Hỡnh 3.2 là kiến trỳc của một nỳt OPS. Một nỳt OPS gồm một số bộ ghộp và tỏch kờnh bước súng, một khối giao diện đầu vào, một trường chuyển mạch khụng gian với sự kết hợp cỏc bộđệm quang và bộ biến đổi bước súng, một khối giao diện
đầu ra và một khối điều khiển chuyển mạch. Giao diện đầu vào Giao diện đầu ra Trường chuyển mạch Khối điều khiển chuyển mạch Bộđệm quang Bộ biến đổi bước súng 1 N 1 N Bộ tỏch kờnh Bộ ghộp kờnh Mạng OPS Node lừi Node biờn Liờn kết mạng Mạng truy nhập
Hỡnh 3.2 Cấu trỳc nỳt chuyển mạch gúi quang Hoạt động của nỳt
Tớn hiệu vào đầu tiờn được cho qua bộ tỏch kờnh để tỏch thành cỏc bước súng riờng biệt rồi được gửi tới giao diện đầu vào. Tại giao diện đầu vào, sẽ trớch một phần nhỏ tớn hiệu để xỏc định phần tiờu đề và phần tải tin của gúi. Giao diện đầu vào cú nhiệm vụ xỏc định một cỏch chớnh xỏc tiờu đề của gúi để gửi cho khối điều khiển chuyển mạch. Khối điều khiển chuyển mạch xử lý thụng tin của tiờu đề đó nhận được nhằm xỏc định chớnh xỏc cổng ra và bước súng thớch hợp của gúi tin. Sau đú, khối điều khiển chuyển mạch điều khiển trường chuyển mạch định tuyến gúi tin tới cổng ra . Trong định tuyến gúi, trường chuyển mạch cú thể cần tới bộ đệm quang và bộ biến đổi bước súng. Khối điều khiển chuyển mạch cũng xỏc định tiờu đề mới cho gúi, và gửi nú tới giao diện đầu ra. Tại giao diện đầu sẽ thực hiện ghi lại tiờu đề cho gúi rồi gửi tới khối ghộp súng để truyền tới nỳt tiếp theo.
Mạng OPS cú thể được phõn loại theo kớch thước phụ thuộc vào số lượng gúi chuyển mạch và quỏ trỡnh xử lý tiờu đề.
Như vậy, chỳng ta cần tập chung tỡm hiểu một số vấn đề sau: Chuyển mạch đồng bộ hay khụng đồng bộ
Mạng chuyển mạch gúi quang cú thể phõn làm hai loại là mạng đồng bộ và khụng
đồng bộ.
Trong mạng đồng bộ, tất cả cỏc gúi trong mạng cú cựng kớch thước. Mỗi gúi tin
được xếp vào một khe thời gian. Ta thấy rằng trễ lan truyền cú thể thay đổi, cỏc gúi tin đến nỳt trờn cỏc giao diện khỏc nhau cú thể khụng trựng với xung đồng hồ địa phương. Do đú trỏch nhiệm của giao diện đầu vào là đồng bộ cỏc gúi tin đến và sắp xếp chỳng vào cỏc khe thời gian. Trường chuyển mạch gúi quang đồng bộ giống như trong chuyển mạch gúi điện đồng bộ nờn dễ dàng xõy dựng và đưa vào hoạt
động. Do đú mạng chuyển mạch gúi quang đồng bộđược chỳ ý và nghiờn cứu một cỏch cẩn thận.
Trong mạng chuyển mạch gúi quang khụng đồng bộ gúi tin cú kớch thước cú thể thay đổi được, chuyển mạch cú thể xảy ra tại bất cứ vị trớ nào của gúi, và sẽ
khụng cần đồng bộ gúi tại chuyển mạch đầu vào. Như vậy sẽ tăng tớnh mềm dẻo của mạng và nú khụng phụ thuộc vào việc chia đoạn hoặc ghộp lại cỏc đoạn tại ranh giới mạng.
