Chuyển mạch gói quang 10

Chuyển mạch gói quang 10

Đồ án tốt nghiệp đại học MỤC LỤC 1 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 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 được truyền giữa các node quang, nhưng sự chuyển đổi quang điện tử được thực hiện ở mọi node. SONET/SDH là một ví dụ. Một lựa chọn khác có ưu điểm hơn là sử dụng các topo mạng kiểu bus, vòng và sao. Hình1.1: Các topo mạngdạng Điểm - điểm, vòng, sao, lưới. Trong mạng WDM topo kiểu vòng được ưa dùng hơn. Topo kiểu mạng lưới có nhiều ưu điểm hơn khi so sánh với các loại trước bởi vì dung sai cắt sợi tốt hơn, khi có nhiều lựa chọn định tuyến. Thêm nữa, một node với tốc độ lưu 2 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan lượng cao được nối với vài node, và một node với lưu lượng dữ liệu trên một node đơn chỉ có thể nối với node đơn này. Đáng tiếc, một mạng topo dạng mạng lưới 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 được sử dụng và cuối những năm 1990 topo mạng kiểu vòng trở nên ưa dùng. Ngày nay đã sử dụng các mạng có topo mạng kiểu mạng lưới. Một phần các mạng gói quang được thực hiện trong môi trường phòng thí nghiệm. Chắc chắn các mạng gói thương mại sẽ theo sự phát triển giống như các mạng WDM trước đó. 1.1.2 Sự phát triển của dung lượng truyền dẫn Tốc độ phát triển của dung lượng truyền dẫn nhanh hơn trong các năm trước 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 lượng và tốc độ bít người sử dụng. 1995 2000 2005 2010 Dung lượng tổng 20-40 Gbit/s 800 Gbit/s ≥ 1Tbit/s Tốc độ bít người sử dụng POTS 64kbit/s ADSL 2-8Mbit/s Quang, ADSL 155Mbit/s 2,10,50 Mbit/s Quang, điện 622Mbit/s 100Mbit/s 1.1.3 Sự phát triển của mạng Mạng quang đầu tiên được thực thi cách đây hơn thập kỷ, nhưng sự khai thác thực tế của mạng quang lại liên quan với hiện tượng mới. Mạng sử dung công nghệ WDM sẽ tới đỉnh điểm của nó trong nửa cuối năm nhưng năm 2000. Sự phát triển vẫn tăng nhanh nếu như tốc độ phát triển của dung lượng vẫn tăng 60% trên năm. Hiện nay phương pháp ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) là công nghệ ghép kênh ưa 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 3 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan quang điện rộng lớn bằng cách yêu cầu mỗi đầu cuối của mỗi người sử dụng chỉ hoạt động tại tốc độ điện tử và các kênh ghép WDM từ các đầu cuối của người sử dụng khác sẽ được ghép vào trong cùng một cáp. Trong ghép kênh theo bước sóng WDM, mỗi bước sóng hỗ trợ một kênh thông tin hoạt động tại bất kỳ tốc độ được thiết kế này. Ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) xuất hiện như một giải pháp được lựa chọn để cung cấp một cơ sở hạ tầng mạng nhanh hơn, đáp ứng được sự bùng nổ của Internet. Thế hệ đầu tiên của WDM chỉ cung cấp các liên kết vật lý điểm tới điểm được 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 bước sóng WSXC. Các tuyến quang tạo ra một tôpô ảo trên tôpô sợi quang vật lý. Cấu hình bước 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 bước sóng với khả năng chuyển đổi bước sóng, định tuyến động và phân bố bước sóng tại các node nối chéo. WDM thế hệ thứ ba được sử dụng trong các mạng quang chuyển mạch gói phi kết nối, trong đó các tiêu đề hay các nhãn được gắn với dữ liệu, truyền