chuyển mạch burst quang obs

Chuyển mạch Burst quang OBS LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay, truyền thông quang đang phát triển ngày càng mạnh mẽ và tương lai sẽ vươn lên chiếm vị trí hàng đầu trong các công nghệ truyền thông có dây. Tuy vậy, hiện nay truyền thông quang vẫn chủ yếu được ứng dụng ở các mạng lõi, mạng đường trục là chính. Hiện nay trong truyền thông quang, có ba phương pháp chuyển mạch đang được ứng dụng, đó là chuyển mạch kênh quang (Optical circuit switch), chuyển mạch gói quang (Optical packet switch) và chuyển mạch burst quang (Optical burst switch). Ba phương pháp này đều có điểm mạnh và điểm yếu riêng, trong đó chuyển mạch burst quang hiện nay đang được nghiên cứu nhiều bởi vì nó rất thích hợp để triển khai trong điều kiện truyền thông quang hiện nay, khắc phục được những điểm yếu của hai phương pháp chuyển mạch còn lại. OBS cho phép ta tận dụng được tốc độ truyền tải nhanh của mạng truyền tải quang mà không chiếm dụng nhiều tài nguyên như chuyển mạch kênh quang đồng thời cũng hạn chế những vấn đề gặp phải về bộ đệm hay chuyển mạch gặp phải trong chuyển mạch gói quang. Với những ưu điểm kể trên của OBS cũng như xu hướng nghiên cứu OBS trên thế giới, nhóm sinh viên D08VT1 quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu về chuyển mạch burst quang OBS” để thực hiện nghiên cứu trong môn chuyên đề về chuyển mạch. Mục đích của đề tài này là nhằm có được cái nhìn tổng quát về công nghệ OBS, và một số đặc điểm của nó.Tuy nhiên thời gian cũng như khả năng có hạn, nên chúng em chỉ chọn một số vấn đề về OBS để nghiên cứu. Nội dung chuyên đề gồm các phần như sau: Chương I : Giới thiệu về OBS Chương II: Kĩ thuật và kiến trúc OBS Chương III: Sắp xếp các gói tin vào burst trong OBS Chương IV: Kĩ thuật báo hiệu trong OBS Chúng em xin chân thành cảm ơn Ths Hoàng Trọng Minh đã tận tình giúp đỡ chúng tôi trong quá trình học tập cũng như làm chuyên đề này. 1 Chuyển mạch Burst quang OBS Mục Lục Danh mục hình vẽ Từ viết tắt và thuật ngữ Viết tắt Chú giải Tiếng Chú giải Tiếng Việt 2 Chuyển mạch Burst quang OBS Anh BHP Burst Packet Header Gói mào đầu burst DIR Destination Initiated Reservation Giải phóng khởi tạo từ đích DLE Dynamic Lightpath Establishment Khởi tạo tuyến quang động DP Drop Policy Chính sách loại bỏ FDL Fiber Delay Lines Dây quang trễ FWM Four Wave Mixing Hiệu ứng trộn 4 sóng INI Intermediate Node Initiated Kĩ thuật báo hiệu khởi tạo từ node trung gian ISI Intersymbol Interference Nhiễu liên kí tự JET Just Enough Time Kĩ thuật báo hiệu vừa-đủ- thời-gian JIT Just In Time Kĩ thuật báo hiệu vừa- đúng-lúc MEMS Micro Electro Mechanical System Hệ thống vi điện cơ khí OBS Optical Burst Switching Chuyển mạch burst quang OSPF Open Shortest Path First Định tuyến theo đường ngắn nhất trước OT Offset Time Thời gian chênh lệch OXC Optical Cross Connection Kết nối chéo quang RWA Routing and Wavelength Assignment Định tuyến và phân bổ bước sóng SBS Stimulated Brillouin Scattering Hiệu ứng tán xạ kích thích Brillouin SCU Switch Control Unit Đơn vị điều khiển chuyển mạch SDP Segmentation and Drop Policy Chính sách phân mảnh và loại bỏ SIR Source Initiated Reservation Giải phóng khởi tạo từ nguồn SLE Static Initiated Reservation Khởi tạo