Xây dựng điều khiển burst cho giao thức báo hiệu xoay vòng (tt)

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - HOÀNG BÁ BẢO XÂY DỰNG CẤU TRÚC KHUNG TÍN HIỆU ĐIỀU KHIỂN BURST CHO GIAO THỨC BÁO HIỆU XOAY VÒNG (CSP) CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT VIỄN THÔNG MÃ SỐ: 60.52.02.08 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – NĂM 2013 i Luận văn hoàn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Bùi Trung Hiếu Phản biện 1: ……………………………………………………………… …………………………………………………………………………… Phản biện 2: ……………………………………………………………… …………………………………………………………………………… Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng Vào lúc: ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng ii MỞ ĐẦU Chuyển mạch burst quang (OBS- Optical Burst Switching) coi đề xuất hàng đầu cho mạng truyền tải toàn quang tương lai, thu hút quan tâm nghiên u nhiều nhà khoa học giới Hiện có nhiều cơng trình khoa học kết nghiên cứu công bố OBS Tuy vậy, vấn đề quan trọng mạng OBS chưa giải triệt để, xung đột dẫn đến burst truyền qua mạng Chính vậy, giải pháp riêng thầy giáo, PGS TS Bùi Trung Hiếu với nhóm nghiên cứu đề xuất có khả loại bỏ tranh chấp bước sóng truyền tải burst mạng quang sử dụng giao thức báo hiệu xoay vòng (CSP – Circle Signalling Protocol) để truyền tải burst qua mạng OBS Qua nghiên cứu, tìm hiểu với hướng dẫn thầy giáo, luận văn tiếp tục đề xuất việc xây dựng cấu trúc khung tín hiệu điều khiển cho giao thức báo hiệu CSP, để tiếp tục hoàn thiện phương pháp truyền tải quang mới, nơi hội tụ ưu điểm mạng toàn quang hệ tương lai Cấu trúc luận văn gồm chương: Chương 1: Kỹ thuật chuyển mạch burst quang Chương trình bày vấn đề kỹ thuật chuyển mạch burst quang (OBS), bao gồm: Giới thiệu tổng quan công nghệ chuyển mạch quang nay, kiến trúc mạng chuyển mạch burst quang Chương 2: Báo hiệu chuyển mạch burst quang Chương trình bày vấn đề báo hiệu chuyển mạch burst quang, làm sở khoa học để xây dựng cấu trúc khung tín hiệu điều khiển burst Chương 3: Xây dựng cấu trúc khung tín hiệu điều khiển burst cho CSP Chương trình bày yêu cầu mục tiêu việc thiết kế khung tín hiệu, thơng tin cần biết tin BCP/CSP, từ đề xuất cấu trúc cụ thể khung tín hiệu điều khiển burst cho CSP Chương 1- KỸ THUẬT CHUYỂN MẠCH BURST QUANG 1.1 Các công nghệ chuyển mạch quang 1.1.1 Chuyển mạch kênh quang (OCS) Trong chuyển mạch kênh quang, đường truyền liệu thiết lập trước trình truyền liệu Nút nguồn khởi đầu thủ tục báo hiệu phân bổ băng để xác định đường đi, bước sóng, thiết lập kết nối chéo Khi kênh truyền thiết lập xong liệu truyền Nút nguồn Nút đích Nút trung gian Setup t0 Tp Setup Tp Setup irm Tp Conf irm Conf irm Conf ts-D tf-D Tp TD Tp Tc Tp Tc Bắt đầu truyền liệu Release Release Release Ghi chú: Tp: thời gian xử lý tin giao thức nút (nguồn, đích, trung gian) Tc: thời gian chuyển mạch cắt qua