Giải pháp chống nghẽn bằng phương pháp định tuyến lệch hướng trong mạng OBS

bộ giáo dục và đào tạo
Họ và Tên: LÊ THị HảI VÂN

trờng đại học bách khoa hà nội
------------------*****--------------------

Lờ Th Hi Võn

ngành: kỹ thuật ĐIệN Tử

TI : GII PHP CHNG NGHN BNG
PHNG PHP NH TUYN LCH
HNG TRONG MNG OBS

Chuyờn ngnh : K thut in t

khoá: 2006-2008

luận văn thạc sĩ khoa hoc

Năm 2009

H Ni - Nm 2009


Luận văn cao học

-1Giải pháp chống nghẽn trong chuyển mạch chùm quang

MỤC LỤC
MỤC LỤC……………………..………………………………………….….1

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN............... - 3 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .............................................................. - 5 MỞ ĐẦU ...................................................................................................... - 8 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHUYỂN MẠCH QUANG.................. - 10 1.1. Ghép kênh quang phân chia theo bước sóng................................ - 12 1.2. Mạng chuyển mạch kênh quang (Optical circuit switch) ............ - 13 1.3. Mạng chuyển mạch gói quang (Optical packet switch) ............... - 15 1.4. Mạng chuyển mạch chùm quang (Optical burst switch – OBS).. - 18 1.5. Kết luận ........................................................................................ - 24 CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG .............. - 25 2.1. Giới thiệu...................................................................................... - 25 2.1.1. Cấu trúc mạng........................................................................ - 25 2.1.2. Các yêu cầu về công nghệ ..................................................... - 29 2.1.3. Một số hiệu ứng tương tác lớp vật lý .................................... - 33 a.

Suy hao...................................................................................... - 33 -

b.

Tán sắc ...................................................................................... - 34 -

c.

Hiệu ứng phi tuyến.................................................................... - 35 -

2.2. Cấu trúc mạng chuyển mạch chùm quang ................................... - 37 2.2.1. Mạng chuyển mạch chùm quang đồng bộ và không đồng bộ khe 38 2.2.2. Kiến trúc node mạng biên (Edge node)................................. - 40 a.

Node biên đầu vào (Ingress edge node) ................................... - 41 -

b.

Node biên đầu ra (Egress edge node)....................................... - 44 -

2.2.3. Kiến trúc node lõi (core node)............................................... - 45 2.2.4. Bộ xử lý gói điều khiển ......................................................... - 48 2.3. Ứng dụng của mạng chuyển mạch chùm quang OBS ................. - 50 -

Học viên Lê Thị Hải Vân


Luận văn cao học

-2Giải pháp chống nghẽn trong chuyển mạch chùm quang

2.4. Kết luận ........................................................................................ - 51 CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP CHỐNG TÁC NGHẼN BẰNG PHƯƠNG PHÁP

LÀM LỆCH HƯỚNG TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG- 52 3.1. Giới thiệu các giải pháp chống nghẽn .......................................... - 52 Tổng quan........................................................................................... - 52 3.1.1. Phương pháp bộ đệm quang với việc sử dụng các sợi trễ quang
FDL (Fiber delay lines)...................................................................... - 54 3.1.2. Phương pháp chuyển đổi bước sóng (Wavelenght conversion)....55 3.1.3. Phương pháp phân đoạn cụm (Burst segmentation) ............. - 56 3.1.4. Phương pháp định tuyến lệch hướng (Deflection routing) ... - 61 3.1.5. So sánh giữa các giải pháp chống nghẽn............................... - 62 3.2. Giải pháp chống nghẽn bằng phương pháp định tuyến lệch hướng
trên cơ sở giới hạn nghẽn. ...................................................................... - 63 3.2.1. Giao thức dành riêng ............................................................. - 65 3.2.2. Thuật toán định tuyến lệch hướng trên cơ sở giới hạn nghẽn- 68 A.

Các bước thực hiện giải pháp định tuyến lệch hướng.............. - 68 -

B

Chức năng kiểm tra ngưỡng trong việc quyết định thực hiện định

tuyến lệch hướng:............................................................................... - 72 C

Thuật toán lựa chọn tuyến thay thế: ......................................... - 75 -

D

Mô hình hàng đợi cho việc tính toán xác suất mất gói............. - 83 -

3.2.3. Kết quả thực hiện và so sánh................................................. - 85 A.

Kết quả tính toán và phân tích .................................................. - 86 -

B.

Hiệu suất thực hiện của phương pháp định tuyến lệch hướng giới

hạn nghẽn khi so sánh với kỹ thuật định tuyến lệch hướng khác. ..... - 94 3.3. Kết luận ........................................................................................ - 98 KẾT LUẬN ............................................................................................... - 100 TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................... - 102 PHỤ LỤC.................................................................................................. - 103 -

Học viên Lê Thị Hải Vân

Luận văn cao học

-3Giải pháp chống nghẽn trong chuyển mạch chùm quang

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN
Hình 1.1 Công nghệ sử dụng trong mạng truyền tải quang ……………… 11
Hình 1.2 Hệ thống ghép kênh phân chia theo bước song WDM …………...13
Hình 1.3 Cấu trúc đơn giản của một hệ thống chuyển mạch gói....…………15
Hình 1.4 Kiến trúc chuyển mạch gói sử dụng bộ đệm miền điện… ..………17
Hình 1.5 Nguyên lý cơ bản của mạng chuyển mạch chùm quang OBS..….. 18
Hình 1.6 Lược đồ chiếm và giải phóng tài nguyên ở mạng OBS. ……...…..22
Hình 2.1 Cấu trúc mạng chuyển mạch chùm quang…..……………………..25
Hình 2.2 Sơ đồ khối chức năng của chuyển mạch chùm quang….………….26
Hình 2.3 Cấu trúc bộ định tuyến tại node mạng lõi...……….………………27
Hình 2.4 Cấu trúc bộ định tuyến tại node mạng biên………………………..27
Hình 2.5 Hệ chuyển mạch vi cơ điện tử…………………..…………………30
Hình 2.6 Hệ chuyển mạch sử dụng bộ khuyếch đại quang bán dẫn ………...31
Hình 2.7 Mạng chuyển mạch chùm quang………………..…………………38
Hình 2.8 Mạng OBS đồng bộ khe và không đồng bộ khe………..………….39
Hình 2.9 Kiến trúc node biên....……………………………………………..40
Hình 2.10 Kiến trúc node biên đầu vào……………..………………………42
Hình 2.11 Khối burst assembly ……………………………...……………...43
Hình 2.12 Modun chuyển đổi quang ở node biên đầu vào ………………….43
Hình 2.13 Kiến trúc node biên đầu ra...………………….……………….…44
Hình 2.14 Kiến trúc node mạng lõi……………………………..……….…..45
Hình 2.15 Sử dụng FDL để bù trễ thời gian xử lý của BHP …………..…....46
Hình 2.16 Trường chuyển mạch của core node……………………………...47
Hình 2.17 Kiến trúc CPP: (a) tập trung và (b) phân tán ………………….…50
Hình 3.1 Phân loại các giải pháp chống nghẽn khác nhau…………………..53

