Nghiên cứu công nghệ chuyển mạch gói quang

Nghiên cứu công nghệ chuyển mạch gói quang

1.2.1 Phân lo i chuy n m ch quangạ ể ạ 7

1.2.1.1 K thu t chuy n m ch kênh quang ỹ ậ ể ạ 7

1.2.1.2 Chuy n m ch gói quang ể ạ 8

1.2.1.3 Chuy n m ch burst quangể ạ 11

1.3 So sánh 11

1.3.1 Gi a chuy n m ch kênh v góiữ ể ạ à 11

1.3.2 Gi a chuy n m ch gói v chuy n m ch burst ữ ể ạ à ể ạ 11

CHƯƠNG II: CHUY N M CH GÓI QUANGỂ Ạ 9

2.1 Gi i thi u chungớ ệ 9

2.2 Vai trò c a m ng chuy n m ch gói quangủ ạ ể ạ 9

2.3 Đặc tính l u lư ượng c a chuy n m ch gói quangủ ể ạ 11

2.3.1 Đặc tính l u lư ượng c a chuy n m ch không có ch c n ng tách -ủ ể ạ ứ ăghép 11

2.3.1.1 M ng v ki n trúc chuy n m ch c a h th ng WDMạ à ế ể ạ ủ ệ ố 11

2.3.1.2 nh hả ưởng c a các b chuy n ủ ộ ể đổ ưới b c sóng kh ch nh ả ỉ 12

2.3.2 Đặc tính l u lư ượng c a chuy n m ch v i ch c n ng tách ghépủ ể ạ ớ ứ ă 15

2.3.2.1 L u lư ượng c a m ng chuy n m ch gói tách- ghép WDMủ ạ ể ạ 17

2.3.2.2 Thu t toán nh tuy n v ki u ki m traậ đị ế à ể ể 20

2.4 B ộ đệm trong chuy n m ch gói quangể ạ 23

2.4.3.3 Chuy n m ch v i b ể ạ ớ ộ đệm quang l n SLOB ớ 39

2.5 Ki n trúc nh tuy n th c nghi m gói quang có kh n ng hoán ế đị ế ự ệ ả ă đổi nh nẵ OPERA 39

2.6.1.1 Chuy n m ch xen kể ạ ẽ 43

2.6.1.2 Chuy n m ch gói photonic b ể ạ ộ đệ đầm u ra 43

2.6.1.3 Chuy n m ch d a trên chuy n m ch không gian không b ể ạ ự ể ạ ộ đệm

44

2.6.1.4 Chuy n m ch DAVID ể ạ 45

2.6.2 Chuy n m ch nh tuy n bể ạ đị ế ước sóng 46

2.6.2.1 Chuy n m ch nh tuy n bể ạ đị ế ước sóng b ộ đệ đầm u ra 46

2.6.2.2 Chuy n m ch nh tuy n bể ạ đị ế ước sóng đệ đầm u v oà 48

2.6.3 Chuy n m ch l a ch n v qu ng báể ạ ự ọ à ả 50

2.6.3.1 Chuy n m ch l a ch n v qu ng bá KEOPSể ạ ự ọ à ả 50

2.6.3.2 Chuy n m ch l a ch n v qu ng bá ULPHAể ạ ự ọ à ả 52

2.6.3.3 Chuy n m ch b nh l p s iể ạ ộ ớ ặ ợ 52

2.6.5 Chuy n m ch nh tuy n quang phân khe th i gianể ạ đị ế ờ 53

CHƯƠNG III: CÁC MÔ HÌNH CHUY N M CHỂ Ạ 53

3.4 M ng ng d ng cho chuy n m ch gói quangạ ứ ụ ể ạ 56

3.4.1 Chuy n m ch gói quang trong su tể ạ ố 56

3.4.1.1 Các m ng gói quangạ 56

3.4.1.2 Node chuy n m ch gói quangể ạ 62

3.4.2 M ng k t n i quang v i b nh tuy n IP terabitạ ế ố ớ ộ đị ế 63

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 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.

Dung lượng tổng

Tốc độ bít người sử dụng

Quang, ADSL155Mbit/s2,10,50 Mbit/s

Quang, điện622Mbit/s100Mbit/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 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

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.

Thế hệ thứ 3Thế hệ thứ 1 Thế hệ thứ 2

Chuyển mạch kênh WDM Chuyển mạch burst quang Chuyển mạch gói quangCác kênh tĩnh tới động Các đường ảo và lưu giữ và chuyển tiễp

OLS

Bé t¸chBé trénCæng SOA

Hình 1.3: Chuyển mạch dựa trên cổng SOA.

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.

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:

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

AR 1

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.

liên kết trên đường dẫn được định hướng từ nguồn tới đích tương ứng của nó.

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

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.

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

Giữ liệu người dùng

ACKTín hiệu chấp nhận cuộc gọi Trễ xử lý

Trễ đường truyềnYêu cầu

cuộc gọi

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

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:

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.

quang Đặc điểm chính của chuyển mạch gói là lưu đệm và chuyển tiếp Đặc điểm này cần thiết để giải quyết vấn đề tranh chấp cổng đầu ra Tuy nhiên hiện tại 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

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 và được biết đến như một giải pháp kế tiếp của chuyển mạch gói quang Thực chất chuyển mạch burst quang được xem xét trong tầng quang đơn thuần như một môi trường truyền dẫn trong suốt không bộ đệm cho các ứng dụng Tuy nhiên không có một định nghĩa tổng quát cho chuyển mạch burst quang Sự bùng nổ lưu lượng mạnh mẽ trong mạng Internet, sự phát triển nhanh chóng các lớp lưu lượng là những vấn đề quan trọng cần phải được xử lý Để hỗ trợ cho việc sử dụng độ rộng băng có hiệu quả, phương pháp truyền tải toàn quang cho phép đệm quang trong khi vẫn xử lý sự bùng nổ lưu lượng, và hỗ trợ cho việc cung cấp tài nguyên nhanh và truyền dẫn không đồng bộ các gói có kích thước khác nhau cần phải được phát triển Chuyển mạch burst quang (OBS) như một giải pháp cho sự truyền tải lưu lượng trực tiếp qua mạng WDM quang mà không cần bộ đệm.

Chuyển mạch burst quang là phương pháp kết hợp cả hai kỹ thuật chuyển mạch 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 Nói cách khác, lưu lượng viễn thông trong tương lai vẫn còn tiếp tục bùng nổ Trong bất cứ trường hợp nào, thì lưu lượng 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.

Ưu điểm của chuyển mạch gói là một gói bao gồm cả tiêu đề và tải gửi đi mà không

cần thiết lập kênh và chúng chia sẻ các bước sóng liên kết giữa các gói với các nguồn và các đích khác nhau Tuy nhiên do cơ cấu lưu đệm và chuyển tiếp, mọi node đều phải xử lý tiêu đề của gói tới để xác định tuyến truyền của gói, vì vậy cần phải sử dụng bộ đệm tại các node.

