Nghiên cứu, đánh giá hiệu năng hệ thống chuyển mạch chùm quang biên

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ






NGUYỄN VĂN TÙNG




NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG
HỆ THỐNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG BIÊN


Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số: 60.52.70


LUẬN VĂN THẠC SĨ




Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS. TS. Vũ Duy Lợi

Hà Nội – 2010

3



LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc tới Phó Giáo sƣ, Tiến sỹ Vũ
Duy Lợi - ngƣời thầy đã tận tình chỉ bảo, hƣớng dẫn và cung cấp những thông
tin quý báu giúp đỡ tôi hoàn thành bản luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn Khoa Điện tử - Viễn thông thuộc Đại học
Công nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội đã tạo nhiều điều kiện để tôi có thể hoàn
thành bản luận văn này.
Sau cùng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến ngƣời thân cùng bạn bè đồng
nghiệp, những ngƣời luôn cổ vũ động viên tôi hoàn thiện bản luận văn này.


4

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài luận văn của tôi không trùng lặp với các đề tài
luận văn nào của khóa trƣớc. Nội dung luận văn không sao chép của bất kỳ luận
văn nào khác.
Nếu có gì gian lận tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm.


Hà Nội, ngày 05 tháng 10 năm 2010
HỌC VIÊN


Nguyễn Văn Tùng


5

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 3
LỜI CAM ĐOAN 4
MỤC LỤC 5
MỤC LỤC HÌNH VẼ 7
CÁC THUẬT NGỮ VÀ CHỮ VIẾT TẮT 9
LỜI MỞ ĐẦU 11
CHƢƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUYỂN MẠCH QUANG 14
CHƢƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG 19
2.1. Mạng chuyển mạch chùm quang 20
2.1.1. Kiến trúc chung và sơ đồ chức năng 20
2.1.2. Mạng dạng mắt lƣới 22

2.1.3. Mạng dạng vòng nút 23
2.2. Các hệ chuyển mạch 25
2.2.1. Hệ chuyển mạch chùm quang biên 25
2.2.2. Hệ chuyển mạch chùm quang lõi 27
2.3. Giải quyết xung đột trong mạng OBS 28
2.3.1. Bộ đệm quang FDL 29
2.3.2. Bộ chuyển đổi bƣớc sóng 30
2.3.3. Định tuyến chuyển hƣớng 31
2.3.4. Phân đoạn burst 31
2.4. Kết luận 33
CHƢƠNG 3 PHƢƠNG PHÁP LUẬN ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG 35
3.1. Cơ sở toán học 36
3.1.1. Tiến trình điểm 36
3.1.2. Tiến trình poisson 38
3.1.3. Tiến trình Markov 40
3.1.4. Tiến trình Sinh/Tử 41
3.2. Lý thuyết hàng đợi 42
3.2.1. Hàng đợi M/M/1 44

6
3.2.2. Hàng đợi M/M/1/K 45
3.2.3. Hàng đợi M/M/C 46
3.3. Mạng hàng đợi 47
3.3.1. Mạng hàng đợi mở và mạng hàng đợi đóng 47
3.3.2. Mạng hàng đợi dạng tích 48
3.3.3. Hàng đợi tốc độ phục vụ phụ thuộc tải 48
3.4. Kết luận 48
CHƢƠNG 4 XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ CHUYỂN
MẠCH CHÙM QUANG BIÊN 51
4.1. Hệ chuyển mạch chùm quang biên 53

4.1.1. Kiến trúc hệ chuyển mạch chùm quang biên 53
4.1.2. Nguyên tắc thiết lập burst 57
4.1.3. Thời gian offset 61
4.2. Xây dựng mô hình 62
4.2.1. Mô tả quá trình kết nối dựa trên báo hiệu JIT 62
4.2.2. Tiến trình đến của chùm 65
4.2.3. Mô hình hệ thống chuyển mạch chùm quang biên 69
4.3. Phân tích mô hình 70
4.3.1. Hàng đợi có tốc độ phục vụ không phụ thuộc tải 70
4.3.2. Hàng đợi có tốc độ phục vụ phụ thuộc tải 72
4.3.3. Phƣơng pháp phân tách 73
4.3.4. Phân tích mô hình mạng hàng đợi cho nút biên OBS 74
4.4. Tính toán minh hoạ và đánh giá 77
4.4.1. Tính mạng với hàng đợi có tốc độ phục vụ không phụ thuộc tải 77
4.4.2. Tính kết quả mạng hàng đợi của nút biên OBS 80
4.5. Kết luận 85
KẾT LUẬN CHUNG 87
TÀI LIỆU THAM KHẢO 89


7
MỤC LỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Minh hoạ về hệ thống chuyển mạch quang 15
Hình 2.1. Kiến trúc mạng OBS 20
Hình 2.2. Sơ đồ chức năng OBS 21
Hình 2.3. Mô hình mạng OBS dạng mắt lƣới 22
Hình 2.4. Mô hình mạng OBS dạng vòng RING 23
Hình 2.5. Kiến trúc node chuyển mạch quang 24
Hình 2.6. Cấu trúc của node biên lối vào 25

