định tuyến lại này là AWGM Một AWGM gồm hai coupler sao và một AWG giữa chúng Coupler sao tách các tín hiệu từ các cổng đầu vào và Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 1: Giới thiệu chung khác nhau Độ trễ tín hiệu phụ thuộc vào độ dài của ống dẫn sóng và bớc sóng Coupler sao thứ hai chỉ phối hợp theo cấu trúc các tín hiệu có pha khác nhau tại một cổng đầu ra đơn
Mặc dù một bộ định tuyến bớc sóng không cấu hình trớc không có thuộc tính chuyển mạch thì vẫn đợc sử dụng rộng rãi trong các chuyển mạch gói quang định tuyến theo bớc sóng Y tởng chính để mọi gói đợc chuyển đổi đầu tiên thành một bớc sóng chính xác và sau đó truyền trực tiếp tới AWGM Bởi vì AWGM chọn cổng ra của mỗi gói tuỳ thuộc cổng ra và bớc sóng, mỗi gói sẽ đợc chuyển tới cổng ra đã định. l 1 l 2 l N l 1 l 2 l N l 1 l 2 l N l 1 l 2 l N l 1 l 2 l N l 1 l 2 l N
Hình 1.4: Bộ định tuyến bớc sóng.
1.2.1 Phân loại chuyển mạch quang
Chuyển mạch có thể đợc 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 thi chúng dễ dàng hơn Chuyển mạch quang lại đợc chia thành:
1.2.1.1 Kỹ thuật chuyển mạch kênh quang
Chuyển mạch kênh quang hoạt động theo kiểu định tuyến theo bớc sóng Trong mạng chuyển mạch kênh quang, một đờng dẫn bớc sóng riêng đợc thiết lập trong khoảng thời gian kết nối Để một mạng chuyển mạch kênh hoạt động, một kênh sẽ đợc ấn định từ đầu tới cuối cho một kết nối. Kênh này sau đó chỉ đợc đăng ký phục vụ cho một kết nối
Hình 1.5 Mạng chuyển mạch kênh.
Trong mạng chuyển mạch kênh trên đây yêu cầu nối giữa điểm A và B. Một kênh đợc thiết lập thông qua các node R1, R3, R4 và R5 Ta cũng có thể thành lập các tuyến liên kết khác giữa A và B Giữa các node chuyển mạch có thể cho phép nhiều kênh đợc thiết lập
Chuyển mạch kênh gồm có 3 giai đoạn: Thiết lập kênh, truyền dữ liệu, và giải phóng kênh.
Thiết lập kênh: Đăng ký một bớc sóng cố định theo đờng dẫn lựa chọn, mỗi liên kết trên đờng dẫn đợc định hớng từ nguồn tới đích t- ơng ứng của nó.
Truyền dữ liệu: Dữ liệu đợc gửi trên một đờng riêng Khi phân phối điều khiển đợc sử dụng trong giai đoạn định tuyến, một khoảng thời gian yêu cầu giữa giai đoạn thiết lập và giai đoạn truyền dẫn là T, có giá trị T=2p+delta (p là thời gian truyền một chiều), delta là tổng trễ xử lý do yêu cầu thiết thiết lập trên đờng truyền) Dữ liệu trong chuyển mạch kênh không cần đệm ở các node trung gian do kênh chỉ sử dụng phục vụ cho việc truyền dữ liệu này tại thời điểm cụ thể
Giải phóng kênh: Sau khi dữ liệu gửi đi tới đích, kênh truyền dẫn sẽ đợc giải phóng Đích gửi về nguồn một bản tin xác nhận Các node trên đờng truyền lần lợt đợc giải phóng để phục vụ cho kết nối khác. Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 1: Giới thiệu chung
Hình 1.6 Tín hiệu trong chuyển mạch kênh.
Chuyển mạch gói quang là công nghệ tiếp theo đợc lựa chọn phục vụ cho việc truyền tải dữ liệu qua WDM Hoạt động trong chuyển mạch gói: Các gói thông tin đợc gửi đi trên tuyến thích hợp đợc lựa chọn bởi bộ định tuyến tại node khi gói đến Trong chuyển mạch gói, mỗi gói có một tiêu đề tơng ứng mang thông tin về gói cũng nh địa chỉ của gói, và mỗi node chuyển mạch trong mạng (các bộ định tuyến) sẽ nhận thông tin này và gửi đi trên tuyến thích hợp
Hình 1.7 Mạng chuyển mạch gói Hình vẽ 1.7 mô tả một mạng chuyển mạch gói Gói đợc gửi từ điểm C tới đích D Một gói thông tin rời C và đợc gửi đi trên tuyến R1 tới R3, sau đó từ R3 gửi tới R4 và tới D Tuy nhiên gói cũng có thể đợc truyền tới D theo hớng khác Nếu việc truyền dẫn từ R1 tới R3 chậm hoặc bị mất, gói từ R1 sẽ đợc gửi tới R2, từ R2 tới R5 và 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 giá trị nhỏ nhất Smin tới giá trị lớn nhất S max Trờng hợp gói có độ
Giữ liệu ng ời dùng
Tín hiệu chấp nhận cuộc gọi
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 mạch gói quang vẫn đang tiếp tục nghiên cứu và trên thế giới chuyển mạch kênh quang là lựa chọn thích hợp hơn chuyển mạch gói quang Nói cách khác, lu lợng viễn thông trong tơng lai vẫn còn tiếp tục bùng nổ Trong bất cứ trờng hợp nào, thì lu lợng dạng gói sẽ ở mức lựa chọn cao hơn Nếu tìm thấy một cách để thực hiện thơng mại chuyển 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 nh kỹ thuật chuyển mạch vẫn cha đáp ứng đợc 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 bớc sóng liên kết giữa các gói với các nguồn và các đích khác nhau Tuy nhiên do cơ cấu lu đệm và chuyển tiếp, mọi node đều phải xử lý tiêu đề của gói tới để xác định tuyến truyền của gói, vì vậy cần phải sử dụng bộ đệm tại các node.
Chuyển mạch burst quang không cần phải có bớc sóng riêng cho mỗi kÕt nèi ®Çu cuèi tíi ®Çu cuèi v× vËy ngay sau khi burst ®i qua mét tuyÕn liên kết thì bớc sóng sẽ đợc giải phóng ngay Khác với chuyển mạch gói, chuyển mạch burst không nhất thiết phải sử dụng các bộ đệm.
Chuyển mạch burst quang là chuyển mạch hứa hẹn nhiều triển vọng, nó sẽ thay thế các chuyển mạch hiện tại, và sẽ mang tính thơng mại cao hơn chuyển mạch gói quang, nó tránh đợc 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 trong trờng chuyển mạch Bởi vì dữ liệu đợc móc nối vào nhau bên trong các phần tử lớn hơn trong các mạng chuyển mạch burst, có nhiều dữ liệu / tiêu đề hơn so với các mạng chuyển mạch gói Trớc tiên, là đạt đợc tốc độ dữ liệu cao hơn với cùng một tốc độ xử lý tiêu đề hơn nữa, không cần thiết phải triển khai các bộ đệm quang phức tạp Các burst có thể đợc đệm trong miền điện tại cạnh của mạng thay cho bộ đệm tại mỗi node vì thời gian mao đầu đã đợc xử lý Các trờng chuyển mạch có thể đợc triển khai mà không cần bộ đệm hoặc với một vài đờng trễ để giải quyết xung đột Chuyển mạch burst đã tránh đợc những vấn đề của chuyển mạch gói, và phù hợp cho yêu cầu lu lợng hiện nay Trong thời gian tới, chuyển mạch burst rõ ràng sẽ hấp dẫn hơn chuyển mạch gói quang, và trong cuộc đua đờng dài chuyển mạch burst dờng nh là đối thủ mạnh nhất của chuyển mạch gói quang Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 2: Một số phần tử quang điện tử
MỘT SỐ PHẦN TỬ QUANG ĐIỆN TỬ
Coupler quang
Coupler quang là một thiết bị phổ dụng nhất trong mạng thông tin quang Các coupler quang có thể sử dụng để chia công suất quang từ một sợi quang đầu vào tới nhiều sợi ở đầu ra Hoặc nó có thể hợp các tín hiệu ánh sáng từ hai sợi vào một sợi đầu ra nh hình 2.13.
Một coupler tổng quát bao gồm n đầu vào và m đầu ra, nếu là coupler
1 xn thì gọi là bộ chia quang, và nếu là coupler n x1 thì gọi là bộ kết hợp quang Ví dụ trong coupler quang 2x2 (hình 2.14), một phần tín hiệu đầu vào phía trên định hớng tới cổng đầu ra phía trên, và phần còn lại định hớng tới cổng đầu ra phía dới Tín hiệu đầu vào phía dới cũng tơng tự Các phần định hớng tới các cổng đầu ra có thể là tơng đơng, và cũng có thể là khác nhau. oupler quang có thể thực hiện bằng cách ghép hai sợi đơn mode thông qua xử lí hai đầu sợi hình nón nh hình 2.15.
Bộ chia quang Bộ kết hợp quang Coupler quang
Hình 2.13: Mô hình các coupler quang.
