a. Hiệu ứng SPM
3.3 Kiến trúc nút mạng
3.3.1 Kiến trúc và hoạt động nút mạng
Hình 3.2 là kiến trúc của một nút OPS. Một nút OPS gồm một số bộ ghép và tách kênh bớc sóng, một khối giao diện đầu vào, một trờng chuyển mạch không gian với sự kết hợp các bộ đệm quang và bộ biến đổi bớc sóng, một khối giao diện đầu ra và một khối điều khiển chuyển mạch.
Mạng OPS
Node lõi Node biên
Liên kết mạng Mạng truy nhập
Hình 3.2 Cấu trúc nút chuyển mạch gói quang Hoạt động của nút
Tín hiệu vào đầu tiên đợc cho qua bộ tách kênh để tách thành các bớc sóng riêng biệt rồi đợc gửi tới giao diện đầu vào. Tại giao diện đầu vào, sẽ trích một phần nhỏ tín hiệu để xác định phần tiêu đề và phần tải tin của gói. Giao diện đầu vào có nhiệm vụ xác định một cách chính xác tiêu đề của gói để gửi cho khối điều khiển chuyển mạch. Khối điều khiển chuyển mạch xử lý thông tin của tiêu đề đã nhận đợc nhằm xác định chính xác cổng ra và bớc sóng thích hợp của gói tin. Sau đó, khối điều khiển chuyển mạch điều khiển trờng chuyển mạch định tuyến gói tin tới cổng ra . Trong định tuyến gói, trờng chuyển mạch có thể cần tới bộ đệm quang và bộ biến đổi bớc sóng. Khối điều khiển chuyển mạch cũng xác định tiêu đề mới cho gói, và gửi nó tới giao diện đầu ra. Tại giao diện đầu sẽ thực hiện ghi lại tiêu đề cho gói rồi gửi tới khối ghép sóng để truyền tới nút tiếp theo.
Mạng OPS có thể đợc phân loại theo kích thớc phụ thuộc vào số lợng gói chuyển mạch và quá trình xử lý tiêu đề.
Nh vậy, chúng ta cần tập chung tìm hiểu một số vấn đề sau:
Chuyển mạch đồng bộ hay không đồng bộ
Mạng chuyển mạch gói quang có thể phân làm hai loại là mạng đồng bộ và không đồng bộ.
Trong mạng đồng bộ, tất cả các gói trong mạng có cùng kích thớc. Mỗi gói tin đợc xếp vào một khe thời gian. Ta thấy rằng trễ lan truyền có thể thay đổi, các gói
Giao diện đầu vào Giao diện đầu ra Trường chuyển mạch
Khối điều khiển chuyển mạch
Bộ đệm quang Bộ biến đổi bước sóng 1 N 1 N Bộ tách kênh Bộ ghép kênh
tin đến nút trên các giao diện khác nhau có thể không trùng với xung đồng hồ địa phơng. Do đó trách nhiệm của giao diện đầu vào là đồng bộ các gói tin đến và sắp xếp chúng vào các khe thời gian. Trờng chuyển mạch gói quang đồng bộ giống nh trong chuyển mạch gói điện đồng bộ nên dễ dàng xây dựng và đa vào hoạt động. Do đó mạng chuyển mạch gói quang đồng bộ đợc chú ý và nghiên cứu một cách cẩn thận.
Trong mạng chuyển mạch gói quang không đồng bộ gói tin có kích thớc có thể thay đổi đợc, chuyển mạch có thể xảy ra tại bất cứ vị trí nào của gói, và sẽ không cần đồng bộ gói tại chuyển mạch đầu vào. Nh vậy sẽ tăng tính mềm dẻo của mạng và nó không phụ thuộc vào việc chia đoạn hoặc ghép lại các đoạn tại ranh giới mạng.