Hình 2.7. Cấu tạo của node lõi trong mạng OBS 27
Hình 2.8. Giải quyết xung đột bằng phƣơng pháp sử dụng đƣờng dây trễ FDL 29
Hình 2.9. Giải quyết xung đột bằng phƣơng pháp chuyển đổi bƣớc sóng 31
Hình 2.10. Giải quyết xung đột bằng phƣơng pháp phân đoạn burst 32
Hình 3.1. Khoảng thời gian sử dụng để định nghĩa tiến trình 39
Hình 3.2. Chuỗi Markov của một quá trình sinh-tử 41
Hình 3.3. Chuỗi Markov của hàng đợi M/M/1 44
Hình 3.4. Hàng đợi M/M/1/K 45
Hình 3.5. Hàng đợi M/M/C 46
Hình 3.6. Mạng hàng đợi mở (a), đóng (b) 47
Hình 4.1. Sơ đồ chức năng OBS 53
Hình 4.2. Kiến trúc nút biên OBS 54
Hình 4.3. Kết hợp và tách rời burst trong mạng OBS 54
Hình 4.4. Cấu trúc của node biên lối vào 55
Hình 4.5. Cấu trúc của node biên đầu ra 56
Hình 4.6. Các phƣơng pháp thiết lập burst theo chiều dài burst và theo thời gian 59
Hình 4.7. Ngƣời sử dụng đƣợc kết nối tới nút biên của mạng OBS 63
Hình 4.8. Bản tin báo hiệu trong JumpStart 65
Hình 4.9. Tiến trình đến của chùm 66
Hình 4.10. Liên quan giữa các biến ngẫu nhiên A, B và I 66
Hình 4.11. Coxy hai trạng thái 67
Hình 4.12. Mô hình của hệ thống biên OBS 69
Hình 4.13. Mạng với các hàng đợi có tốc độ phục vụ không phụ thuộc tải 71

8
Hình 4.14. Mạng ban đầu (a) 73
Hình 4.15. Nối ngắn trạm (b) 74
Hình 4.16. Mạng tƣơng đƣơng (c) 74
Hình 4.17. Thông lƣợng khi số khách hàng trong hệ thống N = 40 77
Hình 4.18. Thời gian đáp ứng của hệ thống khi N=40 78

Hình 4.19. Mức sử dụng của hệ thống khi N=40 79
Hình 4.20. Thông lƣợng của lối ra hệ thống và một cổng ra khi P = 8 79
Hình 4.21. Kết quả tính thông lƣợng khi N thay đổi 81
Hình 4.22. Thông lƣợng của một cổng so với cả hệ thống 82
Hình 4.23. Tính thông lƣợng khi số lƣợng chùm ngắn tăng 83
Hình 4.24. Thông lƣợng một cổng so với hệ thống khi p
s
thay đổi 83
Hình 4.25. Mức sử dụng trung bình 84
Hình 4.26. Thời gian chờ trung bình 85


9
CÁC THUẬT NGỮ VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Các chữ viết tắt
ATM
Asynchronous Tranfer Mode
Chế độ truyền không đồng bộ
BHP
Busrt Header Packet
Gói tiêu đề chùm
CCG
Control Channel Group
Nhóm kênh điều khiển
CQ
Custom Queuing
Xếp hàng tuỳ biến
DCG
Data Channel Group

Nhóm kênh dữ liệu
FDL
Fiber Delay Line
Đƣờng trễ quang
FIFO Queuing
First In, First Out Queuing
Xếp hàng vào trƣớc ra trƣớc
IP
Internet Protocol
Giao thức liên mạng
JET
Just-Enougt-Time
Giao thức báo hiệu JET
JIT
Just-In-Time
Giao thức báo hiệu JIT
LAN
Local Area Network
Mạng nội bộ
OBS
Optical Burst Switching
Chuyển mạch chùm quang
O/E/O
Optical-Electric Converter,
Electric-Optical Converter
Bộ chuyển đổi quang-điện,
Bộ chuyển đổi điện-quang
OPS
Optical Paket Switching
Chuyển mạch gói quang

OXC
Optical Cross Connect
Bộ kết nối chéo quang
PQ
Priority Queuing
Xếp hàng theo mức ƣu tiên
SCU
Switch Control Unit
đơn vị điều khiển chuyển mạch
SJF
Shortest Job First
Việc đầu tiên ngắn nhất
SJN
Shortest Job Next
Việc tiếp theo ngắn nhất
SPF
Shortest Processing Time First
Thời gian xử lý đầu tiên ngắn nhất
WAN
Wide Area Network
Mạng diện rộng
WFQ
Weighted Fair Queuing
Xếp hàng theo công bằng trọng số
WDM
Wavelength Division
Multiplexing
Ghép kênh theo bƣớc sóng
Các thuật ngữ
Attributes

Thuộc tính
Burst
Chùm
Client
Thành phần khách, máy trạm
Converter
Bộ chuyển đổi
Edge
Biên, vị trí biên
Electric
Điện
Entity
Thực thể
Model
Mô hình
Node
Nút

10
Optical
Quang, quang học
Packet
Gói
Router
Bộ định tuyến
Server
Thành phần phục vụ, máy chủ
Switch
Bộ chuyển mạch
User

