Tieu Luan 5 - Chuyen Mach BURST Quang

Chuyên đề: KỸ THUẬT CHUYỂN MẠCH BURST QUANG

MỤC LỤC

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT........................................................................................2

LỜI NÓI ĐẦU.........................................................................................................4

CHƯƠNG I..............................................................................................................6

TỔNG QUAN VỀ CHUYỂN MẠCH QUANG....................................................6

1. Tổng quan về chuyển mạch quang...............................................................6

1.1. Tầm quan trọng của chuyển mạch quang.........................................6

1.2 Nguyên tắc chung của chuyển mạch quang.......................................7

1.2. Phân loại chuyển mạch quang..........................................................91.2.1. Chuyển mạch kênh quang.......................................................91.2.2. Chuyển mạch gói quang.........................................................91.2.3 Chuyển mạch burst quang(OBS):..........................................11

CHƯƠNG II..........................................................................................................14

CẤU TRÚC VÀ KỸ THUẬT HOẠT ĐỘNG MẠNG CHUYỂN MẠCH QUANG..................................................................................................................14

2.1 Cấu trúc của mạng chuyển mạch burst quang (OBS)..............................14

2.1.1 Cấu trúc mạng chuyển mạch burst quang(OBS)..........................14

2.1.2 Cấu trúc node trong mạng chuyển mạch burst quang..................152.1.2.1 Cấu trúc node lõi.................................................................162.1.2.2 Cấu trúc node biên..............................................................17

2.1.3 Hoạt động của mạng chuyển mạch OBS......................................19

2.2 Các phương thức điều khiển trong chuyển mạch burst quang.................21

2.2.1 Phương thức điều khiển theo kiểu TAG (Tell-And-Go)..............21

2.2.2 Phương thức điều khiển theo kiểu TAW (Tell-And-Wait)...........22

2.2.3 Phương thức điều khiển theo kiểu IBT (In-Band-Terminater).....23

2.2.4 Phương thức điều khiển theo kiểu RFD (Reserve-a-Fixed-Duration)..........................................................................................23

2.3 Các giao thức sử dụng để đăng ký tài nguyên trong OBS........................23

2.3.1 Giao thức JIT (Just-In-Time)........................................................23

2.3.2 Giao thức JET(Just-Enought-Time).............................................26

2.4 Một số vấn đề liên quan đến chuyển mạch burst quang...........................30

2.4.1 Các cơ chế đăng ký bước sóng.....................................................30

Nhóm 1.5 CNTT K2012


2.4.1.1 Thiết lập và giải phóng rõ ràng...........................................302.4.1.2 Thiết lập rõ ràng và giải phóng ước lượng.........................312.4.1.3 Thiết lập ước lượng và giải phóng rõ ràng.........................312.4.1.4 Thiết lập và giải phóng ước lượng......................................31

2.4.2 Thời gian trễ.................................................................................322.4.2.1 Không đăng ký....................................................................322.4.2.2 Đăng ký một chiều..............................................................322.4.2.3 Đăng ký hai chiều...............................................................32

2.4.3 Tranh chấp và giải quyết tranh chấp trong mạng OBS.................332.4.3.1 Phương pháp sử dụng bộ đệm quang..................................332.4.3.2 Phương pháp chuyển đổi bước sóng...................................342.4.3.3 Phương pháp định tuyến đổi hướng....................................352.4.3.4 Phương pháp phân mảnh burst...........................................35

CHƯƠNG III.........................................................................................................38

MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG CẤU TRÚC VÒNG CHUYỂN MẠCH BURST...................................................................................................................38

3.1 Giới thiệu chung.......................................................................................38

3.2 Kiến trúc mạng và node của mạng vòng OBS.........................................38

3.2.1 Kiến trúc mạng vòng OBS............................................................38

3.2.2 Kiến trúc node mạng trong mạng vòng OBS...............................40

3.3 Hoạt động của bước sóng điều khiển trong mạng vòng OBS..................41

3.4 Các giao thức truy nhập mạng vòng OBS................................................43

3.4.1 Nguyên lý truy nhập mạng vòng OBS..........................................44

3.4.2 Giao thức quay vòng với lựa chọn ngẫu nhiên (RR/R)................46

3.4.3 Giao thức quay vòng phục vụ kiên trì (RR/P)..............................48

3.4.4 Giao thức quay vòng phục vụ không kiên trì (RR/NP)................50

3.4.5 Giao thức quay vòng thẻ bài (RR/Token)....................................52

3.4.6 Giao thức quay vòng có xác nhận (RR/ACK)..............................54

CHƯƠNG IV.........................................................................................................56

ỨNG DỤNG OBS TRONG MẠNG THẾ HỆ SAU...........................................56

4.1 Giới thiệu về mạng thế hệ sau..................................................................56

4.2 Mạng truyền tải quang thế hệ sau.............................................................61

4.3 Chuyển mạch nhãn đa giao thức có sử dụng OBS...................................62

4.4 OBS như là một vấn đề tối ưu hóa hệ thống hàng đợi.............................65



4.5 Các kiến trúc OBS thế hệ tiếp theo..........................................................66

4.6 OBS hỗ trợ điều khiển luồng....................................................................67

4.7 Khả năng ứng dụng của OBS trong mạng truyền tải thế hệ sau...............68

KẾT LUẬN............................................................................................................70



THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

ACK Acknowlegment Thông tin xác nhậnAPI Application Program Interface Giao diện trình ứng dụngAQM Active Queue Management Quản lý hàng đợi tích cựcATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền tải không đồng bộBBM Buffered Burst Multiplexer Bộ ghép burst có đệm

Nhóm 1.5 CNTT K2012 1


BHP Burst Header Packet Gói tiêu đề burstDFDP Deflecr First, Drop Policy Đổi hướng trước, và chính sách loại bỏ

DFSDPDeflect First, Segment and Drop Policy

Đổi hướng trước, chính sách phân mảnh và loại bỏ

DR Delay Reservation Đăng ký trễDWDM Dense WDM WDM mật độ caoDXC Digital Cross connect Kết nối chéo sốFCFS First Come, First Served Đến trước, phục vụ trướcFDL Fiber Delay Line Đường dây trễ quangFDDI Fiber Distributed Data Interface Giao diện dữ liệu phân bố cápFIFO First In, First Out Vào trước, ra trướcFRP Fast Reservation Protocol Giao thức đăng ký trướcHDTV High Difinition Television Truyền hình độ phân giải caoIBT In-Band-Terminal Tên giao thứcIM Input Module Module đầu vàoIN Intelligent Network Mạng thông minhIP Internet Protocol Giao thức InternetISPs Internet Service Providers Nhà cung cấp dịch vụ InternetJET Just Enought Time (tên giao thức)JIT Just In Time (tên giao thức)LAN Local Area Network Mạng nội hạtLCFS Last Come, First Served Đến sau, phục vụ trướcLIB Label Information Base Cơ sở thông tin nhãnMAN Metro Area Network Mạng đô thịMPLS Multi Protocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thứcMUX Multiplexer Bộ ghép kênhNGN Next Generation Network Mạnh thế hệ tiếp theoOADM Optical Add/Drop Multiplexer Bộ xen rẽ quangOBS Optical Burst Switching Chuyển mạch Burst quangODL Optical Delay Line Đường dây trễ quangODD Only Destination Delay (tên giao thức)OLS Optical Lable Switching Chuyển mạch nhãn quangOM Output Module Module đầu ra OPR Optical Packet Routing Định tuyến gói quangOPS Optical Packet Switching Chuyển mạch gói quangOSM Optical Switching matrix Ma trận chuyển mạch quangOSN Optical Switching node Nút chuyển mạch quangOXC Optical Cross-Connect Kết nối chéo quangPSE Primitive Switching Element Phần tử chuyển mạch sơ cấpRFD Reserve-a-fixed-Delay Đăng ký trễ cố địnhRR/ACK Round-Robin With Acknowlegment Giao thức quay vòng có xác nhận

RR/NPRound-Robin With Non-Persistent service

Giao thức quay vòng phục vụ không kiên trì

RR/P Round-Robin With Persistent service Giao thức quay vòng phục vụ kiên trìRR/R Round-Robin With selection Giao thức quay vòng với lựa chọn



Random ngẫu nhiênRR/Token Round-Robin With Token Giao thức quay vòng với thẻ bàiRS Random Selection Lựa chọn ngâu nhiênSCU Switching Control Unit Khối điều khiển chuyển mạchSDH Synchronous Digital Hierarchi Ghép kênh cận đồng bộSONET Synchronous Optical Network Mạng quang đồng bộTAG Tell Ang Go (tên giao thức)TAW Tell And Wait (tên giao thức)TCP Transfer Control Protocol Giao thức điều khiển truyền dẫnTDM Time Dvision Multiplexing Ghép kênh phân chia theo thời gian

WADMWavelength Add/drop Division Multiplexing

Bộ xen rẽ theo bước sóng

WAN Wide Area Network Mạng điện rộngWDM Wavelength Division Multiplexer Bộ ghép kênh phân chia theo bước sóngWR-OBS Wavelength-Route OBS OBS định tuyến theo bước sóng



LỜI NÓI ĐẦU

Cuối thể kỷ 20 nhiều nhà khai thác viễn thông trên thế giới đã chứng kiến những biến động lớn về bản chất lưu lượng truyền tải trên mạng. Lưu lượng phi thoại dần lấn át lưu lượng thoại truyền thống. Nguyên nhân sâu xa của vấn đề này là do tốc độ phát triển vượt bậc của lưu lượng Internet và sự gia tăng không ngừng của số người sử dụng cùng các nhà cung cấp dịch vụ Internet đã làm cho Internet ngày càng trở nên hữu dụng. Các cuộc gọi truyền thống đã bị thay thế bằng các cuộc gọi số liệu với đặc tính lưu lượng “bùng nổ”, thời gian cuộc gọi dài và có tính bất đối xứng (lưu lượng đường lên khác với lưu lượng đường xuống…), đã tạo nên những thách thức mới cho nhà khai thác mạng.

Kiến trúc mạng IP ngày nay được xây dựng theo kiểu xếp chồng giao thức những công nghệ như ATM, SDH và WDM. Do có nhiều lớp liên quan nên đặc trưng của kiến trúc này là dư thừa tính năng; và chi phí liên quan đến vận hành khai thác cao. Hơn nữa, kiến trúc này trước đây sử dụng để cung cấp chỉ tiêu đảm bảo cho dịch vụ thoại và thuê kênh, không được thiết kế phù hợp cho mạng số liệu. Do đó nó không thật sự thích hợp đối với các ứng dụng hoạt động dựa trên công nghệ chuyển mạch gói và đặc biệt là những ứng dụng có nguồn gốc IP.

Một số nhà cung cấp và tổ chức tiêu chuẩn đang đề xuất những giải pháp mới khai thác IP trên kiến trúc mạng đơn giản, ở đó lớp WDM là nơi cung cấp băng tần truyền dẫn vô cùng lớn. Những giải pháp này cố gắng giảm tối đa các tính năng dư thừa, thông tin mào đầu giao thức, đơn giản hoá công việc quản lý và qua đó truyền tải IP trên lớp WDM (lớp mạng quang) càng hiệu quả càng tốt.

Việc loại bỏ các lớp mạng trung gian trong kiến trúc mạng truyền tải IP gắn liền với sự phát triển của công nghệ chuyển mạch quang. Sự mở rộng chức năng của chuyển mạch quang tới lớp cao hơn sẽ tạo ra một kiến trúc mạng vô cùng đơn giản, và đó cũng là mục tiêu hướng đến trong tương lai; kiến trúc mạng chỉ gồm hai lớp: IP/quang. Hiện nay các sản phẩm chuyển mạch bước sóng quang đã được thương mại hoá. Chuyển mạch burst quang (OBS), chuyển mạch gói quang (OPS) đang trong giai đoạn nghiên cứu phát triển. Vấn đề về công nghệ đang là rào cản chính trong lĩnh vực này.

Nội dung của đồ án bao gồm 4 chương và phần kết luận, được cấu trúc như sau:

• Chương 1: Trình bày tổng quan về sự phát triển của công nghệ chuyển mạch quang hiện tại. Thực hiện đi xâu vào tình hình phát triển của kỹ thuật chuyển mạch quang OBS.

• Chương 2: Tìm hiểu hoạt động và một số vấn đề liên quan đế kỹ thuật chuyển mạch quang OBS, cùng với một số giao thức điều khiển đăng ký tài nguyên của OBS. Ngoài ra trong chương này còn đi vào tìm hiểu một số vấn đề liên quan đến OBS.



• Chương 3: Chương này đi giới thiệu về cơ chế hoạt động của một số giao thức truy nhập dùng trong mạng OBS cấu trúc vòng.

• Chương 4: Nghiên cứu một số đặc điểm đặc trưng chủ yếu của OBS phù hợp với mạng truyền tải thế hệ sau và đưa ra một số cấu trúc chuyển mạch burst cải tiến để phù hợp với mạng truyền tải thế hệ sau.

Công nghệ OBS đang trong giai đoạn nghiên cứu thử nghiệm chính vì vậy thông tin về những công nghệ này còn chưa nhiều. Nội dung của chuyên đề tiểu luận được thực hiện trên cơ sở thu thập, nghiên cứu các bài báo đã được công bố trên các tạp chí khoa học và các tài liệu thu thập được từ Internet.

Xuất phát từ những đặc điểm trên nên phạm vi của chuyên đề chỉ dừng lại ở mức nghiên cứu lý thuyết nhằm đưa ra một bức tranh tổng thể về lĩnh vực công nghệ chuyển mạch này. Những vấn đề nghiên cứu sâu như vấn đề đồng bộ, QoS,... trong mạng chưa được đề cập vì thời gian cũng như trình độ hiểu biết còn nhiều hạn chế. Nếu có điều kiện nhóm sẽ xin được tìm hiểu và nghiên cứu sâu hơn.



CHƯƠNG I

TỔNG QUAN VỀ CHUYỂN MẠCH QUANG

1.1. Tổng quan về chuyển mạch quang

1.1.1. Tầm quan trọng của chuyển mạch quang

Chuyển mạch là một thiết bị tối cần thiết trong mạng truyền tải, nó là thiết bị duy nhất cho phép truyền tải thông tin giữa một node này với một hay nhiều node khác, hay đầu cuối này với một hay nhiều đầu cuối khác trong mạng truyền tải thông tin.

Trước đây, do dung lượng mạng không lớn nên chỉ cần hệ thống chuyển mạch với dung lượng nhỏ, tốc độ không cao cũng có thể đáp ứng đủ nhu cầu của xã hội lúc bấy giờ. Nhưng sau này, do nhu cầu trao đổi thông tin của con người ngày càng tăng với nhiều dịch vụ đa dạng hơn gây nên sự "bùng nổ" lưu lượng làm cho mạng với cơ sở hạ tầng cũ trở nên quá tải, và cần phải sử dụng các công nghệ chuyển mạch mới để tăng tốc độ truyền tải thông tin cũng như sử dụng tài nguyên mạng một cách hiệu quả hơn.

Mặt khác do công nghệ truyền dẫn quang phát triển, các mạng truyền dẫn quang được xây dựng, đã đem lại dung lượng truyền dẫn vô cùng lớn do băng tần sóng mang quang có thể lên tới 200 THz, nhưng dung lượng mạng vẫn không đáp ứng được sự "bùng nổ" lưu lượng do dung lượng mạng bị giới hạn bởi các thiết bị chuyển mạch điện tử có dung lượng và tốc độ hạn chế.

Chuyển mạch quang ra đời như một giải pháp được lựa chọn để nâng cao hiệu quả truyền tải thông tin tốc độ cao mà không phải thay đổi hay bổ sung hệ thống truyền dẫn quang sẵn có của mạng. Đồng thời cho phép tăng đáng kể dung lượng mạng cũng như chất lượng dịch vụ được cung cấp bởi mạng có hệ thống truyền dẫn quang. Cho phép cung cấp nhiều dịch vụ mới với băng thông rộng trên hệ thống truyền dẫn quang đã được lắp đặt trước đây. Góp phần làm tăng lợi nhuận của các nhà đầu tư viễn thông, cùng các nhà khai thác dịch vụ.

Chuyển mạch quang ra đời đã khắc phục được các hạn chế của việc xử lý và chuyển mạch tín hiệu trong miền điện như trước đây. Ở trong chuyển mạch quang chỉ có các thông tin điều khiển với số lượng ít ỏi là được biến đổi quang-điện-quang tại mỗi node chuyển mạch để xử lý định tuyến, vì vậy đã làm giảm đáng kể trễ xử lý do không còn phải tốn thời gian để biến đổi quang-điện-quang cho phần thông tin người dùng (khối lượng lớn) tại các đầu vào và đầu ra node mạng quang.

Ngoài ra sự có mặt của chuyển mạch quang cho phép các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông cung cấp nhiều dịch vụ viễn thông mới với chất lượng dịch vụ tốt hơn, băng thông rộng hơn và được cung cấp một cách mềm dẻo hơn. Có nhiều mức chất lượng dịch vụ khác nhau cho khách hàng lựa chọn. Tăng đáng


kể dung lượng mạng viễn thông hiện có mà không phải bổ sung thêm cơ sở hạ tầng mới gây tốn kém.

Các công nghệ chuyển mạch quang mới ra đời nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên mạng, cũng như tận dụng tốc độ truyền dẫn dịch vụ tương đối cao của các mạng truyền dẫn quang hiện có như chuyển mạch kênh quang, chuyển mạch gói quang, chuyển mạch burst quang. Đồng thời bổ sung thêm các chức năng mới để phù hợp hơn với các dịch vụ viễn thông mới chất lượng cao băng thông rộng, với nhiều loại hình dịch vụ.

1.1.2 Nguyên tắc chung của chuyển mạch quang

Nguyên tắc chung của chuyển mạch quang là thực hiện chuyển mạch thông tin dữ liệu trong miền quang (tại lớp quang) mà không còn cần phải chuyển đổi thông tin dữ liệu sang miền điện như các node chuyển mạch điện trước đây. Bằng cách tạo ra các kênh quang (kênh bước sóng hay khe thời gian) để truyền tải thông tin dữ liệu.

Ngoài ra, cũng giống như chuyển mạch nói chung. Chuyển mạch quang cũng thực hiện lưu đệm và chuyển tiếp thông tin tải trọng giữa nguồn và đích. Nhưng có một điểm khác biệt giữa chuyển mạch quang và chuyển mạch điện tử là: Trong chuyển mạch quang dữ liệu được "làm trễ" trước khi được chuyển tiếp tới node tiếp theo trên đường đi tới đích, chứ không phải thực hiện đệm tại các node trung gian như trong chuyển mạch điện tử.

Trong chuyển mạch quang, tại các node chuyển mạch các thông tin điều khiển được tách riêng biến đổi quang điện, và xử lý để lấy thông tin định tuyến, còn thông tin tải trọng được lưu trong các bộ đệm quang hay các đường dây trễ để đợi chuyển mạch tới đầu ra thích hợp trên hướng đi tới đích. Như vậy trong chuyển mạch quang đã bỏ đi hẳn quá trình chuyển đổi O/E/O làm giảm đáng kể trễ xử lý tại các node chuyển mạch.

Dưới đây là mô hình chung của một node chuyển mạch quang.

Hình 1.1: Mô hình chung của một node chuyển mạch quang

TIEN DUNG, 09/27/15,

Để làm gì?


Tại sao phải O/E/O khi trương điểu khiển khi chuyển mạch quang?


Một node chuyển mạch quang nói chung bao gồm 4 phần chính:1. Khối giao diện đầu vào: Thu, đệm tín hiệu quang để chuẩn bị đưa vào

trường chuyển mạch thực hiện chuyển mạch tới đầu ra, và tách thông tin điều khiển đưa lên khối điều khiển chuyển mạch.

2. Khối điều khiển chuyển mạch: Khối này thực hiện thu nhận các thông tin từ module đầu vào và phân tích thông tin điều khiển và thực hiện điều khiển khối chuyển mạch. Ngoài ra sau khi phân tích xong thông tin điều khiển thì nó còn phải có chức năng cấu tạo lại phần thông tin điều khiển đưa tới module đầu ra.

3. Khối chuyển mạch quang: Đây là thành phần chính trong mỗi node chuyển mạch quang thực hiện chức năng chuyển mạch thông tin từ đầu vào tới đầu ra theo yêu cầu.