Xử lý điện hay quang
Tiêu đề gói quang chứa thông tin để định tuyến gói trong mạng. Vấn đề xử lý tiêu đề là rất quan trọng trong hoạt động của mạng. Hiện nay, do công nghệ xử lý bít quang vẫn còn nhiều hạn chế cho nên quá trình xử lý tiêu đề chủ yếu là xử lý điện.
Định dạng tiêu đề quang
Ta thấy rằng, dữ liệu của phần tải tin chỉ đợc xử lý duy nhất tại nguồn và đích. Trong khi đó, dữ liệu của phần tiêu đề mang rất nhiều thông tin nh : địa chỉ nguồn, địa chỉ đích, thứ tự gói đ… ợc xử lý tại tất cả các nút. Để thuận tiện cho việc xử lý tiêu đề có một số công nghệ đợc đa ra là: Bit Serial, Out-of-Band Signaling, và Bit- Parallel. Các công nghệ này sẽ đợc nghiên cứu kỹ ở phần sau.
Kiến trúc trờng chuyển mạch
Kiến trúc trờng chuyển mạch đa ra cho mạng chuyển mạch gói quang thì rất đa dạng, cho cả gói có kích thớc cố định và không cố định. Nó đóng vai trò trung tâm hoạt động của nút. Do đó, chúng ta sẽ nghiên cứu cẩn thận ở phần 3.3.7.
Các giải pháp chống xung đột
Khi hai gói tin đến từ các cổng khác nhau, các bớc sóng khác nhau có yêu cầu chuyển mạch tới cùng một cổng ra, tại cùng một bớc sóng và tại cùng một thời điểm, xung đột sẽ xuất hiện. Trong trờng hợp này, khối điều khiển chuyển mạch phải có kế hoạch để giải quyết xung đột này. Xung đột đầu ra có thể giải quyết theo 3 hớng khác nhau: hớng bớc sóng (sử dụng bộ biến đổi bớc sóng), thời gian ( sử dụng dây trễ quang), không gian ( sử dụng định tuyến mềm) hoặc kết hợp các cách
trên. Chúng ta sẽ thảo luận và so sánh sự khác nhau trong từng cách giải quyết xung đột trong phần 3.3.6.
Chúng ta cần chú ý rằng, xung đột cũng xuất hiện trong mặt phẳng điều khiển. Xung đột trong điều khiển chuyển mạch là kết quả của mất hoặc do sự chậm trễ đáng kể của tiêu đề khi đó phần tải tin đến trớc tiêu đề hay gói bị huỷ. Bởi vậy, quản lý và phân chia kích thớc bộ đệm hợp lý là cực kỳ quan trọng. Từ đó xác định đợc kỹ thuật sử dụng cho mục đích này, nh vậy chúng ta sẽ không xét tới xung đột trong mặt phẳng điều khiển nữa.
Sau đây chúng ta đi tìm hiểu vào từng vấn đề một.
3.3.2 Định dạng gói tin
Gói tin gồm các thành phần l tiêu đề, tải tin và khoảng bảo vệ.à
Phần tiêu đề
Phần tiêu đề mang thông tin về nguồn và đích của gói, thông tin để định tuyến, độ u tiên, gói rỗng hay đầy, thứ tự gói, chuỗi bít kiểm tra lỗi tiêu đề và có thể có chuỗi bít dùng cho đồng bộ.
Phần tải tin
Đây là phần mang thông tin cần đợc truyền. Phần tải tin cũng có thể mang chuỗi bít đồng bộ.
Phần bảo vệ
Đây là phần đa vào cho phép cài đặt thêm một số chức năng điện quang và làm giảm sự ảnh hởng của trễ.
Phần tải tin Tiêu đề
Điều khiển/định tuyến Thứ tự,độ ưu tiên… Bảo vệ
Hình 3.3 Định dạng gói tin
3.3.3 Đồng bộ và sắp xếp gói
3.3.3.1 Đồng bộ gói
Trong mạng chuyển mạch gói đồng bộ tất cả các gói trong mạng có cùng kích thớc. Mỗi gói đợc sắp xếp vào một khe thời gian nh hình 3.4.
