Giới thiệu chung về chuyển mạch quang Xu thế phát triển mạng hiện nay trên thế giới và ở Việt Nam là xây dựng mạng truyền tải quang OTN cho mạng NGN dựa trên công nghệ WDM. Những nỗ lực phi thường về công nghệ truyền dẫn quang trong đó tập trung vào việc nghiên cứu các vấn đề công nghệ mạng WDM trên thế giới hiện nay đang dần đáp ứng được nhu cầu phát triển tất yếu của mạng. Có nhiều vấn đề cần phải giải quyết trong mạng OTN nhằm ngày càng hoàn thiện đặc tính mạng. Trong các vấn đề đó, chuyển mạch quang trong mạng OTN được coi là những hướng đi hấp dẫn nhất và rất có ý nghĩa. Một mặt, kỹ thuật này cho phép xây dựng được mạng truyền dẫn quang linh hoạt và bảo đảm thông suốt các lưu lượng tín hiện lớn. Mặt khác nó cho phép nâng cao tính thông minh cho lớp quang trong khi vẫn đơn giản hoá được rất nhiều cấu trúc mạng. Điều đó có tác động lớn tới việc xây dựng, khai thác và bảo dưỡng mạng rất có hiệu quả sau này. 1. Khái niệm chuyển mạch quang Về nguyên lý, một chuyển mạch thực hiện chuyển lưu lượng từ một cổng lối vào hoặc kết nối lưu lượng trên một khối chuyển mạch tới một cổng lối ra. 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 được chuyển mạch có lựa chọn từ một mạch này tới một mạch khác. Tuỳ thuộc vào kỹ thuật chuyển mạch mà các thông tin được trao đổi dưới dạng thời gian thực (chuyển mạch kênh) hoặc dưới dạng ghép kênh thông kê (chuyển mạch gói). Chuyển mạch kênh là một phương pháp thông tin sử dụng để thiết lập cho thông tin giữa 2 điểm. Số liệu được truyền trên cùng một tuyến và thông tin truyền đi trong thời gian thực. Khác với chuyển mạch kênh, chuyển mạch gói thực hiện truyền các gói số liệu độc lập. Mỗi gói đi từ một cổng tới một cổng khác theo một đường nào đó. Các gói không thể gửi tới nút kế tiếp khi chưa thực hiện thành công tại nút trước đó. Mỗi nút cần có các bộ đệm để tạm thời lưu các gói. Mỗi nút trong chuyển mạch gói yêu cầu một hệ thống quản lý để thông báo điều kiện truyền thông tin tới nút lân cận trong trường hợp số liệu truyền bị lỗi. 2. Chuyển mạch kênh quang Chuyển mạch kênh quang được thực hiện trong mạng quang định tuyến bước sóng thực hiện thiết lập các bước sóng toàn quang giữa hai nút mạng. Sự thiết lập các luồng quang bao gồm một số bước thực hiện. Những bước này bao gồm tìm ra cấu hình và tài nguyên, định tuyến, gán bước sóng báo hiệu và đặt trước tài nguyên. Tìm ra cấu hình và tài nguyên bao gồm phân bổ và duy trì thông tin trạng thái mạng. Thông tin sẽ bao gồm cấu hình mạng vật lý và trạng thái liên kết của mạng. Trong mạng định tuyến bước sóng WDM, những thông tin mày bao gồm các bước sóng có thể sử dụng trên một tuyến đưa ra trong mạng. Một giao thức phổ biến dành cho duy trì thông tin trạng thái tuyến trong mạng internet là giao thức đường ngắn nhất theo thứ tự mở (OSPF - Open Shortest Path First). Vấn đề tìm các tuyến và gán bước sóng cho luồng quang được gọi là bài toán định tuyến và gán bước sóng (RWA- Routing and Wavelength Assignment). Các yêu cầu kết nối có hai dạng, dạng tĩnh và dạng động. Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng trong các mạng quang đã được phát triển nhanh, nó đã đáp ứng các yêu cầu về băng tần của người sử dụng mạng. Trong mạng định tuyến các nút truy nhập thông tin với nhau qua các kênh toàn quang, các kênh này được xem như các luồng quang. Hình 1. Mạng chuyển mạch kênh quang với các kết nối luồng quang Một luồng quang được sử dụng để hỗ trợ một kết nối trong mạng định tuyến bước sóng WDM và nó có thể liên kết các sợi quang. Trong trường hợp không sử dụng bộ chuyển đổi bước sóng, một luồng quang chiếm cùng bước sóng trên tất cả các liên kết sợi mà nó đi qua. Đặc tính này gọi là điều kiện