Phân tích các mạng chuyển động mạch

MỤC LỤC CHƯƠNG I: TỔNG QUAN1 1.1 Sự phát triển của mạng quang. 1 1.1.1 Sự phát triển của topo mạng . 1 1.1.2 Sự phát triển của dung lượng truyền dẫn. 1 1.1.3 Sự phát triển của mạng. 2 1.2 Chuyển mạch quang. 3 1.2.1 Phân loại chuyển mạch quang. 5 1.2.1.1 Kỹ thuật chuyển mạch kênh quang. 5 1.2.1.2 Chuyển mạch gói quang. 6 1.2.1.3 Chuyển mạch burst quang. 7 1.3 So sánh. 8 1.3.1 Giữa chuyển mạch kênh và gói8 1.3.2 Giữa chuyển mạch gói và chuyển mạch burst8 CHƯƠNG II: CHUYỂN MẠCH GÓI QUANG10 2.1 Giới thiệu chung. 10 2.2 Vai trò của mạng chuyển mạch gói quang. 10 2.3 Đặc tính lưu lượng của chuyển mạch gói quang. 12 2.3.1 Đặc tính lưu lượng của chuyển mạch không có chức năng tách-ghép. 12 2.3.1.1 Mạng và kiến trúc chuyển mạch của hệ thống WDM . 12 2.3.1.2 ảnh hưởng của các bộ chuyển đổi bước sóng khả chỉnh. 13 2.3.2 Đặc tính lưu lượng của chuyển mạch với chức năng tách ghép. 16 2.3.2.1 Lưu lượng của mạng chuyển mạch gói tách- ghép WDM . 18 2.3.2.2 Thuật toán định tuyến và kiểu kiểm tra. 20 2.4 Bộ đệm trong chuyển mạch gói quang. 23 2.4.1 Các kỹ thuật đệm23 2.4.1.1 Bộ đệm đầu ra. 25 2.3.1.2 Bộ đệm chia xẻ. 26 2.3.1.3 Bộ đệm vòng. 26 2.3.1.4 Bộ đệm đầu vào. 27 2.4.2 Chuyển mạch đơn tầng. 27 2.4.2.1 OASIS. 27 2.4.2.2 Chuyển mạch lựa chọn và quảng bá. 29 2.4.2.3 Đệm vòng lặp đa bước sóng. 30 3.4.2.4 Chuyển mạch gói quang dùng chung bộ nhớ. 32 2.4.3 Chuyển mạch đa tầng. 33 2.4.3.1 Chuyển mạch ghép bước sóng Wave-Mux. 33 2.4.3.2 Chuyển mạch ghép tầng sử dụng các phần tử chuyển mạch 2x2. 35 2.4.3.3 Chuyển mạch với bộ đệm quang lớn SLOB38 2.5 Kiến trúc định tuyến thực nghiệm gói quang có khả năng hoán đổi nhẵn OPERA39 2.5.1 Kiến trúc mạng. 39 2.5.2 Bộ định tuyến giao diện mạng quang. 40 2.6 Kiến trúc chuyển mạch gói40 2.6.1 Chuyển mạch dựa trên trường chuyển mạch không gian. 41 2.6.1.1 Chuyển mạch xen kẽ. 42 2.6.1.2 Chuyển mạch gói photonic bộ đệm đầu ra. 42 2.6.1.3 Chuyển mạch dựa trên chuyển mạch không gian không bộ đệm43 2.6.1.4 Chuyển mạch DAVID44 2.6.2 Chuyển mạch định tuyến bước sóng. 45 2.6.2.1 Chuyển mạch định tuyến bước sóng bộ đệm đầu ra. 45 2.6.2.2 Chuyển mạch định tuyến bước sóng đệm đầu vào. 47 2.6.3 Chuyển mạch lựa chọn và quảng bá. 49 2.6.3.1 Chuyển mạch lựa chọn và quảng bá KEOPS. 49 2.6.3.2 Chuyển mạch lựa chọn và quảng bá ULPHA50 2.6.3.3 Chuyển mạch bộ nhớ lặp sợi51 2.6.5 Chuyển mạch định tuyến quang phân khe thời gian. 52 CHƯƠNG III: CÁC MÔ HÌNH CHUYỂN MẠCH53 3.1 Kiến trúc chuyển mạch ATMOS. 53 3.2 Kiến trúc chuyển mạch KEOPS. 53 3.3 Kiến trúc chuyển mạch WASPNET55 3.3.1 Chuyển mạch WASPNET56 3.3.2 Điều khiển mạng. 57 3.3.3 Định dạng gói57 3.4 Mạng ứng dụng cho chuyển mạch gói quang. 57 3.4.1 Chuyển mạch gói quang trong suốt57 3.4.1.1 Các mạng gói quang. 57 3.4.1.2 Node chuyển mạch gói quang. 62 3.4.2 Mạng kết nối quang với bộ định tuyến IP terabit64 3.4.2.1 Kiến trúc bộ định tuyến IP terabit.65 3.4.2.2 Bộ điều khiển tuyến và module bộ định tuyến. 68 3.4.2.3 Mạng kết nối quang. 70 3.4.2.4 Khối phân xử Ping –Pong. 75 KẾT LUẬN76