Xử lý điện hay quang
Tiờu đề gúi quang chứa thụng tin để định tuyến gúi trong mạng. Vấn đề xử lý tiờu đề là rất quan trọng trong hoạt động của mạng. Hiện nay, do cụng nghệ xử lý bớt quang vẫn cũn nhiều hạn chế cho nờn quỏ trỡnh xử lý tiờu đề chủ yếu là xử lý
điện.
Định dạng tiờu đề quang
Ta thấy rằng, dữ liệu của phần tải tin chỉ được xử lý duy nhất tại nguồn và
đớch. Trong khi đú, dữ liệu của phần tiờu đề mang rất nhiều thụng tin như : địa chỉ
nguồn, địa chỉ đớch, thứ tự gúi … được xử lý tại tất cả cỏc nỳt. Để thuận tiện cho việc xử lý tiờu đề cú một số cụng nghệ được đưa ra là: Bit Serial, Out-of-Band Signaling, và Bit-Parallel. Cỏc cụng nghệ này sẽđược nghiờn cứu kỹở phần sau.
Kiến trỳc trường chuyển mạch
Kiến trỳc trường chuyển mạch đưa ra cho mạng chuyển mạch gúi quang thỡ rất
đa dạng, cho cả gúi cú kớch thước cốđịnh và khụng cốđịnh. Nú đúng vai trũ trung tõm hoạt động của nỳt. Do đú, chỳng ta sẽ nghiờn cứu cẩn thận ở phần 3.3.7.
Cỏc giải phỏp chống xung đột
Khi hai gúi tin đến từ cỏc cổng khỏc nhau, cỏc bước súng khỏc nhau cú yờu cầu chuyển mạch tới cựng một cổng ra, tại cựng một bước súng và tại cựng một thời
điểm, xung đột sẽ xuất hiện. Trong trường hợp này, khối điều khiển chuyển mạch phải cú kế hoạch để giải quyết xung đột này. Xung đột đầu ra cú thể giải quyết theo 3 hướng khỏc nhau: hướng bước súng (sử dụng bộ biến đổi bước súng), thời gian ( sử dụng dõy trễ quang), khụng gian ( sử dụng định tuyến mềm) hoặc kết hợp cỏc cỏch trờn. Chỳng ta sẽ thảo luận và so sỏnh sự khỏc nhau trong từng cỏch giải quyết xung đột trong phần 3.3.6.
Chỳng ta cần chỳ 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 đỏng kể của tiờu đề khi đú phần tải tin đến trước tiờu đề hay gúi bị huỷ. Bởi vậy, quản lý và phõn chia kớch thước bộ đệm hợp lý là cực kỳ quan trọng. Từ đú xỏc
định được kỹ thuật sử dụng cho mục đớch này, như vậy chỳng ta sẽ khụng xột tới xung đột trong mặt phẳng điều khiển nữa.
3.3.2 Định dạng gúi tin
Gúi tin gồm cỏc thành phần là tiờu đề, tải tin và khoảng bảo vệ.
Phần tiờu đề
Phần tiờu đề mang thụng tin về nguồn và đớch của gúi, thụng tin đểđịnh tuyến, độ ưu tiờn, gúi rỗng hay đầy, thứ tự gúi, chuỗi bớt kiểm tra lỗi tiờu đề và cú thể cú chuỗi bớt dựng cho đồng bộ.
Phần tải tin
Đõy là phần mang thụng tin cần được truyền. Phần tải tin cũng cú thể mang chuỗi bớt đồng bộ.
Phần bảo vệ
Đõy là phần đưa vào cho phộp cài đặt thờm một số chức năng điện quang và làm giảm sựảnh hưởng của trễ.
Hỡnh 3.3 Định dạng gúi tin
3.3.3 Đồng bộ và sắp xếp gúi
3.3.3.1 Đồng bộ gúi
Trong mạng chuyển mạch gúi đồng bộ tất cả cỏc gúi trong mạng cú cựng kớch thước. Mỗi gúi được sắp xếp vào một khe thời gian như hỡnh 3.4.
