Trong chuyển mạch quang nói chung, vấn đề cốt lõi là khai thác băng thông một cách hiệu quả; do đó, giải quyết tắc nghẽn (tranh chấp) được xem là bài toán rất quan trọng nhằm giảm mất chùm (giảm xác suất tắc nghẽn).
Trong mạng chuyển mạch chùm quang, cũng như các mạng chuyển mạch gói khác, tồn tại khả năng một chùm có thể tranh chấp với một chùm khác tại cổng ra của một nút. Sự tranh chấp sẽ xảy ra nếu nhiều chùm đến từ nhiều cổng vào khác nhau được định tuyến đến cùng một cổng ra tại cùng thời điểm và yêu cầu cũng một kênh bước sóng. Điển hình của việc giải quyết tranh chấp trong các mạng chuyển mạch gói điện tử truyền thống là được quản lý thông qua bộ đệm, tuy nhiên trong lĩnh vực quang, việc sử dụng bộ đệm tại các nút đang gặp khó khăn (về mặt công nghệ). Để giải quyết tình trạng tranh chấp và giảm mất chùm, một số phương pháp cơ bản sau có thể sử dụng: thay đổi thời gian đến cổng ra của chùm dữ liệu bằng cách sử dụng các đường trễ quang FDL [21-25][33], thay đổi bước sóng ra của
chùm bằng cách sử dụng bộ chuyển đổi bước sóng [13][38][49] hay thay đổi cổng ra của chùm bằng cách định tuyến lệch hướng [32][67].
a) Xử lý tranh chấp chùm dựa vào định tuyến lệch hướng
Định tuyến lệch hướng là một phương pháp giải quyết tắc nghẽn bằng cách định tuyến một chùm tranh chấp đến một cổng ra khác so với cổng ra theo dự kiến ban đầu (Hình 1.10) [15][19][28][61]. Định tuyến lệch hướng có thể không được quan tâm nhiều đối với mạng chuyển mạch gói trong miền điện, tuy nhiên nó lại thực sự cần thiết trong mạng toàn quang khi bộ đệm quang chưa thể sản xuất được. Ưu điểm của định tuyến lệch hướng là có thể tận dụng tài nguyên rỗi trên kết nối ra khác (tận dụng miền phổ quang sẵn có), đồng thời giảm chi phí đối với các thiết bị phần cứng như trang bị thêm bộ chuyển đổi bước sóng hay đường trễ quang FDL. Tuy nhiên, trong định tuyến lệch hướng, một chùm lệch hướng sẽ có đường truyền tới đích dài hơn, dẫn tới tăng độ trễ và giảm chất lượng tín hiệu. Hơn nữa, nó có thể dẫn đến khả năng chùm bị lặp vô hạn trong mạng và có thể dẫn tới tắc nghẽn tiếp theo. Vì vậy cần có các cơ chế để ngăn chặn độ dài đường đi quá mức [15][19].
A B E C D TỪ A Đ ẾN E TỪ C ĐẾN E
Hình 1.10. Mô tả định tuyến lệch hướng
Một vấn đề khác khi sử dụng định tuyến lệch hướng trong mạng OBS, đó là duy trì các thời gian offset (offset_time) thích hợp giữa gói điều khiển và chùm dữ liệu khi lệch hướng. Khi chùm bị lệch hướng phải đi qua một lộ trình đường đi dài hơn là chùm không bị lệch hướng, có thể tại một thời điểm nào đó, thời gian offset
lúc đầu sẽ không đủ để gói điều khiển xử lý và cấu hình chuyển mạch trước khi chùm dữ liệu đến. Để loại trừ các vấn đề liên quan tới sự thiếu hụt thời gian offset, một số chính sách (policies) khác nhau có thể được thực hiện. Cách tiếp cận đơn giản nhất là loại bỏ chùm nếu thời gian offset là không đủ. Các cách tiếp cận dùng bộ đếm và bộ đo thời gian cũng có thể phát hiện và giới hạn số độ dài các đoạn đường chuyển tiếp (số hop) mà một chùm đi qua. Một cách tiếp cận khác là sử dụng
các đường trễ quang FDL để làm trễ chùm trong khoảng thời gian offset mở rộng
(extended offset) cũng có thể được áp dụng [3-4][19].
