Luận văn nghiên cứu hoạt động của mạng chuyển mạch chùm quang pptx

Bộ giáo dục và đào tạo

tổng công ty
bu chính viễn th«ng viƯt nam

Häc viƯn C«ng nghƯ b−u chÝnh viƠn th«ng
--------------------------------------

Ngun LA GIANG

Nghiên cứu hoạt động
của mạng chuyển mạch chùm quang

Luận văn THạC Sĩ kỹ thuật

Hà nội - 2003


Bộ giáo dục và đào tạo

tổng công ty
bu chính viễn th«ng viƯt nam

Häc viƯn C«ng nghƯ b−u chÝnh viƠn th«ng
-----------------------***-----------------------

NGUYỄN LA GIANG

NGHIÊN CỨU HOẠT ĐỘNG
CỦA MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG
Chuyên ngành : Điện tử - Viễn thông

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Ng−êi h−íng dÉn Khoa häc:
TS. LÊ HỮU LẬP
TS. LÊ NGỌC GIAO

Hµ néi - 2003


-i-

Lời cám ơn
Cho phép tơi được bày tỏ lịng cám ơn chân thành tới những người đã giúp đỡ
tôi trong thời gian nghiên cứu hoàn thành bản luận văn này.
Trước hết xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Lê Hữu Lập và TS. Lê
Ngọc Giao, hai thầy đã tận tình hướng dẫn giúp đỡ tơi hồn thành luận văn.
Xin bày tỏ lòng biết ơn đối với sự giúp đỡ của các thầy, cô giáo trong Học Viện
Cơng nghệ Bưu chính Viễn thơng, đặc biệt là các thầy, cô tham gia giảng dạy lớp
Cao học Điện tử - Viễn thơng khố II đã cung cấp kiến thức tạo tiền đề cho tơi hồn
thành luận văn.
Xin chân thành cám ơn các đồng nghiệp trong Phòng Nghiên cứu kỹ thuật
Chuyển mạch - Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện đã luôn tạo điều kiện thuận lợi,
hỗ trợ tôi trong quá trình thực hiện luận văn.
Cuối cùng, xin chân thành cám ơn gia đình và bạn bè đã động viên, quan tâm,
giúp đỡ tơi hồn thành bản luận văn này.
Hà nội, tháng 07 năm 2003

Nguyễn La Giang

-ii-

Mục lục
Lời cám ơn ........................................................................................................ i
Danh mục hình vẽ............................................................................................ v
Danh mục bảng.............................................................................................. vii
Thuật ngữ và chữ viết tắt ............................................................................ viii
Mở đầu

....................................................................................................... 1

Chương 1. Giới thiệu ..................................................................................... 3
1.1

Chuyển mạch quang...................................................................... 3

1.1.1

Chuyển mạch kênh quang ............................................................. 7

1.1.2

Chuyển mạch gói quang ............................................................... 9

1.1.3

Chuyển mạch chùm quang.......................................................... 11

1.2

Một số khái niệm cơ bản của chuyển mạch chùm quang ........... 18

1.2.1

Offset của chùm .......................................................................... 18

1.2.2

Các phương thức đặt trước bước sóng ....................................... 20

1.2.3

Giải quyết xung đột..................................................................... 22

1.3

Các mơ hình phân tích mạng OBS ............................................. 23

Chương 2. Các giao thức truy nhập cho mạng Ring OBS....................... 25
2.1

Giới thiệu chung ......................................................................... 25

2.2

Các phương thức chuyển mạch chùm quang.............................. 25

2.3

Cấu trúc mạng ............................................................................. 28

2.3.1

Cấu trúc Ring và nút................................................................... 28

2.3.2

Hoạt động của bước sóng điều khiển ......................................... 30

2.4

Các giao thức OBS ..................................................................... 32

2.4.1

Round-Robin với lựa chọn ngẫu nhiên (RR/R)........................... 33

2.4.2

Round-Robin với phục vụ liên tục (RR/P) .................................. 34


-iii-

2.4.3

Round-Robin với phục vụ khơng liên tục (RR/NP)..................... 36

2.4.4

Round-Robin có các Token (RR/Token) ..................................... 36

2.4.5

Round-Robin có xác nhận (RR/ACK) ......................................... 37

2.5

Phương pháp so sánh các giao thức............................................ 39

2.5.1

Chất lượng hoạt động của các giao thức với ODD Offset ......... 41

2.5.2

JET và ODD................................................................................ 45

2.5.3

TAW và ODD .............................................................................. 46

2.5.4

Lưu lượng không đối xứng.......................................................... 46

2.6

Tóm tắt ........................................................................................ 47

Chương 3. Nút biên của mạng lưới WDM OBS ....................................... 48
3.1

Tiến trình đến của chùm ............................................................. 48

3.1.1

Mơ tả mơ hình ............................................................................. 48

3.1.2

Khoảng thời gian của chùm........................................................ 49

3.1.3

Thời gian giữa các lần đến của chùm......................................... 50

3.1.4

Các tham số điều khiển............................................................... 52

3.2

Nút biên của mạng OBS ............................................................. 53

3.2.1

Tổng quan ................................................................................... 53

3.2.2

Nút OBS biên .............................................................................. 54

3.2.3

Mơ hình mạng hàng đợi của nút OBS biên................................. 57

3.2.4

Phân tích mạng hàng đợi một loại lưu lượng khơng có bộ chuyển
đổi bước sóng.............................................................................. 61

3.2.5

Phân tích mạng hàng đợi một loại lưu lượng có bộ chuyển đổi 67

3.2.6

Phân tích về mạng hàng đợi nhiều loại lưu lượng có hoặc khơng
có các bộ chuyển đổi................................................................... 67

3.2.7
3.3
3.3.1

Các trường hợp giới hạn ............................................................ 74
Nút biên với số lượng lớn các bộ chuyển đổi ............................. 77
Các vấn đề khi số lượng bước sóng lớn ..................................... 77

-iv-

3.3.2

Phân tích về mạng hàng đợi một loại lưu lượng ........................ 80

3.3.3

Phân tích mạng hàng đợi nhiều loại lưu lượng.......................... 85

3.3.4

Các nhận xét đánh giá ................................................................ 87