Ngƣời sử dụng


11


LỜI MỞ ĐẦU
Hệ thống chuyển mạch quang là hệ thống chuyển mạch cho phép các tín
hiệu bên trong các sợi cáp quang hay các mạch quang tích hợp đƣợc chuyển
mạch có lựa chọn từ một mạch này tới một mạch khác. Chuyển mạch chùm
quang OBS (Optical Burst Switching) cho phép chuyển mạch toàn bộ các kênh
dữ liệu trong miền quang dƣới dạng các chùm (burst). Ngƣời sử dụng kết nối
vào mạng tại nút biên (Edge Node). Dữ liệu của ngƣời sử dụng (IP) đƣợc thu
thập, lƣu giữ và tổ chức thành các chùm dữ liệu chuyển tiếp vào mạng lõi
chuyển mạch chùm quang.
Nghiên cứu, xây dựng mô hình và đánh giá hiệu năng của hệ thống chuyển
mạch chùm quang biên góp phần làm rõ cơ chế và hiệu năng hoạt động của hệ
thống chuyển mạch chùm quang biên nói riêng và mạng chuyển mạch chùm
quang nói chung; trên cơ sở đó, xây dựng phƣơng pháp thiết kế, và đánh giá
cũng nhƣ lựa chọn và đánh giá các sản phẩm chuyển mạch chùm quang trong
thực tế.
Đề tài này trình bày phƣơng pháp luận của việc đánh giá hiệu năng, nghiên
cứu tổng quan và nguyên tắc hoạt động của mạng chuyển mạch chùm quang
(OBS); từ đó xây dựng mô hình cho nút biên và thực hiện việc đánh giá hiệu
năng hoạt động của nút biên.
Hệ thống chuyển mạch biên của mạng chuyển mạch chùm quang đƣợc mô
hình bằng mạng hàng đợi đóng, phức hợp. Mỗi cổng của thiết bị định tuyến là một
trạm (hàng đợi) trong mạng. Mạng hàng đợi này có tiến trình chùm đến theo phân
bố coxy 2 giai đoạn, và thành phần của mạng bao gồm cả các hàng đợi có dạng
tích và hàng đợi non-BCMP. Việc phân tích và tính toán các độ đo hiệu năng của

mạng này dựa trên thuật toán của Raymon A.Marie [11]. Marie đƣa ra mạng hàng
đợi gồm các hàng đợi không theo dạng BCMP. Để tính toán, Marie đã thay thế
chúng bằng các trạm tƣơng đƣơng mà tốc độ phục vụ là phụ thuộc tải. Đây là một
phƣơng pháp tính gần đúng. Độ tin cậy của phƣơng pháp đạt đƣợc dựa trên số
vòng lặp để đƣa kết quả tính hội tụ dần tới giá trị chính xác.

12
Marie đƣa ra mạng hàng đợi mở với thành phần là các hàng đợi non-BCMP.
Điểm khác biệt ở bản luận văn này là nút chuyển mạch biên đƣợc mô hình theo
mạng hàng đợi đóng, có cả thành phần là hàng đợi BCMP và non-BCMP. Một
điểm mới so với phƣơng pháp tính của Marie đó là luận văn này đƣa vào thành
phần Retry và Delay Server.
Mô hình nút biên của mạng chuyển mạch chùm quang cũng đƣợc đƣa ra
trong bài báo của Lisong Xu, Harry G. Perros and George N. Rouskas [19]. Trong
phần trình bày về mạng hàng đợi đơn lớp trong [19], các tác giả cũng mô hình nút
biên bằng mạng hàng đợi đóng với các nút non-BCMP, tuy nhiên lối vào chỉ là
thành phần Infinite. Mô hình trình bày trong luận văn này thể hiện lối vào là một
trạm với tốc độ phục vụ phụ thuộc tải. Một điểm mới so với mô hình trong [19] đó
là luận văn này xem xét đến thành phần phát lại chùm (Retry). Theo chúng tôi, sau
khi chùm đƣợc chuyển từ hệ chuyển mạch biên đang xét ra ngoài qua cổng lối ra,
lỗi có thể xuất hiện và việc phát lại chùm là cần thiết. Thành phần Retry thể hiện
việc phát lại chùm khi xuất hiện lỗi nhƣ vậy.
Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu [11], [19], đề tài này đã nghiên cứu và đề
xuất hiệu chỉnh một số thành phần lối vào của nút biên, đƣợc cho là sát với thực tế
và đƣa thêm vào thành phần phát lại khi việc phát gặp lỗi. Luận văn đã xây dựng
mô hình hệ chuyển mạch biên với các hiệu chỉnh, bổ sung trên đây; phân tích đánh
giá hiệu năng hoạt động trên cơ sở mô hình hàng đợi đƣợc xây dựng; tính toán
minh hoạ một số độ đo hiệu năng quan trọng nhƣ thông lƣợng chùm dữ liệu đƣợc
chuyển mạch biên, mức độ sử dụng hệ chuyển mạch biên,
Qua phân tích và kết quả tính toán, có thể thấy thông lƣợng của hệ thống

chuyển mạch biên (và của một cổng lối ra của nó) là tăng khi số tiến trình chùm
đến (N) tăng. Thông lƣợng của hệ thống là tổng thông lƣợng các cổng lối ra. Khi
xác suất chùm là chùm ngắn p
s
tăng thì thông lƣợng của hệ thống (hoặc thông
lƣợng một cổng) cũng tăng, trong khi đó mức sử dụng trung bình và thời gian
chờ trung bình của hệ thống đều giảm. Xác suất p
s
tăng có nghĩa là trong một
tiến trình chùm đến, số chùm ngắn tăng so với số chùm dài. Khi số tiến trình
chùm đến (N) không đổi, trong số chùm ngắn trong đó nhiều thì số lƣợng chùm
đƣợc chuyển qua hệ thống (hoặc qua một cổng lối ra) trên một đơn vị thời gian
sẽ tăng. Điều này sẽ dẫn đến thời gian chờ để đƣợc xử lý cho các tiến trình chùm
đến giảm, tuy nhiên, hiệu quả sử dụng hệ thống cũng bị giảm.

