GIẢI QUYẾT TRANH CHẤP TRONG CHUYỂN MẠCH BURST QUANG

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
KHOA VIỄN THÔNG I
------------o0o-------------

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
TÊN ĐỀ TÀI

GIẢI QUYẾT TRANH CHẤP TRONG CHUYỂN
MẠCH BURST QUANG
Giáo viên hướng dẫn:

ThS. Ngô Thu Trang
ThS. Nguyễn Thị Thu Nga

Nhóm sinh viên:

Ngô Ngọc Tuấn
Trần Thị Huyền Trang
Trần Hoàng Việt
Phạm Tuấn Sơn


Đề tài nghiên cứu khoa học

Hà Nội – Tháng 12/2008.

MỤC LỤC
2.1 Cấu trúc và hoạt động 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......................16
2.1.3 Hoạt động của mạng chuyển mạch OBS..........................................21

Giới thiệu về Flash.......................................................................................40
Lịch sử Flash.............................................................................................40
Khả năng lập trình.....................................................................................40
Định dạng đóng.........................................................................................40
Ứng dụng...................................................................................................40

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

ATM

Asynchronous Transfer Mode

Chế độ truyền dị bộ

BHP

Burst Header Packet

Gói tiêu đề burst

CRC

Cyclical Redundancy Check

Kiểm tra độ dư chu trình

DEMUX Demultiplexer

Bộ tách kênh

DLE

Dynamic Lightpath Establishment

Thiết lập đường ánh sáng động

FDL

Fiber Delay Line

Đường trễ quang

FTTH

Fiber to the home

Sợi quang đến tận nhà

HOL

Head-of-line

Khối đầu dòng

IM

Input Module

Module đầu vào

IP

Internet Protocol

Giao thức IP

LAN

Local Area Network

Mạng cục bộ

GIẢI QUYẾT TRANH CHẤP TRONG CHUYỂN MẠCH BURST QUANG

2


Đề tài nghiên cứu khoa học

MEMs

Micro-electro-mechanical System

Hệ thống điện-cơ cực bé

MUX

Multiplexer

Bộ ghép kênh

OBS

Optical Burst Switch

Chuyển mạch burst quang

OM

Output Module

Module đầu ra

OSPF

Open Shortest Path First

Thuật toán tìm đường ngắn nhất

QoS

Quality-of-Service

Chất lượng dịch vụ

RWA

Routing And Wavelength Assigment

Định tuyến và gán bước sóng

SLE

Static Lightpath Establishment

Thiết lập đường ánh sáng tĩnh

SOA

Sermiconductor Optical Amplifier

Khuyếch đại quang bán dẫn

TAG

Tell-And-Go

Nói và gửi

TAW

Tell-And-Wait

Nói và đợi

WADM

Wavelength Add-Drop Multiplexer

Bộ tách-xen bước sóng

WAN

Wide Area Network

WDM

Wavelength Division Multiplexing

Mạng diện rộng
Ghép kênh phân chia theo bước
sóng

LỜI NÓI ĐẦU
Trong thập kỷ trước, lĩnh vực mạng đã phát triển với tốc độ chóng mặt. Sự
mở rộng nhanh chóng của Internet và nhu cầu gia tăng liên tục về thông tin đa
phương tiện đã thực sự thách thức những giới hạn của máy tính và các mạng
truyền thông hiện tại. Sự phát triển của các mạng dung lượng lớn mới, đặt ra một
nhu cầu trước mắt là sự sẵn sàng hỗ trợ cho các yêu cầu băng thông đang ngày
càng gia tăng.

GIẢI QUYẾT TRANH CHẤP TRONG CHUYỂN MẠCH BURST QUANG

3


Đề tài nghiên cứu khoa học

Sự xuất hiện của truyền dẫn sợi quang và cùng với nó là ghép kênh phân chia
theo bước sóng WDM đã thúc đẩy sự phát triển nhanh chóng của Internet bởi khả

