MỘT SỐ KỸ THUẬT CƠ BẢN TRONG CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH GÓI QUANG ThS. TRẦN XUÂN TRƯỜNG Liên Bộ môn Điện – Điện tử - Cơ sở II Trường Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Trên cơ sở so sánh với các kiến trúc chuyển mạch gói thông thường, bài viết đưa ra các kiến trúc của các hệ thống chuyển mạch gói quang với kỹ thuật đệm và kỹ thuật chuyển mạch phân chia theo bước sóng – không gian. Từ đó ta thấy được các thế mạnh của loại chuyển mạch mới này cũng như khả năng ứng dụng của chúng. Summary: By comparing with general packet switching architecture, this article provides block diagrams of optical packet switching with buffering and wavelength division- space division switch technology. From this, we can be aware of the strengths of this new switch and the capability in utilizing it. I. ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay các hệ thống chuyển mạch gói thông thường đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin viễn thông. Tuy nhiên tốc độ của chúng còn giới hạn nên khả năng ứng dụng cho các mạng băng rộng, đa dịch vụ, tốc độ cao ngày càng bị hạn chế. Với các ưu thế vượt trội về tốc độ và băng thông của mình, chuyển mạch gói quang ra đời có thể khắc phục được các khiếm khuyết của chuyển mạch gói thông thường. Vì lý do này, tác giả muốn trình bày các kỹ thuật được sử dụng trong công nghệ chuyển mạch gói quang với bố cục như sau: Phần 2, chúng tôi phân tích khái quát về các kiến trúc, nguyên lý hoạt động của chuyển mạch gói thông thường cũng như ưu và nhược điểm của chúng. Phần 3 tập trung làm rõ các kỹ thuật chủ yếu dùng trong các hệ thống chuyển mạch gói quang. Phần 4 là phần kết luận. ĐT II. KIẾN TRÚC VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA CHUYỂN MẠCH GÓI THÔNG THƯỜNG Như đã biết trong chuyển mạch gói, nút chuyển mạch là sự kết hợp của một cơ cấu chuyển mạch và bộ xử lý mào đầu gói đồng thời thực hiện các chức năng xếp hàng và chuyển mạch phân chia theo không gian. Mỗi gói tin gồm phần mào đầu và phần tải trọng sẽ được mang đi từ một cổng vào tới một hay nhiều cổng ra. Nút thực hiện tách thông tin mào đầu từ gói. Bộ xử lý thông tin mào đầu trong nút sẽ nhận ra các thông tin mào đầu và quyết định nó tới đầu ra, sau đó nó thiết lập cơ cấu chuyển mạch để gửi tải trọng tới cổng ra đích theo dạng chuyển mạch phân chia theo không gian. Thông tin gói nội bộ thường được bổ sung cho phần tải trong để phân biệt các gói với nhau. Khi có hai hoặc ba tải trọng tới một cách đồng thời tại cùng một cổng ra được gọi là quá trình tranh chấp. Trường hợp này các gói sẽ phải xếp hàng tạm thời trong một bộ đệm và chờ nút xử lý gửi đến cổng ra. Nếu xét bên trong hệ thống chuyển mạch, theo quan điểm về vị trí bộ đệm thì kiến trúc phần tử chuyển mạch sẽ có ba loại sau. Loại thứ nhất là phần tử chuyển mạch bộ đệm đầu vào. Trong loại này tình huống tranh chấp được giải quyết tại đầu vào. Mỗi cổng vào được trang bị một bộ nhớ đệm riêng, các bộ đệm này có thể lưu giữ một gói tin cho đến khi giải thuật phân xử điều khiển bộ đệm để truyền gói tin tới chuyển mạch trung gian. Do đó, khối chuyển mạch trung gian có thể mang gói tin đi mà không có sự tranh chấp nào. Bộ đệm hoạt động theo nguyên lý đơn giản nhất là vào trước – ra trước (FIFO). Tuy nhiên dạng chuyển mạch này sẽ gây ảnh hưởng bởi nghẽn đầu hàng. Nếu giả thiết có