Hiện nay, chuyển mạch quang được chia thành ba loại cơ bản sau: - Chuyển mạch kênh quang (OCS- Optical Circuit Switching ). - Chuyển mạch gói quang (OPS-Optical Packet Switching). - Chuyển mạch chùm quang (OBS- Optical Burst Switching).
4.3.1. Chuyển mạch kênh quang
Chuyển mạch kênh quang (OCS- Optical Circuit Switching) được thực hiện trong mạng quang theo kiểu định tuyến bước sóng toàn quang giữa hai nút mạng. 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 một kết nối. Kênh này sau đó chỉ được đăng kí phục vụ cho một kết nối.
Hình 4.1. Mạng chuyển mạch kênh.
Chuyển mạch kênh dựa trên mạng định tuyến bước sóng, thiết lập thông tin giữa 2 điểm, số liệu được truyền trên cùng một tuyến và thông tin truyền đi trong thời gian thực. Ví dụ xét một kết nối từ nút A đến nút B như trong hình (4.1), một kênh kết nối sẽ được thiết lập từ A đến B thông qua các node R0, R1, R2 và R3. Ngoài ra ta cũng có thể thiết lập các tuyến kết nối khác từ A đến B.[27]
Trong mạng định tuyến các nút truy nhập thông tin với nhau qua các kênh toàn quang, các kênh này được xem như các luồng quang. Sự thiết lập các luồng quang bao gồm một số bước thực hiện: cấu hình tài nguyên, định tuyến, gán bước sóng, báo hiệu và đặt trước tài nguyên. Tìm ra và cấu hình tài nguyên hay còn gọi là quá trình thiết lập kênh bao gồm phân bổ và duy trì thông tin trạng thái mạng. Nó bao gồm quá trình đăng kí một bước sóng cố định theo đường dẫn lựa chọn, mỗi liên kết trên đường dẫn được định hướng từ nguồn tới đích tương ứng của nó. Thông tin sẽ bao gồm cấu hình
những thông tin mày bao gồm các bước sóng có thể sử dụng trên một tuyến đưa ra trong mạng. Một giao thức phổ biến dành cho duy trì thông tin trạng thái tuyến trong mạng internet là giao thức đường ngắn nhất theo thứ tự mở (OSPF - Open Shortest Path First).[28]
Quá trình định tuyến bao gồm việc thiết lập các kết nối kênh, được gọi là kênh quang (lightpaths), giữa các nút của mạng. Vấn đề tìm các tuyến và gán bước sóng cho luồng quang được gọi là bài toán định tuyến và gán bước sóng (RWA- Routing and Wavelength Assignment). Các yêu cầu kết nối có hai dạng, dạng tĩnh và dạng động.
Sau khi định tuyến, quá trình truyền dữ liệu được thực hiện. Dữ liệu được truyền đi trên một đường riêng. 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.
Sau khi dữ liệu gửi đi tới đích, kênh truyền dẫn sẽ được giải 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.
Về cơ bản, chuyển mạch kênh có những đặc trưng sau:
- Thông tin được truyền đi trên cùng một tuyến và thông tin truyền đi trong thời gian thực.
- Các kênh truyền dẫn sẽ bị chiếm trong qúa trình trao đổi. - Thông tin cần yêu cầu độ chính xác cao.
- Trao đổi thông tin dưới dạng địa chỉ.
- Băng thông và tốc độ truyền dẫn thấp do đó hiệu suất chuyển mạch thấp. - Khi lưu lượng các gói tin tăng đến ngưỡng nào đó thì các kết nối mới có thể bị khóa và từ chối mọi yêu cầu kết nối mới khi kênh chưa được giải phóng.
4.3.2. Chuyển mạch gói quang
Khác với chuyển mạch kênh quang, chuyển mạch gói quang (OPS – Optical Packet Switching) thực hiện truyền các gói số liệu độc lập. 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. Mỗi node cần có các bộ đệm để tạm thời lưu các gói. Mỗi node trong chuyển mạch gói yêu cầu một hệ thống quản lý để thông báo điều kiện truyền thông tin tới node lân cận trong trường hợp số liệu truyền bị lỗi.
Hình 4.2. Mô hình mạng chuyển mạch gói.
