CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.5 CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI LUẬN ÁN
1.5.2 Các công trình nghiên cứu trên thế giới
1.5.2.2 Các nghiên cứu về giải pháp xử lí mào đầu gói
(i) Dự án RACE ATMOS:
F.Masetti và các cộng sự đã xây dựng dự án RACE ATMOS chuyển mạch quang hoạt động ở vùng bước sóng 1550nm vào năm 1992. Hệ thống có ba tầng:
Tầng thứ nhất mã hóa bước sóng, tầng thứ hai sử dụng các bộ đệm (đường dây trễ quang) để giải quyết tranh chấp và tầng thứ ba tách kênh để lựa chọn các gói nhờ các bộ lọc thông băng. Quá trình điều khiển được thực hiện trong miền điện [71].
(ii) Dự án KEOPS:
Trong dự án KEOPS, C. Guillemot, P. Gambini và các cộng sự đã sử dụng khuôn dạng gói quang chiều dài không đổi, các gói từ đầu vào cho trước luôn được chuyển lên một bước sóng đầu ra xác định. Tải trọng và mào đầu truyền nối tiếp cùng một bước sóng. Hoạt động đồng bộ được thực hiện và sử dụng bộ đệm là các đường dây trễ. Mào đầu gói truyền ở tốc độ 622Mb/s và xử lí trong miền điện [46].
(iii) Dự án WASPNET:
Với dự án WASPNET, D. K. Hunter và các cộng sự đã thực hiện truyền nối tiếp mào đầu và tải trọng trên cùng một bước sóng. Hai kiến trúc điều khiển được sử
dụng là tuyến bước sóng tán xạ và tuyến bước sóng chia sẻ. Mào đầu gói truyền ở tốc độ 155 Mb/s và xử lí trong miền điện [84].
b) Giải pháp xử lí mào đầu gói trong miền quang
Để khắc phục các hạn chế của giải pháp xử lí mào đầu gói trong miền điện do thời gian xử lí lâu [10s] [86], giải pháp xử lí mào đầu quang đã được đề xuất.
(i) Xử lý mào đầu gói toàn quang tự định tuyến:
Nhóm của E. Kehayas [58] và nhóm của H. Hiura [53] đã đề xuất sơ đồ xử lý mào đầu gói toàn quang tự định tuyến mà không sử dụng tương quan giữa địa chỉ và bảng định tuyến, để thực hiện trong sơ đồ sử dụng chuyển mạch quang giao thoa Mach-Zehnder với các SOA. Địa chỉ mào đầu gói được thiết lập để trực tiếp điều khiển trạng thái đóng/mở của các chuyển mạch đầu ra.
Xử lý mào đầu gói toàn quang tự định tuyến của nhóm E. Kehayas [58]:
Trong đề xuất của nhóm E. Kehayas đã đưa ra cấu trúc mạng tự định tuyến, trong đó đã thực hiện thành công mà không cần sự can thiệp điện nào tránh cần phải nhận dạng mào đầu quang và giải mã ở mỗi nút, nhờ sử dụng các mạch toàn quang.
Trong mạng tự định tuyến đã thực hiện chuyển mạch mức gói với xử lí mức bit nhờ các cổng quang ở tốc độ dữ liệu cao. Tất cả các quyết định định tuyến được thực hiện nhờ sử dụng trực tiếp thông tin gắn trong phần mào đầu, do đó tránh được các chuyển đổi O/E/O hoặc tạo địa chỉ nội bộ và nhận dạng mào đầu toàn quang. Chuyển mạch hoạt động dựa trên cơ sở gói xen gói và có khả năng định tuyến các gói không đồng bộ 40Gb/s, linh hoạt và trong suốt đối với mạng. Ngoài ra, chuyển mạch tự đồng bộ do đó không yêu cầu đồng bộ pha với các bộ dao động điện và quang nội bộ. Khi kết hợp với các giao thức điều khiển thích hợp thì kiến trúc chuyển mạch đề xuất sẽ cung cấp truyền chế độ gói và hạn chế hiện tượng thắt nút cổ chai dữ liệu ở các bộ điều khiển định tuyến tránh mất thời gian tìm kiếm và cập nhật bảng định tuyến.