Hình 3.4 Sắp xếp gói trong khe thời gian
Khi gói đợc truyền trong mạng có nhiều yếu tố làm mất đồng bộ của gói. Những nhân tố ảnh hởng đến sự mất đồng bộ của gói tin là:
Trễ khác nhau và biến đổi đối với các đờng đi khác nhau
Các gói tin truyền trên các đờng khác nhau với các khoảng cách khác nhau với tán sắc màu khác nhau do đó trễ sẽ khác nhau. Theo chuẩn G.652 tán sắc màu của sợi vào khoảng 20ps/nm/km nếu sử dụng WDM với độ rộng băng là 30 nm tơng ứng với khoảng 1530-1560 nm của EDFA thì với khoảng cách 100km trễ là 60ns.
Một yếu tố khác ảnh hởng tới trễ đó là nhiệt độ. Trễ biến đổi theo nhiệt độ vào khoảng 40ps/ 0C/km. Nh vậy với 100km nhiệt độ biến đổi trong khoảng -15 +10 0C thì trễ biến đổi khoảng 100ns.
Trễ biến đổi trong nút chuyển mạch
Trong cấu trúc trờng chuyển mạch hầu hết sử dụng bộ đệm là các dây trễ quang để tránh xung đột. Hơn nữa, có thể sử dụng các bộ biến đổi bớc sóng do đó trễ tại các đầu ra của trờng chuyển mạch sẽ khác nhau. Trong trờng hợp này nhiệt độ biến đổi cũng ảnh hởng tới trễ nhng nó là rất nhỏ có thể bỏ qua.
Sự lệch xung đồng bộ tại nút
Phần tải tin
Tiêu đề Tiêu đề Phần tải tin Khe thời gian
Trong mạng chuyển mạch gói quang mỗi nút chuyển mạch có một đồng hồ tại bản thân nút, nó cung cấp các xung đồng bộ địa phơng cho nút. Đồng hồ này hoạt động theo đồng hồ của mạng. Trong trờng hợp tín hiệu đồng bộ hoạt động không ổn định sẽ dẫn đến sự lệch xung đồng hồ tại nút.
Nh vậy, có 2 trờng hợp xảy ra đối với gói tin trớc khi đồng bộ.
Trờng hợp 1
Tiêu đề lệch ra khỏi giới hạn khe thời gian (Wandering packet flow). Trờng hợp này xảy ra do trễ truyền lan chậm của tín hiệu và xung đồng bộ địa phơng, thờng xảy ra tại đầu vào chuyển mạch. Hình 3.5 a.
Trờng hợp 2
Tiêu đề và tải tin di động bên trong khe thời gian (Jittering packet flow). Hình 3.5 b.
Hình 3.5 Hai khả năng khi phân tích gói trớc khi đồng bộ
Trong trờng hợp thứ nhất, việc sắp xếp gói và điều khiển đồng bộ đầu vào là khá dễ dàng thực hiện do tiêu đề của mỗi gói đầu vào có trễ cố định (tơng đơng với một khe thời gian). Mạch đồng bộ nh trên hình 3.6.
Tiêu đề
Khe thời gian Khe thời gian
Tải tin Tiêu đề Tải tin
Hình3.6 Đồng bộ gói trong trờng hợp lệch gói và tiêu đề đợc ghi lại ở khối giao diện đầu ra
KWR (Key Word Recogniser) mã nhận dạng gói dùng để sắp xếp gói.
Tại đầu ra của nút, đồng bộ cũng cần thiết do gói đi qua trờng chuyển mạch bị rung pha. Quá trình đồng bộ phụ thuộc vào gói ban đầu, sự tích luỹ rung pha khi gói đi qua các đờng khác nhau (chiều dài và bớc sóng khác nhau) trong trờng chuyển mạch và giải pháp đồng bộ.
Trong trờng hợp thứ hai, khối điều khiển chuyển mạch phải đáp ứng đồng bộ trong khoảng thời gian giữa 2 gói. Khối KWR thì phức tạp hơn. Mạch đồng bộ nh trên hình 3.7.