hai cổng vào A và B đều có một gói có đích là cùng một cổng ra X tại ngay đầu của hàng của bộ đệm FIFO. Khi này, do tại một thời điểm không thể gửi đồng thời 2 gói tin từ 2 cổng vào A, B tới cổng ra X, nên nếu giả sử kỹ thuật phân xử quyết định cho phép cổng vào A gửi một gói tin tới cổng ra X và ngăn cổng vào B gửi gói tin tới cổng ra X đó. Như vậy tại cổng vào B, các gói tin kế tiếp sau gói tin đầu hàng bị nghẽn sẽ không thể chuyển đi được mặc dù đích của chúng là đang rỗi. Nghẽn đầu hàng có thể gây ảnh hưởng đến việc thực hiện tải của phần tử chuyển mạch. Nhiều nỗ lực thực hiện để giải quyết vấn đề nghẽn đầu hàng này và cải tiến chất lượng chuyển mạch như sử dụng các bộ đệm đàn hồi cùng các thuật toán phân xử. Loại thứ hai là các phần tử chuyển mạch bộ đệm đầu ra. Trong loại này, chuyển mạch trung gian có thể truyền đồng thời nhiều gói từ các cổng vào tới cùng một cổng ra. Mỗi cổng ra được trang bị một bộ nhớ riêng để tránh tranh chấp tại đây. Bộ đệm có thể nhận và lưu giữ nhiều gói tin tại cùng một khoảng thời gian. Vì vậy loại này có thể truyền gói tới các cổng ra theo dạng từ gói tới gói trong bộ đệm FIFO. Kiến trúc chuyển mạch bộ đệm đầu ra là khá đơn giản nhưng yêu cầu khối chuyển mạch trung gian và bộ đệm phải có tốc độ cao. Điều này cũng có nghĩa là chúng không cần có các bộ đệm phức tạp cùng thuật giải phân xử để tránh nghẽn đầu hàng. Tuy nhiên một thách thức lớn là bộ đệm ở đây phải lưu giữ gói nhanh gấp N lần tốc độ truyền cổng vào khi phần tử chuyển mạch này có N đầu vào. ĐT Loại thứ ba của kiến trúc phần tử chuyển mạch là dạng chuyển mạch bộ đệm ở trung tâm. Trong dạng này, bộ đệm được chia sẻ giữa tất cả các cổng vào và các cổng ra. Mỗi cổng vào lưu giữ tất cả các gói trong bộ đệm trung tâm và mỗi cổng ra sẽ truy cập bộ nhớ thep quy luật FIFO. Với dạng kiến trúc này, khả năng sử dụng bộ nhớ là hiệu quả hơn so với hai loại chuyển mạch đã được mô tả ở trên. Tuy nhiên quá trình quản lý bộ nhớ của bộ đệm trung tâm là phức tạp hơn. III. CÁC KỸ THUẬT SỬ DỤNG TRONG CHUYỂN MẠCH GÓI QUANG 3.1. Khái quát chung Như đã mô tả phần trước thì có ba loại kiến trúc chuyển mạch gói chung theo thuật ngữ của các bộ đệm. Trong một nút chuyển mạch gói quang, các bộ đệm thường được thực hiện bằng các dây trễ quang vì bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên quang là ít thực tế. Do yêu cầu sự quản lý bộ đệm phức tạp, nên kiến trúc chuyển mạch bộ đệm trung tâm là không thích hợp đối với chuyển mạch gói quang. Vì vậy phần này sẽ mô tả hai loại cơ bản để thực hiện được chuyển mạch gói quang. Đó là chuyển mạch gói quang bộ đệm đầu vào và chuyển mạch gói quang bộ đệm đầu ra. Đồng thời ta chỉ giới hạn xét các gói quang có độ dài cố định. Chuyển mạch gói quang bộ đệm đầu vào thường gồm các bộ đệm gói quang và một khối chuyển mạch phân chia theo thời gian quang. Để tránh tranh chấp tại đầu ra của chuyển mạch quang, người ta sử dụng các bộ đệm dưới dạng đường dây trễ quang để làm trễ các gói truyền đi. Điều này sẽ làm giảm hiệu quả tải của chuyển mạch gói quang do một số khe thời gian không được sử dụng. Đây là một nhược điểm của loại này. λ 1 Bộ ghép gói quang theo bước sóng λ 1 - λ N λ 2 λ N Bộ chọn kênh quang theo bước sóng λ N λ 1 λ 2 Mạng bus quảng bá WDM Bộ đệm gói (Dây trễ quang) Hình 1. Cấu trúc bộ chuyển mạch gói quang bộ đệm đầu ra ĐT Đối với chuyển mạch gói quang