Cụ thể kiến trúc mạng định tuyến gồm hai lớp. Tất cả các chức năng mạng kết hợp với truyền dẫn, tái tạo và định tuyến thực hiện trong lớp quang. Mặt phẳng điều khiển điện tương ứng với chức năng giành trước tài nguyên và thiết lập kết nối.
Truyền dẫn các gói quang được thực hiện nhờ sử dụng các mào đầu quang chứa các
nhãn quang đã được sắp xếp, mỗi một phần tương ứng với một nút riêng. Do đó, đuôi quang chứa thông tin mức bit để điều khiển ma trận chuyển mạch của nút và định tuyến gói dữ liệu đến liên kết đầu ra tương ứng và đến chặng tiếp theo. Trong mạng khi một yêu cầu được thiết lập, thông tin điều khiển được khởi tạo để phân phổ các tài nguyên yêu cầu và thiết lập kết nối giữa hai nút. Để giải quyết các vấn đề tranh chấp, hiệu suất băng tần và sử dụng dung lượng trong khi phải đáp ứng yêu cầu không đệm trong mạng tự định tuyến thì thông tin định thời được sử dụng để sắp xếp các luồng lưu lượng và các tuyến chuyển mạch quang (LSP- Lightwave Switched Path).
Sau khi các tuyến truyền dẫn được tính toán và tất cả các nguồn tài nguyên được phân bổ, mào đầu quang được gắn vào gói chứa thông tin tất cả các nút (các nhãn) tùy theo tuyến đường tính toán và yêu cầu truyền dẫn. Khi đến nút tiếp theo nhãn đầu tiên được loại bỏ và gói được chuyển tiếp đến liên kết đầu ra tương ứng của nút nhờ các tín hiệu điều khiển gắn vào bên trong của mỗi nhãn. Như vậy, nhờ sử dụng các nhãn như các tín hiệu điều khiển trong mỗi nút gói sẽ được định tuyến cho đến nút đích.
Khuôn dạng gói sử dụng trong mạng quang tự định tuyến gồm phần mào đầu và tải trọng, được truyền ở tốc độ 40Gb/s. Mào đầu quang bao gồm một số các nhãn quang phụ thuộc vào số chặng trong mạng và chúng được gắn tại nút vào. Mỗi nhãn chứa một tín hiệu điều khiển là một từ mã nhị phân sử dụng để thiết lập các chuyển mạch trong ma trận chuyển mạch của các nút.
Xử lý mào đầu gói toàn quang tự định tuyến của nhóm H. Hiura [53]:
Nhóm H.Hiura đề xuất một hệ thống nhận dạng nhãn toàn quang cho các nhãn OOK (On-Off Keying) sử dụng lược đồ tự định tuyến như nhóm E. Kehayas mà không thêm các tín hiệu định thời, nhưng phải sử dụng tín hiệu điều khiển chính là bit đầu tiên của nhãn. Phần nhãn chủ yếu là địa chỉ đích dành cho chuyển tiếp. Để thực hiện định tuyến nhãn, trong lược đồ đã đề xuất thêm một bít ở đầu của các bit địa chỉ. Bit thêm này đóng hai vai trò quan trọng. Thứ nhất, để tách bit nhãn từ chuỗi xung nối tiếp bằng cách sử dụng bit thêm như bit điều khiển trong trường chuyển mạch. Thứ hai, để nhận dạng cổng đích tùy theo các bit địa chỉ trong khối nhận dạng địa chỉ nhờ
định tuyến bit thêm đến một trong những cổng ra. Do đó, bit thêm này còn được gọi là bit chỉ thị trong hệ thống đề xuất.