Phần tải tin Tiờu đề
Điều khiển/định tuyến Thứ tự,độưu tiờn… Bảo vệ
Hỡnh 3.4 Sắp xếp gúi trong khe thời gian
Khi gúi được truyền trong mạng cú nhiều yếu tố làm mất đồng bộ của gúi. Những nhõn tốảnh hưởng đến sự mất đồng bộ của gúi tin là:
Trễ khỏc nhau và biến đổi đối với cỏc đường đi khỏc nhau
Cỏc gúi tin truyền trờn cỏc đường khỏc nhau với cỏc khoảng cỏch khỏc nhau với tỏn sắc màu khỏc nhau do đú trễ sẽ khỏc nhau. Theo chuẩn G.652 tỏn sắc màu của sợi vào khoảng 20ps/nm/km nếu sử dụng WDM với độ rộng băng là 30 nm tương ứng với khoảng 1530-1560 nm của EDFA thỡ với khoảng cỏch 100km trễ là 60ns.
Một yếu tố khỏc ảnh hưởng tới trễđú là nhiệt độ. Trễ biến đổi theo nhiệt độ
vào khoảng 40ps/ 0C/km. Như vậy với 100km nhiệt độ biến đổi trong khoảng -15 +10 0C thỡ trễ biến đổi khoảng 100ns.
Trễ biến đổi trong nỳt chuyển mạch
Trong cấu trỳc trường chuyển mạch hầu hết sử dụng bộ đệm là cỏc dõy trễ
quang để trỏnh xung đột. Hơn nữa, cú thể sử dụng cỏc bộ biến đổi bước súng do đú trễ tại cỏc đầu ra của trường chuyển mạch sẽ khỏc nhau. Trong trường hợp này nhiệt độ biến đổi cũng ảnh hưởng tới trễ nhưng nú là rất nhỏ cú thể bỏ qua.
Sự lệch xung đồng bộ tại nỳt
Trong mạng chuyển mạch gúi quang mỗi nỳt chuyển mạch cú một đồng hồ tại bản thõn nỳt, nú cung cấp cỏc xung đồng bộđịa phương cho nỳt. Đồng hồ này hoạt
động theo đồng hồ của mạng. Trong trường hợp tớn hiệu đồng bộ hoạt động khụng
ổn định sẽ dẫn đến sự lệch xung đồng hồ tại nỳt.
Như vậy, cú 2 trường hợp xảy ra đối với gúi tin trước khi đồng bộ.
Phần tải tin
Tiờu đề Tiờu đề Phần tải tin
Khe thời gian
Trường hợp 1
Tiờu đề lệch ra khỏi giới hạn khe thời gian (Wandering packet flow). Trường hợp này xảy ra do trễ truyền lan chậm của tớn hiệu và xung đồng bộ địa phương, thường xảy ra tại đầu vào chuyển mạch. Hỡnh 3.5 a.
Trường hợp 2
Tiờu đề và tải tin di động bờn trong khe thời gian (Jittering packet flow). Hỡnh 3.5 b.
Hỡnh 3.5 Hai khả năng khi phõn tớch gúi trước khi đồng bộ
Trong trường hợp thứ nhất, việc sắp xếp gúi và điều khiển đồng bộđầu vào là khỏ dễ dàng thực hiện do tiờu đề của mỗi gúi đầu vào cú trễ cốđịnh (tương đương với một khe thời gian). Mạch đồng bộ như trờn hỡnh 3.6.
Tiờu đề
Khe thời gian Khe thời gian
Tải tin Tiờu đề Tải tin
Hỡnh3.6 Đồng bộ gúi trong trường hợp lệch gúi và tiờu đề được ghi lại ở khối giao diện đầu ra
KWR (Key Word Recogniser) mó nhận dạng gúi dựng để sắp xếp gúi.
Tại đầu ra của nỳt, đồng bộ cũng cần thiết do gúi đi qua trường chuyển mạch bị
rung pha. Quỏ trỡnh đồng bộ phụ thuộc vào gúi ban đầu, sự tớch luỹ rung pha khi gúi đi qua cỏc đường khỏc nhau (chiều dài và bước súng khỏc nhau) trong trường chuyển mạch và giải phỏp đồng bộ.