năng cung cấp băng thông vô cùng lớn của nó và những ưu điểm chưa từng có ở
những phương tiện truyền dẫn khác. Trong tương lai, Việt Nam cũng sẽ triển
khai FTTH (fiber to the home), hướng tới các hệ thống toàn quang. Một trong
những vấn đề kỹ thuật, đang ngày càng được cải tiến, của mạng toàn quang chính
là chuyển mạch quang. Ra đời sớm nhất là chuyển mạch kênh quang, chuyển
mạch gói quang và burst quang đang ở trong giai đoạn nghiên cứu phát triển.
Trong đó, chuyển mạch burst quang được thiết kế để đạt được một sự cân bằng
giữa chuyển mạch gói quang và chuyển mạch kênh quang. Các mạng chuyển
mạch burst quang cung cấp sự truyền dẫn phi kết nối, nên có khả năng sẽ xảy ra
tranh chấp giữa các burst. Tài liệu này nghiên cứu về các phương pháp giải quyết
tranh chấp trong chuyển mạch burst quang.
Nội dung đề tài gồm 2 chương và phần phụ lục, được cấu trúc như sau:
Chương I: Trình bày tổng quan về sự phát triển của công nghệ chuyển
mạch quang.
Chương II: Tìm hiểu cấu trúc, hoạt động của mạng OBS. Tranh chấp và
các phương pháp giải quyết tranh chấp trong OBS.
Phụ lục: Giới thiệu chung về phần mềm flash được sử dụng để mô tả.

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CHUYỂN MẠCH
QUANG
1.1. Giới thiệu chung:

GIẢI QUYẾT TRANH CHẤP TRONG CHUYỂN MẠCH BURST QUANG

4


Đề tài nghiên cứu khoa học

Kiến trúc mạng quang thế hệ đầu tiên gồm các liên kết WDM điểm-điểm.

Các mạng này bao gồm một vài liên kết điểm-điểm, và trong đó tất cả các lưu
lượng truyền tới 1 node đều bị loại bỏ, tự động chuyển đổi từ quang sang điện và
chuyển đổi từ điện sang quang trước khi rời khỏi node. Việc loại bỏ và thêm lưu
lượng tại mỗi node trong mạng làm cho sự phức tạp của chuyển mạch và chi phí
cho quá trình xử lý điện tăng lên đáng kể, đặc biệt nếu phần lớn lưu lượng trong
mạng đều là lưu lượng chuyển tiếp. Để hạ chi phí mạng xuống thấp nhất, các
thiết bị toàn quang có thể được sử dụng.
Kiến trúc mạng quang thế hệ thứ hai dựa trên các bộ ghép WADM, lưu
lượng có thể được thêm và loại bỏ tại các vị trí WDAM. WDAM có thể cho phép
loại bỏ những kênh bước sóng được chọn, trong khi những bước sóng khác có
thể đi qua một cách nguyên vẹn. Nói chung, tổng lưu lượng chuyển tiếp trong
mạng cao hơn đáng kể so với tổng lưu lượng cần bị loại bỏ tại mỗi node; do vậy,
có thể làm giảm chi phí của toàn bộ mạng. WDAM được sử dụng chủ yếu để xây
dựng các mạng vòng quang WDM, phục vụ trong các khu vực đô thị.
Để xây dựng một mạng lưới các đường liên kết sợi đa bước sóng, cần sử
dụng các thiết bị kết nối sợi thích hợp. Kiến trúc mạng quang thế hệ thứ ba được
dựa trên các thiết bị kết nối toàn quang. Những thiết bị này bao gồm ba loại: bộ
ghép hình sao thụ động, các router thụ động và các switch chủ động. Hình sao
thụ động là một thiết bị quảng bá một tín hiệu với một bước sóng xác định đi vào
một cổng sợi lối vào của bộ ghép hình sao, thì công suất của tín hiệu đó được

GIẢI QUYẾT TRANH CHẤP TRONG CHUYỂN MẠCH BURST QUANG

5


Đề tài nghiên cứu khoa học

Hình 1.1: Sự phát triển của các phương thức truyền tải quang khác nhau
chia đều cho tất cả các cổng lối ra của bộ ghép hình sao. Router thụ động có thể

gửi riêng lẻ mỗi một trong những bước sóng đến từ lối vào sợi tới bước sóng
giống vậy trên các sợi lổi ra khác nhau. Router thụ động là một thiết bị tĩnh; do
vậy, cấu hình định tuyến là cố định. Switch chủ động cũng gửi các bước sóng từ
các sợi lối vào tới các sợi lối ra và có thể hỗ trợ đồng thời các kết nối. Không
giống như router thụ động, switch chủ động có thể được cấu hình lại để thay đổi
sự kết nối giữa các bước sóng lối vào và lổi ra. Trong các mạng quang thế hệ thứ
ba, dữ liệu được phép chuyển tiếp qua các node trung gian mà không phải
chuyển qua tín hiệu điện, do vậy giảm được các chi phí cho các chuyển mạch và
định tuyến điện tử dung lượng cao tại mỗi node.