Chuyển mạch burst quang không cần phải có bước sóng riêng cho mỗi kết nối đầu cuối tới đầu cuối vì vậy ngay sau khi burst đi qua một tuyến liên kết thì bước sóng sẽ được giải phóng ngay Khác với 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 mạch Bởi vì dữ liệu được móc nối vào nhau bên trong các phần tử lớn hơn trong các mạng chuyển mạch burst, có nhiều dữ liệu / tiêu đề hơn so với các mạng chuyển mạch gói Trước tiên, là đạt được tốc độ dữ liệu cao hơn với cùng một tốc độ xử lý tiêu đề hơn nữa, không cần thiết phải triển khai các bộ đệm quang phức tạp Các burst có thể được đệm trong miền điện tại cạnh của mạng thay cho bộ đệm tại mỗi node vì thời gian mao đầu đã được xử lý Các 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

CHƯƠNG II: CHUYỂN MẠCH GÓI QUANG

2.1 Giới thiệu chung

Mạng với các thiết bị quang hiện đang có triển vọng lớn trong việc cung cấp các ứng dụng đa phương tiện thời gian thực cao, vì nó có khả năng truyền dẫn ở tốc độ cao hơn rất nhiều với độ tin cậy lớn hơn so với mạng điện thông thường Hiện nay, các liên kết quang đã thay thế cho cáp đồng trong rất nhiều mạng, tuy nhiên 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 là kĩ thuật chuyển mạch gói được thực hiện bởi hoàn toàn công nghệ quang thông qua các thiết bị quang Mạng chuyển mạch gói quang hoàn toàn có khả năng truyền tải mọi loại thông tin, từ tốc độ bit thấp như thoại cho tới tốc độ bit cao là video rõ nét, và có thể đáp ứng các yêu cầu khác nhau của mỗi loại dịch vụ có về tốc độ bit, đặc tính, kiểu tốc độ (cố định hay thay đổi), độ chính xác thông tin (như độ mất gói và tỉ lệ lỗi bit) và đảm bảo thời gian (độ trễ và jitter).

Chuyển mạch gói quang có thể đáp ứng mọi yêu cầu và ta có thể phân loại các yêu cầu thông tin của chuyển mạch đó là:

Hiện nay mạng chuyển mạch gói quang vẫn chưa hoàn toàn quang, các tín hiệu đều cần chuyển đổi trở lại dạng điện trước khi chuyển mạch và xử lí Như vậy, các ưu điểm lớn của thông tin quang như tốc độ và hiệu quả vẫn chưa được phát huy cao do độ trễ vẫn lớn Mạng chuyển mạch gói quang có thể chưa được áp dụng vào cuộc sống trong một vài năm tới do giới hạn về công nghệ quang Tuy nhiên với sự phát triển nhanh chóng và rất nhiều các mô hình nghiên cứu chuyển mạch gói quang, mạng viễn thông sẽ có thể áp dụng công nghệ này vào thực tiễn để đáp ứng được đòi hỏi ngày càng cao của các dịch vụ người dùng

2.2 Vai trò của mạng chuyển mạch gói quang

Sự phát triển của các dịch vụ hiện có và các dịch vụ mới băng thông cao đã làm cho lưu lượng viễn thông không ngừng tăng nhanh, và từ đó băng thông yêu cầu cũng

tăng lên ngày càng lớn Bước đầu để đáp ứng băng thông là sự triển khai hệ thống truyền dẫn WDM Và bước tiếp theo, mạng thế hệ mới cần phải tận dụng được kĩ thuật WDM bằng cách thực hiện các chức năng quang trong điều khiển và quản lí các tín hiệu hàng megabit, như thế sẽ làm giảm sự phức tạp trong hệ thống điện và giảm giá thành.

Sự nâng cấp mạng từ điện sang quang làm phát sinh vấn đề nghẽn cổ chai về khả năng thông qua Vấn đề này đã thấy được trên mạng đường trục kết nối chéo quang, và người ta cần sử dụng tầng chuyển mạch gói quang giữa tầng chuyển mạch điện và tầng truyền dẫn Như vậy tầng chuyển mạch gói quang sẽ kết nối, lấp khe trống giữa tầng điện đang tồn tại và các kênh quang ở đường trục, đồng thời cho phép chuyển mạch gói nhanh các kết nối đổi tần ở tốc độ cao hơn nhiều so với tầng điện mà không ảnh hưởng trực tiếp lên kết nối chéo Ta có mô hình phân tầng tham khảo như hình 2.1.

Các xu hướng phát triển của các mạng viễn thông chủ yếu phụ thuộc vào những yêu cầu của các dịch vụ tương lai Qua thực tế người ta dự đoán môi trường mạng sẽ biến đổi hoàn toàn theo những xu hướng chủ đạo là:

Chuyển mạch gói quang

Tầngtruyền dẫn quang

TẦNG CHUYỂN MẠCH ĐIỆN

Truy nhậpTruy nhập

ATM - ADM

ATM - ADM

Tầng gói quangOPS

Xen rẽ ATM điện

ATM -

Hình 2.1: Mô hình mạng phân tầng tham chiếu

 Lưu lượng internet trong đó thông tin dữ liệu chiếm ưu thế.

thông cũng như số lượng kênh bước sóng và tốc độ bít trên một kênh.

Các nghiên cứu cho thấy mạng chuyển mạch gói là mạng chủ đạo trong tương lai và có thể đáp ứng được các yêu cầu dịch vụ, một trong số đó có mạng chuyển mạch gói quang Mạng chuyển mạch gói quang đã được nghiên cứu cách đây khoảng chục năm Từ đó đến nay có rất nhiều thay đổi, các thiết bị đã được cải thiện cũng như đặc tính lưu lượng có nhiều biến đổi Có rất nhiều vấn đề chưa được giải quyết, song công nghệ quang đã bắt đầu có những dấu hiệu trưởng thành Mạng quang có thể được trải rộng từ mạng đường trục với khoảng cách lớn tới mạng truy cập, và mạng đã càng ngày càng phức tạp hơn, hiệu quả hơn và độ tin cậy cao hơn trước đây Chuyển mạch gói quang có thể vẫn chỉ trong phòng thí nghiệm nhiều năm nữa, song với công nghệ phát triển ngày càng cao để đáp ứng cho các phương thức chuyển mạch hiện có như chuyển mạch kênh quang, sẽ tạo bước xúc tiến cho mạng chuyển mạch gói quang ra đời.

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.

M¹ng conM¹ng con

M¹ng conM¹ng con ChuyÓn m¹ch gãi cña hÖ

thèng WDM

Hình 2.2 : Chuyển mạch gói của hệ thống WDM

Chuyển mạch gói quang chuyển dữ liệu giữa các mạng con như MAN, LAN

các bước sóng này được sử dụng để mang lưu lượng mạng.

Kiến trúc chuyển mạch ATMOS và KEOPS với các cổng đầu vào kênh đơn được mô tả Ơ đây, thực hiện chung của một node chuyển mạch gói WDM được xác định như trong hình 2.3

 Phần đầu vào: Tại đây, khối tách kênh lựa chọn các gói đến ở N bước sóng cố

đánh địa chỉ các gói theo không gian trống trong bộ đệm đầu ra đường dây trễ.

gói tới đầu ra yêu cầu cũng như đệm đầu ra đường dây trễ thích hợp.