13
Ngoài phần Mở đầu và Kết luận, nội dung của luận văn gồm 4 chƣơng:
Chƣơng 1. Giới thiệu chuyển mạch quang.
Chƣơng 2. Tổng quan về chuyển mạch chùm quang.
Chƣơng 3. Phƣơng pháp luận đánh giá hiệu năng.
Chƣơng 4. Xây dựng mô hình và đánh giá hiệu năng hệ chuyển mạch chùm
quang biên.

14


CHƢƠNG 1
GIỚI THIỆU CHUYỂN MẠCH QUANG

Chƣơng này giới thiệu các vấn đề chung nhất về chuyển mạch quang. Các
hệ chuyển mạch đƣợc trình bày gồm:
Chuyển mạch kênh quang
Chuyển mạch gói quang
Chuyển mạch chùm quang.
Sau đây chúng ta sẽ đi vào các nội dung cụ thể.

15
Chuyển mạch quang là hệ thống chuyển mạch cho phép các tín hiệu bên
trong các sợi quang hay các mạch quang tích hợp đƣợc chuyển mạch có lựa
chọn từ một mạch này tới một mạch khác.

Hình 1.1. Minh hoạ về hệ thống chuyển mạch quang
Tuỳ thuộc vào kỹ thuật chuyển mạch mà có các thông tin đƣợc trao đổi
dƣới dạng thời gian thực.
Chƣơng này giới thiệu 3 loại chuyển mạch quang đó là: chuyển mạch kênh
quang (Optical Circuit Switching), chuyển mạch chùm quang (Optical Burst
Switching) và chuyển mạch gói quang (Optical Packet Switching).
Chuyển mạch kênh quang (Optical Circuit Switching)
Chuyển mạch kênh quang đƣợc sử dụng trong các mạng quang định tuyến

bƣớc sóng, trong đó tất cả đƣờng kết nối bƣớc sóng quang (đƣờng kết nối
quang) đƣợc thiết lập giữa các cặp nút mạng. Việc thiết lập đƣờng kết nối nhƣ
vậy bao cần bao gồm các nhiệm vụ là: xác định tài nguyên và cấu hình mạng,
định tuyến, chuyển hƣớng bƣớc sóng, báo hiệu và chuẩn bị tài nguyên.
Mặc dù các mạng quang định tuyến bƣớc sóng đã đƣợc triển khai nhƣng có
lẽ nó không phải kỹ thuật thích hợp nhất cho Internet quang. Thí dụ, để thiết lập
một đƣờng dẫn ánh sáng sẽ chỉ cần một thời gian rất nhỏ của trễ toàn trình. Điều
này dẫn đến việc sử dụng bƣớc sóng không hiệu quả nếu nhƣ thời gian chiếm
giữ kết nối rất ngắn. Bản chất “bùng nổ” của lƣu lƣợng dữ liệu cũng là nguyên
nhân dẫn đến việc sử dụng bƣớc sóng không hiệu quả. Do vậy, nhằm sử dụng

16
hoàn toàn bƣớc sóng, cơ chế grooming của lƣu lƣợng phức tạp là cần thiết để hỗ
trợ việc ghép kênh thống kê dữ liệu từ các khách hàng khác nhau.
Với định tuyến bƣớc sóng, các đƣờng dẫn ánh sáng đƣợc thiết lập giữa
nguồn (các nút vào) và đích (các nút ra) thông qua các nút đƣợc trang bị các kết
nối chéo WDM quang (hay các router bƣớc sóng). Tại từng router bƣớc sóng,
bƣớc sóng ra (ở cổng ra) tại đó tín hiệu vào đƣợc định tuyến tới vào thời điểm đã
xác định trƣớc sẽ đƣợc xác định duy nhất dựa trên bƣớc sóng vào đƣợc định
tuyến tới vào thời điểm đã xác định trƣớc sẽ đƣợc xác định duy nhất dựa trên
bƣớc sóng vào (và cổng vào) mang tín hiệu này. Do đó định tuyến bƣớc sóng là
một dạng chuyển mạch kênh. Trong báo hiệu phân tán, phƣơng thức đặt trƣớc
hai chiều là cần thiết để thiết lập các đƣờng dẫn ánh sáng nhờ đó nút nguồn gửi
đi gói điều khiển để đặt trƣớc, sau đó chờ xác nhận trƣớc khi phát đi dữ liệu.
Một trong các thuận lợi của định tuyến bƣớc sóng là không 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 bƣớc sóng là
đƣờng dẫn phải thiết lập toàn bộ bƣớc sóng trên từng kênh dọc theo đƣờng dẫn,

dẫn đến hiệu quả sử dụng băng tần thấp khi mang các dòng lƣu lƣợng có tính
“bùng nổ” (ví dụ các gói IP) vì lƣu lƣợng từ các gói vào khác nhau không thể
chia sẻ theo thông kê băng tần của đƣờng dẫn ánh sáng. Hơn nữa, do không có
đủ bƣớc sóng trong cáp quang để cho phép kết nối dạng lƣới một cách hoàn toàn
nên phân bố tải trong mạng có thể không đồng đều dẫn đến mật độ lƣu lƣợng
trên các đƣờng dẫn ánh sáng thay đổi theo thời gian. Chú ý là ở trên chỉ giả thiết
rằng các nút quang chỉ hỗ trợ chức năng kết nối chéo và không có khả năng
chuyển mạch/định tuyến nhanh. Do việc thiết lập và huỷ bỏ đƣờng dẫn ánh sáng
mất tối thiểu vài chục ms, tƣơng ứng với (hoặc thậm chí vƣợt 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 đƣờng dẫn ánh sáng theo các giai
đoạn của chùm không phải là một mô hình hiệu quả.
Chuyển mạch gói quang (Optical Packet Switching)
Trong chuyển mạch gói quang, các gói đƣợc chuyển mạch và định tuyến
độc lập thông qua mạng hoàn toàn trong miền quang mà không cần các bộ
chuyển đổi quan-điện, điện-quang.