GIẢI QUYẾT TRANH CHẤP TRONG CHUYỂN MẠCH BURST QUANG

6


Đề tài nghiên cứu khoa học

Những hệ thống toàn quang này đòi hỏi cần có những kết nối chuyển
mạch quang, hay đường ánh sáng, giữa các router biên bao phủ mạng lõi quang;
tuy nhiên, vì những kết nối chuyển mạch quang khá tĩnh, chúng không thể điều
chỉnh theo tính bùng nổ của lưu lượng Internet một cách hiệu quả. Lý tưởng mà
nói, để cung cấp sự sử dụng cao nhất có thể trong lõi quang, các node cần tạo các
gói chuyển mạch ở mức quang .
Hiện nay trên thế giới chuyển mạch quang vẫn đang trong quá trình nghiên
cứu và thử nghiệm nên chưa được triển khai rộng trên thực tế. Các mạng trên
thực tế hiện nay chủ yếu được phát triển theo hướng truyền dẫn quang và chuyển
mạch điện tử do công nghệ bộ nhớ truy nhập quang chưa phát triển gây cản trở
cho sự ứng dụng của chuyển mạch quang trong các mạng thực tế.

1.2. Phân loại chuyển mạch quang

1.2.1. Chuyển mạch kênh quang
Các mạng quang định tuyến theo bước sóng sử dụng chuyển mạch kênh
quang, trong đó các đường bước sóng quang (đường ánh sáng) được tạo giữa các
cặp node. Cần một vài quy trình để thiết lập các đường ánh sáng này, bao gồm:
khám phá cấu hình và nguồn tài nguyên, định tuyến, gán bước sóng, báo hiệu và
dành trước tài nguyên.
Khám phá cấu hình và tài nguyên bao gồm sự phân phối và duy trì thông
tin trạng thái mạng. Thông tin này thường sẽ bao gồm thông tin của cấu hình
mạng vật lý và trạng thái của các đường liên kết trong mạng. Trong mạng WDM
định tuyến theo bước sóng, thông tin này có thể gồm tính sẵn có của các bước
sóng trên một liên kết cụ thể trong mạng. Giao thức với việc duy trì thông tin
trạng thái trong Internet được gọi là giao thức OSPF (Open Shortest Path First).
Bài toán tìm kiếm các tuyến và gán bước sóng cho đường ánh sáng được
GIẢI QUYẾT TRANH CHẤP TRONG CHUYỂN MẠCH BURST QUANG

7


Đề tài nghiên cứu khoa học

gọi là bài toán định tuyến và gán bước sóng (RWA). Các yêu cầu kết nối điển
hình có thể thuộc hai kiểu: tĩnh và động. Trong bài toán SLE (static lightpath
establishment), toàn bộ các kết nối trong mạng đều được biết trước, và bài toán là
thiết lập đường ánh sáng cho những kết nối này sao cho việc sử dụng tài nguyên
mạng (như là tổng bước sóng hay tổng số sợi trong mạng) là ít nhất. Với bài toán
DLE (Dynamic Lightpath Establishment), một đường ánh sáng được thiết lập
cho mỗi yêu cầu kết nối, và sẽ được giải phóng sau một khoảng thời gian xác
định. Trong trường hợp này, việc thiết lập đường ánh sáng và gán bước sóng sẽ
tuân theo tiêu chí có tổng khối kết nối nhỏ nhất hay tổng số kết nối lớn nhất được
thiết lập trong mạng tại thời điểm bất kỳ. Cả hai bài toán RWA tĩnh và động đều

đã được nghiên cứu rộng rãi.
Các kết nối đường ánh sáng định tuyến theo bước sóng hoàn toàn tĩnh và
không thể đáp ứng tính biến đổi và bùng phát cao của lưu lượng Internet một
cách hiệu quả. Rõ ràng là nếu lưu lượng biến đổi liên tục, thì việc gửi lưu lượng
này qua các đường ánh sáng tĩnh sẽ làm cho việc sử dụng băng thông không hiệu
quả. Nói một cách khác, nếu chúng ta cố gắng thử thiết lập đường ánh sáng theo
kiểu rất động, thì thông tin trạng thái mạng sẽ thay đổi liên tục, và do đó sẽ rất
khó để duy trì thông tin trạng thái mạng hiện tại. Do vậy, khi lưu lượng trở lên
rất biến động và bùng nổ tự nhiên thì ta cần một phương thức khác để truyền tải
dữ liệu qua mạng.