Dạng hình học của hình nón có thể điều chỉnh để đạt đợc tỉ lệ phân chia theo yêu cầu Các coupler bốn cổng có thể đợc liên kết với nhau để tạo ra các coupler sao với n đầu vào và n đầu ra, hoặc couper sao lên tới 128 cổng có thể sản suất nh một thiết bị tích hợp Ưu điểm của coupler là không cần cung cấp nguồn, hoạt động tin cậy, không đắt, mức suy hao thấp Ta có thể mô tả một coupler sao 16 x16 nh hình 2.16.
2.3 Bộ chuyển đổi bớc sóng khả chỉnh (TWC)
TWC là thiết bị chuyển đổi từ một bớc sóng vào, sang một bớc sóng ra khác TWC có thể điều khiển đợc nhóm bớc sóng đầu vào để thay đổi bớc sóng đầu ra TWC rất hữu dụng trong chuyển mạch gói vì những lí do sau:
+ Có tác dụng giảm rõ rệt số lợng đờng dây trễ vì TOWC cho phép lu chuyển nhiều gói quang ở nhiều bớc sóng khác nhau trên cùng một đờng dây trễ Mặc dù sử dụng TOWC có thể làm đảo lộn thứ tự gói, song ta có thể bỏ qua vì ảnh hởng lên lu lợng là rất nhỏ, ngay cả trong trờng hợp xấu nhÊt.
+ Dữ liệu đi vào mạng đa bớc sóng cần phải biến đổi bớc sóng để phù hợp với bớc sóng của mạng Ví dụ trong thời gian đầu, mạng cáp quang th- ờng dùng bớc sóng 850nm để mang tín hiệu, nhng khi phát triển hệ thống
Bộ kết hợp Bộ chia
H×nh 2.16: Coupler sao 16 x 16 Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 2: Một số phần tử quang điện tử mạng sang hoạt động ở bớc sóng 1550 nm để giảm suy hao, khi đó sẽ không tơng thích giữa các hệ thống vì hai bớc sóng này có những tính chất khác nhau Do vậy, các bộ TWC đã nâng hiệu quả sử dụng các bớc sóng.
Có nhiều phơng pháp công nghệ để tạo ra thiết bị chuyển đổi bớc sóng nh dùng điện quang, dùng cổng quang, phơng pháp trộn sóng…, nh và có thể chia làm hai loại đó là chuyển đổi bớc sóng quang/điện và chuyển đổi bớc sóng toàn quang Công nghệ chuyển đổi bớc sóng toàn quang lại đợc chia làm hai loại đó là công nghệ hiệu ứng kết hợp và công nghệ điều chế chéo.
2.3.1 Chuyển đổi bớc sóng quang/điện
Trong chuyển đổi bớc sóng quang/điện, trớc hết, tín hiệu quang đợc biến đổi thành tín hiệu điện nhờ PD Luồng bit điện sẽ đợc lu trong bộ đệm. Tín hiệu điện sẽ điều khiển đầu vào của Laser khả chỉnh để có đầu ra là bớc sóng yêu cầu Phơng pháp này đợc thử nghiệm ở tốc độ 10 Gb/s Tuy nhiên phơng pháp này phức tạp hơn và cũng tốn nguồn hơn so với các phơng pháp khác Hơn nữa, quá trình xử lý chuyển đổi quang/điện ảnh hởng tới tính trong suốt của tín hiệu vì nó yêu cầu tín hiệu quang phải đợc điều chế theo khuôn dạng nhất định và tốc độ bit nhất định Toàn bộ thông tin dới dạng pha, tần số hay biên độ cũng bị suy hao trong quá trình xử lí chuyển đổi.
2.3.2 Chuyển đổi bớc sóng bằng hiệu ứng kết hợp
Phơng pháp này chủ yếu dựa trên đáp ứng phi tuyến để tạo hiệu ứng trộn sóng giữa nhiều bớc sóng Trộn bớc sóng có thể duy trì đợc pha và biên độ thông tin, do đó không làm mất tính trong suốt Cách thức này cũng có thể đổi cả một tập bớc sóng đầu vào sang một tập bớc sóng khác và có khả năng phù hợp với tín hiệu có tốc độ bit quá 100 Gb/s Trong hình 5,
Tín hiệu đã chuyển đổi Tín hiệu vào l c
Hình 2.17: Chuyển đổi b ớc sóng dựa trên hiệu ứng trộn phi tuyến. giá trị n = 3 tơng ứng trộn bốn bớc sóng (FWM) và n = 2 tơng ứng tạo ra sai khác hai tần số (DFG Difference Frequency Generation) Các kỹ thuật này đợc mô tả nh hình 2.17
2.3.2.1 Trén bèn bíc sãng (FWM)
Trộn 4 bớc sóng dựa trên hiệu ứng phi tuyến bậc ba trong sợi silica, từ
3 bớc sóng có tần số fi, fj, và fk tơng tác trong hệ thống WDM đa kênh tạo thành 4 bớc sóng nh sau: k j i k j i f f f f - víi i j k
FWM cũng có thể tạo ra trong các thiết bị dẫn sóng thụ động nh thiết bị dẫn sóng bán dẫn hay trong thiết bị tích cực nh khuyếch đại quang bán dẫn (SOA Semiconductor Optical Amplifier) Công nghệ này có khả năng cho tốc độ bit cao, tuy nhiên hiệu ứng chuyển đổi từ năng lợng bơm thành năng lợng tín hiệu không cao, do đó làm giảm độ nhạy.
2.3.2.2 Tạo tần số vi sai
DFR là kết quả của sự tơng tác phi tuyến bậc hai giữa 2 bớc sóng quang: Bớc sóng bơm và bớc sóng tín hiệu Kỹ thuật này hoàn toàn đảm bảo tính trong suốt mà không có nhiễu với tín hiệu Nó cũng có thể thực hiện theo hai hớng tốc độ cao, nhng hiệu quả không cao và độ nhạy lỡng cực cao Khó khăn chủ yếu của công nghệ này là cần thích ứng pha giữa các bớc sóng tơng tác và cần bộ dẫn sóng suy hao thấp để đạt hiệu suất chuyển đổi cao
2.3.3 Chuyển đổi bớc sóng bằng công nghệ điều chế chéo
Phơng pháp này sử dụng các linh kiện quang tích cực nh bộ khuyếch đại quang bán dẫn và laser Kỹ thuật này còn gọi là chuyển đổi bớc sóng cổng quang
2.3.3.1 Khuyếch đại quang bán dẫn trong chế độ XGM và XPM:
Công nghệ điều chế hệ số chéo bằng SOA nh hình 2.18 sau: Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 2: Một số phần tử quang điện tử
Tín hiệu đầu vào đã điều chế cờng độ sẽ điều chế hệ số khuyếch đại của SOA tới hệ số bão hòa Sự thay đổi hệ số sẽ tạo ra tín hiệu sóng liên tục (CW Continuous-Wave) theo yêu cầu tại đầu ra (lc) Vì chỉ hệ số thay đổi nên thông tin đợc giữ nguyên theo thông tin đầu vào Tín hiệu CW có thể hoặc đa vào SOA cùng hớng với tín hiệu vào (gọi là cùng hớng) hoặc theo hớng đối diện với tín hiệu đầu vào (gọi là bù hớng) Mặc dù XGM rất đơn giản và có thể chuyển đổi ở tốc độ 10 Gb/s, song có nhợc điểm là luồng bit của tín hiệu đầu ra bị đảo cực so với tín hiệu đầu vào và làm suy giảm chất lợng tín hiệu chuyển đổi
Bộ lọc quang âm khả chỉnh
Bộ lọc quang khả chỉnh cho phép ta lựa chọn một hay nhiều bớc sóng từ nhiều bớc sóng của tín hiệu tổng Khi sóng âm đi qua vật liệu quang sẽ t- ơng tác với sóng ánh sáng qua hiệu ứng đàn hồi quang, và sẽ làm thay đổi đặc tính ánh sáng tới ánh sáng tới bộ lọc này sẽ bị nhiễu xạ một góc tuỳ thuộc vào góc tới và bớc sóng, do đó dới tác dụng điều khiển của sóng âm thanh, ta sẽ lựa chọn đợc một hoặc nhiều bớc sóng yêu cầu Thiết bị này có dải điều khiển rộng nhng thời gian điều khiển khá dài (cỡ vài s), ta có thể minh họa sơ đồ khối của bộ lọc quang khả chỉnh nh hình 2.20.
Bộ lọc quang khả chỉnh
Hình 2.20: Sơ đồ khối bộ lọc quang khả chỉnh. Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 3: Chuyển mạch gói quang
CHUYỂN MẠCH GÓI QUANG
Giới thiệu chung
Mạng với các thiết bị quang hiện đang có triển vọng lớn trong việc cung cấp các ứng dụng đa phơng tiện thời gian thực cao, vì nó có khả năng truyền dẫn ở tốc độ cao hơn rất nhiều với độ tin cậy lớn hơn so với mạng điện thông thờng Hiện nay, các liên kết quang đã thay thế cho cáp đồng trong rất nhiều mạng, tuy nhiên mạng quang theo đúng nghĩa mới chỉ đợc bắt đầu phát triển, nó bao gồm truyền dẫn quang, chuyển mạch quang và cả khả năng xử lí gói tin bằng công nghệ quang Dới đây sẽ nghiên cứu một kĩ thuật mới, hiện cha đợc triển khai trên thực tế, song lại là một giải pháp có rất nhiều u điểm, và có khả năng đáp ứng đợc các yêu cầu của mạng thế hệ mới về mọi mặt, đó là "chuyển mạch gói quang" Chuyển mạch gói quang là kĩ thuật chuyển mạch gói đợc thực hiện bởi hoàn toàn công nghệ quang thông qua các thiết bị quang Mạng chuyển mạch gói quang hoàn toàn có khả năng truyền tải mọi loại thông tin, từ tốc độ bit thấp nh thoại cho tới tốc độ bit cao là video rõ nét, và có thể đáp ứng các yêu cầu khác nhau của mỗi loại dịch vụ có về tốc độ bit, đặc tính, kiểu tốc độ (cố định hay thay đổi), độ chính xác thông tin (nh độ mất gói và tỉ lệ lỗi bit) và đảm bảo thời gian (độ trễ và jitter).
