BURST Quang

8/2/2019 BURST Quang

http://slidepdf.com/reader/full/burst-quang 1/15

Chương 1: giới thiệu

ở thập niên vừa qua, lĩnh vực networking đã có sự phát triển ở tốc độ rất cao. Sự phổ cậpmạnh mẽ của internet và yêu cầu ngày càng tăng về thông tin đa phương tiện đã kiểm chứngmột cách nghiêm ngặt giới hạn của máy tính hiện nay cũng như mạng viễn thông. Có một nhu

cầu tức thì cho sự phát triển của mạng mới có dung lượng cao có khả năng hỗ trợ những yêucầu về tăng trưởng băng thông. Để gặp những nhu cầu tăng trưởng đó, hệ thóng quang WDMđã được triển khai trong nhiều mạng viễn thông backbone. Trong hệ thống WDM, mỗi cápmang nhiều kênh truyền thông, mỗi kênh hoạt động trên một bước sóng khác nhau. Hệ thốngtruyền tải quang như vật có khả năng cung cấp trên 50 Tb/s trên 1 cáp đơn

Hình 1.1 chỉ ra sự phát triển của những phương pháp truyền tải quang khác nhau. Thế hệ kiếntrúc mạng quang đầu tiên gồm có những liên kết điểm-điểm WDM. Một mạng như vậy bao gồmmột vài liên kết điểm-điểm mà lưu lượng đến node bị bỏ, chuyển đổi từ quang sang điện, xử lítín hiệu điện , và chuyển từ điện sang quang trước khi rời node. Việc thêm và bỏ lưu lượng tạimỗi node trong mạng phải chịu những thiệt hại nghiêm trọng- sự phức tạp của chuyển mạch vàcái giá phải trả của xử lí tín hiệu điện, đặc biệt nếu đa phần lưu lượng trong mạng là lưu lượngđi qua(bypass traffic). Để giảm thiểu cost của mạng, những thiết bị toàn-quang có thể được sử

dụng

Kiến trúc mạng thế hệ thứ hai dựa trên WADM( ghép kênh thêm- bớt theo bước sóng), khimà lưu lượng có thể được add vào hoặc drop tại các địa điểm WADM. WADM có thể cho phépnhững kênh bước sóng được chọn trên cáp bị chặn, trong khi những bước sóng khác lại đượcđi qua hoàn toàn. Nói chung, lượng lưu lượng “đi qua” trong mạng lớn hơn nhiều so với lượnglưu lượng bị “drop” tại một node nào đó; do đó, nhờ sử dụng WADM, ta có thế giảm cost tổngcủa toàn mạng, điều này kì vọng sẽ được triển khai tại thị trường mạng đô thị



Để xây dựng mạng lưới gồm nhiều kết nối quang đa bược sóng, thiết bị kết nối cáp là rấtcần thiết.Kiến trúc mạng quang thế hệ thứ 3 dựa trên những thiết bị kết nối toàn-quang. Nhữngthiết bị này rơi vào 3 loại: coupler sao bị động(passive star), router bị động(passive router) vàswitch chủ động(active switch). Passive star là thiết bị quảng bá. Một tín hiệu đến trên mộtbước sóng cho trước trên cổng cáp đầu vào của coupler hình sao , công suất của nó sẽ được

chia đều ra các port đầu ra của coupler sao. Một passive router có thể định tuyến riêng biệt mộtvài bước sóng đến trên một cáp đầu vào đến cùng bước sóng ở cáp đầu ra. Passive router làthiết bị tĩnh; vì thế cấu hình định tuyến là cố định. Một active switch cũng định tuyến bước sóngtừ cáp đầu vào đến cáp đầu ra và có thể hỗ trợ kết nối lần lượt. Không giống như passiverouter, active switch có thể tái cấu hình để thay đổi dạng kết nối của bước sóng đến và bướcsóng đi. Trọng những mạng quang thế hệ 3 này, dữ liệu được cho phép qua những node trunggian mà không cần chuyển đổi sang điện, vì vậy giảm được cost của việc cung cấp chức năngchuyển mạch điện có dung lượng cao và khả năng định tuyến tại mỗi node

Hệ thống mới toàn-quang được hi vọng sẽ cung cấp kết nối chuyển mạch kênh, hoặc tuyếnquang, giữa các router biên qua một mạng quang lõi; tuy nhiên, do những kết nối chuyển mạch

kênh là tĩnh, chúng không có khả năng để điều tiết dung lượng quá lớn, bùng nổ của mạnginternet. Một cách lý tưởng, để cung cấp sự vận hành tốt nhất có thể trong lõi quang, các nodecần cung cấp chuyển mạch gói tại mức quang . Chuyển mạch gói toàn quang như vật dườngnhư không khả thi trong tương lai gần do những giới hạn về công nghệ

Một sự thay thế tương tự cho chuyển mạch kênh toàn quang và chuyển mạch gói toàn quang làchuyển mạch burst quang. Trong chuyển mạch burst quang, các gói tin tiếp nối nhau vào trongcác transport unit(đơn vị giao vận) được gọi là các burst. Các burst sau đó được chuyển mạchqua mạng quang lõi theo cái cách của “toàn –quang”. Mạng chuyển mạch burst quang chophép một mức độ cao hơn của ghép kênh tĩnh (statistical multiplexing) và phù hợp cho việc xử lý lưu lượng bùng nổ hơn so với chuyển mạch kênh quang. Cùng lúc đó, mạng chuyển mạch

burst quang không có nhiều hạn chế như mạng chuyển mạch gói toàn-quang. Để chỉ rõ điểmkhác biệt giữa chuyển mạch kênh quang, chuyển mạch gói quang và chuyển mạch burstquang, chúng ta sẽ bàn kĩ về mỗi vấn đề sau