1.2.2. Chuyển mạch gói quang

GIẢI QUYẾT TRANH CHẤP TRONG CHUYỂN MẠCH BURST QUANG

8


Đề tài nghiên cứu khoa học

Theo tiến trình cải tiến công nghệ chuyển mạch quang, cuối cùng ta sẽ
thấy sự xuất hiện của các mạng chuyển mạch gói quang trong đó các gói được
chuyển mạch và định tuyến độc lập qua mạng trong miền toàn quang, mà không
phải biến đổi qua điện tại mỗi node. Mạng chuyển mạch gói quang như vậy cho
phép một mức độ ghép kênh thống kê lớn hơn trên các liên kết sợi quang và thích
hợp cho việc xử lý lưu lượng bùng nổ hơn các mạng chuyển mạch kênh quang.

GIẢI QUYẾT TRANH CHẤP TRONG CHUYỂN MẠCH BURST QUANG

9

Đề tài nghiên cứu khoa học

Hình 1.2 trình bày một ví dụ cho kiến trúc chuyển mạch gói quang. Một node
chứa một khung chuyển mạch quang, có thể được cấu hình lại dựa vào thông tin
chứa trong tiêu đề của gói tin. Phần tiêu đề được xử lý theo kiểu điện tử, và có
thể được truyền trong dải (truyền trên một tần số sóng mang phụ) hay truyền
ngoài dải trên một kênh điều khiển riêng. Vì cần thời gian để xử lý tiêu đề và cấu
hình lại chuyển mạch, gói có thể bị trễ bởi việc gửi nó qua một đường trễ quang.

Hình 1.2: Một cấu trúc chuyển mạch gói toàn quang
Để gói quang chuyển mạch hiệu quả, thì thời gian chuyển mạch phải
nhanh. Hiện nay, thời gian chuyển mạch của các chuyển mạch dùng MEM vào
khoảng 1-10ms, trong khi các chuyển mạch dùng bộ khuyếch đại quang bán dẫn
có thời gian chuyển mạch ít hơn 1ns. Nhược điểm của các chuyển mạch khuyếch
đại quang bán dẫn là chúng có xu hướng ngày càng đắt, và kiến trúc chuyển
mạch yêu cầu tín hiệu phải đi qua các bộ ghép quang, làm suy hao công suất. Tốc
độ chuyển mạch được mong đợi cải thiện trong tương lai và công nghệ hiện tại
chưa đủ hoàn thiện để hỗ trợ chuyển mạch gói toàn quang.
Một vấn đề khác trong chuyển mạch gói quang là sự đồng bộ. Trong các
GIẢI QUYẾT TRANH CHẤP TRONG CHUYỂN MẠCH BURST QUANG

10


Đề tài nghiên cứu khoa học

mạng chuyển mạch gói quang với các gói chiều dài cố định, và yêu cầu sự đồng
bộ của các gói tại các cổng lối vào chuyển mạch để xảy ra ít tranh chấp nhất.

Vì tài nguyên mạng không được dành trước trong chuyển mạch gói quang,
có thể xảy ra tranh chấp giữa các gói quang trong mạng. Sự tranh chấp xuất hiện
khi hai hoặc nhiều gói cùng muốn chiếm một cổng lối ra tại cùng một thời điểm.
Sự tranh chấp trong các mạng chuyển mạch gói điện tử truyền thống được xử lý
qua bộ đệm; tuy nhiên, trong miền quang, rất khó để triển khai các bộ đệm, vì
không có thiết bị quang nào tương đương với bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên. Thay
vào đó, việc đệm quang học được thực hiện qua các đường trễ quang. Bằng việc
triển khai đa bộ trễ đường theo từng bậc hoặc song song ta sẽ tạo được một bộ
đệm lưu trữ các gói trong một khoảng thời gian động. Trong kiến trúc bộ đệm
quang bất kỳ, kích thước của các bộ đệm bị hạn chế rất lớn, không chỉ bởi các
vấn đề liên quan đến chất lượng tín hiệu mà còn bởi những giới hạn về không
gian vật lý. Để làm trễ một gói đơn 5μs thì cần phải qua 1km sợi quang. Do sự
giới hạn về kích thước của các bộ đệm quang này, nên một node có thể không xử
lý một cách hiệu quả được các điều kiện tải cao hay lưu lượng bùng nổ.
Phương pháp khác để giải quyết xung đột là gửi các gói tranh chấp ra một
cổng lối ra khác với cổng lối ra yêu cầu. Phương pháp này gọi là định tuyến
chệch hướng hay định tuyến hot-potato. Định tuyến chệch hướng không được ưa
dùng trong các mạng chuyển mạch gói điện bởi phương pháp này dễ tạo ra hiện
tượng gói tin bị quay vòng trong mạng hoặc gửi gói không theo đúng thứ tự,
nhưng nó lại cần thiết cho các mạng chuyển mạch quang, nơi mà dung lượng bộ
đệm bị giới hạn , để duy trì một mức độ mất gói hợp lý. Tuy nhiên, trước khi
thực hiện định tuyến chệch hướng trong các mạng chuyển mạch gói quang, cần
nghiên cứu đầy đủ để xác định các phương pháp cần thiết khắc phục một vài giới
hạn của định tuyến chệch hướng, và xác định những phương thức này cùng với
những lợi ích tiềm năng của nó có đủ để đảm bảo việc triển khai hay không.