nối chéo ổn định điểm chuyển mạch WDM t ts-D, tf-D: thời điểm bắt đầu, kết thúc phát liệu TD: thời gian phát liệu Hình 1.1 Báo hiệu chuyển mạch kênh quang Trong chuyển mạch kênh, trễ chu trình (a round-trip delay) ln tồn thời gian thiết lập Và kích thước mạng lớn trễ đáng kể Hơn nữa, tất nút trung gian kết nối phải cấu hình xong trước liệu đến, điều gây lãng phí băng thơng kết nối Do chuyển mạch kênh hiệu thời gian truyền liệu lớn so với thời gian thiết lập 1.1.2 Chuyển mạch gói quang (OPS) Trong chuyển mạch gói quang, thơng tin điều khiển ghép với burst liệu với burst liệu tiêu đề gói Khi tới nút trung gian, tiêu đề tách khỏi burst liệu xử lý để định cổng đầu Một giao thức định tuyến dùng để cung cấp bảng định tuyến cho việc định nút tới đường tới đích Trong suốt trình xử lý tiêu đề thiết lập nối chéo, burst liệu đệm tạm thời Tiêu đề sau xử lý xong lại tiếp tục kết hợp với burst liệu tạo thành gói truyền đến nút tiếp thep Do hạn chế việc chế tạo đệm quang, khơng tìm cổng đầu thích hợp liệu bị hủy Khơng có phản hồi rõ ràng có liên quan tới tồn gói gửi trở lại nguồn Nút nguồn ts-Pk tf-Pk Nút đích Các nút trung gian Bắt đầu truyền gói TPk Tp Tc Bắt đầu truyền gói TPk Tp Tc Bắt đầu truyền gói TPk Ghi chú: Tp: thời gian xử lý tin giao thức nút (nguồn, đích, trung gian) t Tc: thời gian chuyển mạch cắt qua nối chéo ổn định điểm chuyển mạch WDM ts-Pk, tf-Pk: thời điểm bắt đầu, kết thúc phát gói TPk: thời gian phát gói Hình 1.2 Truyền tin chuyển mạch gói quang Như vậy, t hời gian thiết lập chuyển mạch gói thấp chuyển mạch kênh thông tin điều khiển truyền với liệu Tuy nhiên, việc xử lý tiêu đề gói đến lại trở ngại với chuyển mạch WDM tồn quang cơng nghệ chưa xử lý tiêu đề miền quang Mặt khác, chế chuyển mạch gói cần phải tách tiêu đề từ gói cổng đầu vào ghép lại cổng đầu ra, điều không cần thiết chuyển mạch kênh Thêm vào đó, yêu cầu nút trung gian cần phải có đệm 1.1.3 Chuyển mạch burst quang (OBS) Chuyển mạch burst quang thiết kế nhằm kết hợp ưu điểm chuyển mạch kênh chuyển mạch gói OBS khơng cần đến đệm quang nút trung gian, cho phép giảm nhỏ thời gian thiết lập nâng cao hiệu sử dụng băng thông Nút nguồn Các nút trung gian Nút đích Thời gian lệch Thời gian xử lý Burst liệu t Hình 1.3 Báo hiệu chuyển mạch burst quang Hình 1.3 mơ tả truyền báo hiệu truyền burst OBS, burst liệu burst điều khiển ma ng thông tin báo hi ệu hai bước s óng riêng truyền cách khoảng thời gian lệch Tại nút trung gian, burst điều khiển đọc xử lý để tạo lập kênh truyền cho burst liệu Có thể tóm lược vài đặc điểm chuyển mạch burst quang là: • Tính chất hạt (granularity): kích cỡ đơn vị truyền tải chuyển mạch burst nằm đơn vị truyền tải chuyển mạch gói chuyển mạch kênh • Tách biệt thông tin điều khiển liệu: thơng tin điều khiển truyền bước sóng riêng (kênh riêng) • Đặt trước tài nguyên: tài nguyên bị