17
Mạng quang cung cấp các tuyến quang, các mạng này về bản chất là các
mạng chuyển mạch. Với một kết nối ảo, mạng cung cấp một kết nối chuyển
mạch giữa hai nút. Tuy nhiên băng thông đƣợc cấp cho kết nối có thể nhỏ hơn
toàn bộ băng thông có sẵn trên một tuyến liên kết. Ví dụ những kết nối riêng lẻ
trong một mạng tốc độ cao trong tƣơng lai có thể hoạt động ở 10Gbps, trong khi
tốc độ bit truyền dẫn trên một bƣớc sóng có thể là 100Gbps. Vì vậy mạng phải
hợp nhất một số dạng ghép kênh phân chia thời gian để kết hợp nhiều kết nối
thành một tốc độ bit. Ở những tốc độ này có thể thực hiện ghép kênh trong miền
quang dễ dàng hơn trong miền điện.
Một nút chuyển mạch gói quang có dung lƣợng cao hơn nhiều so với
chuyển mạch gói điện. Một nút nhận luồng dữ liệu vào, đọc tiêu đề (header) và
chuyển mạch đến lối ra thích hợp. Nút cũng có thể áp đặt một tiêu đề mới trên

gói. Nó cũng phải xử lí tranh chấp cho các cổng ra. Nếu hai gói đi vào trên các
cổng khác nhau muốn đi ra trên cùng một cổng, một trong hai phải đƣợc đệm
hoặc gửi ra trên một cổng khác.
Một cách lí tƣởng, tất cả các chức năng bên trong nút đều đƣợc thực hiện
trong miền quang, nhƣng thực tế một số chức năng nào đó nhƣ là xử lí tiêu đề và
điều khiển chuyển mạch phải thực hiện bằng điện. Điều này do khả năng xử lí bị
giới hạn trong miền quang. Bản thân tiêu đề có thể đƣợc gửi ở một tốc độ bít
thấp hơn so với dữ liệu cho nên nó có thể xử lí điện.
Nhiệm vụ của chuyển mạch gói quang là cho phép khả năng chuyển mạch
gói ở các tốc độ mà không thể đạt đƣợc ở chuyển mạch gói điện. Tuy nhiên các
nhà thiết kế bị cản trở nhiều về mặt xử lí tín hiệu trong miền quang. Một yếu tố
quan trọng là thiếu các bộ truy xuất ngẫu nhiên quang để đệm. Thay vì đó các bộ
đệm quang đƣợc thực hiện bằng cách sử dụng một chiều dài sợi quang và những
đƣờng dây trễ thời gian mà không phải là các bộ nhớ. Vì vậy làm trễ gói trong
thời gian dài và vấn đề nữa là trễ trong cấu trúc chuyển mạch mỗi gói lối vào.
Chuyển mạch chùm quang (OBS - Optical Burst Switching)
Chuyển mạch chùm quang là công nghệ lai giữa chuyển mạch kênh quang
với chuyển mạch gói quang. Dữ liệu vẫn giữ trong miền quang trong khi các tín
hiệu điều khiển đƣợc thực hiện trong miền điện. Gói điều khiển và chùm dữ liệu
tƣơng ứng đƣợc tạo ra tại nguồn cùng một lúc và đƣợc tách biệt bằng khoảng
thời gian xác định gọi là thời gian offset.

18
Chuyển mạch chùm quang là chuyển mạch truyền đi chùm lƣu lƣợng. Các
công nghệ chuyển mạch chùm quang khác nhau dựa trên việc làm thế nào và khi
nào các nguồn tài nguyên mạng nhƣ độ rộng băng thông bị chiếm dụng và đƣợc
giải phóng. OBS dựa trên chuẩn ITU-T cho chuyển mạch chùm cho các mạng có
chế độ truyền bất đồng bộ (ATM), nhƣ truyền khối ATM (ABT). Có hai phiên
bản ABT: ABT với trễ truyền và ABT truyền tức thời. Trong phiên bản đầu tiên,
khi một nút nguồn muốn truyền một chùm, nó gởi một gói tới các chuyển mạch

ATM trên đƣờng kết nối thông tin để báo cho chúng biết nó muốn truyền một
chùm. Nếu tất cả các chuyển mạch trên đƣờng truyền sẵn sàng, yêu cầu đƣợc
chấp nhận và nút nguồn đƣợc phép truyền. Ngƣợc lại yêu cầu bị từ chối và nút
nguồn phải gửi yêu cầu khác sau đó. Trong ABT với chế độ truyền tức thời,
nguồn gửi gói tin yêu cầu và sau đó truyền ngay mà không nhận thông tin xác
nhận. Nếu một chuyển mạch dọc theo đƣờng truyền không thể chuyển chùm do
tắc nghẽn, chùm sẽ bị loại bỏ. Hai công nghệ đó đã đƣợc lựa chọn cho các mạng
quang.
Chuyển mạch chùm quang cho phép chuyển mạch toàn bộ các kênh dữ liệu
trong miền quang. Trong chuyển mạch chùm quang thì gói điều khiển đi trƣớc
chùm dữ liệu. Gói điều khiển và chùm dữ liệu tƣơng ứng đƣợc tạo ra tại nguồn
cùng một lúc và đƣợc tách biệt bằng offset. Gói điều khiển chứa thông tin cần
thiết để định tuyến chùm dữ liệu qua lõi mạng truyền dẫn quang, và nó đƣợc gởi
trên kênh điều khiển. Gói điều khiển đƣợc xử lí điện tại từng nút trung gian (các
kết nối chéo quang) để đƣa ra quyết định định tuyến (giao diện và bƣớc sóng ra).
Tiếp đó các kết nối chéo quang đƣợc lấy cấu hình để chuyển mạch chùm dữ liệu
mong muốn sẽ đến đích sau khoảng thời gian đƣa ra ở trƣờng offset trong gói
điều khiển. Chùm dữ liệu sau đó đƣợc chuyển hoàn toàn trong miền quang, do
vậy “nút cổ chai” điện trong đƣờng dẫn dữ liệu đầu cuối-đầu cuối sẽ đƣợc hủy
bỏ. Điều này dẫn đến việc cấp phát bƣớc sóng phụ, tức là tại giao diện ra bƣớc
sóng chỉ đƣợc cấp phát chỉ trong khoảng thời gian có chùm dữ liệu.