ràng buộc bước sóng liên tục. Hình 1 minh hoạ một mạng định tuyến bước sóng nối các luồng quang đã được thiết lập giữa các cặp của các nút truy nhập trên các bước sóng khác nhau. Chúng ta giả sử rằng mỗi chuyển mạch quang được nối tới một nút truy nhập như là một nút. Khi đưa ra một tập kết nối, bài toán thiết lập các luồng quang bằng định tuyến và gán bước sóng mỗi kết nối được gọi là bài toán định tuyến và gán bước sóng (RWA- routing and wavelength Assignment). Đặc trưng của các yêu cầu kết nối có thể gồm 2 loại: tĩnh và động. Với lưu lượng tĩnh toàn bộ tập các kết nối được biết trước và bài toán khi đó thiết lập luồng quang cho các kết nối này cấu thành toàn bộ trong khi các tài nguyên mạng tối thiểu hoá số bước sóng hoặc số các sợi trong mạng. Với lựa chọn như vậy, nó có thể thiết lập nhiều kết nối này cho số các bước sóng cố định đưa ra. Bài toán RWA cho lưu lượng tĩnh gọi là bài toán thiết lập luồng quang tĩnh (SLE – Static Lightpath Establishment). Trong trường hợp lưu lượng động, một luồng quang được thiết lập cho mỗi yêu cầu kết nối đến và luồng quang được giải phóng sau khi một thời gian hạn định. Đối tượng trong trường hợp lưu lượng động là để thiết lập luồng quang và gán bước sóng theo cách tối thiểu tổng số kết nối tắc nghẽn hoặc tối đa số các kết nối được thiết lập trong mạng tại bất cứ thời điểm nào. Bài toán này gọi là bài toán thiết lập luồng quang động (DLE - Dynamic Lightpath Establishment). Bài toán SLE có thể được giải như là qui hoạch tuyến tính nguyên, nó là bài toán NP-đầy đủ. Để giải bài toán dễ dàng hơn, bài toán SLE có thể chia thành 2 bài toán nhỏ – (1) định tuyến, (2) gán bước sóng – mỗi bài toán này giải theo những cách khác nhau . Một số thuật toán trong đưa ra các thuật toán gần đúng để giải bài toán SLE cho các mạng lớn và các thuật toán tô màu đồ thị được dùng để gán các bước sóng tới các luồng quang một khi các luồng quang được định tuyến đúng. Việc giải các bài toán thiết lập luồng quang động là khó hơn, các phương pháp heuristic thường được dùng. Phương pháp heuristic thực hiện cho cả hai bài toán định tuyến và gán bước sóng. 3. Chuyển mạch chùm quang Trong các mạng chuyển mạch chùm quang, các chùm dữ liệu bao gồm nhiều gói được chuyển mạch thông qua mạng toàn quang. Một bản tin điều khiển (tiêu đề) được truyền đi trước chùm để thiết lập cấu hình chuyển mạch trên tuyến truyền của chùm. Các chùm dữ liệu truyền sau tiêu đề mà không cần đợi bản tin xác nhận kết nối đã hoàn thành. Một mạng chuyển mạch chùm quang bao gồm các nút chuyển mạch chùm quang được liên kết với nhau qua các tuyến sợi quang. Nút mạng OBS chỉ ra như hình 2, nó có thể hoặc các nút biên hoặc là các nút lõi. Mỗi sợi quang có thể hỗ trợ các kênh đa bước sóng sử dụng ghép kênh WDM. Một chuyển mạch chùm quang truyền tải một chùm từ một cổng đầu vào tới cổng đầu ra tại đích của nó. Các sợi liên kết có thể mang nhiều bước sóng, mỗi bước sóng có thể được xem như một kênh mang thông tin (truyền các chùm thông tin). Gói điều khiển có thể được truyền trong băng trên cùng kênh dữ liệu hoặc trên một kênh điều khiển riêng. Một chùm có thể mang một hay nhiều gói IP. Hình 2. Cấu trúc mạng OBS Tại lối vào nút biên các gói đến được kết hợp từ các đầu cuối client thành các chùm. Các chùm được truyền toàn quang trên các bộ định tuyến lõi OBS. Lối ra nút biên trên chùm thu về sẽ tách thành các gói và chuyển tiếp các gói tới các client đích (Hình 3) Hình 3. Truyền các gói trên mạng OBS Hình 4 minh hoạ các chức năng khác nhau trong mạng chuyển mạch chùm quang. Đầu vào nút biên thực hiện kết hợp thành chùm, định tuyến, gán bước sóng và lập lịch cho các chùm tại nút biên. Nút lõi thực hiện báo