4. Khối giao diện ra: thực hiện đệm đầu ra và ghép thông tin tải trọng và thông tin điều khiển mới, biến đổi thành tín hiệu phù hợp với đường truyền và đưa lên đường truyền dẫn.

Các đơn vị thông tin truyền tải khi đến node chuyển mạch nó được đưa qua một bộ phân kênh (DEMUX) để tách phần tải trọng đưa vào bộ đệm quang (đường dây trễ), và thông tin điều khiển đưa vào module đầu vào của khối điều khiển chuyển mạch để chuẩn bị xử lý lấy thông tin định tuyến, để điều khiển khối chuyển mạch. Thực hiện chuyển mạch thông tin dữ liệu tới đầu ra phù hợp, rồi qua bộ ghép thông tin điều khiển (MUX) và được đưa lên đường truyền quang tới node tiếp theo trên đường đi từ nguồn tới đích.

1.2. Phân loại chuyển mạch quang

1.2.1. Chuyển mạch kênh quang

Trong chuyển mạch kênh quang, một kênh quang được thiết lập trước khi truyền tin bởi một bản tin thiết lập, và được giải phóng bởi một bản tin giải phóng được gửi đi sau khi cuộc nối kết thúc. Đơn vị dữ liệu trong chuyển mạch kênh thường là bản tin.

Chuyển mạch kênh quang hoạt động theo phương pháp định tuyến bước sóng. Trong mạng chuyển mạch kênh quang định tuyến bước sóng một kênh bước sóng sẽ được thiết lập từ điểm đầu tới điểm cuối trước khi truyền tin và kênh đó sẽ bị chiếm dụng trong suốt thời gian diễn ra cuộc nối.

Để thiết lập một cuộc nối trong mạng chuyển mạch kênh bao gồm 3 pha (thiết lập kết nối, truyền tin, giải phóng kết nối). Sau đây là mô hình thiết lập một kết nối đối với giao thức không yêu cầu bản tin xác nhận kết thúc phiên truyền tin.


So sánh chuyển mạch kênh quang và chuyển mạch gói quang (ưu, nhược điểm)


Hình 1.2: Mô tả quá trình kết nối trong mạng chuyển mạch kênh quang

1.2.2. Chuyển mạch gói quang

Ở mạng chuyển mạch gói thông tin cần truyền được cắt nhỏ thành các khối có kích thước cố định hay thay đổi, và được cấu trúc thành gói tin bao gồm thông tin tải trọng (là thông tin dữ liệu người dùng cần truyền, trao đổi) và phần thông tin điều khiển mạng (thông tin điều khiển header) để gửi qua mạng tới đích. Tại phía thu phải thực hiện phục hồi bản tin từ các gói tin thu được. Trong mạng chuyển mạch gói các kết nối chỉ được thiết lập khi truyền gói tin, sau khi truyền song gói tin thì kết nối đó được giải phóng và các tài nguyên mạng đã phục vụ kết nối này lại được cung cấp phục vụ cho các kết nối khác, vì vậy mà kết nối chỉ được thiết lập khi thực sự có thông tin cần truyền. Đây là điểm khác biệt so với chuyển mạch kênh. Trong mạng chuyển mạch gói đã khắc phục được nhược điểm của mạng chuyển mạch kênh đó là sử dụng tài nguyên mạng một cách mềm dẻo và đạt hiệu quả cao.

Trong mạng chuyển mạch gói quang thì các dữ liệu người sử dụng được truyền dẫn quang hoàn toàn từ nguồn đến đích. Chính điều này đã làm giảm đáng kể thời gian trễ xử lý như ở các mạng chuyển mạch gói sử dụng chuyển mạch điện tử do không phải thực hiện biến đổi O-E-O tại các node trung gian.

Tuỳ theo kỹ thuật chuyển mạch được áp dụng mà ta có các kiểu thiết lập kết nối khác nhau: Như định tuyến độc lập (tức là, mỗi gói tin được định tuyến trên những đường đi khác nhau tối ưu tại thời điểm đó), định tuyến phụ thuộc (là phương pháp định tuyến mà trong đó các gói tin cùng đi trên một đường đi) hay định tuyến ngẫu nhiên (là gói tin được gửi đi liên tục trên mạng và ngẫu nhiên đến đích). Ở mạng chuyển mạch gói các gói tin có thể đi trên các con đường khác nhau, là con đường tối ưu nhất tại thời điểm đó, khi con đường tối ưu nhất bị lỗi thì mạng có khả năng định tuyến lại.


Hình 1.3: Mô hình mạng chuyển mạch gói.Một nguyên tắc cơ bản của chuyển mạch gói đó là "lưu đệm" và chuyển

tiếp, tức là một gói tin chỉ được gửi đi khi đã thu được hoàn toàn đầy đủ tại node nguồn hay các node trung gian. Chính đặc điểm này đã khiến các gói tin bị trễ tương ứng với độ dài của mỗi gói tại các node trung gian. Để giảm trễ thì người ta có thể tiến hành sử dụng các giao thức khác như: Giao thức không kiểm tra lỗi tại node trung gian (trong mạng sử dụng công nghệ ATM), giao thức không cần bản tin xác nhận, hay có thể thực hiện ước lượng thống kê kích thước gói để gửi đi trước thiết lập băng thông và cấu hình chuyển mạch...v...v...

Tuy nhiên chuyển mạch gói vẫn không phải là một phương pháp hoàn hảo có thể đáp ứng mọi nhu cầu trong tương lai, nó vẫn tồn tại các hạn chế khó khắc phục như: Khi tốc độ đường truyền lên cao thì thời gian truyền dẫn trở nên không đáng kể. Vì vậy, nếu kích thước gói nhỏ thì thời gian định tuyến trở nên lớn hơn thời gian truyền thông tin rất nhiều, hay có thể xảy ra tranh chấp gây tắc nghẽn mạng do quá nhiều thông tin điều khiển phải xử lý... Vì vậy cần phải phát triển một công nghệ chuyển mạch khác khắc phục được các nhược điểm này, phù hợp hơn với các mạng hiện tại có dung lượng lớn tốc độ truyền dẫn cao. Chuyển mạch burst quang là một trong những công nghệ chuyển mạch đáp ứng được các yêu cầu đó.

1.2.3 Chuyển mạch burst quang (OBS):

Chuyển mạch burst quang ra đời là sự kết hợp các ưu điểm của cả chuyển mạch gói quang và chuyển mạch kênh quang. Nó được thiết kế để cân bằng giữa các ưu và nhược điểm của cả hai loại chuyển mạch này, thực hiện truyền thông tin dưới dạng các burst quang. Đặc biệt hơn là nó không yêu cầu đệm các burst quang tại các node trung gian (thực hiện truyền dẫn qua mạng truyền tải quang một cách trong suốt).


Nguyên tắc hoạt động của chuyển mạch burst quang. Chức năng Node lõi, Node biên


Hình 1.4: Mô hình mạng chuyển mạch burst quang

Trong mạng chuyển mạch burst quang các thông tin cần truyền được cấu trúc vào thành các burst, bao gồm một gói điều khiển được gửi đi trước để đăng ký sử dụng tài nguyên mạng và phần thông tin tải trọng bao gồm nhiều gói tin IP hay tế bào ATM hay Frame ralay thậm trí là dữ liệu HDTV đã được cấu trúc thành một burst đi theo sau gói điều khiển đã được gửi đi.

Các node mạng trong mạng chuyển mạch burst quang được phân thành hai loại: node lõi và node biên.

Node lõi: Là node chỉ có chức năng thu nhận và chuyển tiếp các burst đến tới các node tiếp theo trên đường đi trong mạng. Tuỳ theo các phương thức điều khiển được sử dụng trong mạng mà node lõi có thể có bộ đệm hay không. Chức năng chính của node này chỉ đơn thuần thực hiện cung cấp kết nối để chuyển tiếp burst tới node tiếp theo mà không có chức năng cấu thành hay phân giải burst.

Node biên: Ngoài chức năng của một node lõi nó còn phải có chức năng cấu tạo (thành lập) và phân giải các burst thông tin, là nơi kết cuối hay bắt đầu của các burst. Đây là node có cả giao diện tín hiệu quang với các mạng quang và mạng chuyển mạch burst và giao diện tín hiệu điện với các mạng chuyển mạch gói điện hay các mạng truy nhập. Chức năng chính của node này là thu thập thông tin để cấu tạo các burst và phân giải các burst ra thành các dạng thông tin ban đầu(gói hay bản tin) phân bổ chúng tới các mạng truy nhập.

Ở mạng chuyển mạch burst quang mỗi burst chỉ có một gói mang thông tin điều khiển (gói điều khiển) nên đã giảm được đáng kể lượng thông tin điêu khiển tăng hiệu suất truyền tin. Đồng thời trong mỗi burst được cấu tạo từ nhiều gói nên cũng không chiếm dụng kênh trong thời gian qua dài hay gây trễ quá lớn tới các burst khác. Ở mạng chuyển mạch burst có thể tiến hành phát burst


trong khi vẫn còn đang thu phần sau của burst đó nên giảm hiện tượng trễ do một burst chiến dụng kênh quá lâu gây ảnh hưởng tới các burst khác, nên tăng hiệu quả sử dụng tài nguyên đồng thời tăng được chất lượng dịch vụ.

Chuyển mạch burst quang có một số đặc trưng sau đây:1. Kích thước đơn vị truyền dẫn của chuyển mạch burst nhỏ hơn kích

thước đơn vị truyền dẫn của chuyển mạch kênh và lớn hơn đơn vị truyền dẫn của chuyển mạch gói quang.

2. Có sự ngăn cách giữa điều khiển và dữ liệu: Thông tin điều khiển của chuyển mạch burst được truyền trên một bước sóng riêng (báo hiệu ngoài băng), và không được truyền đi cùng với burst như ở chuyển mạch gói mà nó được truyền đi trước.

3. Sử dụng đăng ký trước: Trước khi truyền burst thì nó gửi đi một gói điều khiển để đăng ký tài nguyên và cấu hình trường chuyển mạch. Node nguồn không yêu cầu thu nhận thông tin xác nhận từ node đích gửi về trước khi truyền tin tới node đích.

4. Kích thước burst có thể thay đổi. Từ kích thước burst nhỏ nhất tới kích thước burst lớn nhất. Đặc biệt có thể phát burst bổ sung.

5. Không sử dụng bộ đệm: Các node trung gian trong mạng chuyển mạch burst quang không thực hiện đệm tín hiệu. Các burst được truyền thẳng qua các node trung gian tới node đích.

6. Đặc biệt trong chuyển mạch burst quang có thể ứng dụng kỹ thuật ước lượng thống kê kích thước burst để gửi đi trước trong gói điều khiển, giảm thời gian trễ burst tại các node nguồn.

Mặt khác chuyển mạch burst quang có tốc độ cao và cho phép đồng thời truyền dẫn nhiều loại lưu lượng khác nhau (IP, ATM, Frame relay hay HDTV...) nên có thể đáp ứng được các dịch vụ mới yêu cầu chất lượng cao băng thông rộng trong tương lai. Hiện nay chuyển mạch burst quang đang là một giải pháp phù hợp nhất cho mạng internet tốc độ cao và cung cấp các dịch vụ đa phương tiện. Tuy nhiên vấn đề ứng dụng chuyển mạch burst quang vào mạng viễn thông hiện nay vẫn đang gặp nhiều khó khăn, do công nghệ bộ nhớ truy nhập quang chưa phát triển, chất lượng các thiết bị quang lượng tử chưa được chính xác,…đang là vấn đề lớn nhất cần giải quyết.


CHƯƠNG II

CẤU TRÚC VÀ KỸ THUẬT HOẠT ĐỘNG MẠNG CHUYỂN MẠCH QUANG

2.1 Cấu trúc của mạng chuyển mạch burst quang (OBS)

2.1.1 Cấu trúc mạng chuyển mạch burst quang(OBS)

Mạng chuyển mạch burst quang được cấu trúc như hình vẽ dưới đây.

Hình 2.1: Cấu trúc mạng chuyển mạch burst quang

Ở mạng chuyển mạch burst quang hay còn được gọi là mạng toàn quang có đơn vị truyền dẫn là các burst, có kích thước bằng một số gói IP hay một chuỗi các tế bào ATM ... Nhưng nhỏ hơn đơn vị truyền dẫn của chuyển mạch kênh là bản tin. Ở đây burst được truyền đi sau gói điều khiển một khoảng thời gian trễ để đảm bảo vẫn đủ thời gian xử lý chuyển mạch mà các burst không cần phải trễ (đệm) tại bất cứ node trung gian nào trên đường đi từ nguồn tới đích. Tại mỗi node trung gian chỉ có gói điều khiển được phân tích, xử lý còn burst được truyền thẳng (truyền trong suốt).

Mạng chuyển mạch burst quang được cấu trúc bao gồm hai loại node mạng (node lõi, node biên) và các tuyến truyền dẫn quang.

Các node biên, có giao tiếp với các mạng truy nhập khác như mạng chuyển mạch gói, IP hay mạng LAN, WAN khác thu thập thông tin sau đó cấu tạo burst, đồng thời có chức năng thu thập các burst từ mạng chuyển mạch burst tiến hành phân giải chúng thành các gói tin ban đầu và định tuyến chúng vào đúng người sử dụng trong các mạng truy nhập nhờ bộ định tuyến biên. Vì


vậy chức năng chính của các node biên là cấu tạo và phân giải các burst hay còn gọi đây là nơi mở đầu và kết cuối các burst.

Node biên được trang bị bộ định tuyến biên để có khả năng định tuyến các gói tin được tách ra từ các burst vào đúng mạng yêu cầu đồng thời thực hiện phân tích node đích của các gói tin đến để tiến hành cấu trúc burst đưa lên mạng chuyển mạch burst đúng hướng. Đặc biệt tại node biên thông tin đến được đệm trong miền điện tại các bộ đệm điện tử đơn giản.

Các node lõi, có chức năng chính là chuyển tiếp các burst đi từ nguồn tới đích yêu cầu. Node lõi thực hiện phân tích các bản tin điều khiển để tiến hành cấp phát tài nguyên mạng phục vụ thiết lập kết nối truyền burst tương ứng. Trong một số trường hợp các node lõi có nhiệm vụ làm trễ các burst để có đủ thời gian xử lý bản tin điều khiển chuyển mạch nếu thấy cần thiết.

Khi một burst tới node lõi thì gói điều khiển sẽ được kết nối tới khối điều khiển và kết cuối tại khối điều khiển, còn thông tin dữ liệu được kết cuối tại khối chuyển mạch đợi để được đưa tới đầu ra thích hợp. Gói điều khiển sau khi được phân tích song chúng được cấu trúc lại có bổ sung các thông tin có sự thay đổi như thời gian trễ, bước sóng truyền burst,…để đi tới node tiếp theo.

Trong mỗi node lõi của mạng chuyển mạch burst quang, tuỳ vào kiến trúc và phương pháp điều khiển chuyển mạch mà nó được cấu trúc sao cho phù hợp và đạt hiệu quả kinh tế cao. Nó có thể có bộ đệm hay không có bộ đệm, và gói điều khiển của burst dữ liệu có thể được truyền trong băng (tức là, trên cùng một bước sóng với dữ liệu) hay ngoài băng (tức là, trên một bước sóng riêng biệt) thông thường gói điều khiển sẽ được truyền đi trên một bước sóng riêng biệt so với bước sóng burst, ngay sau burst hay sau một khoảng thời gian trễ.

Các tuyến truyền dẫn, Trên các đường truyền dẫn quang có thể thực hiện truyền một bước sóng hay nhiều bước sóng nhờ công nghệ WDM và DWDM, các kênh bước sóng sẽ được giải phóng ngay sau khi truyền song burst để phục vụ cho các kết nối khác. Trong mạng chuyển mạch burst quang thì trước khi burst được truyền đi nó phải đăng ký bước sóng sử dụng và bước sóng đó được giải phóng ngay sau khi burst truyền qua nên các burst từ các nguồn và đích khác nhau có thể sử dụng cùng một bước sóng theo kiểu ghép kênh thống kê theo thời gian.

2.1.2 Cấu trúc node trong mạng chuyển mạch burst quang

Như đã nói ở phần trên mạng chuyển mạch burst được cấu trúc bao gồm hai loại node chuyển mạch: Node lõi, và node biên. Sau đây chúng ta đi phân tích cấu trúc từng loại node.

2.1.2.1 Cấu trúc node lõi

Do chức năng chính của node lõi là chuyển mạch các burst đến tới đầu ra theo yêu cầu để tới node tiếp theo nên nó được cấu trúc bao gồm khối chuyển mạch, khối điều khiển chuyển mạch và các giao diện đầu vào/ra. Tuỳ theo cấu trúc có thể có thêm bộ đệm quang.


Node lõi trong mạng chuyển mạch burst quang được cấu trúc như hình 2.2.

Hình 2.2: Cấu trúc node lõi trong mạng chuyển mạch burst quang

Một node lõi trong mạng OBS được cấu trúc bao gồm khối chuyển mạch, khối điều khiển chuyển mạch, bộ đệm quang đầu vào và các khối giao diện đường truyền dẫn(MUX, DEMUX, IM, OM).

Trong đó khối chuyển mạch quang, mang ý nghĩa chủ chốt nó quyết định dung lượng chuyển mạch của cả node chuyển mạch. Khối chuyển mạch bao gồm khối chuyển mạch không gian không tắc nghẽn và bộ chuyển đổi bước sóng cho phép chuyển mạch các burst dữ liệu từ bất cứ đầu vào nào tới đầu ra theo yêu cầu đảm bảo không bị chồng lấn lên các burst dữ liệu khác.

Khối điều khiển chuyển mạch, có nhiệm vụ thu nhận và phân tích gói điều khiển để đưa ra các thông tin điều khiển, và điều khiển khối chuyển mạch thực hiện chuyển mạch các burst một cách chính xác. Công việc chính của khối này là thực hiện phân tích gói tin tiêu đề burst (BHP: Burst Header Packet) rồi so sánh với bảng tìm kiểm định tuyến để tìm liên kết đầu ra cho các burst, sắp xếp các kênh đầu ra và phục hồi BHP đưa tới đầu ra phát tới node tiếp theo.

Khối đệm đầu vào, được cấu tạo từ các đường dây trễ quang hay bộ nhớ truy nhập quang nhằm làm trễ các burst dữ liệu tới cho phép khối điều khiển chuyển mạch có đủ thời gian để xử lý và đưa ra các thông tin điều khiển, khối này trong khi thực hiện có thể có hay không tuỳ vào phương thức điều khiển được sử dụng trong mạng OBS.

Các khối giao diện đầu vào và đầu ra, thực hiện thu nhận các burst và biến đổi tín hiệu thu thành dạng tín hiệu phù hợp với các đầu vào tương ứng. IM( Input module)thực hiện thu BHP và biến đổi chúng sang tín hiệu điện,


còn OM(Output Module) thì thực hiện các công việc ngược lại với IM. DMUX tách kênh burst đầu vào, tách gói điều khiển đưa tới khối giao điện đầu vào và tải trọng đưa tới bộ đệm quang.

2.1.2.2 Cấu trúc node biên

Như đã nói ở trên node biên do có giao tiếp cả với node lõi và các mạng truy nhập khác nên ngoài chức năng như node lõi, nó còn phải có chức năng cấu tạo và phân giải các burst. Đồng thời được trang bị thêm một bộ định tuyến biên để định tuyến các gói tin sau khi phân giải tới đúng đích yêu cầu.

Các node biên phục vụ một số người sử dụng, mỗi người sử dụng được kết nối tới node biên thông qua một kết nối cáp sợi quang hỗ trợ nhiều bước sóng. Mỗi một bước sóng tương ứng với một tiến trình burst đến riêng biệt (burst arrival process) là một hàm xác suất mô tả tiến trình lưu lượng tới node. Và chúng ta giả sử rằng quá trình burst đến là quá trình poison, mặc dù nó không phù hợp với lưu lượng diện rộng và cũng không giống với tiến trình burst đến trong mạng quang trong tương lai.

Node biên còn được cấu trúc thêm một bộ định tuyến biên có trường chuyển mạch là chuyển mạch gói điện tử và các bộ đệm gói để đệm thông tin từ và đi tới các người sử dụng trong các mạng truy nhập kết nối trực tiếp với node OBS. Chú ý rằng thông tin ở node biên được đệm trong miền điện nên được thực hiện rễ ràng.