Hình 3.2 Mô hình node chuyển mạch sử dụng FDL…..…………...………..54
Hình 3.3 Chi tiết Segment header…………………..……..….……………..57

Học viên Lê Thị Hải Vân


Luận văn cao học

-4Giải pháp chống nghẽn trong chuyển mạch chùm quang

Hình 3.4 Phần segment được lựa chọn cho rớt khi xảy ra tranh chấp….……57
Hình 3.5 Gói trailer có hiệu quả…..…………….…………………….……..60
Hình 3.6 Gói trailer không có hiệu quả..………………………………….…60
Hình 3.7 Kiến trúc cơ bản của một node mạng OBS sử dụng định tuyến lệch
hướng…………………………………………………………………….….66
Hình 3.8 Hoạt động của giao thức CLDR..…….……..………………….…67
Hình 3.9 Phương pháp định tuyến lệch hướng giới hạn nghẽn…..………….69
Hình 3.10 Ảnh hưởng của định tuyến lệch hướng……….………...………..71
Hình 3.11 Ví dụ về cấu trúc kiểm tra………………………..………………75
Hình 3.12 Ví dụ về gói điều khiển, việc phân loại, sắp xếp cụm và hng đợi
đầu ra………………………………………………………………………...77
Hình 3.13 Lưu lượng ngõ vào tại node nguồn..………………………….….83
Hình 3.14 Mô phỏng mô hình mạng (tính theo km)………...….…….…..…94
Hình 3.15 Tỷ lệ mất cụm của phương pháp CLDR và SPDR khi không sử
dụng FDL trong trường hợp hệ số hoạt động c=0.12….………….…….…...95
Hình 3.16 Tỷ lệ mất cụm của phương pháp CLDR và SPDR khi không sử
dụng FDL trong trường hợp hệ số hoạt động c=0.3..….………………….....96
Hình 3.17 Thông lượng chuẩn hoá của phương pháp CLDR và SPDR khi
không sử dụng FDL trong trường hợp hệ số hoạt động c=0.12……………..97
Hình 3.18 Thông lượng chuẩn hoá của phương pháp CLDR và SPDR khi

không sử dụng FDL trong trường hợp hệ số hoạt động c=0.3…...………….98

Học viên Lê Thị Hải Vân


-5Giải pháp chống nghẽn trong chuyển mạch chùm quang

Luận văn cao học

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
BA

Burst Assembler

Khối sắp xếp cụm

BAU

Burst assembly unit

Khối sắp sếp cụm

BHP

Burst header Packet

Gói tiêu đề cụm

CCG

Control Channel Group

Nhóm kênh điều khiển

CLDR

Contention-based limited deflection
routing protocol

Giao thức định tuyến lệch
hướng trên cơ sở giới hạn
nghẽn

CPG

Control Packet Generator

Khối tạo gói điều khiển

CPP

Control Packet Processor

Bộ xử lý gói điều khiển

CW

Continuous wavelength

Sóng liên tục

DCG

Data Channel Group

Nhóm kênh số liệu

DLE

Dynamic Light Establishment

Thiết lập kênh ánh sáng động

DP

Drop Policy

Luật rớt cụm

DDP

Deflection and drop Policy

DSDP
DWDM
DRT
DRIB

Luật định tuyến lệnh hướng và
rớt cụm.

Deflectin, segmentation and drop

Luật định tuyến lệch hướng,

Policy

phân đoạn và rớt cụm

Dense Wavelength division

Ghép kênh phân chia theo

multiplexing

bước sóng chặt

DR (Deflection- routing) table

Bảng định tuyến lệch hướng

Deflection Routing Information

Cơ sở dữ liệu lưu thông tin

Base

định tuyến lệch hướng

FDL

Fiber Delay Line

FWM

Four-Wavelength mixing

Đường dây trễ bằng sợi quang
(Bộ đệm quang)

Học viên Lê Thị Hải Vân


Luận văn cao học

-6Giải pháp chống nghẽn trong chuyển mạch chùm quang

ISI

Inter Symbol Interference

LCA

Line Card Arbiter

MEMS

Micro-electromechanical Systems

Các hệ thống vi cơ điện từ

Operation, Administrator and

Các bản tin vận hành, quản trị

Maintence

và bảo dưỡng.

OAM

Nhiễu xuyên ký hiệu

Chuyển mạch chùm (cụm)

OBS

Optical Burst Switching

OSC

Optical Supervisory Channel

OXC

Optical cross connect

OSPF

Open Shortest Path First Protocol

OADM

Optical Add-Drop Multiplexer

Bộ ghép xen rẽ quang

RM

Routing Modun

Modun định tuyến

SCU

Switching Control Unit

Khối điều khiển chuyển mạch

SOA

Semi-conductor Optical Amplifier

Bộ khuyếch đại quang bán dẫn

SONET

Hệ thống mạng quang đồng bộ

SDH

Synchronous Optical NETworking
system
Synchronous Digital Hierarchy

Phân cấp tín hiệu số đồng bộ

SDP

Segmentation and Drop Policy

Luật phần đoạn và rớt cụm

Segmentation, deflection and Drop

luật phân đoạn, định tuyến

Policy

lệch hướng và rớt cụm

SBS

Stimulated Brillouin Scattering

Tán xạ kích thích Brillouin

SRS

Stimulated Raman Scattering

Tán xạ kích thích Raman

SLE

Static Light Establishment

VOQ

Virtual Output Queue

SDDP

quang
Kênh giám sát quang
Bộ kết nối chéo (phần chuyển
mạch)
Giao thức mở_chọn đường đi
ngắn nhất.