tuyến quang tĩnh SOA Semiconductor Optical Amplifier Khuyếch đại quang sử dụng bán dẫn 3 Chuyển mạch Burst quang OBS TAG Tell And Go Kĩ thuật báo hiệu gọi-và- đi TAW Tell And Wait Kĩ thuật báo hiệu gọi-và- đợi WADM Wavelength Add- Drop Multiplexer Bộ ghép kênh thêm bớt bước sóng WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bước sóng WR-OBS Wavelength Routing – Optical Burst Switching Chuyển mạch burst quang định tuyến theo bước sóng Chương I: Giới thiệu 4 Chuyển mạch Burst quang OBS Trong thập niên vừa qua, lĩnh vực networking đã có sự phát triển ở tốc độ rất cao. Sự phổ cập mạnh mẽ của internet và yêu cầu ngày càng tăng về thông tin đa phương tiện đã kiểm chứng một cách nghiêm ngặt giới hạn của máy tính hiện nay cũng như mạng viễn thông. Có một nhu cầu tức thì cho sự phát triển của mạng mới có dung lượng cao có khả năng hỗ trợ những yêu cầu về tăng trưởng băng thông. Để gặpnhững nhu cầu tăng trưởng đó, hệ thóng quang WDM đã được triển khai trong nhiều mạng viễn thông đường trục. Trong hệ thống WDM, mỗi cáp mang nhiều kênh truyền thông, mỗi kênh hoạt động trên một bước sóng khác nhau. Hệ thống truyền tải quang như vật có khả năng cung cấp trên 50 Tb/s trên 1 cáp đơn. Hình .1 Các phương pháp truyền dẫn quang Hình 1.1 chỉ ra sự phát triển của những phương pháp truyền tải quang khác nhau.Thế hệ kiến trúc mạng quang đầu tiên gồm có những liên kết điểm-điểm WDM. Một mạng như vậy bao gồm một vài liên kết điểm-điểm mà lưu lượng đến node bị bỏ, chuyển đổi từ quang sang điện, xử lí tín hiệu điện, và chuyển từ điện sang quang trước khi rời node. Việc thêm và bỏ lưu lượng tại mỗi node trong mạng phải chịu những thiệt hại nghiêm trọng- sự phức tạp của chuyển mạch và cái giá phải trả của xử lí tín hiệu điện, đặc biệt nếu đa phần lưu lượng trong mạng là lưu lượng đi thông qua.Để giảm thiểu giá của mạng, những thiết bị toàn quang có thể được sử dụng. 5 Chuyển mạch Burst quang OBS Kiến trúc mạng thế hệ thứ hai dựa trên WADM (ghép kênh thêm- bớt theo bước sóng), khimà lưu lượng có thể được thêm vào hoặc bớt đi tại các địa điểm WADM. WADM có thể cho phép những kênh bước sóng được chọn trên cáp bị chặn, trong khi những bước sóng khác lại được đi qua hoàn toàn. Nói chung, lượng lưu lượng “đi qua” trong mạng lớn hơn nhiều so với lượng lưu lượng bị “drop” tại một node nào đó; do đó, nhờ sử dụng WADM, ta có thế giảm giá tổng của toàn mạng, điều này kì vọng sẽ được triển khai tại thị trường mạng đô thị. Để xây dựng mạng lưới gồm nhiều kết nối quang đa bược sóng, thiết bị kết nối cáp là rất cần thiết.Kiến trúc mạng quang thế hệ thứ 3 dựa trên những thiết bị kết nối toàn quang. Những thiết bị này rơi vào 3 loại: coupler sao bị động (passive star), router bị động (passive router) và switch chủ động (active switch). Passive star là thiết bị quảng bá.Một tín hiệu đến trên một bước sóng cho trước trên cổng cáp đầu vào của coupler hình sao, công suất của nó sẽ được chia đều ra các port đầu ra của coupler sao.Một passive router có thể định tuyến riêng biệt một vài bước sóng đến trên một cápđầu vào đến cùng bước sóng ở cáp đầu ra.Passive router là thiết bị tĩnh; vì thế cấu hình định tuyến là cố định. Một active switch cũng định tuyến bước sóng từ cáp đầu vào đến cáp đầu ra và có thể hỗ trợ kết nối lần lượt. Không giống như passive router, active switch có thể tái cấu hình để thay đổi dạng kết nối của bước sóng đến và bước sóng đi. Trọng những mạng quang thế hệ 3 này, dữ liệu được cho phép qua những node trung gian mà không cần chuyển đổi sang điện, vì vậy giảm được giá của việc cung cấp chức năng chuyển mạch điện có dung lượng cao và khả năng định tuyến tại mỗi node. Hệ thống mới toàn quang được hi vọng sẽ cung cấp kết nối chuyển mạch kênh, hoặc tuyến quang, giữa các router biên qua một mạng quang lõi; tuy nhiên, do những kết nối chuyển mạch kênh là tĩnh, chúng không có khả năng để điều tiết dung lượng quá lớn, bùng nổ của mạng internet. Một cách lý tưởng, để cung cấp sự vận hành tốt nhất có thể trong lõi quang, các node cần cung cấp chuyển mạch gói tại mức quang. Chuyển mạch gói toàn quang như vật dường như không khả thi trong tương lai gần do những giới hạn về công nghệ. Một sự thay thế tương tự cho chuyển mạch kênh toàn quang và chuyển mạch gói toàn quang là chuyển mạch burst quang. Trong chuyển mạch burst quang, các gói tin tiếp nối nhau vào trong các đơn vị giao vận được gọi là các burst. Các burst sau đó được chuyển mạch qua mạng quang lõi theo cái cách của “toàn –quang”. Mạng chuyển mạch burst quang cho phép một mức độ cao hơn của ghép kênh thống kê và phù hợp cho việc xử lý lưu lượng bùng nổ hơn so với chuyển mạch kênh quang. Cùng lúc đó, mạng chuyển mạch burst quang không 6 Chuyển mạch Burst quang OBS có nhiều hạn chế như mạng chuyển mạch gói toàn quang. Để chỉ rõ điểm khác biệt giữa chuyển mạch kênh quang, chuyển mạch gói quang và chuyển mạch burst quang, chúng ta sẽ bàn kĩ về mỗi vấn đề sau. 1.1. Chuyển mạch kênh quang Mạng định tuyến bước sóng quang sử dụng chuyển mạch kênh quang, mà các tuyến quang được khởi tạo giữa cặp các node. Sự khởi tạo của đường đi ánh sáng kèm theo một vài công việc. Những công việc này bao gồm topology và khám phá tài nguyên, định tuyến bước sóng, và báo hiệu và chiếm giữ tài nguyên. Topology và khám phá tài nguyên sẽ có kèm theo thông tin trạng thái phân phối và bảo trì của mạng. Thông thường, thông tin này sẽ kèm theo thông tin trên topo mạng vật lý và trạng thái của liên kết trong mạng. Trong mạng định tuyến bước sóng WDM, thông tin này có thể kèm theo độ “rỗi” của bước sóng trên một liên kết cho trước trong mạng. Một giao thức chung cho duy trì thông tin trạng thái liên kết trọng mạng là giao thức OSPF. Vấn đề tìm tuyến đường và phân bổ bước sóng cho tuyến quang tương đương với việc định tuyến và phân bổ bước sóng (viết tắt là RWA).Thông thường, yêu cầu kết nối có 2 loại tĩnh và động.Trong khởi tạo tuyến quang tĩnh (SLE), toàn bộ các kết nối đều được biết trước, vấn đề là tạo tuyến quang cho những kết nối này trong khi tối thiểu hóa tài nguyên mạng như số bước sóng, số cáp của mạng.Với khởi tạo tuyến quang động (DLE) một tuyến quang được tạo ra cho mỗi yêu cầu kết nối khi yêu cầu đến, và tuyến quang được ngắt sau một khoảng thời gian nào đó.Vấn đề trong trường hợp lưu lượng động là tạo tuyến quang và phân bổ bước sóng trong khi tối thiểu hóa lượng kết nối bị chặn hoặc tối đa số lượng kết nối được khởi tạo trong mạng tại bất cứ thời điểm nào.Có rất nhiều nghiên cứu để giải quyết các vấn đề của RLE và DLE. Kết