docx85 trang | Chia sẻ: lvcdongnoi | Ngày: 29/06/2013 | Lượt xem: 1877 | Lượt tải: 3download
Bạn đang xem nội dung tài liệu Phân tích các mạng chuyển động mạch, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
vòng. TWC sẽ lựa chọn một bước sóng thích hợp cho mọi gói tin và sau đó, AWGM định tuyến các gói tin tới đầu ra theo yêu cầu theo bước sóng đó. Do AWGM có thể đồng thời định tuyến một số gói tin tới cùng một đầu ra tại một thời điểm nên sự tranh chấp có thể xảy ra tại cổng đầu ra. Lúc này, bộ đệm ghép quay vòng cần xác định trạng thái đó, nếu có tranh chấp, tất cả các gói tin trừ một gói đều được đệm. Ý tưởng của bộ đệm ghép quay vòng như sau: Có M bộ đệm quay vòng, mỗi bộ đệm bao gồm một mạch lặp bằng sợi quang, hai chuyển mạch cổng SOA và một coupler 3 dB. Cổng SOA thứ nhất sẽ xác định có luồng gói tin nào cần tới mạch lặp không, còn SOA thứ hai sẽ xác định có luồng gói tin nào trên mạch lặp chuyển trực tiếp tới đầu ra, hay bị trễ gay thời điểm đó. Các luồng gói tin đến bao gồm các gói tin tại cùng một khe thời gian, sẽ được chuyển tới mạch lặp rỗi gần đầu ra nhất có thể. Nếu các bộ đệm trống hoàn toàn, thì các tín hiệu sẽ được sao chép tới các bộ lọc thông dải tại cổng đầu ra. Tất cả các bộ lọc bước sóng thông dải đều chỉ chọn một gói tin, còn các gói tin khác đều bị loại bỏ. Trong khe thời gian tiếp theo, luồng gói tin ở mạch lặp gần nhất bộ lựa chọn bước sóng sẽ được sao chép tới bộ lựa chọn bước sóng một lần nữa. Khi tất cả các gói tin trong mạch lặp gần nhất tới bộ lựa chọn đã được chuyển ra ngoài, thì luồng gói tin trên mỗi mạch lặp lại được sao chép tới mạch lặp tiếp theo. Ví dụ tại mọi khe thời gian, luồng gói tin từ mỗi mạch lặp thứ i sẽ được chuyển tới mạch lặp thứ (i-1) khi và chỉ khi tất cả các gói tin trong mạch lặp thứ i đã được chuyển tiếp. Bộ điều khiển điện sẽ tính toán khi nào gói tin từ mạch lặp 1 được chuyển tiếp và tín hiệu từ các mạch lặp khác được chuyển tới mạch lặp quay vòng tiếp theo. 2.6.2.2 Chuyển mạch định tuyến bước sóng đệm đầu vào T (M-1)T K x K AWGM TWC TWC TWC K x K AWGM N x N AWGM TWC TWC TWC Khối điều khiển điện Lập lịch gói tin Định tuyến gói tin 2 1 N 2 1 N Hình 2.42: Chuyển mạch định tuyến đệm đầu vào Chuyển mạch định tuyến bước sóng đệm đầu vào này là cơ sở của chuyển mạch WASPANET, một kiến trúc chuyển mạch rất có tiềm năng trong mạng chuyển mạch gói quang. Một trong các mô hình của kiến trúc này được mô tả trên hình 2.42. Trước tiên, các gói tin sẽ được đệm bộ lập lịch gói tin, mỗi gói tin sẽ nhận một bước sóng theo yêu cầu và được đệm trong bộ đệm định tuyến bước sóng. Bộ đệm bao gồm hai khối ghép AWGM kết nối thông qua các đường dây trễ. Khối AWGM thứ nhất sẽ định tuyến gói tin tới đường dây trễ yêu cầu dựa trên bước sóng và cổng đầu vào của gói tin, và