bộ đệm đầu ra có thể mô tả như hình 1. Nó bao gồm một mạng bus quảng bá WDM, các bộ đệm gói và bộ chọn kênh theo bước sóng. Cấu trúc này sử dụng sơ đồ bộ đệm đầu ra theo nguyên lý ghép kênh phân chia theo bước sóng quang. Mỗi kênh bước sóng cố định được ấn định cho mỗi cổng vào, các gói quang đến được kết hợp theo kiểu WDM và được phân bố tới mọi cổng ra tại bộ kết hợp quang trong mạng bus quảng bá. Mỗi một cổng ra được trang bị một bộ đệm gói WDM. Nếu một gói WDM trộn với hai hoặc nhiều gói mà được tới đích đối với cùng một cổng ra thì bộ đệm gói sẽ lưu giữ và nhân đôi các gói WDM đồng thời gửi chúng tới bộ chọn kênh WDM. Bộ chọn kênh sẽ lọc gói quang mong muốn ra khỏi gói WDM. Khi các chuyển mạch quang của loại này được nối tầng thì tại mỗi cổng vào cần có một bộ chuyển đổi bước sóng. Cấu trúc đầy đủ của một nút chuyển mạch gói quang bao gồm 4 phân hệ. Giao diện đầu vào bao gồm một bộ tách mào đầu để tách các thông tin mào đầu từ các gói đến, bộ đồng bộ để sắp hàng các gói đến theo thời gian thực tương thích với tín hiệu đồng hồ. Phân hệ chuyển mạch gói sẽ truyền các gói tới các đầu ra chính xác của chúng. Giao tiếp đầu ra sẽ chèn một mào đầu mới đồng thời có thể tạo dạng dữ liệu và chuyển đổi bước sóng của nó. Bộ điều khiển tiến hành giải quyết tranh chấp và quản lý bộ đệm. 3.2. Các kỹ thuật sử dụng trong công nghệ chuyển mạch gói quang - Phương pháp chuyển mạch phân chia theo không gian trong chuyển mạch gói quang: Khối chuyển mạch phân chia theo không gian quang là một trong các phân hệ mấu chốt của hệ thống chuyển mạch gói quang bộ đệm đầu vào. Hình vẽ 2 chỉ ra ví dụ về hệ thống chuyển mạch không gian đối với chuyển mạch gói quang. Đây là loại chuyển mạch băng rộng bao gồm 256 đầu vào và 256 đầu ra (ký hiệu: 256 x 256), trong đó sử dụng các bộ chia tín hiệu 1 đầu vào, 256 đầu ra (ký hiệu: 1 x 126) và các bộ chọn tín hiệu 256 đầu vào, 1 đầu ra (ký hiệu: 256 x 1). Nó làm việc theo nguyên tắc sau: 256 bộ khuếch đại quang sợi EDFA sẽ thực hiện khuếch đại 256 tín hiệu vào để đảm bảo chất lượng tín hiệu quang trong bộ chia công suất quang. Sau đó tín hiệu này được chia và quảng bá ra 256 bộ chia 1 x 256 để tới các bộ chọn 256 x 1 có 256 cổng SOAG (cổng khuếch đại quang bán dẫn). Bộ chọn sẽ truyền một trong 256 tín hiệu vào tới một cổng ra bằng việc mở một cổng quang trong 256 cổng. Cấu trúc này, các bộ chọn có thể truyền một cách độc lập một tín hiệu đầu vào duy nhất giữa 256 tín hiệu. Do đó nó làm việc như một chuyển mạch ngang dọc không có tổn thất nội bộ. Tuy nhiên, hệ thống này yêu cầu 65536 cổng SOAG và 256 bộ khuếch đại quang cho chuyến mạch dung lượng 256 x 256 cổng vào - ra. Để làm giảm nhỏ số lượng thiết bị, ta có thể sử dụng các kỹ thuật WDM cho chuyển mạch phân chia theo không gian. Cấu trúc này được gọi là chuyển mạch quang phân chia theo bước sóng và không gian WD/SD. 1 1 (256) Bộ chọn SD 256 x1 0 0 (256) EDFA 256 256 cổng SOAG Cổng ra 1 1 1 256 256 256 256 cổng SOAG Cổng ra 256 Cổng vào 1 Cổng vào 256 Bộ chia 1x 256 ĐT Hình 2. Cấu trúc của hệ thống chuyển mạch phân chia theo không gian quang Sơ đồ khối của một hệ thống chuyển mạch quang WD/SD 256x256 sử dụng 16 bộ ghép kênh quang theo bước sóng được chỉ ra ở hình 3. Tại phía đầu vào, mỗi một trong 256 cổng vào sẽ được ấn định trước vào một trong 16 kênh quang theo bước sóng của 16 nhóm riêng rẽ. Mỗi tín hiệu