 +1

NBM x

sóng, M là số đầu vào và đầu ra, B/N là số lượng đường dây trễ Các kết nối cuối B/N +1 từ chuyển mạch không gian qua bộ đệm tới đầu ra là một đoạn cáp có

Kiến trúc này không thể hiện giao diện quang/điện đặt ngay sau bộ tách kênh ở đầu vào của chuyển mạch Giao diện này được dùng để tách tiêu đề mỗi gói tìm đầu ra, sau đó xác định vị trí hay trạng thái hàng đợi để điều khiển bộ chuyển đổi bước sóng cũng như trạng thái cổng ở chuyển mạch không gian

2.3.1.2 ảnh hưởng của các bộ chuyển đổi bước sóng khả chỉnh

1 Lưu lượng kiểu ngẫu nhiên

Bộ biến đổi bước sóng khả chỉnh TOWC (Tunable Optical Wavelength Converter) làm giảm rõ rệt số lượng đường dây trễ vì TOWC cho phép lưu chuyển nhiều gói quang ở nhiều bước sóng khác nhau trên cùng một đường dây trễ Mặc dù sử dụng TOWC có thể làm đảo lộn thứ tự gói, song ta có thể bỏ qua vì ảnh hưởng lên độ lưu thoát lưu

Vị trí

Chuyển mạchkhông gian

lượng là rất nhỏ, ngay cả trong trường hợp xấu nhất Hình 2.4 trình bày việc xử lí đệm trong trường hợp có và không có bộ biến đổi bước sóng TOWC.

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

Đồ thị chỉ ra xác xuất mất gói với số đường dây trễ là B/N, trong đó B là số lượng gói tin lớn nhất có thể lưu trên bộ đệm, N là số lượng bước sóng Trường chuyển mạch 16 x 16, tải 0,8 cho mỗi kênh trên N kênh đầu vào Nếu không có bộ biến đổi bước sóng, hiệu năng là độc lập với N, hàng đợi có thể coi như gồm N hàng riêng biệt và độc

Không chuyển đổi bước sóng

Có chuyển đổi bước sóng

Gói 1:Gói 2:

Gói 1:Gói 2:

Xác suất mất gói tin

0 2 4 6 8 10 12 14 16Không có TOWC's

lập, mỗi hàng chỉ tương ứng với 1 bước sóng, và các tính toán chỉ cần đặt N=1 Khi có bộ biến đổi, xác suất mất gói PLR được cải thiện khi số lượng bước sóng tăng tức là khi N tăng, tổng số lượng kênh đầu vào và đầu ra cũng tăng do đó dung lượng chuyển mạch không gian tăng làm giảm tỉ lệ mất gói tin Mặc dù số kênh đầu vào tăng, nhưng mỗi

PLR mà độ sâu bộ đệm không đổi Mặt khác nếu B/N cố định, thì độ sâu bộ đệm sẽ tăng theo N Do vậy, xác suất mất gói giảm với số kênh bước sóng khi TOWC's được sử

cần số đường dây trễ là 12/6, trong khi đó nếu không có bộ chuyển đổi thì cần số đường dây trễ là 48.

2 Lưu lượng biến đổi đột ngột

Mô hình tính toán cho lưu lượng biến đổi đột ngột đã được thực hiện và xác nhận Các tính toán cơ bản khi áp dụng trên đơn kênh, đã chỉ ra rằng tải chấp nhận được thấp hơn nhiều khi so sánh với lưu lượng ngẫu nhiên Tuy nhiên, với hệ thống WDM thì vấn đề này cũng được giản quyết như trường hợp tải ngẫu nhiên.

Hình 2.6 (a) mô tả số lượng đường dây trễ giảm nhờ có TOWC's trong chuyển

Ta thấy rất rõ số lượng đường dây trễ giảm khi số bước sóng tăng lên Một điểm quan trọng khác là cấu hình chuyển mạch không gian gần như không đổi, được minh

 = +

Không đổi bước sóng

Có đổi bước sóngN = 2

N = 4

90 80 70 60 50 40 30 20 10

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

Tải trên mỗi kênh

N = 2N = 4N = 1

4 x 4 ứng với số kênh bước sóng là 1, 2 & 4 Do đó, khả năng thông qua được tăng khi tăng số kênh bước sóng mà không cần tăng số cổng

Gọi burstness là số gói thành công trung bình từ nguồn lưu lượng Nếu burstness tăng thì số đường dây trễ cũng cần tăng Nếu giữ số đường dây trễ không đổi thì tỉ lệ tải có thể giảm khi burstness tăng Đối với chuyển mạch 4 x 4, số đường dây trễ không đổi bằng 7, hình 2.7 chỉ ra vai trò quan trọng của TOWC khi tốc độ kênh là10 Gb/s

Nếu không có TOWC, thì tỉ lệ tải trên mỗi kênh là hàm số của burstness, khả năng

bustness tăng thì tỉ lệ tải lớn hơn nhiều, khả năng thông qua lên tới 60 Gb/s

2.3.2 Đặc tính lưu lượng của chuyển mạch với chức năng tách ghép

Như mô tả trong hình 3.8, các node chuyển mạch gói tách ghép được sử dụng từ cấu trúc của node mạng con hoặc phân chia thì nhận được các mạng khác nhau ví dụ MAN, WAN Kiến trúc chuyển mạch gói cũng được chuyển đổi trực tiếp thành chuyển mạch tách ghép bằng cách dành ghép một số đầu vào và tách ở phía đầu ra Tuy nhiên, có vài điểm khác nhau trong kiến trúc xuất hiện như trình bày dưới đây.

Ví dụ một mạng sử dụng chuyển mạch tách ghép là Shufflenetwork như chỉ trong hình 2.8.1,0

1.0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

Tải cho phép

Hình 2.7 : Đồ thị tải kênh lớn nhất với số burstiness.

λ1 λΝ

λ1 λΝ

λ1 λΝ λ1 λΝ λ1 λΝ

λ1 λΝ

Hình 2.8: Chuyển mạch tách ghép Shufflenetwork

Hình vẽ mô tả Shufflenetwork WDM thông thường với 8 node chuyển mạch tách

tính khi nó là mô hình của cột đầu tiên) Chú ý tới các Shufflenetwork tổng quát (được

khi k = 2 và 192 khi k = 3 Tính modul nhận được bằng cách thêm cột vào Shufflenet

mạng trong hình 12 đã được thêm vào một cột và có số node là 12

Kiểu kết nối theo hình trụ của Shufflenetworks nhận được sự phối hợp địa chỉ theo cách thông thường, cho phép khả năng tự định tuyến và lựa chọn định tuyến trả lời từ tắc nghẽn và lỗi mạng Hơn nữa, vấn đề quan trọng của đặc tính lưu lượng sẽ trình bày ở sau Các mạng đó đảm bảo số lượng nhỏ các hop giữa các node thu và phát.