19

CHƢƠNG 2
TỔNG QUAN VỀ CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG

Chƣơng này trình bày các vấn đề tổng quan về mạng chuyển mạch chùm
quang, nhƣ kiến trúc, chức năng và các thành phần của mạng.
Nội dung của chƣơng gồm:
- Mạng chuyển mạch chùm quang: giới thiệu kiến trúc và sơ đồ
chức năng của mạng chuyển mạch chùm quang.
- Các hệ chuyển mạch: mô tả hai hệ chuyển mạch là thành phần
chính trong mạng chuyển mạch chùm quang, đó là hệ chuyển
mạch biên và hệ chuyển mạch lõi.

20

2.1. Mạng chuyển mạch chùm quang
Công nghệ chuyển mạch chùm quang là công nghệ lai giữa chuyển mạch
kênh quang với chuyển mạch gói quang. Mạng chuyển mạch gói quang với tiêu
chí là cả thông tin điều khiển và dữ liệu đều đƣợc thực hiện trong miền quang.
Để thực hiện điều đó đòi hỏi công nghệ phức tạp và ở giai đoạn hiện nay, kết
quả thực hiện chƣa đƣợc nhƣ mong muốn. Công nghệ chuyển mạch chùm quang
ra đời với điểm khác biệt lớn so với chuyển mạch gói quang là dữ liệu vẫn thực
hiện trong miền quang dƣới dạng các chùm trong khi các tín hiệu điều khiển
đƣợc thực hiện trong miền điện.
2.1.1. Kiến trúc chung và sơ đồ chức năng

Hình 2.1. Kiến trúc mạng OBS
Hình trên mô tả kiến trúc của mạng chuyển mạch chùm quang (OBS). Các

thành phần chính của mạng gồm nút biên lối vào (Ingress Node, Edge Node),
nút biên lối ra (Egress Node, Edge Node) và nút lõi (Core Node). Lƣu lƣợng lối
vào đƣợc qua các nút biên vào mạng OBS. Lƣu lƣợng đƣợc định tuyến trong
mạng qua các nút lõi rồi tới nút biên lối ra và tới đích.
Cấu trúc phần cứng là một phần quan trọng trong OBS, nó làm cho OBS
có các chức năng riêng cũng nhƣ có những ƣu điểm hơn so với các chuyển mạch
khác. Chƣơng này giới thiệu về cấu trúc của chuyển mạch OBS gồm các nội
dung chính nhƣ giới thiệu mạng OBS ở dạng mắt lƣới hay dạng vòng nút, cấu
trúc của nút biên, nút lõi. Trong mạng OBS, các gói IP khác nhau đến từ phía

21
ngƣời sử dụng đƣợc tập hợp thành các chùm (burst) ở nút biên đầu vào sau đó
đƣợc truyền đi. Các gói IP đã đƣợc kết hợp đó đƣợc chuyển đi trong mạng
quang dƣới dạng các chùm và đƣợc tách ngƣợc trở lại ở nút biên đầu ra. Chức
năng tạo chùm bởi sự kết hợp và giải kết hợp đƣợc thực hiện khác nhau nhƣ có
thể sử dụng một ngƣỡng hoặc khoảng thời gian quy định để kết hợp các gói dữ
liệu tạo ra một chùm quang và gửi chùm vào mạng. Các nút lõi sẽ có các bộ thu
WDM, các bộ phát WDM, các bộ ghép kênh WDM, các bộ giải ghép kênh
WDM các bộ khuyếch đại Node, các đơn vị điều khiển chuyển mạch, các bộ
biến đổi bƣớc sóng, các đƣờng tạo trễ, các bộ chuyển mạch phân chia không
gian.

Hình 2.2. Sơ đồ chức năng OBS
Hình trên mô tả sơ đồ chức năng của hệ thống OBS. Hệ thống OBS gồm 3
khối chính: Hệ chuyển mạch biên vào (Ingress Edge Node - Nút biên vào), hệ
chuyển mạch lõi (Core Node – Nút lõi) và hệ chuyển mạch biên ra (Egress Edge
Node – Nút biên ra).
Hệ chuyển mạch biên vào gồm các thành phần chính là: bộ kết hợp chùm
(Burst Assembler), modul định tuyến và chuyển đổi bƣớc sóng (Routing &
Wavelength Assignment), và bộ lập lịch biên (Edge Scheduling).

Hệ chuyển mạch lõi gồm các thành phần chính là: báo hiệu (Signaling), lập
lịch lõi (Core Scheduling) và thành phần giải quyết xung đột (Contention
Resolution).