GIẢI QUYẾT TRANH CHẤP TRONG CHUYỂN MẠCH BURST QUANG

11

Đề tài nghiên cứu khoa học

1.2.3. Chuyển mạch burst quang
Chuyển mạch burst quang được thiết kế để đạt được một sự cân bằng giữa
chuyển mạch kênh quang và chuyển mạch gói quang. Trong mạng chuyển mạch
burst quang, một burst dữ liệu chứa nhiều gói IP, hoặc nhiều gói ATM hay các
loại dữ liệu khác được chuyển mạch qua mạng toàn quang. Một gói điều khiển
được truyền trước burst để cấu hình các chuyển mạch dọc theo đường đi của
burst. Thời gian offset (hình 1.3) cho phép gói điều khiển được xử lý và chuyển
mạch trước khi burst đến node trung gian; do vậy, không cần phải đệm quang
học hay điện tại các node trung gian trong khi các gói đang được xử lý. Gói điều
khiển cũng có thể xác định thời hạn của burst để node biết được khi nào nó có
thể cấu hình lại chuyển mạch của nó cho lần burst đến tiếp theo.

Hình 1.3: Sử dụng thời gian offset trong OBS

GIẢI QUYẾT TRANH CHẤP TRONG CHUYỂN MẠCH BURST QUANG

12


Đề tài nghiên cứu khoa học

Tốc độ

Xử lý/đồng

chuyển

bộ hóa mào

mạch

đầu.

Cao

Chậm

Thấp

Thấp

Cao

Thâp

Nhanh

Cao

Cao

Cao

Thấp

Trung bình

Thấp

Cao

Kiểu chuyển

Sử dụng

Mức

mạch quang

BW

trễ

Thấp

Chuyển mạch
kênh quang
Chuyển mạch
gói quang
Chuyển mạch
burst quang

Thích ứng
lưu lượng

Bảng 1.4. So sánh các công nghệ chuyển mạch quang khác nhau
Bằng việc chỉ dành trước tài nguyên trong một chu kỳ thời gian xác định

thay vì trong một chu kỳ thời gian không xác định, các tài nguyên có thể được
phân phối hiệu quả hơn và có thể đạt được một mức độ ghép kênh thống kê cao
hơn. Do vậy, chuyển mạch burst quang có thể khắc phục được một vài giới hạn
của việc cấp phát băng thông tĩnh trong chuyển mạch kênh quang. Hơn nữa, vì
dữ liệu được gửi đi trong các burst lớn, chuyển mạch burst quang sẽ làm giảm đi
yêu cầu về công nghệ của các chuyển mạch quang nhanh luôn cần có trong
chuyển mạch gói quang.
Bảng 1.4 tổng kết về ba mô hình truyền tải toàn quang khác nhau. Từ hình
này, ta có thể thấy rõ rằng chuyển mạch burst quang có những ưu điểm của cả
chuyển mạch gói quang và chuyển mạch kênh quang (hay các mạng định tuyến
theo bước sóng), và có khả năng tránh được những bất lợi của chúng.