Trước khi truyền sự mô tả, phân tích rất quan trọng để xác định mạng và kích cỡ chuyển mạch ưa thích Mạng nội hạt và mạng trung tâm ít khi có hơn 250 node Tham khảo mạng RAINBOW II , nó như một WDM MAN, gồm 32 node hoạt động tại 800Mb/s trong khi mạng STARNET (như LAN) hỗ trợ tới gần 200 node, có tốc độ 1Gb/s hoặc 80 node tại tốc độ 2,5 Gb/s Thông qua các ví dụ đó chúng chỉ ra kích cỡ mạng ưa dùng.

Liên quan tới kích cỡ của các chuyển mạch gói tách ghép quang, kích cỡ quan

= 8), để đảm bảo như là số bước sóng yêu cầu được hoạt động và cũng chắc chắn mức độ phức tạp của thực thể mạng thấp.

Một kiến trúc chung của chuyển mạch gói tách ghép quang như hình 2.9.

Bộ đệm điệnM sợi

Hỡnh 2.9: Chuyển mạch tỏch ghộp gúi quang.

Tại mỗi M đầu vào cỏc gúi đến từ cỏc node mạng khỏc nhau trong khi cỏc đầu vào

chọn cỏc gúi đến tại N bước súng, λ1 λN-1,λN trong khi đú Nadd cỏc kờnh mang cỏc gúi được ghộp lưu lượng nội hạt Tiếp theo, cỏc bộ chuyển bước súng khả chỉnh được sử dụng để đỏnh điạ chỉ khụng gian trống trong cỏc bộ đệm đầu ra đường trễ sợi Một chuyển mạch khụng gian được sử dụng để truy cập cỏc đường trễ sợi quang và để định tuyến cỏc gúi tới cỏc đầu ra thớch hợp Một gúi phải bị tỏch ra để định tuyến tới đầu ra tỏch sau đú thực hiện chuyển đổi quang thành điện và bộ đệm điện (cỏc đầu ra khỏc được tham chiếu như cỏc đầu ra của mạng) Chỳ ý rằng trong nguyờn lý bộ đệm tại đầu ra tỏch cú thể là quang và được thực hiện như một bộ đệm WDM.

2.3.2.1 Lưu lượng của mạng chuyển mạch gúi tỏch- ghộp WDM

Để cú được sự nhận dạng cỏc kiến trỳc chỳng ta cần tiếp tục phỏt triển một kiểu lưu lượng để tớnh toỏn cho cỏc bộ chuyển đổi bước súng, WDM và quan trọng là số cỏc hop giữa cỏc node.

Sự phõn tớch kiểu lưu lượng được dựa trờn kiểu chuyển mạch gúi WDM Phải chỉ ra được những gỡ đó xem xột trong Shufflenetworks, kiểu ứng dụng với bất cứ mạng gúi tỏch ghộp nào cung cấp theo giả thuyết :

nhận được phõn phối một cỏch ngẫu nhiờn

Nếu giả sử lưu lượng được phân phối một cách ngẫu nhiên Vẫn còn lưu lượng burstiness trong lớp gói quang khi so sánh với lớp chuyển mạch ATM bằng điện thường thấp vì vậy giải thích cho giả định Với liên quan tới giả thuyết thứ hai, chỉ ra sự phối hợp định tuyến thích ứng đơn giản cho điều khiển tắc nghẽn ở mạng sóng ánh sáng đa hop Shufflenet mà ở đó giả sử đúng nếu thuật toán định tuyến thích ứng được thực hiện với Shufflenetwork.

nghĩa là tải trọng trên đầu vào ghép, toàn bộ gói mất trên mạng sẽ là

N ρρ

vậy nhiệm vụ để từ kết quả ρdrop thu được giá trị của ρadd

Thông lượng của các hàng đợi mạng (tất cả các hàng đợi khác nhiều hơn hàng đợi tách)

định tải trọng trên mỗi kênh trong mạng bằng nhau

O/EChuyển mạch

Hình 2.10: Các tham số lưu lượng của node chuyển mạch tách ghép quang.

Để sử dụng kiểu hàng đợi mô tả trong kiến trúc chuyển mạch gói WDM và sự phân tích ảnh hưởng của các bộ chuyển đổi bước sóng khả chỉnh lên hiệu năng, mà được ứng dụng cho hàng đợi đầu ra WDM quang, việc xử lý gói đến tới mỗi hàng đợi mạng phải được tìm thấy Có hai điều kiện:

 các gói từ N.M kênh khởi nguồn từ các đầu vào mạng

Nếu số trung bình các hop giữa các node là E sau đó xác xuất của một gói từ đầu

đầu ra là

 −

 −−

 −⋅⋅

= ∑

Biểu thức cuối cùng là số trung bình của các gói đến Như thế, các gói đến từ các

gói đến từ các đầu vào đó là:

 −

== ∑

 −+

Tính toán tổng cho các điều kiện kèm theo và công thức ở dưới nhận được số gói trung bình truyền cho bộ đệm của một đầu ra.

Số gói đến hàng đợi tách thì giống với mô tả trong nối chéo toàn quang cho mạng truyền tải quang đa bước sóng dung lượng cao, chỉ khác xác xuất

được thay bởi

vì vậy xác xuất cdrop,p của p gói tách là:

 −=

Tóm tắt lại vấn đề đối với hàng đợi: Trong mỗi bước, một giá trị mới cho thông lượng của hàng đợi mạng được tìm thấy bằng cách tính toán PLR cho các hàng đợi đó

2.3.2.2 Thuật toán định tuyến và kiểu kiểm tra

Sự chính xác của kiểu phân tích thì đã được kiểm tra với hai kích cỡ khác nhau của Shufflenetwork Tuy nhiên, trước khi mô tả kết quả cần giải thích về thuật toán định tuyến sử dụng Thuật toán định tuyến phải kết nối các node mà tài nguyên mạng được tận dụng tốt nhất và trễ đầu cuối là nhỏ nhất Để giữ trễ thấp nhất chỉ có cách sử dụng kênh ngắn nhất tức là các kênh mà sử dụng số lượng các hop ít nhất Cũng cần chú ý trong một vài trường hợp sử dụng các kênh lớn hơn có thể cải thiện được đặc tính lưu lượng.

Trong các kiểu mô phỏng, hai thuật toán định tuyến được xem xét Thuật toán hữu dụng nhất là thuật toán có nhiều hơn một đường ngắn nhất giữa hai node Thuật toán đầu tiên chọn các đường một cách đều đặn Thuật toán thứ hai rắc rối hơn và liên quan chặt chẽ với định toán thích ứng đơn giản để điều khiển tắc nghẽn trong mạng sóng ánh sáng đa hop Shufflenet Dựa vào tình hình lưu lượng truyền , các gói được định tuyến dọc theo đường nơi có trễ hàng đợi lớn nhất trên một node thuộc về đường ngắn nhất (xem hình 3.11) Phương pháp này giống với thuật toán định tuyến lớn nhất – nhỏ nhất.

