L ời mở đầu
2.2.6 Chuyển mạch gúi quang
Chuyển mạch gúi quang (OPS-Optical Packet Switching) đó được khẳng định tớnh kinh tế sử dụng băng tần rất hiệu quả và khả năng hỗ trợ cỏc dịch vụ khỏc nhau. Khi cụng nghệ chuyển mạch quang cải thiện, chỳng ta cú thể thực hiện
mạng chuyển mạch quang dựa trờn gúi, khi đú cỏc gúi được chuyển mạch và định tuyến độc lập qua mạng trong miền quang mà khụng cần biến đổi sang điện tại mỗi nỳt. Như vậy chuyển mạch gúi quang cho phộp một mức độ cao hơn việc ghộp kờnh thống kờ trờn cỏc liờn kết sợi quang và điều khiển chựm lưu lượng tốt hơn chuyển mạch kờnh.
Khả năng ứng dụng vào mạng Viễn thụng Việt nam nằm trong xu hướng phỏt triển mạng truyền tải tiến tới mạng toàn quang, chuyển mạch quang sẽ tiến tới chuyển mạch gúi quang hoàn toàn cú thể thực hiện được trong tương lai khi mà cụng nghệ phỏt triển cho phộp thực hiện cỏc kỹ thuật xử lý tớn hiệu quang.
2.2.6.1Cỏc kỹ thuật chuyển mạch gúi quang.
Giải phỏp chuyển mạch quang hứa hẹn nhất là chuyển mạch chựm quang và chuyển mạch nhón quang. Vấn đề mấu chốt của những kỹ thuật này nằm ở giải phỏp đệm và xử lý số liệu quang. Hiện giải phỏp và cụng nghệ để giải quyết vấn đề này chưa hoàn thiện. Mào đầu gúi xử lý ở miền điện nhằm để điều khiển hoạt động chuyển mạch.
Cổng
đầu vào Khung chuyển mạch
Cổng đầu ra
Khối điều khiển PL
H
PL H PL
H
Hỡnh 25: Mụ hỡnh chung cho chuyển mạch gúi quang
Vấn đề cần giải quyết trong kỹ thuật đệm quang
í tưởng cơ bản cho việc thực hiện đệm quang là sử dụng Dõy trễ quang (ODL) hoặc một số dạng đệm cục bộ để lưu một vài gúi chen lấn cho đến khi cổng đầu ra ở trạng thỏi sẵn sàng. Bộ đệm ODL nhỡn chung sử dụng một dóy cỏc sợi trễ quang cú độ dài khỏc nhau và chuyển mạch quang. Phần trước sẽ hoạt động như bộ đệm quang thời gian ngắn trong khi phần sau sử dụng để điều khiển và định tuyến cỏc gúi quang qua đường tương ứng. Mỗi vũng quang trễ gúi theo thời gian xỏc định. Bộ đếm giữ vết của số gúi trong bộ đệm. Cỏc gúi tới được ghi và định
tuyến tới độ dài khả dụng. Thiết kế kiểu bộ đệm này rất đơn giản. Tuy nhiờn, thời gian nhớ này là rất ngắn do nú phải lưu cỏc gúi chen lấn chỉ trong một thời gian giới hạn tương ứng với thời gian truyền súng dọc theo độ dài sợi trễ. Dung lượng nhớ phụ thuộc vào độ dài vật lý trong đường trễ và bởi kớch cỡ của nỳt chuyển mạch quang. Kiểu bộ đệm này thường lớn và khụng cú khả năng mở rộng.
Bộ đệm vũng sợi quang là giải phỏp mềm dẻo để mở rộng sự nhớ này bằng cỏch quay vũng gúi trong vũng sợi cho đến khi xuất hiện khe thời gian mở. Vấn đề cố hữu của phương phỏp này là tớn hiệu phải được khuếch đại trong suốt những lần quay vũng đú. Điều này vừa làm tăng phỏt xạ tự phỏt và cụng suất tiờu thụ (do sử dụng bộ khuếch đại).
Chuyển mạch chựm quang
Chựm quang bao gồm một số lượng gúi thay đổi được kết hợp với nhau nhờ một nhón phụ hoặc gúi điều khiển.