chiếm dụng theo kiểu đặt trước • Chiều dài gói thay đổi: độ dài burst khơng cố định • Khơng sử dụng đệm quang: Nút trung gian mạng không yêu cầu đệm quang, burst qua nút mà khơng có trễ 1.2 Kiến trúc mạng chuyển mạch burst quang 1.2.1 Kiến trúc mạng OBS - Mesh 1.2.1.1 Mô hình mạng Mơ hình mạng OBS theo cấu hình dạng mesh với hai loại nút nút biên nút lõi phân biệt, nối với tuyến WDM hình 1.4 Mạng truy nhập Nút lõi Quản lý đăng ký Lập burst Mạng OBS Nút biên đầu vào Offset Chuyển đổi bước sóng Trường chuyển mạch quang Bước sóng điều khiển Bước sóng liệu Tách burst Nút biên đầu Hình 1.4 Mơ hình mạng OBS-Mesh phân biệt nút biên nút lõi Từ mơ hình ta thấy, n út biên có chức lập/tách burst lập lịch để truyền burst kênh bước sóng Nút lõi chịu trách nhiệm tạo đường kết nối để truyền burst từ cổng đầu vào tới đầu thích hợp dựa thơng tin điều khiển xử lý xảy tranh chấp 1.2.1.2 Cấu trúc nút lõi Cấu trúc nút lõi OBS thể hình 1.5 Nút lõi thường bao gồm trường chuyển mạch quang (OSF: Optical Switch Fabric) khối điều khiển chuyển mạch (SCU: Switch control unit) SCU tạo trì bảng định tuyến chịu trách nhiệm cấu hình trường chuyển mạch Trường chuyển mạch quang mang ý nghĩa chủ chốt định dung lượng nút chuyển mạch Trường chuyển mạch bao gồm khối chuyển mạch không gian khơng tắc nghẽn chuyển đổi bước sóng cho phép chuyển mạch burst liệu từ đầu vào tới đầu theo yêu cầu đảm bảo không bị chồng lấn lên burst liệu khác Khối xử lý điều khiển chuyển mạch (SCU) O/E Kênh điều khiển Cổng vào Cổng vào M-1 λ1 λW-1 λk-1 λ1 λ1 λw-1 λk-1 OMUX Tín hiệu quang Kênh điều khiển E/O Kênh liệu λ1 ODEMUX λ0 … λw-1 E/O Trường chuyển mạch quang (OSF) M: Tổng số cổng (sợi) đầu vào N: Tổng số cổng đầu λ0 … λW-1 OMUX Tín hiệu quang λ0 ODEMUX λ0 … λk-1 O/E Tín hiệu quang Cổng λ0 … λk-1 Tín hiệu quang Cổng N-1 Gói điều khiển Burst liệu Hình 1.5 Cấu trúc nút lõi mạng chuyển mạch burst quang 1.2.1.3 Cấu trúc nút biên Cấu trúc nút biên hình 1.6 TỪ NÚT B1 λ0, λ1, λ2, λm O M TỪ NÚT B2 LẬP / PD2 D λ0, λ1, λ2, λk PD1 LD1 E S O LD2 M TÁCH U PDv X BURST ĐẾN NÚT B1 λ0, λ1, λ2, λm U v LDv X λ0, λ1, λ2, λk LD0 PD0 LẬP LỊCH & ĐIỀU KHIỂN ĐẾN NÚT B2 XỬ LÝ BCP, IP-OH VÀ B-OH N CÁC GĨI IP VÀO/RA Hình 1.6 Cấu trúc nút biên chuyển mạch bust quang Nút biên thực chức như: tiếp nhận gói, xử lý mào đầu, đệm gói, xếp gói vào burst tách burst thành gói, ngồi cịn thực chức khác đồng bộ, ưu tiên, giải tranh chấp v.v 1.2.1.4 Cấu trúc nút lai Trong mạng OBS-Mesh, nút mạng đồng thời vừa nút biên, vừa nút lõi Hình 1.7 sơ đồ cấu trúc nút OBS mang chức nút biên nút lõi, A/C (Amplifier/Converter) khối khuếch đại chuyển đổi bước sóng OS (Optical Switch) khối chuyển mạch quang Hình 1.7 Cấu trúc nút mạng OBS 1.2.1.5 Mơ hình tổng hợp hoạt động mạng chuyển mạch Hình 1.8 Một mơ hình tổng hợp mạng OBS-Mesh Hình 1.8 mơ hình mạng OBS-Mesh tổng hợp, nút