Đuờng thứ nhấtTrễ tổng = 3+2++6=11Trễ lớn nhất trong

một node = 6

Đừơng thứ hai = 4+4+5=13Trễ lớn nhất trong

một node = 5

3 gói trong hàng đợi

2 gói trong hàng đợi

6 gói trong hàng đợi

4 gói trong hàng đợi

4 gói trong hàng đợi

5 gói trong hàng đợi

Chuyển mạch tách ghép

hỡnh 2.11 : Thuật toỏn định tuyến lớn nhỏ

Trong mụ phỏng đầu tiờn chỉ thuật toỏn định tuyến tiờn tiến được sử dụng Kết quả

mạng cũng như trờn hàng đợi mạng cho một chuyển mạch đơn tầng thỡ cựng được xem xột.

Chỳ ý với kớch cỡ bộ đệm trong hàng đợi mạng là ba gúi trong khi bộ đệm điệnvới hàng đợi tỏch cú thể lưu giữ 128 gúi Kớch cỡ bộ đệm này được chọn bởi vỡ một

Để kiểm tra kiểu mụ phỏng trong mạng lớn hơn và so sỏnh với cỏc thuật toỏn định tuyến Hỡnh 2.12 (b) chỉ ra kết quả cho Shufflenet 24 node với cả hai ưu điểm và sự phối hợp định tuyến lần lượt

Xác xuất mất gói

node mất theo tính toántổng số node mất theo tính toán

Tổng node mất nhu mô phỏng

Node mất nhu mô phỏng

Tải đuợc cung cấp

node mất theo tính toántổng số node mất theo tính toán

Tổng node mất nhu mô phỏng

Node mất nhu mô phỏng

Tải đuợc cung cấp

(a)

node mÊt, nhu tÝnh to¸n Tæng mÊt, nhu tÝnh to¸n Tæng mÊt, nhu m« pháng lín - nhá Node mÊt, nhu m« pháng lín - nhá Node mÊt, nhu m« pháng vßng Tæng mÊt,nhu m« pháng vongX¸c xuÊt mÊt gãi

T¶i ®uîc cung cÊp(b)

Hình 2.12: Xác xuất mất gói trong các hàng đợi mạng.

Để kết thúc sự mô phỏng bằng việc mô tả khái niệm đặc tính lưu lượng của các mạng chuyển mạch tách ghép gói và được sử dụng dưới sự phân tích các tiêu điểm của WDM với việc sử dụng các bộ chuyển đổi bước sóng khả chỉnh Với sự phân tích này

sóng trên sợi được mô tả như hình 2.13

O/EChuyển

mạch không gian

λ1, λ2 λ1, λ2

11Padd=0.8

O/EChuyển

mạch không gian

mạch không gian

Giả sử tổng tải trọng ghép là 0,8 Hình 3.13 (a) là kiến trúc có các bộ chuyển đổi bước sóng trên tất cả các đầu vào Trong trường hợp chỉ có một kênh bước sóng được sử dụng để mang toàn bộ tải Hình 3.13(b) không sử dụng các bộ chuyển đổi bước sóng khả

2.13(c) chỉ ra chỉ một bộ chuyển đổi bước sóng trên đầu vào ghép Trong trường hợp này

2.4.1 Các kỹ thuật đệm

Trước khi xem xét các kiến trúc chuyển mạch với các cách đệm khác nhau, cần xem xét các phương pháp xác định hiệu năng quang, vì đây là một công việc rất quan trọng để xác định mô hình chuyển mạch với kiểu đệm nào có khả năng ứng dụng trong thực tế

Tham số tỉ lệ lỗi bit BER (Bit Error Rate) là một trong các tham số hiệu năng rất quan trọng, không những trong hệ thống chuyển mạch mà còn trong rất nhiều các hệ thống khác như các hệ thống truyền dẫn BER của mỗi cấu hình được xác định bằng việc phân tích các mô hình và được định lượng nhờ máy tính Nhiễu và xuyên âm đều

được lấy mẫu, nhiễu giao thoa có thể bỏ qua (vì nhỏ hơn 60 dB so với tín hiệu) Hệ số tăng ích của mỗi kiến trúc chuyển mạch đều được chỉnh bằng 0, và sử dụng một hay một số tầng khuyếch đại thêm bên ngoài để thuận tiện tính toán

Giả thuyết rằng suy hao trên đường dây trễ có thể bỏ qua Để chứng minh giả thuyết hãy giả sử thiết kế đệm được 250 gói tin hoạt động ở tốc độ 10 Gb/s Nếu tế bào ATM được đệm thì bộ đệm phải lưu 53x8x250 = 106.000 bit Vì mỗi bit kéo dài 0,1 ns

thông thường thì mỗi đường dây trễ như vậy sẽ không ảnh hưởng tới mô hình, do đó suy hao trên đương dây trễ có thể bỏ qua Ngoài ra cũng có thể bỏ qua sự thay đổi độ dài đường dưới tác động nhiệt độ, vì mỗi đường dây trễ đều có bộ ổn định nhiệt.

đường truyền và BER hợp lí ở liên kết đầu cuối Trong chuyển mạch điện, BER cũng đạt được gần như bằng không, nên các công nghệ quang mới nhất cũng phải đáp ứng được chỉ tiêu hiệu năng này

Các bộ khuyếch đại quang bán dẫn (SOA's) được sử dụng để chuyển mạch và khuyếch đại, phát sinh thêm nhiễu cộng tự phát, điều này rất bất lợi và cũng được xét trong mô hình tính toán Nguồn nhiễu này đã làm giới hạn kích thước mỗi chuyển mạch và số lượng chuyển mạch có thể ghép tầng Ngoài ra, các thiết bị như bộ kết hợp và AWG (sử dụng để định tuyến theo bước sóng) cũng sinh ra nhiễu xuyên kênh nên làm suy giảm tín hiệu, và trong trường hợp xấu nhất là trùng với bước sóng và trạng thái phân cực của tín hiệu Nói chung, mọi tính toán đều dựa trên một số giả thiết sau:

làm việc.

khuyếch đại bão hoà do tín hiệu vì tín hiệu lớn hơn nhiễu rất nhiều.

trong thực tế.

cộng, nhưng chúng lại cải thiện dạng tín hiệu nhờ hiệu ứng truyền đạt phi tuyến.

khi tín hiệu tới đầu ra chính xác, và 37 dB (2dB +35dB) khi tín hiệu bị sai đầu ra AWG gây nhiễu xuyên kênh nhỏ hơn 35 dB so với tín hiệu.

 Laser hoạt động với tần số ổn định.

dBn 2

tiếp với số lượng đầu vào và đầu ra.