11 Chuyển mạch kênh quang

Mạng định tuyến bước sóng quang sử dụng chuyển mạch gói quang, mà các đường ánh sángđược khởi tạo giữa cặp các node. Sự khởi tạo của đường đi ánh sáng kèm theo một vài côngviệc. Những công việc này bao gồm topology và khám phá tài nguyên, định tuyến bước sóng,và báo hiệu và chiếm giữ tài nguyên

Topology và khám phá tài nguyên sẽ có kèm theo thông tin trạng thái phân phối và bảo trì củamạng. Thông thường, thông tin này sẽ kèm theo thông tin trên tôp mạng vật lý và trạng thái củaliên kết trong mạng. Trong mạng định tuyến bước sóng WDM, thông tin này có thể kèm theo độ “rỗi” của bước sóng trên một liên kết cho trước trong mạng. Một giao thức chung cho duy trìthông tin trạng thái liên kết trọng mạng là giao thức OSPF

Vấn đề tìm tuyến đường và phân bổ bước sóng cho tuyến quang tương đương với việc địnhtuyến và phân bổ bước sóng (viết tắt là RWA). Thông thường, yêu cầu kết nối có 2 loại tĩnh và



động. Trong khởi tạo tuyến quang tĩnh (SLE), toàn bộ các kết nối đều được biết trước, vấn đề là tạo tuyến quang cho những kết nối này trong khi tối thiểu hóa tài nguyên mạng như số bướcsóng, số cáp của mạng. Với khởi tạo tuyến quang động (DLE) một tuyến quang được tạo racho mỗi yêu cầu kết nối khi yêu cầu đến, và tuyến quang được ngắt sau một khoảng thời giannào đó. Vấn đề trong trường hợp lưu lượng động là tạo tuyến quang và phân bổ bước sóng

trong khi tối thiểu hóa lượng kết nối bị chặn hoặc tối đa số lượng kết nối được khởi tạo trongmạng tại bất cứ thời điểm nào. Có rất nhiều nghiên cứu để giải quyết các vấn đề của RLE vàDLE

Kết nối tuyến quang được định tuyến bước sóng là khá tĩnh và không thể phù hợp với lưulượng internet biến đổi và bùng nổ như ngày nay. Rất rõ tàng rằng nếu lưu lượng rất biến động,thì gửi lưu lượng quang tuyến quang tĩnh sẽ gây ra sự không hiểu quả về băng thông. Mặt khácnếu ta tiếp cận để tạo ra tuyến quang theo cách “động”, thì thông tin về trạng thái của mạngthay đổi liên tục, làm cho việc giữu thông tin trạng thái mạng trở nên khó khăn. Vì vậy khi lưulượng trở nên ngày càng động và bùng nổ, một cách tiếp cận thay thế là cần thiết để truyền dữ liệu qua mạng

1.2 Chuyển mạch gói quang

Khi công nghệ chuyển mạch quang được nâng cao, chúng ta cuối cùng đã thấy được sự xuấthiện của mạng chuyển mạch gói quang mà trong đó các gói được chuyển mạch và định tuyếnđộc lập qua mạng, hoàn toàn trong miền quang mà không cần chuyển đổi trở lại sang điện tạimỗi node. Một mạng như vậy cho phép mực độ cao hơn của ghép kênh tĩnh trên cáp quang vàphù hợp hơn để xử lý lưu lượng bùng nổ so với chuyển mạch kênh quang

Một ví dụ của kiến trúc chuyển mạch gói quang cơ bản được biểu diễn trong hình 1.2. Một nodechứa cơ cấu chuyển mạch quang có khả năng cấu hình là dựa trên nền tảng từng gói một. Cơ

cấu chuyển mạch được cấu hình lại dựa trên thông tin chứa trong tiêu đề của mỗi gói tin. Tiêuđề tự nó được xử lí điện, và có thể được mạng in-band với packet, được mạng trên một tần số sóng mang con ; hoặc được mang đi out-of-band trên một kênh hoàn toàn khác. Vì mất mộtkhoảng thời gian để tiêu đề được xử lý và cho chuyển mạch được cấu hình lại, gói tin có thể bị làm trễ nhờ gửi nó quan một đường trễ quang

Kiến trúc của một chuyển mạch gói quang



Để chuyển mạch gói quang được thực tế, thời gian chuyển mạch nhanh là cần thiết. Thôngthường, thời gian chuyển mạch cho MEM-based switch được yêu cầu từ 1 đến 10 ms, trong khichuyển mạch dựa trên khuếch đại quang bán dẫn có thời gian chuyển mạch dưới 1ns. Nhượcđiểm của chuyển mạch khuếch đại bán dẫn quang là chúng có giá đắt và kiến trúc chuyểnmạch yêu cầu tín hiệu phải đi qua bộ coupler- điều này làm giảm công suất. Trong khi tốc độ

chuyển mạch được kì vọng sẽ tăng trong thời gian gần, công nghệ hiện tại chưa đủ trưởngthành để hỗ trợ chuyển mạch gói quang

Một thách thức nữa trong chuyển mạch gói quang là vấn đề đồng bộ. Trong mạng chuyểnmạch gói quang với các gói có độ dài không đổi, đồng bộ gói tại đầu vào switch thường có để tối thiểu xung đột. Dù đồng bộ thường khó đạt được, một vài kỹ thuật đồng bộ đã được nghiêncứu tại nhiều viện khoa học.