Trong trường hợp thứ hai, khối điều khiển chuyển mạch phải đỏp ứng đồng bộ
trong khoảng thời gian giữa 2 gúi. Khối KWR thỡ phức tạp hơn. Mạch đồng bộ như
trờn hỡnh 3.7. KWR Đọc tiêu đề Đồng bộ chậm/ thô Tr−ờng chuyển mạch Đồng bộ nhanh Ghi lại tiêu đề KWR Điều khiển O E O E
Hỡnh 3.7 Đồng bộ trong trường hợp rung pha và tiờu đề được ghi lại ở khối giao diện đầu vào
Trong cả hai trường hợp trờn, gúi đưa vào trường chuyển mạch cú thể bị rung pha mà khụng ảnh hưởng tới cỏc quỏ trỡnh xử lý do khoảng bảo vệ giữa hai gúi đủ
rộng để bự vào sự rung pha này thậm chớ cũn cú thể bự đắp sự tớch luỹ rung pha qua một vài nỳt. Chớnh bởi vỡ điều này mà trong cả hai mạch đều sử dụng khối đồng bộ
thụ (khụng nhất thiết phải sử dụng khối đồng bộ chớnh xỏc) . Sau đõy ta tỡm hiểu cấu trỳc của từng khối đồng bộ. Cấu trỳc khối đồng bộ Hỡnh 3.8 Cấu trỳc 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 Tr−ờng 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 tr−ờng chuyển mạch KWR O E
Khối đồng bộ gồm tập hợp dõy 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 cỏc chuyển mạch như trờn hỡnh 3.8. Phần đầu của dõy trễ quang cú thời gian bự trễ cốđịnh nờn gọi là phần tĩnh. Phần tĩnh chủ yếu bự trễ do tỏn sắc màu. Phần động là phần bự trễ do sự rung pha trong gúi. Thời gian đồng bộ của phần động phải nhỏ hơn khoảng bảo vệ của gúi.
Cấu trỳc của khối đồng bộ phụ thuộc vào khe thời gian T và định dạng gúi.
Một vấn đề cần quan tõm khi đồng bộ gúi là ghi lại tiờu đề cho gúi tin. Ghi lại tiờu đề gúi tin cú thể cần hoặc khụng cần phụ thuộc vào phương phỏp định tuyến gúi của mạng. Vớ dụ như trong mạng khụng đồng bộ, ghi lại tiờu đề gúi tại mỗi nỳt
để cập nhật địa chỉđớch là điều rất cần thiết cũn trong mạng đồng bộ thỡ khụng nhất thiết phải cú. Trong mạng đồng bộ, ghi lại tiờu đề gúi cú thể đặt tại giao diện đầu ra hoặcgiao diện đầu vào của trường chuyển mạch. Mặc dự, ghi lại tiờu đề hoàn toàn khụng liờn quan đến đồng bộ gúi nhưng nú cú tỏc động lớn tới việc đạt được hiệu quảđồng bộ.
Nếu tiờu đề được ghi lại tại đầu ra, gúi đi ra khỏi trường chuyển mạch khụng cũn sự rung pha. Do đú, khối điều khiển dễ dàng ghi lại tiờu đề gúi. Trong trường hợp tiờu đềđược ghi lại tại đầu vào thỡ khi gúi đi qua trường chuyển mạch vẵn cũn sự rung pha ỏ phần tải tin. Dẫn đến tiờu đề cú thể chốn lờn tải tin. Nờn bắt buộc phải sử dụng khối đồng bộ chớnh xỏc trước khối ghi lại tiờu đề.
3.3.3.2Sắp xếp gúi
Sắp xếp gúi theo thứ tự là chức năng khụng liờn quan tới đồng bộ gúi nhưng lại cực kỳ quan trọng đối với chức năng đọc và ghi lại tiờu đề. Chức năng này thực hiện sắp xếp xung đồng hồ địa phương với dữ liệu vào. Cú thể là sắp xếp chậm hoặc sắp xếp nhanh tuỳ thuộc vào mạng. Sắp xếp cực nhanh thường sử dụng trong trường hợp tiờu đề và tải tin di động trong khe thời gian (Jittering Flow) với thời gian thực hiện là thời gian 1 bit hoặc vài bớt. Chức năng này cú cả ở mạng đồng bộ
và mạng khụng đồng bộ.