đi cùng với tải và được 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 được 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 được chỉ ra như hình vẽ . Thế hệ thứ 3 Thế hệ thứ 1 Thế hệ thứ 2 Chuyển mạch kênh WDM Chuyển mạch burst quang Chuyển mạch gói quang 4 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan Các kênh tĩnh tới động Các đường ảo và lưu giữ và chuyển tiễp Hình 1.2 Sự phát triển mạng WDM WADM WAMP DCX WSXC(OCX) OPR OBS OLS Chuyển mạch kênh quang được sử dụng cho lưu lượng được tập hợp lại có kích thước lớn, một kênh truyền sẽ được thiết lập trước và không thay đổi trong quá trình truyền dữ liệu. Chuyển mạch gói quang sử dụng cho các gói dữ liệu có kích thước nhỏ. 5 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan 1.2 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 các tín hiệu từ các cổng đầu vào tới các cổng đầu ra. Hai là chuyển mạch 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 đường dây trễ, các bộ lọc, các bộ chuyển đổi bước sóng và các chuyển mạch đơn giản. Các chuyển mạch không gian và các bộ định tuyến bước 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 nhưng lựa chọn tốt nhất là sử dụng các SOA (các bộ khuyếch đại quang bán dẫn). Như 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 N×N như mô tả ở trên gồm N bộ tách 1×N, N 2 cổng SOA và N bộ trộn 1×N. Nếu tín hiệu được chuyển tới đầu ra j, 6 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan cổng j ở trạng thái mở và các cổng khác ở trạng thái đóng. Tất cả các cổng có cùng chỉ mục sẽ được kết nối tới một bộ trộn. Một bộ định tuyến bước sóng có thể được cấu hình trước hoặc không. Như hình 1.4 mô tả bộ định tuyến bước sóng không cấu hình trước. Mỗi tín hiệu từ đầu vào i với bước sóng j luôn được 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 đưa tới tất cả các lưới ống dẫn sóng mà các lưới ống dẫn sóng này có độ dài khác nhau. Độ trễ tín hiệu phụ thuộc vào độ dài của ống dẫn sóng và bước 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 bước sóng không cấu hình trước không có thuộc tính chuyển mạch thì vẫn được sử dụng rộng rãi trong các chuyển mạch gói quang định tuyến theo bước sóng. Y tưởng chính để mọi gói được chuyển đổi đầu tiên thành một bước 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 bước sóng, mỗi gói sẽ được chuyển tới cổng ra đã định. Hình 1.4: Bộ định tuyến bước sóng. 7 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan 1.2.1 Phân loại chuyển mạch quang Chuyển mạch có thể được 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 được chia thành:  Chuyển mạch kênh quang.  Chuyển mạch gói quang.  Chuyển mạch burst quang. 1.2.1.1 Kỹ thuật chuyển mạch kênh quang Chuyển mạch kênh quang hoạt động theo kiểu định tuyến theo bước sóng. Trong mạng chuyển mạch kênh quang, một đường dẫn bước sóng riêng được thiết lập trong khoảng thời gian kết nối. Để một mạng chuyển mạch kênh hoạt động, một kênh sẽ được ấn định từ đầu tới cuối cho một kết nối. Kênh này sau đó chỉ được đăng ký phục vụ cho một kết nối. A R 1 R 2 R 3 R 4 R 5 R 6 B S w i t c h / R o u t e r T u y Õ n h o ¹ t ® é n g Hình 1.5 Mạng chuyển mạch kênh. Trong mạng chuyển mạch kênh trên đây yêu cầu nối giữa điểm A và B. Một kênh được 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 được thiết lập. Chuyển mạch kênh gồm có 3 giai đoạn: Thiết lập kênh, truyền dữ liệu, và giải phóng kênh. 8 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan  Thiết lập kênh: Đăng ký một bước sóng cố định theo đường dẫn lựa chọn, mỗi liên kết trên đường dẫn được định hướng từ nguồn tới đích tương ứng của nó.  