Vì tài nguyên mạng không được đặt trước trong chuyển mạch gói quang, gói có thể bị xung đột.Xung đột xảy ra khi 2 hay nhiều gói có xu hướng ra cùng cổng đầu ra tại cùng thời điểm. Thôngthường, xung đột trong mạng chuyển mạch gói điện truyền thống được xử lí nhờ bộ đệm; tuy

nhiên trong miền quang, rất khó để vận hành bộ đệm, do không có thiết bị quang tương đượcvới RAM. Thay vào đó, bộ đệm quang có thể có được nhờ dùng bộ đường cáp” trễ”. Nhờ cóđường trễ này, ta có thể giữ gói tin trễ đi trọng một khoảng thời gian. Chú ý rằng trong mọi kiếntrúc bộ đệm quang, kích cỡ bộ đệm là có giới hạn, không chỉ là do vấn đề chất lượng tín hiệu,còn là do giới hạn về không gian vật lý. Để làm trễ một gói tin trong 5 micro giây đòi hỏ i phải có1 km cáp. Vì giới hạn kích cỡ của bộ đệm, một node có thể không đủ khả năng xử lí lượng lưulượng lớn như điều kiện mạng hiện nay

Một cách tiếp cận khác để giải quyết xung đột là định tuyến gói tin bị xung đột đến cổng đầu rakhác với cổng đầu ra dự định ban đầu. Cách tiếp cận này được hiểu như chuyển hướng địnhtuyến hay định tuyến hot-potato. Trong khi định tuyến chuyển hướng thường không được ưa

dùng trong mạng chuyển mạch gói điện do nguy cơ lặp vòng và chuyển gói out-of-sequence.Dùng chuyển hướng quang sẽ là cần thiết trong mạng chuyển mạch gói quang- nơi mà dunglượng bộ đệm là giới hạn và để duy trì được mức độ mất gói hợp lý. Tuy nhiên, trước khi triểnkhai nó, những nghiên cứu sẽ cần phải đi trước để tìm ra những phương án để vượt qua giớihạn của chuyển hướng quang

1.3 Chuyển mạch burst quang



Sử dụng offset time trong OBS

Chuyển mạch burst quang được sử dụng để đạt được sự cân bằng giữa chuyển mạch góiquang và chuyển mạch kênh quang. Trong mạng chuyển mạch burst quang, nmoojt burst dữ liệu chứa nhiều gói tin IP được chuyển mạch qua mạng toàn quang. Một gói tin điều khiểnđược truyền đi trước burst để cấu hình các switch trên tuyến đường của burst. Offset time( hìnhvẽ) cho phép gói tin điều khiển được xử lý và switch được cài đặt trước khi burst đến nodetrung gian; vì thế, không cần bộ đệm điện hay quang nào tại các node trung gian trong khi góitin điều khiển được xử lý. Gói tin điều khiển có thể chỉ rõ khoảng thời gian của burst để chonode biết khi nào nó cần cấu hình lại switch của nó cho burst đến tiếp theo

So sánh sự khác nhau giữa các công nghệ của mạng toàn quang

Bằng cách đặt trước tài nguyên cho một khoảng thời gian nhất định hơn là đặt trước tài nguyêncho một khoảng thời gian không xác định, tài nguyên có thể được phân bổ một cách hiệu quả và mức độ ghép kênh cao hơn có thể đạt được. Vì thế, chuyển mạch burst quang có khả năng



vượt qua một số giới hạn của phân bổ băng thông tĩnh trong chuyển mạch kênh quang. Hơnnữa, vì dữ liệu được truyền trong các burst lớn, chuyển mạch burst quang làm giảm công nghệ yêu cầu cho chuyển mạch quang nhanh- điều này cần thiết cho chuyển mạch gói quang

Hình trên tổng kết sự khác biệt trong mạng chuyển mạch toàn quang của 3 công nghệ. Từ hìnhvẽ, ta có thể dễ dàng nhận thấy, chuyển mạch burst quang có ưu điểm của cả chuyển mạch góiquang và chuyển mạch kênh quang trong khi tránh đươc những thiếu sót của chúng

Mặc dù chuyển mạch burst quang xuất hiện để cung cấp những ưu điểm hơn chuyển mạch góiquang và chuyển mạch kênh quang, một vài vấn đề vẫn phải xem xét trước khi chuyển mạchburst quang có thể triển khai trong mạng. Cụ thể, những vấn đề này bao gồm lắp ráp burst, kế hoạch báo hiệu, giải quyết xung đột, lập lịch burst và chất lượng dịch vụ

Lắp ráp burst được yêu cầu để quyết định xem bao nhiêu gói tin được rắp ráp vào các burst.Vấn đề kèm theo là khi nào lắp ráp vào một burst,bao nhiêu gói tin cần lắp trong 1 burst, loại góitin nào được kèm theo trong burst. Lắp ráp burst sẽ ảnh hưởng đến độ dài burst cũng nhưkhoảng thời gian mà một gói tin phải đợi trước khi được truyền đi.