mạng OBS tích hợp chức nút biên nút lõi liên kết với qua tuyến sợi quang Mỗi sợi quang liên kết nút mang nhiều bước sóng, bước sóng xem kênh truyền liệu 1.2.2 Kiến trúc mạng OBS- Ring 1.2.2.1 Sơ đồ mạng Trong mạng OBS-Ring, nút OBS nối với tạo thành vòng truyền dẫn khép kín có vai trị hệ thống Vịng truyền dẫn vịng lần qua nút mạng IP, ethernet A3 A2 IP, ethernet λ0, λ1, λ2, …, λW A1 A4 IP, ethernet Vòng OBS Nút OBS AN IP, ethernet Hình 1.9 Mơ hình mạng OBS-Ring 1.2.2.2 Cấu trúc nút mạng Cấu trúc nút OBS-Ring tương tự mơ hình cấu trúc nút OBS tổng quát (hình 1.7) Các nút mạng nút chuyển mạch burst quang có cấu trúc, giống nhau, mang chức nút biên nút lõi Với chức nút biên, nút thu nhận gói liệu đến, lập burst, lựa chọn kênh quang (bước sóng) thích hợp, điều biến để truyền burst kênh quang chọn thu nhận burst nút đích, tách burst thành gói liệu gửi chúng đến khách hàng Với chức nút lõi, nút mạng thực chuyển mạch quang tạo đường quang truyền qua nút trung gian 1.2.2.3 Hoạt động mạng 13 Nút nguồn Setup Toxc Toffset Nút đích Các nút trung gian t0 Bước sóng đăng ký Tsetup Setup Tsetup Toxc Setup Tsetup Toxc Setup Tsetup Chuyển mạch quang thiết lập Toxc Truy ền bu rst Thời gian Thời gian rỗi Hình 2.6 Truyền báo hiệu burst giao thức JIT Hình 2.7 cách thể khác trình đăng ký bước sóng giao thức JIT nút bước sóng, hai burst burst thứ i burst thứ (i+1) đăng ký thành công bước sóng Gói điều khiển (burst thứ i+1) tới Gói điều khiển (burst thứ i) tới Burst thứ i t3 t1 t2 Rỗi (Idle) Rỗi (free) Burst thứ i+1 Bận Đăng ký t4 t5 Rỗi (Idle) Rỗi (free) Thời gian t6 Bận Đăng ký Khoảng thời gian rỗi sau đăng ký truyền burst Rỗi (free) Burst liệu Hình 2.7 Đăng ký bước sóng nút OBS JIT Như đây, đăng ký trực tiếp đơn giản, thời gian xử lý gói điều khiển nhanh không yêu cầu sở liệu vận hành điều khiển nút nhiều giao thức thích hợp mạng mà tải không cao Tuy nhiên, giao thức tồn khoảng thời gian mà bước sóng cung cấp chưa có thơng tin để truyền gây nên tình trạng lãng phí tài ngun mạng 14 2.2.2 Giao thức Horizon Trong Horizon, bước sóng cho kênh liệu đầu dành cho burst trước thời điểm burst đến Nếu burst đến mà khơng có kênh đăng ký tin điều khiển bị hủy burst bị Nói cách khác thời điểm đến bit burst phải muộn thời điểm Horizon bước sóng Khi gói điều khiển đến mà thời điểm bước sóng dành cho burst sớm thời điểm Horizon nhỏ bước sóng tin điều khiển burst bị hủy bỏ Gói điều khiển (burst thứ i) tới Gói điều khiển (burst thứ i+1) tới Burst thứ i t2 t1 t3 TOXC t4 Burst thứ i+1 Thời gian t6 t5 Thời gian lệch burst Khoảng thời gian chờ truyền burst Burst liệu Hình 2.8 Đăng ký bước sóng nút OBS Horizon Như giao thức Horizon cho phép đặt trước khoảng thời gian giới hạn việc đăng ký truyền burst thực cách đơn giản Tuy nhiên, nhược điểm giao thức khơng sử dụng điền trống nên khơng thể tận dụng khoảng tài