22
Hệ chuyển mạch biên ra gồm các thành phần chính là: Giải kết hợp chùm
(Burst Disassembly), chuyển tiếp gói (Packet Forwarding).
2.1.2. Mạng dạng mắt lƣới
Kiến trúc mạng OBS dạng mắt lƣới là kiến trúc mà các nút mạng đƣợc bố
trí và liên kết với nhau tạo thành hình mắt lƣới.
Trong mạng chuyển mạch chùm quang, các chùm dữ liệu bao gồm tổ hợp
nhiều gói đƣợc chuyển qua mỗi nút mạng ở dạng toàn quang. Một thông báo
điều khiển đƣợc truyền trƣớc chùm dữ liệu với mục đích thiết lập các chuyển
mạch dọc theo đƣờng đi của chùm. Chùm dữ liệu đƣợc truyền theo sau đó.
Hình dƣới thể hiện một mạng OBS dạng mắt lƣới bao gồm các nút biên và
các nút lõi. Mạng OBS bao gồm các chuyển mạch chùm quang đƣợc nối với các
tuyến WDM. OBS phát một chùm từ cổng đầu vào tới cổng đầu ra, dựa trên
thiết kế chuyển mạch nó có thể có hoặc không đƣợc trang bị bộ đệm quang. Các
tuyến WDM mang tổ hợp nhiều bƣớc sóng và mỗi bƣớc sóng coi nhƣ một kênh
truyền. Gói điều khiển kết hợp với một chùm cũng có thể truyền trên băng tần
qua cùng một kênh nhƣ là dữ liệu, hoặc trên một kênh điều khiển riêng biệt.
Chùm có thể đƣợc cố định để mang một hoặc nhiều gói IP.

Hình 2.3. Mô hình mạng OBS dạng mắt lưới


23
Một nút đặc trƣng bao gồm những thành phần sau:
Giao diện đầu vào: Tiếp nhận gói điều khiển và chùm dữ liệu, chuyển đổi
gói điều khiển thành tín hiệu điện.

Đơn vị điều khiển chuyển mạch: Phiên dịch gói điều khiển, đặt lịch trình
và giải quyết xung đột, định tuyến, điều khiển ma trận chuyển mạch, tạo lại gói
mào đầu và điều khiển biến đổi bƣớc sóng.
Các bộ biến đổi bƣớc sóng và các đƣờng trễ quang (ODL): đƣờng trễ
quang sử dụng nhƣ một bộ đệm để chứa chùm trong một khoảng thời gian trễ
nhất định.
Đơn vị chuyển mạch quang: Các chuyển mạch không gian làm nhiệm vụ
chuyển chùm dữ liệu.
2.1.3. Mạng dạng vòng nút
Xem xét mạng gồm N nút OBS đƣợc tổ chức trong một vòng Ring đơn
hƣớng.

Hình 2.4. Mô hình mạng OBS dạng vòng RING
Mỗi sợi kết nối giữa hai nút OBS liên tiếp trong vòng ring có thể hỗ trợ N
+1 bƣớc sóng. Trong đó N bƣớc sóng đƣợc sử dụng để truyền chùm,
bƣớc sóng thứ N +1 đƣợc sử dụng nhƣ một kênh điều khiển.
Mỗi nút OBS đƣợc gắn với một hoặc nhiều mạng truy nhập (phía ngƣời sử
dụng). Theo chiều từ mạng truy nhập đến vòng Ring, các nút OBS hoạt động

24
nhƣ một bộ tập trung. Dữ liệu từ ngƣời sử dụng cần chuyển qua mạng Ring
đƣợc tập hợp, lƣu trữ (đệm) ở dạng điện tử rồi sau đó đƣợc nhóm lại cùng nhau
và đƣợc truyền trong chùm tới nút OBS đích. Mỗi chùm có thể có kích thƣớc bất
kỳ giữa giá trị cực đại và cực tiểu. Các chùm đƣợc truyền đi ở dạng tín hiệu
quang dọc theo vòng Ring mà không trải qua bất kỳ sự chuyển đổi điện-quang
nào ở những nút trung gian.
Theo hƣớng từ vòng Ring đến các mạng truy nhập, nút OBS ngắt các chùm
quang đã đƣợc định sẵn tới chính nó, chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu điện
tử, xử lý điện tử dữ liệu chứa trong chùm và chuyển chúng tới những ngƣời
dùng trong các mạng truy nhập kết nối với nó.

Kiến trúc của một nút OBS cho thấy mỗi nút đƣợc trang bị một bộ tách
ghép kênh quang (OADM), và hai cặp thu phát quang. Cặp đầu tiên gồm có một
máy thu và máy phát cố định đƣợc điều hƣởng bởi bƣớc sóng điều khiển, và là
bộ phận của module điều khiển.
Bƣớc sóng điều khiển đƣợc tách bởi OADM ở mỗi nút, và đƣợc ghép trở
lại sau khi module điều khiển đã đọc thông tin điều khiển và có thể chèn thông
tin mới vào. Cặp thứ hai của bộ phận thu và phát gồm có một máy phát đƣợc cố
định để điều hƣớng tới bƣớc sóng chủ của nút, và một máy thu nhanh để có thể
nhận các chùm từ tất cả N bƣớc sóng truyền tới. Mỗi nút OBS có một bƣớc sóng
chủ chuyên dụng để truyền các chùm của chính nó. Bộ OADM ở mỗi nút loại bỏ
tín hiệu quang từ bƣớc sóng chủ của nút bằng cách tách bƣớc sóng tƣơng ứng.
Bộ OADM cũng tách tín hiệu quang trên những bƣớc sóng khác nhau, mỗi khi
các bƣớc sóng đó chứa đựng các chùm cho nút này.