Trong chuyển mạch chựm quang, tải gúi được gửi theo tuyến sau một lượng trễ đó biết của mào đầu. í tưởng này cho phộp nỳt chuyển mạch quang kế tiếp một lượng thời gian để xử lý mào đầu vào thực thi quyết định chuyển mạch trước khi tải số liệu tới. Theo cỏch này, cỏc gúi cú thể đi từ lối vào tới lối ra qua cỏc luồng trong mạng chuyển mạch quang.
Hỡnh 26: Kiến trỳc chuyển mạch chựm quang
Kiến trỳc của chuyển mạch chựm quang được trỡnh bày trong Hỡnh 2Error! Reference source not found.6. Cỏc kờnh bước súng điều khiển c được tỏch
xuống/thờm vào sau bộ tỏch/ghộp WDM. Xử lý gúi hoặc nhón điều khiển và điều khiển chuyển mạch được thực hiện trong miền điện. Quỏ trỡnh biển đổi O/E và ngược được sử dụng ở đõy. Việc trao đổi nhón cho phộp thiết lập luồng chuyển mạch nhón trờn mạng (chuyển mạch chựm kết nối định hướng). Phần lớn cỏc giao thức chuyển mạch chựm quang khụng cần đến tại cỏc nỳt trung gian.
Chuyển mạch nhón quang
Chuyển mạch nhón quang là một trường hợp đặc biệt của chuyển mạch chựm quang.
Trong chuyển mạch nhón quang, toàn bộ gúi (mào đầu và tải) được chuyển mạch theo một luồng. Tải sẽ được chuyển đến bộ đệm chuyển mạch quang (ODL) để giải phúng thời gian cho xử lý mào đầu và thực thi quyết định chuyển mạch. Tải được lưu ở bộ đệm trong một thời gian cố định (trễ thời gian) để thực hiện xử lý mào đầu. Giỏ trị trễ thời gian là riờng cho mỗi nỳt chuyển mạch trung gian và cú bản chất độc lập với luồng gúi chuyển qua.
Chuyển mạch gúi quang:
Chuyển mạch kờnh là một phương phỏp thụng tin sử dụng để thiết lập cho thụng tin giữa 2 điểm. Số liệu được truyền trờn cựng một tuyến và thụng tin truyền đi trong thời gian thực. Khỏc với chuyển mạch kờnh, chuyển mạch gúi thực hiện truyền cỏc gúi số liệu độc lập. Mỗi gúi đi từ một cổng tới một cổng khỏc theo một đường nào đú. Cỏc gúi khụng thể gửi tới nỳt kế tiếp khi chưa thực hiện thành cụng tại nỳt trước đú. Mỗi nỳt cần cú cỏc bộ đệm để tạm thời lưu cỏc gúi. Mỗi nỳt trong chuyển mạch gúi yờu cầu một hệ thống quản lý để thụng bỏo điều kiện truyền thụng tin tới nỳt lõn cận trong trường hợp số liệu truyền bị lỗi.
Hỡnh 27 là một vớ dụ của nỳt chuyển mạch gúi quang cơ bản. Một nỳt bao gồm một chuyển mạch quang cú khả năng cấu hỡnh dựa trờn gúi. Khối chuyển mạch tỏi cấu hỡnh dựa trờn thụng tin tiờu đề của một gúi. Tiờu đề gúi được xử lý bằng điện nú hoặc cú thể mang trong băng cựng gúi hoặc trờn một kờnh điều khiển riờng. Phải mất một thời gian để tiờu đề và chuyển mạch thiết lập, cỏc gúi cú thể bị trễ bằng cỏch truyền qua đường trễ sợi quang.
Kiến trỳc chuyển mạch gúi quang :
Về nguyờn tắc chuyển mạch gúi toàn quang tổ chức dựa trờn gúi tiờu đề và điều khiển được thực hiện trong miền quang, tuy nhiờn phải trong nhiều năm nữa mới thực hiện được. Trong thời điểm hiện nay chuyển mạch gúi quang sử dụng
điều khiển điện tử để xử lý tiờu đề gúi là thực tế hơn. Trong chuyển mạch gúi quang tiờu đề hoặc nhón được đọc và so sỏnh với một bảng định tuyến. Tải số liệu sau đú sẽ được định tuyến tới cổng ra tương ứng với một nhón mới (trao đổi nhón). Điều quan trọng là tải tin được truyền trong suốt qua chuyển mạch.
