CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ NHÃN TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN TOÀN QUANG
2.1 Tổng quan nghiên cứu
2.1.3 Vấn đề tách nhãn quang
Chức năng cơ bản của bộ định tuyến OLS (Optical Label Switching) là định tuyến các gói tin đến đúng đích, thường trải qua các bước sau:
- Trích xuất nhãn từ gói tin: Bước đầu tiên là tách nhãn ra khỏi gói tin.
Trong mạng OLS, nhãn này chứa thông tin cần thiết định tuyến gói tin và thường được mã hóa trong định dạng quang.
- Xử lý nhãn để lấy thông tin định tuyến: Một khi nhãn đƣợc trích xuất, nó đƣợc xử lý xác định thông tin định tuyến. Điều này có thể bao gồm việc giải mã nhãn và xác định cổng ra phù hợp cho gói tin dựa trên thông tin đó.
- Viết lại nhãn và kết hợp lại với tải trọng: Sau khi thông tin định tuyến đƣợc xác định, nhãn có thể cần đƣợc viết lại hoặc cập nhật để phản ánh lộ trình của gói tin qua mạng. Nhãn sau đó đƣợc kết hợp lại với tải trọng gói tin.
- Định tuyến tải trọng và giải quyết xung đột nếu cần thiết: Cuối cùng, gói tin (bao gồm nhãn và tải trọng) đƣợc định tuyến đến đích tiếp theo. Trong trường hợp có xung đột (ví dụ, nhiều gói tin cần sử dụng cùng một cổng ra), bộ định tuyến phải giải quyết xung đột đó, có thể thông qua việc sử dụng các kỹ thuật nhƣ lập lịch hàng đợi hoặc chuyển mạch dự phòng.
Xử lý nhãn gói tin là hoạt động cơ bản trong mạng dựa trên gói tin để phân phối các gói tin đến đích mong muốn của chúng. Nhãn gói tin phải đƣợc tách ra, nhận dạng và có thể cần đƣợc viết lại trong mọi bộ định tuyến lõi của mạng. Do tốc độ bit dòng dữ liệu ngày càng tăng trong truyền dẫn qua các liên kết WDM (Wavelength Division Multiplexing), điểm nghẽn đang chuyển
60
dịch về phía các linh kiện điện tử xử lý nhãn gói tin tại các nút lõi của mạng.
Tách nhãn và tải trọng, trích xuất xung gói tin, nhận dạng nhãn và hoán đổi nhãn là một số hoạt động cơ bản đƣợc đề xuất cho việc xử lý nhãn gói tin.
Việc tách nhãn quang khỏi tải trọng là bước quan trọng trong xử lý tín tại các nút lõi của mạng. Trong mạng quang, việc duy trì dữ liệu dưới dạng quang trong suốt quá trình này rất cần thiết để tối ƣu hóa hiệu suất và giảm độ trễ.
Quá trình xử lý tại các nút trung gian GMPLS bao gồm hai nhiệm vụ chính: định tuyến và chuyển tiếp. Định tuyến yêu cầu thực hiện các chức năng cấp cao và xử lý phức tạp thông qua một mạng điện tử hỗ trợ. Trong khi đó, chuyển tiếp chỉ cần các bước xử lý nhãn đơn giản, như nhận diện nhãn, thiết lập chuyển mạch và hoán đổi nhãn.
Mục tiêu cuối cùng là đảm bảo các gói tin có thể di chuyển qua các nút một cách nhanh chóng và hiệu quả.
Xử lý nhãn được thực hiện bằng điện tử hoặc quang. Trong phương pháp điện tử, nhãn quang đƣợc trích xuất và chuyển đổi thành tín hiệu điện.
Tín hiệu này đƣợc sử dụng để truy cập vào các thực thể tra cứu bảng, chứa thông tin về cổng ra và nhãn mới. Một tín hiệu điều khiển đƣợc tạo ra để thiết lập trạng thái của chuyển mạch và hoán đổi nhãn quang. Nhãn mới sẽ đƣợc kết hợp với tải trọng để tạo thành gói tin hoàn chỉnh, sau đó đƣợc chuyển đến đường đi ra phù hợp. Trong suốt quá trình này, tải trọng vẫn ở dạng quang, do đó không bị ảnh hưởng bởi các vấn đề liên quan đến chuyển đổi quang-điện- quang (OEO).
Ở các tốc độ bit cao (gigabit mỗi giây), thời gian của gói tin ngắn đến mức các mạch điện tử gặp khó khăn trong việc xử lý nhãn trước khi gói tin tiếp theo đến. Trong số các thủ tục chuyển tiếp, tra cứu bảng là chức năng tốn thời gian nhất. Xử lý hoàn toàn bằng quang là phương án duy nhất có thể giảm bớt gánh nặng này.
61
Việc thiếu các thành phần quang nhƣ mạch logic và bộ đệm yêu cầu các kỹ thuật và kiến trúc đặc biệt, có khả năng thực hiện xử lý nhãn bằng các linh kiện quang cơ bản nhƣng nhanh chóng. Hầu hết các nghiên cứu đƣợc báo cáo hiện nay đều dựa vào sự tương quan quang để nhận diện nhãn.
Hình 2.4 trình bày chi tiết về triển khai của bộ xử lý tần số RF cho một trong các bước sóng được lọc ra bởi FBG. Khi gói dữ liệu đến chuyển mạch quang, bộ trích xuất nhãn sẽ trích xuất bước sóng nhãn trong dải băng, trong khi tải hữu ích quang của gói dữ liệu đƣợc chuyển tiếp một cách trong suốt đến chuyển mạch quang 1×F.