Bộ định tuyến biên có nhiệm vụ định tuyến các gói tin người dùng tới đúng địa chỉ thiết bị đầu cuối của người dùng, đồng thời thu nhận thông tin và thực hiện phân bổ chúng vào đúng hàng đợi phát theo hướng tới đích để được cấu trúc thành các burst phát đi.

Các node biên trong mạng chuyển mạch burst quang có thể được cấu trúc theo hai cách sau: có bộ chuyển đổi bước sóng hay không có bộ chuyển đổi bước sóng. Hình 2.3 dưới đây mô tả một node OBS biên.


Hình 2.3 Cấu trúc node biên trong mạng chuyển mạch burst quang

Node biên không có bộ chuyển đổi bước sóng: Trong trường hợp này một burst trên một bước sóng đầu vào chỉ có thể được chuyển mạch tới bước sóng đó trên một cổng đầu ra, và việc sử dụng các burst đến trên các bước sóng khác nhau không làm ảnh hưởng lẫn nhau. Do đó, mỗi node biên có thể được phân chia thành W hệ thống con, sử dụng cho từng bước sóng burst. Trong đó mỗi hệ thống con w (với w = 1,2,...,W) là một khối chuyển mạch PxP phục vụ N người sử dụng, nhưng mỗi cổng đầu vào và một cổng đầu ra chỉ có một bước sóng riêng, tương ứng với w bước sóng của node chuyển mạch biên nguồn. Do đó, mỗi một hệ thống con sẽ có N tiến trình burst đến riêng biệt.

Khi có một burst đến trên một bước sóng đầu vào, tương ứng với burst đó là một gói điều khiển tới thiết lập cổng đầu ra cho burst, nếu tại cổng đẩu ra yêu cầu mà bước sóng tương ứng với bước sóng đầu vào còn rỗi thì burst sẽ được phục vụ ngay lập tức, nếu không còn rỗi (đang phục vụ truyền dẫn burst khác) thì burst sẽ bị loại bỏ hay được làm trễ trong các đường dây trễ (nếu có) và sau một khoảng thời gian ngẫu nhiên sẽ tiến hành truyền lại gói điều khiển và nếu lần này vẫn thất bại thì nó lại tiếp tục được làm trễ cho tới khi thực hiện truyền dẫn thành công burst đó thì thôi. Khoảng thời gian trễ của các burst là không xác định, và được phân bố theo hàm mũ.


Node biên có bộ chuyển đổi bước sóng: Trong trường hợp này thì khi một burst đến trên cổng đầu vào tương ứng với một gói điều khiển tới thiết lập cho cổng đầu ra i của trường chuyển mạch được chấp nhận nhanh nhất trên một bước sóng nào còn rỗi trên cổng đầu ra đó. Nếu không, gói điều khiển đó bị loại bỏ, và burst phải trễ một khoảng thời gian trước khi gói điều khiển được truyền lại. Rõ ràng, sự phân chia một node chuyển mạch biên thành các hệ thống con tương ứng với mỗi bước sóng là không thể thực hiện được nữa. Vì vậy burst người sử dụng đến trên những bước sóng khác nhau có thể gấy ảnh hưởng lên các burst của những người sử dụng khác.

Trong phương pháp này, sự trả giá cho việc phức tạp trong cấu trúc của node chuyển mạch là làm giảm xác suất loại bỏ burst hay việc phải trễ burst. Tuy nhiên, phương pháp này không loại bỏ được hoàn toàn việc các burst bị loại bỏ hay phải trễ tại các node trung gian.

2.1.3 Hoạt động của mạng chuyển mạch OBS

Trong mạng chuyển mạch burst quang, khi có một burst cần truyền đi thì trước tiên một gói điều khiển sẽ được gửi đi, sau đó burst dữ liệu cũng được gửi đi sau một khoảng thời trễ, mà không cần nhận được bản tin xác nhận thiết lập kết nối (đối với giao thức TAG) đây được gọi là phương pháp đăng ký một chiều hoặc đợi nhận bản tin xác nhận (với giao thức TAW) đây là phương thức đăng ký hai chiều có xác nhận.

Đặc điểm chính của chuyển mạch burst quang là để chuyển thành công một burst có độ dài từ 1 tới vài gói mà chỉ sử dụng một gói điều khiển, kết quả là phần mào đầu điều khiển trên một đơn vị dữ liệu nhỏ hơn làm tăng được hiệu quả truyền tin. Chuyển mạch burst quang thường sử dụng báo hiệu ngoài băng, tức là gói điều khiển được truyền đi trên một kênh bước sóng riêng biệt, như vậy gói điều khiển và burst dữ liệu kết hợp với nhau không chặt chẽ tại một thời điểm. Tức là chúng bị phân chia tại node OBS nguồn bởi thời gian trễ (offset time) có giá trị lớn bằng tổng thời gian xử lý gói điều khiển tại các node trung gian trên đường truyền dẫn. để đảm bảo burst dữ liệu không cần phải đệm tại bất kỳ node trung gian nào, mà được truyền dẫn trong suốt từ node OBS nguồn tới node OBS đích.

Ngoài ra, có một cách khác mà giao thức OBS có thể không sử dụng thời gian trễ tại node nguồn, nhưng ngược lại, nó yêu cầu burst dữ liệu tại mỗi node trung gian phải trễ đi một khoảng thời gian cố định không nhỏ hơn thời gian nhỏ nhất cần thiết để xử lý một gói điều khiển và thời gian cấu hình chuyển mạch tại node trung gian. Nhờ đó mà khối chuyển mạch có đủ thời gian để phân tích thông tin định tuyến trong gói điều khiển và thực hiện chuyển mạch burst dữ liệu.

Để hỗ trợ IP qua WDM trong OBS, chúng ta phải khởi động phần mềm IP cùng với các phần mềm điều khiển khác như một bộ phận của giao diện giữa lớp mạng và lớp WDM trong chuyển mạch quang. Trong WDM, một bước sóng điều khiển riêng được sử dụng để truyền gói điều khiển. Để gửi dữ liệu, thông qua địa chỉ IP đích thiết lập một gói điều khiển và được định tuyến


từ node nguồn tới node đích dựa trên địa chỉ IP nó mang theo để thiết lập một kết nối bằng cách thiết lập cấu hình chuyển mạch toàn quang trên đường truyền dẫn. Khi đó một burst sẽ được phát đi mà không cần truy nhập địa chỉ IP tại bất cứ node trung gian nào, vì vậy giảm độ phức tạp cũng như xử lý tại lớp IP.

Trong OBS, bước sóng của một liên kết mà burst sử dụng sẽ bị giải phóng ngay sau khi burst đi qua liên kết đó, đồng thời tự động đăng ký hay giải phóng băng thông đã đăng ký. Điều này có nghĩa là các burst từ các nguồn khác nhau tới các đích khác nhau có thể cùng tận dụng một cách hiệu quả độ rộng băng của cùng một bước sóng trên một liên kết theo kiểu ghép kênh thống kê phân chia theo thời gian. Trong trường hợp gói điều khiển đăng ký bước sóng tại một node trung gian sai, burst sẽ không được định tuyến, và nó sẽ bị mất. Không phải tất cả các giao thức OBS đều giống nhau, một số giao tức OBS hỗ trợ cho truyền dẫn một cách tin cậy (giao thức TAW), khi có một bản tin không xác nhận được gửi trở về node nguồn, thì sau đó gói điều khiển và burst sẽ được gửi lại.

Chuyển mạch burst quang có một số đặc điểm sau đây:

Tính chất hạt (granularity), kích cỡ đơn vị thông tin truyền dẫn trong OBS nằm giữa chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói.

Sự phân chia thông tin điều khiển và dữ liệu, Thông tin điều khiển được truyền trên một bước sóng hay một kênh riêng biệt đối với burst.

Sự đăng ký một chiều, Các nguồn được chỉ định sử dụng đăng ký một chiều. Do đó một node nguồn không cần đợi đến khi nhận được bản tin xác nhận gửi về từ node đích trước khi nó bắt đầu truyền burst.

Độ dài các burst khác nhau, Kích thước các burst là khác nhau tuỳ theo lượng thông tin trong các hàng đợi phát tại thời điểm cấu trúc burst. Nằm trong khoảng từ kích thước burst nhỏ nhất tới kích thước burst lớn nhất.

Không cần đệm quang, Tại các node trung gian trong mạng OBS không cần sử dụng các bộ đệm để đệm thông tin dữ liệu.

Thực hiện truyền trong suốt dữ liệu người dùng, Thông tin người dùng được đệm trong miền điện tại node OBS nguồn mà không cần đệm tại bất cứ node OBS trung gian nào.

Đặc biệt, đơn vị truyền dẫn của mạng OBS là burst, 1 burst bao gồm một số gói IP, hay một chuỗi các tế bào ATM, hay các khung HDTV hay một chuỗi các bit ban đầu, thậm chí có thể là nhiều loại thông tin người dùng khác nhau.


2.2 Các phương thức điều khiển trong chuyển mạch burst quang

Trong mạng chuyển mạch burst quang có sử dụng một trong 4 phương thức điều khiển sau đây: Tell-and-go (TAG), Tell-And-Wait (TAW), In-Band-Terminater (IBT) và Reserve-a-fixed-duration (RFD). Trong cả 3 loại phương thức điều khiển TAG, IBT và RFD thì độ rộng băng được đăng ký mức burst, sử dụng xử lý một chiều và quan trọng hơn đó là các burst được "đi tắt" qua các node trung gian, khác với phương thức TAW có sử dụng bản tin xác nhận kết nối. Điều quan trọng hơn cả là 4 loại giao thức này đểu thực hiện truyền dẫn trong suốt các thông tin người dùng qua mạng, chứ không thực hiện lưu đệm và chuyển tiếp như trong chuyển mạch gói quang.

2.2.1 Phương thức điều khiển theo kiểu TAG (Tell-And-Go)

Ở phương thức này để thực hiện truyền dẫn một burst, thì một gói tin điều khiển sẽ được gửi đi trước để thực hiện đăng ký bước sóng và cấu trúc trường chuyển mạch. Sau đó, burst sẽ được gửi đi ngay sau đó mà không cần phải đợi bản tin xác nhận kết nối ACK từ phía đích gửi về. Do đó mà thời gian trễ của các burst là rất nhỏ có thể bằng 0. Sau khi burst được gửi đi hoàn toàn sẽ có một bản tin thông báo để giải phóng kết nối.

Hình 2.4: Mô tả quá trình đăng ký tài nguyên theo phương thức TAG

Nếu sự thiết lập mà không thành công thì burst sẽ bị mất tại một node trung gian nào đó không còn tồn tại bước sóng burst rỗi. Vì vậy cần phải được sử dụng cùng với các giao thức đảm bảo độ tin cậy cao (JET chẳng hạn).

Trong phương thức này các burst cần phải được đệm tại mỗi node trung gian để node có đủ thời gian xử lý và cấu hình chuyển mạch, chính điều này đã gây trễ cho các burst tại các node trung gian, và yêu cầu các node trung gian phải có bộ đệm quang hay các đường dây trễ.


Trong OBS, burst được chuyển ngay sau thông tin điều khiển mà không cần xác nhận ACK, trường hợp kết nối không thành công, burst đó sẽ được xử lý ntn?


2.2.2 Phương thức điều khiển theo kiểu TAW (Tell-And-Wait)

Khác với phương thức điều khiển theo kiểu TAG. Một burst sẽ chỉ được phát lên mạng bởi một node OBS đầu vào khi chắc chắn có một đường quang ảo đã được thiết lập thông qua mạng tới node đầu ra. Đường quang ảo được định nghĩa là một sự liên kết các bước sóng theo một trật tự xác định, từng kết nối liên tiếp nhau trong khoảng thời gian thiết lập cho trước. Chính vì đặc điểm này mà ta thấy phương thức điều khiển TAW phù hợp cho mô hình chuyển mạch kênh truyền thống hơn là mô hình chuyển mạch burst.

Hình 2.5: Mô tả quá trình đăng ký tài nguyên theo phương thức TAW

Khi mà một node biên nguồn có một burst cần phát đi thì nó thực hiện gửi đi trên bước sóng điều khiển một bản tin điều khiển thiết lập tới node biên đích, bản tin này nhằm để đăng ký trước một bước sóng burst trên mỗi liên kết dọc theo đường đi từ node biên nguồn tới node biên đích. Tại các node trung gian sau khi thu bản tin điều khiển thì khối điều khiển thực hiện đăng ký một bước sóng burst còn rỗi được định tuyến tới đâu ra. Và sau khi burst được truyền qua từng kết nối sẽ có một bản tin giải phóng kết nối được gửi đi để giải phóng bước sóng đã đăng ký tại kết nối đó.

Nếu quá trình thiết lập là không thành công tại một node OBS trung gian nào đó thì ngay lập tức sẽ có một bản tin thông báo không thành công được gửi về từ node cuối cùng cấu hình thành công trường chuyển mạch và burst sẽ không được phát đi. Nếu không thì bản tin thông báo sẽ bị trễ đi một khoảng thời gian nào đó tại node biên đích trước khi gửi về node biên nguồn.

Điểm đặc biệt của phương thức này là thực hiện thiết lập toàn bộ tuyến quang trước khi truyền dẫn burst. Các burst mất có thể được khôi phục lại bằng việc sử dụng giao thức lớp cao hay giao thức lớp kênh quang.


2.2.3 Phương thức điều khiển theo kiểu IBT (In-Band-Terminater)

Trong phương thức điều khiển theo kiểu IBT (Kết cuối trong băng), mỗi burst đều có tiêu đề riêng của mình (giống như chuyển mạch gói), vì vậy một bộ phân định đặc biệt hay bộ kết cuối sẽ chỉ ra điểm kết thúc của burst. IBT không sử dụng lưu đệm và chuyển tiếp mà nó sử dụng một đường tắt ảo (virtual cut through). Đặc biệt một node nguồn hay node trung gian có thể gửi phần trước của burst trước khi node đó thu phần cuối burst. Khi đó độ trễ burst sẽ ít hơn và kích thước bộ đệm tại một node cần thiết cũng nhỏ hơn, trừ trường hợp toàn bộ burst phải đợi tại một node khi không có bước sóng khả dụng.

2.2.4 Phương thức điều khiển theo kiểu RFD (Reserve-a-Fixed-Duration)

Trong phương thức này, một gói điều khiển sẽ được gửi đi trước để đăng ký độ rộng băng và thiết lập cấu hình chuyển mạch, burst dữ liệu được gửi đi sau đó một khoảng thời gian bằng thời gian trễ T. Độ rộng băng được đăng ký cho một khoảng thời gian cụ thể được xác định bởi gói điều khiển. Gói điều khiển có vai trò như tiêu đề của gói có độ dài khác nhau, trong đó nó cho biết độ dài burst, địa chỉ node đích, thời gian trễ burst.... Tuy nhiên kích thước burst trong RFD chỉ có thể biến thiên trong khoảng từ giá trị kích thước burst nhỏ nhất đến giá trị kích thước burst lớn nhất.

Với phương thức điều khiển này thì độ rộng băng tần chỉ được cung cấp để phục vụ cho kết nối khi bít đầu tiên của burst đến, còn kể cả trong khoảng thời gian trễ (khoảng thời gian từ khi gói điều khiển đăng ký bước sóng tới khi bit đầu tiên của burst đến) độ rộng băng vẫn có thể phục vụ kết nối khác. Chính điều này làm tăng đáng kể hiệu quả sử dụng băng tần. Tuy nhiên, việc đó phải trả giá cho sự phức tạp trong quản lý băng thông, và điều khiển chuyển mạch để đảm bảo không gây ra chồng lấn hay xung đột tài nguyên.

2.3 Các giao thức sử dụng để đăng ký tài nguyên trong OBS

Trong OBS có sử dụng một số các giao thức khác nhau để đăng ký tài nguyên như: JET (Just Enought Time), JIT (Just In Time), ODD (Only Delay Destination), horizo ... nhưng sau đây chúng ta chỉ đi vào phân tích hai loại giao thức điển hình là giao thức JIT và JET.

2.3.1 Giao thức JIT (Just-In-Time)

Giao thức JIT là một trong những giao thức đăng ký tài nguyên theo kiểu đăng ký trực tiếp. Trong giao thức này một bước sóng được đăng ký cho một burst ngay lập tức sau khi bản tin thiết lập tương ứng đến; Nếu bước sóng không được đăng ký tại thời điểm đó, thì bản tin thiết lập được loại bỏ và burst tương ứng bị loại bỏ.


Hình2.6: Mô tả quá trình hoạt động của giao thức JIT

Hình 2.6 mô tả hoạt động của giao thức JIT. Cho t là thời điểm bản tin thiết lập đến tại một node chuyển mạch nào đó dọc theo đường đi từ nguồn đến đích. Hình 2.6 chỉ ra rằng, một tiến trình xử lý bản tin thiết lập được hoàn thành tại thời điểm t+Tsetup, ngay lập tức một bước sóng đã được đăng ký cho burst, và một quá trình cấu hình kết nối chéo quang (OXC: Optical Cross-connect) chuyển mạch burst được bắt đầu. Khi quá trình này hoàn thành tại thời điểm t+Tsetup+Toxc, OXC đã sẵn sàng để mang burst. Chú ý rằng burst sẽ không đến node OBS đang xét cho tới thời điểm t+Toffset. Kết quả là, các bước sóng còn rỗi trong một khoảng thời gian bằng Toffset-Tsetup-Toxc. Như vậy, giá trị thời gian trễ được giảm đi dọc theo các node trên đường đi từ node nguồn tới node đích, càng đi tới các node OBS gần phía đích hơn, thì khoảng thời gian rỗi giữa thời điểm mà cấu hình chuyển mạch (kết nối chuyển mạch) đã được thiết lập và burst đến càng ngắn.


Hình 2.7: Mô tả hoạt động của một bước sóng tại node OBS

Hình 2.7, cung cấp một cách khác mô tả hoạt động của JIT hiệu quả hơn. Bằng cách xem sét hoạt động của một bước sóng ra tại node OBS. Mỗi bước sóng như vậy có thể có hai trạng thái: được cung cấp(reserved) và rỗi (free). Hình 2.7 chỉ ra rằng 2 burst liên tiếp i và i+1được truyền dẫn thành công trên cùng một bước sóng ra. Chúng ta cũng có thể thấy rằng, bản tin thiết lập tương ứng với burst thứ i đến tại thời điểm t1, khi đó giả sử rằng bước sóng đó đang rỗi. Bản tin thiết lập được chấp nhận, và trạng thái của bước sóng chuyển sang trạng thái đã được cung cấp, sau khoảng thời gian bằng thời gian trễ thì bít đầu tiên của burst đến tại thời điểm t2. Bít cuối cùng của burst tới tại thời điểm t3. Tại thời điểm đó trạng thái của bước sóng ngay lập tức được thiết lập trở lại trạng thái rỗi. Chú ý rằng, bất cứ bản tin thiết lập nào tới trong khoảng thời gian giữa t1 và t3 trạng thái của bước sóng là đang được cung cấp thì đều bị loại bỏ. Vì vậy, bước sóng không thể được cung cấp để phục vụ một kết nối khác. Độ dài khoảng thời gian t3-t1, trong khoảng thời gian đó các bản tin thiết lập mới đến đều bị loại bỏ, bằng tổng giá trị thời gian trễ và độ dài burst thứ i.

Bây giờ cho rằng, bản tin thiết lập cho bước sóng này đến tại thời điểm t4>t3, trong khi bước sóng vẫn còn rỗi. Do đó burst tương ứng với bản tin thiết lập này là burst thứ i+1 được bước sóng này vận chuyển thành công; chú ý rằng burst này có thể không phải là burst thứ i+1 đến node đang xét, có thể một vài bản tin thiết lập (s) đã bị loại bỏ do tới chuyển mạch trước thời điểm t3. Sau một khoảng thời gian bằng thời gian trễ, burst đến tại thời điểm t5, và sự truyền dẫn nó kết thúc tại thời điểm t6, tại thời điểm đó bước sóng được thiết lập là trạng thái rỗi lại một lần nữa.

Như hình 2.7, sự đăng ký trực tiếp là khá đơn giản. Thời gian được phân chia ra thành các khoảng phân biệt, khoảng thời gian đã được cung cấp và theo sau đó là khoảng thời gian rỗi. Độ dài của khoảng thời gian được cung cấp băng độ dài burst cộng với thời gian trễ tương ứng. Trong khi đó thì thời gian rỗi bằng từ đó cho tới thời điểm trước khi bản tin thiết lập tiếp theo đến. Sự phục vụ trên mỗi bước sóng cũng theo kiểu FCFS(first-come, first-service), trong đó burst được phục vụ theo đúng thứ tự mà các bản tin thiết lập tới chuyển mạch.