Hình 4.3 là một ví dụ về nút chuyển mạch gói quang cơ bản. Một nút bao gồm một chuyển mạch quang có khả năng cấu hình dựa trên gói. Khối chuyển mạch tái cấu hình dựa trên thông tin tiêu đề của một gói. Tiêu đề gói được xử lý bằng điện hoặc nó có thể mang trong băng cùng gói hoặc trên một kênh điều khiển riêng. Phải mất một thời gian để tiêu đề và chuyển mạch thiết lập, các gói có thể bị trễ bằng cách truyền qua đường trễ sợi quang.
Hình 4.3. Kiến trúc chuyển mạch gói quang.[29]
Về nguyên tắc chuyển mạch gói toàn quang tổ chức dựa trên gói tiêu đề và điều khiển được thực hiện trong miền quang, 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.
Trong thời điểm hiện nay chuyển mạch gói quang sử dụng điều khiển điện tử để xử lý tiêu đề gói là thực tế hơn. Trong chuyển mạch gói quang tiêu đề hoặc nhãn được đọc và so sánh với một bảng định tuyến. Tải số liệu sau đó sẽ được định tuyến tới cổng ra tương ứng với một nhãn mới (trao đổi nhãn). Điều quan trọng là tải tin được truyền trong suốt qua chuyển mạch.
Tuy nhiên, chuyển mạch gói quang còn tồn tại một số hạn chế do công nghệ chưa phát triển hoàn thiện. Chuyển mạch gói quang thường sử dụng cho trường hợp không đồng bộ. Ví dụ, các gói tới tại các cổng đầu vào khác nhau phải được xếp hàng trước khi truy nhập vào trường chuyển mạch. Do đó để ứng dụng cho trường hợp không đồng bộ là rất khó và chi phí cao.
Một khó khăn nữa đối với chuyển mạch gói quang là sự thiếu vắng các bộ đệm 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.
Chuyển mạch gói gồm các đặc điểm cơ bản sau:
- Thông tin được truyền đi không theo thời gian thực nhưng tốc độ nhanh hơn chuyển mạch kênh.
- Kênh truyền không bị chiếm dụng toàn bộ, hiệu suất chuyển mạch khá cao. - Thích hợp với truyền số liệu.
- Các gói tin được kiểm lỗi qua từng chặn nên đảm bảo các gói tin ở đích không bị lỗi nhưng việc này lại làm giảm tốc độ truyền các gói tin.
- Chuyển mạch gói phù hợp với mạng truyền dẫn chất lượng thấp.
4.3.3. Chuyển mạch chùm quang
Chuyển mạch chùm quang (OBS- Optical Burst Switching) là phương pháp kết hợp các ưu điểm của 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. Nó thực hiện việc truyền tải thông tin dưới dạng các burst quang. 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 tại các node trung gian.
Trong mạng chuyển mạch chùm quang, các thông tin cần truyền được cấu trúc thành các burst, bao gồm một gói điều khiển được gửi đi trước để đăng kí tài nguyên mạng và phần thông tin dữ liệu bao gồm một hay nhiều gói tin được cấu trúc thành một burst đi theo sau gói điều khiển đã được gửi đi (Hình 4.4).
Một mạng chuyển mạch chùm quang bao gồm các nút chuyển mạch chùm quang được liên kết với nhau qua các tuyến sợi quang. Nút mạng OBS được chia làm hai loại, nó có thể hoặc các nút biên hoặc là các nút lõi.
Hình 4.4. Mô hình mạng chuyển mạch chùm quang.
Trong đó, bộ định tuyến lõi bao gồm một bộ nối chéo OXC và một khối điều khiển chuyển mạch (Switching Control Unit - SCU). Khối điều khiển chuyển mạch tạo và duy trì bảng chuyển tiếp và thực hiện cấu hình OXC. Khi SCU nhận được một gói tiêu đề chùm nó xác định đích của chùm và chỉ thị cho bộ định tuyến xử lý báo hiệu để tìm ra cổng ra mong muốn. Nếu cổng ra khả dụng khi đó chùm số liệu đến, SCU cấu hình cho OXC cho số liệu đi qua. Nếu cổng ra không khả dụng thì OXC sẽ được cấu hình phụ thuộc trên mức độ tranh chấp bổ sung trong mạng. Tóm lại SCU thực hiện phiên dịch tiêu đề, lập lịch, phát hiện tranh chấp, quyết định, tra cứu bảng định tuyến, điều khiển ma trận chuyển mạch, ghi lại tiêu đề chùm và điều khiển chuyển đổi bước sóng. Trong trường hợp một chùm số liệu đến OXC trước gói điều khiển của nó, chùm khi đó sẽ bị mất.