hiệu, lập lịch các chùm trên các liên kết lõi và giải quyết tranh chấp. Đầu ra nút biên chủ yếu là tách các gói từ các chùm và chuyển các gói tới lớp mạng cao hơn. Hình 4. Sơ đồ khối chức năng của các nút OBS Bộ định tuyến lõi bao gồm một bộ nối chéo OXC và một khối điều khiển chuyển mạch (Switching Control Unit - SCU). Khối điều khiển chuyển mạch tạo và duy trì bảng chuyển tiếp và thực hiện cấu hình OXC. Khi SCU nhận được một gói tiêu đề chùm nó xác định đích của chùm và chỉ thị cho bộ định tuyến xử lý báo hiệu để tìm ra cổng ra mong muốn. Nếu cổng ra khả dụng khi đó chùm số liệu đến, SCU cấu hình cho OXC cho số liệu đi qua. Nếu cổng ra không khả dụng thì OXC sẽ được cấu hình phụ thuộc trên mức độ tranh chấp bổ sung trong mạng. Tóm lại SCU thực hiện phiên dịch tiêu đề, lập lịch, phát hiện tranh chấp, quyết định, tra cứu bảng định tuyến, điều khiển ma trận chuyển mạch, ghi lại tiêu đề chùm và điều khiển chuyển đổi bước sóng. Trong trường hợp một chùm số liệu đến OXC trước gói điều khiển của nó, chùm khi đó sẽ bị mất. Bộ định tuyến biên thực hiện các chức năng sắp xếp các gói, đệm các gói, kết hợp các gói thành chùm, tách các gói nguyên thuỷ của nó. Kiến trúc định tuyến biên bao gồm một khối định tuyến (Routing Module - RM), một bộ kết hợp chùm một bộ lập lịch. Khối định tuyến lựa chọn cổng ra thích hợp cho mỗi gói và gửi mỗi gói đến khối kết hợp chùm tương ứng. Mỗi khối kết hợp chùm thực hiện kết hợp các gói với các tiêu đề cho bộ định tuyến lối cụ thể. Trong khối kết hợp chùm, có một hàng đợi gói riêng cho từng lớp lưu lượng. Bộ lập lịch tạo ra một chùm theo kỹ thuật kết hợp chùm và truyền chùm ra cổng ra mong muốn. Tại bộ định tuyến đầu ra, chùm được tách ra thanh các gói và chuyển lên lớp mạng cao hơn. 4. Chuyển mạch gói quang Hình 5 là một ví dụ của nút chuyển mạch gói quang cơ bản. Một nút bao gồm một chuyển mạch quang có khả năng cấu hình dựa trên gói. Khối chuyển mạch tái cấu hình dựa trên thông tin tiêu đề của một gói. Tiêu đề gói được xử lý bằng điện nó hoặc có thể mang trong băng cùng gói hoặc trên một kênh điều khiển riêng. Phải mất một thời gian để tiêu đề và chuyển mạch thiết lập, các gói có thể bị trễ bằng cách truyền qua đường trễ sợi quang Về nguyên tắc chuyển mạch gói toàn quang tổ chức dựa trên gói tiêu đề và điều khiển được thực hiện trong miền quang, tuy nhiên phải trong nhiều năm nữa mới thực hiện được. Trong thời điểm hiện nay chuyển mạch gói quang sử dụng điều khiển điện tử để xử lý tiêu đề gói là thực tế hơn. Trong chuyển mạch gói quang tiêu đề hoặc nhãn được đọc và so sánh với một bảng định tuyến. Tải số liệu sau đó sẽ được định tuyến tới cổng ra tương ứng với một nhãn mới (trao đổi nhãn). Điều quan trọng là tải tin được truyền trong suốt qua chuyển mạch. Hình 5. Kiến trúc một chuyển mạch gói quang Mục tiêu xây dựng mạng quang ngày nay là bổ sung khả năng thiết lập động lớp truyền tải quang dựa trên các bộ nối chéo quang OXC (Optical Cross Connect) với một kiến trúc và quản lý và điều khiển phù hợp. Trong tương lai gần mạng OTN sẽ có khả năng hỗ trợ số lượng lớn dung lượng lên tới 40 Gbit/s. Hình 6. Mạng truyền tải quang Hình 6 biểu thị cấu trúc OTN bao gồm các OXC được nối với nhau dưới dạng mesh, mỗi sợi sử dụng hàng trăm bước sóng, các OXC có khả năng kết nối hàng nghìn kênh bước sóng. Như vậy OTN sẽ cung cấp luồng quang tới client như là các bộ định tuyến IP, các phần tử mạng SONET/SDH và chuyển mạch ATM. Trên hình vẽ này chỉ ra liên kết giữa 2 bộ định tuyến IP. Thêm vào đó một lớp điều khiển chuyển mạch cần để thiết lập tuyến trên mạng và nó tương tác với bộ điều khiển OXC để khởi tạo chuyển mạch trong OXC. Một kênh báo hiệu giữa các nút đảm bảo