CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH QUANG
2.2 CÁC KỸ THUẬT CHUYỂN MẠCH QUANG
2.2.3 Chuyển mạch chùm quang (OBS-Optical Burst Switching) .1 Giới thiệu chung
Từ hai phần trước chúng ta có thể thấy kỹ thuật định tuyến bước sóng không cần xử lý, không chuyển đổi quang-điện và không sử dụng bộ đệm tại nút trung gian, tuy nhiên nó lại không sử dụng hết băng thông. Ngược lại, kỹ thuật chuyển mạch gói quang có thể nâng cao hiệu suất sử dụng băng thông bằng cách hợp kênh thống kê cho chia sẻ băng thông nhưng nó lại cần có bộ đệm. Chính vì vậy cần kết hợp hai phương pháp này để đưa ra một phương pháp kế thừa các ưu điểm của hai phương pháp kể trên, gọi là kỹ thuật chuyển mạch chùm quang.
Chuyển mạch chùm quang (OBS) được xây dựng dựa trên các tiêu chuẩn của tổ chức ITU-T dành cho chuyển mạch bó trong mạng ATM, được biết đến chuyển mạch khối ATM (ATM block transfer). OBS là kỹ thuật dùng để truyền đi một khối lượng lớn lưu lượng qua mạng vận chuyển quang bằng cách thiết lập một liên kết và chiếm giữ các tài nguyên cho chỉ một chùm quang (burst). Mô hình của chuyển mạch chùm quang được mô tả trong hình 2.2
Hình 2.2 Mô hình chuyển mạch chùm quang (OBS)[23]
Phần tử cơ bản của OBS là burst (chùm quang), được định nghĩa là một chuỗi các gói tin có cùng địa chỉ đích và có các đặc điểm giống nhau, ví dụ như là cùng di chuyển từ một lối vào đến lối ra của một nút và cùng được chuyển mạch tại các nút trung gian. Mỗi một burst bao gồm hai phần: phần mào đầu và phần dữ liệu. Phần mào
đầu được gọi là phần burst điều khiển (control burst-CB) và phần dữ liệu được gọi là burst dữ liệu (Data burst – DB). Trước tiên phần CB sẽ được truyền đi nhằm mục đích dành sẵn băng thông dọc theo tuyến truyền cho phần DB, và sau đó DB sẽ được theo tuyến băng thông này để đi đến nơi nhận. [14]
2.2.3.2 So sánh OBS với OPS và WR
Do trong OBS bước sóng dùng để truyền chùm quang sẽ được giải phóng ngay khi chùm quang truyền qua kết nối đó nên các chùm quang từ nguồn khác đến đích khác hoàn toàn có thể sử dụng băng thông của cùng bước sóng trên kết nối này. Kết quả này thể hiện sự sử dụng hiệu quả băng thông của OBS hơn so với WR đồng thời vẫn đáp ứng được các kết nối trong thời gian dài. Kỹ thuật này cũng giải quyết được các vấn đề về giới hạn kết nối trong các mạng định tuyến theo bước sóng, nơi mà số lượng quang tuyến có thể thiết lập được bị giới hạn bởi số bước sóng khả dụng.
Hình 2.3 (a) Chuyển mạch gói quang (b) Chuyển mạch chùm quang [12]
Ngoài ra, do sự hạn chế của CB, OBS còn có độ thích nghi với tắc nghẽn hoặc lỗi kết nối cao hơn so với OPS và nó hỗ trợ định tuyến dựa trên mức ưu tiên như trong chuyển mạch gói quang. Tuy vậy, do OBS chuyển mạch các chùm quang với kích thước có thể lớn hơn rất nhiều lần so với các gói tin IP do đó tỷ lệ kích thước mào đầu so với dữ liệu được truyền là thấp hơn.