Hỡnh 27: Kiến trỳc một chuyển mạch gúi quang
Phần tải và phần mào đầu gúi sẽ được truyền trờn cựng kờnh bước súng. Chuyển mạch gúi sẽ gồm những khối chức năng sau:
Giao diện đầu vào quang: thực hiện cõn chỉnh gúi quang tới.
Lừi chuyển mạch bước súng và khụng gian quang: gồm cỏc bộ đệm quang (FDL) để giải quyết vấn đề chen lấn gúi.
Giao diện đầu ra quang: thực hiện việc chốn và ghi lại mào đầu quang nếu yờu cầu 3R.
Bộ xử lý phần mào đầu điện: thực hiện biến đổi quang/điện, điều khiển đồng bộ (cõn chỉnh gúi tới bằng cỏch kiểm soỏt trễ), điều khiển chuyển mạch/đệm và ghi lại mào đầu.
Giao diện xen/rẽ điện: thực hiện biến đối O/E (hoặc E/O) và gửi gúi quang tới lừi chuyển mạch (hoặc giao diện số liệu) ở nỳt nguồn (hoặc ở nỳt đớch).
Mục tiờu xõy dựng mạng quang ngày nay là bổ sung khả năng thiết lập động lớp truyền tải quang dựa trờn cỏc bộ nối chộo quang OXC (Optical Cross Connect) với một kiến trỳc và quản lý và điề khiển phự hợp. Trong tương lai gần mạng OTN sẽ cú khả năng hỗ trợ số lượng lớn dung lượng lờn tới 40 Gbit/s. Mụ hỡnh này được minh hoạ trờn hỡnh sau:
Hỡnh 28: Mạng truyền tải quang
Hỡnh 28 biểu thị cấu trỳc OTN bao gồm cỏc OXC được nối với nhau dưới dạng mesh, mỗi sợi sử dụng rất nhiều bước súng (hàng trăm bước súng) , cỏc OXC cú khả năng kết nối hang nghỡn kờnh bước súng. Như vậy OTN sẽ cung cấp luồng quang tới client như là cỏc bộ định tuyến IP, cỏc phần tử mạng SONET/SDH và chuyển mạch ATM. Trờn hỡnh vẽ này chỉ ra liờn kết giữa 2 bộ định tuyến IP. Thờm vào đú một lớp điều khiển chuyển mạch cần để thiết lập tuyến trờn mạng và nú tương tỏc với bộ điều khiển OXC để khởi tạo chuyển mạch trong OXC. Một kờnh bỏo hiệu giữa cỏc nỳt đảm bảo rằng mỗi OXC biết được trạng thỏi tài nguyờn mạng, cỏc tuyến khả dụng….
Việc thiết lập mạng truyền tải quang động sẽ cho phộp cung cấp nhanh cỏc tuyến dung lương cao, do vậy trong tương lai bước phỏt triển cụng nghệ cho phộp cung cấp số lượng lớn cỏc kờnh quang. Nếu được như vậy trong tương lai chỉ cần chuyển mạch kờnh quang là thoả món nhu cầu băng tần. Tuy nhiờn khụng phải là như vậy do lý do sau, vớ dụ trong mạng OTN chỉ cần đưa ra tớnh chất hạt tại mức bước súng và nếu nguồn lưu lượng là chựm, dung lượng kờnh được sử dụng cú thể
sẽ xảy ra xung đột trờn phạm vi mạng. Trong tương lai OXC được phỏt triển cho mạng OTN cú thể hỗ trợ cho lớp chuyển mạch gúi quang. Hỡnh 28 mụ tả mạng quang bao gồm OXC và chuyển mạch gúi quang OPS.
Hỡnh 29: Chuyển mạch gúi quang tại nỳt lừi và nỳt biờn
Trờn hỡnh 29 chuyển mạch gúi quang sử dụng trong nỳt lừi, cỏc gúi được chuyển qua mạng tại chuyển mạch ở nỳt lừi ở đú tuyến được lựa chọn và tiờu đề được trao đổi. Bằng cỏch này OPS sẽ tối ưu được tài nguyờn mạng và tối ưu được tổng dung lượng mạng như vậy sẽ làm giảm kớch cỡ của OXC. Tạo cỏc nỳt chuyển mạch biờn cú giao diện với cả mạng truyền tải OTN và IP.