Khối nhận dạng địa chỉ gồm nhiều chuyển mạch quang nối theo cấu trúc cây nhị phân. Trong khối này, bit đầu tiên của nhãn được sử dụng như bit chỉ thị và định tuyến tín hiệu sử dụng như tín hiệu điều khiển. Trong trường hợp nhãn “1111” thì xung tín hiệu định tuyến được đưa vào chuyển mạch quang đầu tiên do bit đầu tiên của địa chỉ là “1”. Do đó, chuyển mạch quang đầu tiên đưa ra tín hiệu chỉ thị ở cổng thứ nhất. Tương tự như vậy, chuyển mạch quang tiếp theo sẽ đưa ra tín hiệu chỉ thị ở đầu ra thứ nhất do bit thứ hai của địa chỉ cũng bằng “1”. Nhờ hoạt động liên tục như thế này, một tín hiệu xung đầu ra được thu như bộ chỉ thị tại cổng ra mong muốn tương ứng với địa chỉ đích nhãn.
(ii) Xử lý mào đầu gói toàn quang dựa trên bộ tương quan quang bằng cách tử Bragg sợi quang (FBG):
Trong các công bố của nhóm A. E. Willner, J. E. McGeehan cùng các cộng sự [72], [113] đã sử dụng bộ tương quan quang bằng cách tử Bragg sợi quang (FBG) để nhận dạng mào đầu.
Trong đó, thực hiện nhận dạng mẫu bit quang nhờ sử dụng bộ tương quan quang miền thời gian để tương hợp chuỗi bít quang nối tiếp với địa chỉ bảng định tuyến quang. Mục đích của bộ tương quan quang là so sánh tín hiệu đầu vào với một tín hiệu “lưu” trong bộ tương quan. Bộ tương quan đề xuất là cách tử Bragg sợi quang (FBG), bao gồm một tập các FBG. Một FBG được chế tạo nhờ làm thay đổi chiết suất sợi theo chu kỳ với chiều dài vài milimet đến centimet dọc theo lõi sợi. Đặc tính quan trong của bộ lọc FBG đó là phổ phản xạ có thể điều chỉnh khoảng vài nanomet nhờ nhiệt hoặc kéo căng cách tử. Phản xạ của cách tử gần như 100% tại trung tâm phản xạ và giảm rất nhanh ở vùng ngoài băng tần cách tử. Các bộ tương quan quang được xây dựng bằng cách xếp nhiều cách tử nối tiếp với chu kỳ đặt các cách tử bằng khoảng thời gian một bit để cho thời gian quay vòng giữa các cách tử tương ứng với một bit trễ. Khi đặt bit “1” trong chuỗi tương quan thì cách tử sẽ phản xạ một phần hoặc toàn bộ và khi đặt bit “0” thì cách tử sẽ không phản xạ. Kết quả dãy cách tử sẽ
tạo một đầu ra ứng với chuỗi đầu vào tương quan với chuỗi được thiết lập trước và nhờ bộ tách ngưỡng sẽ xác định được mẫu tương hợp.
Kỹ thuật xử lý mào đầu này cũng được áp dụng trong các mạng trung tâm dữ liệu toàn quang tốc độ Petabit/s, được nhóm của Wang Miao đề xuất [73].
(iii) Xử lý mào đầu gói toàn quang dựa trên bộ tương quan quang bằng các cổng logic XOR hoặc AND:
Nhóm của H. Sun cùng các cộng sự [101] và nhóm của S. Mikroulis [74] cùng các cộng sự đã công bố kỹ thuật tương quan mào đầu bằng các cổng logic XOR hoặc AND, với mục đích sử dụng để so sánh các thông tin địa chỉ với bảng định tuyến.