vào được quảng bá tới các bộ chọn WD/SD 256x1 thông qua bộ ghép kênh theo bước sóng 16 x 1 (λ - MUX) và qua bộ khuếch đại quang sợi để tăng biên độ tín hiệu quang. Bộ chia 1 x 256 thực hiện tương tự như một bộ chia 1 x 16 theo cấu trúc cây hai trạng thái. Việc khuếch đại tín hiệu đảm bảo công suất quang đủ để phân bố tới mỗi bộ chọn WD/SD 32 cổng SOAG (2 dãy 16 SOAG), qua bộ định tuyến ống dẫn sóng 16 x 16 và bộ kết hợp thụ động 16x1. Dãy cổng SOAG tầng đầu tiên của mỗi bộ chọn WD/SD 256 x 1 sẽ chọn một tín hiệu nhóm riêng bao gồm 16 kênh bước sóng. Sau đó tín hiệu WDM của nhóm được chọn sẽ được giải ghép kênh khi nó đi qua bộ định tuyến AWG. Dãy SOAG tầng thứ 2 sẽ chọn một kênh bước sóng ra khỏi 16 kênh. Bằng việc sử dụng công nghệ WDM và chức năng định tuyến bước sóng của AWG, số các cổng SOAG yêu cầu sẽ giảm đi còn 32 (thay vì 256 cho trường hợp chuyển mạch quang phân chia theo không gian) và suy hao có thể giảm 12db do kết hợp giữa dãy SOAG tầng 1 và 2. Như vậy, cấu trúc chuyển mạch quang WD/SD chỉ cần 8192 cổng SOAG để thực hiện hệ thống chuyển mạch 256 x 256 và số lượng này đã giảm đi 8 lần so với chuyển mạch phân chia theo không gian thông thường. Bộ EDFA Cổng ra 256 Cổng ra 1 (256) Bộ chọn WD/ SD 256 x1 0 0 (16) 256 λ - MUX 16x16 AWG 16x16 AWG 16x1 AWG 16x1 AWG 16 SOAG 16 SOAG 16 SOAG 16 SOAG 1 16 1 16 16 Bộ chia 1x 256 1 ĐT Hình 3. Cấu trúc của hệ thống chuyển mạch phân chia theo bước sóng / không gian quang Kỹ thuật thực hiện đệm gói quang: Bộ đệm quang cũng là một trong các phân hệ thiết yếu trong cả hai hệ thống chuyển mạch gói quang bộ đệm đầu ra và đầu vào. Ở đây sẽ chỉ ra hai cách cơ bản để thực hiện khả năng đệm một số gói kết hợp trong một nút chuyển mạch gói quang theo hình vẽ 4 và 5. Ta giả thiết rằng thời gian được chia ra thành các khe với độ dài tương ứng là T và mỗi khe chứa một gói. Trong cấu trúc dây trễ song song, bộ nhớ đệm được chế tạo sử dụng bộ chia 1 x N và bộ chuyển mạch N x 1 được liên kết với nhau bằng N dây trễ. Nếu mỗi dây trễ có thể lưu giữ một số khác nhau các gói, nghĩa là sự khác nhau trong thời gian truyền qua dây trễ được làm tròn theo mỗi đơn vị của khe thời gian thì bộ đệm có khả năng đệm N gói. Mặt khác ta đã biết nếu các gói đến đồng thời tại nhiều cổng vào đi tới đích với cùng một cổng ra thì chỉ có một gói sẽ được truyền tới đầu ra chính xác của nó, còn các gói khác sẽ được lưu giữ trong bộ đệm và được truyền đi sau k khe thời gian theo giải thuật tránh va chạm logic. Bộ đệm sẽ chọn một gói để lan truyền qua đường dây trễ kT. Điều này có thể thực hiện bởi việc thiết lập chuyển mạch 1 x N trong trạng thái thích hợp. Gói này sau đó sẽ có cơ hội được truyền tới đầu ra mong muốn của nó trong khe thời gian phụ. Trong ví dụ, khi không có gói trong khe thời gian kế tiếp, gói lưu giữ này có thể được truyền tới đích ra mong muốn của nó trong khe kế đó. Trong cấu trúc bộ đệm theo dây trễ hồi tiếp, dây trễ sẽ nối đầu ra của chuyển mạch quay về đầu vào của nó. Mỗi đường dây trễ sẽ áp dụng cho chuyển mạch 2 x 2, trong đó một đầu vào của chuyển mạch này là từ bên ngoài, đầu vào còn lại là từ phía đường dây trễ. Ở đây nếu các gói tranh chấp cùng một cổng ra đơn thì một trong chúng có thể được truyền và còn lại thì được nhớ trong bộ đệm. Khi dây trễ có độ dài bằng một khe thời gian thì gói lưu giữ có cơ hội để định tuyến đến đầu ra mong muốn