Xu hướng đang được quan tâm nghiên cứu hiện nay là phân tích ảnh hưởng của định tuyến lệch hướng tại nút lõi OBS có sự kết hợp với đường trễ quang FDL
[3][5][19] hoặc với bộ chuyển đổi bước sóng [4][27]. Phương pháp chính để đánh giá được hiệu quả của các sự kết hợp này là sử dụng mô hình lý thuyết hàng đợi (mô hình Markov hoặc non-Markov) để phân tích nhằm lựa chọn phương án kết hợp tối ưu thông qua việc đánh giá xác suất tắc nghẽn (hay mất chùm). Đây cũng là hướng nghiên cứu mà Luận án lựa chọn để đánh giá hiệu năng tại nút lõi mạng OBS.
b) Xử lý tranh chấp chùm dựa vào đường trễ quang FDL
Cách tiếp cận này là cố gắng làm trì hoãn thời gian ra của chùm cho đến khi kênh ra mà chùm yêu cầu trở nên rỗi. Trong các mạng chuyển mạch gói điện tử truyền thống, việc này được thực thi bằng cách lưu trữ các gói trong các bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên RAM. Tuy nhiên, loại bộ đệm tương tự RAM không thực sự hiện hữu trong lĩnh vực công nghệ mạng quang tại thời điểm hiện tại. Do đó, các đường trễ quang FDL có thể được sử dụng với vai trò bộ đệm để làm trễ các chùm ra trong một khoảng thời gian xác định. Với phương pháp này, chùm đang tham gia tranh chấp sẽ được làm trễ cho tới khi tắc nghẽn được giải quyết. Phương pháp này dựa trên ý tưởng là: khi một bước sóng được yêu cầu chưa sẵn sàng thì chùm dữ liệu sẽ được làm trễ trong một đường trễ quang FDL cho tới khi kênh bước sóng đó trở về trạng thái sẵn sàng.
Hình 1.11. Làm trễ chùm bằng đường trễ quang FDL
Một ví dụ đơn giản được chỉ ra ở Hình 1.11, trong đó, các chùm 1 và chùm 2 cùng yêu cầu kênh bước sóng là tại cùng thời điểm đến và trên cùng một cổng ra. Giả sử chùm 1 có độ ưu tiên cao hơn nên nó sẽ được sử dụng kênh bước sóng đó. Trong trường hợp này, chùm 2 thay vì bị loại bỏ sẽ được làm trễ trong khoảng thời
gian , cho đến khi kênh trở về trạng thái sẵn sàng tại thời điểm tới của chùm dữ liệu 2 sau khi đã được làm trễ (ra khỏi đường trễ quang FDL).
Do đường trễ quang FDL dựa trên độ trễ truyền của cáp quang nên nó có nhiều hạn chế so với bộ đệm điện tử RAM nếu xét đến khả năng truy cập liên tục. Chú ý rằng, trong bất kỳ kỹ thuật sử dụng bộ đệm quang nào, kích thước của các bộ đệm bị giới hạn rất nghiêm ngặt, không những bởi chất lượng tín hiệu mà còn bởi sự giới hạn về không gian vật lý. Nếu dung lượng bộ đệm lớn thì đòi hỏi số lượng và chiều dài của đường trễ quang FDL càng tăng nên dễ gây tổn hao và việc sử dụng bộ đệm cũng không thể hoàn toàn giảm khả năng mất chùm.
Tại nút lõi OBS, các đường trễ quang FDL được thiết kế theo các kiểu sau: - Đường trễ quang FDL truyền thẳng (feed-forward): các FDL được thiết kế
đặt tại mỗi cổng ra, và được sử dụng cho các chùm đến cổng ra đó.
- Đường trễ quang FDL hồi quy (feed-back): các FDL được thiết kế đặt chung tại nút lõi, và được sử dụng cho tất cả các chùm đến từ bất kỳ cổng vào nào của nút lõi đó.
Ngoài các nghiên cứu xem đường trễ quang FDL đóng vai trò như là các bộ đệm truyền thống [19][28][58][71] và xem lưu lượng đến đường trễ quang FDL là quá trình Poisson, các tác giả trong [21-25] nghiên cứu chi tiết cấu trúc đường trễ quang FDL với lưu lượng đến không Poisson (lưu lượng tràn). Trong Luận án này, cả hai vấn đề trên đều sẽ được xem xét.
c) Xử lý tranh chấp chùm dựa vào chuyển đổi bước sóng
(i) Nguyên tắc chung
Quá trình chuyển đổi bước sóng là quá trình chuyển đổi một bước sóng của một kênh vào thành một bước sóng khác trên một kênh ra (Hình 1.12). Điều này cho phép nhiều bước sóng có thể được truyền trên một đuờng dây nối giữa hai chuyển mạch quang. Các bộ chuyển đổi bước sóng là các thiết bị mà chúng chuyển đổi một tín hiệu của bước sóng vào thành một bước sóng ra khác.