Bộ trích xuất nhãn bao gồm một loạt bộ lọc quang chặn băng thông, nhƣ bộ lọc Bragg sợi nối tiếp (FBG) hoặc bộ lọc tổ hợp tích hợp. Sau khi chuyển đổi quang-điện (O-E), các nhãn quang chứa nhiều tần số RF đƣợc gửi đến bộ xử lý nhãn (LP), nơi các bit nhãn dải cơ sở đƣợc khôi phục và chuyển đến bộ điều khiển chuyển mạch để tiếp tục quá trình định tuyến.
Hình 2.4 Bộ xử lý nhãn truyền thống dùng cấu trúc vi cộng hưởng để tách nhãn
62
Nhu cầu ngày càng cao về hiệu năng của các mạng trung tâm dữ liệu lớn và siêu máy tính, đạt tốc độ tính toán hàng chục petaflops mỗi giây, đang tạo ra nghẽn truyền thông giữa hàng nghìn nút trong các hệ thống này. Đặc biệt, độ trễ phụ thuộc vào số cổng và quá trình chuyển đổi quang-điện, điện- quang tiêu tốn nhiều công suất của các chuyển mạch điện tử hiện tại, đã hạn chế khả năng mở rộng của các hệ thống này. Từ đó, nghiên cứu về hệ thống chuyển mạch quang (OPS) với độ trễ thấp và số cổng lớn trở nên cấp thiết.
Các gói dữ liệu khi vào OPS đƣợc đánh dấu với thông tin chuyển tiếp, giúp cấu hình chính xác chuyển mạch và xác định đích cho gói dữ liệu. Nhiều kỹ thuật đang đƣợc phát triển để tối ƣu hóa việc xử lý nhãn, đảm bảo tốc độ cao, chi phí thấp và tiêu thụ điện năng ít. Một phương pháp phổ biến là chia múi giờ nhãn quang tại đầu gói dữ liệu trên cùng một bước sóng. Tuy nhiên, để bảo toàn chất lƣợng dữ liệu hữu ích trong quá trình xóa và chèn nhãn, phương pháp này yêu cầu một khoảng thời gian chờ giữa nhãn và dữ liệu.
Điểm yếu của việc chia giờ nhãn theo thời gian là cần có mạch đồng bộ bit và mạch phục hồi đồng hồ, dẫn đến độ trễ lớn. Để khắc phục điều này, các phương pháp xử lý bit nhãn song song đã được đề xuất, cho phép xử lý nhãn không đồng bộ mà vẫn bị giới hạn trong thời gian nhận dạng nhãn, nhƣ đã đề cập trong tài liệu, và không phụ thuộc vào kỹ thuật mã hóa.
Để giảm độ trễ, nhãn mã hóa song song có thể đƣợc phân chia theo bước sóng (WDM), cho phép xử lý đồng thời và tối ưu hóa hiệu năng quang phổ. Nhãn quang với các thành phần tần số đa dạng đƣợc truyền cùng với dữ liệu hữu ích quang, giúp việc trích xuất nhãn không đồng bộ trở nên dễ dàng hơn.
Công nghệ quang hiện đại đang phát triển mạnh mẽ trên nhiều lĩnh vực.
Sự bùng nổ của internet và lưu lượng dữ liệu buộc các mạng truyền thông phải tăng cường băng thông và dung lượng. Do đó, mạng truyền thông quang dựa
63
trên OPS ngày càng đƣợc ƣu tiên hơn so với mạng mạch gói quang (Optical Packet Switching - OPC). Một trong những hạn chế lớn nhất của các mạng hiện tại là chuyển đổi điện-quang-điện (EOE), sử dụng để nhận dạng và xử lý gói tin.
Trong mạng quang, các gói tin bao gồm phần đầu và phần tải. Một chức năng thiết yếu trong chuyển mạch OPS là tách phần đầu khỏi dòng gói quang. Đến nay, nhiều phương pháp đã được đề xuất để trích xuất và xử lý phần đầu, phụ thuộc vào kỹ thuật gán nhãn. Kỹ thuật gán nhãn nối tiếp gán nhãn vào phần tải theo dạng nối tiếp, trong khi gán nhãn song song cho phép xử lý đồng thời nhƣng cần nhiều băng thông hơn.
Các thách thức trong gán nhãn song song bao gồm việc đa truy cập nhãn trên các bước sóng riêng biệt. Phương pháp gán nhãn nối tiếp, như điều chế cường độ hoặc điều chế khóa pha nhị phân (BPSK), yêu cầu xung đồng bộ hóa và chiều dài dữ liệu cố định, do đó không phù hợp với các mạng quang linh hoạt.
Laser vòng có thể được ứng dụng trong thiết kế các cổng quang, lưu trữ dữ liệu và xử lý [18], làm cho chúng phù hợp cho thiết kế mạch tích hợp toàn quang. Gần đây, cấu trúc vi cộng hưởng đã được đề xuất để tách nhãn quang nhƣ Hình 2.5, cho phép tách các nhãn mã hóa RZ khỏi gói tin với tốc độ cao và không có độ trễ.
Hình 2.5 Bộ xử lý nhãn dùng vi cộng hưởng sử dụng bộ ghép có hướng
64
Phương pháp tách nhãn sử dụng cấu trúc vi cộng hưởng gặp nhược điểm về độ chính xác kém và sai số chế tạo cao do sử dụng cấu trúc cách tử và bộ ghép có hướng.