KWR Đọc tiêu đề Đồng bộ
chậm/ thô Trường chuyển mạch
Đồng bộ
nhanh tiêu đề Ghi lại
KWR Điều khiển
O
E OE
Hình 3.7 Đồng bộ trong trờng hợp rung pha và tiêu đề đợc ghi lại ở khối giao diện đầu vào
Trong cả hai trờng hợp trên, gói đa vào trờng chuyển mạch có thể bị rung pha mà không ảnh hởng tới các quá trình xử lý do khoảng bảo vệ giữa hai gói đủ rộng để bù vào sự rung pha này thậm chí còn có thể bù đắp sự tích luỹ rung pha qua một vài nút. Chính bởi vì điều này mà trong cả hai mạch đều sử dụng khối đồng bộ thô (không nhất thiết phải sử dụng khối đồng bộ chính xác) .
Sau đây ta tìm hiểu cấu trúc của từng khối đồng bộ.
Cấu trúc khối đồng bộ KWR nhanh Đọc tiêu đề Đồng bộ thô Điều khiển O E Đồng bộ nhanh KWR nhanh O E Ghi lại tiêu đề Trường chuyển mạch
Giao diện đầu vào Giao diện đầu ra
X X X
X X
FDL FDL
T/2 T/4 T/2n-1 T/2n
FDL FDL
Điều khiển điện
Phần động Phần tĩnh Tới trường chuyển mạch KWR O E
Hình 3.8 Cấu trúc khối đồng bộ
Khối đồng bộ gồm tập hợp dây trễ quang với thời gian trễ giảm theo hàm số mũ từ T/2 đến T/2n với T là 1 khe thời gian, và các chuyển mạch nh trên hình 3.8. Phần đầu của dây trễ quang có thời gian bù trễ cố định nên gọi là phần tĩnh. Phần tĩnh chủ yếu bù trễ do tán sắc màu. Phần động là phần bù trễ do sự rung pha trong gói. Thời gian đồng bộ của phần động phải nhỏ hơn khoảng bảo vệ của gói.
Cấu trúc của khối đồng bộ phụ thuộc vào khe thời gian T và định dạng gói.
Một vấn đề cần quan tâm khi đồng bộ gói là ghi lại tiêu đề cho gói tin. Ghi lại tiêu đề gói tin có thể cần hoặc không cần phụ thuộc vào phơng pháp định tuyến gói của mạng. Ví dụ nh trong mạng không đồng bộ, ghi lại tiêu đề gói tại mỗi nút để cập nhật địa chỉ đích là điều rất cần thiết còn trong mạng đồng bộ thì không nhất thiết phải có. Trong mạng đồng bộ, ghi lại tiêu đề gói có thể đặt tại giao diện đầu ra hoặcgiao diện đầu vào của trờng chuyển mạch. Mặc dù, ghi lại tiêu đề hoàn toàn không liên quan đến đồng bộ gói nhng nó có tác động lớn tới việc đạt đợc hiệu quả đồng bộ.
Nếu tiêu đề đợc ghi lại tại đầu ra, gói đi ra khỏi trờng chuyển mạch không còn sự rung pha. Do đó, khối điều khiển dễ dàng ghi lại tiêu đề gói. Trong trờng hợp tiêu đề đợc ghi lại tại đầu vào thì khi gói đi qua trờng chuyển mạch vẵn còn sự rung pha ỏ phần tải tin. Dẫn đến tiêu đề có thể chèn lên tải tin. Nên bắt buộc phải sử dụng khối đồng bộ chính xác trớc khối ghi lại tiêu đề.