chỉ một gói tin được tới đầu vào hoặc đầu ra của khối tiếp theo. Tuy nhiên cũng có thể có một số gói tin trên cùng một đường dây trễ, nếu các gói tin này thuộc các bước sóng khác nhau. Khối AWGM thứ hai sẽ hướng gói tin tới đầu ra có cùng chỉ số với chỉ số cổng đầu vào của gói tin. Sau đó, khối định tuyến bước sóng kiểm tra bước sóng của gói tin, và gửi gói tin tới cổng đầu ra theo bước sóng. Ta có thể tăng dung lượng của chuyển mạch bằng cách thay thế khối ghép AWGM thứ hai bằng hai AWGM nhỏ hơn và đặt chuyển mạch không gian 1x2 trước đó. Mỗi đầu vào và đầu ra chỉ có thể chứa một gói tin tại một thời điểm. Trong dự án WASPANET, có ba chuyển mạch định tuyến bước sóng đệm đầu vào được triển khai. Chuyển mạch thứ nhất là chuyển mạch gói quang dựa trên AWG đệm feed forward, có hoạt động tương tự như chuyển mạch định tuyến bước sóng đệm đầu vào ở trên. Điểm khác nhau chính là chuyển mạch ở trên có một tập hợp các đường dây trễ có thể trễ đệm một số gói tin trên nhiều bước sóng tại một thời điểm, nên hoạt động chuyển mạch thực hiện độc lập sau khi đệm, còn chuyển mạch trong WASPANET thì mỗi đầu ra của khối ghép AWGM thứ nhất có một bộ đệm riêng, nên hoạt động chuyển mạch diễn ra đồng thời với đệm. Ngoài ra, trong chuyển mạch feed forward chỉ yêu cầu hai khối ghép AWGM, nhưng số lượng bộ biến đổi bước sóng khả chỉnh TWC và đường dây trễ thì nhiều gầp bội so với chuyển mạch đệm đầu vào. Và chuyển mạch feed forward đã được phát triển lên bằng cách sử dụng các tập hợp đường dây trễ quay vòng. Và chuyển mạch thứ ba được gọi là chuyển mạch WASPANET được rất nhiều người biết đến, mô hình bước sóng của chuyển mạch này được mô tả trên hình 3.43 như sau: AWG AWG TWCs TWCs Tách kênh Ghép kênh Đầu ra Đầu vào Hình2.43: Chuyển mạch WASPANET Hoạt động của chuyển mạch này như sau: đầu tiên, các gói tin sẽ được chuyển đổi bước sóng theo cổng đầu ra của bộ AWG thứ nhất chọn lựa. Nếu gói tin không cần phải đệm thì nó sẽ được chuyển qua bộ chuyển đổi bước sóng khả chỉnh, tới bộ AWG thứ hai và chuyển mạch tới đầu ra chính xác theo bước sóng. Nếu cần phải đệm, gói tin sẽ được chuyển mạch tới một trong các cổng của các đường dây trễ. Chúng sẽ tiếp tục biến đổi bước sóng sang một bước sóng xác định và được chia trên tất cả các đường dây trễ. Tại đầu ra của các đường dây trễ, một trong các gói tin ở các bước sóng khác nhau sẽ được chọn, sau đó được chuyển đổi sang một số bước sóng và chuyển ngược trở lại AWG thứ nhất. Cấu hình này chỉ minh họa một mô hình chuyển mạch mà mỗi cổng đầu vào chỉ có một bước sóng, nên mỗi đầu vào và đầu ra chỉ có thể chứa một gói tin tại một thời điểm. Trên thực tế chuyển mạch WASPANET gồm rất nhiều bộ ghép kênh và bộ tách kênh và mỗi mặt chỉ hoạt động ở một bước sóng, nên cấu hình trên chỉ mô tả một mặt của chuyển mạch. Trong chuyển mạch WASPANET, mỗi đầu vào sẽ được tách kênh và mỗi bộ tách kênh sẽ gửi gói tin với bước sóng i trên mặt