Ở giao thức này vẫn tồn tại khoảng thời gian mà bước sóng đã được cung cấp nhưng vẫn chưa có thông tin để truyền gây nên tình trạng lãng phí tài nguyên mạng. Tồn tại trường hợp trên thực tế bước sóng đang rỗi nhưng những gói điều khiển đến tại thời điểm này lại không được chấp nhận. Để khác phục tình trạng này thì ta cần phải thực hiện quản lý thời gian trễ burst một cách chặt chẽ, giao thức JET được trình bày dưới đây là một trong các giao thức thuộc kiểu đó.

2.3.2 Giao thức JET(Just-Enought-Time)

Giao thức JET (Just Enough Time) là một giao thức hoạt động theo kiểu đăng ký trễ cố định giống như giao thức RFD (Reserved-a-Fix-Duration) xuất hiện đầu tiên vào năm 1997, là giao thức được sử dụng chủ yếu trong OBS.


Giao thức này có hai đặc trưng cơ bản là: sử dụng sự đăng ký trễ DR (Delayed Reservation) và khả năng tích hợp DR với các bộ ghép burst đệm đệm bằng đường dây trễ quang FDL.

Hoạt động của giao thức này như sau:

Tại node nguồn: Dữ liệu đầu vào từ các người sử dụng trong các mạng truy nhập được đệm theo hướng tới đích của nó. Sau đó được chuẩn bị sẵn sàng để phát đi trên một burst quang. Khi ấy node nguồn đang chứa một burst dữ liệu cần truyền đi, nó sẽ gửi đi một gói điều khiển trên một kênh điều khiển có bước sóng riêng khác với bước sóng mang burst dữ liệu đi tới node đích. Tại mỗi node trên đường truyền, gói điều khiển sẽ được xử lý để thiết lập một đường dẫn quang cho burst dữ liệu. Mỗi node trên đường dẫn lựa chọn một bước sóng thích hợp trên liên kết đầu ra, đăng ký độ rộng băng trên liên kết đó, và thiết lập cấu trúc chuyển mạch quang. Trong thời gian này, burst dữ liệu đợi một khoảng thời gian trễ Toffset tại node biên nguồn trong miền điện trước khi burst được truyền đi.

Tại node trung gian: Một tín hiệu điều khiển được gửi tới trước để đăng ký băng thông cùng với thời gian trễ burst của nó và cấu hình chuyển mạch, sau khi đã được phân tích để lấy thông tin định tuyến gói điều khiển được cấu trúc lại có thêm thông tin định tuyến mới, như thời gian trễ burst mới, bước sóng mang burst… Sau đó gói điều khiển lại được gửi tới node kế tiếp, và sau khoảng thời gian trễ T burst được truyền trên bước sóng đã xác định trong tiêu đề. Khoảng thời gian T là độ trễ giữa tiêu đề và burst dữ liệu tương ứng của nó. Thời gian trễ T sẽ được tính toán sao cho đủ lớn để các node trung gian hoàn thành việc xử lý tiêu đề burst tới node đó trên kênh điều khiển, xác định bước sóng hay các khe thời gian phục vụ cho truyền burst tới đích của nó. Khả năng biên dịch toàn bộ bước sóng tại mỗi liên kết là cần thiết để bất kỳ burst nào cũng có thể được định tuyến tới bất kỳ bước sóng rỗi nào trên liên kết đầu ra. Do đó, bước sóng của một burst chỉ mang ý nghĩa cục bộ. Node trên đường thuận sau đó gửi một gói tiêu đề mới tới node kế tiếp. Mỗi lần gói điều khiển đi qua một node trung gian, giá trị T tại các node trung gian giảm đi một lượng bằng giá trị thời gian xử lý tiêu đề tại mỗi node gọi là Tpro (per-hop-offset). Do đó, để burst không phải đệm tại bất kỳ node trung gian nào thì T > n Tpro với n là số node mà burst phải đi qua.


Hình 2.8: Mô tả hoạt động của giao thức JET

Sử dụng thời gian trễ trong giao thức JET

Ta giả sử, thời gian xử lý gói điều khiển và thiết lập cấu trúc chuyển mạch tại mỗi node trung gian là đơn vị thời gian, như vậy trong mạng OBS sử dụng phương thức điều khiển theo kiểu TAG, các burst đi ngay sau gói điều khiển mà không có trễ nên tại mỗi node chuyển mạch trung gian burst sẽ phải trễ đi một khoảng bằng , gây ảnh hưởng tới độ trễ điều khiển của burst. Vì vậy độ trễ burst nhỏ nhất sẽ là p+.H, với p là trễ truyền và H là số hop trên đường đi từ nguồn tới đích.

Trong giao thức JET chọn T=.H để cho các node trung gian có đủ thời gian để xử lý gói điều khiển và burst không phải trễ tại bất cứ node trung gian nào. Ở đây được bao gồm hai khoảng thời gian.

1, Khoảng thời gian đủ để node trung gian thực hiện song các công việc xử lý gói điều khiển và cấu hình chuyển mạch là đơn vị thời gian.

2, Là khoảng thời gian s = - , là khoảng thời gian yêu cầu để thực hiện song các công việc trước khi burst đến.

Như vậy gói điều khiển sẽ được gửi tới node tiếp theo sau một khoảng thời gian hay trước khi burst đến một khoảng s. Do thời gian thiết lập chuyển mạch và thời gian phát gói điều khiển tới node kế tiếp có thể được chồng lấn lên nhau


nên ta có thể làm giảm thời gian trễ xử lý của burst còn lại là T' = .H + s, và thời gian trễ burst là p+T'< T.

Do giao thức JET không phải đợi bản tin xác nhận ACK gửi về từ node đích nên cũng góp phần làm giảm đáng kể thời gian trễ burst. Ví dụ tại tốc độ 2.5 Gbps, 1 burst kích thước 500 Kbyte có thể truyền đi trong khoảng 1.6 ms. Để nhận được một bản tin xác nhận phải mất 2.5 ms để truyền trên khoảng cách 500 Km. Do đó giao thức JET đặc biệt thích hợp để áp dụng truyền burst ở khoảng cách xa. Mặt khác các burst không phải trễ tại bất cứ node trung gian nào nên độ trễ mà nó gặp phải cũng như chuyển mạch gói.

Sử dụng đăng ký thời gian trễ trong giao thức JET

Như ta có trong khoảng thời gian trễ giữa gói điều khiển và bit đầu tiên của burst đến, phần băng thông đã được đăng ký vẫn còn đang rỗi. Chính vì vậy ta có thể thực hiện truyền một burst nếu độ dài burst là nhỏ hơn khoảng thời gian trễ nhờ việc đăng ký trễ.

Giả sử xét tại node i, một gói điều khiển tới và đăng ký độ rộng băng thông tại thời điểm t1 và thời điểm bít đầu tiên của burst tương ứng đến là t1', vì vậy khoảng thời gian trễ từ khi đăng ký độ rộng băng tới khi truyền burst là t1'-t1 và độ rộng băng được đăng ký cho burst tương ứng này tới thời điểm t1'', thời gian t1' được xác định căn cứ trên thời điểm burst tới và thời gian trễ, t1'' được xác định thông qua thời gian trễ và độ dài burst.

Cũng giả sử, có một gói điều khiển khác đến node đang xét tại thời điểm t2, tương tự t2' tương ứng là thời bít đầu tiên của burst thứ 2 đến, và yêu cầu đăng ký độ rộng băng cho burst của nó tới thời điểm t2''. Ta có thời gian trễ của burst này là t2'-t2.

Để thấy tác dụng của việc sử dụng đăng ký trễ ta đi xét hai trường hợp xảy ra như hình vẽ 2.9 chỉ ra dưới đây.

Hình 2.9: Tác dụng của việc đăng ký trễ


Như hình 2.9 đưa ra ta thấy trong hai trường hợp trên nếu không sử dụng đăng ký trễ và sử dụng phương thức điều khiển TAG thì burst thứ 2 đến sẽ bị loại bỏ. Nhưng nếu sử dụng giao thức JET và đăng ký trễ thì burst thứ hai đến vẫn được phục vụ nếu t1<t2<t2''<t1' hay t1<t2<t1''<tt2'.

Trong giao thực JET sử dụng đăng ký thời gian trễ T, Thay vì để nó là vô hạn sẽ có tác dụng làm giảm thời gian trễ burst do phải truyền lại, đồng thời sử dụng hiệu quả hơn băng thông đường truyền.

Ở giao thức này việc phát gói điều khiển luôn được thực hiện tại thời điểm sớm nhất có thể bằng cách thực hiện ước lượng burst, nếu tại thời điểm phát burst mà kích burst lớn hơn kích cỡ đã ước lượng một bản tin giải phóng được gửi đi để giải phóng băng thông đã đăng ký, nếu burst là nhỏ hơn thì phần dữ liệu còn lại được gửi đi như các burst bổ sung. Tuy nhiên, giao thức này chưa khắc phục được hoàn toàn sự loại bỏ burst do sung đột. Để giải quyết triệt để cần kết hợp một số phương pháp đồng thời.

Quản lý bộ đệm thông minh

Trong mạng OBS không sử dụng bộ đệm, tuy nhiên cùng với việc sử dụng giao thức JET thì việc sử dụng thêm các bộ đệm là các đường dây trễ nhằm làm trễ dữ liệu tại các đầu vào có thể làm tăng thêm hiệu quả sử dụng băng tần và làm giảm đáng kể việc phải truyền lại do burst bị loại bỏ.

Các bộ trễ được cấu tạo từ các sợi quang có chiều dài khác nhau được kết nối phù hợp, để có thể tạo ra các khoảng trễ phù hợp khoảng vài trục s, các đường đây trễ có thể cấu trúc theo 2 kiểu: dùng chung hay dùng riêng cho các đầu vào khối chuyển mạch quang.

Nhờ có bộ đệm mà các burst đến tại các thời điểm node không còn bước sóng rỗi (không thực hiện đăng ký được băng thông) thì các burst này có thể được trễ lại tới thời điểm phù hợp mà không bị loại bỏ. Nhờ có giao thức JET không quy định kích thước burst và thời gian trễ burst tại mỗi node mà việc sử dụng các đường dây trễ trở nên tiện lợi hơn. Góp phần làm giảm đáng kể xác suất loại bỏ burst do tới không đúng lúc.

Định tuyến đổi hướng và các phương pháp ưu tiên

Trong chuyển mạch burst quang sử dụng giao thức JET còn có thể nâng cao hiệu quả sử dụng băng thông và giảm xác suất loại bỏ burst bằng cách sử dụng định tuyến đổi hướng và sử dụng độ ưu tiên khác nhau cho các burst.

Chuyển mạch burst quang sử dụng giao thức JET có hỗ trợ định tuyến đa đường với thông tin về số node trên mỗi đường đi đã được xác định, từ đó tại các node có thể thực hiện định tuyến đổi hướng tới các đường đi khác khi mà burst tới không thể đăng ký được băng thông trên tuyến liên kết ban đầu đã lựa chọn.

Đồng thời với việc định tuyến đổi hướng trong phương thức điều khiển TAG không sử dụng thời gian trễ nên trong giao thức JET cần phải thay đổi thời gian trễ của burst sao cho phù hợp trên đường đi mới bằng cách sử dụng các đường dây trễ, trễ burst tại các node trung gian khi mà thời gian trễ của


burst tại node đó chưa bằng 0. Và thực hiện việc sử dụng độ ưu tiên cao cho các burst có độ trễ lớn sẽ làm giảm xác suất loại bỏ burst.

Ngoài ra còn có thể sử dụng thời gian trễ bổ sung tại node nguồn để xác định độ tăng thời gian trễ do định tuyến đổi hướng.

Tóm lại: giao thức JET là một giao thức phù hợp để tăng hiệu quả sử dụng băng thông cũng như độ tin cậy của mạng OBS và làm giảm đáng kể thời gian trễ khi nó được sử dụng cùng với phương thức điều khiển TAG. Mặt khác nó cũng cho phép nâng cao độ tin cậy khi sử dụng phương thức điều khiển TAG bằng cách làm tăng tối đa khả năng mà một burst có thể được truyền đi mà không bị loại bỏ.

2.4 Một số vấn đề liên quan đến chuyển mạch burst quang

2.4.1 Các cơ chế đăng ký bước sóng

Để việc sử dụng băng thông trong mạng chuyển mạch burst đạt hiệu quả cao cần có một cơ chế đăng ký tài nguyên hợp lý cụ thể là tài nguyên băng thông. Trong phần này cung cấp 4 kiểu đăng ký băng thông dựa trên phương pháp đăng ký và giải phóng băng thông đã đăng ký.

2.4.1.1 Thiết lập và giải phóng rõ ràng

Trong cơ chế này, bản tin thiết lập (gói điều khiển) có chứa giá trị thời gian trễ của burst, nhưng không có khoảng thời gian tồn tại của burst. Việc đăng ký bước sóng được bắt đầu ngay sau khi chuyển mạch thu bản tin thiết lập và kết thúc sau khi bản tin giải phóng tới. Vì vậy chỉ cần một bit on/off để ghi lại trạng thái của một bước sóng. “On” tức là bước sóng đang bận, “Off” tức là bước sóng đang rỗi. Trạng thái của bit on/off được điều khiển bởi trường tương ứng trong các bản tin thiết lập hay giải phóng băng thông.

Hình 2.10: Mô tả cơ chế thiết lập và giải phóng rõ ràng


Bước sóng đã đăng ký sẽ được dành cho burst ngay sau khi bản tin thiết lập tới cho đến khi nhận được bản tin giải phóng từ node nguồn, ở phương pháp này hiệu quả sử dụng băng thông thấp, không mềm dẻo.

2.4.1.2 Thiết lập rõ ràng và giải phóng ước lượng

Trong cơ chế này bản tin thiết lập bao gồm cả giá trị thời gian trễ và thời gian tồn tại của burst. Mỗi bước sóng được kết hợp với một giới hạn (deadline) cho biết khi nào bước sóng sẽ rỗi. Sự đăng ký bước sóng bắt đầu tại thời điểm sau khi chuyển mạch thu được bản tin thiết lập hoặc sau một giới hạn. Sự đăng ký băng thông sẽ kết thúc tại thời điểm cuối cùng burst còn tồn tại, được xác định qua giá trị thời gian tồn tại burst mà không cần gửi bản tin giải phóng tới.

2.4.1.3 Thiết lập ước lượng và giải phóng rõ ràng

Trong cơ chế này, bản tin thiết lập có chứa giá trị thời gian trễ của burst, nhưng không có khoảng thời gian tồn tại của burst. Băng thông bước sóng được đăng ký tại điểm bit đâu tiên của burst đến, được xác định dựa trên giá trị thời gian trễ của burst. Băng thông bước sóng đã được đăng ký sẽ được giải phóng khi node đích thu được bản tin giải phóng được gửi đi từ node nguồn.

2.4.1.4 Thiết lập và giải phóng ước lượng

Trong cơ chế này bản tin thiết lập bao gồm cả giá trị thời trễ và khoảng thời gian tồn tại của burst (độ dài burst). Việc đăng ký được thực hiện tại điểm bit đầu tiên của burst đến và kết thúc tại thời điểm bit cuối cùng của burst tới node đích, được xác định thông qua thời gian trễ burst và độ dài burst. Do đó, có thể nói mỗi bước sóng sẽ được kết hợp với một vector thời gian, vector này cho biết khoảng thời gian bước sóng bận (đang phục vụ).

Tóm lại: Kết quả của sự so sánh các cơ chế đăng ký bước sóng, với các khoảng thời gian trễ khác nhau, kiểu thứ 4 cho xác suất loại bỏ burst nhỏ nhất, tiếp theo là đến kiểu 2 và kiểu 1cho xác suất loại bỏ burst cao nhất. Nếu thời gian trễ không đổi, xác suất loại bỏ burst khi hoạt động đăng ký bước sóng theo kiểu 2 và 4 là như nhau.

2.4.2 Thời gian trễ

Trong chuyển mạch burst có thể sử dụng thời gian trễ như JET, TAW, hay không sử dụng thời gian trễ như JIT, TAG. Thời gian trễ được định nghĩa như là khoảng thời gian từ khi gói điều khiển đến cho tới khi bít đầu tiên của burst đến, Trong OBS có 3 kiểu sử dụng thời gian trễ sau dựa vào độ dài của thời gian trễ.

- Không đăng ký

- Đăng ký một chiều

- Đăng ký hai chiều

2.4.2.1 Không đăng ký

Burst được gửi đi ngay sau gói điều khiển. Vì vậy thời gian trễ ở đây chỉ là thời gian truyền gói điều khiển. Kiểu này chỉ phù hợp khi thời gian thiết lập


cấu hình chuyển mạch và thời gian xử lý chuyển mạch của gói điều khiển là rất nhỏ. Loại này được sử dụng nhiều trong chuyển mạch gói quang. Chuyển mạch burst quang theo kiểu Tell And Go (TAG) cũng thuộc loại không đăng ký.

2.4.2.2 Đăng ký một chiều

Sau khi gói điều khiển gửi đi một khoảng thời gian nhỏ thì node nguồn sẽ gửi burst đi mà cần không đợi để nhận được bản tin xác nhận (ACK) từ node đích. Thời gian trễ ở trường hợp này lớn hơn thời gian truyền dẫn gói điều khiển nhưng nhỏ hơn tổng thời gian truyền dẫn và trễ chu trình của gói điều khiển. Các cơ cấu chuyển mạch burst quang khác nhau có thể lựa chọn các giá trị thời gian trễ khác nhau.

Các chuyển mạch burst sử dụng phương thức điều khiển theo kiểu TAG cùng với giao thức JET thuộc loại đăng ký một chiều.

2.4.2.3 Đăng ký hai chiều

Ở kiểu này, sau khi một gói điều khiển được gửi đi để đăng ký độ rộng băng thông thì burst được trễ cho tới khi nhận được bản tin xác nhận từ node đích thì burst mới được phát đi, nếu quá thời gian time out mà vẫn không nhận được gói tin xác nhận thì burst sẽ không được phát đi và chuyển mạch tiếp tục phục vụ burst khác.Vì vậy thời gian trễ nhỏ nhất là thời gian yêu cầu để thu một bản tin xác nhận (ACK) từ node đích.

Đăng ký hai chiều được sử dụng chủ yếu trong chuyển mạch kênh quang. Trong đó burst phải chấp nhận một khoảng trễ chu trình (round-trip) để thiết lập tuyến truyền dẫn và khi gói điều khiển đăng ký các nguồn, nhưng ở đây sự phân phối các burst được đảm bảo. Chuyển mạch burst quang sử dụng phương thức điều khiển theo kiểu TAW (Tell And Wait) thuộc loại đăng ký hai chiều.

Một kiểu chuyển mạch burst quang sử dụng đăng ký hai chiều là kiểu chuyển mạch burst quang định tuyến theo bước sóng WR-OBS. Trong kiểu WR-OBS, node sẽ gửi gói điều khiển đi trong khi vẫn đang tập hợp burst, khác với các loại đăng ký hai chiều khác là gửi burst đi sau khi đã tập hợp burst. Đặc biệt tại một số thời điểm trong khi xử lý để tập hợp burst, node nguồn sẽ gửi đi một gói điều khiển để đăng ký tài nguyên trên đường truyền tới node đích. Node nguồn tiếp tục tập hợp các gói tạo thành burst đến khi thu được bản tin xác nhận, sau đó burst sẽ được gửi tới node đích. Vì vậy sẽ giảm được trễ trung bình của burst dữ liệu. Tuy nhiên, node nguồn phải xác định kích cỡ cuối cùng của burst bằng cách kiểm tra thống kê thông tin trong bộ đệm đầy, khi node nguồn xác định được kích thước burst, node nguồn sẽ cố gắng gửi gói điều khiển đi một cách sớm nhất có thể.

2.4.3 Tranh chấp và giải quyết tranh chấp trong mạng OBS

Tranh chấp trong chuyển mạch burst quang, Trong mạng OBS vẫn tồn tại những trường hợp gây tranh chấp tài nguyên mạng giữa các burst của các người dùng khác nhau với nhau (với tranh chấp tài nguyên được định nghĩa là 2 hay nhiều burst cùng yêu cầu được phục vụ bởi một tài nguyên


Các phương pháp giải quyết tranh chấp trong mạng OBS


mạng) gây ra hiện tượng tắc nghẽn, chồng lấn, loại burst, làm giảm hiệu quả truyền tin.