Thiết lập đường dẫn ánh sang
tĩnh
Hàng đợi lối ra ảo

Học viên Lê Thị Hải Vân


Luận văn cao học

-7Giải pháp chống nghẽn trong chuyển mạch chùm quang

Ghép kênh phân chia theo

WDM

Wavelengh Devision Multiplexing

WR-

Wavelength-routed Optical Burst

Chuyển mạch chùm quang

OBS

Switching

định tuyến theo bước song

WRON

Wavelength-routed Optical network

bước song

Mạng quang định tuyến theo
bước sóng.

Học viên Lê Thị Hải Vân

Luận văn cao học

-8Giải pháp chống nghẽn trong chuyển mạch chùm quang

MỞ ĐẦU
Trong thập kỷ qua, việc gia tăng nhanh chóng của các ứng dụng trên
Internet, đa phương tiện, truyền hình, xử lý ảnh đã đòi hỏi băng thông ngày
càng cao lên tới cỡ gigabyte với khoảng cách xa, mật độ cao, độ rủi ro thấp.
Các hệ thống thông tin sợi quang với thuận lợi về băng thông (tần số sóng
mang cỡ 200THz), trọng lượng và kích thước nhỏ; tín hiệu về điện cách biệt
về điện, không có giao thoa cũng như suy hao đường truyền thấp. Những ưu
điểm đó đã được phát triển cho các ứng dụng rộng rãi trong mạng truyền dẫn
hiện nay. Nhằm đáp ứng nhu cầu dịch vụ ngày càng tăng của khách hàng.
Lĩnh vực chuyển mạch quang xuất hiện là kết quả tất yếu của việc phát triển
nhanh chóng mạng quang. Do đó, việc thống trị của cáp quang trên mạng
trong tương lai nên tiềm năng thâm nhập sâu hơn vào thị trường của các thiết
bị quang là tất yếu, thêm vào đó công nghệ truyền dẫn điểm-điểm đã chứng tỏ
thành công trong thời gian gần đây.
Cho đến nay, việc sử dụng công nghệ quang trên mạng không còn là
điều mới mẻ. Các thiết bị SDH đã được sử dụng thành công trong việc xây
dựng các hệ thống truyền dẫn quang đơn kênh. Tuy nhiên mạng SDH và
mạng quang khác nhau ở một số điểm, đặc biệt là trong việc mở rộng dung
lượng và định tuyến. Trong mạng SDH, khi tốc độ truyền dẫn cực đại của hệ
thống đã được sử dụng hết, để tăng dung lượng phải lắp đặt thêm hệ thống
mới trên các sợi quang mới. Còn trong mạng quang, việc mở rộng dung lượng
chỉ đơn giản là tăng thêm số bước sóng trên cùng một sợi quang. Chức năng
định tuyến của mạng SDH được thực hiện bằng các khe thời gian, còn chức
năng định tuyến của mạng quang được thực hiện bằng các kênh quang.
Lưu lượng thông tin không ngừng gia tăng đặc biệt là lưu lương IP,
truyền dẫn quang đặc biệt là hệ thống truyền dẫn quang trong mạng truyền tải

Học viên Lê Thị Hải Vân


Luận văn cao học

-9Giải pháp chống nghẽn trong chuyển mạch chùm quang

quang OTN (Optical Transport Network) đường trục phải có dung lượng cao.
Hiện nay, băng tần hạn chế của hệ thống truyền tải hiện nay đã được tăng lên
nhiều nhờ công nghệ ghép kênh theo bước sóng chặt DWDM, tuy nhiên kiến
trúc mạng quang hiện tại không có khả năng sử dụng đầy đủ lượng băng tần
này cho các dịch vụ có lưu lượng dạng cụm và biến đổi lớn trong tương lai.
Mạng chuyển mạch chùm quang sẽ là một phương án mới cân bằng giữa
chuyển mạch kênh quang và chuyển mạch gói quang.
Kỹ thuật chuyển mạch quang là vẫn đề tâm điểm quan trọng đang được
nghiên cứu, mà một trong các vấn đề quan trọng là giải quyết vấn đề tranh
chấp/nghẽn trong mạng chuyển mạch chùm quang.
Với mục tiêu nghiên cứu tìm hiểu kỹ thuật chuyển mạch chùm quang
và các giải pháp chống nghẽn hiệu quả, luận văn “Giải pháp chống nghẽn
trong chuyển mạch chùm quang” được chia làm 3 chương cơ bản như
sau:
• Chương 1: Tổng quan về mạng quang, xu hướng phát triển công nghệ
và giới thiệu các kỹ thuật chuyển mạch quang tiêu biểu;
• Chương 2: Cấu trúc cơ bản của các node mạng chuyển mạch chùm
quang.
• Chương 3: Giới thiệu tổng quang về các giải pháp chính đang được
nghiên cứu áp dụng trong việc giải quyết tranh chấp, đồng thời đi sau
hơn vào tìm hiểu giải pháp định tuyến lệch hướng trên cơ sở giới hạn
nghẽn, ưu nhược điểm khi kết hợp với giải pháp phân đoạn cụm.