Chương 4. Khả năng ứng dụng của chuyển mạch chùm quang trong
mạng viễn thông thế hệ sau...................................................... 89
4.1

Chuyển mạch chùm quang: giải pháp thích hợp cho mạng đường
trục Terabit IP ............................................................................. 89

4.1.1

Mô tả chung ................................................................................ 89

4.1.2

Các công nghệ chuyển mạch cho WDM ..................................... 90

4.1.3

Cơ cấu cho IP-over-WDM sử dụng OBS.................................... 92

4.1.4

Các cơ chế QoS của IP ............................................................. 100

4.1.5

Khả năng sử dụng mạng và xác suất nghẽn chùm ................... 101

4.2

Triển vọng của chuyển mạch chùm quang trong các mạng đường
trục và mạng diện rộng sử dụng IP ........................................... 102

4.2.1

Chuyển mạch chùm quang trong các mạng đường trục........... 103

4.2.2

Chuyển mạch chùm quang trong các mạng diện rộng ............. 109

4.3

Hiện trạng của công nghệ chuyển mạch quang ........................ 112

4.4

Nhận xét tóm tắt........................................................................ 114

Kết luận

................................................................................................... 116

Tài liệu tham khảo ...................................................................................... 118


-v-

Danh mục hình vẽ
Hình 1.1 : Khái niệm chuyển mạch chùm................................................................... 12
Hình 1.2 : Cấu trúc hệ thống chuyển mạch chùm quang ............................................ 15
Hình 1.3 : Vận hành của hệ thống chuyển mạch chùm quang.................................... 16
Hình 1.4 : 4 kiểu phương thức đặt trước bước sóng ................................................... 21
Hình 2.1 : Tính tốn Offset trong giao thức JET OBS ............................................... 26
Hình 2.2 : Vịng ring OBS của mạng MAN................................................................ 28
Hình 2.3 : Kiến trúc nút OBS (Các đường trễ không được chỉ ra ở đây) ................... 29
Hình 2.4 : Cấu trúc của khung điều khiển................................................................... 31
Hình 3.1 : Tiến trình đến của chùm ............................................................................ 48
Hình 3.2 : Server Coxy 2 cấp (2-stage)....................................................................... 50
Hình 3.3 : Mối quan hệ giữa các biến ngẫu nhiên A, B và I ....................................... 50
Hình 3.4 : Người sử dụng được kết nối tới hệ thống chuyển mạch biên của mạng
OBS............................................................................................................ 54
Hình 3.5 : Các bản tin báo hiệu trong JumpStart ........................................................ 57
Hình 3.6 : Mơ hình mạng hàng đợi các hệ thống con của hệ thống chuyển mạch biên
khơng có bộ chuyển đổi............................................................................. 59
Hình 3.7 : Sơ đồ tốc độ chuyển trạng thái của nút i với i=1, ..., P trong mạng hàng

đợi ở Hình 3.6 ............................................................................................ 62
Hình 3.8 : Mơ hình hàng đợi của hệ thống chuyển mạch biên với một cổng ra "bận
rộn" ............................................................................................................ 75
Hình 3.9 : Mơ hình hàng đợi của hệ thống chuyển mạch biên ................................... 81
Hình 3.10 : Sơ đồ chuyển trạng thái của nút............................................................... 83
Hình 4.1: Mạng trục truyền dẫn IP-over-OBS WDM sử dụng MPLS ....................... 92
Hình 4.2 : Các chức năng tại kết nối chéo quang hỗ trợ OBS và MPLS.................... 95
Hình 4.3 : Giao diện MAC giữa các lớp IP và OBS WDM........................................ 96
Hình 4.4 : Đồng bộ khi kết hợp luồng. ....................................................................... 97
Hình 4.5 : Tạo dạng dữ liệu chùm............................................................................... 98
Hình 4.6 : Xác suất nghẽn chùm ............................................................................... 102


-vi-

Hình 4.7 : Cấu hình mạng chuyển tải........................................................................ 103
Hình 4.8 : Các giải pháp sắp xếp giao thức cho chuyển tải các mạng IP trên cơng
nghệ WDM .............................................................................................. 104
Hình 4.9 : Quá trình phát triển dung lượng của router IP ......................................... 106
Hình 4.10 : So sánh hiệu quả của chuyển mạch gói/chùm và bước sóng về phương
diện số cổng liên quan với số nút trong mạng đường trục ...................... 107
Hình 4.11 : Mơ hình mạng chuyển mạch chùm quang ............................................. 108
Hình 4.12 : Mạng ring diện rộng............................................................................... 111


-vii-

Danh mục bảng
Bảng 2.1 : Các giao thức OBS được L.Xu sử dụng trong mô phỏng ......................... 39
Bảng 3.1 : Ký hiệu được sử dụng trong phân tích ...................................................... 61

Bảng 3.2 : Ma trận tốc độ chuyển vị Q của nút .......................................................... 82
Bảng 4.1 : So sánh các công nghệ chuyển mạch có liên quan đến WDM.................. 92