Chuyển mạch gói quang có thể đáp ứng mọi yêu cầu và ta có thể phân loại các yêu cầu thông tin của chuyển mạch đó là:
Khả năng quản lí các loại tốc độ thông tin khác nhau.
Có thể chuyển mạch đa phơng hoặc quảng bá.
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 cha hoàn toàn quang, các tín hiệu đều cần chuyển đổi trở lại dạng điện trớc khi chuyển mạch và xử lí.
Nh vậy, các u điểm lớn của thông tin quang nh tốc độ và hiệu quả vẫn cha đợc phát huy cao do độ trễ vẫn lớn Mạng chuyển mạch gói quang có thể cha đợc áp dụng vào cuộc sống trong một vài năm tới do giới hạn về công nghệ quang Tuy nhiên với sự phát triển nhanh chóng và rất nhiều các mô hình nghiên cứu chuyển mạch gói quang, mạng viễn thông sẽ có thể áp dụng công nghệ này vào thực tiễn để đáp ứng đợc đòi hỏi ngày càng cao của các dịch vụ ngời dùng.
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 làm cho lu lợng viễn thông không ngừng tăng nhanh, và từ đó băng thông yêu cầu cũng tăng lên ngày càng lớn Bớc đầu để đáp ứng băng thông là sự triển khai hệ thống truyền dẫn WDM Và bớc tiếp theo, mạng thế hệ mới cần phải tận dụng đợc kĩ thuật WDM bằng cách thực hiện các chức năng quang trong điều khiển và quản lí các tín hiệu hàng megabit, nh thế sẽ làm giảm sự phức tạp trong hệ thống điện và giảm giá thành.
Sự nâng cấp mạng từ điện sang quang làm phát sinh vấn đề nghẽn cổ chai về khả năng thông qua Vấn đề này đã thấy đợc trên mạng đờng trục kết nối chéo quang, và ngời ta cần sử dụng tầng chuyển mạch gói quang giữa tầng chuyển mạch điện và tầng truyền dẫn Nh vậy tầng chuyển mạch gói quang sẽ kết nối, lấp khe trống giữa tầng điện đang tồn tại và các kênh quang ở đờng trục, đồng thời cho phép chuyển mạch gói nhanh các kết nối đổi tần ở tốc độ cao hơn nhiều so với tầng điện mà không ảnh hởng trực tiếp lên kết nối chéo Ta có mô hình phân tầng tham khảo nh hình 3.1. Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 3: Chuyển mạch gói quang
Các xu hớng phát triển của các mạng viễn thông chủ yếu phụ thuộc vào những yêu cầu của các dịch vụ tơng lai Qua thực tế ngời ta dự đoán môi trờng mạng sẽ biến đổi hoàn toàn theo những xu hớng chủ đạo là:
Lu lợng internet trong đó thông tin dữ liệu chiếm u thế.
Sự phát triển kỹ thuật WDM dựa trên liên kết điểm - điểm sẽ tận dụng đợc băng thông cũng nh số lợng kênh bớc sóng và tốc độ bít trên một kênh.
Mạng truyền tải WDM kết nối chéo quang có độ linh hoạt cao.
Các nghiên cứu cho thấy mạng chuyển mạch gói là mạng chủ đạo trong tơng lai và có thể đáp ứng đợc các yêu cầu dịch vụ, một trong số đó có mạng chuyển mạch gói quang Mạng chuyển mạch gói quang đã đợc nghiên cứu cách đây khoảng chục năm Từ đó đến nay có rất nhiều thay đổi, các thiết bị đã đợc cải thiện cũng nh đặc tính lu lợng có nhiều biến đổi.
ADM OPS OPS OXC KÕt nèi chÐo quang
Hình 3.1: Mô hình mạng phân tầng tham chiếu
Có rất nhiều vấn đề cha đợc giải quyết, song công nghệ quang đã bắt đầu có những dấu hiệu trởng thành Mạng quang có thể đợc trải rộng từ mạng đờng trục với khoảng cách lớn tới mạng truy cập, và mạng đã càng ngày càng phức tạp hơn, hiệu quả hơn và độ tin cậy cao hơn trớc đây Chuyển mạch gói quang có thể vẫn chỉ trong phòng thí nghiệm nhiều năm nữa, song với công nghệ phát triển ngày càng cao để đáp ứng cho các phơng thức chuyển mạch hiện có nh chuyển mạch kênh quang, sẽ tạo bớc xúc tiến cho mạng chuyển mạch gói quang ra đời.
3.3 Đặc tính lu lợng của chuyển mạch gói quang
3.3.1 Đặc tính lu lợng của chuyển mạch không có chức năng tách - ghÐp
3.3.1.1 Mạng và kiến trúc chuyển mạch của hệ thống WDM
Mạng gói quang WDM xác định ở đây đợc chỉ ra trong hình 3.2.
Chuyển mạch gói của hệ thèng WDM
Hình 3.2 : Chuyển mạch gói của hệ thống WDM
Chuyển mạch gói quang chuyển dữ liệu giữa các mạng con nh MAN, LAN Mạng giống với một mạng sao và N bớc sóng khác nhau, l1 lN-
1,lN trên một sợi và các bớc sóng này đợc sử dụng để mang lu lợng mạng.
Kiến trúc chuyển mạch ATMOS và KEOPS với các cổng đầu vào kênh đơn đợc mô tả Ơ đây, thực hiện chung của một node chuyển mạch góiWDM đợc xác định nh trong hình 3.3 Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 3: Chuyển mạch gói quang
Phần đầu vào: Tại đây, khối tách kênh lựa chọn các gói đến ở N bớc sóng cố định l1, l2,…, nh, lN và bộ chuyển đổi bớc sóng quang khả chỉnh (TOWC's) sẽ đánh địa chỉ các gói theo không gian trống trong bộ đệm đầu ra đờng dây trễ.
Khối chuyển mạch không gian không nghẽn (nonblocking) có chức năng chuyển gói tới đầu ra yêu cầu cũng nh đệm đầu ra đờng dây trễ thích hợp.
Khối đệm gói bằng các đờng dây trễ Nh trên hình ta có kích thớc chuyển mạch là
M B x N.M , trong đó B là số vị trí gói trong bộ đệm, N là số bớc sóng, M là số đầu vào và đầu ra, B/N là số lợng đ- ờng dây trễ Các kết nối cuối B/N +1 từ chuyển mạch không gian qua bộ đệm tới đầu ra là một đoạn cáp có chiều dài rất nhỏ Đặt B/N+1 để nhấn mạnh rằng với số đờng đờng dây trễ cho trớc, 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 ở đầu vào của chuyển mạch Giao diện này đợc 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 bớc sóng cũng nh trạng thái cổng ở chuyển mạch không gian
3.3.1.2 ảnh hởng của các bộ chuyển đổi bớc sóng khả chỉnh
1 Lu lợng kiểu ngẫu nhiên l N l 1 l N l 1
Tách b ớc sóng Đổi b ớc sóng khả chỉnh Đệm B vị trí l 1 … l
Hình 63.3: Khối chuyển mạch gói quang WDM.
Bộ biến đổi bớc sóng khả chỉnh TOWC (Tunable Optical Wavelength Converter) làm giảm rõ rệt số lợng đờng dây trễ vì TOWC cho phép lu chuyển nhiều gói quang ở nhiều bớc sóng khác nhau trên cùng một đờng dây trễ Mặc dù sử dụng TOWC có thể làm đảo lộn thứ tự gói, song ta có thể bỏ qua vì ảnh hởng lên độ lu thoát lu lợng là rất nhỏ, ngay cả trong tr- ờng hợp xấu nhất Hình 3.4 trình bày việc xử lí đệm trong trờng hợp có và không có bộ biến đổi bớc sóng TOWC.