Những vấn đề mà chuyển mạch quang đang gặp phải:
Giới hạn kỹ thuật chớnh hiện đang gặp phải của những kỹ thuật này là sự phõn giải chen lấn giữa cỏc gúi và thiếu bộ đệm quang. Sự phõn giải chen lấn là cơ chế cần thiết để giải quyết sự xung đột điển hỡnh khi nhiều gúi hiện diện trờn cựng bước súng được truyền từ cỏc cổng đầu vào khỏc nhau và đến cựng một cổng đầu ra ở tại cựng một thời điểm. Đõy là vấn đề chung của chuyển mạch gúi và được biết dưới tờn gọi nghẽn ngoài.
Vấn đề này được giải quyết bằng cỏch đệm toàn bộ gúi chen lấn loại trừ gúi đó được định tuyến tới cổng đầu ra. Một giải phỏp hiệu quả là gửi toàn bộ gúi tới đớch của chỳng với khoảng thời gian cú thể nhận biết.
Phõn giải chen lấn toàn quang cú năng lực thực thi tốc độ cao nờn đỏp ứng được cỏc yờu cầu thụng lượng lớn của mạng quang. Giải phỏp này được
xem là một giải phỏp mạnh để giải quyết vấn đề ngẽn ngoài với lượng nhỏ bộ nhớ quang gồm định tuyến lệch và điều chỉnh bước súng.
2.2.4.2.2 Định tuyến lệch
Phương phỏp này phự hợp với chuyển mạch quang sử dụng một lượng nhỏ bộ nhớ quang. Khi cú xung đột, trước tiờn gúi sẽ được định tuyến tới cổng đầu ra chớnh xỏc nếu khụng được, nú sẽ định tuyến đến bất kỳ cổng đầu ra khả dụng nào. Kỹ thuật này ỏp dụng trong trường hợp mạng cú thể cung cấp đường định tuyến thay thế để gúi vẫn cú thể đến đớch khi cú sai hỏng đường định tuyến ở một hoặc nhiều nỳt chuyển mạch. Mặc dự phương phỏp này khụng đũi hỏi thực hiện đệm gúi song cỏc gúi đi lệch sẽ trải qua cỏc tuyến dài hơn do đú trễ cú thể lớn hơn mức cho phộp. Bờn cạnh đú, nú cũng làm tăng khả năng nghẽn mạng và trễ tớn hiệu phụ.
2.2.7 Kết luận
Để truyền tải IP trờn mạng quang cần phải thực hiện cỏc chức năng mỗi lớp ứng theo mụ hỡnh OSI. Cỏc gúi IP Lớp 3 sẽ được bao trong cỏc khung Lớp 2, cỏc khung Lớp 2 sau đú sẽ được truyền dẫn khụng lỗi qua cỏc tuyến truyền dẫn quang Lớp 1.
Mặc dự cú rất nhiều giải phỏp để thực hiện việc truyền gúi IP trờn mạng quang nhưng hầu như đều xoay quanh việc thớch ứng những cụng nghệ đó được làm chủ như ATM, SDH và Ethernet đảm nhiệm chức năng Lớp 2 và 1.
Sử dụng ngăn giao thức ATM (IP/ATM):
IP/ATM qua SONET/SDH: sử dụng ALL5/ATM bao gúi IP và sau đú sắp xếp vào tải SONET/SDH trước khi truyền trờn bước súng quang.
IP/ATM trực tiếp trờn WDM: sử dụng ALL5/ATM bao gúi IP và truyền trực tiếp trờn bước súng quang dựa trờn tế bào.
Thớch ứng cỏc giao thức sắp xếp gúi IP vào tải SONET/SDH (DoS):
Sử dụng giao thức LAPS để bao gúi IP trước khi sắp xếp vào tải SONET/SDH truyền trờn cỏc bước súng quang,
Sử dụng giao thức MAPOS để bao gúi IP trước khi sắp xếp vào tải SONET/SDH truyền trờn bước súng quang,
Sử dụng giao thức GFP để bao gúi IP trước khi sắp xếp vào tải SONET/SDH truyền trờn cỏc bước súng quang,
Sử dụng giao thức POS để bao gúi IP trước khi sắp xếp vào tải SONET/SDH truyền trờn bước súng quang.