nguyên rỗi xử lý gói điều khiển burst, từ xử lý xong đến định cấu hình OXC thời điểm kênh liệu có khả truyền burst thích hợp khác 2.2.3 Giao thức JET Điểm khác biệt JET so sánh với kỹ thuật báo hiệu chiều khác đăng ký có trễ giải phóng ước lượng JET có khả phát vị trí khơng xảy xung đột, thời gian bắt đầu burt sớm thời gian kết thúc burst chấp nhận Chẳng hạn, burst truyền hai burst đăng ký thành cơng Do JET, xác suất burst chấp nhận cao 15 Nút nguồn Nút đích Nút trung gian Bản tin điều khiển Toffset Tsetup Tsetup Tsetup TOXC TOXC Tb Burst Tsetup Chuyển mạch quang thiết lập TOXC t Hình 2.9 Truyền báo hiệu burst giao thức JET Hình 2.8 cách thể khác q trình đăng ký bước sóng JET nút bước sóng x Kênh điều khiển BCPB BCPA t1 t2 t TOXC xt Burst A Kênh liệu t2' Burst B Horizon Khoảng thời gian rỗi chờ truyền burst t2" t1' t1" t Burst liệu Hình 2.10 Hoạt động JET bước sóng 2.2.4 Giao thức JumpStart Nền tảng giao thức JumpStart dựa giao thức JIT có thêm vào số đặc tính: Cho phép triển khai QoS , hỗ trợ Multicast, cho phép chuyển mạch nhãn cho phép kết nối ổn định (các đường dẫn quang) 2.2.5 Giao thức JIT+ Giao thức JIT + đưa để cải thiện cho JIT Giao thức JIT + không cố gắng thực phương pháp điền ô trống mà cố gắng cải thiện hiệu hai đăng ký đồng thời bước sóng Trong đó, giao thức JET, Horizon JumpStart cho phép số lượng không xác định đăng ký tài nguyên qua kênh 16 liệu giao thức JIT + cho phép số lượng hai Vì làm đơn giản hóa cấu trúc sở liệu thuật toán 2.2.6 Giao thức E-JIT Giao thức có tảng giao thức JIT mang ưu điểm JIT đơn giản, giữ ưu điểm JIT+ cách cho phép hầu hết hai đăng ký tài nguyên đồng thời E -JIT cải tiến so với JIT cách cải thiện lược đồ xếp lịch truyền burst kênh liệu, giảm thời gian kênh liệu giữ trạng thái đăng ký Do tối ưu hóa hiệu sử dụng kênh truyền làm giảm xác suất burst 2.2.7 Giao thức CSP 2.2.7.1 Mơ hình mạng Mơ hình mạng sử dụng CSP thể hình 2.11 Vịng báo hiệu vòng truyền dẫn quang đơn hướng, sử dụng bước sóng λ0 Theo chiều truyền dẫn vịng báo hiệu, nút đặt tên A 1, A2,… AN Ngồi bước sóng λ0, từ nút A n đến nút Ah có truyền dẫn quang đơn hướng song hướng, với bước sóng truyền tải hướng λ1, λ2,…, λW để truyền burst truyền từ nút nguồn đến nút đích bước sóng truyền tải MẠNG WDM A2 A1 (λ1, λ2,…, λW) A3 MẠNG CÁP QUANG A4 λ0 AN IP, VỊNG BÁO HIỆU Hình 2.11 Mơ hình mạng sử dụng CSP 2.2.7.2 Truyền tin điều khiển 2.2.7.3 Truyền tải qua mạng 17 Chương 3- XÂY DỰNG CẤU TRÚC KHUNG TÍN HIỆU ĐIỀU KHIỂN BURST CHO CSP 3.1 Các yêu cầu mục tiêu thiết kế Có nhiều loại thơng tin báo hiệu mạng, thơng tin điều khiển burst (BCP) loại thơng tin quan trọng Đây khung tín hiệu đề xuất giao thức báo hiệu xoay vòng Khung BCP thiết kế phải đáp ứng u cầu: mang tồn thơng tin thời gian bận tất bước sóng truyền tải lịch trình truyền tồn burst bước sóng Khi đến nút kế tiếp, thơng