của nó trong khe thời gian tiếp theo. Nếu không có tranh chấp, gói lưu giữ hoặc gói tranh chấp có thể được lưu trong khe thời gian khác của dây trễ. ĐT Đối với cấu trúc dây trễ song song, một gói có một số nhất định các cơ hội để tới đích mong muốn của nó. Chẳng hạn trong nút định tuyến của hình 4, gói có nhiều nhất 3 cơ hội để truyền được tới đầu ra: tại khe đến của nó và trong các khe kế cận ngay tại (N - 1). Mặt khác trong cấu trúc dây trễ hồi tiếp thì một gói có thể lưu giữ một cách không xác định. Điều này là không phù hợp với thực tế vì chuyển mạch quang có suy hao và nhiễu ảnh là vài db, nên một gói giống nó không thể định tuyến vài lần qua chuyển mạch được. Trong thực tế, kiến trúc dây trễ song song là thông dụng hơn so với dạng hồi tiếp, vì nó không cần chú ý tới đường truyền được tạo ra trong nút định tuyến cho dù đặc tính suy hao tín hiệu là giống nhau giữa hai loại. Trên đây là các kỹ thuật cơ bản được sử dụng trong các kiến trúc chuyển mạch gói quang. Theo [4], trong phòng thí nghiệm hiện nay, khi dùng các kỹ thuật trên người ta có thể xây dựng được hệ thống chuyển mạch quang với dung lượng lên tới 320 Gb/s. Hi vọng trong thời gian tới các chuyển mạch này sẽ được thay thế cho các hệ thống chuyển mạch thông thường để đáp ứng cho các mạng băng rộng. Hình 4. Cấu trúc của bộ đệm theo các dây trễ song song Dây trễ 0T Dây trễ (N-1)T Dây trễ 1T Bộ chia 1 x N Bộ chuyển mạch N x 1 Dây trễ 1T Bộ chuyển mạch 2 x 2 Hình 5. Cấu trúc của bộ đệm theo dây trễ hồi tiếp IV. KẾT LUẬN Trong khuôn khổ của bài báo, tác giả đã đưa ra một số các kỹ thuật nhằm thực hiện quá trình chuyển gói quang trực tiếp qua hệ thống chuyển mạch. Các kỹ thuật được dựa trên các công nghệ đã có như ghép kênh phân chia theo bước sóng quang WDM, khuếch đại quang sợi EDFA, các dây trễ quang. Mục đích của bài này là đưa ra cho người đọc cái nhìn tổng quát về cấu trúc và hoạt động của các bộ chuyển mạch gói quang, sự phức tạp cũng như các ưu nhược điểm của chúng. Nhược điểm của bài báo là chưa đề cập tới phương pháp đồng bộ gói quang trong chuyển mạch, một trong những kỹ thuật khá quan trọng đối với các hệ thống chuyển mạch quang. Tài liệu tham khảo [1]. Achyut K. Dutta, Niloy K. Dutta, Masahiko Fujiwara,‘WDM Technologies optical networks,’ Elsevier Academic Press, 2004. [2]. ‘Special Issue on Photonic Packet Switching Technologies and Systems,’ IEEE J. Lightwave Tech, vol. 16, no. 12, Dec. 1998. [3]. Harry J.R. Dutton,’ Understanding Optical Communications,’ http : // www. redbooks.ibm.com. [4]. K. Habara, H. Sanjo, H. Nishizawa, Y. Yamada, S. Hino, I. Ogawa, Y. Suzaki, ‘Large capacity photonic packet switch prototype using wavelength routing techniques,’ IEICE Trans. Commun., vol. E83-B, no. 10, 2000♦ ĐT . Các kỹ thuật sử dụng trong công nghệ chuyển mạch gói quang - Phương pháp chuyển mạch phân chia theo không gian trong chuyển mạch gói quang: Khối chuyển mạch phân chia theo không gian quang. trúc chuyển mạch bộ đệm trung tâm là không thích hợp đối với chuyển mạch gói quang. Vì vậy phần này sẽ mô tả hai loại cơ bản để thực hiện được chuyển mạch gói quang. Đó là chuyển mạch gói quang. MỘT SỐ KỸ THUẬT CƠ BẢN TRONG CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH GÓI QUANG ThS. TRẦN XUÂN TRƯỜNG Liên Bộ môn Điện – Điện tử - Cơ sở II Trường Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Trên cơ sở