Mô hình báo hiệu là cần thiết cho việc đặt trước tài nguyện và cấu hính switch cho burst đến.Mô hình báo hiệu thông thường để đặt trước tài nguyên trong OBS là tell-and-go(TAG), tell-and-wait(TAW) và just-enough-time(JET). Trong mô hình TAG, node nguồn gửi một bản tin điềukhiển tới để chú thích với các node dowstream là burst sắp đến. Tiếp đó, node nguồn lập tứcgửi burst dữ liệu theo sau bản tin điều khiển mà không cần đợi được báo nhận(ack). Để có thờigian xử lý bản tin điều khiển cũng như cấu hình switch tại các node, burst có thể cần được quabộ đệm tại mỗi node. Trong mô hình TAW, phía nguồn gửi một bản tin điều khiển để đặt trướctài nguyên cho burst trên toàn tuyến đường. Tiếp đó, phía nguồn đợi báo nhận (ack) rằng quátrình đặt trước tài nguyên đã thành công. Sau khi nhận ack này, phía nguồn sẽ gửi burst. Nếu

không , node nguồn sẽ phải tiếp cận lại để làm lại quá trình đặt trước tài nguyên này. TrongJET, có một độ trễ giữa truyền gói tin điều khiển và truyền burst dữ liệu. Độ trễ này có thể đượcđặt lớn hơn tổng thời gian xử lý gói tin điều khiển trên cả tuyến đường. Do đó, khi burst đến mỗinode trung gian, gói tin điều khiển đã được xử lý và kênh trên cổng đầu ra cũng đã được phânphối. Vì vậy, không cần bộ đệm burst tại mỗi node. Điều này là đặc điểm rất quan trọng trongmô hình JET.

Trong mô hình TAG và JET, phía nguồn không cần phải đợi xác nhận trước khi truyền burst. Vìvậy, rất có thể việc đặt trước tài nguyên không thành công tại một node nào đó trên tuyến.Trong trường hợp này, một burst đang truyền sẽ bị xung đột. Xung đột xảy ra khi có hơn mộtburst tranh giành cùng một tài nguyên tại cùng một thời điểm. Xung đột có thể giải quyết bằng

rất nhiều cách. Một trong những cách đó là lưu trữ một trong số các burst đến khi tài nguyênthích hợp đã “rỗi”. Một cách khác đó là chuyển hướng một trong các burst đến cổng đầu rakhác. Một cách khác nữa là chuyển một trong các burst sang bước sóng khác trên cáp đầu ra.Khi các kỹ thuật giải quyết xung đột không thành công, burst đó sẽ bị hủy bỏ.

Khi chuyển đổi bước sóng được sử dụng, vấn đề quyết định bước sóng nào phù hợp cho mộtburst trên liên kết đầu ra được gọi là lập lịch kênh.



Chương 2: kỹ thuật và kiến trúc

Sự phát triển của chuyển mạch burst quang dựa vào sự phát triển thành công của một vài côngnghệ cốt lõi, bao gồm chuyển mạch toàn quang,thiết bị nhận mode burst, chuyển đổi bướcsóng quang. Trong khi sự phát triển trong những lĩnh vực này đã có những sự phát triển trong

vài năm vừa qua, cũng cần thêm một số đòi hỏi khác trước khi những công nghệ này có thể sẵn sàng cho hệ thống thực tế. Dù loại công nghệ nào sẽ được sử dụng, thì người thiết kế mạng vẫn phải quan tâm đến những hạn chế tầng vật lý đối với các thiết bị và thành phần côngnghệ này. Chương này sẽ giới thiệu một cái nhìn chung nhất về kiến trúc của node chuyểnmạch burst quang, tập trung vào các thành phần chính cần thiết cho chuyển mạch burst quang.Tiếp đó, sẽ giới thiệu một vài công nghệ hỗ trợ kiến trúc chuyển mạch burst quang và bàn về các vấn đề tầng vật lý có thể ảnh hưởng đến hiệu năng của mạng chuyển mạch burst quang.

2.1 Kiến trúc mạng chuyển mạch burst quang

Một mạng chuyển mạch burst quang bao gồm các node được kết nối với nhau qua các cáp.

Mỗi cáp có khả năng phục vụ nhiều kênh bước sóng sử dụng ghép kênh phân chia theo bướcsóng WDM. Các node trong mạng OBS có thể là node biên hay node lõi như trong hình 2.1 .Node biên có trách nhiệm lắp ráp các gói tin vào các burst, và lập lịch cho burst truyền trênkênh bước sóng. Node lõi có chức năng chính là chuyển mạch burst từ cổng đầu vào tới cổngđầu ra dựa trên gói tin tiêu đề burst và xử lý xung đột burst

Kiến trúc mạng chuyển burst quang



Node biên đầu vào lắp ráp các gói tin đến từ đầu cuối khách hàng vào trong burst. Burst đãđược lắp ráp xong được truyền đi (toàn quang) qua các router lõi mà không cần lưu trữ tại cácnode trung gian. Node biên đầu ra sau khi nhận được burst, sẽ tách các burst thành các gói tinvà chuyển chúng tới đầu cuối người dùng đích.