Trong đó, các gói quang có phần mào đầu đặt trước phần tải trọng và được truyền cùng một bước sóng. Khi gói đến một nút, nhãn quang sẽ được tách ra khỏi tải trọng nhờ mạch tách nhãn/ tải trọng, bằng cách sử dụng một cổng logic AND toàn quang kết hợp với mạch khôi phục định thời gói để tách nhãn từ tải trọng. Sau khi tách nhãn, tải trọng sẽ được làm trễ bằng các đường dây trễ quang (ODL- Optical Delay Line) để có đủ thời gian xử lý nhãn. Nhãn quang được đưa qua các bộ tương quan quang XOR. Tại đây sẽ thực hiện so sánh nhãn với tập giá trị địa chỉ nội bộ (địa chỉ nội bộ được tạo ra nhờ sử dụng các (ODL). Một xung quang được tạo ra nếu tương hợp địa chỉ được tìm thấy. Xung quang sẽ thiết lập khối điều khiển (mạch lật quang) phát tín hiệu điều khiển để chọn bước sóng cho gói. Tại thời điểm này một nhãn mới được tạo ra và chèn vào trước phần tải trọng. Gói sau đó được gửi đến một cách tử dẫn sóng dãy (AWG- Arrayed Waveguide Grating) và đến cổng ra. Số lượng các bộ tương quan quang (XOR) và các mạch lật (flip-flop) phụ thuộc vào số lượng các giá trị địa chỉ nội bộ và chiều dài bit mào đầu sử dụng trong bảng định tuyến.
(iv) Xử lý mào đầu gói toàn quang dựa trên kỹ thuật tương quan mào đầu sử dụng điều chế vị trí xung PPM:
Đối với các nghiên cứu của nhóm Z. Ghassemlooy và các cộng sự đã công bố kỹ thuật tương quan mào đầu dựa vào điều chế vị trí xung PPM [20], [25], [39], kỹ thuật này giúp giảm được thời gian xử lí mào đầu do giảm thời gian tìm kiếm mẫu địa chỉ (giảm số lượng mẫu địa chỉ trong bảng định tuyến) so với các kỹ thuật nêu
trên. Các vấn đề liên quan đến kỹ thuật tương quan mào đầu dựa vào điều chế vị trí xung PPM sẽ được phân tích cụ thể trong chương 3.
Tổng hợp so sánh các phương pháp xử lý mào đầu gói về thời gian xử lý mào đầu, quy mô mạng, cấu trúc khối xử lý mào đầu và kiểu định tuyến được đưa ra trong bảng 1.1 [22], [53], [58], [72], [86].
Bảng 1.1. So sánh các phương pháp xử lý mào đầu gói
Phương pháp xử lý mào đầu
Thời gian xử lý (k=10,
N=5, Rb=80Gb/s)
Kích cỡ mạng
Cấu trúc khối xử
lý mào đầu
Kiểu định tuyến
Miền điện
Dự án RACE ATMOS
Chậm
(10às) Nhỏ Phức tạp Khụng sử dụng bảng định tuyến Dự án KEOPS
Dự án WASPNET Dự án LABELS
Miền quang
Xử lý mào đầu gói toàn quang tự định tuyến
k ×2N×Tb
(4000 ps) Nhỏ Đơn giản Không sử dụng bảng định tuyến Dựa trên bộ tương quan
quang FBG
2N×Tb
(400 ps) Lớn Phức tạp Sử dụng bảng định tuyến Dựa trên bộ tương quan
quang bằng các cổng logic XOR hoặc AND
2N×Tb
(400 ps) Lớn Phức tạp Sử dụng bảng định tuyến Dựa trên kỹ thuật tương
quan mào đầu sử dụng PPM
2N×TS+2Tb
(90 ps) Lớn Trung bình
Sử dụng bảng định tuyến trong đó, k là số chặng định tuyến giữa nút nguồn và nút đích, N là số bít trong từ mã địa chỉ mào đầu, Tb là chu kỳ bít địa chỉ mào đầu và TS là chu kỳ khe trong PPM.