GIẢI QUYẾT TRANH CHẤP TRONG CHUYỂN MẠCH BURST QUANG

13


Đề tài nghiên cứu khoa học

CHƯƠNG II: CHUYỂN MẠCH BURST QUANG

2.1 Cấu trúc và hoạt động của mạng chuyển mạch burst quang
(OBS)
2.1.1 Cấu trúc mạng chuyển mạch burst quang (OBS)
Mạng chuyển mạch burst quang có cấu trúc như hình vẽ.

Hình 2.1: Cấu trúc mạng chuyển mạch burst quang
Mạng chuyển mach burst quang (hay 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 offset để đảm

GIẢI QUYẾT TRANH CHẤP TRONG CHUYỂN MẠCH BURST QUANG

14


Đề tài nghiên cứu khoa học

bảo vẫn đủ thời gian xử lý tiêu đề và cấu hình chuyển mạch mà không cần đệm
burst tại 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 và xử lý điện còn burst được
truyền thẳng (truyền trong suốt).
Mạng chuyển mạch burst quang bao gồm hai loại node mạng (node lõi,
node biên) và các tuyến truyền dẫn quang.
Các node biên: có giao diện với các mạng truy nhập khác như mạng chuyển
mạch gói, IP hay mạng LAN, WAN khác. Chức năng của node biên bao gồm:
thu thập thông tin sau đó ghép burst, đồng thời thu thập các burst từ mạng
chuyển mạch burst, tách burst thành các gói tin ban đầu và định tuyến gói tin tới
người sử dụng trong các mạng truy nhập nhờ bộ định tuyến biên.
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 cho việc thiết lập kết nối để truyền burst tương ứng.
Các node lõi còn có thể có thêm chức năng đệm burst khi cần thiết để đảm bảo
đủ thời gian xử lý tiêu đề burst và cấu hình chuyển mạch.
Khi một burst tới node lõi thì gói điều khiển sẽ được gửi tới khối điều
khiển, còn thông tin dữ liệu được gửi tới khối bộ đệm để được đưa tới đầu ra
thích hợp. Tại khối điểu khiển, gói điều khiển được phân tích, sau đó được cấu
trúc lại và bổ sung thêm các thông tin thay đổi như thời gian trễ, bước sóng
truyền burst,…để gửi tới node tiếp theo.

Mỗi node lõi của mạng chuyển mạch quang đều được cấu trúc sao cho đạt
được hiệu quả kinh tế cao và phù hợp với kiến trúc, phương phương pháp điều
khiển được thực hiện. 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

GIẢI QUYẾT TRANH CHẤP TRONG CHUYỂN MẠCH BURST QUANG

15


Đề tài nghiên cứu khoa học

thường gói điều khiển sẽ được truyền đi trên một bước sóng riêng biệt so với
bước sóng burst, ngay trước burst hay trước một khoảng thời gian offset.
Các tuyến truyền dẫn, trên các đường truyền dẫn quang có thể truyền một
bước sóng hay nhiều bước sóng sử dụng công nghệ WDM và DWDM, các kênh
bước sóng sẽ được giải phóng ngay sau khi truyền burst kết thúc để phục vụ cho các
kết nối khác. Trong mạng chuyển mạch burst quang thì trước khi burst được truyền
phải thực hiện 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 có thể bao gồm: 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 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 có cấu trúc như hình 2.2.
Một node lõi trong mạng OBS 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

GIẢI QUYẾT TRANH CHẤP TRONG CHUYỂN MẠCH BURST QUANG

16


Đề tài nghiên cứu khoa học

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.

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

GIẢI QUYẾT TRANH CHẤP TRONG CHUYỂN MẠCH BURST QUANG

17


Đề tài nghiên cứu khoa học

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 với cả node lõi và các mạng
truy nhập khác nên ngoài chức năng như node lõi, nó còn phải có chức năng
ghép và tách 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.

GIẢI QUYẾT TRANH CHẤP TRONG CHUYỂN MẠCH BURST QUANG

18


Đề tài nghiên cứu khoa học

Hình 2.3 Cấu trúc node biên trong mạng chuyển mạch burst quang
Node biên còn có 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 gửi tới 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 dễ dàng.
Bộ định tuyến biên có nhiệm vụ định tuyến các gói tin tới đúng đích mong
muốn, đồng thời thu nhận thông tin và thực hiện phân bổ chúng vào đúng hàng
đợi phát theo hướng tới đích để được ghép thành các burst phát đi.
Có 2 kiểu cấu trúc node biên trong mạng chuyển mạch burst quang: có bộ
chuyển đổi bước sóng hay không có bộ chuyển đổi bước sóng. Hình 2.3 mô tả
một node OBS biên.