-viii-

Thuật ngữ và chữ viết tắt
ABT

ATM Block Transfer

Truyền khối ATM

ACK

Acknowledgement

Xác nhận

ATM

Asynchronous Transfer

Phương thức chuyển giao không

Mode

đồng bộ

BHC

Burst Header Cell

Tế bào header của chùm

BSE

Burst Switch Element

Phần tử chuyển mạch chùm

CTL

Control Unit

Bộ phận điều khiển

DiffServ

Differentiated Service

Dịch vụ phân biệt

DWDM

Density Wavelength Division Ghép kênh phân chia bước sóng
Multiplexing

mật độ cao

FCFS

First Come First Service

Kiểu đến trước phục vụ trước

FEC

Forwarding Equivalence

Lớp chuyển tiếp tương đương

Class
FDDI

Fiber Distributed Data

Trao đổi dữ liệu phân tán trên cáp

Interchange

quang

FIFO

First In First Out

Vào trước ra trước

FTTR

Fixed Transmitter Tunable

Phát cố định thu điều chỉnh được

Receiver
HAM

Heuristic Aggregation

Phương pháp tìm kiếm kết hợp

Method
HDTV

High Density Television

Truyền hình có độ phân giải cao

IBM

International Business

Hãng sản xuất máy tính IBM

Machine Corp.
IOM

Input/Output Modul

Mơ đun vào/ra


-ix-

IP

Internet Protocol

Giao thức Internet

IPP

Interrupted Poisson Process

Tiến trình Poisson dừng

JET

Just Enough Time

Phương thức Thời gian vừa đủ

JIT

Just In Time

Phương thức theo thời gian

LIB

Label Information Base

Cơ sở thông tin nhãn

LSP

Label Switched Path

Đường chuyển mạch nhãn

MAC

Medium Access Control

Điều khiển truy nhập trung gian

MAN

Metropolitan Area Network

Mạng thành phố

MEMS

Micro-Electronic-Mechanical Các hệ thống vi điện-cơ
Systems

MPLS

MultiProtocol Label

Chuyển mạch nhãn đa giao thức

Switching

NGI

MultiProtocol Lambda

Chuyển mạch bước sóng đa giao

Switching

MPλS

thức

the Next Generation

Mạng thông tin thế hệ sau

Information network
OADM

Optical Add-Drop

Bộ ghép kênh xen-tách quang

Multiplexer

OBS

Optical Burst Switching

Chuyển mạch chùm quang

OCBS

Optical Composite Burst

Chuyển mạch chùm quang kết hợp

Switching
ODD

Only Destination Delay

Giao thức Chỉ có trễ ở đích

ODL

Optical Delay Line

Đường trễ quang

OPS

Optical Packet Switching

Chuyển mạch gói quang

QoS

Quanlity of Service

Chất lượng dịch vụ

RAM

Random Access Memory

Bộ nhớ truy nhập ngẫu nhiên


-x-

RR/ACK

Round-Robin with

Round-Robin có xác nhận

Acknowledgement
RR/NP

Round-Robin với phục vụ khơng

Persistent Service
RR/P

Round-Robin with Non-

liên tục

Round-Robin with Persistent

Round-Robin với phục vụ liên tục

Service
RR/R

Round-Robin with Random

Round-Robin với lựa chọn ngẫu

Selection

nhiên

RR/Token

Round-Robin with Tokens

Round-Robin có các Token

SDH

Synchronous Digital

Phân cấp số đồng bộ

Hierarchy
SONET

Synchronous Optical

Mạng quang đồng bộ

Network
TAG

Talk and Go

Phương thức Nói và Đi

TAW

Tell and Wait

Phương thức Nói và Chờ

TDM

Time Division Multiplexing

Kỹ thuật ghép kênh theo thời gian

VCI

Virtual Circuit Identifier

Bộ nhận dạng kênh ảo

WAN

Wide Area Network

Mạng diện rộng

WDM

Wavelength Division

Kỹ thuật ghép kênh phân chia bước

Multiplexing

sóng

Wavelength-routed OBS

Chuyển mạch chùm quang định

WR-OBS

tuyến bước sóng


-1-

Mở đầu
Luận văn này trình bày các kết quả nghiên cứu về Chuyển mạch chùm quang
(OBS), một giải pháp mới đầy hứa hẹn cho mạng Internet quang thế hệ sau.
Bản luận văn gồm có 4 chương:
Chương 1 giới thiệu chung về chuyển mạch quang, phân loại chuyển mạch
quang, một số khái niệm về chuyển mạch chùm quang làm cơ sở cho các nội dung
trong các chương tiếp theo.
Hiện nay, các nghiên cứu về mạng OBS thường là các mạng quang với cấu hình
lưới chứ khơng phải cấu hình ring. Tuy nhiên, các mạng ring đang chiếm một sự
đầu tư lớn của nhiều nhà cung cấp và hiện nay đang được nâng cấp để hỗ trợ WDM.
Do vậy, các nghiên cứu về hoạt động của các mạng OBS với cấu hình ring là cần
thiết. Chương 2 sẽ nói về mạng OBS với cấu hình Ring. Vịng ring bao gồm N nút
và mỗi nút có một bước sóng riêng để truyền các chùm (burst) của nó. Vịng ring
vận hành theo phương thức phát cố định, thu điều chỉnh được (FTTR). Thông tin
điều khiển được truyền trên một kênh riêng. Một số giao thức truy nhập dùng để
giải quyết xung đột giữa các bộ thu. Chương này cũng mô tả chất lượng hoạt động
của các giao thức truy nhập được đánh giá qua thơng lượng, trễ gói, phân phối đều
thơng lượng, phân phối đều trễ với các tham số mạng khác nhau là: tốc độ đến trung
bình của gói, kích thước cực đại của chùm và kích thước nhỏ nhất của chùm.
Phương pháp tính tốn để có thể đơn giản hố một cách đáng kể việc thiết kế giao
thức truy nhập và làm giảm trễ gói cho tất cả các giao thức truy nhập cũng được
trình bày trong chương này.
Chương 3 mơ tả tiến trình đến của chùm bằng tiến trình Markov 3 trạng thái.
Tiến trình này cho phép mơ hình hố các chùm ngắn và dài cũng như có thể lựa
chọn các tham số của mơ hình để "bắt giữ" các hành vi của dịng đến. Nút biên được
mơ hình hố như là một mạng hàng đợi khép kín, bao gồm các nút đặc biệt với các
khách hàng xung quanh. Chương này trình bày các thuật tốn cho cả mạng hàng đợi
một loại lưu lượng và nhiều loại lưu lượng. Trong trường hợp khơng có các bộ

-2-

chuyển đổi, biểu thức gần đúng cho thơng lượng có điều kiện của nút đặc biệt với
các khách hàng xung quanh sẽ được đưa ra. Phương pháp phân tách sẽ được sử
dụng để phân tích mạng hàng đợi nhiều loại lưu lượng. Cụ thể là mạng hàng đợi
nhiều loại lưu lượng được tách thành một tập hợp các mạng hàng đợi hai loại lưu
lượng và mỗi một trong số các mạng này sẽ được xử lý bằng phương pháp tìm kiếm
kết hợp. Chương này cũng trình bày thuật tốn xấp xỉ nhanh để phân tích nút OBS
biên với số lượng lớn các bước sóng.
Chương 4 đề xuất khả năng ứng dụng của chuyển mạch chùm quang trong
mạng viễn thông thế hệ sau. Việc triển khai IP trên WDM nhờ sử dụng OBS cũng
như ứng dụng của OBS trong các mạng đường trục Terabit và mạng diện rộng được
mô tả cho thấy mức độ và triển vọng áp dụng OBS vào thực tế như thế nào.
Phần kết luận của luận văn tóm tắt các kết quả nghiên cứu và đưa ra một số đề
xuất về các hướng nghiên cứu trong tương lai.