2.4.1.1 Bộ đệm đầu ra

Cấu trúc đệm đầu ra gồm một trường chuyển mạch và một bộ đệm ở đầu ra của trường chuyển mạch như hình 3.14 Trong một khe thời gian, các gói tới cùng một đầu ra đều được đưa vào bộ đệm đồng thời một cách thích hợp Nếu bộ đệm đã đầy thì các

Nếu chọn kích thước bộ đệm tuỳ ý thì sẽ không có sự mất gói song ta đã không tính đến độ trễ gói cũng như hiệu năng chuyển mạch

Trễ gói xảy ra do tranh chấp khi có nhiều gói muốn tới cùng đầu ra ngay lập tức Độ trễ được tính là độ trễ trung bình thống kê ở một bộ đệm Các phân tích, tính toán độ trễ thường dựa trên kiểu lưu lượng Bernoulli hay lưu lượng đều, tức là các biến cố là độc lập, có xác suất không đổi, đồng thời sự phân bố lưu lượng ở đầu ra là như nhau Cách phân tích này tuy có hạn chế vì lưu lượng trên thực tế là không đều, mang tính

Chuyển mạchkhông gian

Hình 2.14: Chuyển mạch gói đệm đầu ra

chất bùng nổ (có thời điểm rất lớn), song lại dễ phân tích và dễ so sánh tương quan giữa các loại cấu hình đệm khác nhau, do đó ta chọn kiểu lưu lượng này để phân tích.

2.4.1.2 Bộ đệm chia xẻ

Đây là một dạng của đệm đầu ra, song mọi bộ đệm trên từng đầu ra đều dùng chung một vùng RAM (bộ nhớ truy nhập ngẫu nhiên) Như vậy giới hạn khả năng đệm được tính là tổng số gói trên toàn bộ đệm RAM Đây là phương thức phổ biến trong chuyển mạch ATM, thực hiện theo kiểu truy nhập bộ nhớ ngẫu nhiên điện Nó không có khả năng thực hiện dạng bằng quang, vì không có bộ nhớ bằng quang tương đương, và do sự phức tạp của chuyển mạch Tuy nhiên, nhiều chuyển mạch gói quang có thể nói đã sử dụng bộ đệm chia xẻ khi cạnh tranh với bộ đệm đầu ra, các đường trễ được chia xẻ giữa các bộ đệm đầu ra.

2.4.1.3 Bộ đệm vòng

Nếu nhiều gói ở nhiều đầu vào cùng tới một đầu ra, khi đó chỉ một gói được truyền qua, còn lại đều được truyền qua vòng hồi tiếp như hình 2.15.

Mỗi một lần quay vòng sẽ làm trễ thời gian tương ứng một gói, tức là là mỗi một

trọng 0.8 thì yêu cầu sử dụng 237 vòng lặp hồi tiếp Khi thực hiện bằng vòng lặp với một độ trễ khi đó cần nhiều vòng lặp, hoặc có thể dùng một vòng có độ trễ khác nhau.

2.4.1.4 Bộ đệm đầu vào

Cấu trúc đệm đầu vào gồm có một trường chuyển mạch không gian và một bộ đệm ở đầu vào như hình 2.16.

Chuyển mạchkhông gian

Trễ mộtkhe thời gian

Hình 2.15: Chuyển mạch quay vòng STARLITE.

Hình vẽ chỉ ra một chuyển mạch không gian với các bộ đệm trên các đầu vào Kiểu đệm gói này rất hay được sử dụng trong chuyển mạch gói điện vì nó có khả năng đồng bộ các gói tin ở đầu vào, tuy nhiên cũng cần giải quyết hiện tượng tắc nghẽn đầu vào HoL (head_ of _ line), giới hạn thông lượng lớn nhất là 58% cho lưu lượng hợp nhất Ví dụ như gói thứ hai trong hàng đợi thứ ba yêu cầu tới đầu ra 3 nhưng nó bi dữ lai do đầu gói thứ nhất bị nghẽn

Trên đây là bốn kiểu đệm chính trong kĩ thuật chuyển mạch, tuy trong thực tế các thiết kế thường kết hợp các kiểu đệm này với nhau, có thể là đệm đầu vào kết hợp với đệm đầu ra.

2.4.2 Chuyển mạch đơn tầng

2.4.2.1 OASIS

Hai loại OASIS sẽ được xét về hiệu năng, khả năng modul và khả năng mở rộng mà một loại có coupler thụ động liên kết với bộ lọc để cung cấp chức năng định tuyến, loại thứ hai sử dụng thiết bị AWG để giảm suy hao

OASIS là mô phỏng của đệm đầu ra, độ đệm gói hay số khe thời gian đệm giống như đệm đầu ra, và được định hướng chính xác tới đầu ra Trước hết ta sẽ mô phỏng

tóm tắt đệm đầu ra, sau đó sẽ mô tả về chuyển mạch OASIS

Mô phỏng đệm đầu ra

Chuyển mạch được cấu hình để mỗi gói đầu vào có thể trễ từ 0 tới b khe thời gian b là độ sâu của mỗi bộ đệm đầu ra Tại một thời điểm, nếu không có tranh chấp đầu ra, gói sẽ được chuyển tới đầu ra yêu cầu ngay lập tức Để mô phỏng ta dùng N bộ đếm (N là số lượng đầu vào và đầu ra), mỗi bộ đếm liên kết với 1 đầu ra của chuyển mạch để tính toán độ trễ gói Mỗi bộ đếm sẽ điều khiển một số gói trong bộ đệm đầu ra ảo có nguyên tắc truy nhập "vào trước ra trước" FIFO (First In First out), giá trị bộ đếm giảm một khi một gói tin ra khỏi và tăng một khi có một gói tin tới Mỗi gói tin sẽ được chuyển ra tại một khe thời gian mới trừ

Chuyển mạch không gian

4 1 22 2 14 3 12 1 4

Hình 2.16: Chuyển mạch đệm đầu vào, có HoL

khi bộ đệm rỗng Nếu nhiều gói muốn tới cùng một đầu ra ở một khe thời gian thì chúng sẽ được đăng kí một độ trễ và được chuyển lần lượt tới bộ đệm

Tổng độ trễ tính bằng khe thời gian được thống kê là giá trị bộ đếm đầu ra Khi bộ đếm hiện giá trị là b thì gói đến sẽ bị loại trước khi vào trường chuyển mạch vì xảy ra hiện tượng quá tải Qua quá trình thử nghiệm trên thực tế, người ta thấy OASIS có cùng hiệu năng với chuyển mạch đệm đầu ra với độ sâu của bộ đệm b.

a) OASIS sử dụng coupler thụ động

Mô hình này được mô tả như hình 2.17

Hình 2.17 : Chuyển mạch OASIS sử dụng coupler thụ động

Các bộ chuyển đổi bước sóng khả chỉnh (TWC's) sẽ mã hoá các gói tin đầu vào dưới một bước sóng thích hợp với bộ lọc ở đầu ra Mỗi gói tin sau đó đưa vào bộ chuyển mạch quang (như một bộ tách kênh) 1 đầu vào và (b+1) đầu ra, để điều khiển gói tin tới một trong các đường đây trễ có độ dài 1, 2, … , b khe thời gian hoặc 0 (nếu chiều dài hiệu dụng bằng 0) Với thuật toán mô phỏng đệm đầu ra ở trên và độ trễ mỗi gói đã biết, tín hiệu điều khiển của thiết bị có thể dễ dàng xác định được

Với các giả thiết trong phần tính hiệu năng quang ở trên, công suất quang suy hao của kiến trúc này có thể xác định, được thể hiện trên hình 2.18.