Sử dụng khung Ethernet để bao gúi IP, thớch ứng giao tiếp vật lý phự hợp với mụi trường cỏp sợi quang (PHY).
Cỏc giải phỏp mới được thiết kế để giải quyết vấn đề phức tạp khi sử dụng những cụng nghệ cũ (ATM, SDH) cho chức năng Lớp 2 (chuyển mạch). Chỳng đều cú đặc tớnh đơn giản trong kiến trỳc nhưng lại chưa được làm chủ:
Sử dụng khung DTM bao gúi IP và truyền trực tiếp trờn sợi quang hoặc qua khung SONET/SDH.
Sử dụng cụng nghệ RPR, cỏc gúi IP được bao trong khung IEEE 802 nhờ giao thức sắp xếp SRP.
MPLS là một trong những cụng nghệ được chỳ ý nhiều nhất hiện nay. Bản thõn MPLS khụng phải là giao thức tạo khung Lớp 2, nú hỗ trợ năng lực định tuyến cho cỏc bộ định tuyến IP thụng qua việc gỏn nhón. Nhờ đú cụng nghệ này đem lại khả năng thiết kế lưu lượng mềm dẻo và hỗ trợ QoS/CoS cho lưu lượng IP. Hỗ trợ MPLS được xem như một trong những tiờu chớ để đỏnh giỏ kiến trỳc mạng truyền tải IP hiện nay.
Việc loại bỏ cỏc lớp mạng trung gian trong kiến trỳc mạng truyền tải IP gắn liền với sự phỏt triển của cụng nghệ chuyển mạch quang. Sự mở rộng chức năng của chuyển mạch quang tới lớp cao hơn sẽ tạo ra một kiến trỳc mạng vụ cựng đơn giản, và đú cũng là mục tiờu hướng đến trong tương lai; kiến trỳc mạng chỉ gồm hai lớp: IP/quang. Hiện nay cỏc sản phẩm chuyển mạch bước súng quang đó được thương mại hoỏ (OXC). Chuyển mạch chựm quang (OBS), chuyển mạch gúi quang (OPS) và chuyển mạch nhón quang (OLS) đang trong giai đoạn nghiờn cứu phỏt triển. Vấn đề về cụng nghệ đang là rào cản chớnh trong lĩnh vực này.
2.3 Phương thức điều khiển trong mạng truyền tải tớch hợp IP over
WDM
Tớch hợp IP quang sẽ đũi hỏi những thay đổi trong lĩnh vực bỏo hiệu và điều khiển. Sự khỏc biệt đỏng kể về băng tần của gúi IP, gúi quang, kờnh TDM, bước súng quang và sợi quang đó cho thấy điểm yếu của cỏc giao thức đó và đang được sử dụng (chỉ được thiết kế tối ưu cho chuyển mạch kờnh hoặc gúi). Với những giao thức như vậy tài nguyờn mạng sẽ khụng được khai thỏc hiệu quả. Ở
một khớa cạnh khỏc, hiện cú rất nhiều cỏc nhà cung cấp thiết bị sử dụng những giao thức độc quyền, do đú sẽ nảy sinh những vấn đề tương thớch giữa cỏc hệ thống thiết bị.
Phần này sẽ nghiờn cứu về những giải phỏp bỏo hiệu và điều khiển hiện đang được quan tõm đối với mạng IP quang. Qua đú sẽ làm rừ hai khỏi niệm về G- MPLS và ASON liờn quan trực tiếp đến kiến trỳc mạng IP/quang và xem xột khả năng ứng dụng cũng như vấn đề tiờu chuẩn hoỏ của chỳng.
2.3.1 Quỏ trỡnh phỏt triển mặt điều khiển
Cỏc mạng theo phương thức chuyển mạch kờnh như TDM và đường thuờ riờng thường cú độ trễ thấp, độ thăng giỏng trễ ớt và tỷ lệ lỗi thấp. Do đú QoS thường rất cao nhưng việc cung cấp băng tần cho cỏc dịch vụ phải được thực hiện