-3-

Chương 1. Giới thiệu
1.1 Chuyển mạch quang
Hiện nay, mạng viễn thông đang phát triển theo hướng đa dịch vụ băng rộng
nhằm đáp ứng nhu cầu dịch vụ ngày càng tăng của khách hàng. Trong mạng băng
rộng tương lai, mỗi thuê bao thay vì truy nhập tới kênh băng hẹp 64 kb/s, được nâng
lên truy nhập băng rộng, do đó năng lực xử lý của hệ thống chuyển mạch có thể lên
tới hàng chục Tb/s cùng với dung lượng trên mạng chuyển tải chắc chắn sẽ tăng lên.
Rõ ràng đây là một bước nhảy lớn và các mạng quang có khả năng đáp ứng được
vấn đề này từ góc độ truyền dẫn.
Từ những thập niên 70, 80 các tuyến truyền dẫn quang đã phát triển với tốc độ
nhanh chóng, cùng với sự mở rộng các tuyến truyền dẫn này thì một câu hỏi đã xuất

hiện: Có thể dùng các thiết bị quang khơng những chỉ để truyền tín hiệu mà cịn
chuyển mạch các tín hiệu đó hay khơng? Các kết quả nghiên cứu, thử nghiệm đã chỉ
ra rằng có thể chuyển mạch các tín hiệu băng rộng bằng các thiết bị quang, quangđiện tử trên cơ sở lợi dụng tính chất sóng của ánh sáng và một cơng nghệ chuyển
mạch mới ra đời: Chuyển mạch quang.
Ở đây cần chú ý là trong chuyển mạch quang vẫn còn dùng khái niệm chuyển
mạch quang-điện tử (optoelectronic switching). Khái niệm này thường dùng khi quá
trình chuyển mạch được thực hiện kèm theo sự biến đổi quang-điện, điện-quang và
chức năng chuyển mạch gần với điện tử hơn là quang. Chuyển mạch quang-điện tử
còn là thuật ngữ dùng cho một kỹ thuật lấy mẫu nhanh tín hiệu điện tử do Auston đề
xuất với việc nhờ các thiết bị quang tạo ra các xung quang tốc độ rất cao để xử lý
các tín hiệu điện tử. Sự khác biệt cơ bản giữa lấy mẫu quang-điện tử và ma trận
quang-điện tử là trong ma trận quang-điện tử thì điều khiển là điện tử và tín hiệu là
quang, trong khi đó lấy mẫu quang-điện tử thì ngược lại.
Theo định nghĩa thì hệ thống chuyển mạch quang là một hệ thống chuyển mạch
cho phép các tín hiệu bên trong các sợi cáp quang hay các mạch quang tích hợp
(IOC) được chuyển mạch có lựa chọn từ một mạch này tới một mạch khác. Với chú


-4-

ý là: một hệ thống chuyển mạch quang có thể được vận hành nhờ các phương tiện
cơ như chuyển dịch một sợi cáp quang tới một sợi cáp quang khác, hay nhờ các hiệu
ứng điện-quang, từ-quang hoặc bằng các phương pháp khác. Ngoài ra, các hệ thống
chuyển mạch quang tốc độ chậm, như các hệ thống chuyển mạch quang sử dụng
việc dịch chuyển cáp quang có thể được sử dụng cho việc định tuyến thay thế
đường truyền dẫn quang, ví dụ định tuyến vòng qua một lỗi; các hệ thống chuyển
mạch quang tốc độ nhanh như loại sử dụng các hiệu ứng điện-quang hay từ-quang
có thể được sử dụng cho việc thực hiện các hoạt động mang tính logic.
Khái niệm chuyển mạch photonic (photonic switching) liên quan đến việc điều
khiển trực tiếp đường truyền của tín hiệu ánh sáng mà khơng có bất cứ q trình

biến đổi quang điện nào có nghĩa là việc điều khiển chuyển mạch hồn tồn bằng
quang.
Như vậy khái niệm chuyển mạch quang bao hàm cả khái niệm chuyển mạch
photonic.
Một điểm cần phải nhấn mạnh nữa là chuyển mạch photonic không cạnh tranh
hay loại trừ chuyển mạch điện tử truyền thống mà chúng phối hợp, bổ sung cho
nhau nhằm khai thác tốt nhất tiềm năng của mạng.
Trong những năm gần đây, đã có nhiều nước trên thế giới, đặc biệt là 3 trung
tâm viễn thông lớn là Mỹ, Tây Âu và Nhật bản nghiên cứu về vấn đề này đồng thời
các khái niệm cũng như thử nghiệm khác nhau về chuyển mạch quang đã được giới
thiệu, minh hoạ từng phần trên các tạp chí cũng như các hội nghị khoa học.
Chuyển mạch quang có nhiều ưu điểm như dải thơng tín hiệu rộng, có thể
tách/nhập tín hiệu quang trong kết nối quang không gian tự do, khả năng sử dụng
miền tần số TetaHez, tốc độ chuyển mạch cao và loại trừ nhiễu điện từ. Với những
lợi thế như vậy chuyển mạch photonic rất phù hợp với các nhu cầu của mạng viễn
thơng tương lai trong đó ngồi dịch vụ thoại truyền thống cịn có rất nhiều dịch vụ
băng rộng như điện thoại thấy hình, truyền hình độ phân giải cao HDTV, truyền số
liệu tốc độ lớn...