Bộ định tuyến biên thực hiện các chức năng sắp xếp các gói, đệm các gói, kết hợp các gói thành chùm, tách các gói nguyên thuỷ của nó. Kiến trúc định tuyến biên bao gồm một khối định tuyến (Routing Module - RM), một bộ kết hợp chùm một bộ lập lịch. Khối định tuyến lựa chọn cổng ra thích hợp cho mỗi gói và gửi mỗi gói đến khối kết hợp chùm tương ứng. Mỗi khối kết hợp chùm thực hiện kết hợp các gói với các tiêu đề cho bộ định tuyến lối cụ thể. Trong khối kết hợp chùm, có một hàng đợi gói riêng cho từng lớp lưu lượng. Bộ lập lịch tạo ra một chùm theo kỹ thuật kết hợp chùm và truyền chùm ra cổng ra mong muốn. Tại bộ định tuyến đầu ra, chùm được tách ra thành các gói và chuyển lên lớp mạng cao hơn.
Về đặc điểm, chuyển mạch chùm quang có những đặc trưng sau:
- Kích thước đơn vị truyền dẫn của chuyển mạch chùm lớn hơn so với chuyển mạch gói quang nhưng nhỏ hơn so với chuyển mạch kênh.
- Giữa gói điều khiển và burst truyền trên các bước sóng riêng. Gói điều khiển được truyền trên một bước sóng riêng và không truyền đi cùng với burst.
- Kích thước burst có thể thay đổi và có thể phát burst bổ sung.
- Trong chuyển mạch chùm không sử dụng bộ đệm. Các node trung gian không thực hiện đệm tín hiệu mà các burst được truyền thẳng qua các node trung gian tới các node đích.
- Tốc độ chuyển mạch cao và cho phép đồng thời truyền dẫn đa dịch vụ.
- Đáp ứng được với các yêu cầu truyền dẫn, đặc biệt phù hợp cho các dịch vụ truyền dẫn chất lượng cao.
- Vẫn còn hạn chế về mặt công nghệ, chất lượng các thiết bị chưa được chính xác. Do đó, chuyển mạch burst vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi trong mạng quang.
Hiện tại, chuyển mạch trong mạng toàn quang là chuyển mạch kênh. Các chuyển mạch gói vẫn đang được nghiên cứu và phát triển. Các mạng chuyển mạch gói tuy có rất nhiều ưu điểm vượt trội so với chuyển mạch kênh nhưng do thiết bị quang cũng như kỹ thuật chuyển mạch vẫn chưa đáp ứng được yêu cầu nên hiện nay nên chuyển mạch gói chưa phát triển rộng rãi. Còn đối với chuyển mạch chùm quang, là công nghệ kết hợp các ưu điểm của chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói, đây là chuyển mạch hứa hẹn sẽ thay thế dần cho các công nghệ chuyển mạch hiện tại.
Ở Việt Nam, mạng viễn thông hiện đang trong giai đoạn chuyển đối, hướng tới mạng NGN. Với tốc độ cơ sở hạ tầng phát triển như hiện nay, khả năng ứng dụng chuyển mạch quang trong mạng viễn thông Việt Nam là rất lớn. Tại thời điểm hiện nay, chuyển mạch kênh quang là hoàn toàn có thể thực hiện được. Chuyển mạch kênh quang sẽ đóng vai trò rất lớn nâng mạng quang WDM điểm-điểm thành thế hệ mạng quang trong định tuyến theo bước sóng DWDM. Nằm trong xu hướng phát triển mạng truyền tải tiến tới mạng toàn quang, chuyển mạch quang sẽ tiến tới chuyển mạch gói quang; chuyển mạch chùm quang sẽ là bước đệm cho chuyển đổi từ chuyển mạch kênh quang sang chuyển mạch gói quang hoàn toàn.[30]
4.4. Kết luận chƣơng
Trong chương này đã tập trung trình bày về khái niệm chuyển mạch quang và phân loại các chuyển mạch quang. Nắm một cách tổng quan về khái niệm cũng như các ưu nhược điểm của từng loại chuyển mạch, so sánh và phân tích khả năng ứng dụng của từng loại chuyển mạch hiện tại và xu hướng phát triển trong tương lai.