Chính vì vậy, việc giải quyết tranh chấp trong mạng chuyển mạch burst quang là rất quan trọng, để giải quyết tranh chấp và tắc nghẽn trong mạng OBS có một số phương pháp như:

- Sử dụng các bộ đệm burst- Thực hiện việc chuyển đổi bước sóng- Định tuyến đổi hướng- Phân mảnh burst

2.4.3.1 Phương pháp sử dụng bộ đệm quang

Trong các mạng sử dụng chuyển mạch điện tử thì việc đệm dữ liệu được thực hiện trong miền điện, còn ở trong mạng OBS là mạng sử dụng chuyển mạch quang nên việc đệm các burst là một vấn đề khó khăn do công nghệ bộ nhớ truy nhập quang chưa phát triển, do vậy việc đệm các burst được thực hiện bằng các đường dây trễ quang được kết nối với nhau một cách phù hợp để cung cấp được các khoảng thời gian trễ theo yêu câu.

Dưới đây đưa ra một mô hình bộ đệm quang cơ sở.

Hình 2.11: Cấu trúc bộ đệm sử dụng đường dây trễ (FDL)

Ở đây nếu thời gian trễ gây ra bởi một vòng là , thì thời gian trễ tối đa của bộ trễ là D = (20+21+.....+2N) x .

Có thể sử dụng các bộ đệm quang công nghiệp cỡ lớn (SLOB) nó bao gồm m đầu vào và m đầu ra, burst có thể ra ở một đầu ra bất kỳ nào với mỗi đầu vào xác định. Bộ đệm SLOB được cấu trúc gồm m bộ đếm, với mỗi bộ được liên kết tới một đầu ra làm nhiệm vụ như bộ đệm ảo thực hiện đệm burst xác định độ trễ, nó hoạt động theo nguyên tắc FIFO để lưu giữ các burst. Giá trị bộ đếm giảm đi 1 đơn vị khi có một burst rời khỏi đầu ra và tăng lên 1 khi có một burst tới cổng đầu vào. Nếu burst tới tại thời điểm bộ đếm có giá trị là 0 (bộ đệm rỗng) thì burst sẽ được truyền thẳng, Khi bộ đếm có giá trị max (bộ đệm đầy) thì burst tới bị loại bỏ.

Nếu có nhiều burst đến cùng cổng đầu ra trên cùng một khe thời gian thì chúng sẽ lần lượt đăng ký trễ, tổng thời gian trễ mà burst phải chịu là giá trị bộ đếm khi burst đến.

Sau đây là cấu trúc bộ đệm SLOB


Hình 2.12: Mô hình bộ đệm SLOB

Từ hình vẽ trên cho thấy thời gian trễ tối đa là Dmax=mk - 1 khe thời gian với k là số tầng chuyển mạch không tắc nghẽn cơ sở được sử dụng trong bộ đệm.

2.4.3.2 Phương pháp chuyển đổi bước sóng

Chuyển đổi bước sóng được định nghĩa là việc xử lý làm thay đổi bước sóng của một burst từ một kênh đầu vào tới một kênh đầu ra trên một bước sóng khác.

Trong mạng OBS trên một đầu ra có thể thực hiện ghép kênh WDM để truyền tín hiệu quang trên nhiều bước sóng. Vì vậy, dựa trên điểm đặc biệt này để thực hiện giải quyết tranh chấp giữa các burst với nhau. Khi có hiện tượng tranh chấp xảy ra thì một burst sẽ được truyền trên bước sóng của nó, còn các burst khác sẽ được chuyển đổi sang bước sóng khác rồi truyền tới đầu ra yêu cầu mà không gây tranh chấp. Nhờ đó, có thể truyền hai hay nhiều burst tới cùng một đầu ra nhưng trên các bước sóng khác nhau.

Có một số phương pháp chuyển đổi bước sóng sau đây

- Biến đổi hoàn toàn, bất kỳ bước sóng nào trên đầu vào cũng có thể chuyển đổi tới một bước sóng trên đầu ra còn khả dụng, với phương pháp này thì các kênh luôn được kết nối mà không kể tới bước sóng.

- Biến đổi giới hạn, ở phương pháp này thì mỗi bước sóng trên kênh đầu vào chỉ có thể biến đổi tới một nhóm bước sóng trên kênh đầu ra, vì vậy không phải kết nối nào cũng thực hiện được.

- Biến đổi cố định, đây là một trường hợp đặc biệt của biến đổi có giới hạn, tại mỗi node mỗi kênh đầu vào chỉ có thể kết nối tới một kênh cố định trên đầu ra.


- Biến đổi bước sóng rải rác, là trong mạng OBS có những node có thể thực hiện biến đổi có những node không thể thực hiện biến đổi.

Mặc dù phương pháp này đạt hiệu quả khả quan trong thực nghiệm cũng như kỹ thuật nhưng nó vẫn chưa được sử dụng rộng rãi vì thực hiện các bộ chuyển đổi bước sóng đòi hỏi chi phí cao và phức tạp trong cấu trúc.

2.4.3.3 Phương pháp định tuyến đổi hướng

Trong mạng chuyển mạch burst cũng có thể dùng phương pháp định tuyến đổi hướng để làm giải quyết vấn đề tranh chấp, tránh gây nên hiện tượng tắc nghẽn. OBS sử dụng giao thức JET cho phép hỗ trợ định tuyến đa đường từ nguồn tới đích.

Khi có xảy ra hiện tượng tranh chấp thì một burst sẽ được định tuyến trên cổng đầu ra đúng, các burst còn lại sẽ được định tuyến trên các cổng đẩu ra khác khả dụng. Các burst được định tuyến đổi hướng sẽ phải đi trên các con đường không tối ưu hơn nên có thể gây trễ lớn hơn. Vì vậy, cần phải tính toán lại thời gian trễ cho các burst và phải thực hiện sắp xếp lại vị trí các burst thu được tại node đích.

Định tuyến đổi hướng (định tuyến nóng) là một phương pháp lý tưởng đối với các mạng không sử dụng trễ hay không gian bộ đệm nhỏ đồng thời nó cũng làm giảm xác suất loại bỏ burst và thời gian trễ burst.

2.4.3.4 Phương pháp phân mảnh burst

Để giải quyết tranh chấp trong mạng OBS ta cũng có thể sử dụng phương pháp phân mảnh burst. Phương pháp phân mảnh burst được định nghĩa là sự phân chia các burst thành các đơn vị truyền tải cơ bản gọi là các mảnh (segment), mỗi mảnh có thể là một hay nhiều gói có thông tin tiêu đề bổ sung (độ dài mảnh và checksum)... Tất cả các mảnh này lúc đầu được truyền đi như một burst.

Hình 2.13: Mô tả giải quyết tranh chấp bằng phân mảnh burst

Khi xảy ra tranh chấp thì chỉ có các mảnh của burst bị chồng lấn mới bị loại bỏ. Còn các mảnh khác vẫn được truyền đi. Vì vậy, ta chỉ phải thực hiện truyền lại các mảnh đã mất dưới dạng các burst bổ sung, chú ý việc phân


mảnh burst không làm giảm xác suất xảy ra hiện tượng tranh chấp tài nguyên nhưng làm giảm khả năng mất dữ liệu trong burst giảm.

Có hai phương pháp để loại bỏ các mảnh bị chồng lấn, hoặc loại bỏ mảnh của các burst ban đầu hoặc loại bỏ các mảnh của burst tranh chấp. Khi sử dụng phương pháp này cần phải ước lượng thời gian chuyển mạch dựa vào phần còn lại của burst ban đầu để xác định được độ dài burst đầu ra tương ứng với thời gian chuyển mạch, vì khi cấu hình chuyển mạch cũng có thể gây ra mất mảnh do đầu ra có thể đã chuyển mạch tới một đầu ra khác.

KẾT LUẬN:

Chuyển mạch burst là sự cân bằng giữa các ưu điểm của chuyển mạch kênh quang và nhược điểm của chuyển mạch gói quang. Phù hợp để tần dụng một cách hiệu quả băng thông cực lớn mà hệ thống truyền dẫn quang cung cấp.

- Trong chuyển mạch kênh thì do cơ chế thiết lập cố đinh các kênh liên kết từ đầu cuối tới đầu cuối nên nó đạt được độ tin cậy cao tuy nhiên hiệu quả sử dụng băng thông không cao do không được tận dụng.

- Trong chuyển mạch gói quang thì mỗi gói có tiêu đề riêng nên tại mỗi node đều phải lưu đệm để xử lý tiêu đề gây trễ lớn, và thời gian để xử lý chuyển mạch trở nên quá lớn so với thời gian truyền tin khi mà tốc độ truyền dẫn cao.

- Còn trong OBS thì không yêu cầu lưu đệm tại mỗi node trung gian do sử dụng thời gian trễ, mà mỗi burst có một tiêu đề riêng nên không yêu cầu một bước sóng cho một kênh kết nối đầu cuối tới đầu cuối, các kênh kết nối được thiết lập trên từng liên kết một. Khi burst đi qua thì liên kết ngay lập tức được giải phóng.

Ngoài ra, OBS còn thực hiện truyền dẫn thông tin người sử dụng một cách trong suốt qua mạng (tức là không quan tâm tới loại thông tin chứa trong nội dung burst dữ liệu), điều này cho phép mạng OBS có thể thực hiện cung cấp nhiều dịch vụ khác nhau với QoS đảm bảo phù hợp cho tất cả các loại dịch vụ.

OBS hiện nay đang là một giải pháp phù hợp nhất cho Internet tốc độ cao và mạng truyền tải thế hệ tiếp theo, thực hiện cung cấp nhiều loại dịch vụ trên cùng một cơ sở hạ tầng mạng. Tuy nhiên, nó vẫn còn một số khó khăn trong việc thực hiện trên các mạng diên rộng do việc tính toán thời gian trễ cần phải xác định được số node trên đường đi từ nguồn đến đích mà với các mạng diện rộng thì điều này là không thể, mặt khác trong OBS để tối ưu hoá việc sử dụng băng thông cần sử dụng các bộ trễ quang đây là một khó khăn do công nghệ bộ nhớ truy nhập quang chưa phát triển.


CHƯƠNG III

MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG CẤU TRÚC VÒNG CHUYỂN MẠCH BURST

3.1 Giới thiệu chung

Trong nhưng năm gần đây do sự phát triển mạnh mẽ các mạng quang, mà chủ yếu là các mạng vòng quang SONET/SDH do có độ tin cây cao, và tốc độ lớn nên đã tạo ra động lực thúc đẩy việc nghiên cứu phát triển các cấu hình mạng vòng quang. Hiện nay các mô hình mạng này đang đóng vai trò chính trong các mạng truyền tải quang, đang ngày càng được nâng cao chất lượng để hỗ trợ cho các hệ thống sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM). Với công nghệ hiện nay thì OBS được xem là một kỹ thuật tốt nhất đem lại những hiệu quả to lớn cho người sử dụng và được sử dụng rộng rãi trong các mạng vòng quang. Mạng vòng OBS cho phép truyền tải các loại lưu lượng khác nhau như lưu lượng IP, ATM, Frame relay, cũng như HDTV, ngoài ra còn cả các loại lưu lượng khác không phải là IP, ATM hay Frame relay.

Trong chương này nghiên cứu một số giao thức truy nhập cho mạng vòng WDM, mà tiêu điểm là các mô hình vòng được thúc đẩy bởi sự phát triển của vòng SONET/SDH. Các mạng này đã đưa ra một hướng đầu tư hiệu quả trên phần sóng mang quang và hiện tại được phát triển để hỗ trợ WDM.

3.2 Kiến trúc mạng và node của mạng vòng OBS

3.2.1 Kiến trúc mạng vòng OBS

Cho mạng vòng quang bao gồm N node OBS được kết nối đơn hướng như hình vẽ dưới đây. Nó có thể là một mạng đô thị (MAN) đóng vai trò như là mạng xương sống để kế nối các mạng truy nhập với nhau và truyền dẫn các loại lưu lượng khác nhau từ người sử dụng như lưu lượng IP, ATM, Frame relay hay lưu lượng HDTV, và các loại lưu lượng khác không phải là IP, ATM, Frame relay thậm chí cả loại lưu lượng mà mạng IP không thể truyền tải được. Mỗi liên kết cáp quang giữa hai node OBS liên tiếp nhau trong vòng có thể hỗ trợ N+1 bước sóng. Trong đó N bước sóng được sử dụng để truyền tải các burst dữ liệu và bước sóng thứ N+1 được sử dụng để truyền tải gói điều khiển (còn gọi là bước sóng điều khiển hay kênh điều khiển).


Hình 3.1: Mô hình mạng vòng OBS

Mối node OBS trong vòng được liên kết với một hay nhiều mạng truy nhập. Trong các kết nối trực tiếp từ các mạng truy nhập tới vòng, node OBS đóng vai trò như là một bộ tập trung. Thực hiện tập trung và đệm dữ liệu trong miền điện, được truyền dẫn bởi người sử dụng trên các mạng truy nhập để truyền tải trên vòng OBS. Việc đệm dữ liệu là thực hiện tập hợp dữ liệu lại rồi sau đó được truyền dẫn trong một burst tới node OBS đích. Kích thước một burst có thể thay đổi bất ký trong khoảng kích thước burst nhỏ nhất và kích thước burst lớn nhất. Burst được truyền tải dọc theo vòng mà không phải biến đổi quang điện O-E-O tại bất cứ node trung gian nào.

Trong kết nối trực tiếp từ vòng tới các mạng truy nhập, một node OBS kết cuối các burst quang của chính nó, thực hiện xử lý điện các dữ liệu và phân bổ chúng tới các người sử dụng trong các mạng truy nhập được liên kết với node đó.

Như vậy hoạt động của mạng vòng OBS có một số đặc điểm sau:

1- Cho phép truyền tải nhiều loại lưu lượng khác nhau và kết nối trực tiếp với nhiều mạng truy nhập đồng thời.

2- Thực hiện truyền tải quang hoàn toàn dữ liệu của người sử dụng từ node nguồn tới node đích. tại node nguồn dữ liệu được tập trung để truyền đi trên các burst rồi sau đó chúng được tách ra tại node đích để phân bổ tới các người sử dụng trong các mạng truy nhập liên kết trực tiếp với node đó.

3- Các burst được truyền tải trên vòng có kích thước thay đổi từ giá trị kích thước burst nhỏ nhất tới giá trị kích thước burst nhỏ nhất. Tuỳ theo lưu lượng dữ liệu tới từ các kết nối trực tiếp với các mạng truy nhập của node đó.


4- Do dữ liệu người sử dụng được truyền tải trên vòng nên tại các node OBS trong vòng phải được cấu trúc bộ xen/rẽ quang OADM

5- Thông tin điều khiển được truyền tải trên một bước sóng riêng biệt gọi là bước sóng điều khiển hay kênh điều khiển (đây gọi là phương thức điều khiển ngoài băng).

6- mỗi node có một bước sóng riêng để truyền tải các burst của mình tới các node đích trong mạng vòng OBS, và nó cũng có thể thu được tất cả N bước sóng.

3.2.2 Kiến trúc node mạng trong mạng vòng OBS

Kiến trúc node mạng trong mạng vòng OBS được cho như hình vẽ 3.2 dưới đây. Mỗi một node OBS trong mạng vòng được trang bị một bộ tách xen các bước sóng quang (OADM) bao gồm hai cặp thu phát quang và các bộ đệm dữ liệu cùng với một bộ lập lịch.

Hình 3.2: Kiến trúc node mạng trong mạng vòng OBS

Do dữ liệu người dùng được truyền tải liên tục trên vòng quang nên tại các node mạng vòng OBS cần phải được cấu trúc các bộ xen/rẽ quang OADM, mỗi bộ OADM phải được cấu trúc bao gồm hai cặp thu phát.

Cặp thu phát thứ nhất, được điểu chỉnh để thu một bước sóng cố định dùng để thu các khe điều khiển trong khung điều khiển ở trên bước sóng điều khiển, bộ phát để thực hiện ghép các khe điều khiển vào các khung điều khiển trên bước sóng điều khiển sau khi đã đọc, phân tích song thông tin điều khiển và cập nhật các thông tin điều khiển mới. Trên hình 3.2 nó tương ứng là module điều khiển.

Cặp thu phát thứ hai, bao gồm một bộ thu phát được điều khiển trước tới một bước sóng riêng của node đó, nó cũng có thể thu được tất cả N bước sóng


truyền tải burst. Mỗi node OBS trong mạng vòng OBS có một bước sóng riềng để truyền tải các burst của nó. OADM tại mỗi node OBS thực hiện lấy ra các tín hiệu quang trên bước sóng riêng của nó bằng cách tách ra một bước sóng tương ứng, như trong hình 3.2. OADM cũng thực hiện tách các tín hiệu quang trên các bước sóng burst khác, mỗi khi mà nội dung của burst là dành cho node này. Trong trường hợp có nhiều burst cùng đến một node trên các bước sóng khác nhau sẽ gây ra hiện tượng va chạm (tranh chấp) tại module thu, Module thu phải giao việc cho khối quản lý va chạm để quyết định burst nào sẽ được chấp nhận.

Để hỗ trợ giao thức ODD (Only Destination Delay), một đường dẫy trễ mở rộng được thêm vào trong node (không có trong kiến trúc hình 3.2) để trễ các burst ra trên tất cả các bước sóng trừ bước sóng điều khiển và bước sóng riêng của node.

Dữ liệu đang đợi phát được sắp xếp trong các hàng đợi phát tương ứng để đi tới đích yêu cầu. Bộ đệm dữ liệu tại mỗi node OBS được chia sẻ bởi N-1 hàng đợi phát, mỗi hàng đợi phát sẽ tương ứng với một node OBS đích trong mạng vòng OBS. Việc sắp xếp sự phục vụ các hàng đợi phát được xác định bởi một module lập lịch như trong hình 3.2. Sự phục vụ các hàng đợi được điều khiển (quản lý) theo một kiểu quay vòng (Round-Robin).

Các dữ liệu người sử dụng đến được sắp xếp vào các hàng đợi phát theo địa chỉ các đích đến của chúng, Bộ lập lịch sẽ có nhiệm vụ xác định xem hàng đợi phát nào sẽ được phục vụ trong thời điểm hiện tại.

3.3 Hoạt động của bước sóng điều khiển trong mạng vòng OBS

Trong mạng vòng OBS sử dụng riêng một bước sóng để truyền tải thông tin điều khiển của các burst dữ liệu người dùng, và các thông tin điều khiển mạng. Các thông tin này được truyền đi trước trên các gói điều khiển.

Bước sóng điều khiển trong mạng OBS, truyền tải các gói điều khiển trong một cấu trúc khung điều khiển. Mỗi khung điều khiển, lại được phân chia theo thời gian thành các khoảng thời gian nhỏ hơn, mà trong một khoảng thời gian đó bước sóng điều khiển chỉ thực hiện phục vụ một node OBS. Sao cho, trong mỗi khung điều khiển thì bước sóng điều khiển phục vụ tất cả các node OBS trong mạng vòng được một lần. Mỗi khoảng thời gian đó được gọi là một khe điều khiển (control slot).

Gói điều khiển của mỗi burst dữ liệu tương ứng được truyền tải trên các khe điều khiển của các node nguồn tương ứng với burst dữ liệu đó. Một mạng vòng OBS N node tương ứng có N khe điều khiển, chúng được tập hợp tạo thành khung điều khiển (control frame), và được truyền tải liên tục trên vòng OBS. Phụ thuộc vào chu vi (kích cỡ) của vòng mà có thể một hay một vài khung điều khiển được truyền đồng thời liên tục nhau, trong trường hợp này thì khung điều khiển được truyền tải song song trên bước sóng điều khiển.

Mỗi node sở hữu một khe điều khiển trong khung điều khiển, mỗi một khe điều khiển bao gồm một vài trường chứa thông tin điều khiển, như minh hoạ trong hình 3.3. Kiểu và định dạng các trường trong khe điều khiển phụ thuộc vào giao thức OBS được sử dụng (chi tiết được trình bày trong mục 3.4).


