2.5.1. Các công nghệ chuyển mạch quang trong mạng WDM
Công nghệ mạng WDM có thể chia làm 2 loại: mạng WDM tái cấu hình
(reconfiguration WDM) và mạng WDM chuyển mạch (switched WDM). Loại thứ nhất được sử dụng phổ biến trong mạng WDM chuyển mạch kênh (circuit-switched WDM), trong đó một lightpath được thiết lập bằng cách tái cấu hình topo ảo của mạng để đáp ứng những thay đổi về luồng truyền dữ liệu trong mạng. Loại thứ 2 xuất hiện muộn hơn được sử dụng trong mạng WDM chuyển mạch gói, trong đó có thêm phần tiêu đề dữ liệu quang hoặc nhãn gán kèm với phần dữ liệu và được sử lý tại mỗi nút chuyển mạch của mạng. Dựa vào tỷ lệ giữa thời gian xử lý phần header gói tin với chi phí truyền tải toàn bộ gói tin, mạng WDM chuyển mạch kênh có thể được thực hiện bằng cách sử dụng các kỹ thuật chuyển mạch: chuyển mạch khối (burst switching), chuyển mạch nhãn (label switching), hoặc chuyển mạch gói (packet switching). Bảng sau so sánh các công nghệ WDM:
Mạng WDM tái cấu hình là một công nghệ sử dụng nhiều trong các mạng xương sống (backbone). Còn mạng WDM chuyển mạch được sử dụng trong mạng đô thị và các mạng con truy cập. Chuyển mạch kênh quang có thể hỗ trợ chuyển mạch khối, chuyển mạch nhãn, và chuyển mạch gói. Chuyển mạch nhãn tương tự như chuyển mạch khối ngoại trừ nó sử dụng công nghệ MPLS. Trong phần này, giới thiệu về chuyển mạch khối quang (OBS) và chuyển mạch gói quang (OPS):
2.5.2. Chuyển mạch gói quang (OPS)
Chuyển mạch kênh là một phương pháp thông tin sử dụng để thiết lập cho thông tin giữa 2 điểm. Số liệu được truyền trên cùng một tuyến và thông tin truyền đi trong thời gian thực. Khác với chuyển mạch kênh, chuyển mạch gói thực hiện truyền các gói số liệu độc lập. Mỗi gói đi từ một cổng tới một cổng khác theo một đường nào đó. Các gói không thể gửi tới nút kế tiếp khi chưa thực hiện thành công tại nút trước đó. Mỗi nút cần có các bộ đệm để tạm thời lưu các gói. Mỗi nút trong chuyển mạch gói yêu cầu một hệ thống quản lý để thông báo điều kiện truyền thông tin tới nút lân cận trong trường hợp số liệu truyền bị lỗi.
Trong chuyển mạch gói quang, phần header điều khiển gói tin có thể được đối xử như một nhãn, thông thường nó được gửi cùng với dữ liệu trên đường truyền. Để có thời gian để xử lý đưa ra các quyết định chuyển mạch và thiết lập các kết nối chéo, thì gói dữ liệu phải được định tuyến qua một đường truyền tạo trễ quang cục bộ khi tới một switch trung gian. Giá trị trễ được chọn để khi gói dữ liệu ra khỏi đường trễ thì các thiết lập kết nối chéo quang đã được thực hiện xong. Giá trị trễ này thường là hằng số cục bộ tại một nút chuyển mạch trung gian khác nhau, phụ thuộc vào đường đi cụ thể đã được định
tuyến của gói tin. Hình dưới mô tả hoạt động của một hệ thống WDM chuyển mạch gói tin:
Các gói tin trong mạng quang có thể có chiều dài cố định hoặc thay đổi. Ví dụ một gói tin chiều dài cố định như tế bào cell của mạng ATM, và một ví dụ gói tin có chiều dài thay đổi chính là gói tin IP. Các gói tin có chiều dài thay đổi có thể chèn thêm thông tin điều khiển trong mạng vì thế nó hiệu quả hơn. Tuy nhiên, kích thước của gói tin có chiều dài thay đổi không thể quá lơn hoặc ít nhất phải nhỏ hơn khả năng của đường trễ quang. Do đó, một gói tin kích thước lớn có thể cần phải phân mảnh để truyền đi. Việc lựa chọn chiều dài gói tin dựa trên các đặc trưng của ứng dụng và đường truyền.
Có 2 mô hình chuyển hướng gói tin trong chuyển mạch gói quang: mô hình datagram và mô hình mạch ảo (virtual circuit). Trong mô hình datagram, phần header gói tin được truyền qua mỗi nút trung gian, và không có khoảng chênh lệch thời gian giữa phần dữ liệu và phần tiêu đề gói tin, chúng được truyền cùng nhau. Đây cũng là mô hình được sử dụng trong mạng IP. Trong mô hình mạch ảo (virtual circuit), các mạch ảo được thiết lập trước khi các gói tin được gửi qua các mạch ảo đó. Khái niệm “ảo” ở đây ý rằng
không có sự dành riêng bất kỳ băng thông nào. Mạch ảo chứa một mục trong bảng chuyển mạch. Mục đó có thông tin kết hợp giữa số hiệu định danh của một mạch ảo đến với một cổng ra. Bằng cách như vậy, nó phân tách riêng định tuyến và chuyển hướng gói tin. Các mạch ảo được sử dụng trong suốt quá trình chuyển hướng gói tin.
2.5.3. Chuyển mạch khối quang (OBS)
Chuyển mạch khối quang (OBS) là một phương pháp cho phép truyền tải lưu lượng một cách trực tiếp qua mạng WDM mà không cần bộ đệm quang. OBS được thiết kế để đạt được một sự cân bằng giữa chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói. OBS sử dụng các sơ đồ định trước một hướng với quá trình truyền tức thời, burst dữ liệu truyền đi sau gói điều khiển tương ứng mà không đợi phản hồi (báo nhận) từ nút đích. Thực chất, OBS xem xét lớp quang học đơn thuần như một phương tiện truyền thông trong suốt cho các ứng dụng.
Trong chuyển mạch khối quang, phần header điều khiển gói tin được gửi theo đường điều khiển ở phần đầu của gói dữ liệu quang thực sự. Ý tưởng là phần điều khiển đó sẽ đến mỗi nút chuyển mạch trung gian, tại mỗi nút chuyển mạch đó căn cứ vào phần header điều khiển để ra quyết định chuyển mạch và thiết lập các kết nối chéo ngay trước khi phần dữ liệu thực sự của gói tin được chuyển đến. Bằng cách này, gói dữ liệu quang có thể được phân luồng theo đường đi của nó qua mạng quang từ đầu vào đến đầu ra. Thời gian trễ giữa phần header điều khiển và phần gữ liệu sẽ tăng khi số lượng nút chuyển mạch tăng do vậy cần có xử lý trễ tại các nút chuyển mạch trung gian. Hình sau một tả hoạt động của một hệ thống chuyển mạch khối quang qua một nút mạng WDM chuyển mạch (switch):
Chuyển mạch khối quang sử dụng đường truyền một chiều dành riêng, theo đó một nút nguồn gửi một yêu cầu thiết lập đường truyền và sau đó gửi cả khối dữ liệu quang (burst) mà không phải đợi báo nhận phía bên nhận. Điều này làm cho thời gian truyền khối quang trở nên tương đối nhỏ. Các kiểu chuyển mạch khối quang khác nhau theo cách giải phóng băng thông, có 3 loại:
Tell-and-go (TAG)
Reserve-a-fixed-duration (RFD)
In-band-terminator (IBT)
Kiểu TAG yêu cầu một kết nối ngầm định, nó tương tự như chuyển mạch kênh ngoại trừ nó giải quyết tốt hơn với các yêu cầu kết nối động. Kiểu RFD, các yêu cầu thiết lập kết nối phải được xác định trong suốt quá trình kết nối. Điều này có thể thực hiện được
bằng các sử dụng một số tham số như chiều dài khối (bytes), hoặc thời gian truyền khối (ms). Kiểu IBT chứa phần header và phần trailer trong chính khối dữ liệu.
Một tham số quan trọng trong chuyển mạch khối quang và thời gian chênh lệch (offset time) giữa phần header yêu cầu kết nối và khối dữ liệu thực sự. Thời gian offset time trong kiểu TAG và RFD luôn nhở hơn hoặc bằng thời gian thiết lập kết nối trong chuyển mạch. Nếu thời gian này quá dài, các nút chuyển mạch trung gian cần phải đơi được khi khối dữ liệu đến. Nếu thời gian này quá ngắn, các nút chuyển mạch trung gian cần phải có bộ đệm khối dữ liệu. Khi thời gian offset time là bằng 0 như trong kiểu IBT, nó làm việc như một gói tin trong mạng chuyển mạch gói thông thường, khi đó khối dữ liệu cần được đệm trong suốt quá trình xử lý phần header yêu cầu kết nối. Trong trường hợp có nhiều khối dữ liệu vượt quá khá năng đệm của bộ chuyển mạch, tắc nghẽn có thể xảy ra và làm mất khối dữ liệu quang.