Truyền dữ liệu: Dữ liệu được gửi trên một đường riêng. Khi phân phối điều khiển được 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 đường 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 được giải phóng. Đích gửi về nguồn một bản tin xác nhận. Các node trên đường truyền lần lượt được giải phóng để phục vụ cho kết nối khác. Giữ liệu người dùng ACK Tín hiệu chấp nhận cuộc gọi Trễ xử lý Trễ đường truyền Yêu cầu cuộc gọi Hình 1.6 Tín hiệu trong chuyển mạch kênh. 1.2.1.2 Chuyển mạch gói quang Chuyển mạch gói quang là công nghệ tiếp theo được lựa chọn phục vụ cho việc truyền tải dữ liệu qua WDM. Hoạt động trong chuyển mạch gói: Các gói thông tin được gửi đi trên tuyến thích hợp được lựa chọn bởi bộ định tuyến tại node khi gói đến. Trong chuyển mạch gói, mỗi gói có một tiêu đề tương ứng mang thông tin về gói cũng như 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. 9 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan C R 1 R 2 R 3 R 4 R 5 R 6 D S w i t c h / R o u t e r T u y Õ n h o ¹ t ® é n g Hình 1.7 Mạng chuyển mạch gói Hình vẽ 1.7 mô tả một mạng chuyển mạch gói. Gói được gửi từ điểm C tới đích D. Một gói thông tin rời C và được gửi đi trên tuyến R1 tới R3, sau đó từ R3 gửi tới R4 và tới D. Tuy nhiên gói cũng có thể được truyền tới D theo hướng khác. Nếu việc truyền dẫn từ R1 tới R3 chậm hoặc bị mất, gói từ R1 sẽ được 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. Trường hợp gói có độ dài cố định, một bản tin kích thước Lb sẽ được chia thành các gói nhỏ hơn có kích thước giống nhau. Trường hợp gói có độ dài khác nhau, bản tin được chia thành Lb/Smax gói và đệm chỉ cần thiết đối với gói nhỏ hơn Smin. Một đặc điểm chính của chuyển mạch gói là lưu giữ và chuyển tiếp. Tức là một gói cần phải được tập hợp đầy đủ tại một node nguồn và mỗi node trung gian trước khi nó được chuyển đi. Đặc điểm này sẽ dẫn đến gói phải trải qua một khoảng thời gian trễ tương ứng với Lb tại mỗi node, khi đó cần phải có bộ đệm tại mỗi node trung gian của mạng có kích thước nhỏ nhất là Smax. Mặc dù vậy với công nghệ hiện tại chưa thể thực hiện chuyển mạch quang một cách có hiệu quả do:  Chuyển mạch gói quang thường sử dụng cho trường hợp không đồng bộ. Ví dụ, các gói tới tại các cổng đầu vào khác nhau phải được xếp hàng trước khi truy nhập vào trường chuyển mạch. Tuy nhiên để ứng dụng cho trường hợp không đồng bộ là rất khó và chi phí cao.  Một khó khăn nữa đối với chuyển mạch gói quang là sự thiếu vắng các bộ đệm quang. Đặc điểm chính của chuyển mạch gói là lưu đệm và chuyển 10 [...]... kênh quang và chuyển mạch gói quang Nó được thiết kế đạt được cân bằng giữa những ưu điểm của chuyển mạch kênh quang và nhược điểm của chuyển mạch gói quang 1.3 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. .. 