Hình 2.5. Kiến trúc node chuyển mạch quang

25
Trong trƣờng hợp khi có nhiều chùm đến, mỗi chùm trên một bƣớc sóng
khác nhau, ở một nút OBS, module thu trong hình 2.5 sử dụng chiến lƣợc giải
quyết xung đột để xác định chùm nào sẽ đƣợc chấp nhận. Dữ liệu truyền đi đƣợc
tổ chức thành các hàng đợi. Bộ đệm dữ liệu ở mỗi nút OBS đƣợc chia sẽ thành
N -1 hàng đợi. Mỗi hàng đợi tƣơng ứng với một trong số N -1 nút đích. Các
hàng đợi phục vụ theo thứ tự xác định bởi module lịch trình.
2.2. Các hệ chuyển mạch
2.2.1. Hệ chuyển mạch chùm quang biên
Kiến trúc hệ chuyển mạch chùm quang biên
Nhƣ đã mô tả trong sơ đồ chức năng OBS ở trên, hệ thống OBS gồm 3
khối chính: Hệ chuyển mạch biên lối vào (Ingress Edge Node - Nút biên lối
vào), hệ chuyển mạch lõi (Core Node – Nút lõi) và hệ chuyển mạch biên lối ra
(Egress Edge Node – Nút biên lối ra).

Nút biên OBS đầu vào và đầu ra là giao diện giữa mạng ngƣời sử dụng
(mạng IP) và mạng OBS. Trong mạng OBS, các gói IP khác nhau đến từ phía
ngƣời sử dụng đƣợc tập hợp thành các chùm tại nút biên đầu vào sau đó nó đƣợc
truyền đi, và các gói IP đã đƣợc kết hợp đó đƣợc chuyển đi trong mạng quang
dƣới dạng chùm và đƣợc tách ngƣợc trở lại tại nút biên đầu ra.
Hệ chuyển mạch biên lối vào gồm các thành phần chính là: bộ kết hợp
chùm (Burst Assembler), modul định tuyến và kết hợp bƣớc sóng (Routing &
Wavelength Assignment), và bộ lập lịch biên (Edge Scheduling).
Hệ chuyển mạch biên lối ra gồm các thành phần chính là: Giải kết hợp
chùm (Burst Disassembly), chuyển tiếp gói (Packet Forwarding).
Cấu trúc cơ bản của nút biên lối vào nhƣ hình sau:

Hình 2.6. Cấu trúc của node biên lối vào


26
Ở nút biên lối vào, chùm đƣợc thiết lập từ các gói tin IP đến sau đó đƣợc
đƣa đến bộ sắp xếp chọn đƣờng ra cho chùm và truyền trên đƣờng truyền. Gói
tin điều khiển cũng đƣợc truyền đi trên kênh bƣớc sóng riêng. Ở nút biên lối ra,
các kênh dữ liệu DCG (Data Channel Group) đƣợc đƣa đến bộ nhận chùm. Các
kênh điều khiển CCG (Control Channel Group) đƣợc đƣa đến bộ nhận gói tin
điều khiển (BHP Receiver).
Tại nút biên lối ra chùm đƣợc đƣa đến bộ tách chùm để tách thành các gói
tin ban đầu, sau đó đƣợc đƣa đến chuyển mạch để chuyển mạch đến cổng ra
theo yêu cầu.
Trong nút biên lối vào, khối chức năng chính là bộ phát với bƣớc sóng điều
chỉnh đƣợc còn ở nút biên đầu ra là bộ nhận chùm.
Nguyên tắc thiết lập burst
Thiết lập chùm (burst) là quá trình tập hợp và đóng gói ở lối vào từ các gói
dữ liệu IP đến thành chùm tại nút biên lối vào của mạng OBS. Có nhiều kỹ thuật

đƣợc đề xuất trong nguyên tắc thiết lập chùm, trong đó hai kỹ thuật đƣợc quan
tâm nhất là thiết lập dựa vào bộ định thời (timer-based) và dựa trên mức ngƣỡng
(threshold –based).
Trong lúc thiết lập chùm, nút biên lối vào sắp xếp và lập lịch cho các gói
đến vào trong những bộ đệm lối vào theo mức QoS và đích đến của nó. Những
gói này sau đó đƣợc tập hợp thành chùm và chứa trong các bộ đệm lối ra. Bởi vì
mỗi hƣớng và mỗi lớp dịch vụ yêu cầu một bộ đệm riêng, nên số lƣợng lớp dịch
vụ và kích thƣớc mạng quyết định nhiều đến kích thƣớc của bộ đệm tại nút biên
lối vào.
Thời gian offset
Thời gian offset là khoảng thời gian giữa thời điểm nút nguồn phát đi bit
đầu tiên của gói điều khiển và thời điểm nút nguồn phát đi bit đầu tiên của chùm
dữ liệu. Dựa trên chiều dài offset, chuyển mạch chùm quang có thể đƣợc phân
thành các loại: Offset không đặt trƣớc (No Reservation), Offset cố định.
Một yêu cầu đặt ra là phải tính toán sao cho thời gian offset không dài quá
hay ngắn. Nếu thời gian offset quá ngắn gây ra tình trạng chùm đƣợc gửi đi khi
chƣa hoàn thành dự trữ tài nguyên ở các nút trung gian, chùm đó sẽ bị mất.