Coupler thụ động

Tách kênh tích cực

Bộ lọc cố định

Số lượng đầu vào/ ra

622 Mb/s2,5 Gb/s10 Gb/s

Giả thiết chiều sâu bộ đệm bằng số đầu vào và đầu ra, khi đó có thể đánh giá hiệu năng quang chính xác mà không quá phức tạp Do đó, nếu kích thước chuyển mạch tăng (số đầu vào và đầu ra tăng) thì độ sâu của bộ đệm cũng tăng, và tỉ lệ mất gói sẽ giảm Ngoài ra, tốc độ bit cũng ảnh hưởng tới hiệu năng vì nhiễu bộ khuyếch đại quang bán dẫn SOA tăng nhanh với tốc độ bit Hiệu năng đã được tính toán ở tốc độ bit 622

2,5 Gb/s hay 10 Gb/s, và suy hao công suất quá lớn (lớn hơn 2 dB) ở tốc độ 10 Gb/s đối

thành phần của bộ tách kênh tích cực, hai bộ SOA có thể bù suy hao khi tách và ghép kênh, nhưng nhiễu do nó sinh ra làm giảm hiệu năng quang của chuyển mạch

Cấu hình này là sự thay đổi của của cấu hình trước, các coupler thụ động và bộ lọc được thay thế bằng AWG để giảm suy hao Hoạt động giống như trên, chỉ khác là các bộ chuyển đổi bước sóng khả chỉnh mã hóa bước sóng gói tin theo đầu ra yêu cầu, và nếu tương ứng với bước sóng hoạt động của đường dây trễ thì đều được truyền qua

Cả hai mô hình OASIS này đều không thể thực hiện ưu tiên gói vì các gói khi đã vào hàng đợi thì không thể hủy bất cứ một gói nào khi có độ ưu tiên cao hơn Hai kiến trúc OASIS có cùng độ mất gói và độ trễ như chuyển mạch đệm đầu ra.

2,521,510,50

Số lượng đầu vào/ ra

Hình 2.19: Công suất suy hao của OASIS sử dụng AWG's

622 Mb/s2,5 Gb/s10 Gb/s

2.4.2.2 Chuyển mạch lựa chọn và quảng bá

Mô hình chuyển mạch lựa chọn và quảng bá được minh họa trên hình 2.20

Hình 2.20: Chuyển mạch lựa chọn và quảng bá.

Các bộ chuyển đổi bước sóng cố định sẽ mã hoá luồng gói tin ở đầu vào, do đó các gói trên mỗi đầu vào được xuất hiện dưới mỗi bước sóng riêng biệt Các luồng này sau đó được kết hợp và phân tán tới các đường dây trễ Với phương thức chuyển mạch SOA và bộ kết hợp thụ động, mỗi đầu ra sẽ chọn một tín hiệu từ một đường dây trễ Do đó, ở mỗi đầu ra sẽ sử dụng một loạt bộ lọc để chọn các gói tin chính xác từ đầu vào Cũng giống với chuyển mạch đệm đầu ra, nên chuyển mạch lựa chọn và quảng bá có cùng hiệu năng với chuyển mạch đệm đầu ra Hơn nữa, vì tất cả các gói đều quảng bá tới mọi đầu ra, với mọi độ trễ có thể, nên chuyển mạch này có thể hoạt động quảng bá gói tin, và thực hiện ưu tiên gói Hình 3.21 chỉ ra mức suy hao công suất ứng với kích thước chuyển mạch khác nhau, ở tốc độ 622 Gb/s; 2,5 Gb/s và 10 Gb/s ở mô hình này, có thể sử dụng hai bộ khuyếch đại SOA và một EDFA ở đầu ra để bù lại suy hao

Bộ chia thụ động

Bộ kết hợp thụ động

Bộ lọc cố địnhCổng khuyếch đại Laser

bán dẫn.Bộ chuyển đổi

bước sóng cố định

Công suất suy h

3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5

0 416 8Số đầu vào/ ra 12

622 Mb/s2,5 Gb/s10 Gb/s

Hình 2.21 : Công suất suy hao chuyển mạch lựa chọn và quảng bá đơn tầng.

Với các giả thiết trong phần tính hiệu năng quang, coi bộ lọc khả chỉnh có hệ số tăng ích 21 tới 25 dB, và hệ số nhiễu là 6 dB Hình 2.23 trình bày về công suất suy hao không tăng nhanh quá với số vòng lặp ở tốc độ 2,5 Gb/s và 10 Gb/s

FFPFCổng SOA

Chuyển đổi bước

Sợi trễ một khe thời gian

Chuyển mạch này cũng là mô phỏng của đệm đầu ra, nên có xác suất mất tế bào và độ trễ trên đường dây trễ như chuyển mạch đệm đầu ra với độ sâu bộ đệm bằng với số lần quay vòng lớn nhất Mô hình này cũng có thể thực hiện ưu tiên gói.

2.4.2.4 Chuyển mạch gói quang dùng chung bộ nhớ

SMOP (Share Memory Optical Packet switching) gồm chuyển mạch đệm quay vòng với độ dài đường dây trễ là 1, 2, 3, …, m, và chuyển mạch không gian trung tâm

đường dây trễ có chiều dài lớn hơn một nên giảm được số vòng hồi tiếp và số bộ khuyếch đại, đồng thời giảm kích thước chuyển mạch không gian

Khi nhiều tế bào tới chuyển mạch không gian cùng định hướng tới một đầu ra, thì tất cả trừ một gói đều chuyển tới các đường dây trễ vòng Thuật toán điều khiển dựa trên mô phỏng đệm đầu ra, và xử lí trên mỗi khe thời gian như sau:

một tuyến nhất định, trừ khi quy tắc hàng đợi "vào trước ra trước" FIFO bị vi phạm.

được lập lịch chỉ sau đúng một lần quay vòng, sau đó ra khỏi trường chuyển mạch Quyền ưu tiên sẽ thuộc về gói có độ trễ còn lại nhỏ nhất.

gói tới cùng một đầu ra sau một lần lặp.

Nói chung các gói được lưu đệm theo nguyên tắc hàng đợi FIFO và dựa trên kết quả mô phỏng, cho thấy số lần quay vòng cho phép lớn nhất là 10 Kiến trúc chuyển mạch này cho phép ưu tiên gói, vì những gói có độ ưu tiên thấp hơn có thể bị trễ nhiều hơn sau lần quay vòng khác Xác suất mất gói gần với chuyển mạch chia sẻ bộ nhớ Nếu

mỗi SOA đều được sử dụng ở đầu ra và trên mạch vòng để bù lại suy hao, thông thường 98

Công suất suy ha

Số lần quay vòng

2,5 Gb/s10 Gb/s

Hình 2.23: Công suất suy hao của chuyển mạch đệm vòng đa bước sóng.