Tóm lại, có ba điểm khác biệt chính giữa chuyển mạch chùm quang với chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói quang.:
- Một chùm quang có tính chất cụm khi so sánh với các loại chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói
- Chuyển mạch chùm quang chiếm giữ băng thông theo tiến trình một chiều, nghĩa là nó có thể gửi dữ liệu đi mà không cần chờ bản tin xác nhận chiếm giữ thành công. Tuy nhiên trong chuyển mạch kênh thì băng thông cho cuộc gọi cần phải được chiếm giữ cả hai chiều.
- Trong chuyển mạch chùm quang, một chùm quang sẽ đi qua các nút trung gian mà không cần lưu trong bộ đệm, trong khi đối với chuyển mạch gói, các gói tin được lưu-và-chuyển tiếp (stored and forwarding) tại mỗi nút trung gian.[19]
2.2.3.3 Kỹ thuật chuyển mạch chùm quang
Trong một mạng IP/WDM, một chùm quang được cấu trúc ở đầu switch/router có thể chứa nhiều gói tin IP với kích thước vài megabyte dữ liệu (ảnh có độ phân giải cao hoặc một đoạn video clip). Có ba kỹ thuật chuyển mạch chùm quang được mô tả ở trong phần này:
- Kỹ thuật IBT(in-and-terminator): Trong kỹ thuật này, thông tin điều khiển (chứa địa chỉ nguồn và địa chỉ đích) được gửi đi như là mào đầu (với điều khiển trong băng) hoặc gói tin điều khiển (với điều khiển ngoài băng), tiếp theo là chùm
quang có chứa IBT để báo hiệu kết thúc chùm quang. Băng thông sẽ được dành riêng cho chùm quang ngay khi thông tin điều khiển được xử lý, và nó sẽ được giải phóng ngay khi IBT được phát hiện. Một trong những khó khăn của chuyển mạch chùm quang dựa trên IBT trong mạng quang là nhận dạng và xử lý IBT trong miền quang.[12]
- Kỹ thuật TAG(Tell-And-Go): Kỹ thuật này gần giống với kỹ thuật chuyển mạch kênh nhanh. Nguyên tắc làm việc của nó như sau: Đầu tiên nút nguồn sẽ gửi đi một gói tin điều khiển nhằm chuẩn bị riêng băng thông và sau đó dữ liệu chùm quang tương ứng sẽ được truyền đi mà không cần phải chờ xác nhận bởi vì băng thông đã được dành riêng hoàn toàn cho kênh này. Sau đó nút nguồn có thể gửi đi một bản tin điều khiển khác nhằm giải phóng băng thông vừa được cấp riêng, hoặc nó sẽ gửi đi một bản tin làm mới (refresh packet) để tiếp tục duy trì băng thông. Băng thông sẽ tự động giải phóng trong trường hợp nó không nhận được một bản tin làm mới nào trong một khoảng thời gian nhất định.[22]
- Kỹ thuật RFD(reserve-a-fixed-duration): Trong kỹ thuật này, việc đặt trước băng thông được đóng tại từng switch, băng thông được dành riêng trong một khoảng thời gian nhất định dựa theo từng gói tin điều khiển.[15]
2.2.3.4 Giao thức JET (Just Enough Time)
Như chúng ta đã biết, kết nối được thiết lập dựa trên đặt trước từ hai phía dưới sự điều khiển phân tán trong các mạng điện thoại và mạng dữ liệu tốc độ cao. Phương pháp tương tự cũng có thể được sử dụng trong mạng quang. Tuy nhiên với tốc độ truyền 2.5 Gbps, một chùm quang có kích thước 500Kbytes có thể được gửi trong khoảng 1.6ms nhưng để nhận một ACK đến trong khoảng 500km thì mất khoảng 2.5ms. Điều này chứng tỏ rằng giao thức đặt trước một chiều sẽ hiệu quả hơn là giao thức hai chiều áp dụng với lưu lượng lớn truyền trên một khoảng cách tương đối xa.