GIẢI QUYẾT TRANH CHẤP TRONG CHUYỂN MẠCH BURST QUANG

19


Đề tài nghiên cứu khoa học

Node biên không có bộ chuyển đổi bước sóng: Một burst trên một bước
sóng đầu vào chỉ có thể được chuyển mạch tới bước sóng đó trên một cổng đầu
ra, và 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.
Mỗi burst đến trên một bước sóng đầu vào sẽ có một gói điều khiển tương
ứng để thiết lập cổng đầu ra cho burst. Khi burst đến, tại cổng đầu ra yêu cầu,

nếu bước sóng tương ứng với bước sóng đầu vào còn rỗi thì burst sẽ được phục
vụ ngay lập tức, nếu không (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: Khi nhận được gói điều khiển
burst, chuyển mạch thực hiện xử lý gói điều khiển, cấu hình chuyển mạch để
truyền burst trên một bước sóng rỗi tại cổng đầu ra, để đảm bảo chuyển mạch
được nhanh nhất. Nếu không còn bước sóng rỗi, gói điều khiển đó bị loại bỏ, và
burst phải trễ một khoảng thời gian trước khi gói điều khiển được truyền lại. Khi
đó, không thể thực hiện phân chia chuyển mạch thành các hệ thống con được
nữa. Burst đến trên những bước sóng khác nhau có thể gấy ảnh hưởng tới các
burst khác.

GIẢI QUYẾT TRANH CHẤP TRONG CHUYỂN MẠCH BURST QUANG

20


Đề tài nghiên cứu khoa học

Trong phương pháp này, mặc dù mỗi node chuyển mạch phải thực hiện
phức tạp hơn, nhưng lại giảm được xác suất loại bỏ burst hay việc phải trễ burst.
Tuy nhiên, phương pháp này không loại bỏ hoàn toàn được sự loại bỏ burst hay
trễ burst 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 offset, 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 chỉ sử dụng một gói điều
khiển để chuyển thành công một burst có độ dài từ 1 tới vài gói , 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
GIẢI QUYẾT TRANH CHẤP TRONG CHUYỂN MẠCH BURST QUANG

21


Đề tài nghiên cứu khoa học

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.

GIẢI QUYẾT TRANH CHẤP TRONG CHUYỂN MẠCH BURST QUANG

22


Đề tài nghiên cứu khoa học

 Sự phân tách 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.
 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 một chuỗi các bit ban đầu, thậm chí
có thể là nhiều loại thông tin người dùng khác nhau.

2.2. Tranh chấp và giải quyết tranh chấp trong OBS
Vì các mạng chuyển mạch burst quang cung cấp sự truyền dẫn phi kết nối,
nên có khả năng burst sẽ tranh chấp với một burst khác tại các node trung gian.
Tranh chấp sẽ xuất hiện nếu nhiều burst từ các cổng lối vào khác nhau đều muốn
tới cùng một cổng lối ra tại cùng một thời điểm. Thông thường, tranh chấp trong
các mạng chuyển mạch gói điện truyền thống được xử lý qua các bộ đệm; tuy
nhiên trong miền quang, việc triển khai các bộ đệm rất khó, vì không có sự tương
đương quang học nào với bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên. Trong chương này, ta sẽ

GIẢI QUYẾT TRANH CHẤP TRONG CHUYỂN MẠCH BURST QUANG

23

Đề tài nghiên cứu khoa học

nghiên cứu một vài phương pháp có thể dùng để giải quyết tranh chấp trong
mạng OBS.