nối tuyến quang được định tuyến bước sóng là khá tĩnh và không thể phù hợp với lưu lượng internet biến đổi và bùng nổ như ngày nay.Rất rõ tàng rằng nếu lưu lượng rất biến động, thì gửi lưu lượng quang tuyến quang tĩnh sẽ gây ra sự không hiểu quả về băng thông. Mặt khác nếu ta tiếp cận để tạo ra tuyến quang theo cách “động”, thì thông tin về trạng thái của mạng thay đổi liên tục, làm cho việc giữu thông tin trạng thái mạng trở nên khó khăn. Vì vậy khi lưu lượng trở nên ngày càng động và bùng nổ, một cách tiếp cận thay thế là cần thiết để truyền dữ liệu qua mạng. 7 Chuyển mạch Burst quang OBS 1.2. Chuyển mạch gói quang Khi công nghệ chuyển mạch quang được nâng cao, chúng ta cuối cùng đã thấy được sự xuất hiện của mạng chuyển mạch gói quang mà trong đó các gói được chuyển mạch và định tuyến độc lập qua mạng, hoàn toàn trong miền quang mà không cần chuyển đổi trở lại sang điện tại mỗi node. Một mạng như vậy cho phép mực độ cao hơn của ghép kênh tĩnh trên cáp quang và phù hợp hơn để xử lý lưu lượng bùng nổ so với chuyển mạch kênh quang. Một ví dụ của kiến trúc chuyển mạch gói quang cơ bản được biểu diễn trong hình 1.2. Một node chứa cơ cấu chuyển mạch quang có khả năng cấu hình là dựa trên nền tảng từng gói một.Cơ cấu chuyển mạch được cấu hình lại dựa trên thông tin chứa trong tiêu đề của mỗi gói tin. Tiêu đề tự nó được xử lí điện, và có thể được mạng in-band với packet, được mạng trên một tần số sóng mang con ; hoặc được mang đi out-of-band trên một kênh hoàn toàn khác. Vì mất một khoảng thời gian để tiêu đề được xử lý và cho chuyển mạch được cấu hình lại, gói tin có thể bị làm trễ nhờ gửi nó quan một đường trễ quang. Hình 1. Kiến trúc của một chuyển mạch gói quang Để chuyển mạch gói quang được thực tế, thời gian chuyển mạch nhanh là cần thiết. Thông thường, thời gian chuyển mạch cho MEM-based switch được yêu cầu từ 1 đến 10 ms, trong khi chuyển mạch dựa trên khuếch đại quang bán dẫn có thời gian chuyển mạch dưới 1ns. Nhược điểm của chuyển mạch khuếch đại bán dẫn quang là chúng có giá đắt và kiến trúc chuyển mạch yêu cầu tín hiệu phải đi qua bộ coupler- điều này làm giảm công suất. Trong khi tốc độ chuyển mạch được kì vọng sẽ tăng trong thời gian gần, công nghệ hiện tại chưa đủ trưởng thành để hỗ trợ chuyển mạch gói quang. 8 Chuyển mạch Burst quang OBS Một thách thức nữa trong chuyển mạch gói quang là vấn đề đồng bộ.Trong mạng chuyển mạch gói quang với các gói có độ dài không đổi, đồng bộ gói tại đầu vào switch thường có để tối thiểu xung đột. Dù đồng bộ thường khó đạt được, một vài kỹ thuật đồng bộ đã được nghiên cứu tại nhiều viện khoa học. Vì tài nguyên mạng không được đặt trước trong chuyển mạch gói quang, gói có thể bị xung đột. Xung đột xảy ra khi 2 hay nhiều gói có xu hướng ra cùng cổng đầu ra tại cùng thời điểm. Thông thường, xung đột trong mạng chuyển mạch gói điện truyền thống được xử lí nhờ bộ đệm; tuy nhiên trong miền quang, rất khó để vận hành bộ đệm, do không có thiết bị quang tương được với RAM. Thay vào đó, bộ đệm quang có thể có được nhờ dùng bộ đường cáp “trễ”. Nhờ có đường trễ này, ta có thể giữ gói tin trễ đi trọng một khoảng thời gian. Chú ý rằng trong mọi kiến trúc bộ đệm quang, kích cỡ bộ đệm là có giới hạn, không chỉ là do vấn đề chất lượng tín hiệu, còn là do giới hạn về không gian vật lý.