Tóm lại, một số đặc trưng chung của OBS như sau:
- Tách biệt giữa kênh điều khiển và kênh dữ liệu: thông tin điều khiển được truyền trên một bước sóng (kênh) riêng biệt.
- Sự dành riêng một chiều: những tài nguyên được cấp phát sử dụng sự dành riêng một chiều. Nghĩa là, nút nguồn không cần đợi thông tin phản hồi từ nút đích trước khi nó bắt đầu truyền burst.
- Độ dài của burst thay đổi được: kích thước của burst có thể thay đổi được tuỳ theo yêu cầu.
- Không cần bộ đệm quang: nút trung gian trong mạng quang không yêu cầu phải có bộ đệm quang. Các burst đi xuyên qua các nút trung gian mà không có bất kỳ sự trễ nào.
2.6. Các mô hình liên mạng IP/WDM
Hiện nay có hai xu hướng xây dựng mô hình tích hợp liên mạng IP/WDM. Đó là mô hình xếp chồng (Overlay) hay còn gọi là mô hình khách-chủ (Client-Sever), tức là đặt toàn bộ sự điều khiển cho lớp quang ở chính lớp quang. Xu hướng thứ hai là mô hình ngang hàng (Peer), tức là dịch chuyển một phần điều khiển lên bộ định tuyến IP.
Mô hình ngang hàng dựa trên giả thiết là việc điều khiển ở lớp quang được chuyển sang thực hiện ở lớp IP. Mô hình này xem xét kiến trúc mạng dưới quan điểm “định tuyến gói”. Trong khi đó mô hình xếp chồng dựa trên giả thiết điều khiển lớp quang là độc lập và lớp quang tạo nên một nền mở cho nối kết động của nhiều loại tín hiệu khác nhau bao gồm cả IP. Mô hình này xem xét kiến trúc mạng trên quan điểm “chuyển mạch kênh”.
Mô hình xếp chồng (Overlay)
Cả hai mô hình đều giả định phát triển mạng quang thế hệ sau có tôpô dạng mắc lưới với nền điều khiển IP dựa trên chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS. Ứng dụng cụ thể của MPLS cho mô hình xếp chồng còn gọi là chuyển mạch đa giao thức tổng quát GMPLS. Kiến trúc điều khiển GMPLS cung cấp một tập các giao thức đơn giản, hoàn thiện tương thích với mạng IP đáp ứng cho mạng thế hệ sau. Quá trình điều khiển thống nhất xuyên suốt các lớp số liệu và quang sẽ đơn giản quá trình quản lý mạng có nhiều lớp và cải thiện hiệu quả sử dụng tài nguyên thông qua kỹ thuật lưu lượng giữa các lớp. Trong bối cảnh này, các giao thức định tuyến IP làm đòn bẩy cho việc nhận biết tôpô mạng và các giao thức báo hiệu MPLS được sử dụng cho thiết lập tự động. Ngoài ra sử dụng các giao thức này cho điều khiển lớp quang sẽ giúp các nhà sản xuất thiết bị đảm bảo tính tương thích nhờ có các tiêu chuẩn rất phổ biến. Do vậy xu hướng chung là sử dụng IP cho cả ba mặt phẳng chức năng của mạng: dữ liệu, điều khiển, và quản lý.
Mặc dù các mô hình tích hợp đều sử dụng kiến trúc điều khiển theo IP, nhưng chúng quản lý các ứng dụng khác nhau. Chẳng hạn mặt phẳng điều khiển quang sẽ điều khiển quá trình thiết lập bước sóng quang động nhờ các Router ở biên được nối với mạng quang. Khi tại Router xảy ra tắc nghẽn thì hệ thống quản lý mạng hay chính Router sẽ yêu cầu thiết lập luồng quang động. Sau đó các chuyển mạch quang sẽ tạo kênh quang mới để đáp ứng nhu cầu của Router. Vì vậy, thiết lập bước sóng động có thể thích nghi được với nhu cầu lưu lượng.