N =M Hình 3.24 trình bày về công suất suy hao tỉ lệ với số lần lặp vòng ứng với tốc độ 2,5 Gb/s và 10 Gb/s.

Ta thấy trong tất cả các kiến trúc chuyển mạch đơn tầng, SMOP cho suy hao công suất thấp nhất vì kiến trúc chuyển mạng hình cây rất thông minh và xuyên âm nhỏ Với OASIS, do sử dụng AWG nên cũng cải thiện được hiệu năng do giảm được suy hao Tất cả các kiến trúc chuyển mạch này đều có hiệu năng trễ và mất gói như chuyển mạch đệm đầu ra trừ SMOP Ngoài ra, chỉ OASIS là không thể có chế độ ưu tiên gói vì nó không thực hiện được quay vòng cũng như quảng bá gói tin tới tất cả đường dây trễ chuyển tiếp

Đó là các kiểu đệm gói tin trong chuyển mạch đơn tầng, sau đây ta xét chuyển mạch đa tầng Kiến trúc chuyển mạch đa tầng sử dụng đệm bằng nhiều tầng đường dây trễ Wave_Mux sử dụng phần lớn là đệm điện, còn đệm quang chỉ theo lịch trình để dễ dàng dễ chuyển mạch Chủ yếu chuyển mạch đa tầng là là sự mở rộng ghép nối của các phần tử chuyển mạch 2 x2.

0 5 10 20 40 800,4

Số lần quay vòng

10 Gb/s622 Mb/s

Số lần quay vòng

4 I/Os8 I/Os16 I/Os2,5 Gb/s

Hình 2.24: Công suất suy hao của SMOP.

2.4.3 Chuyển mạch đa tầng

2.4.3.1 Chuyển mạch ghép bước sóng Wave-Mux

Trong chuyển mạch Wave_Mux, chuyển mạch trung tâm thay đổi trạng thái ở mọi khe thời gian, hoạt động theo cách thức lập lịch trình (hình 2.25 (a))

Các đầu vào và đầu ra được phân chia thành các nhóm gọi là nhóm đầu vào IGM (Input Group Module) và nhóm đầu ra OGM (Output Group Module) Mỗi IGM/ OGM được đăng kí một khe thời gian nhất định, và các IGM sẽ đệm cho tất cả các gói đầu vào, cho tới khi chúng được truyền qua chuyển mạch trung tâm ở khe thời gian chính xác, như vậy Wave_mux có bản chất là chuyển mạch đệm đầu vào Mỗi gói tin hay tế bào tin trên một khe thời gian xác định, đều được chuyển qua trường chuyển mạch trung tâm, trên một đường xác định tại một bước sóng khác.

Các gói tin khi tới IGM, trước tiên được chuyển về dạng điện để chuyển đổi tiêu đề gói tin và đệm, sau đó mới được chuyển đổi về dạng tín hiệu quang như hình 3.25 (b).

Đệm điện cần phải sử dụng vì yêu cầu khả năng đệm lớn để đảm bảo tỉ lệ mất gói tin Bộ nhớ đệm cần được tổ chức, sao cho các gói tin từ một đầu vào có thể vào bộ phân loại đồng thời, để tránh hiện tượng tắc nghẽn đầu vào HoL (Head Of Line) như hình 2.25 (c).

Chuyển mạch không gian trung tâm

Bộ phân loại được sử dụng để đảm bảo các gói tới trường chuyển mạch trong khe thời gian chính xác, tại đầu ra chính xác Bộ chuyển đổi bước sóng cho phép các gói tin truyền qua trường chuyển mạch không gian đồng thời trên cùng một tuyến Nhóm OGM gồm các đường dây trễ và bộ lọc khả chỉnh sẽ lần lượt chuyển các gói tin tới đầu ra chính xác như hình 2.25 (d).

Hình 2.25d: Bộ phân loại trong modul OGM

Một ưu điểm của chuyển mạch Wave_mux là kích thước yêu cầu của chuyển mạch không gian rất nhỏ, ngay cả khi gói tin có kích thước lớn Với 128 đầu vào và đầu ra, 8 đầu vào trong một IGM và 16 đầu ra trong một OGM, 128 gói tin trên mỗi đường

trúc này cũng có thể thực hiện ưu tiên gói.

Khi xây dựng mô hình này, một cổng SOA và hai bộ khuyếch đại EDFA (mỗi EDFA cho một chuyển mạch 4 x4) đều cần sử dụng để bù lại suy hao, và cũng như SMOP, tất cả chuyển mạch không gian đều có kiến trúc hình cây Trong mỗi bộ phân loại của IGM, các coupler thụ động được đặt tại đầu ra của chuyển mạch để có thể chuyển mạch theo cơ chế nối thông nhiều_tới_một Hình 2.26 trình bày công suất suy hao tỉ lệ với kích thước chuyển mạch với tốc độ bit.

Chuyển mạch không

Biến đổi bước sóng khả chỉnh

Coupler thụ động1

Hình 2.25 (c) : Bộ phân loại trong modul IGM

ở đây kiến trúc này không đáp ứng được tốc độ 10 Gb/s do nhiễu nền, phát xạ tự phát khuyếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emission) và suy giảm hiệu năng, đúng như dự kiến rằng suy hao công suất tăng nhanh khi tốc độ tăng

Chuyển mạch Wave_Mux sử dụng các thiết bị quang học và chuyển mạch quang để liên kết nối, chuyển mạch và đệm Nhưng do sử dụng công nghệ quang nhiều để thực hiện các chức năng (chủ yếu là trễ và chuyển mạch) nên công suất suy hao lớn hơn so với các kiến trúc khác, tuy nhiên lại không tốn nhiều bộ đệm

2.4.3.2 Chuyển mạch ghép tầng sử dụng các phần tử chuyển mạch 2 x 2

giữa các khe thời gian dưới sự điều khiển điện Dung lượng của chuyển mạch rất nhỏ so với mạng viễn thông rộng lớn, do đó kiến trúc này chỉ áp dụng trong các mạch vòng và mạng cục bộ (LAN) Kiến trúc này cũng có thể thực hiện ưu tiên gói tin nhưng rất khó vì các gói tin đều được lập lịch trình theo một thời gian định trước, để đi qua trường chuyển mạch Dưới đây sẽ xét 4 kiểu trong loại kiến trúc này.

1 Kiến trúc ghép trễ quang COD (Cascaded Optical Delays)

Trong COD, mỗi thiết bị chuyển mạch 2x2 sẽ phân loại gói tin tới đầu ra phía trên hay đầu ra phía dưới theo yêu cầu, và được gọi là một "thanh nối chéo thông minh" hay "crossbar thông minh (smart)" Mỗi tầng có thể hoặc là trao đổi một khe (TC Track Changer) như hình 2.27 (a), hoặc là trao đổi hai khe (TTC Twin Track Changer) như hình 2.27 (b), và được ghép nối theo chuỗi nối tiếp.

Số lượng đầu vào/ ra

622 Mb/s2,5 Gb/s

Hình 2.26: Công suất suy hao của chuyển mạch Wave_mux.