Có thể minh họa tác dụng giảm số lợng đờng dây trễ trên hình 3.5, mẫu lu lợng đã đợc công nhận và đang đợc phát triển cho một số mô hình khác l 1 l 1 l 1 l 1
Không chuyển đổi b ớc sãng
Có chuyển đổi b íc sãng l 1 l 1
Hình 3.4: Xử lí đệm khi có và không có chuyển đổi b ớc sóng Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 3: Chuyển mạch gói quang Đồ thị chỉ ra xác xuất mất gói với số đờng dây trễ là B/N, trong đó B là số lợng gói tin lớn nhất có thể lu trên bộ đệm, N là số lợng bớc sóng Trờng chuyển mạch 16 x 16, tải 0,8 cho mỗi kênh trên N kênh đầu vào Nếu không có bộ biến đổi bớc sóng, hiệu năng là độc lập với N, hàng đợi có thể coi nh gồm N hàng riêng biệt và độc lập, mỗi hàng chỉ tơng ứng với 1 bớc sóng, và các tính toán chỉ cần đặt N=1 Khi có bộ biến đổi, xác suất mất gói PLR đợc cải thiện khi số lợng bớc sóng tăng tức là khi N tăng, tổng số lợng kênh đầu vào và đầu ra cũng tăng do đó dung lợng chuyển mạch không gian tăng làm giảm tỉ lệ mất gói tin Mặc dù số kênh đầu vào tăng, nhng mỗi đầu ra có thể nhận cùng tỉ lệ tải tin độc lập với N, và do đó với cùng một tỉ lệ mất gói PLR mà độ sâu bộ đệm không đổi Mặt khác nếu B/
N cố định, thì độ sâu bộ đệm sẽ tăng theo N Do vậy, xác suất mất gói giảm với số kênh bớc sóng khi TOWC's đợc sử dụng Ta cũng có thể so sánh nh sau: với PLR = 10 -10 , N=4/ 8 nếu có bộ chuyển đổi thì cần số đờng dây trễ là 12/6, trong khi đó nếu không có bộ chuyển đổi thì cần số đờng dây trễ là 48.
2 Lu lợng biến đổi đột ngột
Mô hình tính toán cho lu lợng biến đổi đột ngột đã đợc thực hiện và xác nhận Các tính toán cơ bản khi áp dụng trên đơn kênh, đã chỉ ra rằng tải
Không có TOWC's (độc lập với N)
Hình 3.5: Xác suất mất gói tin khi có và không có TOWC's.
Bộ đệm trong chuyển mạch gói quang
Trớc khi xem xét các kiến trúc chuyển mạch với các cách đệm khác nhau, cần xem xét các phơng pháp xác định hiệu năng quang, vì đây là một công việc rất quan trọng để xác định mô hình chuyển mạch với kiểu đệm nào có khả năng ứng dụng trong thực tế Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 3: Chuyển mạch gói quang
Tham số tỉ lệ lỗi bit BER (Bit Error Rate) là một trong các tham số hiệu năng rất quan trọng, không những trong hệ thống chuyển mạch mà còn trong rất nhiều các hệ thống khác nh các hệ thống truyền dẫn BER của mỗi cấu hình đợc xác định bằng việc phân tích các mô hình và đợc định l- ợng nhờ máy tính Nhiễu và xuyên âm đều đợc lấy mẫu, nhiễu giao thoa có thể bỏ qua (vì nhỏ hơn 60 dB so với tín hiệu) Hệ số tăng ích của mỗi kiến trúc chuyển mạch đều đợc chỉnh bằng 0, và sử dụng một hay một số tầng khuyếch đại thêm bên ngoài để thuận tiện tính toán
Giả thuyết rằng suy hao trên đờng dây trễ có thể bỏ qua Để chứng minh giả thuyết hãy giả sử thiết kế đệm đợc 250 gói tin hoạt động ở tốc độ
10 Gb/s Nếu tế bào ATM đợc đệm thì bộ đệm phải lu 53x8x250 = 106.000 bit Vì mỗi bit kéo dài 0,1 ns nên độ trễ là 10,6 s, nh vậy độ dài đờng dây trễ là 2,12 km Với suy hao quang thông thờng thì mỗi đờng dây trễ nh vậy sẽ không ảnh hởng tới mô hình, do đó suy hao trên đơng dây trễ có thể bỏ qua Ngoài ra cũng có thể bỏ qua sự thay đổi độ dài đờng dới tác động nhiệt độ, vì mỗi đờng dây trễ đều có bộ ổn định nhiệt.
Tiêu chí cần đạt đợc là BER -14 , vì giá trị BER này sẽ đảm bảo đợc lỗi đờng truyền và BER hợp lí ở liên kết đầu cuối Trong chuyển mạch điện, BER cũng đạt đợc gần nh bằng không, nên các công nghệ quang mới nhất cũng phải đáp ứng đợc chỉ tiêu hiệu năng này
Các bộ khuyếch đại quang bán dẫn (SOA's) đợc sử dụng để chuyển mạch và khuyếch đại, phát sinh thêm nhiễu cộng tự phát, điều này rất bất lợi và cũng đợc xét trong mô hình tính toán Nguồn nhiễu này đã làm giới hạn kích thớc mỗi chuyển mạch và số lợng chuyển mạch có thể ghép tầng. Ngoài ra, các thiết bị nh bộ kết hợp và AWG (sử dụng để định tuyến theo bớc sóng) cũng sinh ra nhiễu xuyên kênh nên làm suy giảm tín hiệu, và trong trờng hợp xấu nhất là trùng với bớc sóng và trạng thái phân cực của tín hiệu Nói chung, mọi tính toán đều dựa trên một số giả thiết sau:
Bộ khuyếch đại quang bán dẫn (SOA) có hệ số khuyếch đại đều trong băng tần 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.
Không có hiện tợng bão hoà trong SOA do nhiễu tự phát, nhng có hệ số khuyếch đại bão hoà do tín hiệu vì tín hiệu lớn hơn nhiễu rất nhiÒu.
Bộ biến đổi bớc sóng khả chỉnh không gây suy hao, và điều này có thể đạt đợc trong thực tế.
Các bộ biến đổi bớc sóng khả chỉnh không sinh nhiễu cộng, vì mặc dù có nhiễu cộng, nhng chúng lại cải thiện dạng tín hiệu nhờ hiệu ứng truyền đạt phi tuyến.
ảnh do bộ lọc AWG không quan trọng, chúng đợc coi nh gây suy hao 2 dB khi tín hiệu tới đầu ra chính xác, và 37 dB (2dB +35dB) khi tín hiệu bị sai đầu ra 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 đợc sử dụng làm đờng dây trễ để tránh ảnh hởng tán sắc.
Tỉ lệ suy hao đầu vào là 20 dB.
Mỗi bộ chia thụ động 1N hay bộ kết hợp thụ động N1đều có suy hao là 10 log 10 n 2 dB (2 dB là hệ số quá nhiễu), do đó suy hao có mối quan hệ trực tiếp với số lợng đầu vào và đầu ra.
Mỗi SOA có hệ số suy hao 6 dB và công suất bão hoà là 10 dB.
Suy hao khi coupler kết hợp với SOA là 2 dB.
Tỉ lệ suy hao trong SOA là 60 dB.
Mỗi bộ khuyếch đại EDFA có hệ số suy hao là 5 dB.
Cấu trúc đệm đầu ra gồm một trờng chuyển mạch và một bộ đệm ở đầu ra của trờng chuyển mạch nh hình 3.14 Trong một khe thời gian, các gói tới cùng một đầu ra đều đợc đa vào bộ đệm đồng thời một cách thích hợp Nếu bộ đệm đã đầy thì các gói đến tiếp theo sẽ bị loại và xảy ra mất gói Xác suất mất gói thờng là từ 10 -10 tới 10 -11 tuỳ thuộc từng loại ứng dông. Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 3: Chuyển mạch gói quang
Nếu chọn kích thớc bộ đệm tuỳ ý thì sẽ không có sự mất gói song ta đã không tính đến độ trễ gói cũng nh 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 đợc tính là độ trễ trung bình thống kê ở một bộ đệm. Các phân tích, tính toán độ trễ thờng dựa trên kiểu lu lợng Bernoulli hay lu lợng đều, tức là các biến cố là độc lập, có xác suất không đổi, đồng thời sự phân bố lu lợng ở đầu ra là nh nhau Cách phân tích này tuy có hạn chế vì l- u lợng trên thực tế là không đều, mang tính chất bùng nổ (có thời điểm rất lớn), song lại dễ phân tích và dễ so sánh tơng quan giữa các loại cấu hình đệm khác nhau, do đó ta chọn kiểu lu lợng này để phân tích.
3.3.1.2 Bộ đệm chia xẻ Đây là một dạng của đệm đầu ra, song mọi bộ đệm trên từng đầu ra đều dùng chung một vùng RAM (bộ nhớ truy nhập ngẫu nhiên) Nh vậy giới hạn khả năng đệm đợc tính là tổng số gói trên toàn bộ đệm RAM Đây là phơng thức phổ biến trong chuyển mạch ATM, thực hiện theo kiểu truy nhập bộ nhớ ngẫu nhiên điện Nó không có khả năng thực hiện dạng bằng quang, vì không có bộ nhớ bằng quang tơng đơng, và do sự phức tạp của chuyển mạch Tuy nhiên, nhiều chuyển mạch gói quang có thể nói đã sử dụng bộ đệm chia xẻ khi cạnh tranh với bộ đệm đầu ra, các đờng trễ đợc chia xẻ giữa các bộ đệm đầu ra.
Nếu nhiều gói ở nhiều đầu vào cùng tới một đầu ra, khi đó chỉ một gói đợc truyền qua, còn lại đều đợc truyền qua vòng hồi tiếp nh hình 3.15.