Nói chung mỗi khe điều khiển gồm có các trường như địa chỉ node đích, thời gian trễ, độ dài burst và phần dùng cho các trường khác như trường thẻ, nó có thể được cấu trúc cho một vài giao thức thì phải có thêm trường định dạng giao thức.

Hình 3.3: Cấu trúc của một khung điều khiển

Khi một node có nhu cầu phát burst thì nó sẽ phải đợi cho tới khung điều khiển tiếp theo và ghi thông tin burst (địa chỉ đích, thời gian trễ burst, ...) lên khe điều khiển của nó. Ngược lại, nếu không có burst cần truyền đi nó sẽ xoá tất cả thông tin burst trong khe điều khiển của nó. Tại mỗi node, khi khung điều khiển đến node đó, đầu tiên node đọc các khe điều khiển để xác định xem có khe điêu khiển nào chỉ ra rằng có burst truyền tải đến node này hay không. Nếu tìm thấy, và giả sử rằng node đang rỗi ( tức là không thực hiện thu burst khác tại thời điểm đó) thì node đó sẽ tiến hành điều chỉnh bộ thu tới bước sóng của burst để thực hiện thu burst; Nói cách khác, sự ưu tiên là không được phép. Trong trường hợp bộ thu bị xung đột (ví dụ, khi có nhiều burst cùng lúc yêu cầu kết cuối tại node này hay địa chỉ của node này đồng thời xuất hiện trong nhiều khe điều khiển hay node đang tiến hành thu burst từ một node khác, có thể dẫn đến tình trạng chồng lấn trong tuyền dẫn hay xung đột thu), node đích sẽ lựa chọn lấy một burst để thực hiện thu. Trong giao thức dựa trên cơ sở có xác nhận, thì node cũng sẽ thay đổi trường tương ứng để thông báo tới node nguồn được phép truyền burst của nó tới node đích hay không, để node nguồn thực hiện phát burst.

Ở đây phải chú ý rằng, quyền hạn của một node nguồn trong việc đưa burst vào trong bước sóng riêng của nó cũng giống như bất kỳ node trung gian nào trong việc đưa burst đi qua tới node tiếp theo, và cũng giống như quyền hạn của node đích trong việc kết cuối các burst gửi tới nó. Kết quả là mỗi node phải đọc khung điều khiển đưa đến nó trước khi xác định hành động nào được thực hiện tiếp theo (có nghĩa là, node sẽ phải đọc các khe điều khiển để xác định xem tiếp theo nó sẽ thực hiện làm gì, như ghi thông tin burst vào khe điều khiển của mình để chỉ thị có ý định phát burst hay không, hay để xác nhận sự cho phép được truyền dẫn burst). Trong mạng vòng thời gian xử lý khung điều khiển tại các node trung gian và node đích là như nhau (T i

(P) = Td

(P)). Vì vậy, mà khung điều khiển sẽ bị trễ đi một khoảng thời gian bằng khoảng thời gian khi đi qua mỗi node, khoảng thời gian trễ này là tổng thời gian truyền dẫn khung điều khiển cộng với thời gian để xử lý khung điều khiển (Ti = Ti

(p) + Ti(T)), và nó có thể được làm giảm đi bởi một phần tử giao


thức đơn giản được thực hiện bằng phần cứng. Các giao thức sử dụng trong mạng vòng OBS có đặc điểm như đã phân tích sẽ được mô tả trong phần sau đây.

3.4 Các giao thức truy nhập mạng vòng OBS

Như đã nói ở phần trên mỗi node OBS được gán một bước sóng riêng để truyền burst của minh, và cũng chỉ có một bộ thu duy nhất để thu các burst kết cuối tại node này. Vì vậy, burst có thể bị mất nếu xảy ra xung đột bộ thu. Tình trạng này sẽ xảy ra nếu có hai hay nhiêu hơn các node nguồn phát burst trên bước sóng riêng của mình (mỗi burst được phát trên các bước sóng khác nhau) tới cùng một node đích, và sự truyền dẫn burst này sẽ gây ra hiện tượng chồng lấn burst. Trong phần này đưa ra một vài giao thức truy nhập khác nhau, mà sự khác nhau chính lá cách giải quyết xung đột bộ thu. Các giao thức này có thể được phân chia vào trong 3 lớp sau đây, phụ thuộc vào chủ thể đứng ra giải quyết xung đột bộ thu.

Lớp 1: Node nguồn, trong lớp giao thức này node nguồn chịu chách nhiệm giải quyết xung đột bộ thu sử dụng thông tin được truyền dẫn trong các khung điều khiển trên bước sóng điều khiển.

Lớp 2: Node đích, trong lớp giao thức này node nguồn phải nhận được sự cho phép của node đích trước khi gửi burst trên bước sóng riêng tới node đích. Node đích thực hiện lập lịch tất cả các yêu cầu phát burst tới nó. Vì vậy, tránh được sự xung đột bộ thu.

Lớp 3: Khác, trong lớp giao thức này không phải node nguồn hay node đích có nhiệm vụ giải quyết xung đột bộ thu. Ví dụ như một phương pháp chung trong mạng vòng là sử dụng các thẻ bài (token) để ngăn ngừa nhưng nguyên nhân làm xảy ra xung đột bộ thu.

Ở đây chúng ta nhấn mạnh các giao thức có sử dụng một vài chuẩn đơn giản để thực hiện trong phần cứng (có nghĩa là chúng có thể hoạt động tại tốc độ đường dây), và được phân bố theo tự nhiên (có nghĩa là mỗi node cục bộ thực hiện sự sao chép định dạng giao thức và quyết định phát đi bởi sự hiểu biết cục bộ của nó). Tất nhiên, ta tránh các giao thức đã được tập trung phân tích trước đây, hay yêu cầu tập trung các kích cỡ bộ đệm phát, hay yêu cầu đồng bộ đường dây mạng (ví dụ như cấu trúc TDM truyền thống).

Trong phần này chúng ta đi tìm hiểu 5 giao thức truy nhập (RR/R, RR/P, RR/NP, RR/ACK, và RR/Token). Trong đó ta có thể chia ra các giao thức ra thành các nhóm như sau: RR/R, RR/P, RR/NP thuộc lớp "node nguồn", giao thức RR/ACK thuộc lớp "Node đích", và các giao thức còn lại thuộc lớp các giao thức khác.

Để tiện cho việc mô tả sau này, thì trước tiên ta coi một burst là sự đóng gói của các gói IP, ATM, Frame relay hay là của một vài loại gói khác nhau có chứa dữ liệu người dùng. Tuy nhiên, burst cần phải được định dạng để tại node đích có thể lấy dữ liệu ra một cách chích xác từ burst thu được. Tuy nhiên, trong phạm vi nghiên cứu của đồ án không đi xâu về vấn đề này, nhưng trong bất cứ một định dạng burst nào cũng phải bao gồm phần mào đầu


(overhead) là phần mà nó gây ảnh hưởng trực tiếp tới phép đo hiệu năng (hiệu suất) giống như là khả năng thông qua và thời gian trễ burst.

Một hàng đợi phát được cho là phù hợp đối với sự phục vụ nếu kích thước của nó lớn hơn kích thước burst nhỏ nhất (MinBurstSize) hay dữ liệu đầu tiên của hàng đợi phát đã phải đợi trong một khoảng thời gian lớn hơn giá trị TimeOut. Nếu kích thước của hàng đợi phát phù hợp còn nhỏ hơn kích thước burst lớn nhất (MaxBurstSize) thì một burst bao gồm tất cả dữ liệu có trong hàng đợi phát phù hợp được tạo thành. Còn nếu khác, tức là nếu kích thước của hạng đợi phát phù hợp mà lớn hơn kích thước burst lớn nhất (MaxBurstSize) thì một burst có kích thước lớn nhất được tạo thành, dữ liệu còn lại sẽ được phục vụ trong lần sau.

3.4.1 Nguyên lý truy nhập mạng vòng OBS

Như đã tìm hiểu mạng vòng là mạng mà trong đó các node liên tiếp được kết nối điểm - điểm (point to point) với nhau tạo nên một sơ đồ vòng kín. Thông tin trong các burst được truyền dẫn từ node này tới node khác vòng quanh trong vòng, các kết nối có thể là một sợi hay nhiều sợi (2, 4 sợi ) đơn hướng hay hai hướng song công. Giao diện truy nhập tại mỗi node mạng là các thiết bị tích cực có khả năng xác định địa chỉ của node trong các gói điều khiển nếu có burst muốn kết cuối tại đây, Mà mục đích là để truy nhập bản tin. Giao diện phục vụ không chỉ giống như một điểm truy nhập người sử dụng mà nó còn là bộ lặp tích cực để truyền dẫn các bản tin đã được đánh địa chỉ tới các node khác.

Hình 3.4: Mô hình kết nối các node trong mạng vòng

Từ hình 3.4 ta thấy giao diện node mạng có thể hoạt động ở một trong các chế độ sau đây:


Chế độ lắng nghe (listen mode), tức là node có nhu cầu truyền thông tin đang yêu cầu được cho phép truyền. Trong chế độ này một dòng bít thích hợp giống như một thẻ hay một địa chỉ mẫu được sẽ được giám sát. Vì vậy dòng bít đến được sao chép xử lý rồi sau đó được đưa ra ngoài sau một thời gian trễ. Và đồng thời các bít này cũng được truyền tiếp tục tới trạm tiếp theo.

Chế độ truyền (transmit mode), tức là node đã chiếm được quyền sử dụng tài nguyên đường truyền, được phép phát thông tin lên mạng đồng thời nhận thông tin kết cuối tại đó. Giao diện được kết nối tới đầu vào và đầu ra của node để đưa dữ liệu vào trong vòng, đồng thời nhận dữ liệu từ vòng.

Chế độ bỏ qua (bypass mode), có nghĩa là node tạm thời không có nhu cầu trao đổi thông tin với các node khác trong vòng vì vậy nó có thể bỏ qua không quan tâm đến việc chiếm dụng tài nguyên đường truyền mà chỉ thực hiện chuyển tiếp thông tin qua nó tới các node tiếp theo để tăng tốc độ xử lý.

Hình 3.5: Các trạng chế độ hoạt động của một node trong vòng

Trong cấu trúc vòng có thể sử dụng các giao thức khác nhau để đạt được các mục đích khác nhau như truyền dẫn điểm - đa điểm, đa điểm - đa điểm, đa điểm - điểm ....

Do trong mạng vòng không tồn tại các liên kết vật lý giữa các node không kề nhau mà các liên kết đó chỉ là các liên kết ảo, chính vì vậy khi một node có nhu cầu truyền gói tới node khác nó phải nghe xem node đó đang ở trạng thái rỗi hay không, nếu không rỗi mà node thực hiện phát gói thì sẽ gây ra hiện tượng xung đột tại phía thu hay truyền dẫn chồng lấn các burst.

Để một node i truyền dữ liệu tới node j nào đó thì việc đầu tiên là nó phải làm là lắng nghe xem tài nguyên đường truyền có còn rỗi hay không, có khả năng phục vụ yêu cầu của node hay không thông qua giao thức điều khiển truy nhập mà mạng sử dụng. Chính vì vậy mà tuỳ vào giao thức điều khiển truy nhập mà mạng sử dụng mà ta có các hành động truyền dữ liệu khác nhau.

Sau đây ta sẽ đi mô tả từng loại giao thức truy nhập thường được sử dụng trong mạng vòng OBS.

3.4.2 Giao thức quay vòng với lựa chọn ngẫu nhiên (RR/R)

Đây là giao thức quay vòng với lựa chọn ngẫu nhiên (RR/R) có sử dụng bộ lập lịch quay vòng tại mỗi node OBS để phục vụ các hàng đợi phát và cho phép mỗi bộ thu lựa chọn ngấu nhiên một burst đến trong các burst đến node


đồng thời. Do đó nó được gọi là giao thức quay vòng với lựa chọn ngẫu nhiên. Giả sử khi node i có nhu cầu truyền burst tới node j thì hoạt động được trình bày như sau.

- Tại phía phát, bộ lập lịch của node i sẽ tiến hành kiểm tra tất cả các hàng đợi phát theo một kiểu quay vòng xác định. Cho rằng, tại thời điểm t1 thì hàng đợi phát thứ j được phục vụ, sau đó node i sẽ phải đợi cho tới khi khe điều khiển đầu tiên của nó tới sau thời điểm t1 để ghi thông tin burst và địa chỉ node j lên khe điều khiển tương ứng sau khi trễ một khoảng bằng giá trị thời gian trễ nó sẽ tiến hành phát burst trên bước sóng riêng của mình tới node j.

- Tại phía thu, khi mà khung điều khiển đến node j nó đọc các khe điều khiển của khung điều khiển đó để tìm ra khe điều khiển có địa chỉ đích là địa chỉ của mình trong trường địa chỉ đích. Nếu xảy ra trường hợp nhiều hơn một khe được tìm thấy thì nó sẽ tiến hành lựa chọn ngẫu nhiên một khe trong số chúng. Giả sử rằng burst tới từ node k được chấp nhận. Trong trường hợp này, tất cả các burst tới node j tại thời điểm này trừ burst tới từ node thứ k sẽ bị loại. Sau đó node j kiểm tra xem bộ thu có còn rỗi tại thời điểm burst từ node k đến node j không, và kiểm tra xem bộ thu có còn đủ thời gian điều chỉnh tới bước sóng khác không. Nếu đúng, thì nó sẽ thực hiện điều chỉnh bộ thu tới đúng bước sóng riêng của node k để thu burst được truyền dẫn, ngược lại, node j sẽ loại bỏ burst từ node k tới.

Hình 3.6: Mô tả giao thức truy nhập RR/R

Nguyên nhân của sự lựa chọn ngẫu nhiên được bao hàm trong việc giải quyết xung đột thu, RR/R là một giao thức công băng. Tuy nhiên, sự mất burst có thể xảy ra trả giá cho sự xung đột.


Hình 3.7: Thuật toán mô tả hoạt động giao thức RR/R

Trong giao thức này chưa giải quyết triệt để tình trạng loại bỏ burst do xung đột thu. Để khắc phục hiện tượng mất burst thì ta cần phải lập lịch thu cho bộ thu của node đích hay quản lý thời gian rỗi của các bộ thu. Để từ đó đưa ra quyết định có nên phát burst hay không. Điều này được cải tiến trong giao thức sau đây.

3.4.3 Giao thức quay vòng phục vụ kiên trì (RR/P)

Giao thức RR/P (round-robin with persistent service) gần giống với giao thức RR/R, nhưng nó được thiết kế để loại trừ tình trạng xung đột thu nhờ việc phát hiện trước để quyết định phát burst. Hoạt động của giao thức này được trình bày dưới đây. Giả sử rằng node i đang có nhu cầu truyền burst tới node j.

- Tại phía phát, node i duy trì một biến gọi là EarliestFreeTime(j) tương ứng với mỗi node đích j, EarliestFreeTime(j) là một biến chỉ thị thời gian rỗi sớm nhất của bộ thu node đích j. Biến này được cập nhật nhờ sự kiểm tra thông tin burst trong khe điều khiển có địa chỉ node đích j ở trường địa chỉ đích.

Bộ lập lịch tại mỗi node i kiểm tra tất cả các hạng đợi phát phù hợp theo một kiểu quay vòng. Cho rằng, tại thời điểm t1 hàng đợi phát j được lựa chọn để phục vụ, sau đó node i đợi tới khung điều khiển đầu tiên đến sau thời điểm t1. Giả sử, khung điều khiển đến tại thời điểm t2 node i thực hiện cập nhật biến EarliestFreeTime(j) dựa vào các thông tin có liên quan trong khung điều


khiển. Node i thực hiện tính toán thời điểm t3 là thời điểm bít đầu tiên của burst do node i gửi đi có thể đến node j. t3 được tính toán như sau.

t3 = t2 + Ti(P) + thời gian trễ + ij (3.1)

Trong đó: Ti(p) là thời gian xử lý tại node i, ij là thời gian trễ truyền dẫn

từ node i tới node j. Nếu EarliestFreeTime(j) cộng với thời gian chuyển đổi bước sóng của bộ thu tại node j nhỏ hơn t3, thì sau đó nó ghi thông tin burst vào trong khe điều khiển của nó, và gửi burst sau một khoảng thời gian trễ bằng giá trị thời gian trễ (offset). Mặt khác nếu EarliestFreeTime(j) cộng với thời gian chuyển đổi bước sóng bộ thu tại node j lớn hơn t3, thì node i biết được rằng nếu gửi burst sẽ gây ra xung đột bộ thu. Trong trường hợp này node i sẽ không thực hiện phát burst; Để thay vì phát burst thì node i đợi đến khung điều khiển tiếp theo và lặp lại tiến trình truyền dẫn burst tới node j. Đây chính là đặc điểm kiên trì (persistent) của giao thức RR/P, bộ lập lịch ngưng tiếp tục phục vụ các hàng đợi phát phù hợp tiếp theo cho tới khi burst đó được truyền tới node j thành công.

Chú ý rằng, việc làm chậm quá trình truyền dẫn burst dựa trên cơ sở tính toán thời gian rỗi sớm nhất của bộ thu node đích không hoàn toàn loại trừ được sự xung đột bộ thu. Giả sử rằng, hai node cùng đồng thời quyết định (dựa trên thông tin mà chúng cập nhật ở 2 khung điều khiển khác nhau (liên tiếp nhau)) gửi burst tới cùng một node đích j. Sự truyền dẫn đồng thời này có thể gây ra hậu quả xung đột bộ thu, mà không node nào biết để dự báo trước. Sau khi các node dọc theo đường đi từ node nguồn đến node đích nhận được khung điều khiển và thông tin burst từ các node ở phía gần nguồn hơn (trước nó), nó sẽ phát hiện thấy xung đột. Mặc dù vậy, các node xa nguồn hơn vẫn tiếp tục truyền burst của đó, bộ lập lịch của node i cũng tiếp tục phục vụ các hàng đợi phát phù hợp tiếp theo sau hàng đợi phát thứ j gây ra sự mất burst mà không node nào (node nguồn, node đích) biết để thực hiện giải quyết sự xung đột này.

- Tại phía thu, hoạt động của giao thức này được định nghĩa giống như trong giao thức RR/R.


Hình 3.8: Mô tả giao thức truy nhập RR/P

Từ sự phân tích hoạt động của giao thức RR/P ta thấy nhiệm vụ phát hiện xung đột thu hoàn toàn thuộc về chách nhiệm của node nguồn dựa trên việc lập lịch cho bộ thu các node đích thông qua biến EarliestFreeTime(j). Ở đây việc ngăn ngừa xung đột được thực hiện bằng cách ngăn ngừa tình trạng dẫn tới xung đột, không như giao thức RR/R để tránh xung đột bộ thu thì node đích lựa chọn thu một burst trong các burst đã được phát. Đó là điểm khác biệt của RR/P so với RR/R.

Hình 3.9: Thuật toán mô tả hoạt động của giao thức RR/P

RR/P đã loại trừ được phần nào xung đột bộ thu, nhưng nó không giải quyết một cách triệt để tình trạng gây ra xung đột bộ thu, nên vẫn tồn tại một xác suất loại bỏ burst nào đó mà không băng 0.


3.4.4 Giao thức quay vòng phục vụ không kiên trì (RR/NP)

Hoạt động của giao thức phục vụ quay vòng không kiên trì (RR/NP) được định nghĩa giống như giao thức RR/P có cải tiến đi một vài điểm. Cho rằng, tại thời điểm t1 node i đã được lựa chọn hàng đợi phát thư j để phục vụ bằng cách sử dụng bộ lập lich quay vòng. Cũng giả xử rằng, có một khung điều khiển đầu tiên đến sau thời điểm t1, và nếu node quyết định truyền burst tới node đích j thì có thể gây ra xung đột bộ thu tại node đích j. Nên node nguồn i ngưng việc truyền burst, nhưng thay vì việc cố gắng phục vụ hàng đợi phát thứ j ( như trong giao thức phục vụ quay vòng kiên trì RR/P), thì ở giao thức RR/NP bộ lập lịch của node i sẽ tiếp tục phục vụ các hàng đợi phát phù hợp tiếp theo trên khung điều khiển tiếp theo đến.