Trong mạng khụng đồng bộ, giải phỏp được đưa ra là sử dụng chuỗi bớt kiểm tra lỗi tiờu đề HEC (Header Error Check). Phương phỏp này cũng giống như trong chuyển mạch gúi điện.
Trong mạng đồng bộ, phương phỏp sắp xếp gúi tiờu biểu là cho dữ liệu vào đi qua một khối nhận dạng mẫu. Tại đõy sẽ so sỏnh một phần tiờu đề gúi với mó nhận
dạng gúi KW (Key Word). Phương phỏp này đảm bảo tớnh trong suốt cho tải tin. Nhưng trong trường hợp cú một hay một số chuỗi bớt nằm trong gúi (tiờu đề hoặc tải tin) giống với mó nhận dạng gúi sẽ dẫn đến sắp xếp sai. Để loại bỏ khả năng này, ta dựng thuật toỏn như sau: So sỏnh mó nhận dạng gúi với cựng một vị trớ của n gúi liờn tiếp. Thuật toỏn này thực sự cú hiệu quả khi dữ liệu trong gúi là ngẫu nhiờn và cỏc gúi liờn tiếp thường cú sự thay đổi. Khụng may trong thực tế, trường hợp chuỗi giống với mó nhận dạng cú thể xảy ra theo chu kỳ nờn cú thể dẫn đến
đồng bộ gúi sai.
Phương phỏp được đưa ra là sử dụng 2 mó nhận dạng gúi khỏc nhau (KW1, KW2) như hỡnh 3.9. Trong đú dõy trễ quang làm trễ một khoảng thời gian bằng một khe thời gian. Khối KWR cú thể thực hiện được với cổng điện. Hoạt động của mạch như sau:
Gúi đi vào mạch đầu tiờn được cho qua khối nhận dạng gúi thứ nhất và được so sỏnh với KW1. Nếu KW1 được tỡm thấy ở gúi, thỡ KW2 sẽ được so sỏnh ở gúi tiếp theo. Nếu chuỗi “KW1-KW2-KW1…” được tỡm ra với tốc độ phự hợp thỡ chỳng ta hoàn thành việc tỡm kiếm vị trớ của KW. Khi một KW được xỏc định, tiờu đề của gúi mới được đọc (sau khi khụi phục xung đồng hồ tại đầu vào) để xỏc định thụng tin cần thiết cho khối điều khiển chuyển mạch. Tại đầu ra của trường chuyển mạch, KW sẽđược đưa vào một cỏch thớch hợp.
Ta cần chỳ ý rằng, phương phỏp này tăng gấp đụi kớch thước của mó nhận dạng gúi trong trường hợp gúi mang dữ liệu ngẫu nhiờn nhưng nú cú độ tin cậy cao trong trường hợp gúi mang dữ liệu cú tớnh chu kỳ.
Hỡnh 3.9 Sắp xếp gúi trong mạng đồng bộ
3.3.4 Xử lý tiờu đề
Để dễ dàng cho việc xử lý tiờu đề, cú một số cụng nghệ được đưa ra.
Sử dụng chuỗi bớt (Bit serial)
Bit serial cú thể thực hiện ở mức độ bớt (Bit level) và cú thể thực hiện ở mức độ
gúi (Packet level). Ở mức độ bớt mỗi bớt đều mang thụng tin định tuyến. Ở mức độ
gúi một chuỗi bớt mang một phần tải tin sắp xếp trước khối định tuyến của tiờu đề. Mó hoỏ sử dụng ở mức độ bớt là ghộp kờnh phõn chia theo mó (OCDM-Optical Code Division Multiplexing) cũn ở mức độ bớt sẽ sử dụng khoảng cỏch giữa cỏc