Hình 3.14: Chuyển mạch gói đệm đầu ra
Mỗi một lần quay vòng sẽ làm trễ thời gian tơng ứng một gói, tức là là mỗi một vòng cho độ trễ một gói Ví dụ một chuyển mạch 6464với xác xuất mất gói 10 -10 , tải trọng 0.8 thì yêu cầu sử dụng 237 vòng lặp hồi tiếp. Khi thực hiện bằng vòng lặp với một độ trễ khi đó cần nhiều vòng lặp, hoặc có thể dùng một vòng có độ trễ khác nhau.
Cấu trúc đệm đầu vào gồm có một trờng chuyển mạch không gian và một bộ đệm ở đầu vào nh hình 3.16.
Kiến trúc định tuyến thực nghiệm gói quang có khả năng hoán đổi nhẵn OPERA
Mạng OPERA đợc thiết kế để định tuyến gói tin giữa nhiều ngời dùng qua nhiều mạng con nh trên hình 3.32 Mỗi một mạng con kết nối với M ngời dùng thông qua các bộ định tuyến giao diện mạng quang ONIR's (Optical Network Interface Routers) và kết nối tới N-M mạng con khác. Quá trình định tuyến bên trong và ngoài mạng con cần sự kết hợp giữa bộ chuyển đổi bớc sóng trong ONIR's và chức năng định tuyến thụ động của AWGR Khi đó chỉ cần dùng N bớc sóng để định tuyến qua rất nhiều node mạng nhờ có chuyển đổi bớc sóng.
ChuyÓn mạch không gian ®Çu ra
Phần tử chuyÓn mạch 2 Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 3: Chuyển mạch gói quang
Hình 2.32: Mạng OPERA, kết nối một mạng con tới các mạng con.
Chức năng định tuyến và chuyển tiếp gói trong ONIR's bao gồm khôi phục và cập nhật tiêu đề với tốc độ đờng truyền, chuyển mạch bớc sóng nhanh, chuyển mạch quang không gian và xử lí chuyển tiếp gói Cập nhật tiêu đề gói rất quan trọng để đơn giản trong định tuyến và trao đổi nhãn, thích hợp với bộ giao thức internet và chuyển mạch ATM Để đơn giản chức năng khôi phục và thay đổi tiêu đề gói, OPERA sử dụng sóng mang quang để ghép vào địa chỉ OSCM (Optical Subcarrier Multiplexer) Dữ liệu và tiêu đề đợc phát đi ở tốc độ bit khác nhau và việc khôi phục tiêu đề đợc thực hiện độc lập với tốc độ tải trọng nhờ kỹ thuật lọc Quá trình khôi phục tiêu đề sóng mang con dựa trên kỹ thuật tách sóng quang trực tiếp, nên làm giảm sự phức tạp của công nghệ coherent RF Chuyển đổi bớc sóng hoạt động ở tốc độ gói, với cách thức chuyển đổi bớc sóng hai tầng để có thể thay thế sóng mang quang và tăng cờng tỉ lệ tải trọng Cách thức này dựa trên các bộ chuyển đổi bớc sóng khuyếch đại quang bán dẫn, có thể tách tiêu đề mà không cần tách dữ liệu và sửa đổi tiêu đề trong băng tần điện hẹp (do tiêu đề có tốc độ thấp) Nhờ sử dụng bộ tái tạo quang 2R giữa các node và kỹ thuật thay thế tiêu đề OSCM nên có thể tạo tuyến qua nhiều bớc nhảy với khoảng các giữa các node lên tới 30 km.
Bộ định tuyÕn b íc sãng theo mảng (AWGR)
3.5.2 Bộ định tuyến giao diện mạng quang
Bộ định tuyến giao diện mạng quang ORNI (Optical Network Interface Router) quản lý hoạt động định tuyến và chuyển tiếp gói giữa host cục bộ và hai cổng của AWGR Các gói đến ORNI đợc xử lý, có thể đa tới host cục bộ hoặc chuyển đổi bớc sóng để cập nhật tiêu đề, tái tạo tải tin và chuyển tiếp gói tới ORNI tiếp theo Các gói truyền từ host cục bộ phải đợc lu vào hàng đợi trong ORNI và chỉ đợc đa tới mạng khi liên kết đầu ra có hiệu lực Chức năng của ORNI đợc mô tả ở hình 3.33
Trong hầu hết ứng dụng chuyển mạch gói, tiêu đề chứa địa chỉ đích hoặc chỉ số mạch ảo, các thông tin này đều đợc chuyển tới bộ xử lý điều khiển định tuyến kết hợp với nhận dạng (ID) node hiện thời để thiết lập ra vị trí node mới Từ vị trí node mới sẽ xác định ra cổng quang cục bộ (Gl, một cổng quang đầu xa Gr ), một bớc sóng quang mới l new và một tiêu đề ghép sóng mang mới Nếu không có gói nào đi qua, bộ xử lý điều khiển định tuyến sẽ truyền các gói đợi từ ngời dùng cục bộ Các gói vào đợc chuyển qua tầng chuyển đổi bớc sóng đồng thời cũng đợc thay thế tiêu đề OSCM và chuyển tải tin và bớc sóng bên trong ORNI Sợi trễ quang đợc sử dụng để thích ứng với trạng thái node mạng và lập thời gian trễ truyền dẫn trong ORNI Khi địa chỉ hay chỉ số mạch ảo và nhận dạng cục bộ (ID) phù hợp thì cổng quang cục bộ Gl đợc mở và cổng quang đầu xa Gr đóng Nếu địa chỉ gói không phù hợp với nhận dạng node cục bộ thì cần tính toán tiêu đề và một bớc sóng mới Cổng Gl đóng, tải tin đợc chuyển đổi bớc sóng,
G 1 Tiêu đề SCM míi l new
Chuyển tiếp gói, định tuyến và điều khiển luồng Địa chỉ hoặc mạch ảo đích
Chuyển đổi b ớc sóng Chèn lại tiêu đề Tái tạo mức quang.
Chuyển đổi b ớc sãng Sửa đổi tiêu đề
Hình 3.33: Mô tả chức năng của ONIR. Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 3: Chuyển mạch gói quang tiêu đề ghép một sóng mang mới và cổng đầu xa Gr đợc mở Gr sẽ chỉ mở trong mét chu kú gãi chuyÓn ra AWGR.
Kiến trúc chuyển mạch gói
Kiến trúc tổng quát chuyển mạch gói quang nh hình 3.34.
Hình 3.34 Các phần chính của chuyển mạch
Giao diện đầu vào thực hiện động bộ và phác họa gói tin Nếu cần thiết nó cũng có thể khuyếch đại tin trớc khi chuyển mạch Việc phác họa gói tin rất cần thiết để xác định tiêu đề, tách dữ liệu và viết lại tiêu đề Ngoài ra, phác họa gói tin còn cần thiết để dồng bộ gói Đồng bộ gói đầu vào rất cần thiết để khắc phục hiện tợng jitter chậm, và thờng thực hiện bằng cách trễ gói tin trong một thời gian xác định.
Giao diện đầu ra sẽ tái tạo lại gói tin hay khuyếch đại dữ liệu, viết lại tiêu đề gói và đồng bộ ở đầu ra Thực hiện đồng bộ đầu ra là một yêu cầu cần thiết để khắc phục độ trễ khác nhau trong node chuyển mạch Khối điều khiển sẽ đọc tiêu đề gói tin và dựa trên thông tin đó để điều khiển phần chuyển mạch Tiêu đề gói tin có thể đợc quản lí bằng điện hoặc bằng quang, ở đây ta chỉ đề cập tới tiêu đề có dạng tín hiệu điện để thực hiện ®iÒu khiÓn
Phần chuyển mạch sẽ định tuyến gói tin tới cổng đầu ra theo yêu cầu dựa trên thông tin chứa trong tiêu đề Nó cũng có thể giải quyết tranh chấp gói tin hoặc bằng đờng dây trễ hoặc bằng bộ chuyển đổi bớc sóng khả chỉnh hoặc cả hai
Giao diện đầu vào Đồng bộ
Chỉnh tiêu đề Khôi phục tiêu đề Xác định vị trí tải tin Đồng hồ
Khèi ®iÒu khiÓn chuyÓn mạch
PhÇn chuyÓn mạch Đồng bộ và tái tạo tín hiệu
Chỉnh tải tin Cập nhật tiêu đề Điện Quang
3.6.1 Chuyển mạch dựa trên trờng chuyển mạch không gian
Chuyển mạch không gian là các phần tử quan trọng của chuyển mạch loại định tuyến bớc sóng hoặc lựa chọn và quảng bá Kiến trúc chuyển mạch đó đợc mô tả sau Chuyển mạch gói quang chủ yếu dựa trên chuyển mạch không gian đợc nghiên cứu trong mục này Vấn đề chính của các kiến trúc dựa trên chuyển mạch không gian cần sử dụng nhiều các cổng SOA khi số đầu vào và ra tăng lên.