Để làm trễ một gói tin trong 5 micro giây đòi hỏi phải có 1 km cáp. Vì giới hạn kích cỡ của bộ đệm, một node có thể không đủ khả năng xử lí lượng lưu lượng lớn như điều kiện mạng hiện nay. Một cách tiếp cận khác để giải quyết xung đột là định tuyến gói tin bị xung đột đến cổng đầu ra khác với cổng đầu ra dự định ban đầu. Cách tiếp cận này được hiểu như chuyển hướng định tuyến hay định tuyến hot-potato. Trong khi định tuyến chuyển hướng thường không được ưa dùng trong mạng chuyển mạch gói điện do nguy cơ lặp vòng và chuyển gói out-of-sequence. Dùng chuyển hướng quang sẽ là cần thiết trong mạng chuyển mạch gói quang- nơi mà dung lượng bộ đệm là giới hạn và để duy trì được mức độ mất gói hợp lý. Tuy nhiên, trước khi triển khai nó, những nghiên cứu sẽ cần phải đi trước để tìm ra những phương án để vượt qua giới hạn của chuyển hướng quang. 1.3. Chuyển mạch burst quang 9 Chuyển mạch Burst quang OBS Hình 1. Sử dụng thời gian chênh lệch trong OBS Chuyển mạch burst quang được sử dụng để đạt được sự cân bằng giữa chuyển mạch gói quang và chuyển mạch kênh quang. Trong mạng chuyển mạch burst quang, một burst dữ liệu chứa nhiều gói tin IP được chuyển mạch qua mạng toàn quang. Một gói tin điều khiển được truyền đi trước burst để cấu hình các switch trên tuyến đường của burst. Thời gian chênh lệch (hình vẽ) cho phép gói tin điều khiển được xử lý và switch được cài đặt trước khi burst đến node trung gian; vì thế, không cần bộ đệm điện hay quang nào tại các node trung gian trong khi gói tin điều khiển được xử lý. Gói tin điều khiển có thể chỉ rõ khoảng thời gian của burst để cho node biết khi nào nó cần cấu hình lại switch của nó cho burst đến tiếp theo. Bảng 1.1 So sánh giữa các công nghệ toàn-quang khác nhau 10 [...]... dữ liệu được truyền trong các burst lớn, chuyển mạch burst quang làm giảm công nghệ yêu cầu cho chuyển mạch quang nhanh- điều này cần thiết cho chuyển mạch gói quang Hình trên tổng kết sự khác biệt trong mạng chuyển mạch toàn quang của 3 công nghệ Từ hình vẽ, ta có thể dễ dàng nhận thấy, chuyển mạch burst quang có ưu điểm của cả chuyển mạch gói quang và chuyển mạch kênh quang trong khi tránh đươc những... nhất về kiến trúc của node chuyển mạch burst quang, tập trung vào các thành phần chính cần thiết cho chuyển mạch burst quang Tiếp đó, sẽ giới thiệu một vài công nghệ hỗ trợ kiến trúc chuyển mạch burst quang và bàn về các vấn đề tầng vật lý có thể ảnh hưởng đến hiệu năng của mạng chuyển mạch burst quang 2.1 Kiến trúc mạng chuyển mạch burst quang Một mạng chuyển mạch burst quang bao gồm các node được... chế điều chỉnh gương để phản chiếu ánh sáng, thời gian chuyển mạch do vậy là chậm Thời gian chuyển mạch thực tế cho chuyển mạch MEMS là khoảng 50ms 17 Chuyển mạch Burst quang OBS Hình 2 Chuyển mạch MEMS Một công nghệ chuyển mạch cung cấp thời gian chuyển mạch nhanh đó là chuyển mạch cổng SOA (SOA- khuếch đại quang bán dẫn) Lược đồ của một chuyển mạch SOA cơ bản được chỉ rõ trong hình 2.6 Tia sáng đến... những thiếu sót của chúng Mặc dù chuyển mạch burst quang xuất hiện để cung cấp những ưu điểm hơn chuyểnmạch gói quang và chuyển mạch kênh quang, một vài vấn đề vẫn phải xem xét trước khi chuyển mạch burst quang có thể triển