Học viên Lê Thị Hải Vân


Luận văn cao học

- 10 Giải pháp chống nghẽn trong chuyển mạch chùm quang

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHUYỂN MẠCH QUANG
Vài thập niên trở lại đây, với sự phát triển cực kỳ nhanh chóng trong lĩnh
vực mạng nhất là mạng Internet và những yêu cầu ngày càng cao của truyền
thông đa phương tiện, mạng viễn thông và mạng máy tính hiện tại đã bộc lộ
nhiều hạn chế. Do đó, yêu cầu cấp thiết là phải xây dựng một mạng dung
lượng cao có khả năng đáp ứng các dịch vụ yêu cầu băng tần ngày càng cao
này.
Để đáp ứng những yêu cầu này, hệ thống truyền thông ghép kênh phân
chia theo bước sóng WDM đã được phát nhiểu trong nhiều mạng xương sống
Backbone. Trong hệ thống WDM, mỗi sợi quang có nhiều kênh con, mỗi
kênh hoạt động ở một bước sóng khác nhau. Các hệ thống quang như vậy có
thể cung cấp tốc độ truyền dẫn 50Tb/s trên một sợi quang đơn.
Xu hướng phát triển công nghệ mạng quang được nhìn tổng thể trên bức
tranh phát triển kiến trúc mạng truyền tải quang, các công nghệ được sử dụng
trong mạng truyền tải trong từng giai đoạn.
Trong thế hệ mạng thứ nhất các kiến trúc mạng quang bao gồm các liên
kết WDM điểm-điểm. Mạng quang khi đó bao gồm một số liên kết điểmđiểm tại đó tất cả lưu lượng đến một nút được lấy ra, chuyển đổi quang sang
điện, xử lý điện và chuyển đổi từ điện sang quang trở về nút. Việc lấy ra và
cộng vào lưu lượng tại mỗi nút trong mạng phải chịu chi phí đáng kể cho
chuyển mạch và xử lý tín hiệu điện.

Học viên Lê Thị Hải Vân

Luận văn cao học

- 11 Giải pháp chống nghẽn trong chuyển mạch chùm quang

Hình 1.1. Công nghệ sử dụng trong mạng truyền tải
Trong kiến trúc thế hệ mạng quang thứ hai dựa trên các bộ xen rẽ bước
sóng quang OADM (Optical Add-Drop Multiplexer). OADM cho phép lựa
chọn các kênh bước sóng trên một sợi để kết cuối trong khi các bước sóng
khác vẫn tiếp tục đi qua. Nói tóm lại, toàn bộ lưu lượng đi qua mạng cao hơn
khối lượng lưu lượng cần thiết trích xuống một nút. Bằng việc sử dụng
OADM chúng ta có thể giảm chi phí xử lý tín hiệu trên mạng.
Trong kiến trúc mạng quang thế hệ thứ ba, để xây dựng một mạng mesh
bao gồm các liên kết sợi đa bước sóng, tương ứng với nó các công nghệ thiết
bị toàn quang liên kết sợi được nghiên cứu và đưa ra. Sự xuất hiện của hệ
thống toàn quang ban đầu nhằm cung cấp các kết nối chuyển mạch kênh
quang (lightpath) giữa các node rìa quang mạng quang lõi. Tuy nhiên, do
những kết nối kênh quang này tương đối tĩnh nên nó không có khả năng đáp

Học viên Lê Thị Hải Vân


Luận văn cao học

- 12 Giải pháp chống nghẽn trong chuyển mạch chùm quang

ứng một cách hiệu quả lưu lượng internet dạng cụm. Để khắc phục, mạng
chuyển mạch gói quang được đưa ra, tuy nhiên mạng này chưa có điều kiện
phát triển trong tương lai gần do những hạn chế về công nghệ. Để trung hoà,

mạng chuyển mạch chùm quang được giới thiệu. Trong mạng này các gói
được truyền đi dưới những đơn vị truyền dẫn gọi là cụm (burst).Phương pháp
này có khẳ năng đáp ứng tính chất lưu lượng dạng chùm của mạng internet,
đồng thời lại không đòi hỏi nhiều sự phát triển về công nghệ như ở chuyển
mạch gói quang. Sự khác nhau của 3 loại chuyển mạch này sẽ được trình bày
chi tiết trong phần dưới đây.
1.1.

Ghép kênh quang phân chia theo bước sóng

Một kỹ thuật đang được phát triển trong các mạng quang là kỹ thuật
ghép kênh quang phân chia theo bước sóng WDM. Công nghệ WDM khai
thác băng thông truyền dẫn lớn gần như vô hạn của sợi quang. Công nghệ này
cho phép mỗi sợi quang có thể truyền dẫn nhiều tín hiệu quang, các tín hiệu
tương ứng ở các bước sóng khác nhau. Theo đó ta có thể hiểu WDM biến đổi
một sợi quang thành nhiều sợi ảo. Sử dụng công nghệ WDM cho phép duy trì
tốc độ thấp ở mỗi bước sóng trong khi vẫn đảm bảo tốc độ luồng tổng ở mức
rất cao. Cách tiếp cận công nghệ này là một giải pháp khả thi để xây dựng các
hệ thống lên tới tốc độ 40 Gbps và cao hơn nữa mà các hệ thống TDM hiện
nay không thể thực hiện được. Các hệ thống WDM sẽ làm giảm số lượng các
bộ tái tạo, khuếch đại tín hiệu trên đường truyền và bởi vậy sẽ giảm được
đáng kể giá thành hệ thống. Để so sánh ta xét một hệ thống truyền dẫn tốc độ
40 Gbps trên khoảng cách 600 km. Với hệ thống truyền thống, cần sử dụng 16
cặp sợi quang với các bộ phát lặp được ấn định sau mỗi 35 km tổng cộng 272
bộ. Khi sử dụng hệ thống WDM 16 bước sóng, mỗi bước sóng có tốc độ
truyền 2.5 Gbps, chỉ sử dụng một cặp sợi quang và 4 bộ khuếch đại được đặt
sau mỗi 120 km trên toàn tuyến 600 km [8].

Học viên Lê Thị Hải Vân

Luận văn cao học

- 13 Giải pháp chống nghẽn trong chuyển mạch chùm quang

Hinh 1.2 Hệ thống ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM
Các hệ thống WDM được phân loại theo mật độ của các bước sóng
được ghép ta có hệ ghép kênh mật độ thấp (CWDM) hay hệ ghép kênh mật độ
cao (DWDM), tuỳ theo khoảng trống giữa các bước sóng. Các thế hệ hệ thống
DWDM tiên tiến có thể ghép nhiều bước sóng hơn do đó trên một liên kết
quang sẽ truyền nhiều kênh thông tin hơn. Ngày nay các nhà nghiên cứu đang
hướng tới hệ thống ghép tới 1000 bước sóng trên mỗi sợi quang. Về lí thuyết,
để đạt được điều này ta sử dụng kết hợp các băng C và băng L với khoảng
cách giữa các bước sóng là 0.2 nm.
1.2.