3.3.3.2 Sắp xếp gói
Sắp xếp gói theo thứ tự là chức năng không liên quan tới đồng bộ gói nhng lại cực kỳ quan trọng đối với chức năng đọc và ghi lại tiêu đề. Chức năng này thực hiện sắp xếp xung đồng hồ địa phơng với dữ liệu vào. Có thể là sắp xếp chậm hoặc sắp xếp nhanh tuỳ thuộc vào mạng. Sắp xếp cực nhanh thờng sử dụng trong trờng hợp tiêu đề và tải tin di động trong khe thời gian (Jittering Flow) với thời gian thực hiện là thời gian 1 bit hoặc vài bít. Chức năng này có cả ở mạng đồng bộ và mạng không đồng bộ.
Trong mạng không đồng bộ, giải pháp đợc đa ra là sử dụng chuỗi bít kiểm tra lỗi tiêu đề HEC (Header Error Check). Phơng pháp này cũng giống nh trong chuyển mạch gói điện.
Trong mạng đồng bộ, phơng pháp sắp xếp gói tiêu biểu là cho dữ liệu vào đi qua một khối nhận dạng mẫu. Tại đây sẽ so sánh một phần tiêu đề gói với mã nhận dạng gói KW (Key Word). Phơng pháp này đảm bảo tính trong suốt cho tải tin. Nh- ng trong trờng hợp có một hay một số chuỗi bít nằm trong gói (tiêu đề hoặc tải tin) giống với mã nhận dạng gói sẽ dẫn đến sắp xếp sai. Để loại bỏ khả năng này, ta dùng thuật toán nh sau: So sánh mã nhận dạng gói với cùng một vị trí của n gói liên tiếp. Thuật toán này thực sự có hiệu quả khi dữ liệu trong gói là ngẫu nhiên và các gói liên tiếp thờng có sự thay đổi. Không may trong thực tế, trờng hợp chuỗi giống với mã nhận dạng có thể xảy ra theo chu kỳ nên có thể dẫn đến đồng bộ gói sai.
Phơng pháp đợc đa ra là sử dụng 2 mã nhận dạng gói khác nhau (KW1, KW2) nh hình 3.9. Trong đó dây trễ quang làm trễ một khoảng thời gian bằng một khe thời gian. Khối KWR có thể thực hiện đợc với cổng điện. Hoạt động của mạch nh sau:
Gói đi vào mạch đầu tiên đợc cho qua khối nhận dạng gói thứ nhất và đợc so sánh với KW1. Nếu KW1 đợc tìm thấy ở gói, thì KW2 sẽ đợc so sánh ở gói tiếp theo. Nếu chuỗi “KW1-KW2-KW1 ” đ… ợc tìm ra với tốc độ phù hợp thì chúng ta hoàn thành việc tìm kiếm vị trí của KW. Khi một KW đợc xác định, tiêu đề của gói mới đợc đọc (sau khi khôi phục xung đồng hồ tại đầu vào) để xác định thông tin cần thiết cho khối điều khiển chuyển mạch. Tại đầu ra của trờng chuyển mạch, KW sẽ đợc đa vào một cách thích hợp.
Ta cần chú ý rằng, phơng pháp này tăng gấp đôi kích thớc của mã nhận dạng gói trong trờng hợp gói mang dữ liệu ngẫu nhiên nhng nó có độ tin cậy cao trong tr- ờng hợp gói mang dữ liệu có tính chu kỳ.
Hình 3.9 Sắp xếp gói trong mạng đồng bộ
3.3.4 Xử lý tiêu đề
Để dễ dàng cho việc xử lý tiêu đề, có một số công nghệ đợc đa ra.
Sử dụng chuỗi bít (Bit serial)
Bit serial có thể thực hiện ở mức độ bít (Bit level) và có thể thực hiện ở mức độ gói (Packet level). ở mức độ bít mỗi bít đều mang thông tin định tuyến. ở mức độ gói một chuỗi bít mang một phần tải tin sắp xếp trớc khối định tuyến của tiêu đề. Mã hoá sử dụng ở mức độ bít là ghép kênh phân chia theo mã (OCDM-Optical Code Division Multiplexing) còn ở mức độ bít sẽ sử dụng khoảng cách giữa các