khai trong mạng Cụ thể, những vấn đề này bao gồm lắp ráp burst, kế hoạch báo hiệu, giải quyết xung đột, lập lịch burst và chất lượng dịch vụ Lắp ráp burst được yêu cầu để quyết định... nhận mode burst nhanhđể có thể thu được tín hiệu của burst đến một cách nhanh chóng Mỗi node cũng nên sử dụng chuyển đổi bước sóng để giảm xung đột trên liên kết đầu ra 2.2.1 Công nghệ chuyển mạch quang Trong khi OBS không đòi hỏi thời gian chuyển mạch nhanh như chuyển mạch gói quang, thời gian chuyển mạch nhanh dù sao cũng là rất tốt Gần đây, một vài công nghệ vận hành chuyển mạch toàn quang Một trong... công, burst đó sẽ bị hủy bỏ Khi chuyển đổi bước sóng được sử dụng, vấn đề quyết định bước sóng nào phù hợp cho một burst trên liên kết đầu ra được gọi là lập lịch kênh 12 Chuyển mạch Burst quang OBS Chương II: Kỹ thuật và kiến trúc Sự phát triển của chuyển mạch burst quang dựa vào sự phát triển thành công của một vài công nghệ cốt lõi, bao gồmchuyển mạch toàn quang, thiết bị nhận mode burst, chuyển. .. Các node trong mạng OBS có thể là node biên hay node lõi như trong hình 2.4 Node biên có trách nhiệm lắp ráp các gói tin vào các burst, và lập lịch cho burst truyền trên kênh bước sóng Node lõi có chức năng chính là chuyển mạch burst từ cổng đầu vào tới cổng đầu ra dựa trên gói tin tiêu đề burst và xử lý xung đột burst 13 Chuyển mạch Burst quang OBS Hình 2 Kiến trúc mạng chuyển burst quang Node biên đầu... Chuyển mạch Burst quang OBS Một vài nhà khoa học đã đề xuất một kiến trúc OBS tập trung hơn :WROBS (chuyển mạch burst quang định tuyến bước sóng) Một mạng WR -OBS kết hợp những chức năng của OBS với chuyển mạch kênh nhanh bằng cách phân bổ động và giải phóng tuyến quang được định tuyến bước song qua một lõi quang không có đệm Hình 2 Kiến trúc router biên Ưu điểm của kiến trúc này so sánh với OBS thông thường... phân cực cao Hình 2 Chuyển mạch SOA 18 Chuyển mạch Burst quang OBS 2.2.2 Burst mode receiver Thiết bị thu truyền thông sử dụng trong hệ thống truyền dẫn quang như SONET thường không phù hợp với chuyển mạch burst quang Một thiết bị thu như vậy mặc định pha và công suất không đổi cho tín hiệu đến và cũng mặc định rằng tín hiệu luôn luôn hiện hữu trên đường truyền Trong mạng OBS, các burst đến một thiết... 16 Chuyển mạch Burst quang OBS sau khi nó nhận được một bản tin xác nhận từ request server WR -OBS có thể nâng cao throughput của mạng, nhưng chính bản chất “tập trung hóa” của nó rất khó có thể” mở rộng” được 2.2 Công nghệ liên quan Để cung cấp chuyển mạch burst quang cơ bản như đã nói ở phần trước cần một vài thiết bị công nghệ Trong node lõi và biên, OXC phải hoạt động sử dụng cơ cấu chuyển mạch quang . chuyển mạch kênh quang. Cùng lúc đó, mạng chuyển mạch burst quang không 6 Chuyển mạch Burst quang OBS có nhiều hạn chế như mạng chuyển mạch gói toàn quang. Để chỉ rõ điểm khác biệt giữa chuyển. để vượt qua giới hạn của chuyển hướng quang. 1.3. Chuyển mạch burst quang 9 Chuyển mạch Burst quang OBS Hình 1. Sử dụng thời gian chênh lệch trong OBS Chuyển mạch burst quang được sử dụng để đạt. chuyển mạch kênh quang, chuyển mạch gói quang và chuyển mạch burst quang, chúng ta sẽ bàn kĩ về mỗi vấn đề sau. 1.1. Chuyển mạch kênh quang Mạng định tuyến bước sóng quang sử dụng chuyển mạch