Hình 2.4 Mô tả giao thức JET [27]
Hình trên mô tả ý tưởng cơ bản của giao thức JET (Just-Enough-Time) áp dụng cho OBS. Đây là một dạng giao thức chiếm giữ một chiều[13][27]. Để thực hiện gửi đi một chùm quang dữ liệu (gồm rất nhiều gói tin IP), một chùm quang điều khiển (được coi như là một gói tin IP bình thường), hay còn gọi là gói tin điều khiển, được gửi đi từ nút nguồn đến nút đích để chiếm giữ một tuyến toàn quang. Một cách cụ thể hơn, mỗi nút tự chọn một bước sóng phù hợp trên kết nối của mình và để dành cho chùm quang dữ liệu tương ứng đến ngay sau đó, tạo nên chuyển mạch quang. Để đơn giản, ta giả sử rằng tổng thời gian xử lý của gói tin điều khiển tại mỗi nút là δ; trong khi đó, sau khi chùm quang dữ liệu chờ tại nguồn trong miền điện tử trong khoảng thời gian T0, nó sẽ được gửi đi dưới dạng tín hiệu quang mà không cần phải chờ đến khi nhận được ACK từ đích. Gọi L là số bước truyền trên tuyến thì T0 được chọn thấp nhất là (δ*L) để đảm bảo rằng mỗi nút có đủ thời gian để hoàn tất việc xử lý gói tin điều khiển trước khi chùm quang dữ liệu bắt đầu được truyền. Kết quả là ngay khi chùm quang dữ liệu được truyền đi, nó vượt qua tất cả các nút trung gian mà không cần phải sử dụng bộ đệm, bộ chuyển đổi quang-điện-quang hay một thực thể IP trung gian nào.
Trong bất kỳ một giao thức chiếm giữ một chiều nào đều có một vấn đề đặt ra, đó là tỷ lệ mất dữ liệu. Cụ thể là nếu một gói tin điều khiển không thể thiết lập được băng thông tại một nút trung gian, thì chùm quang dữ liệu tương ứng có thể bị bỏ qua và một ACK từ chối sẽ được gửi đến nguồn để có thể gửi lại chùm quang dữ liệu đã mất. Trong trường hợp này đoạn băng thông đã được thiết lập sẽ không được sử dụng và bị lãng phí. Để loại trừ khả năng băng thông bị lẵng phí này, một chùm quang cần phải được lưu trong bộ đệm điện tử (sau khi đã được đi qua bộ chuyển đổi quang-điện) và tiếp tục gửi đến đích của nó sau một khoảng thời gian nhất định. Người ta có thể sử dụng các FDL để cung cấp một số khoảng trễ tại các nút trung gian nhằm giảm thiểu nguy cơ trên.[13][27]
Ngoài ra xác suất mất dữ liệu cũng có thể được giảm thiểu mà không cần sử dụng đến các đường trễ quang. Cụ thể hơn, ở đây một số chùm quang có thể được gán mức ưu tiên cao hơn bằng cách rất đơn giản là sử dụng thêm một khoảng trễ và do vậy đảm bảo xác suất truyền thành công sẽ tăng lên.
Ngoài phương pháp báo hiệu JET ra còn có một số phương pháp báo hiệu khác trong mạng quang như là JIT (Just-In-Time) và TAW (Tell-And-Go).Các phương pháp này được giới thiệu trong [16][29].
2. 3 TỔNG KẾT CHƯƠNG
Trong chương này chúng ta đã giới thiệu về các kỹ thuật định tuyến và gán bước sóng cơ bản trong mạng WDM. Sau đó chúng ta đi tìm hiểu về các công nghệ chuyển mạch quang, đặc biệt là về công nghệ chuyển mạch chùm quang OBS. Đây là vấn đề sẽ liên quan đến phần nội dung chính của luận văn, tìm hiểu về chất lượng dịch vụ trong mạng IP/WDM sử dụng chuyển mạch chùm quang. Chương tiếp theo chúng ta sẽ nói đến sự tích hợp IP trên mạng WDM và các kỹ thuật liên quan.
Chương 3