Hình 3.10: Thuật toán mô tả giao thức RR/NP


Giao thức RR/NP có thể đem đến một thời gian trễ nhỏ hơn giao thức RR/P. Tuy nhiên, bởi vì một node sẽ bỏ đi quá trình truyền burst của node đó tới bất cứ node đích, nếu nó được xác định rằng quá trình truyền dẫn đó sẽ gây ra một sự xung đột, nên giao thức RR/NP có thể gây ra sự thiếu thốn hàng đợi phát giả tạo, chính vì vậy giao thức RR/NP có vấn về sự ưu tiên. Đặc biệt, sự ưu tiên một node để phát burst tới node đích phụ thuộc vào mỗi liên hệ cục bộ của node đó trong vòng. Node i có độ ưu tiên cao nhất (hay thấp nhất) để phát burst tới burst tới node (i-1) và (tương ứng node i + 1).

Điểm khác biết rõ nhất của giao thức RR/NP so với RR/P là RR/NP không cố gắng phục vụ một hàng đợi nào đó khi nó phát hiện việc truyền burst tới node đích tương ứng đó có thể gây ra xung đột. Nhờ đó mà làm giảm sự xuất hiện của hiện tượng xung đột thu gây ra tình trạng loại bỏ burst mà vẫn thực hiện truyền burst khác trong khung điều khiển tiếp theo không lãng phí tài nguyên mạng. Nhưng cũng chính điểm cải tiến này lại gây ra tình trạng thiếu hàng đợi phát phù hợp giả tạo, tức là trong khi thực tế có thể vẫn còn băng thông truyền dẫn ở đầu ra nhưng các hàng đợi phát phù hợp lại không được phục vụ mà lại bị bỏ qua.

Giống như trong giao thức RR/R và RR/P, giao thức RR/NP cũng không loại trừ được hoàn toàn sự xung đột thu. Tuy nhiên, Ở giao thức này đã làm giảm thời gian trễ burst tại các node trung gian không gây lãng phí tài nguyên truyền dẫn trong một số trường hợp cụ thể.

3.4.5 Giao thức quay vòng thẻ bài (RR/Token)

Giao thức RR/Tocken sử dụng một thẻ bải để giải quyết sự xung đột bộ thu tại điểm thu. Sự khác biệt so với các giao thức dựa trên cơ sở thẻ bài truyền thống, như vòng thẻ bài IBM và FDDI là những giao thức sử dụng truy nhập một thẻ bài, còn trong giao thức RR/Token sử dụng truy nhập nhiều thẻ bài (giao thức truy nhập nhiều thẻ bài được đề xuất cho kiến trúc mạng vòng WDM). Có N thẻ bài, mỗi thẻ tương ứng với mỗi node đích. Một thẻ bài cũng có thể là đang sẵn sàng hay đang được sử dụng, trạng thái của thẻ được chỉ thị bởi một trường nhị phân được đặt trong trường các trường thông tin khác "other fields" của khe điều khiển tương ứng node đích đó. Nếu nó đang sẵn sàng thì trường nhị phân được thiết lập là 1, còn nếu đang được sử dụng thì trường đó có giá trị là 0. Nếu một thẻ bài đang sẵn sàng thì trường nhị phân trong khe điều khiển tương ứng sẽ được thiết lập là 1 chỉ trong một khung điều khiển, còn trong các khung còn lại nó được thiết lập là 0. Một node i nào đó chỉ có thể được phép truyền burst tới node đích j nếu nó chiếm được thẻ bài tương ứng thứ j. Các hàng đợi phát tại mỗi node được phục vụ theo một kiểu quay vòng. Vì vậy, giao thức RR/Token được gọi là giao thức quay vòng thẻ bài.

Hoạt động của giao thức này được mô tả như sau. Giả sử rằng, node i đang có yêu cầu truyền burst tới node j.

- Tại phía phát, node i giám sát mỗi khung điều khiển nhận được. Nếu node i tìm được một thẻ bài sẵn sàng, nó di chuyển thẻ vào hàng đợi thẻ của mình hoạt động theo kiểu FIFO. Node i cũng phục vụ hàng đợi phát tương


ứng với thẻ vừa nhận được (vừa tới). Đặc biệt hơn, giả sử thẻ đầu tiên trong hàng đợi thẻ là thẻ j, node i kiểm tra hàng đợi phát j có phù hợp để phục vụ không. Nếu không phù hợp, node i sẽ bỏ thẻ j, có nghĩa là node i chuyển thẻ j từ hàng đợi thẻ của mình ra khe điều khiển tương ứng trong khung điều khiển tiếp theo, và sau đó tiếp tục quá trình với thẻ tiếp theo trong hàng đợi thẻ. Ngược lại, hàng đợi phát thư j là phù hợp để được phục vụ, node i cấu trúc burst để truyền tới node j, tiến hành ghi thông tin burst lên khe điều khiển tương ứng trong khung điều khiển tiếp theo rồi gửi burst sau một khoảng thời gian trễ cho trước (được xác định trước). Sau khi quá trình truyền dẫn burst được hoàn thành, node i trả thẻ lại trong khung điều khiển tiếp theo. Node i tiếp tục phục vụ hàng đợi phát tương ứng với thẻ tiếp theo trong hàng đợi thẻ của mình. Vì vậy tất cả các node có một hàng đợi thẻ theo kiểu FIFO, thứ tự các thẻ tuần hoàn xung quanh vòng được ổn định. Sự lặp lại N thẻ bài, mỗi thẻ tương ứng với mỗi node đích. Do đó, các hàng đợi phát được phục vụ quay vòng theo một kiểu.

- Tại phía thu, node j kiểm tra các khung điều khiển đến có bất cứ một khe điều khiển nào chỉ thị burst truyền tới node j, nếu như một khe điều khiển được tìm thấy. Node j cấu trúc bộ thu tới bước sóng riêng đó để thu burst.


Hình 3.11: Thuật toán mô tả hoạt động của giao thức RR/Token

Từ hoạt động của giao thức này cho ta thấy hầu hết tại mỗi một thời điểm chỉ có một burst duy nhất truyền tới mỗi node. Do đó, giao thức RR/Token là giao thức đã giải quyết được triệt để tình trạng xung đột bộ thu. Tuy nhiên, điều đó phải trả giá bằng sự phức tạp trong quản lý, thực hiện và giới hạn số node trong vòng.

3.4.6 Giao thức quay vòng có xác nhận (RR/ACK)

Giao thức quay vòng có xác nhận (RR/ACK) dựa trên sơ đồ TAW (Tell And Wait), đầu tiên một node nguồn i gửi một yêu cầu (bao gồm địa chỉ đích và kích cỡ burst) phát một burst tới node đích j. Khi node j nhận được yêu cầu, node j tính toán thời gian trễ và gửi nó về node i trong trường thời gian trễ trong khe điều khiển i. Chú ý rằng, một node nguồn i không cho phép có nhiều hơn một yêu cầu cùng tồn tại (chưa giải quyết song): Nói cách khác, node nguồn không cho phép gửi đi một yêu cầu tới một node đích khác trong khi nó đang chờ thông tin xác nhận (acknowledgment) từ node đích j. Chính


nhờ tiêu chuẩn này đã tránh được sự xung đột bộ phát, có nghĩa là tình trạng một node nguồn đang đợi nhận thông tin xác nhận từ hai hay nhiều hơn hai node đích khác nhau có thể gây ra sự chồng lấn trong việc truyền burst.

Quá trình truyền burst từ một node nguồn i tới node đích j sử dụng giao thức truy nhập RR/ACK được mô tả như dưới đây.

- Tại phía phát, node i lựa chọn một hàng đợi phát j trong nhóm các hàng đợi phát phù hợp. Sau đó node i đợi tới khe điểu khiển của mình trong khung điều khiển tiếp theo, và thực hiện ghi yêu cầu lên khe điều khiển đó. Yêu cầu có chứa địa chỉ của node đích (trong trường hợp này là node j) và độ dài burst. Chú ý rằng, node nguồn i không ghi giá trị thời gian trễ trong trường thời gian trễ của khe điều khiển i, mà giá trị thời gian trễ được cung cấp bởi node đích j trong thông tin xác nhận. Sau khi node i nhận thông thông tin xác nhận từ node j sau một chu trình (round-trip). Nó cấu trúc bộ phát của mình để gửi đi một burst tại thời điểm được xác định thông qua giá trị thời gian trễ do node đích j gửi về trong bản tin xác nhận.

Gọi là trễ chu trình (round-trip) của khung điều khiển (có nghĩa là thời gian trễ truyền dẫn xung quanh một vòng cộng với tổng thời gian trễ xử lý khung điều khiển tại mỗi node trong vòng). Và gọi t là thời gian tại đó sự truyền burst tới node đích j sẽ hoàn thành. Sơ đồ RR/ACK được sử dụng cốt để cải thiện sự sử dụng vòng, định nghĩa điểm yêu cầu an toàn tiếp theo (next safe request point) đối với node i là (t - ). Node i sẽ đợi sau một khoảng thời gian (t - ) trước khi nó quyết định đưa ra một yêu cầu truyền burst mới tới node k nào đó. Do đó, node i nhận thông tin xác nhận từ node k tại thời điểm (t - ) + = t lúc đó thì node i đã thực hiện song quá trình truyền burst tới node j cho nên bộ phát của nó đang rỗi để thực hiện phát burst tới node k.

- Tại phía thu, node j chấp nhận các yêu cầu truyền burst tới node j theo kiểu đến trước, phục vụ trước (first-come, first-server). Đặc biệt, sau khi nó chấp nhận yêu cầu từ node i thì node j tính toán thời t ' tại thời điểm đó nó sẽ nhận được bit đầu tiên của burst từ node i tới. Bộ thu của node j rỗi sau thời gian t'. Khi đó yêu cầu tiếp theo đến từ node k, node j gửi tới node k, một giá trị thời gian trễ đã được tính toán dựa trên thời gian mà bít đầu tiên của burst của node k đến node j ( t' ) cộng với thời gian điều chỉnh bộ thu của node j.


Hình 3.12: Sơ đồ hoạt động của giao thức RR/ACK


CHƯƠNG IV

ỨNG DỤNG OBS TRONG MẠNG THẾ HỆ SAU

4.1 Giới thiệu về mạng thế hệ sau

Trong những năm gần đây, do lưu lượng thông tin cần truyền dẫn tăng vượt bậc, các dịch vụ được cung cấp tới người sử dụng ngày một đa dạng hơn, không chỉ như trước đây chỉ có thoại truyền thống, mà nay còn có thêm các dịch vụ yêu cầu băng thông rộng như truyền video thời gian thực, dữ liệu, truy nhập Internet tốc độ cao,..v...v... Đang được cung cấp trên các cơ sở hạ tầng mạng khác nhau điều này gây bất tiện cho việc cung cấp dịch vụ. Vì vậy, phải thực hiện duy trì nhiều hạ tầng mạng khác nhau không tối ưu trong mạng truy nhập, cũng như việc truy cập các dịch vụ phải thực hiện trên nhiều kết nối khác nhau giữa người sử dụng và nhà cung cấp dịch vụ. Chính sự bất tiện đã thúc đẩy cần phải nhanh chóng hợp nhất các mạng hiện có tạo thành mạng mới được gọi là mạng thế hệ sau (NGN). Tuy nhiên, điều này cũng sẽ dẫn tới sự ra đời của hàng loạt công nghệ mới nhưng do không thuộc lĩnh vực nghiên cứu của đồ án nên trong phạm vi đồ án này không đi sâu phân tích các công nghệ mới được sử dụng trong mạng thế hệ sau.

NGN có thể được mô tả là mạng thực hiện dễ dàng 4 vấn đề sau:

1 Truy nhập độc lập tới nội dung và các ứng dụng.

2 Độ khả dụng cao, mạng lõi và mạng truy nhập có băng thông lớn, hỗ trợ đa dịch vụ.

3 Là mặt bằng cho phép phát triển và triển khai nhanh chóng các ứng dụng tích hợp vào người dùng đầu cuối.

4 Môi trường mạng là môi trường mở dễ dàng phát triển và mở rộng các dịch vụ được cung cấp bởi mạng.

Chính điều này đã thúc đẩy mạng viễn thông hiện nay đang chuyển dần sang mạng thế hệ sau. Mạng thế hệ sau (Next Generation Network-NGN), có thể được hiểu một cách tổng quát là một mạng hợp nhất các mạng hiện có, cho phép truyền dẫn tất cả các loại lưu lượng hiện tại và trong tương lai trên cùng một hạ tầng mạng như lưu lượng thoại, dữ liệu, video, ....


Mô hình cấu trúc kết nối của NGN:

Hình 4.1: Mô hình mô tả cấu trúc kết nối của NGN

Mạng thế hệ sau được cấu trúc gồm hai phần, phần mạng quản lý điều khiển tương thích và mạng truyền tải tốc độ cao.

- Mạng quản lý điều khiển tương thích, có nhiệm vụ quản lý và điều khiển hoạt động của mạng truyền tải, thực hiện thiết lập các kết nối và điều khiển giao diện kết nối phù hợp với các môi trường mạng khác. Thực hiện điều khiển các node chuyển mạch để thiết lập mọi cuộc gọi trong NGN.

- Mạng truyền tải tốc độ cao, được cấu trúc thành các ring từ mạng cáp quang sử dụng các công nghệ ATM, WDM, SDH, hay SONET với các thiết bị tổng đài dung lượng lớn. Có khả năng truyền tải các loại lưu lượng khác nhau đảm bảo chất lượng dịch vụ phù hợp cho tất cả các loại lưu lượng.

Vì vậy, NGN là một môi trường hợp nhất được sử dụng để cung cấp các dịch vụ viễn thông chỉ trên một cơ sở hạ tầng mạng duy nhất.

Cấu trúc phân lớp NGN

NGN được phân chia thành 4 phân lớp chính với các chức năng được chỉ ra như hình 4.2 dưới đây.


Hình 4.2: Cấu trúc phân lớp của NGN

Ngoài ra, còn có một lớp quản lý xuyên suốt từ lớp 1 đến lớp 4 của mô hình phân lớp NGN. Thực hiện quản lý mọi hoạt động và điều khiển giao diện kết nối của NGN với các mạng truy nhập và giữa các phân lớp với nhau.

Lớp ứng dụng và dịch vụ mạng

- Lớp này đảm bảo nhiệm vụ cung cấp các ứng dụng và dịch vụ như dịch vụ mạng thông minh (IN), trả tiền trước, dịch vụ giá trị gia tăng Internet .v..v…cho người sử dụng trong các mạng truy nhập.

- Hệ thống ứng dụng và dịch vụ mạng này liên kết với lớp điều khiển thông qua các giao diện lập trình mở API (Application Program Interface). Chính nhờ liên kết qua giao diện lập trình mở này tạo điều kiện thuận lợi để phát triển các dịch vụ mới một cách nhanh chóng dễ dàng, đồng thời cho phép nâng cao chất lượng và cải tiến các dịch vụ cũng như cấu hình mạng một cách nhanh chóng và dễ dàng, chỉ cần cài đặt lại phần mềm mà không cần thay đổi cấu hình phần cứng.

Lớp điều khiển

- Lớp điều khiển có chức năng điều khiển kết nối người sử dụng trong các mạng truy nhập với lớp ứng dụng và dịch vụ, nhằm đưa các dịch vụ được cung cấp tới người sử dụng. Các chức năng như quản lý, chăm sóc khách hàng, tính cước, … Cũng được tích hợp trong lớp điều khiển.

- Lớp điều khiển, bao gồm các hệ thống điều khiển kết nối cuộc gọi giữa các thuê bao thông qua điều khiển các thiết bị chuyển mạch


(ATM + IP) của lớp truyền tải và các thiết bị truy nhập của lớp truy nhập.

Lớp truyền tải (lớp media)

- Mạng đường trục có chức năng chính là truyền tải mọi loại thông tin dưới dạng gói IP dưới sự điều khiển của giao thức điều khiển hay các hệ thống điều khiển trong lớp điều khiển.

- Lớp truyền tải bao gồm các node chuyển mạch, các bộ định tuyến, các thiết bị truyền dẫn có dung lượng lớn.

- Lớp này kết nối với lớp truy nhập thông qua các cổng phương tiện (Media Gateway). Và kết nối với lớp điều khiển thông qua các bộ điều khiển cổng phương tiện MGC (Media Gateway Controler).

Lớp truy nhập

- Lớp này thực hiện thu thập các loại hình thông tin từ các đầu cuối của người sử dụng trong các mạng truy nhập, thực hiện đóng gói thông tin thu thập được thành các gói IP để truyền qua mạng truyền tải đường trục.

- Lớp này bao gồm các thiết bị truy nhập, để cung cấp các giao diện kết nối các thiết bị đầu cuối thuê bao trong các mạng truy nhập với mạng truyền tải gói tốc độ cao ở trong lớp truyền tải, thông qua hệ thống mạng ngoại vi như: Cáp đồng, cáp quang hoặc môi trường vô tuyến. Các thiết bị truy nhập có thể cung cấp các loại giao diện cổng truy nhập như: POTS, VOIP, IP, FR, X.25, ATM, xDSL, di động v.v..

- Lớp truy nhập kết nối với lớp truyền tải thông qua các cổng phương tiện (Media gateway).


Cấu trúc các khối chức năng của NGN

Hình 4.3: Cấu trúc các khối chức năng của NGN theo khuyến nghị của MSF

Media Gateway (MG)

- Là thiết bị phối hợp nằm giữa mạng lõi chuyển mạch gói của NGN và mạng chuyển mạch kênh truyền thống. Tác dụng chính của nó là chuyển đổi thông tin từ dạng tin của mạng chuyển mạch kênh là các bản tin sang dạng tin của mạng chuyển mạch gói là các gói thông tin người dùng và ngược lại.

- Nó cung cấp các dịch vụ như VoIP, VoATM, Dial-In (RAS, LAC), kênh ảo (Virtual Trunking), và các dịch vụ gói gia tăng khác... cho người sử dụng trong các mạng PSTN.

- Hỗ trợ QoS với thời gian trễ nhỏ nhất cho các ứng dụng yêu cầu thời gian thực như thoại, video thời gian thực...

MGC (Media Gateway Controller)

- Là thiết bị trung tâm thực hiện toàn bộ chức năng giám sát, điều khiển các cuộc gọi trong NGN.

- Giao diện mở cho phép nâng cấp mở rộng dễ dàng.

- Hỗ trợ các giao thức chuẩn MGCP, MEGACO, SIP, H323, v.v...

Signaling Gateway (SG)

- Cung cấp SS7 trên TDM, ATM, IP ... nhằm phối hợp báo hiệu giữa mạng TDM truyền thống và NGN.

- Cung cấp các đặc tính mới như SMS, WAP ..


- Hỗ trợ các liên kết báo hiệu tốc độ cao, nhiều mạng báo hiệu số 7 đồng thời, giám sát quản lý báo hiệu nhằm tối ưu hoá tài nguyên mạng

Hệ thống thiết bị truyền tải (Mạng lõi mạng chuyển mạch gói)

- Node chuyển mạch IP-ATM tốc độ cao (ATM Switch, IP Switch ..)

- Thiết bị định tuyến lõi, biên (Router, LSR..)

- Thiết bị truyền dẫn quang dung lượng lớn (SDH, DWDM, SONET)

Hệ thống thiết bị truy nhập

- Hỗ trợ toàn bộ các giao diện truy nhập phía xa như VoDSL, ADSL/SDSL, ISDN-BA, v.v... và tách riêng các ứng dụng thoại và truyền dữ liệu đưa vào các mạng xương sống riêng biệt (mạng TDM và mạng lõi NGN).

- Cung cấp các loại giao diện cổng truy nhập khác nhau như: POTS, VOIP, IP, FR, X.25, ATM, xDSL, di động v.v..

4.2 Mạng truyền tải quang thế hệ sau

Như ta đã trình bày ở phần trên mạng truyền tải quang thế hệ sau được cấu trúc thành các vòng ring sử dụng các kỹ thuật truyền dẫn tốc độ cao SONET/SDH hay WDM,.... Cùng với các node chuyển mạch tốc độ cao dung lượng lớn. Cho phép truyền tải các gói tin tốc độ cao và không phụ thuộc vào loại thông tin chứa trong gói.

Công nghệ WDM là một công nghệ điển hình cho phép truyền thông tin trong mạng cáp quang với tốc độ cao. Mặt khác trong những năm gần đây do sự "bùng nổ" của lưu lượng Internet, cùng với su hướng IP hoá mạng lõi của mạng viễn thông. Vì những lý do trên đây mà mạng IP dần trở thành mạng lõi thực hiện truyền tải thông tin dưới dạng gói.