tin cần bổ sung phải cập nhật vào vị tr í phù hợp khung Mặt khác, khung tín hiệu đồng thời phải đảm bảo đơn giản, kích thước nhỏ để dễ dàng xử lý nút truyền nhanh chóng vịng báo hiệu trước truyền burst 3.2 Các thơng tin cần có BCP/CSP Theo cấu trúc thông thường dẫn ITU-OTN, khung thông tin đề xuất cho BCP gồm phần: phần mào đầu (OH), phần thông tin điều khiển truyền burst (BCI) phần dành cho thông tin cần thiết khác (FCS) 3.2.1 Mào đầu BCP Phần mào đầu BCP có trường tin:  Cờ: Báo hiệu bắt đầu gói tin điều khiển  Loại tin: Để phân biệt gói tin điều khiển truyền burst với loại thông tin báo hiệu khác (đồng bộ, cảnh báo, nghiệp vụ…)  Độ dài gói tin điều khiển: LBCP(B) 3.2.2 Thông tin điều khiển truyền burst Thông tin điều khiển truyền burst bao gồm tồn thơng tin đăng ký sử dụng bước sóng tất nút mạng Một nút mạng đăng ký sử dụng bước sóng để truyền burst phải đưa thơng tin burst thơng tin sử dụng bước sóng 18 3.2.2.1 Thơng tin burst • Độ dài thông tin đăng ký truyền burst LIBk(B): Để đảm bảo tách thông tin đăng ký truyền burst • Mã hiệu burst Bk: nút nguồn ghi, dùng để nhận biết burst • Chỉ số ưu tiên P: Xác định theo loại dịch vụ yêu cầu truyền burst • Độ dài burst: Được sử dụng để tính thời gian phát burst • Địa nút nguồn, nút đích: Được sử dụng q trình xử lý BCP nút Theo địa đích, nút đích nhận biết burst truyền đến mình, từ lập lịch thu burst xóa thơng tin đăng ký sử dụng bước sóng truyền burst • Tuyến truyền burst: Cung cấp thông tin nút mà nút nguồn đăng ký truyền burst qua để đến đích Khi nút trung gian, nút mạng lập lịch điều khiển chuyển mạch quang thiết lập kết nối theo hướng yêu cầu, tạo đường truyền qua theo thời gian nút nguồn đăng ký 3.2.2.2 Thông tin sử dụng bước sóng Kết hợp khơng gian thời gian, cho ta biểu thức thông tin sử dụng bước sóng 3.2.3 Thơng tin khác BCP cịn mang theo số thơng tin khác, chẳng hạn sửa lỗi, chèn yêu cầu đặc biệt khác truyền burst Những thông tin đưa vào BCP cần lựa chọn kỹ càng, nên đưa vào thật cần thiết để giảm thiểu kích thước BCP qua đó, giảm nhỏ thời gian truyền BCP 3.3 Đề xuất cấu trúc khung tín hiệu điều khiển burst cho CSP 3.3.1 Cấu trúc khung tổng thể Một cấu trúc cho BCP sử dụng giao thức báo hiệu xoay vòng (CSP) đề xuất hình 3.1 Như theo cấu trúc thơng thường, BCP khung thơng tin có kích thước bội số bit (tức byte), thay đổi tùy thuộc lượng thông tin điều khiển burst BCP Khung BCP chia thành phần , phần lại chia thành nhiều trường tin khác 19 Mào đầu Thơng tin burst sử dụng bước sóng Dãy kiểm tra khung OH BCI FCS Cờ Loại LBCP LIBk Bk λw LBk AsAn … Ad tsAs LIB(k+1) B(k+1) λw LB(k+1) As … Ad tsAs Thông tin Bk/λw Thông tin B(k+1)/λw …………… Chèn Sửa lỗi Thông tin tất Bp/λq cịn lại Hình 3.1 Cấu trúc tổng thể khung BCP đề xuất Các giả thiết toán để xây dựng cấu trúc khung BCP sau: - Mạng sử dụng CSP có số nút 26= 64 (N