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 thương mại cao hơn chuyển mạch gói quang, nó tránh được 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 trường chuyển. .. chuyển mạch kênh quang, sẽ tạo bước xúc tiến cho mạng chuyển mạch gói quang ra đời Đồ án tốt nghiệp đại học gói quang Chương 2: Chuyển mạch 2.3 Đặc tính lưu lượng của chuyển mạch gói quang 2.3.1 Đặc tính lưu lượng của chuyển mạch không có chức năng tách - ghép 2.3.1.1 Mạng và kiến trúc chuyển mạch của hệ thống WDM Mạng gói quang WDM xác định ở đây được chỉ ra trong hình 2.2 Hình 2.2 : Chuyển mạch gói. .. trường chuyển mạch có thể được triển khai mà không cần bộ đệm hoặc với một vài đường trễ để giải quyết xung đột Chuyển mạch burst đã tránh được những vấn đề của chuyển mạch gói, và phù hợp cho yêu cầu lưu lượng hiện nay Trong thời gian tới, chuyển mạch burst rõ ràng sẽ hấp dẫn hơn chuyển mạch gói quang, và trong cuộc đua đường dài chuyển mạch burst dường như là đối thủ mạnh nhất của chuyển mạch gói quang. .. Không chuyển đổi bước sóng Có chuyển đổi bước sóng Gói 1: Gói 2: Gói 1: Gói 2: Hình 2.4: Xử lí đệm khi có và không có chuyển đổi bước sóng Có thể minh họa tác dụng giảm số lượng đường dây trễ trên hình 3.5, mẫu lưu lượng đã được công nhận và đang được phát triển cho một số mô hình khác Chương 2: Chuyển mạch Xác suất mất gói tin Đồ án tốt nghiệp đại học gói quang 10- 1 10- 3 10- 5 10- 7 10- 9 10- 11 -13 10. .. chưa có các bộ đệm truy nhập quang ngẫu nhiên cần thiết để thực hiện lưu giữ và chuyển tiếp  Khó khăn nữa cho việc sử dụng chuyển mạch gói quang là thời gian yêu cầu để định cấu hình cơ cấu chuyển mạch quang 11 Đồ án tốt nghiệp đại học quan Chương 1: Tổng 1.2.1.3 Chuyển mạch burst quang Khái niệm chuyển mạch quang xuất hiện từ đầu những năm 1980 Gần đây, chuyển mạch burst quang được nghiên cứu trở lại... gói quang Chương 2: Chuyển mạch Chuyển mạch không gian Tách bước sóng Đổi bước sóng khả chỉnh Đệm B vị trí λ1…λN 1 M Hình 2.3: Khối chuyển mạch gói quang WDM  Phần đầu vào: Tại đây, khối tách kênh lựa chọn các gói đến ở N bước sóng cố định λ1, λ2,…, λN và bộ chuyển đổi bước sóng quang khả chỉnh (TOWC's) sẽ đánh địa chỉ các gói theo không gian trống trong bộ đệm đầu ra đường dây trễ  Khối chuyển mạch. .. dạng gói sẽ ở mức lựa chọn cao hơn Nếu tìm thấy một cách để thực hiện thương 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 như kỹ thuật chuyển mạch vẫn chưa đáp ứng được yêu càu thì chuyển mạch kênh vẫn là lựa chọn số 1 12 Đồ án tốt nghiệp đại học quan Chương 1: Tổng 1.3.2 Giữa chuyển mạch gói và chuyển mạch burst Ưu điểm của chuyển. .. mạng quang theo đúng nghĩa mới chỉ được 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 Dưới đây sẽ nghiên cứu một kĩ thuật mới, hiện chưa được triển khai trên thực tế, song lại là một giải pháp có rất nhiều ưu điểm, và có khả năng đáp ứng được các yêu cầu của mạng thế hệ mới về mọi mặt, đó là "chuyển mạch gói quang" Chuyển mạch gói quang. .. giảm nhờ có TOWC's trong chuyển mạch gói WDM với tỉ lệ mất gói tin PLR = 10- 10 Đồ án tốt nghiệp đại học gói quang Chương 2: Chuyển mạch 25 21 17 13 9 5 1 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Số đường dây trễ Tải trên mỗi kênh Không đổi bước sóng Có đổi bước sóng N=2 N=4 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 N.α Tải trên mỗi kênh Đồ án tốt nghiệp đại học gói quang Chương 2: Chuyển mạch N=2 N=4 N=1 Hình