Mạng IP sử dụng kỹ thuật WDM cung cấp băng thông cực lớn tại lớp vật lý, do vậy cần phải chú trọng phát triển các giao thức lớp cao để hỗ trợ sử dụng một cách hiệu quả băng thông cực lớn này tại lớp quang.

Hiện nay WDM được ứng dụng chủ yếu tại các mạng lõi đường trục của các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông, làm giao diện chuẩn cho các lớp cao hơn.

Công nghệ chuyển mạch sử dụng trong WDM

Trong các mạng WDM sử dụng các công nghệ chuyển mạch điện tử IP, ATM hay Frame relay cần phải có cấu trúc các bộ chuyển đổi O/E/O tại các node chuyển mạch, chính điều này đã làm mất đi ưu điểm của khả năng định tuyến bước sóng và độ rộng băng thông mà công nghệ WDM cung cấp, đồng thời làm giảm hiệu quả của việc sử dụng truyền dẫn quang mà mạng cung cấp, do sự hạn chế trong tốc độ xử lý của các chuyển mạch điện tử. Chính vì vậy cần phải nghiên cứu phát triển một công nghệ chuyển mạch mới để loại bỏ hoàn toàn việc xử lý điện tử tại các node chuyển mạch. Và OBS như một công nghệ chuyển mạch phù hợp với các yêu cầu trên.


Sau đây đưa ra cấu trúc của mạng IP dựa trên công nghệ WDM có sử dụng OBS (IP Over WDM).

Hình 4.4: Cấu trúc mạng IP Over WDM sử dụng OBS

OBS cho phép chuyển mạch các burst thông tin qua trường chuyển mạch burst một cách hoàn toàn trong suốt, và không phụ thuộc vào nội dung thông tin được mang đi trong burst. Vì vậy, nó đặc biệt phù hợp để thực hiện cung cấp nhiều loại dịch vụ khác nhau trên cùng một cơ sở hạ tầng mạng.

Với OBS, cho phép thực hiện truyền dẫn quang hoàn toàn từ node nguồn tới node đích nhờ việc cấp phát tài nguyên trong miền điện thông qua gói điều khiển được truyền đi trước burst. Ngoài ra, ở OBS đã loại bỏ được hoàn toàn việc xử lý điện tại các node trung gian thông tin được truyền trong suốt từ node nguồn tới node đích.

OBS là một công nghệ có khả năng cung cấp cơ chế triển khai IP trên WDM. Coi mạng IP vận hành trên mạng đường trục OBS như là một cơ chế truyền dẫn, các gói IP tại các node biên được đệm và tập hợp lại tạo nên các burst để truyền qua các kết nối chéo quang được thiết lập nhờ gói điều khiển đã được gửi đi trước đó. Đặc biệt OBS có khả năng cung cấp kiểu chuyển mạch theo kiểu chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS. Thông tin nhãn được lưu trong các gói điều khiển của burst tương ứng.

4.3 Chuyển mạch nhãn đa giao thức có sử dụng OBS

Mỗi kết nối chéo trong mạng OBS sẽ có thông tin trao đổi nhãn về các tuyến đã tính toán trước trong cơ sở thông tin nhãn (LIB) của nó. LIB có thể được thiết lập bằng cách sử dụng các kỹ thuật chuẩn như các giao thức định tuyến với các mở rộng của kỹ thuật lưu lượng để phân phối thông tin về miền quang (băng tần khả dụng trong bước sóng, số bước sóng trên cáp quang) để phân phối các nhãn. Bất cứ khi nào router vào có burst dữ liệu cần phát thì nó


sẽ tham chiếu LIB của nó để xác định nhãn phù hợp. Nhãn này có trong gói điều khiển đã đến trước burst dữ liệu này. Khi gói điều khiển đi tới một nút trung gian bất kỳ thì các hành động sau sẽ được thực hiện:

- Nhãn trong gói điều khiển được sử dụng để chỉ ra thông tin chuyển tiếp burst trong LIB như giao diện ra và độ ưu tiên hoặc thông tin về QoS.

- Kết nối chéo quang được thiết lập để chuyển mạch burst tương ứng với gói điều khiển trong phạm vi toàn quang. Để làm điều này, thông tin trong gói điều khiển về chiều dài và thời gian trễ (offset) của burst được sử dụng để bổ sung vào thông tin chuyển tiếp lấy ra từ LIB. Đặc biệt, thời gian trễ được sử dụng để xác định việc chuyển đổi từ bước sóng vào trên một sợi cáp quang tới bước sóng ra trên một sợi cáp quang khác. Để chuyển tiếp các burst liên tiếp của cùng một kết nối (LSP) trên các bước sóng khác nhau tại một sợi cáp quang, nhãn chỉ xác định việc chuyển đổi cáp quang vào sang cáp quang ra, còn thông tin về bước sóng sẽ được đưa thêm vào nhãn ra tại từng node. LIB cũng cung cấp những thông tin QoS khác (như định nghĩa tập các bước sóng trên sợi cáp quang ra, xác định khả năng của burst dữ liệu để sử dụng chuyển đổi bước sóng, chỉ ra trong trường hợp có va chạm thì gói điều khiển với yêu cầu đặt trước có được phép ưu tiên hay không).

Hình 4.5: sơ đồ chức năng kết nỗi chéo quang hỗ trợ OBS

- Gói điều khiển sau đó phải trải qua việc trao đổi nhãn (và gắn thêm thông tin về bước sóng) rồi được chuyển tiếp trên kênh điều khiển riêng của sợi cáp quang ra do LIB chỉ định tới node tiếp theo.

Sơ đồ chức năng của kết nối chéo quang hỗ trợ OBS và sử dụng chuyển tiếp kiểu MPLS được chỉ ra trong Hình 4.5.


Để việc thực hiện được việc truyền tải IP qua lớp quang trong mạng đường trục quang WDM có sử dụng OBS thì cần phải cấu trúc một lớp liên kết giữa lớp IP và lớp truyền tải quang có sử dụng OBS. Cấu trúc lớp vật lý liên kết giữa lớp IP và lớp truyền tải quang sử dụng OBS được chỉ ra như hình 4.6 dưới đây.

Như hình 4.6 cho thấy các gói IP đến tại các node chuyển mạch biên được đệm trong miền điện để chuẩn bị đưa vào bộ kết hợp burst tạo các burst đưa vào mạng truyền tải có sử dụng chuyển mạch burst.

Hình 4.6: Sơ đồ khối chức năng lớp liên kết giữa lớp IP và lớp quang

Các burst sau khi được cấu trúc thì được xếp vào hàng đợi burst để chuẩn bị được phát đi, khi đến lượt burst nào được phát (đứng đầu hàng đợi burst) thì bộ phát Offset sẽ tiến hành tính toán giá trị offset và đưa ra cho bộ phát gói điều khiển cấu trúc gói điều khiển có chứa các thông tin như giá trị offset, độ dài burst, thông tin định tuyến ( nhãn)... để đưa xuống lớp quang.

Các burst sau khi đã được đặt vào khung đợi cho đến khi hết thời gian offset thì được đưa vào lớp quang.

Tại các node trung gian thì chỉ có gói điều khiển được phân tích để cấu trúc chuyển mạch và chuyển đổi nhãn.

Tại node đích chỉ đơn giản là gỡ burst ra khỏi khung và thực hiện tháo burst lấy ra các gói tin đưa lên lớp IP.

4.4 OBS như là một vấn đề tối ưu hóa hệ thống hàng đợi

Qua việc nghiên cứu dung lượng tối đa của hệ thống chuyển mạch với sự quan tâm chính là tốc độ của các bộ xử lý điều khiển của chuyển mạch burst. Một câu hỏi đặt ra là: Thông lượng của một hệ thống chuyển mạch OBS có đạt tối đa không, nếu chúng ta yêu cầu hàng đợi gói điều khiển là không đang


kể và mong muốn giới hạn tỷ số loại bỏ burst? Chúng ta đưa ra câu hỏi này bởi vì để lựa chọn một giá trị độ dài burst trung bình B thích hợp mà nó không gây ra tình trạng quá nhiều gói điều khiển phải gửi đi. Vì nếu các gói điều khiển làm tắc nghẽn bộ xử lý điều khiển, chúng phải xếp hàng và tất nhiên thời gian trễ của các gói điều khiển trở nên không xác định được. Mà OBS yêu cầu nghiêm ngặt quan hệ thời gian giữa burst và gói điều khiển (giá trị thời gian trễ). Vì vậy, điều đó là không mong muốn.

Chúng ta mô hình hoá một cổng ra của chuyển mạch giống như một hệ thống hàng đợi M/G/k/k, và bộ xử lý điều khiển giống như là hàng đợi G/G/1, và chúng ta đặt vào trong một hệ thống như dưới đây.

(4.1)

(4.2)

Ở đây, là tốc độ đến của gói điều khiển và burst tới cổng ra, là tốc độ phục vụ của các gói điều khiển, A(B)=xB là lưu lượng thông qua của kênh

dữ liệu và là xác suất burst tính bằng Erlang cho một hệ thống hàng đợi lưu lượng được cung cấp là A. Q là độ dài của hàng đợi bộ xử lý điều khiển. Các tham số 1, 2 >0 được lựa chọn để đảm bảo hệ thống hàng đợi trong bộ xử lý và số lượng burst bị mất là nhỏ.

Từ đó chỉ ra rằng thông lượng vào A(B) lớn nhất tại

(4.3)

Và đạt được đối với B là (4.5)

( là thông lượng vào yêu cầu đối với hệ thống hàng đợi M/G/k/k có xác suất nghẽn là 2).

Việc mô hình hoá lưu lượng cho thấy rằng, sự lựa chọn B thích hợp phụ thuộc vào điều kiện lưu lượng và tiến trình tập hợp burst, đặc biệt số nguồn N, trễ tập hợp burst lớn nhất cho phép là t*, và kích thước burst lớn nhất cho phép là Bmax đồng thời lưu lượng tăng thêm đối với mỗi nguồn là A(B)/N.

Hệ thống có thể thực hiện được nếu (N/t*)1.

CHÚ THÍCH:

Với một hệ thống hàng đợi cơ sở xác định A/B/n/K/N/X:

Trong đóA- Là tiến trình đếnB- Phân bố thời gian phục vụn- Là số serverK- Dung lượng tổng cộng của hệ thốngX- Là nguyên tắc hàng đợi


4.5 Các kiến trúc OBS thế hệ tiếp theo

Hạn chế lớn nhất của OBS là vấn đề làm giảm thời gian trễ T(i) khi burst đi ngang qua mạng, việc đó gây ra tỷ số mất burst lớn. Trong khi hầu hết các công nghệ khác bao gồm cả Metri-base QoS lại tập trung làm giảm đi các tình trạng xấu qua đó làm giảm xác suất nghẽn, không để ý tới khả năng có thể còn tồn tại các kiến trúc chuyển mạch mới có thể cho phép loại bỏ trễ hay cân bằng đối với tất cả các hướng đến. Một phạm vi điều tra chính đối với việc nghiên cứu này sẽ tập trung trên những vấn đề này và cố gắng tìm ra cách sử dụng mới cho công nghệ quang lượng tử để giúp đỡ việc loại bỏ thời gian trễ nhưng đây là vấn đề khó khăn.

Hình 4.7: Cấu trúc chuyển mạch OBS có đường dây trễ phía sau

Một đề xuất là đặt một đường dây trễ (FDL) trên cổng ra của chuyển mạch, tương đương một khoảng trễ giây, cùng với một sợi cáp ngắn được sử dụng để ghép đầu ra của khối điều khiển chuyển mạch (SCU) với sợi cáp sau đường dây trễ (FDL) xem trong hình 4.7. Ở đây chỉ xem sét cấu trúc một đầu vào và một đầu ra. Trong cấu trúc này, SCU cho phép chuyển đổi gói điều khiển đến vào trong miền điện, có thể đệm gói và giải phóng nó để đưa ra thời gian trễ chính xác giữa burst và gói điều khiển. Nó cũng có thể giải phóng gói trên sợi cáp trước FDL sau đó thời gian trễ có thể được làm tăng hay giảm đi. Việc nghiên cứu đề xuất này và được sử dụng tốt nhất ở thời gian trễ nào (có thể quản lý được thời gian trễ) sẽ là vấn đề có ý nghĩa cần phải làm sáng tỏ.

Một phương pháp tiếp cận khác là làm lệch đi thời gian trễ cũ đã được (định hướng). OBS điều khiển tách nhờ việc có các burst theo thứ tự đúng với các gói điều khiển của chúng mà không có trễ và trên cùng một bước sóng. Một khoảng thời gian trễ có thể được cung cấp nhờ việc đặt một đường dây trễ giữa lối vào và ma trận chuyển mạch, nhưng nhờ việc tách một phần nhỏ bước sóng tại trước FDL, thông tin điều khiển cho mỗi burst có thể được phân tích trong miền điện và được cho trực tiếp vào khối SCU không cần trễ như được chỉ ra trong hình 4.8 dưới đây.


Hình 4.8: Cấu trúc chuyển mạch OBS có đường dây trễ phía trước

Trong cấu trúc này hỗ trợ đường dây trễ giây, bây giờ tất cả các burst có giá trị thời gian trễ là giây so với gói điều khiển của nó đang được sử lý và dữ liệu tải trọng đang đưa vào chuyển mạch.

Sau khi chuyển mạch song thông tin điều khiển của các burst được ngay lập tức ghép trở lại vào trong sợi cáp trên cùng bước sóng với burst. Các chuyển mạch gói thông thường đặt chỉ đủ thời gian để xử lý phần header, tuy nhiên, khi đặt =100 s bộ lập lịch bước sóng đã có một khoảng thời gian rỗi đáng kể.

Các thuật toán lập lịch bước sóng và các luật hàng đợi gói điều khiển mới sẽ được kiểm tra trong sơ đồ này để cho phép ước lượng khả năng của nó để cải thiện xác suất nghẽn của OBS.

Những sơ đồ này cũng là chìa khoá để thăm dò sự tồn tại của OBS và OPS thông qua các yếu tố khách quan.

4.6 OBS hỗ trợ điều khiển luồng

Một khía cạnh quan trọng của OBS là không kiểm tra được hiệu quả của nó đối với các giao thức lớp cao những cái mà nó sẽ mang đi. Ví dụ như, một giao thức thích hợp nhất được mạng đi bởi OBS là giao thức IP. Giao thức IP mang giao thức điều khiển truyền dẫn (TCP), và giao thức truyền tải end-to-end thông thường.

Tuy nhiên, TCP là một giao thức điều khiển luồng, sử dụng sự mất mát gói như một tín hiệu biểu hiện sự nghẽn mạng để điều chỉnh tốc độ của mình. Tuy nhiên, ở đây sự mất ở trong các bộ định tuyến IP dọc theo đường đi, cùng với các liên kết giữa các bộ định tuyến được cho là gần như lý tưởng (không bị mất). Trong một mạng truyền tải định tuyến bước sóng hay mạng truyền tải chuyển mạch kênh điều này có thể xảy ra, mặc dù OBS đã đưa sự mất mát bổ sung trong mạng truyền tải. Một câu hỏi đặt ra là: Sự mất mát bổ sung này sẽ


ảnh hưởng tới các hoạt động của TCP như thế nào, và có thể là cần thiết cho các bộ định tuyến và nguồn khi điều chỉnh các hoạt động của mình để bù đắp sự mất mát bổ sung đó hay không? Nếu sự thay đổi các bộ định tuyến có thể bù đắp được thì điều này thích hợp hơn là sự thay đổi bởi chính giao thức TCP, Chúng đã được cài đặt trong phần lớn các máy tính cũng như các bộ định tuyến.

Tìm hiểu sâu hơn nữa, có thể nào chính bản thân các OBS tham gia vào trong các tiến trình điều khiển luồng TCP để làm giảm bớt những hành động không mong muốn hay không? có thể nào khi thực hiện một giao thức điều khiển luồng thứ 2 khác trong mạng OBS thì sẽ tốt hơn là tương tác với TCP không. Các bộ tập hợp burst có thể sẽ phải sử dụng một thuật toán quản lý hàng đợi tích cực (AQM) khác so với các bộ định tuyến IP thông thường để xác định các đặc trưng của OBS.

Những sự mô phỏng các cấu trúc sẽ cố gắng để trả lời được những câu hỏi trên. Cùng với sự phân tích dựa trên cơ sở những thông tin đã phân tích trong phương pháp điều khiển luồng truyền thống, như mô hình kinh tế và ổn định nhất.

4.7 Khả năng ứng dụng của OBS trong mạng truyền tải thế hệ sau

OBS được sử dụng cùng với WDM làm cơ sở cho mạng IP thế hệ sau, chủ yếu cho các mạng đường trục quang. Kỹ thuật MPLS được dùng để chuyển tiếp các burst dữ liệu cho cấu trúc này. Chiến lược thiết lập offset có tác động đáng kể lên chất lượng hoạt động của mạng IP vận hành trên nền OBS WDM. Phương pháp phân loại lưu lượng để thiết lập offset (một tham số hệ thống quan trọng của OBS) giữa các burst dữ liệu liên tiếp của một dòng dữ liệu đã cho (đường chuyển mạch nhãn LSP) và các gói điều khiển của chúng, làm cho mạng được vận hành ổn định và thực hiện kỹ thuật lưu lượng được dễ dàng. Từ đó có thể thực thi các cơ chế QoS cho IP như DiffServ trong mạng đường trục quang sử dụng OBS. Do đạt được sự cân bằng giữa định tuyến bước sóng và chuyển mạch gói quang, OBS thúc đẩy việc hợp nhất IP với WDM, hỗ trợ việc cung cấp nhanh chóng, truyền dẫn đồng bộ các gói kích thước khác nhau cũng như có hiệu quả sử dụng tài nguyên cao mà không cần đệm ở lớp WDM.

OBS là một công nghệ tiếp theo khắc phục được sự hạn chế của việc xử lý điện tử đồng thời có những cải tiến mới so với các công nghệ cùng loại như (chuyển mạch kênh và gói quang) không yêu cầu bộ đệm tại các node trung gian và phân bổ tài nguyên mạng một cách hiệu quả. Đáp ứng được sự bùng nổ lưu lượng Internet trong thời điểm hiện nay, đồng thời thoả mãn được các nhu sử dụng dịch vụ viễn thông cầu một cách hoàn hảo. Mang lại cho nhà sản xuất cũng như nhà khai thác và các khách hàng sử dụng sự vừa lòng đối với những công sức phải bỏ ra.

Nhìn chung trong tương không xa, chuyển mạch burst quang có khả năng thương mại hơn chuyển mạch gói quang nếu được thiết kế với yêu cầu không có bộ đệm quang. Nhiều hãng và trung tâm nghiên cứu trên thế giới đang gia tăng mối quan tâm đến thiết bị quang, việc triển khai trong một


tương không xa các sản phẩm mạng dựa trên chuyển mạch quang là một điều tất yếu.


KẾT LUẬN

Sau thời gian sưu tập, tìm hiểu tài liệu và viết tiểu luận "Kỹ thuật chuyển mạch burst quang" đã giúp nhóm em hiểu được một cách tổng quan về chuyển mạch burst quang, và su hướng phát triển của mạng viễn thông tiến lên mạng thế hệ tiếp theo(NGN).

Tiểu luận đã hoàn thành các nội dung và đề cập được những vấn đề như:

- Trình bày tổng quan về các thể hệ chuyển mạch quang và đi sâu phân tích chuyển mạch Burst quang.

- Tìm hiểu một số cơ chế giải quyết xung đột trong chuyển mạch burst quang, các giao thức đăng ký tài nguyên trong chuyển mạch Burst.

- Đã đề cập tới một số giao thức truy nhập được sử dụng trong mạng OBS cấu trúc vòng.

- Ngoài ra đồ án đã trình bày một số cải tiến để OBS có thể được ứng dụng trong mạng truyền tải của mạng thế hệ sau (NGN).

Do đây là một lĩnh vực còn khá mới, nên việc tìm hiểu về chuyển mạch burst quang mới chỉ dừng lại ở mức lý thuyết tổng quát, chưa đi sâu vào phân tích, đánh giá cụ thể. Nhóm rất mong nhận được sự đánh giá, đóng góp ý kiến của giáo viên hướng dẫn và các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn nữa, đồng thời có thể làm tiền đề để tiếp tục nghiên cứu, phát triển các công nghệ mới hơn sau này.

Documents

Tieu Luan 5 - Chuyen Mach BURST Quang