-5-

Cũng cần chú ý rằng sự khác biệt giữa chuyển mạch và truyền dẫn đang trở nên
không rõ ràng, với việc sử dụng các kết nối chéo số và các bộ ghép kênh xen-tách,
lớp truyền dẫn sẽ đảm nhận một số vai trò của lớp chuyển mạch. Do những ưu,
nhược điểm của mình, các hệ thống chuyển mạch quang sẽ là những phần tử cần
thiết được bố trí tại các nút có thơng lượng cao của mạng chuyển tải băng rộng cũng
như phục vụ cho các dịch vụ sử dụng băng thơng cao.
Chuyển mạch quang có nhiều ứng dụng trong mạng vận chuyển tái định tuyến
toàn bộ các kênh hay các nhóm kênh mà khơng cần phân chia thành các đường số

liệu riêng biệt. Bằng cách này ta có thể tăng dung lượng, độ linh hoạt và độ tin cậy
của mạng trong các hệ thống gồm các kênh nhiều Gigabit được kết hợp, phân chia
theo khơng gian và bước sóng. Các hệ thống chuyển mạch photonic có số cổng ít
nhưng dung lượng được chuyển mạch của một cổng lại rất lớn, do vậy chúng
thường được bố trí tại các nút có thơng lượng cao của mạng, phối hợp với cơng
nghệ SDH và ATM để chuyển mạch các luồng tín hiệu tốc độ từ hàng chục Gb/s
đến hàng Tb/s nhằm giải toả lưu lượng, tránh được hiện tượng tắc nghẽn (nút cổ
chai), trên cơ sở đó nâng cao hiệu quả sử dụng mạng.
Chuyển mạch quang là một trong những thử nghiệm công nghệ để đáp ứng cho
nhu cầu phát triển mạng trong giai đoạn tới. Mặc dù gần đây đã có những tiến triển
đáng kể nhưng nhiều vấn đề còn phải thực hiện để phát triển các hệ thống chuyển
mạch photonic nhằm khắc phục các "nút thắt cổ chai" dung lượng của các hệ thống
chuyển mạch điện tử và sẽ dần thay thế chúng nhằm để có được sự kết hợp tối ưu
giữa các thiết bị quang và điện tử về mặt hoạt động cũng như giá thành.
Tính hợp lý để đưa cơng nghệ chuyển mạch quang vào mạng quang có thể được
mô tả như sau: trước tiên chuyển mạch quang sẽ được sử dụng cho nhiều chức năng
đơn giản tại các nút mạng, duy trì độ rộng băng lớn nhờ việc định tuyến các kênh
bước sóng riêng biệt mà khơng quan tâm đến đồng bộ, trong khi các thiết bị điện tử
sẽ được sử dụng cho các chức năng phức tạp hơn. Tuy nhiên với sự phát triển công
nghệ photonic nhằm tạo nên các thiết bị tiên tiến hơn có thể thực hiện chuyển mạch
tốc độ cao, đồng bộ, đệm và có thể là xử lý tín hiệu thì chuyển mạch photonic sẽ có


-6-

khả năng xử lý nhiều chức năng hơn tại các nút. Bởi vậy sự kết hợp tối ưu giữa các
thiết bị quang và điện tử sẽ thay đổi dần theo thời gian, dẫn tới việc các nút chuyển
mạch được đơn giản hoá cùng với việc nâng cấp các hoạt động và các phương tiện
quản lý.
Hiện tại, do còn một số khó khăn về mặt cơng nghệ (ví dụ như bộ nhớ quang,

xử lý điều khiển chuyển mạch, kích thước,...), chuyển mạch quang còn chưa được
áp dụng rộng rãi trong thực tế. Tuy nhiên, với những ưu điểm của nó, trong tương
lai chuyển mạch quang sẽ được áp dụng trong các mạng chuyển tải dung lượng lớn,
trong các mạng ISDN băng rộng nhằm bổ sung tốt nhất cho các hệ thống chuyển
mạch điện tử. Đối với các dịch vụ thoại truyền thống hay các dịch vụ khơng địi hỏi
độ rộng băng cao, chuyển mạch điện tử vẫn là một giải pháp hợp lý về mặt giá
thành và công nghệ. Điều này khẳng định rằng chuyển mạch quang không cạnh
tranh, loại trừ chuyển mạch điện tử mà chúng cùng nhau tồn tại, bổ sung lẫn nhau
nhằm khai thác có hiệu quả nhất các công nghệ mới phục vụ cho mạng viễn thông.
Kỹ thuật ghép kênh phân chia bước sóng (WDM) là một giải pháp lựa chọn để
cung cấp một cơ sở hạ tầng mạng nhanh hơn nhằm đáp ứng sự phát triển bùng nổ
của Internet. Tuy nhiên, với sự phát triển nhanh chóng của lưu lượng dữ liệu trên
mạng, tốc độ xử lý điện tử có thể khơng phù hợp trong tương lai nữa, đồng thời dữ
liệu quang thường bị chậm lại do xử lý điện tử tại các nút, do đó việc tìm kiếm một
phương pháp chuyển tải các gói IP trực tiếp trên lớp quang không cần qua chuyển
đổi O/E/O cho mạng thông tin thế hệ sau (NGI) là một tất yếu. Nhằm để xây dựng
mạng tồn quang tại đó dữ liệu được duy trì trong miền quang ở tất cả các nút trung
gian, cần phải thiết kế các giao thức mới dành cho các hệ thống chuyển mạch/router
quang. Một trong các vấn đề cần thiết là làm thế nào để hỗ trợ việc cung cấp tài
nguyên nhanh chóng, truyền dẫn đồng bộ (của các gói kích thước biến đổi như các
gói IP) cũng như hỗ trợ mức độ cao việc chia sẻ tài nguyên theo thống kê để xử lý
hiệu quả lưu lượng có tính "bùng nổ" mà khơng cần có đệm ở lớp WDM (do chưa
có các bộ đệm quang dạng bộ nhớ truy nhập ngẫu nhiên RAM). Do đó các phương
pháp chuyển tải tồn quang cần phải tránh đệm quang càng nhiều càng tốt. Một vấn