Mạng chuyển mạch kênh quang (Optical circuit switch)

Các mạng quang định tuyến theo bước sóng thực hiện chuyển mạch kênh
quang trong đó các đường dẫn các bước sóng quang được thiết lập giữa các
cặp trạm đầu cuối với nhau. Thiết lập đường truyền ánh sáng liên quan tới
một số nhiệm vụ bao gồm quản lý topo mạng và tài nguyên, định tuyến, ấn
định bước sóng, báo hiệu và tích luỹ tài nguyên.
Việc quản lý topo mạng và tài nguyên liên quan tới sự phân bố và duy trì
thông tin trạng thái mạng. Thông tin này sẽ bao gồm thông tin về hình thái vật

Học viên Lê Thị Hải Vân


Luận văn cao học

- 14 Giải pháp chống nghẽn trong chuyển mạch chùm quang

lý và trạng thái các kết nối trong mạng. Trong một mạng WDM định tuyến
theo bước sóng, các thông tin này có thể bao gồm thông tin về trạng thái của
bước sóng tại một liên kết cho trước trong mạng. Giao thức thông thường để
duy trì các thông tin trạng thái được sử dụng trong mạng Internet là giao thức
OSPF (Open Shortest Path First). Vấn đề định tuyến và ấn định bước sóng có
thể được thực hiện theo hai loại tĩnh và động. Đối với thiết lập đường dẫn
sáng tĩnh (SLE: Static Light Establíhment), toàn bộ các kết nối đều được biết
trước, và vấn đề ở đây là thiết lập đường truyền cho các kết nối này sao cho
giảm thiểu được tài nguyên mạng cũng như số lượng bước sóng hay số sợi
quang sử dụng trong mạng. Đối với vấn đề thiết lập đường dẫn ánh sáng động
(DLE: Dynamic Lightpath Establishment), một đường dẫn ánh sáng được
thiết lập cho mỗi yêu cầu kết nối và đường dẫn này được giải phóng sau một
khoảng thời gian hữu hạn nhất định. Đối với trường hợp lưu lượng động việc
thiết lập đường truyền và ấn định bước sóng có thể được thực hiện tuỳ theo
lưu lượng để giảm thiểu nghẽn kết nối nói khác đi là làm tăng khả năng thiết
lập kết nối trong mạng tại cùng một thời điểm. Các vấn đề về định tuyến động
hay tĩnh đã và đang được nghiên cứu để đảm bảo phù hợp với từng mục đích,
phạm vi sử dụng].
Các kết nối định tuyến bước sóng tĩnh có đặc điểm rõ ràng, ổn định
nhưng không có khả năng đáp ứng được đặc tính biến động cao về lưu lượng
Internet trong các mạng thực tế. Rõ ràng, nếu lưu lượng mang tính biến động
thì việc truyền tin với kỹ thuật định tuyến theo bước sóng tĩnh sẽ không sử
dụng hiệu quả được dải thông của đường truyền dẫn. Mặt khác, nếu chúng ta
thực hiện định tuyến động cao thì các thông tin trạng thái mạng phải được
thường xuyên cập nhật sẽ gây khó khăn để duy trì thông tin trạng thái mạng
hiện thời. Bởi vậy, khi lưu lượng trở lên động và phân cụm hơn, cần thiết có
các cách tiếp cận khác nhau để đảm bảo truyền dữ liệu trên mạng.

Học viên Lê Thị Hải Vân


Luận văn cao học
1.3.

- 15 Giải pháp chống nghẽn trong chuyển mạch chùm quang

Mạng chuyển mạch gói quang (Optical packet switch)

Khi công nghệ chuyển mạch quang đã có những phát triển, cuối cùng ta
cũng phải công nhận thành tựu, hiệu quả rất lớn của các mạng chuyển mạch
gói quang nơi mà các gói tin được chuyển mạch và định tuyến độc lập trên
toàn mạng trên miền quang mà không cần thực hiện chuyển đổi giữa các miền
quang-điện tại mỗi node mạng. Các mạng chuyển mạch gói quang cho phép
ghép xen lưu lượng có độ tĩnh lớn hơn trên các liên kết quang và phù hợp cho
lưu lượng có tính cụm hơn so với các mạng chuyển mạch kênh.
Hình vẽ 1.3 dưới đây cho ta thấy cấu trúc đơn giản của một hệ thống
chuyển mạch gói quang. Mỗi node mạng có thành phần chủ yếu là một trường
chuyển mạch quang có khả năng cấu hình lại dựa trên các thông tin tiêu đề
của gói tin. Các gói tiêu đề được xử lí hoàn toàn trên miền quang, và chúng có
thể được truyền cùng băng, trên một băng con của kênh truyền tin hoặc trên
một kênh điều khiển riêng biệt với kênh truyền gói tin. Tại các node mạng cần
có thời gian để xử lý thông tin tiêu đề và thời gian để cấu hình lại trường
chuyển mạch nên các gói tin phải được trễ một khoảng thời gian nhất định
nhờ sử dụng các bộ trễ quang.

Hình 1.3 Cấu trúc đơn giản của một hệ thống chuyển mạch gói
Vấn đề là cần thực thi các hệ chuyển mạch đáp ứng được yêu cầu về tính