2.2.1. Đệm quang
Tranh chấp trong các mạng chuyển mạch gói điện tử truyền thống được
giải quyết bằng việc lưu trữ các gói trong các bộ đệm sử dụng bộ nhớ truy cập
ngẫu nhiên (RAM); tuy nhiên thành phần giống như RAM không sẵn có trong
miền quang. Trong các mạng quang, các đường trễ sợi (FDL) có thể được sử
dụng để làm trễ các gói trong một khoảng thời gian xác định. Bằng việc triển
khai nhiều đường trễ theo các tầng hoặc song song, ta có thể tạo ra được các bộ
đệm giữ một burst trong một khoảng thời gian biến đổi. Tuy nhiên, trong kiến
trúc bộ đệm quang bất kỳ, kích thước của các bộ đệm rất bị giới hạn, không chỉ
bởi vấn đề chất lượng tín hiệu mà còn bởi sự giới hạn về không gian vật lý. Để 1
burst đơn bị trễ 1ms thì burst đó cần phải đi qua 200km sợi. Do sự giới hạn kích
thước của bộ đệm quang, một node có thể không xử lý hiệu quả được các điều
kiện tải cao hay lưu lượng bùng nổ.
Các bộ đệm quang là một tầng (chỉ có một khối các đường trễ) hoặc nhiều
tầng (có một vài khối của các đường trễ được nối với nhau), ở đây mỗi khối chứa
một tập các đường trễ song song. Các bộ đệm quang có thể được phân chia nhỏ
hơn thành các kiến trúc chuyển tiếp (feed-forward), quay vòng (feedback) và hỗn
hợp. Trong kiến trúc feed-forward, mỗi đường trễ nối giữa một cổng lối ra của
một phần tử chuyển mạch ở một tầng xác định với một cổng lối vào của một
phần tử chuyển mạch khác trong tầng tiếp theo. Trong kiến trúc feedback, mỗi
đường trễ nối giữa một cổng lối ra của một phần tử chuyển mạch ở một tầng xác
định với một cổng lối vào của phần tử chuyển mạch trong cùng một tầng hay ở
tầng phía trước. Trong kiến trúc hỗn hợp, các bộ đệm feed-forward và feedback

được kết hợp. Theo vị trí của các bộ đệm, các chuyển mạch gói về cơ bản được
GIẢI QUYẾT TRANH CHẤP TRONG CHUYỂN MẠCH BURST QUANG

24


Đề tài nghiên cứu khoa học

chia thành ba cấu hình chính: đệm đầu vào, đệm đầu ra, và đệm chia sẻ. Trong
đệm đầu vào, một nhóm các bộ đệm được dành riêng cho mỗi cổng đầu vào.
Trong đệm đầu ra, một nhóm các bộ đệm được dành riêng cho mỗi cổng đầu ra.
Trong bộ đệm chia sẻ, một nhóm các bộ đệm có thể được chia sẻ cho tất cả các
cổng chuyển mạch. Đệm đầu vào có hiệu suất thấp do có khối đầu dòng HOL
(head-of-line). Đệm đầu ra và đệm chia sẻ đều có thể đạt được hiệu suất tốt trong
chuyển mạch gói bất kỳ. Tuy nhiên, đệm đầu ra yêu cầu một số lượng lớn các
FDL cũng như kích thước chuyển mạch lớn. Nói một cách khác, với đệm chia sẻ,
tất cả các cổng có thể cùng truy cập vào một nhóm các bộ đệm. Do vậy, nó có
thể được dùng để giảm tổng số bộ đệm trong một chuyển mạch trong khi vẫn đạt
dược một mức độ mất gói mong muốn.
Cùng với đệm burst quang học, cũng có thể thực hiện đệm burst điện tử.
Đệm điện tử có thể được thiết lập bằng cách gửi burst tới chuyển mạch điện tử
hay lớp định tuyến. Nhược điểm của phương pháp này là mạng mất đi tính trong
suốt, và mỗi node phải có chuyển mạch điện tử hay khả năng định tuyến, làm cho
giá thành mạng cao và cũng yêu cầu các bộ nhớ điện tử phải có tốc độ ngang
bằng với tốc độ các mạng quang. Hơn nữa, router hay chuyển mạch điện tử cũng
phải có khả năng xử lý một tải lớn hơn. Một phương pháp khác là trực tiếp triển
khai các bộ đệm điện tử như một phần của chính chuyển mạch quang. Trong
trường hợp này mỗi node sẽ vẫn yêu cầu bổ sung thêm các bộ phát và bộ thu, và
sẽ cần nhận biết định dạng truyền dẫn của các burst; tuy nhiên sẽ không yêu cầu
có thêm khả năng chuyển mạch hay định tuyến điện tử. Các đường trễ có thể

được chấp nhận trong các chuyển mạch thử nghiệm, nhưng không khả thi về mặt
thương mại.

2.2.2. Chuyển đổi bước sóng
Trong WDM, một vài bước sóng hoạt động trên một liên kết sợi nối giữa
hai chuyển mạch quang. Đa bước sóng có thể được tận dụng để giảm tối thiểu
GIẢI QUYẾT TRANH CHẤP TRONG CHUYỂN MẠCH BURST QUANG

25