Trong hình 2.2, mô tả những chức năng khác nhau trong mạng chuyển mạch burst quang.Node biên đầu vào có trách nhiệm lắp ráp burst, định tuyến , phân bổ bước sóng và lập lịch choburst tại biên. Node lõi có trách nhiệm báo hiệu, lập lịch burst tại các liên kết lõi và giải quyếtxung đột. Node biên đầu ra có trách nhiệm tháo các burst và chuyển gói tin tới tầng mạng caohơn

Hình 2.2 Sơ đồ chức năng OBS

Trong kiến trúc mạng, có thể giả định rằng mỗi node có thể hỗ trợ cả lưu lượng vào cũng nhưlưu lượng “đi qua” toàn quang. Vì vậy mỗi node gồm có router lõi và router biên như trong hình2.3 và 2.4

Router lõi(hình 2.3) gồm có các OXC( kết nỗi chéo quang) và SCU(đơn vị điều khiên chuyểnmạch). SCU tạo ra và duy trì một bảng chuyển tiếp(forwarding table) và có trách nhiệm cấuhình OXC. Khi SCU nhận một gói tin tiêu đề burst, nó nhận dạng cổng đầu ra dự tính của góitin. Nếu cổng đầu ra dự tính ban đầu này rỗi khi burst dữ liệu đến, SCU cấu hình OXC để choburst dữ liệu đi qua. Nếu cổngđầu ra bận,việc OXC sẽ được cấu hình như thế nào dựa hoàntoàn vào chính sach giải quyết xung đột áp dụng cho mạng. Nói chung, SCU có chức năng giảithích tiêu đề( biên dịch) , lập lịch, phát hiện xung đột và giải quyết nó, tra bảng chuyển tiếp

(forwarding table), điều khiển ma trận chuyển mạch, viết lại tiêu đề ,và điều khiển chuyển đổibước sóng. Trong trường hợp burst dữ liệu vào OXC trước gói tin điều khiển của nó, burst sẽ bị hủy bỏ.

Router biên( hình 2.4) có chức năng tiền phân loại gói tin, bộ đệm gói tin, lắp ráp gói tin vàoburst, và tháo rời gói tin ra khỏi burst. Những chính sách lắp ráp burst khác nhau, như chínhsách threshold hoặc cơ chế timer có thể được sử dụng để tập hợp các gói tin dữ liệu lớn vàomột burst quang và gửi các burst quang vào mạng. Kiến trúc của router biên gồm có module



định tuyến, một bộ lắp ráp burst, một bộ lập lịch. Module định tuyến chọn cổng đầu ra phù hợpvới mỗi gói tin và gửi mỗi gói tin đến module lắp ráp tương ứng. Mỗi module lắp ráp burst gồmcó các gói tin được hướng đến router biên đầu ra cụ thể. Trong module lắp ráp burst, có nhiềuloại hàng đợi gói tin khác nhau cho mỗi mức độ lưu lượng. Bộ lập lịch tạo ra một burst dựa trênkĩ thuật lắp ráp burst và truyền burst qua cổng đầu ra . Tại router đầu ra,một module tháo rời

burst thành các gói tin và gửi gói tin đó đến tầng mạng phía trên.

Một vài nhà khoa học đã đề xuất một kiến trúc OBS tập trung hơn :WR-OBS (chuyển mạchburst quang định tuyến bước sóng). Một mạng WR-OBS kết hợp những chức năng của OBSvới chuyển mạch kênh nhanh bằng cách phân bổ động và giải phóng (releasing) tuyến quangđược định tuyến bước song qua một lõi quang không có đệm.

Hình 2.3 : kiến trúc router lõi



Hình 2.4 Kiến trúc router biên

Ưu điểm của kiến trúc này so sánh với OBS thông thường là có QoS rõ ràng có tính dự phòng.So với mạng định tuyến bước sóng quang tĩnh, thì WR-OBS có ưu điểm thích ứng nhanh vớilưu lượng bùng nổ, liên tục thay đổi trên mạng quang và vận hành hiệu quả hơn trên mỗi kênhbước sóng

Trong mạng WR-OBS, mỗi “request server tập trung hóa” có trách nhiệm đặt trước tài nguyêncho các yêu cầu kết nối trên toàn mạng. Mỗi node đầu vào gửi yêu cầu kết nối của chúng tớirequest server, nơi mà các yêu cầu được xếp hàng dựa vào node đầu ra đích và mức độ QoS.Server được tập trung hóa có khả năng phân bổ tài nguyên dựa vào những kiến thức toàn cụccủa nó về trạng thái của mỗi bước sóng trên mỗi liên kết trong toàn mạng. Request server tậptrung hóa có trách nhiệm xử lý mỗi yêu cầu kết nối đơn lẻ, tính toán tuyến đường từ nguồn tớiđích tương ứng và đặt trước request number của bước sóng trên mọi liên kết trên toàn tuyếnkết nối. Router biên đầu vào bắt đầu truyền dữ liệu chỉ sau khi nó nhận được một bản tin xácnhận từ request server. WR-OBS có thể nâng cao throughput của mạng, nhưng chính bản chất