Chuyển mạch xen kẽ mô tả ở hình 3.35 đợc biết đến nhiều nhất về chuyển mạch dựa trên chuyển mạch không gian Nó là một chuyển mạch đơn giản gồm hai chuyển mạch không gian và các đờng trễ giữa chúng Chuyển mạch không gian đầu tiên chuyển trực tiếp các gói tới các đờng trễ thích hợp, vì vậy các gói đến đợc các đầu ra giống nhau đợc trễ ở các thời điểm khác nhau. Chuyển mạch không gian thứ hai sẽ chuyển mạch các gói tới các cổng ra thích hợp Chuyển mạch xen kẽ có thể đợc cải thiện bằng cách thay thế các đờng trễ bằng các đờng trễ quay vòng Tức là các gói có thể đợc chuyển ngợc trở lại bộ đệm đờng trễ vài lần Với cách này thời gian lớn nhất một gói lu trong bộ đệm có thể đợc tăng lên mà không sử dụng các đờng trễ dài hơn Cách khác các gói đợc trễ vòng phải đợc khuyếch đại mà cách này lại làm tăng nhiễu Nếu các bộ đệm quay vòng đợc sử dụng thì chỉ cần một chuyển mạch không gian Trong chuyển mạch xen kẽ các đầu ra và đầu vào có thể chứa một gói tại một thời ®iÓm.
NxM chuyển mạch không gian
MxN chuyển mạch không gian (M-1)T
Hình 3.35: Cấu trúc chuyển mạch xen kẽ. Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 3: Chuyển mạch gói quang
3.6.1.2 Chuyển mạch gói photonic bộ đệm đầu ra
NxN chuyển mạch không gian
Hình 3.36:Cấu trúc chuyển mạch gói quang bộ đệm đầu ra.
Là kiến trúc chuyển mạch dựa trên chuyển mạch không gian khác mà sử dụng bộ đệm gói định tuyến bớc sóng Chuyển mạch đợc mô tả trong hình 3.36 Mỗi đầu vào đợc chuyển thành một bớc sóng riêng biệt Vì vậy một vài gói đợc đa đến cùng đầu ra có thể đợc ghép với nhau ở trong chuyển mạch không gian Các gói đó đến các đầu ra giống nhau thì nhận đợc độ trễ khác nhau trong bộ đệm chuyển mạch AWGM đầu tiên phân phát các gói tới các đờng trễ thích hợp và AWGM thứ hai chuyển trực tiếp các gói tới đầu ra thích hợp Các đầu vào và ra có thể chứa một gói tại một thời điểm.
3.6.1.3 Chuyển mạch dựa trên chuyển mạch không gian không bộ đệm
Chuyển mạch này đợc mô tả trên hình 3.37.
Thay vì sử dụng bộ đệm, chuyển mạch giải quyết tranh cấp gói tin nhờ bộ chuyển đổi bớc sóng khả chỉnh Số lợng bộ biến đổi bớc sóng có thể dùng chung nên số lợng có thể ít hơn số bớc sóng sử dụng Trớc hết, gói tin đợc chuyển tới bộ tách và phân chia tới các sợi quang, mỗi sợi lại có một cổng quang Một trong các cổng ở trạng thái mở và gói tin có thể chuyển qua trực tiếp hoặc thông qua bộ biến đổi bớc sóng để tới cổng đầu ra theo yêu cầu Các gói tới mỗi cổng đầu ra sẽ đợc ghép trên các sợi đầu ra Theo mô hình này, mỗi đầu vào và đầu ra có thể chứa N gói tin trong cùng một thêi gian
Hình 3.37: Chuyển mạch không gian không đệm với TWC.
Chuyển mạch không gian quang § êng d©y t rÔ
Tách b ớc sóng và trích tiêu đề
Chuyển đổi b ớc sóng và chèn tiêu đề
Hình 3.38: Kiến trúc chuyển mạch gói DAVID.
M n n Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 3: Chuyển mạch gói quang
Kiến trúc chuyển mạch này đợc mô tả trên hình 3.38 nh sau:
Mỗi sợi đầu vào đều có một số bớc sóng, tại mỗi cổng đầu vào, các gói thuộc kênh này đều đợc tách và hớng tới ma trận chuyển mạch Ma trận chuyển mạch này đợc mô tả chi tiết ở hình 3.39
Trong ma trận chuyển mạch, khi có một số gói tin tới cùng đầu ra, hoặc cùng đờng dây trễ tại cùng một thời điểm, thì cần thực hiện chuyển đổi bớc sóng để đảm bảo đợc hoạt động Mỗi gói tin đi qua trờng chuyển mạch với cùng một bớc sóng ở cổng đầu ra, bớc sóng các gói tin sẽ đợc chuyển đổi thành bớc sóng đầu ra Nh vậy, bớc sóng sử dụng cho gói tin trong chuyển mạch là độc lập với bớc sóng ngoài chuyển mạch Chuyển mạch này có thể đáp ứng độ dài gói tin khác nhau.
Trong ma trận chuyển mạch, các gói đầu tiên đợc chuyển đổi bớc sóng mà đảm bảo không xảy ra sự tranh chấp Số lợng bớc sóng sử dụng trong chuyển mạch là W, có thể ít hơn hoặc bằng số bớc sóng bên ngoài M Bộ đệm đờng dây trễ gồm có k tầng của m đờng dây trễ Mỗi gói tin từ đờng dây trễ đều đợc chuyển tới chuyển mạch không gian thông qua bộ chia bớc sóng. Mỗi bộ chia gồm có một bộ kết hợp và một bộ tách bớc sóng Kiến trúc này đảm bảo bất kì đầu ra nào của tầng chuyển mạch thứ i đều đợc chuyển tới bất kì đầu vào tầng chuyển mạch thứ i+1 Mỗi tầng có độ trễ khác nhau, và đờng dây trễ của tầng thứ k có độ trễ là i.m k-1 Trạng thái đầu ra sẽ lựa chọn các gói tin thích hợp với đầu ra theo bớc sóng và đờng dây trễ Khi đã tới đúng đầu ra, các gói tin sẽ đợc chuyển đổi về đúng bớc sóng và đa tới sợi đầu ra Kiến trúc này lập lịch theo nguyên tắc FIFO, ví dụ nh các gói tin tới cổng đầu ra theo thứ tự FIFO. l W l 2 l 1
Ch uyÓ n đổi b íc sãn g
Ch uyÓ n đổi b íc sãn g
Ch uyÓ n đổi b íc sãn g l W l 2 l 1 l W l 2 l 1
Khối điều khiển chuyển mạch § Ç u v à o § Ç u r a
Hình 3.39: Kiến trúc chi tiết của khối chuyển mạch DAVID.
3.6.2 Chuyển mạch định tuyến bớc sóng
Chuyển mạch định tuyến bớc sóng là các chuyển mạch mà các cổng đầu ra yêu cầu đợc thực hiện bằng cách chuyển đổi bớc sóng tại phía đầu vào Mỗi gói đợc nhận một bớc sóng thích hợp đề định tuyến tới cổng ra và chuyển mạch thực hiện tuỳ thuộc vào bớc sóng
3.6.2.1 Chuyển mạch định tuyến bớc sóng bộ đệm đầu ra
Kiến trúc chuyển mạch định tuyến bớc sóng đệm đầu ra đã đợc nghiên cứu từ những năm 1992 bởi Gabriagues và Jacob, và đợc mô tả nh hình 3.40
Chuyển mạch này bao gồm ba khối chức năng quang là: Khối mã hoá gói tin; khối tầng đệm và khối tách gói tin, các khối đều đợc điều khiển bằng điện Khối mã hoá gói tin bao gồm N bộ chuyển đổi bớc sóng khả chỉnh TWC's để chuyển đổi gói tin sang một bớc sóng tơng ứng với đầu ra yêu cầu Tầng đệm là một ma trận chuyển mạch N xK cổng SOA và K đ- ờng dây trễ, ma trận chuyển mạch sẽ hớng các gói tin tới đờng dây trễ cần thiết Bộ điều khiển điện sẽ đảm bảo các gói tin cần tới đích sẽ chuyển tới mỗi cổng đầu ra theo nguyên tắc lập lịch FIFO Khối tách gói tin bao gồm một coupler sao K xN và một tập N bộ lọc thông dải Coupler sao sẽ ghép tất cả cá gói tin từ các đờng dây trễ khác nhau tới tất cả các cổng đầu ra Bộ lọc sẽ chọn lọc các gói tin có bớc sóng tơng ứng với cổng đầu ra đó Số l-
Hình 3.40: Các phần chính của chuyển mạch định tuyến b ớc sóng.
M hoá gói ã Đệm gói tin
K Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 3: Chuyển mạch gói quang ợng cổng SOA có mối quan hệ tỉ lệ với N và K Mỗi đầu vào và đầu ra có thể chứa một gói tin tại một thời điểm.
Một dạng khác của chuyển mạch định tuyến bớc sóng là chuyển mạch gói quang mạng biên đã đợc thực hiện ở những năm đầu thập kỉ 90 Trung tâm của chuyển mạch là một AWGM (Arrayed Waveguide Grating Multiplexer) có thể coi nh một bộ định tuyến bớc sóng nh trên hình 3.41.
Trờng chuyển mạch N xN đợc tạo ra nhờ sử dụng N bớc sóng để định tuyến các gói tin Trong AWGM, mỗi gói tin sẽ đợc định tuyến theo cổng đầu vào và bớc sóng Do đó, mỗi cổng đầu vào cần phải có một bớc sóng riêng biệt cho mỗi đầu ra Ngoài ra, các gói tin hớng từ các đầu vào khác nhau tới cùng một đầu ra cần phải có bớc sóng khác nhau, ví dụ gói tin từ cổng đầu vào 1 tới cổng đầu ra 1 sẽ nhận bớc sóng l1, gói tin từ đầu vào 2 tới cổng đầu ra 1 sẽ nhận bớc sóng l2, và gói tin từ đầu vào 1 tới đầu ra 2 sẽ nhận bớc sóng l3 Mỗi đầu vào và đầu ra có thể chứa một gói tin tại một thêi ®iÓm.