thực tế và đáp ứng được thời gian trễ gói. Ngày nay thời gian chuyển mạch

Học viên Lê Thị Hải Vân


Luận văn cao học

- 16 Giải pháp chống nghẽn trong chuyển mạch chùm quang

của hệ chuyển mạch dựa trên cơ cấu MEMS được yêu cầu từ 1 đến 10ms,
trong khi hệ chuyển mạch dựa trên các bộ khuếch đại quang bán dẫn có thể
thực hiện chuyển mạch khoảng thời gian nhỏ hơn 1 ns. Tuy nhiên nhược điểm
của nó là vấn đề giá thành và để chuyển mạch thì tín hiệu phải đi qua các bộ
ghép nối quang dẫn tới mất mát công suất. Tốc độ chuyển mạch trong tương
lai yêu cầu phải nhanh hơn nữa, tuy nhiên công nghệ ngày nay vẫn chưa đủ
mạnh để đáp ứng cho kỹ thuật chuyển mạch gói quang.
Một giải pháp cho kỹ thuật chuyển mạch gói quang là đồng bộ. Trong
các mạng chuyển mạch gói quang có độ dài gói tin cố định, cần đồng bộ gói
tại các cổng vào của trường chuyển mạch để giảm thiểu xung đột. Mặc dù kỹ
thuật đồng bộ là rất khó thực hiện, nhưng đã có một số kỹ thuật đã được
nghiên cứu và thực hiện thành công trong phòng thí nghiệm.
Trong mạng chuyển mạch gói quang tài nguyên mạng không được dự
trữ, nên các gói tin có thể bị xung đột, rớt khi lan truyền trong mạng. Xung
đột xảy ra khi nhiều hơn hai gói tin đồng thời đi ra cùng một cổng. Xung đột
trong hệ thống chuyển mạch gói điện được giải quyết bằng các bộ đệm điện.
Song trong miền quang, việc thực thi các bộ đệm khó khăn hơn rất nhiều nên
sẽ không có bộ nhớ RAM quang. Thay thế cho các bộ đệm quang, người ta sử
dụng các đường dây trễ. Nhiều đường dây có độ trễ khác nhau được nối tầng
hoặc nối song song, cho ta một bộ đệm có khă năng giữ được các gói tin trong
một khoảng thời gian thay đổi được. Việc thực hiện các bộ đệm làm giảm

đáng kể xác suất mất gói tin nhưng không đảm bảo đúng được thứ tự của các
gói. Cần lưu ý rằng trong mỗi kỹ thuật đệm quang, kích thước bộ đệm đều có
một số hạn chế, không chỉ về chất lượng tín hiệu mà còn có giới hạn về mặt
kích thước vật lý. Ví dụ như để trễ gói một khoảng 5 µs yêu cầu độ dài của
sợi dây trễ quang lớn hơn một km. Cũng do giới hạn về kích thước của bộ

Học viên Lê Thị Hải Vân


Luận văn cao học

- 17 Giải pháp chống nghẽn trong chuyển mạch chùm quang

đệm quang, nên khó khăn cho các node mạng khó có thể đáp ứng được điều
kiện tải lớn hoặc lưu lượng có đặc tính phân cụm, chùm.
Để khắc phục vấn đề này người ta có thể sử dụng các bộ đêm xen rẽ trong
miền điện. Khi đó kiến trúc mạng chuyển mạch gói quuang được mô tả như
sau (hình 1.4)
Một cách tiếp cận khác để giải quyết vấn đề xung đột là định tuyến các
gói xung đột đến cổng lối ra khác. Kỹ thuật này được đề cập đến như là việc
định tuyến ánh xạ. Việc ánh xạ này tuy không phù hợp trong các mạng
chuyển mạch gói điện nhưng nó khá hiệu quả trong miền quang, miền có
dung lượng bộ đệm rất hạn chế để duy trì mức độ mất gói. Tuy nhiên, trước
khi thực hiện ánh xạ trong mạng chuyển mạch gói quang, hệ thống cần tính
toán để xác định các giới hạn về ưu nhược điểm của các phương pháp ánh xạ
và sử dụng cho hợp lý.

Hình 1.4 Kiến trúc chuyển mạch gói quang sử dụng bộ đệm miền điện

Học viên Lê Thị Hải Vân

Luận văn cao học
1.4.
– OBS)

- 18 Giải pháp chống nghẽn trong chuyển mạch chùm quang

Mạng chuyển mạch chùm quang (Optical burst switch

Hệ thống chuyển mạch chùm quang được thiết kế trên cơ sở tổng hợp,
cân bằng về mặt công nghệ của hệ thống chuyển mạch kênh quang và hệ
thống chuyển mạch gói quang. Có thể nói chuyển mạch chùm quang là một
hệ thống trung gian để tiến từ mạng chuyển mạch kênh quang sang mạng
chuyển mạch gói quang khi điều kiện công nghệ chưa cho phép thực thi mạng
chuyển mạch gói quang. Trong một mạng chuyển mạch chùm quang, một
chùm dữ liệu bao gồm các gói IP được được chuyển mạch trong mạng hoàn
toàn trên miền quang. Một gói điều khiển được truyền trước khi truyền chùm
dữ liệu để thực hiện cấu hình các liên kết trong trường chuyển mạch. Độ lệch
về thời gian này (Offset time) cho phép xử lý các gói tin điều khiển và thiết
lập trường chuyển mạch trước khi chùm dữ liệu đến. Vì vậy mạng không cần
sử dụng các bộ đệm điện hay đệm quang trong thời gian xử lý gói điều khiển.
Gói điều khiển cũng mang thông tin về thời gian kéo dài của chùm dữ liệu để
node mạng có thể biết khi nào trường chuyển mạch phải thiết lập lại phục vụ
chùm dữ liệu kế tiếp.

Hình 1.5 Nguyên lý cơ bản của chuyển mạch chùm quang OBS

Học viên Lê Thị Hải Vân

Luận văn cao học

- 19 Giải pháp chống nghẽn trong chuyển mạch chùm quang

Trong hệ chuyển mạch chùm quang, việc tích luỹ tài nguyên được thực
hiện tại các thời điểm theo một chu kỳ xác định, do đó tài nguyên có thể được
ấn định hiệu quả hơn và việc ghép kênh đạt được với độ tĩnh cao hơn. Chính
vì vậy hệ thống không bị hạn chế do một số vấn đề ấn định băng thông tĩnh
trong hệ thống chuyển mạch kênh quang. Hơn nữa, dữ liệu được truyền dưới
dạng chùm, cụm lớn, nên hệ thống chuyển mạch chùm quang giảm được đáng
kể tốc độ chuyển mạch, điều này rất cần thiết đối với hệ thống chuyển mạch
gói quang. Bảng dưới đây cho ta cái nhìn tổng quan về các đặc điểm của cả ba
công nghệ chuyển mạch quang.