“tập trung hóa” của nó rất khó có thể” mở rộng” được2.2 Enabling technology

Để cung cấp chuyển mạch burst quang cơ bản như đã nói ở phần trước cần một vài thiết bị công nghệ. Trong node lõi và biên, OXC phải hoạt động sử dụng cơ cấu chuyển mạch quangnhanh. Tại node biên phải sử dụng thiết bị nhận mode burst nhanh(fast burst receiver) để cóthể thu được tín hiệu của burst đến một cách nhanh chóng. Mỗi node cũng nên sử dụng chuyểnđổi bước sóng để giảm xung đột trên liên kết đầu ra



2.2.1 Công nghệ chuyển mạch quang

Trong khi OBS không đòi hỏi thời gian chuyển mạch nhanh như chuyển mạch gói quang, thờigian chuyển mạch nhanh dù sao cũng là rất tốt. Gần đây, một vài công nghệ vận hành chuyểnmạch toàn quang

Một trong những công nghệ cho vận hành chuyển mạch toàn quang đó là công nghệ MEMS(micro-electromechanical system). Trong chuyển mạch MEMS, những gương siêu nhỏ có khả năng di chuyển được điều chỉnh để hương tia sáng từ một đầu vào tới port đầu ra đãđịnh. Hình 2.5 cho thấy ví dụ về MEMS switch được thiết kế ra sao. Trong thiết kế này, tia sángtừ một cáp đầu vào cho trước chiếu thẳng đến một gương trong mảng gương đầu vào. Gươngđó được điều chỉnh để phản chiếu ảnh sáng đến một gương phía mảng gương đầu ra, tiếp đótia sáng được chiếu đến cáp đầu ra thích hợp. Vì MEMS dựa trên cơ chế điều chỉnh gương để phản chiếu ánh sáng , thời gian chuyển mạch do vậy là chậm. Thời gian chuyển mạch thực tế cho MEMS switch là khoảng 50ms

Hình 2.5 chuyển mạch MEMS

Một công nghệ chuyển mạch cung cấp thời gian chuyển mạch nhanh đó là SOA gate switch(SOA- khuếch đại quang bán dẫn). Lược đồ của một chuyển mạch SOA cơ bản được chỉ rõtrong hình 2.6. Tia sáng đến một đầu vào cho trước được broadcast(quảng bá) tới nhiều SOAsử dụng coupler quang. SOA hoạt động như một cổng mà có thể bật hoặc tắt đi. Nếu SOAđược bật lên, tín hiệu đến được chuyển tiếp , cho qua đến đầu ra, nếu không tín hiệu bị chặn



lại. Ưu điểm của chuyển mạch SOA bao gồm thời gian chuyển mạch nhanh - khoảng 1ns , vàkhả năng multicasting một tín hiệu tới nhiều đầu ra. Một nhược điểm của chuyển mạch dựa trênSOA là coupler gây ra sự giảm về công suất tín hiệu , dẫn đến giảm khoảng cách truyền dẫn tốiđa của tín hiệu. Đồng thời SOA cũng có giá khá đắt và có độ nhạy phân cực cao.

Hỉnh 2.6 chuyển mạch SOA

2.2.2 Burst mode receiver

Thiết bị thu truyền thông sử dụng trong hệ thống truyền dẫn quang như SONET thường khôngphù hợp với chuyển mạch burst quang. Một thiết bị thu như vậy mặc định pha và công suấtkhông đổi cho tín hiệu đến và cũng mặc định rằng tín hiệu luôn luôn hiện hữu trên đườngtruyền. Trong mạng OBS,các burst đến một thiết bị thu cho trước có thể có pha và công suấtkhác nhau,vì burst có thể đến từ nhiều nguồn khác nhau và có thể đi qua nhiều tuyến trongmạng. Hơn nữa, do bản chất của burst , một tín hiệu chỉ hiện diện trên đường truyền trong

khoảng thời gian của một burst.

Burst mode receiver là thiết bị thu được thiết kế để thích ứng với pha và công suất biến thiêncủa burst đến. Một đặc tính khác của Burst mode receiver là thời gian đạt xung đồng hồ nhanh.Burst mode receiver có khả năng phục hồi xung đồng hồ của tín hiệu 2 GB/s trong 24ns

2.2.3 Chuyển đổi bước sóng

Trong mạng chuyển mạch burst quang vận hành WDM, rất lý tưởng khi có thể có khả năngchuyển đổi bước sóng tại mỗi node để giảm xung đột. Có một cách quen thuộc nhất để chuyểnđồi tín hiệu từ một bước sóng tới bước sóng khác đó là chuyển đổi tín hiệu quang thành tín

hiệu điện và sử dụng tín hiệu điện để điều chế tín hiệu quang trên bước sóng đầu ra mongmuốn. Phương pháp này khá đơn giản và có thể chuyển đổi tín hiệu vận hành ở tốc độ lên tới10 Gb/s; tuy nhiên, cách tiếp cận này là không “trong suốt” và đòi hỏi tín hiệu quang có địnhdạng điều chế nhất định và một tốc độ nhất định