CÁC MÔ HÌNH CHUYỂN MẠCH
Kiến trúc chuyển mạch ATMOS
Kiến trúc chuyển mạch này không hoàn toàn quang do phải điều khiển bằng điện gồm 3 tầng nh trên hình 4.1 sau:
Tầng mã bớc sóng: tiêu đề mọi gói trong M đầu vào đợc tách ra nhờ Photodiode (PD) để trích ra thông tin định tuyến Dựa trên thông tin đó, mỗi gói sẽ đợc truyền trên một bớc sóng phù hợp với băng tần của bộ lọc quang ở đầu ra yêu cầu Chức năng này đợc thực hiện nhờ bộ biến đổi bớc sóng quang.
Tầng đệm bằng sợi quang đờng dây trễ với độ dài tơng ứng với bội số của chu kỳ gói T Để truy cập nhanh vào tầng đệm này, ng- ời ta sử dụng các cổng quang.
Tầng cuối cùng là tầng tách bớc sóng, các bộ lọc băng thông sẽ lựa chọn hay lấy ra các gói trong bớc sóng tơng ứng.
Kiến trúc chuyển mạch KEOPS
Đề tài nghiên cứu ATMOS thành công là nhờ có đề tài nghiên cứu KEOPS và sự nghiên cứu tầng mạng quang chuyển mạch gói đợc mở rộng. Các gói quang sẽ có khoảng thời gian cố định là 1,7 s, tiêu đề gói có tốc độ 622Mb/s và đợc xử lý điện, dữ liệu có tốc độ khác nhau Khoảng thời gian gói cố định đảm bảo cùng một node chuyển mạch có thể chuyển mạch gói ở tốc độ khác nhau Đối chiếu với mạng điện trong hình 2.2, tầng mạng gói quang đợc kiến nghị trong mô hình KEOPS đợc chấp nhận ở cả tốc độ bit và Đổi b ớc sóng. l M l 1
M b ớc sóng ã Đệm đ ờng dây trễ Tách b ớc sóng
Hình 4.1: Chuyển mạch gói ATMOS. Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 4: Các mô hình chuyển mạch chế độ truyền trong suốt ở một vài cấp độ nh : tế bào ATM , gói IP, khung SDH Ngoài ra, kiến trúc chuyển mạch KEOPS còn cho phép quảng bá các gói quang đầu vào Kiến trúc chuyển mạch KEOPS cơ bản giống nh ATMOS, sự khác nhau chính là các gói của một đầu vào cho trớc luôn luôn chuyển đổi ở cùng một bớc sóng Nhờ kết hợp cổng đa bớc sóng, đờng dây trễ và bộ chọn bớc sóng nhanh ở đầu ra nên có thể quảng bá gói Nguyên lý hoạt động có thể mô tả chi tiết hơn trên hình 4.3.
Mỗi gói sau khi xác định cổng đầu vào đều đợc chuyển đổi vào một b- ớc sóng, và đợc chuyển vào bộ đệm Các cổng quang đa bớc sóng ở mỗi đầu ra đờng dây trễ sẽ chọn gói thuộc về một khe thời gian thích hợp với trạng thái hàng đợi, các cổng quang cũng có thể chặn đồng thời tất cả các bớc sóng Sau đó, bộ lựa chọn bớc sóng nhanh sẽ chỉ chọn một trong nhiều gói, ví dụ dựa trên một bớc sóng Cấu hình này cho phép chọn lựa một vài hay tất cả đầu ra đồng thời ở cùng một bớc sóng.
KEOPS đã kết hợp kỹ thuật truyền dẫn quang WDM và chuyển mạch gói cho ra mạng chuyển mạch gói quang WDM Mục tiêu của KEOPS là nâng chức năng chuyển mạch lên miền quang, khi đó mới có thể thích ứng hoạt động chuyển mạch của bộ định tuyến với truyền dẫn WDM, do đó kết hợp đợc băng thông và định tuyến chuyển tiếp
Cổng đa b ớc sóng Cổng đơn b ớc
Chuyển đổi b sóng íc sãng Đệm de_lay quang Lựa chọn b ớc sãng l 1
GhÐp WDM Chia thô động
Hình 4.3: Chuyển mạch gói quang KEOPS.
KEOPS đã đa ra mạng gói trong suốt quang, trong suốt cả về tốc độ truyền dẫn và giao thức, do đó hệ thống này rất dễ mở rộng và dễ khắc phục lỗi thiết bị để thiết lập lại cấu hình trong những lúc cần thiết.
Kiến trúc chuyển mạch WASPNET
WASPNET (mạng gói chuyển mạch theo bớc sóng) là một EPSRC cộng tác giữa ba trờng đại học ở Anh và vài viện công nghiệp Một thành tựu chính của dự án là thực thi một số kiến trúc chuyển mạch gói quang. Chuyển mạch dung lợng cao, tơng thích với lu lợng Internet và hiệu quả sử dụng mạng đã nhận đợc kết quả của dự án Cũng chỉ ra dự án WASPNET mà truyền dẫn gói quang trong mạng qua 14 node thì có thể thực hiện đợc mà không làm giảm tín hiệu quan trọng Thêm nữa để thiết kế node ,cũng nh điều khiển mạng và hoạt động, chế tạo thiết bị đợc nghiên cứu Trong dự án một network demonstrator đã đợc phát triển Sử dụng demonstrator các chức năng của mào đầu xoá , chèn, định tuyến , chuyển mạch và giải quyết xung đột đã đợc nghiên cứu.
Nh mô tả trong hình 4.4.
Tách kênh Ghép kênh §Çu ra Đầu vào
Hình 4.4: Chuyển mạch WASPANET Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 4: Các mô hình chuyển mạch
Chuyển mạch là sự đơn giản hoá của chuyển mạch gói quang WDM. Hình vẽ mô tả một mức của chuyển mạch trong khi chuyển mạch gồm nhiều mức, mỗi mức hoạt động tại một bớc sóng đơn Trong WDM chuyển mạch WASPNET có khả năng tại mỗi sợi vào đợc kết nối tới một bộ phân kênh mà gói đợc gửi đi với bớc sóng i mức i, và mỗi đầu ra nhận đợc bằng cách ghép trỗn các đầu vào của các mức Trong chuyển mạch này, các gói có mức độ u tiên cao có thể chiếm trớc các gói có mức độ u tiên thấp Chức năng của chuyển mạch rất giống với chức năng của chuyển mạch hồi tiếp dựa trên AWG AWG thứ hai trong hình vẽ sử dụng để tránh xung đột. Trộn bớc sóng và phối hợp các cổng đầu vào của AWG thứ hai để xác định cổng đầu ra Nhiều gói có thể tồn tại trên cùng một đầu ra của mức, các gói có bớc sóng khác nhau Cách khác có thể thay thể AWG thứ hai bằng chuyển mạch không gian.
Có hai phơng pháp có thể sử dụng để điều khiển mạng đó là phơng pháp tán xạ kênh bớc sóng (SCWP) và phơng pháp chia xẻ kênh bớc sóng (SHWP) Trong tiếp cận gần đây, mỗi gói quang sử dụng bớc sóng giống nhau dọc toàn bộ kênh truyền Một số gói có thể cũng sử dụng bớc sóng giống nhau Trong phơng pháp SCWP, các gói đợc chuyển đổi thành bớc sóng mới tại mỗi node Tất nhiên, SCWP cung cấp thông lợng cao hơn và yêu cầu ít bộ đệm Mặt khác, cần sử dụng các bộ chuyển đổi bớc sóng khả chỉnh.
Trong dự án WASPNET, một gói có 4 byte mào đầu gói và 256 byte tải trọng Tải trọng có tốc độ dữ liệu 10Gbít/s, trong khi mào đầu gói gửi đị với tốc độ truyề thấp hơn Ba lựa chọn khác nhau sử dụng để truyền dữ liệu và mào đầu gói, mỗi cách có mặt mạnh và mặt yếu:
Cả mào đầu và dữ liệu đợc truyền tại cùng khe thời gian Mào đầu đ- ợc đặt trên một sóng mang điện ở trên các tần số sử dụng cho tải trọng.
Mào đầu và tải trọng đợc truyền đồng thời với các bớc sóng khác nhau.
Mào đầu và tải trọng đợc truyền rời rạc.
Việc phối hợp này chịu sự xuyên âm Trong cách phối hợp thứ nhất việc cập nhật mào đầu gặp khó khăn, và trong cách thứ hai cần sử dụng thêm kỹ thuật laser tới từng kênh tải trọng để lần lợt cập nhật mào đầu.Trong cách cuối băng tần sử dụng thì ít hơn, nhng không bị xuyên âm và việc cập nhật mào đầu dễ dàng hơn.