-7-

đề khác là làm thế nào để hỗ trợ chất lượng dịch vụ (QoS) trong mạng Internet
quang thế hệ sau. Mạng IP ban đầu cung cấp các dịch vụ best-effort, tuy nhiên hiện

nay các ứng dụng thời gian thực (ví dụ điện thoại và hội nghị truyền hình qua
Internet) yêu cầu QoS cao hơn các ứng dụng không phải thời gian thực (như email
và trình duyệt Web thơng thường) và do vậy vấn đề đặt ra đối với lớp WDM là làm
thế nào để hỗ trợ QoS (ví dụ các mức ưu tiên) cho Internet quang. Khả năng của lớp
WDM để hỗ trợ QoS không chỉ cần thiết cho việc tải các tín hiệu điều khiển cũng
như quản lý mạng để bảo vệ/khơi phục tại lớp WDM mà cịn để thúc đẩy bổ sung
tăng cường các phiên bản IP mới đáp ứng cho các ứng dụng nhạy cảm với QoS.
Hiện nay có nhiều trung tâm nghiên cứu cố gắng phát triển các phương thức QoS
cho ATM và IP nhưng chưa có kết quả nào đáp ứng được yêu cầu cho lớp WDM.
Một số công nghệ khác nhau đã được phát triển để truyền dữ liệu trên WDM, như
định tuyến bước sóng (chuyển mạch kênh quang), chuyển mạch gói quang và
chuyển mạch chùm quang (OBS). Các mạng quang định tuyến bước sóng đã được
triển khai và cho thấy đó là một công nghệ hứa hẹn nhất cho các mạng quang. Tuy
nhiên, các mạng quang định tuyến bước sóng lại sử dụng chuyển mạch kênh có thể
khơng phải là cơng nghệ thích hợp nhất cho các ứng dụng khác nhau sử dụng
Internet quang. Kỹ thuật chuyển mạch gói quang là một giải pháp cơng nghệ khác
và có lẽ là tối ưu hơn cho các ứng dụng mới. Tuy nhiên, vào thời điểm hiện tại,
cơng nghệ này cịn chưa đủ trưởng thành để có thể ứng dụng vào thực tế. Chuyển
mạch chùm quang là một giải pháp kỹ thuật trung gian giữa chuyển mạch kênh
quang và chuyển mạch gói quang nhằm đáp ứng đầy đủ cho các tính năng mới trong
giai đoạn tới.
1.1.1 Chuyển mạch kênh quang
Mặc dù các mạng quang định tuyến bước sóng đã được triển khai nhưng có lẽ
nó khơng phải là kỹ thuật thích hợp nhất cho Internet quang. Thí dụ, để thiết lập
một đường dẫn ánh sáng sẽ chỉ cần một thời gian rất nhỏ của trễ toàn trình. Điều
này dẫn đến việc sử dụng bước sóng khơng hiệu quả nếu như thời giam chiếm giữ
kết nối rất ngắn. Bản chất "bùng nổ" của lưu lượng dữ liệu cũng là nguyên nhân dẫn


-8-

đến việc sử dụng bước sóng khơng hiệu quả. Do vậy, nhằm sử dụng hồn tồn bước
sóng, cơ chế grooming của lưu lượng phức tạp là cần thiết để hỗ trợ việc ghép kênh
thống kê dữ liệu từ các khách hàng khác nhau.
Với định tuyến bước sóng, các đường dẫn ánh sáng được thiết lập giữa nguồn
(các nút vào) và đích (các nút ra) thơng qua các nút được trang bị các kết nối chéo
WDM quang (hay các router bước sóng). Tại từng router bước sóng, bước sóng ra
(ở cổng ra) tại đó tín hiệu vào được định tuyến tới vào thời điểm đã xác định trước
sẽ được xác định duy nhất dựa trên bước sóng vào (và cổng vào) mang tín hiệu này.
Do đó định tuyến bước sóng là một dạng chuyển mạch kênh. Trong báo hiệu phân
tán, phương thức đặt trước hai chiều là cần thiết để thiết lập các đường dẫn ánh sáng
nhờ đó nút nguồn gửi đi gói điều khiển để đặt trước, sau đó chờ xác nhận trước khi
phát đi dữ liệu. Một trong các thuận lợi của định tuyến bước sóng là khơng cần có
đệm quang (hay chuyển đổi O/E/O của dữ liệu) tại các nút trung gian. Hơn nữa, đó
là một lựa chọn đầy hứa hẹn vì các hệ thống chuyển mạch quang dựa trên các công
nghệ cơ-quang, âm-quang hay nhiệt-quang quá chậm để chuyển mạch gói một cách
hiệu quả. Tuy nhiên, một trong các hạn chế của định tuyến bước sóng là đường dẫn
phải thiết lập tồn bộ bước sóng trên từng kênh dọc theo đường dẫn, dẫn đến hiệu
quả sử dụng băng tần thấp khi mang các dịng lưu lượng có tính "bùng nổ" (ví dụ
các gói IP) vì lưu lượng từ các nút vào khác nhau không thể chia sẻ theo thống kê
băng tần của đường dẫn ánh sáng. Hơn nữa, do khơng có đủ bước sóng trong cáp
quang để cho phép kết nối dạng lưới một cách hoàn toàn nên phân bố tải trong
mạng có thể khơng đồng đều dẫn đến mật độ lưu lượng trên các đường dẫn ánh
sáng thay đổi theo thời gian. Chú ý là ở trên giả thiết rằng các nút quang chỉ hỗ trợ
chức năng kết nối chéo và khơng có khả năng chuyển mạch/định tuyến nhanh. Do
việc thiết lập và huỷ bỏ đường dẫn ánh sáng mất tối thiểu vài chục ms, tương ứng
với (hoặc thậm chí vượt quá) thời gian truyền vài Megabyte dữ liệu ở tốc độ truyền
dẫn cao (ví dụ 2.5 Gb/s hay OC-48) nên việc thiết lập và giải phóng linh hoạt các
đường dẫn ánh sáng theo các giai đoạn của chùm khơng phải là một mơ hình hiệu
quả.