Một cách tiếp cận với vận hành chuyển đổi bước sóng toàn quang đó là điều chế cross-gain.Trong điều chế cross-gain, dữ liệu được gửi qua một SOA cùng với một tín hiệu sóng bơm liêntục(CW- continuous wave) trên một bước sóng khác. Khi tín hiệu dữ liệu cao, sóng mang trong



vùng tăng của soa trở tnên cạn kiệt, và SOA trở nên bão hòa. Kết quả là, sự khuếch đại củaCW giảm. Khi tín hiệu dữ liệu thấp, tín hiệu CW nhận được toàn bộ sự khuếch đại. Vì thế, mộtbản sao chép ngược của dữ liệu sẽ được đặt vào tín hiệu đầu ra. Kỹ thuật này có khả năngchuyển tín hiệu hoạt động ở tốc độ 10 Gb/s. Giới hạn của chuyển đổi dựa trên điều chế cross-gian đó là những kỹ thuật này đòi hỏi công suất đầu ra cao cho tín hiệu dữ liệu, và tín hiệu đầu

ra có tỉ lệ extinction thấp (tỉ lệ công suất cho một bit không chia cho công suất cho một bit 1). Điều này là do kể cả khi SOA bão hòa, tín hiệu CW vẫn nhận một vài sự khuếch đại

Một phương pháp khác để cung cấp chuyển đổi bước sóng quang đó là sử dụng trộn bốnsóng. Trộn bốn sóng là hiệu ứng phi tuyến mà khi có tín hiệu có tần số f1 và f2 tương tác để tạora những thành phần tần số mới 2f1-f2 và 2f2-f1 . Nếu tín hiệu dữ liệu hoạt động ở tần số f1 vàtín hiệu bơm CW hoạt động ở tần số f2, khi đó dữ liệu sẽ bị áp đặt làm việc tại tần số 2f1-f2 và2f2-f1. Tín hiệu mới được tạo ra có công suất nhỏ hơn tín hiệu đầu vào, vì thế khả năng chuyểnđổi của kỹ thuật này là không thật hiệu quả. Hơn nữa độ hiệu quả còn bị giảm do sự sai khácgiữa bước sóng bơm và tín hiệu bước sóng đầu ra tăng

2.3 Vấn đề tầng vật lýKhi thiết kế một mạng chuyển mạch burst quang, những hạn chế vật lý là rất đáng quang tâm.Cụ thể như suy hao, tán sắc, hiệu ứng phi tuyến. Trong những vấn đề này, nhiều cái đã xuấthiện trong mạng quang thông thường, một vài cái khác xuất hiện – như một vấn đề đặc biệttrong chuyển mạch burst quang

2.3.1 Suy hao

Khi tín hiệu quang đi trên cáp, công suất tín hiệu suy giảm do suy hao. Suy hao là do sự hấpthụ và tán xạ rayleigh. Hấp thụ là do ánh sáng bị hấp thụ trên các phân tử silica hoặc tạp chất.Ở hầu hết các cáp, lượng hấp thụ cho khoảng bước sóng hữu ích(0.8-1.6 micromet) là không

đáng kể. Tán xạ rayleigh là do độ biến thiên nhỏ của chiết suất của cáp làm tán xạ ánh sáng

Trong mạng chuyển mạch burst quang, suy hao làm giảm khoảng cách tối đa mà burst có thể điđược. Trong hầu hết các trường hợp, khuếch đại quang có thể sử dụng để khắc phục điều này;tuy nhiên khuếch đại quang cũng có thể gậy ra nhiễu

2.3.2 Tán sắc

Nếu tín hiệu quang gồm có hiều thành phần bước sóng, thì sự khác biệt giữa các thành phầncủa tín hiệu sẽ đi với vận tốc khác nhau gây ra sự trải rộng của tín hiệu trong miền thời gian.Hiệu ứng này là tán săc. Các dạng của tán sắc bao gồm có tán sắc mode và tán sắc chromatic

Tán sắc mode là do nhiều mode của cùng một tín hiệu lan truyền tại những vận tốc khác nhautrên cáp. Tán sắc mode có thể khử bằng cách ta sử dụng cáp đơn mode. Cáp đơn mode cóđường kính lõi nhỏ, chỉ có thể mang đi duy nhất một mode của tín hiệu truyền lan.

Tán sắc chromatic là do vận tốc ánh sáng là một hàm của bước sóng. Vì thế nếu tín hiệu gồmnhiều hơn một thành phần bước sóng, dẫn đến thành phần này lan truyền nhanh hơn thànhphần kia, gây ra sự trải rộng trên miền thời gian của tín hiệu. Loại tán sắc chromatic này bao



gồm tán sắc vật liệu- mà chiết suất của sợi biến đổi như một hàm của bước sóng( chiết suấtsợi với các thành phần tia sáng khác nhau là khác nhau) và tán sắc ống dẫn sóng- chiết suấtcho một bước sóng nhất định dựa vào phần công suất đi trong lõi và phần công suất đi ngoàivỏ của sợi

Trong trường hợp mà tín hiệu gồm một xung biểu diễn một bit đơn lẻ, tán sắc gây ra dãn xungkhi nó lan truyên qua sợi. Khi xung bị dãn ra, nó có thể dãn ra đủ nhiều để gây ra nhiễu vớixung bên cạnh, gây ra ISI. Suy hao sẽ làm giới hạn không gian bit và tốc độ truyền dẫn trongkênh quang

Tại bước sóng 1300nm, tán sắc vật liệu trong cáp đơn mode thông thường gần như bằngkhông. Rất may mắn là đây cũng chính là một cửa sổ suy hao thấp trong quang. Qua những kỹ thuật nâng cao như dịch tán sắc, có thể tạo ra sợi với tán sắc bằng 0 tại một bước sóng nào đótừ 1300nm tới 1700 nm. Trong sợi dịch tán sắc, lõi và vỏ được thiết kể sao cho tán sắc ống dẫnsóng là âm, vì thế khi cộng với tán sắc vật liệu sẽ cho tán sắc tổng về không. Tuy nhiên, tán sắcchỉ bằng không cho một bước sóng đơn