Mạng ứng dụng cho chuyển mạch gói quang
4.4.1 Chuyển mạch gói quang trong suốt
1 Mạng tốc độ bít cao
Sự hội tụ của viễn thông và truyền thông máy tính đã đợc biết trớc một thời gian từ khi cả hai đều dựa vào kỹ thuật số Trong gần nhng năm 1980, xuất hiện mối tơng quan rõ ràng giữa các mạng viễn thông truyền thống lu lợng bị chi phối, hoàn thành việc tích hợp giữa việc nâng cấp hớng kết nối và cơ sở hạ tầng viễn thông chuyển mạch kênh để cho phép hỗ trợ lu lợng dữ liệu Tới thế kỷ mới môi trờng mạng đã đợc thay đổi hoàn toàn.
Hớng hiện tại với lu lợng dữ liệu truyền đi khắp nơi, trong lu l- ợng Internet thông thờng thì lu lợng trung bình bằng lu lợng tràn nguyên nhân do dịch vụ điện thoại, làm cho truyền thông dữ liệu chi phối loại lu lợng.
Sự phát triển của kỹ thuật WDM điểm - điểm sử dụng băng thông sợi quang một cách hiệu quả và nhanh chóng (với khía cạnh là số kênh bớc sóng bằng với tốc độ bít trên kênh).
Tơng lai phát triển của các mạng truyền tải WDM kết nối chéo quang, quản lý linh động đờng toàn quang sẽ trả lại lợng d tiềm năng các chức năng mạng mà đợc cung cấp bởi lớp SDH.
Từ triển vọng khách hàng, IP đã trở thành giao thức chi phối việc truyền dữ liệu, vì vậy hiện tại đang là ứng cử rất mạnh cho việc tích hợp truyền dữ liệu của viễn thông Nếu phiên bản hiện thời của IP không hỗ trợ phân biệt luồng khách hàng trên tiêu chuẩn chất lợng dịch vụ, tiếp tục phát triển trong nhóm đặc trách kỹ thuật Interenet ( IETF ) có thể có kết quả sớm trong khả năng Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 4: Các mô hình chuyển mạch phát triển, đảm bảo chất lợng dịch vụ với phổ của các kiểu lu l- ợng.
Vì vậy trong hai thập kỷ gần đây phạm vi của kiến trúc mạng số tích hợp dịch vụ băng thông rộng (BISDN) đợc mở rộng và xung quanh nó là công nghệ IP/WDM thêm nữa là ATM/ SDH hoặc IP/ SDH/WDM.
Mối quan tâm chính với tiếp cận công nghệ IP/WDM thì không tơng xứng giữa dung lợng truyền dẫn đợc cung cấp bởi lớp quang WDM và công suất xử lý của các bộ định tuyến hiện thời Các bộ định tuyến IP thực hiện ba chức năng chính:
Định tuyến: Hỗ trợ nhiều giao thức để bảo vệ các kết nối mạng, thông tin chứa đựng trong các bảng định tuyến.
Chuyển tiếp: Liên quan tới bảng định tuyến với mỗi gói đầu vào để xác định giao diện đầu ra để gói có thể ghi.
Chuyển mạch: Chuyển trực tiếp các gói tới đầu ra thích hợp.
Với khía cạnh để định tuyến, vấn đề chính xuất phát từ kích cỡ của bảng định tuyến và tần số cập nhật bảng định tuyến Nh các vấn đề đánh địa chỉ hiện thời và quản lý bằng các phơng tiện tốt (tập hợp định tuyến, cập nhật giao thức định tuyến để tránh d hay thay đổi thông tin lỗi thời). Đặc tính chính của tắc nghẽn kiểu cổ chai xuất hiện tại mức chuyển tiếp. Thời gian cần thiết để quét một bảng định tuyến là cố định để giới hạn thông lợng định tuyến Hai giải pháp đã đợc đề xuất để giảm tắc nghẽn kiểu cổ chai này:
Song song hoá hai hoạt động chuyển tiếp đó là hoạt động một cách độc lập dựa trên gói-gói
Tối u hoá việc mã hoá bảng đinh tuyến và thuật toán quét, kết quả đạt đợc cải thiện một cách ấn tợng Xem xét một ớc lợng cũ về kịch cỡ trung bình của gói là 200 byte với tốc độ quét 2.106 lần trên giây thực hiện trên Pentium 200MHz, giới hạn tốc độ bít lớn nhất thiết lập nhờ xử lý chuyển tiếp khoảng 3 Gb/s.
Việc chấp nhận công nghệ chuyển mạch ATM hiện thời hoặc công nghệ chuyển mạch thừa hởng từ nền công nghiệp siêu tính toán đã cung cấp ma trận chuyển mạch nhanh và lớn, mà có thể giảm đợc tắc nghẽn cổ chai Thuận lợi trong công nghệ và kiến trúc giúp cho thế hệ tiếp theo của các bộ định tuyến IP Gb, ví dụ cụ thể là mạng Neo 512Gb/s ma trận chuyển mạch không tắc nghẽn với bộ xử lý luồng 2400.
Bất chấp sự nâng cấp ấn tợng đó vẫn cần chú ý tới hệ thống chuyển mạch điện tử độ linh động thấp khi quan tâm đến khả năng nâng cấp thông lợng Có đợc hệ thống WDM mà cho phép giá rẻ, băng thông truyền dẫn tăng lên, nhiều tần số cao của lớp truyền tải có khả năng dự tính tăng theo yêu cầu Nhiều tần số thấp sẽ đặt sức nặng yêu cầu vào sử lý chuyển mạch theo tần số phụ thuộc, tăng giá để giữ tốc độ truyền dẫn.
Từ mô tả ở trên, KEOPS tìm kiếm để phối hợp chuyển mạch gói với công nghệ truyền dẫn WDM để mang lại chuyển mạch gói quang của hệ thống WDM Kết quả thay đổi nhiều tải chuyển mạch thành miền quang, cho phép phạm vi thành công của dung lợng chuyển mạch của các bộ định tuyến IP, khi so sánh với khả năng của kỹ thuật WDM Khi làm nh vậy, hiệu quả khi tách giữa băng thông và định tuyến/ chuyển tiếp thì cũng đợc thực hiện Vấn đề trớc, bao gồm cả chuyển mạch và truyền dẫn đợc đánh địa chỉ trong miền quang, truy cập băng thông sợi quang lớn, đó là sự liên quan tới xử lý định tuyến/ chuyển tiếp gói phức tạp xuất hiện tại mức mào đầu gói bất kể kích cỡ kèm theo của thực thể dữ liệu.
Thêm nữa, lớp gói quang cung cấp các tuyến cơ bản, các chức năng của lớp bắt buộc hiệu năng giao diện của IP với lớp WDM bằng cách truyền tải các gói IP trong tải trọng của gói quang Hơn nữa còn cung cấp mức ghép trong miền thời gian, điều đó cần thiết để cho phép các bộ định tuyến IP để kết hợp các luồng khách hàng trớc khi truyền thông tin vào đ- ờng ống WDM quang Hớng này bị loại bỏ bởi những phát minh gần đây mà mục đích để bao quát các công nghệ định tuyến và chuyển mạch một cách trực tiếp vào các mạng quang Nhiều phát minh sử dụng để thực hiện kênh sạch 2,5Gb/s, giao diện giữa các bộ định tuyến gigabit IP và hệ thốngWDM khoảng cách dài, loại ra giao diện cần thiết cho ghép kênh đầu cuốiSDH hoặc các phần tử mạng tức thì khác Nh một giao diện có thể cho phép Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng 4: Các mô hình chuyển mạch toàn bộ dải băng 2,5Gb/s của kết nối STM-16 để đợc đối xử nh một ống sợi đơn, tối.
Hơn nữa sự phân tách chuyển mạch và truyền dẫn yêu cầu các chức năng định tuyến/ chuyển tiếp Mạng gói quang nổi bật nh một ứng viên nhiều triển vọng có thể hỗ trợ bất cứ giao thức mạng định tuyến/chuyển tiếp điện chuyên dụng nào trong khi xem xét băng thông của sợi quang. Giải pháp dựa trên chuyển mạch nhãn đợc bắt đầu xác định trong sờn của chuyển mạch nhãn đa giao thức(MPLS) Vì vậy, một giải pháp cung cấp khả năng mạng hớng kết nối, một cách linh động trong giới hạn quản lý băng thông và tơng lai quan tâm đến việc ngăn đợc sự lớn lên của băng thông đã phát sinh Tìm kiếm theo KEOPS cũng cung cấp các phơng tiện kết nối thông qua mạng gói quang.
Một số tiếp cận hiện tại để thấy rõ mạng gói trong suốt quang(OTP- N) Trong trờng hợp mạng gói trong suốt quang KEOPS, thời gian gói cố định đợc sử dụng khi cả hai mào đầu và tải trọng kèm theo đợc mã hoá trên sóng mang có bớc sóng giống nhau Thông tin định tuyến đợc phân phát từ mào đầu gói theo chuyển đổi quang điện; mào đầu đợc mã hoá tại tốc độ bít cố định thấp, thời gian tải trọng bị cố định tất nhiên là cả nội dung; độ lớn dữ liệu đợc cân xứng với tốc độ bít định nghĩa ngời sử dụng mà có thể thay đổi từ vài trăm Mb/s tới 10Gb/s.
3 Tơng tác giữa mạng điện và mạng truyền tải WDM