-9-

1.1.2 Chuyển mạch gói quang
Khi các hệ thống chuyển mạch nhanh dựa trên công nghệ như Lithium Niobate
và các bộ khuếch đại quang bán dẫn trở nên sẵn có thì kỹ thuật chuyển mạch gói/tế
bào quang sẽ trở nên một lựa chọn hấp dẫn vì nó có hiệu quả sử dụng băng tần cao
hơn và cho phép thực hiện kỹ thuật lưu lượng tốt hơn. Với kỹ thuật này, tải tin (dữ
liệu) được gửi đi cùng với header (điều khiển) của nó mà khơng cần thiết lập đường
dẫn. Tuy nhiên, do việc kết hợp một cách chặt chẽ về thời gian giữa tải tin và
header cũng như bản chất cất giữ và chuyển tiếp (store-and-forward) của kỹ thuật
chuyển mạch gói, từng gói cần được đệm tại tất cả các nút trung gian. Vì sự khác
nhau trong thời gian xử lý của header gói tại các nút trung gian nên kỹ thuật chuyển
mạch gói/tế bào quang cần phải có sự đồng bộ chặt chẽ và điều khiển phức tạp. Một
vấn đề khác là kích thước của tải tin (đặc biệt các tế bào ATM) thường quá nhỏ so
với băng tần cao của các mạng quang nên dẫn đến có số lượng khá lớn các mào đầu
điều khiển.
Mạng chuyển mạch gói quang bao gồm các hệ thống chuyển mạch gói quang
kết nối với nhau bằng các sợi cáp quang hoạt động theo kỹ thuật WDM. Các hệ
thống chuyển mạch có thể nằm kề sát nhau hoặc được kết nối bằng các đường dẫn
ánh sáng. (Đường dẫn ánh sáng là kết nối được chuyển mạch kênh với cùng một
bước sóng bố trí trên từng kênh dọc theo đường dẫn. Nó có thể bao gồm các bước
sóng khác nhau dọc theo đường dẫn nếu như có các bộ chuyển đổi). Dữ liệu của
người sử dụng được truyền đi trong các gói quang, các gói này được chuyển mạch
hoàn toàn trong miền quang. Do vậy dữ liệu của người sử dụng vẫn cịn là tín hiệu
quang trong tồn bộ đường dẫn từ nguồn tới đích. Khơng có chuyển đổi quang-điện
hay điện-quang được u cầu.
Một hệ thống chuyển mạch gói quang WDM bao gồm 4 phần: giao diện vào, cơ
cấu chuyển mạch, giao diện ra và bộ phận điều khiển. Giao diện vào chủ yếu được

sử dụng cho việc sắp xếp gói, tách ra thơng tin header của gói và huỷ bỏ header gói.
Cơ cấu chuyển mạch là trung tâm của hệ thống chuyển mạch và được sử dụng để
chuyển mạch các gói hồn tồn bằng quang. Giao diện ra được sử dụng để phát lại


-10-

các tín hiệu quang và chèn vào header của gói. Bộ phận điều khiển sẽ điều khiển hệ
thống chuyển mạch bằng cách sử dụng thơng tin trong các header gói. Do các yêu
cầu đồng bộ nên các hệ thống chuyển mạch gói quang điển hình được thiết kế cho
các gói có kích thước cố định. Khi một gói đi tới hệ thống chuyển mạch gói quang
WDM, trước hết nó được giao diện vào xử lý. Header và tải tin của gói được tách
ra, sau đó header được chuyển đổi vào miền điện tử và được bộ phận điều khiển xử
lý bằng điện tử. Tải tin vẫn ở dạng tín hiệu quang khi đi qua hệ thống chuyển mạch.
Khi tải tin đã đi qua cơ cấu chuyển mạch, nó được kết hợp lại với header sau khi
header này được chuyển đổi trở lại dạng quang tại giao diện ra.
Chuyển mạch gói quang là một giải pháp công nghệ được đưa ra như là một lựa
chọn tối ưu. Tuy nhiên, vào thời điểm hiện tại thì cơng nghệ này chưa đủ trưởng
thành để cung cấp một giải pháp ứng dụng được trong thực tế. Các trở ngại còn phải
giải quyết là:
- Một thử thách chính đó là u cầu về đồng bộ. Các hệ thống chuyển mạch gói
quang thường hoạt động một cách đồng bộ. Thí dụ, các gói đi tới các cổng vào khác
nhau phải được sắp hàng trước khi chúng đi vào bộ phận chuyển mạch. Tuy nhiên,
việc thực hiện các thành phần đồng bộ là khó khăn và tốn kém.
- Một vấn đề quan trọng thứ hai trong việc thiết kế các hệ thống chuyển mạch
gói quang là thiếu các bộ đệm quang được thương mại hoá. Ý tưởng cơ bản của
chuyển mạch gói là "Cất giữ và Chuyển tiếp", có nghĩa là các gói trước tiên được
cất giữ trong các hệ thống chuyển mạch gói và sau đó mới được chuyển tiếp tới hệ
thống chuyển mạch kế tiếp. Điều này là cần thiết để tránh hiện tượng tranh chấp ở
cổng ra. Tuy nhiên, hiện nay vẫn chưa có các bộ đệm quang truy nhập ngẫu nhiên.

Một giải pháp thay thế là cáp quang được sử dụng làm các bộ đệm nhờ khả năng
làm trễ các gói trong một khoảng thời gian nhất định.
- Khó khăn thứ ba trong việc thực thi các hệ thống chuyển mạch gói quang là
khoảng thời gian cần thiết để đặt cấu hình bộ phận chuyển mạch quang. Giả sử coi
hệ thống chuyển mạch gói mất 1ms để thiết lập kết nối từ cổng vào tới cổng ra (đây
là giá trị thấp nhất có được trong trường hợp hoạt động hoàn hảo nhất). Ở tốc độ dữ


-11-

liệu 2,5 Gbps là tốc độ điển hình hiện nay của các hệ thống thơng tin, sẽ mất khoảng
5 µs để truyền đi một gói 1500 byte. Do vậy, nếu như một hệ thống chuyển mạch
vận hành ở mức gói thì chỉ sẽ có nhỏ hơn 0,5% của thời gian được sử dụng cho việc
chuyển mạch dữ liệu, trong khi phần thời gian cịn lại bị lãng phí trong lúc thiết lập
bộ phận chuyển mạch.
1.1.3 Chuyển mạch chùm quang
1.1.3.1 Tổng quan
Khái niệm chuyển mạch chùm lần đầu tiên được đưa ra trong phạm vi thông tin
thoại vào đầu những năm 1980 [2,3]. Chuyển mạch chùm quang OBS là một sự
thích ứng của tiêu chuẩn ITU-T cho chuyển mạch chùm trong các mạng ATM, được
biết đến với tên gọi truyền khối ATM (ABT). Có hai kiểu ABT: ABT với việc phát
có trễ và ABT với việc phát ngay lập tức. Trong trường hợp thứ nhất, khi nguồn
muốn phát đi chùm, nó gửi gói tới các hệ thống chuyển mạch ATM trên đường dẫn
của kết nối để thơng báo rằng nó muốn phát chùm. Nếu tất cả các hệ thống chuyển
mạch trên đường dẫn có thể thích ứng được chùm thì u cầu sẽ được chấp nhận và
nguồn được phép phát. Nếu khác đi thì yêu cầu cầu sẽ bị từ chối và sau đó nguồn
phải gửi đi yêu cầu khác. Trong trường hợp thứ hai, nguồn gửi đi gói yêu cầu và
ngay lập tức sau đó phát đi chùm mà khơng cần phải nhận được xác nhận. Nếu như
hệ thống chuyển mạch trên đường dẫn không thể mang được chùm do tắc nghẽn thì
chùm sẽ bị huỷ.