Hiệu suất

Thời

sử dụng

gian trễ

băng thông thiết lập

Tốc độ
chuyển
mạch yêu
cầu

Xử lý đồng

Tương

bộ/mào

thích về

đầu

lưu lượng

Chuyển
mạch kênh

Thấp

Lớn

Chậm

Thấp

Thấp

Cao

Nhỏ

Nhanh

Cao

Cao

Cao

Nhỏ

Trung bình

Thấp

Cao

quang
Chuyển
mạch gói
quang
Chuyển
mạch chùm
quang
Bảng 1 So sánh một số kỹ thuật chuyển mạch quang

Học viên Lê Thị Hải Vân


Luận văn cao học

- 20 Giải pháp chống nghẽn trong chuyển mạch chùm quang

Từ bảng này ta có thể thấy rằng kỹ thuật chuyển mạch chùm quang là kỹ
thuật chuyển mạch quang khắc phục được một số yếu điểm của chuyển mạch
kênh quang và trung hoà được các yêu cầu về công nghệ trong chuyển mạch
gói quang.
Mặc dù có được một số ưu điểm của kỹ thuật chuyển mạch kênh quang
và đáp ứng tốt hơn về mặt công nghệ trong kỹ thuật chuyển mạch gói quang
nhưng hệ chuyển mạch chùm quang còn tồn tại các hạn chế của hệ thống
chuyển mạch. Trong thực tế các vấn đề này bao gồm: lược đồ tạo chùm dữ
liệu, lược đồ báo hiệu, vấn đề tắc nghẽn, lược đồ truyền và chất lượng dịch vụ
.
Lược đồ hình thành chùm dữ liệu là lược đồ biểu diễn quá trình tạo
chùm dữ liệu từ các gói tin. Vấn đề ở đây là thời điểm để tạo chùm dữ liệu,
kích thước của chùm dữ liệu và các loại gói tin trong chùm dữ liệu. Lược đồ
tạo chùm dữ liệu sẽ ảnh hưởng tới độ dài của chùm dữ liệu cũng như ảnh
hưởng tới thời gian chờ trước khi gói tin được truyền đi. Lược đồ tạo chùm
dữ liệu thường dựa trên hai kỹ thuật cơ bản là định thời (timer) và dựa trên
ngưỡng (threshold) mà ta sẽ đề cập trong các phần sau.
Lược đồ báo hiệu phục vụ công việc tích luỹ tài nguyên và cấu hình
trường chuyển mạch khi chùm dữ liệu đến các node mạng. Lược đồ báo hiệu
phục vụ tích luỹ tài nguyên trong mạng chuyển mạch chùm quang thông
thường sử dụng các kỹ thuật TAG (Tell-And-Ago), TAW (Tell-And-Wait) và
JET (Just-Enough-Time), JIT (Just-inTime). Trong lược đồ TAG, trạm nguồn
gửi một bản tin điều khiển báo cho các trạm trên đường truyền về chùm dữ
liệu tới. Ngay sau đó trạm nguồn sẽ phát đi chùm dữ liệu như đã thông báo
mà không chờ bản tin xác nhận từ phía các trạm nhận dữ liệu. Để đảm bảo
thời gian xử lý gói tin điều khiển và cấu hình trường chuyển mạch chùm dữ

Học viên Lê Thị Hải Vân

Luận văn cao học

- 21 Giải pháp chống nghẽn trong chuyển mạch chùm quang

liệu phải được đệm trong bộ đệm quang tại mỗi trạm nhận. Đối với kỹ thuật
TAW, trạm nguồn gửi một bản tin điều khiển để yêu cầu tích luỹ tài nguyên
cho chùm dữ liệu dọc theo các trạm nó sẽ truyền qua. Sau đó trạm nguồn sẽ
chờ một tín hiệu xác nhận tài nguyên có sẵn sàng đáp ứng chưa. Nếu bản tin
xác nhận sẵn sàng, trạm nguồn sẽ phát đi chùm dữ liệu như đã thông báo.
Trường hợp ngược lại trạm nguồn sẽ tiếp tục thực hiện yêu cầu tích luỹ tài
nguyên .
Nguyên lý của JIT và JET được xây dựng dựa trên 4 kiểu chiếm và giải phóng
tài nguyên, được minh hoạ như hình 1.6
Trong đó, có 2 kiểu chiếm tài nguyên là chiếm tài nguyên ngay lập tức và
chiếm tài nguyên trễ đi một khoảng thời gian nào đó. Trong kiến trúc chiếm
kênh ngay lập tức, phần điều khiển sẽ cấu hình trường chuyển mạch để thực
hiện chuyển mạch ngay sau khi nó xử lý xong gói điều khiển. Còn cấu hình
chiếm tài nguyên trễ, phần điều khiển sẽ sử dụng tham số offset để tính toán
thời gian đến tb của cụm và sẽ cấu hình trường chuyển mạch ở thời điểm tb.
Cũng có 2 kiểu giải phóng tài nguyên tương ứng là time release và
explicit release. Trong time release, phần điều khiển dựa vào thông tin về độ
dài của gói để tính toán thời gian hoàn thành việc truyền gói qua trường
chuyển mạch. Khi đến đúng thời điểm đó, lập tức trường chuyển mạch sẽ giải
phóng tài nguyên (kênh). Trong kiểm explicit release, chỉ khi nào phần điều
khiển nhận được bản tin là trường chuyển mạch đã hoàn thành việc truyền
cụm thì nó mới điều khiển trường chuyển mạch giải phóng tài nguyên.
Kết hợp của 2 kiểu chiếm tài nguyên và 2 kiểu giải phóng tài nguyên có 4
trường hợp xảy ra được minh hoạ như hình 1.6
Lược đồ dựa trên sơ đồ chiếm tài nguyên ngay lập tức, còn JET thì lại dựa