Với mô hình xếp chồng thì cho phép mỗi router giao tiếp trực tiếp với mạng quang thông qua giao diện UNI. Giao diện giữa các mạng con được thực hiện thông qua giao diện NNI. Mô hình giao diện UNI tương tự như mô hình trong mạng chuyển mạch kênh truyền thống như mạng ISDN. Trong mô hình này, mỗi mạng con sẽ tiến triển độc lập, nhờ đó cho phép các nhà khai thác mạng đưa các công nghệ mới mà không bị gánh nặng của các công nghệ cũ. Các nhà khai thác còn có thể đáp ứng được các cơ sở hạ tầng kế thừa hiện có. Quan trọng hơn là các nhà khai thác có thể tìm thấy được trong môi trường mạng quang nhiều nhà cung cấp, nó cho phép thực hiện được tính tương thích trong tương lai gần nhờ các giao diện UNI và NNI.
Với mô hình ngang hàng cũng hỗ trợ cho thiết lập luồng động bằng cách sử dụng các luồng đầu cuối ở biên mạng quang và cho phép quản lý chúng từ xa. Mô hình ngang hàng giả định rằng các Router điều khiển lớp mạng quang. Mối quan hệ giữa IP Router và OXC là bình đẳng về mặt điều khiển. Vì vậy về mặt báo hiệu và định tuyến sẽ không có sự phân biệt nào giữa UNI, NNI và giao diện giữa các Router. Trong mô hình này cần một khối lượng lớn thông tin trạng thái và điều khiển chuyển qua lại giữa lớp IP và quang. Do đó sẽ khó hơn cho việc kết nối trong môi trường nhiều nhà khai thác khi so với mô hình xếp chồng.
Mỗi mô hình có ưu điểm riêng, đặc biệt mô hình xếp chồng có ưu điểm nổi trội là khả năng tương thích dễ dàng. Về kiến trúc thì mô hình xếp chồng trực tiếp và đơn giản hơn. Với kiến trúc ngang hàng cần có thêm các thông tin giữa lớp IP và quang để quản lý các luồng đầu cuối chuyển lên luồng quang. Khối lượng lớn thông tin trạng thái và điều khiển này bao gồm sự truyền thông trực tiếp giữa các Router biên của mạng quang và sự truyền thông tin trong bản thân mạng quang. Mô hình xếp chồng cho phép đổi mới tại lớp
quang độc lập với lớp IP trong khi vẫn cung cấp khả năng kết nối tương thích cần thiết cho các dịch vụ nhanh mà vẫn duy trì tính toàn vẹn thông tin của nhà khai thác mạng quang. Tuy nhiên, mô hình ngang hàng cho phép tích hợp hoàn toàn IP/quang tạo nên mạng Internet quang thống nhất. Do đó việc sử dụng và quản lý mạng trở nên hiệu quả hơn, phù hợp với các ISP hơn. Ngoài ra mô hình ngang hàng gần hơn với xu hướng chuyển mạch gói quang trong tương lai.
Kết luận
Công nghệ WDM đã đem lại thành tựu rất lớn, đáp ứng nhu cầu băng thông ngày càng gia tăng trên internet. Mô hình mạng IP/ATM/SONET/WDM hiện nay còn có nhiều dư thừa cần cải tiến. Trong tương lai gần, xu hướng IP trực tiếp qua WDM với nhiều ưu việt sẽ được phát triển mạnh mẽ. Trong đó, có một số công nghệ chuyển mạch được đề xuất: chuyển mạch gói quang (OPS), chuyển mạnh khối quang (OBS). Vấn đề đặt gia cần tiếp tục phát triển, cải tiến những thách thức còn tồn tại để hoàn chỉnh một thế hệ mạng toàn quang trong tương lai.
Báo cáo tiểu luận này đã trình bày những vấn đề chính về công nghệ mạng quang WDM, các vấn đề mạng IP trên WDM hiện nay và một số kỹ thuật sử dụng để phát triển xu hướng này trong giai đoạn tiếp theo của mạng quang. Mặc dù có nhiều cố gắng trong quá trình thực hiện, nhưng do thời gian đầu tư chưa được nhiều nên tiểu luận khó tránh khỏi thiếu sót và một số vấn đề còn chưa được nghiên cứu sâu. Nhóm thực hiện xin chân thành cảm ơn TS. Ngô Hồng Sơn đã cung cấp những kiến thức quý báu và có những nhận xét góp ý trong quá trình thực hiện tiểu luận này
Nhóm thực hiện : Phạm Ngọc Hưng Phạm Hồng Thái Lớp : XLTT&TT-C0810
Tài liệu tham khảo
1. Bài giảng Optical Network (Trương Diệu Linh)
2. Tài liệu Kỹ thuật thông tin quang 2 (Học viện Bưu Chính Viễn Thông)
3. Kevin H. Liu, IP over WDM, John Wiley & Sons, Inc, 2002. 4. IP over WDM network (a presentation of Fang Yu)