rằng mỗi OXC biết được trạng thái tài nguyên mạng, các tuyến khả dụng Việc thiết lập mạng truyền tải quang động sẽ cho phép cung cấp nhanh các tuyến dung lương cao, do vậy trong tương lai bước phát triển công nghệ cho phép cung cấp số lượng lớn các kênh quang. Nếu được như vậy trong tương lai chỉ cần chuyển mạch kênh quang là thoả mãn nhu cầu băng tần. Tuy nhiên không phải là như vậy do lý do sau, ví dụ trong mạng OTN chỉ cần đưa ra tính chất hạt tại mức bước sóng và nếu nguồn lưu lượng là chùm, dung lượng kênh được sử dụng có thể sẽ xảy ra xung đột trên phạm vi mạng. Trong tương lai OXC được phát triển cho mạng OTN có thể hỗ trợ cho lớp chuyển mạch gói quang. Hình 7 mô tả mạng quang bao gồm OXC và chuyển mạch gói quang OPS [2] Hình 7. Chuyển mạch gói quang tại nút lõi và nút biên Chuyển mạch gói quang sử dụng trong nút lõi, các gói được chuyển qua mạng tại chuyển mạch ở nút lõi, ở đó tuyến được lựa chọn và tiêu đề được trao đổi. Bằng cách này OPS sẽ tối ưu được tài nguyên mạng và tối ưu được tổng dung lượng mạng như vậy sẽ làm giảm kích cỡ của OXC. Tạo các nút chuyển mạch biên có giao diện với cả mạng truyền tải OTN và IP. 5. Khả năng ứng dụng cho mạng viễn thông Việt nam Mạng viễn thông Việt Nam hiện đang trong giai đoạn chuyển đối, hướng tới mạng NGN. Với tốc độ cơ sở hạ tầng phát triển như hiện nay, khả năng ứng dụng chuyển mạch quang trong mạng viễn thông Việt Nam là rất lớn. Tại thời điểm hiện nay, chuyển mạch kênh quang là hoàn toàn có thể thực hiện được. Chuyển mạch kênh quang sẽ đóng vai trò rất lớn nâng mạng quang WDM điểm-điểm thành thế hệ mạng quang trong định tuyến theo bước sóng DWDM. Nằm trong xu hướng phát triển mạng truyền tải tiến tới mạng toàn quang, chuyển mạch quang sẽ tiến tới chuyển mạch gói quang; chuyển mạch chùm quang sẽ là bước đệm cho chuyển đổi từ chuyển mạch kênh quang sang chuyển mạch gói quang hoàn toàn. Việc ứng dụng chuyển mạch quang cho mạng viễn thông Việt Nam trong tương lai cần phải xây dựng với mục tiêu đáp ứng lưu lượng chuyển mạch cũng như khả năng bảo vệ phục hồi, cụ thể là [3]; - Xây dựng một mạng chuyển mạch quang cho mạng trục và 3 mạng vùng trung tâm: Hà Nội, Đà Nẵng và TP. Hồ Chí Minh. Thiết lập các chuyển mạch quang với mục tiêu theo cấu trúc lưới (topo mesh) nhằm phục vụ cho truyền tải lưu lượng IP/MPLS trong mạng trục (Hình 8), đồng thời sử dụng phương án đảm bảo việc bảo vệ phục hồi dựa trên các tuyến cáp quang quốc lộ 1A, tuyến cáp quang đường Hồ Chí Minh, tuyến cáp quang quang biển (xây dựng trong tương lai) . Hình 8. Mạng chuyển mạch quang mạng trục mục tiêu ThS. Nguyễn Bá Hưng (tạp chí BCVT) Tài liệu tham khảo [1]. JASON P.JUE, VINOD M.VOKKARANE, Optical Burst Swicthing Networks, 2005 Springer; [2]. MIKE J. O’ MAHONY, DIMITRA SIMEONIDOU, DAVID K.HUNTER and TZANAKAKI; The Application of Optical switching in future communication network, Ilotron Engineering Centre. IEEE, 2001 [3]. Đề tài “Nghiên cứu các kỹ thuật chuyển mạch quang tiên tiến và phương án ứng dụng cho mạng viễn thông Việt Nam”, 2005, Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện. . tiến tới chuyển mạch gói quang; chuyển mạch chùm quang sẽ là bước đệm cho chuyển đổi từ chuyển mạch kênh quang sang chuyển mạch gói quang hoàn toàn. Việc ứng dụng chuyển mạch quang cho mạng viễn. hỗ trợ cho lớp chuyển mạch gói quang. Hình 7 mô tả mạng quang bao gồm OXC và chuyển mạch gói quang OPS [2] Hình 7. Chuyển mạch gói quang tại nút lõi và nút biên Chuyển mạch gói quang sử dụng. thống chuyển mạch cho phép các tín hiệu bên trong các sợi cáp quang hay các mạch quang tích hợp được chuyển mạch có lựa chọn từ một mạch này tới một mạch khác. Tuỳ thuộc vào kỹ thuật chuyển mạch