CHƢƠNG 5
BỘ GHÉP KÊNH XEN/RỚT QUANG CẤU HÌNH ĐƢỢC COADM 5.1. Bộ ghép kênh xen/rớt quang cấu hình đƣợc COADM
Ở chương 3, chúng ta đã tìm hiểu vai trò và chức năng quan trọng của bộ xen/rớt kênh quang trong mạng WDM. Nhưng các cấu trúc OADM ở trong chương này đều là các OADM cố định, tức là không có khả năng cấu hình lại được. Các loại OADM này khá cứng nhắc do không có khả năng điều khiển hay lựa chọn các kênh cần xen/ rớt bằng phần mềm điều khiển. Trong khi đó, thuộc tính có thể cấu hình lại là thuộc tính rất cần thiết phải có đối với tất cả các thiết bị truyền dẫn WDM nhằm tạo ra sự linh động mềm dẻo trong việc thiết lập cũng như điều khiển các đường quang trong mạng. OADM cấu hình được cho phép chúng ta điều khiển được việc xen/rớt hoặc nối thông các kênh bằng phần mềm. Các OADM có khả năng cấu hình lại còn được gọi là các OADM “động”. Các mạng toàn quang có thể cấu hình lại có bộ khung chính là các node OADM “động”. Điều này tạo ra sự mềm dẻo của cấu hình hệ thống. Dưới đây là một số cấu trúc OADM có thể cấu hình lại.
(a)
(c)
(d)
Hình 5.1. Các cấu trúc OADM có thể cấu hình lại.[31]
(a)Cấu trúc song song với các bộ chuyển mạch xen/rớt quang và các bộ chuyển đổi tín hiêu bước sóng cố định.
(b)Cấu trúc nối tiếp với các bộ chuyển đổi tín hiệu bước sóng cố định. (c)Cấu trúc nối tiếp với các bộ chuyển đổi tín hiệu hiệu chỉnh được. (d)Cấu trúc song song với các bộ chuyển đổi tín hiệu hiệu chỉnh được.
Cấu trúc chung của các OADM trên có đặc điểm chung là bao gồm các bộ chuyển mạch quang để thực hiện xen/ rớt và các bộ chuyển đổi tín hiệu. Các bộ chuyển đổi tín hiệu này được phân làm hai loại là bộ chuyển đổi tín hiệu cố định và bộ chuyển đổi tín hiệu điều chỉnh được. Trong đó, bộ chuyển đổi tín hiệu cố định thực hiện nhận và phát với một bước sóng cố định trong lớp kênh quang. Bộ chuyển đổi tín hiệu điều chỉnh được, cấu tạo gồm có một bộ phát laser có thể điều chỉnh được và một diode thu quang có băng thông rộng, có thể thực hiện nhận và phát với nhiều bước sóng khác nhau.
Hình 5.1.(a) là một biến thể của cấu trúc song song, nó dùng bộ chuyển mạch quang để thực hiện xen/rớt một kênh tín hiệu nào đó khi cần thiết và sử dung bộ chuyển đổi tín hiệu cố định.
Trên hình 5.1.(b) là một biến thể của cấu trúc nối tiếp khi các SC-OADM lúc này là các thiết bị có thể điều chỉnh được bước sóng hoạt động, hoặc cấu hình cho đi qua tất cả các bước sóng.
Tuy nhiên, cả hai cấu trúc nêu ở trên mới chỉ giải quyết được vấn đề “cấu hình lại” một phần vì vẫn phải dùng các bộ chuyển đổi tín hiệu cố định. Khi dùng bộ chuyển đổi tín hiệu cố định trong cấu hình “động” của OADM sẽ dẫn đến yếu tố mà ta cần phải cân nhắc. Ðó là tính kinh tế khi vì ta phải lắp đặt tất cả các bộ chuyển đổi tín