Cùng với vấn đề về ISI, suy hao cũng có thể gây ra vấn đề về đồng bộ trong mạng chuyểnmạch burst quang. Trong một mạng chuyển mạch burst quang, tiêu đề burst thường được gửiđến bước sóng khác với bước sóng của burst. Mỗi bước sóng trong các bước sóng đó sẽ trảiqua các mức độ tán sắc khác nhau, gây ra hiện tượng burst và tiêu đề có thể “trôi” lại gần hayra xa nhau hơn trong miền thời gian. Nếu khoảng cách vật lý của mỗi liên kết và suy hao củacáp là đã biết truosc, có thể bù lại tán sắc bằng cách điều chỉnh cho phù hợp offset của nodenguồn.(?)

2.3.3 Hiệu ứng phi tuyến

Hiệu ứng phi tuyến trong cáp thường có ảnh hưởng đến: tốc độ truyền dẫn, số kênh, khoảng

cách kênh, công suất tín hiệu. Một vài ví dụ về hiệu ứng phi tuyến : trộn 4 sóng, tự điều chế pha, điều chế pha chéo, tán xạ kích thích raman, tán xạ kích thích brillouin

Trộn bốn sóng (FWM) xảy ra khi 2 bước sóng hoạt động tại 2 tần số f1 , f2 sẽ trộng vào nhautạo ra tín hiệu 2f1-f2 và 2f2-f1. Những tín hiệu tạo ra sau này gọi là sideband, có thể gây nhiễunếu chúng trùng với tần số sử dụng truyền dữ liệu. Cũng như vậy, trộn có thể xảy ra giữa sự kết hợp của 3 hay nhiều hơn các bước sóng.Hiệu ứng trộn 4 sóng trong WDM có thể được làmgiảm nhờ sử dụng kênh có khoảng cách không đều

Tự điều chế pha là do thay đổi về cường độ của tín hiệu , gây ra sự thay đổi về pha của tínhiệu. Sự biến đổi tức thời về pha của tín hiệu có thể tạo ra thành phần tần số phụ thêm trong

tín hiệu. Những thành phần tần số này kết hợp với hiệu ứng của tán sắc, sẽ gây ra sự trải rộnghoặc nén lại của xung trong miền thời gian

Điều chế pha chéo là sự dịch về pha của 1 tín hiệu gây ra do sự thay đổi cường độ của 1 tínhiệu lan truyền tại bước sóng khác. Gần với tự điều chế pha, sự dịch về pha có thể tạo ra thànhphần tần số với, gây ra tăng tán sắc. Mặc dù điều chế pha chéo có thể giới hạn hiệu năng củahệ thống quang, nó cũng có những ứng dụng tích cực của nó. Sử dụng điều chế pha chéo ,



một tín hiệu ở một bước sóng cho trước có thể được sử dụng để điều chế một tín hiệu bơmtrên một bước sóng khác. Kỹ thuật như vậy dùng trong thiết bị chuyển đổi bước sóng

Tán xạ kích thích raman là do sự tương tác của ánh sáng với sự dao động của các phân tử.Ánh sáng tới phân tử tạo ra ánh sáng bị tán xạ ở bước sóng dài hơn bước sóng tới. Một phầncủa ánh sáng truyền đi ở mỗi tần số trong sợi raman-chủ động được dịch xuống vùng tần số thấp. Ánh sáng tạo ra ở tần số thấp gọi là sóng Stock. Khoảng tần số mà sóng Stoke chiếmđược quyết định bởi phổ tăng ích Raman – khoảng tầm 40THz dưới tần số của sóng ánh sángvào. Trong sợi silica, sóng Stoke có độ tăng tối đa tại tần số 13.2THz ít hơn tín hiệu vào

Phần công suất được chuyển sang sóng Stoke tăng nhanh chóng khi công suất của tín hiệuvào tăng. Dưới một đầu vào có công suất rất lớn, SRS sẽ gây ra hiện tượng gần như toàn bộ công suất của tín hiệu vào sẽ bị chuyển sang sóng Stoke

Trong hệ thống đa bước sóng,kênh bước sóng ngắn hơn sẽ mất công suất đến các kênh bướcsóng dài hơn trong miền phổ tăng raman. Để giảm lượng hao hụt, công suất tại mỗi kênh sẽ phải thấp hơn một mức nào đó.

Tán xạ kích thích Brillouin(SBS) tương tự với SRS, chỉ khác là dịch tần số gây ra do photon âmhọc còn SRS liên quan đến photon quang. Trong SBS, ánh sáng bị dịch lan truyền trong sợitheo hướng ngược lại với tín hiệu tới. Cường độ của ánh sáng bị tán xạ lớn hơn trong trườnghợp SRS nhiều, nhưng khoảng tần số SBS khoảng 10 GHz lại ít hơn SRS. Cùng với đó, băngthông của SBS chỉ khoảng 100MHz

Để chống lại ảnh hưởng của SBS, phải chắc rằng công suất tín hiệu vào dưới một ngưỡng nàođó. Trong hệ thống đa bước sóng, SBS có thể gây ra crosstalk giữa các kênh.

Documents

BURST Quang