Có nhiều loại chuyển đổi bước sóng, như: chuyển đổi bước sóng đầy đủ, chuyển đổi bước sóng với giới hạn bộ chuyển đổi (chuyển đổi một phần), chuyển đổi bước sóng với giới hạn vùng chuyển đổi. Trong chuyển đổi bước sóng đầy đủ, một chùm đến trên một bước sóng nào đó có thể được chuyển đổi sang một bước sóng bất kỳ trên kết nối ra, trong khi với chuyển đổi có giới hạn, khả năng chuyển đổi bị giới hạn (phụ thuộc vào số bộ chuyển đổi rỗi hoặc hạn chế vùng chuyển đổi), vì thế không phải tất cả các kênh vào đều có thể được kết nối đến các kênh ra. Mặc dù không thực sự hiệu quả như chuyển đổi bước sóng đầy đủ, chuyển đổi bước sóng có giới hạn cũng đã góp phần làm giảm đáng kể xác suất tắc nghẽn so với không có chuyển đổi bước sóng, trong khi vẫn có thể giảm được chi phí trang bị các bộ chuyển đổi bước sóng tại một nút lõi [32][38][46][49][56][67]. Việc phân tích xác suất tắc nghẽn tại một nút OBS có chuyển đổi bước sóng với các kiến trúc khác nhau đã được thực hiện trong [38][56] với kiến trúc SPL, SPN và trong [49] với kiến trúc SPIL.
(ii) Phân loại dựa trên phân bố bộ chuyển đổi bước sóng
Thông thường, có hai loại kiến trúc nút lõi OBS với chuyển đổi bước sóng: chuyển đổi bước sóng với phân bố đầy đủ (FWC) và chuyển đổi bước sóng với phân bố không đầy đủ (NFWC). Trong FWC, luôn tồn tại một bộ chuyển đổi sẵn có để chuyển đổi cho bất kỳ một bước sóng đến nào có nhu cầu chuyển đổi. Điều này có nghĩa là xác suất tắc nghẽn sẽ không bị ảnh hưởng bởi chuyển đổi bước sóng. Tuy nhiên, đối với những kiến trúc có nhiều bộ chuyển đổi thì sẽ rất tốn kém. Vì vậy, để giảm chi phí, người ta thường sử dụng chuyển đổi bước sóng với phân bố không đầy đủ hay chuyển đổi bước sóng với phân bố một phần (PWC), tuy nhiên, điều này có thể dẫn đến trường hợp tắc nghẽn do thiếu thiết bị chuyển đổi bước sóng [38].
Trong kiến trúc nút lõi OBS, các bộ chuyển đổi bước sóng có thể được chia s cho tất cả các cổng ra theo kiến trúc SPN hoặc chỉ cho các bước sóng trên một cổng ra theo kiến trúc SPL. Ngoài ra, các bộ chuyển đổi bước sóng cũng có thể được thiết kế đặt tại các cổng vào, tương ứng với kiến trúc SPIL. Nhiều mô hình phân tích đã được thực hiện trên các kiến trúc này [38][46][49][51].
Với kiến trúc SPIL, các bộ chuyển đổi bước sóng được thiết kế tại các cổng vào và chỉ được sử dụng bởi các lưu lượng được định tuyến đến cổng vào đó. Trong khi đó, với kiến trúc SPL thì một vài bộ chuyển đổi bước sóng được kết hợp với một kết nối ra, được sử dụng dành riêng cho các lưu lượng định tuyến đến kết nối ra
đó [38]. Khác với hai kiến trúc SPL và SPIL, trong kiến trúc SPN, các bộ chuyển đổi bước sóng được đặt chung tại nút lõi và tất cả các lưu lượng đến trên các kết nối (vào/ra) bất kỳ đều có thể sử dụng để chuyển đổi bước sóng nếu sẵn có.
(iii) Phân loại dựa trên khả năng chuyển đổi bước song
Có hai loại bộ chuyển đổi bước sóng: chuyển đổi bước sóng có vùng chuyển đổi giới hạn (LRWC) và chuyển đổi bước sóng hoàn toàn (CWC). Với bộ chuyển đổi kiểu LRWC, một bước sóng vào chỉ có thể chuyển đổi sang một số bước sóng lân cận. Với bộ chuyển đổi kiểu CWC thì có thể chuyển đổi một bước sóng vào sang bước sóng ra bất kỳ trong phạm vi phổ quang của các bước sóng có thể mang trên một sợi quang. LRWC thường thực tế hơn so với CWC vì những hạn chế về chi phí sản suất các bộ chuyển đổi bước sóng. Mặt khác, các bộ chuyển đổi kiểu CWC vẫn chưa thể chế tạo được với công nghệ quang hiện tại.