Mạng chuyển mạch chùm quang bao gồm các hệ thống chuyển mạch chùm
quang được kết nối bằng các kênh WDM. Hệ thống chuyển mạch chùm quang
truyền đi chùm từ cổng vào tới cổng ra đích của nó. Phụ thuộc vào kiến trúc của hệ
thống chuyển mạch, nó có thể được hoặc khơng được trang bị bộ đệm quang. Các
liên kết cáp quang mang nhiều bước sóng và mỗi bước sóng có thể được xem như
một kênh. Một chùm được gán linh động với một kênh. Gói điều khiển của chùm
cũng có thể được phát đi trên một kênh hoặc trên một mạng không phải là quang.
Chùm có thể được bố trí cố định mang một hay nhiều gói IP.


-12-

Hệ thống chuyển
mạch hiện tại
Kênh WDM

Chùm dữ liệu
Header cell
Kênh điều khiĨn

HƯ thèng chun
m¹ch chïm

Hình 1.1 : Khái niệm chuyển mạch chùm
Hình 1.1 chỉ ra khái niệm cơ bản về mạng chuyển mạch chùm. Các liên kết
truyền dẫn trong hệ thống mang nhiều kênh, mỗi kênh đều có thể được gán linh
động cho một chùm dữ liệu của khách hàng. Các kênh có thể được thực thi theo
nhiều cách, ở thời điểm hiện tại thì WDM là hợp lý nhưng trong tương lai kỹ thuật
ghép kênh phân chia thời gian quang (OTDM) cũng có thể được sử dụng. Cho dù
kỹ thuật nào được sử dụng thì một kênh trên mỗi liên kết cũng được gán làm kênh

điều khiển và được sử dụng để điều khiển việc gán linh động các kênh cịn lại cho
các chùm dữ liệu của khách hàng. Khn dạng của dữ liệu gửi đi trên các kênh dữ
liệu không bị ràng buộc bởi hệ thống chuyển mạch chùm. Các chùm dữ liệu có thể
là các gói IP, dịng các tế bào ATM, các gói frame relay hay các dịng bit thơ từ bộ
cảm biến dữ liệu ở xa. Tuy nhiên, do hệ thống chuyển mạch chùm phải có khả năng
biên dịch thông tin trên kênh điều khiển nên cần phải có một dạng chuẩn cho kênh
này. Ví dụ các tế bào ATM có thể được sử dụng cho kênh điều khiển. Việc sử dụng
này nhằm mục đích có thể sử dụng các thành phần chuyển mạch ATM cho phần
điều khiển của hệ thống chuyển mạch chùm và làm giảm số thành phần cần thiết.


-13-

Khi một hệ thống đầu cuối có chùm dữ liệu để gửi đi, một kênh rỗi trên liên kết truy
nhập sẽ được lựa chọn và chùm dữ liệu được gửi đi trên kênh rỗi đó. Một khoảng
thời gian ngắn trước khi việc phát chùm bắt đầu, tế bào header của chùm (BHC)
được gửi đi trên kênh điều để xác định kênh mà chùm sẽ được phát và đích của
chùm. Hệ thống chuyển mạch chùm khi nhận được BHC sẽ lựa chọn liên kết ra
hướng đến đích mong muốn cùng với kênh rỗi, sau đó thiết lập đường dẫn giữa
kênh đã xác định trên liên kết truy nhập và kênh đã lựa chọn để mang chùm. Hệ
thống này cũng chuyển BHC trên kênh điều khiển của liên kết đã lựa chọn sau khi
đã sửa đổi tế bào nhằm xác định kênh mà chùm được chuyển tiếp trên đó. Q trình
này được lặp lại trên tất cả các hệ thống chuyển mạch dọc theo đường dẫn đến đích.
BHC có chứa trường độ dài xác định lượng dữ liệu trong chùm. Giá trị này được sử
dụng để giải phóng đường dẫn khi kết thúc chùm. Có hai cách để định tuyến chùm.
Trong phương thức Datagram, các BHC bao gồm các địa chỉ mạng của thiết bị kết
cuối đích, từng hệ thống chuyển mạch sẽ lựa chọn linh hoạt liên kết ra trong số các
liên kết tới địa chỉ đích đó. Do vậy hệ thống chuyển mạch cần phải tham chiếu cơ
sở dữ liệu định tuyến vào lúc bắt đầu một chùm để có quyết định định tuyến thích
hợp. Trong phương thức kênh ảo, việc phát chùm phải được thực hiện trước nhờ

quá trình lựa chọn tuyến end-to-end tương tự với việc thiết lập kênh ảo ATM. Trong
khi lựa chọn định tuyến, thông tin chuyển tiếp được kết hợp với phiên end-to-end đã
xác định lưu giữ trong các hệ thống chuyển mạch dọc theo đường dẫn. Các BHC
bao gồm bộ nhận dạng kênh ảo (VCI), bộ phận này được các hệ thống chuyển mạch
chùm sử dụng giống với cách các hệ thống chuyển mạch ATM sử dụng ATM VCI.
Chú ý rằng trong khi việc lựa chọn tuyến cố định cho chuỗi các liên kết được chùm
sử dụng trong phiên end-to-end đã định thì các kênh riêng mà chùm sử dụng sẽ
không được chỉ ra. Các kênh này chỉ được gán trong khi các chùm đang được gửi
đi.
Để xử lý các chùm dữ liệu một cách hiệu quả thì các hệ thống chuyển mạch
chùm phải duy trì điều khiển chặt chẽ theo các mối quan hệ thời gian giữa các BHC
và các chùm dữ liệu tương ứng của chúng. Việc xác định khơng chính xác thời gian