trên sơ đồ chiếm tài nguyên trễ. Ngoài ra người ta còn sử dụng lược đồ

Học viên Lê Thị Hải Vân


Luận văn cao học

- 22 Giải pháp chống nghẽn trong chuyển mạch chùm quang

Horizon là sự trung hoà của JIT và JET. Dựa trên thông tin điều khiển, phần
điều khiển trong lược đồ Horizon sẽ gán bước sóng cho những kênh rỗi ởthì
điểm rất gần với thời điểm đến của cụm dữ liệu.
Ở lược đồ JET, trạm nguồn phát gói điều khiển trước và sau một thời gian sẽ
trễ nào đó nó phát đi gói tin tương ứng với gói điều khiển đã phát. Thời gian
trễ này được thiết lập lớn hơn tổng thời gian xử lý gói điều khiển trên toàn
tuyến mà gói đi qua. Chính vì vậy, khi chùm dữ liệu đến mỗi trạm trung
chuyển thì gói tin điều khiển đã được xử lý và đã dành riêng cho dữ liệu một
kênh lối ra. Đối với lược đồ JET mạng sẽ không cần sử dụng tới các bộ đệm
tại các trong mạng. Đây là một ưu điểm rất quan trọng vì các bộ đệm trong
miền quang rất khó thực hiện. Một đặc điểm nữa trong kỹ thuật JET đó là
việc dự trữ tài nguyên tại trường chuyển mạch được thực hiện khi chùm dữ
liệu đến thay vì dự trữ tài nguyên khi xử lý gói tin điều khiển.

Hình 1.6 Lược đồ chiếm và giải phóng tài nguyên ở mạng OBS

Học viên Lê Thị Hải Vân


Luận văn cao học

- 23 Giải pháp chống nghẽn trong chuyển mạch chùm quang

Trong các lược đồ TAG và JET, trạm nguồn không chờ tín hiệu xác nhận
ACK (acknowledgement) trước khi phát đi chùm dữ liệu. Bởi vậy, có thể xảy
ra trường hợp tài nguyên không sẵn sàng tại trạm nào đó trên đường truyền.
Trong trường hợp này, chùm dữ liệu bị tranh chấp đường truyền, tắc nghẽn
xảy ra khi nhiều hơn một chùm dữ liệu tranh chấp cùng một tài nguyên mạng
tại một thời điểm. Tranh chấp có thể được giải quyết bằng một số phương
pháp. Một trong những phương pháp đó là lưu trữ một trong số các chùm dữ
liệu đến khi tài nguyên trở lên sẵn sàng. Một cách khác để giải quyết vấn đề
này đó là thực hiện ánh xạ các chùm sang một cổng lối ra khác. Hoặc có thể
thực hiện chuyển đổi chùm dữ liệu sang bước sóng khác ở cùng sợi lối ra. Khi
các kỹ thuật giải quyết tắc nghẽn thực hiện không thành công chùm dữ liệu
buộc phải bị loại bỏ. Một giải pháp để giảm thiểu mất mát dữ liệu khi có tranh
chấp đó là thực hiện chia đoạn các chùm dữ liệu. Khi thực hiện phân đoạn,
những phần dữ liệu chồng lấn giữa các chùm sẽ bị loại bỏ nên sẽ giảm được
tổng dữ liệu mất. Khi sử dụng giải pháp chuyển đổi bước sóng, một vấn đề
đặt ra là cần phải xác định bước sóng phù hợp có thể trên một lối ra [9]. Vấn
đề này được đề cập tới như là lược đồ kênh. Lược đồ kênh chỉ ra phương thức
thực thi đảm bảo số kênh tối đa có thể được truyền.
Một vấn đề cần quan tâm trong tất cả các mạng là cung cấp chất lượng
dịch cho các ứng dụng có các yêu cầu chất lượng dịch vụ khác nhau. Các lược
đồ tạo chùm dữ liệu, các giao thức báo hiệu, giải pháp cho xung đột và sơ đồ
kênh có thể cần phải thay đổi để cung cấp cho các dịch vụ tương ứng với các
phân lớp lưu lượng khác nhau.

Học viên Lê Thị Hải Vân


Luận văn cao học

1.5.

- 24 Giải pháp chống nghẽn trong chuyển mạch chùm quang

Kết luận

Để xây dựng một mạng quang khả thi, có lợi về kinh tế thì các yêu cầu
về chất lượng đường truyền, các bộ xen rẽ, các bộ nối chéo, các nút chuyển
mạch quang và cấu trúc mạng cần phải được xem xét một cách thấu đáo. Các
thành phần kiến trúc cơ bản cho mạng quang tạo nên các topo ring, mesh và
các tổ hợp ring/mesh, đa vòng… Xu hướng phát triển của mạng quang cũng
tương ứng với xu hướng phát triển công nghệ của các khối chức năng cơ bản
cần phải được quan tâm. Khi xây dựng mạng quang phải tính đến việc quản lý
băng tần một cách hiệu quả nhờ vào các khối chuyển mạch và các công nghệ
quản lý luồng quang phải xem xét lộ trình cũng như tiên lượng về các công
nghệ chuyển mạch.
Do các nhược điểm của hệ thống chuyển mạch kênh quang như độ mềm
dẻo trong chuyển mạch, hiệu suất sử dụng đường truyền thấp, khả năng tương
thích đáp ứng đa dịch vụ… nên việc thực thi hệ thống này sẽ dẫn tới một số
bất cập khi mạng tích hợp đa dịch vụ, tốc độ truyền yêu cầu lớn. Mặt khác,
mặc dù có nhiều ưu việt vượt trội nhưng trong hệ chuyển mạch gói quang, với
điều kiện công nghệ hiện nay, các yêu cầu về mặt công nghệ như: tốc độ
chuyển mạch, các bộ đệm lưu trữ trong miền quang, xử lý tín hiệu trên miền
toàn quang… tạm thời chưa thể đáp ứng được. Để thực thi hiệu quả hệ thống
chuyển mạch quang trong điều kiện công nghệ hiện nay, kỹ thuật chuyển
mạch chùm quang là phù hợp nhất. Hệ thống chuyển mạch chùm quang là hệ
thống được xây dựng trên cơ sở trung hoà các nhược điểm của hệ thống
chuyển mạch kênh quang và các yêu cầu công nghệ của hệ thống chuyển
mạch gói quang nên nó có thể đáp ứng được các yêu cầu như độ mềm dẻo, tốc
độ truyền dẫn, có khả năng tương thích các loại hình dịch vụ và khả năng thực

thi với điều kiện công nghệ hiện nay.

Học viên Lê Thị Hải Vân