i. Tương tự như vậy, mỗi đầu ra được thực hiện bằng cách ghép phối hợp các đầu ra của các mặt. 2.6.3 Chuyển mạch lựa chọn và quảng bá Chuyển mạch lựa chọn và quảng bá là một kiến trúc chuyển mạch chung, Loại chuyển mạch này đã được thực thi trong nhiều dự án. Chuyển mạch lựa chọn và quảng bá không cần sử dụng phần tử khả chỉnh giống như các chuyển mạch định tuyến bước sóng. Lợi ích khác của chuyển mạch là khả năng quảng bá và đa hướng. Nguyên lý hoạt động của chuyển mạch là thông tin từ mỗi đầu vào được phối hợp với một tín hiệu được xao chép tới mỗi đầu ra. Sau đó mỗi khối đầu ra sẽ lọc thông tin như yêu cầu (gói) từ tín hiệu và tách các gói ra. Chuyển mạch có thể dựa vào bước sóng (WDM) hoặc dựa vào thời gian (TDM), hoặc sử dụng cả hai. 2.6.3.1 Chuyển mạch lựa chọn và quảng bá KEOPS Rất nhiều chuyển mạch lựa chọn và quảng bá sử dụng công nghệ WDM. Một ví dụ đơn giản của loại chuyển mạch này là chuyển mạch được thực hiện trong dự án KEOPS. Chuyển mạch này được mô tả trong hình 2.44. Điều khiển logic Điều khiển logic 1 1 N N 1 K 1 K 1 K l1 lN l1 lN Hình 2.44 : Cấu hình của chuyển mạch lựa chọn và quảng bá Đầu vào Đầu ra Mã hoá gói tin Đệm gói tin Khối lựa chọn Trong chuyển mạch này có một số điểm giống với chuyển mạch định tuyến bước sóng. Điểm khác nhau là giữa bộ mã hoá gói, các gói có bước sóng tuỳ thuộc cổng vào trong khi chuyển mạch định tuyến theo bước sóng các gói có bước sóng tuỳ thuộc cổng ra. Trong chuyển mạch lựa chọn và quảng bá KEOPS mỗi đầu vào và ra chỉ có thể chứa một gói tại một thời điểm. Một chuyển mạch N´N gồm bốn khối: Bộ mã hoá gói gồm N bộ chuyển đổi bước sóng, một cho mỗi đầu vào. Tất cả các đầu vào có bước sóng riêng biệt và được gán cố định. Tức là đầu vào mỗi gói được nhận dạng bởi bước sóng. Tất cả các gói đến tại cùng khe thời gian thì được ghép lại với nhau. Bộ đệm gói gồm các đường trễ và một ma trận chuyển mạch không gian. Ma trận chuyển mạch không gian lại gồm các coupler thụ động và các cổng SOA quang. Tín hiệu ghép được xao chép tới K đường trễ khác nhau. Tại mọi khe thời gian nội dung đã được xao chép tới các đầu ra của đường trễ sẽ được gửi tới N khối của trường chuyển mạch không gian. Tại mỗi khối mỗi tín hiệu được chọn và tách ra. Tín hiệu đã chọn mà chứa tất cả các gói đến chuyển mạch tại khe thời gian riêng biệt sau đó được đưa trực tiếp tới khối tiếp theo. Khối lựa chọn bước sóng gồm N bộ lựa chọn bước sóng. Mọi bộ lựa chọn bước sóng nhận tín hiệu gồm K gói. Bước sóng được yêu cầu (tại cổng vào) được chọn tuỳ thuộc vào bộ điều khiển điện và gói yêu cầu được truyền thẳng tới cổng ra. Điều khiển điện điều khiển hệ thống. Bộ đệm FIFO điện được sử dụng để lưu trữ thông tin liên quan từ mào đầu gói. 2.6.3.2 Chuyển mạch lựa chọn và quảng bá ULPHA Nhiều chuyển mạch gói quang thường sử dụng công nghệ WDM hơn là OTDM. WDM có nhiều đặc tính tốt, nhưng cũng có một số vấn đề. Các mạng dựa trên WDM cần sử dụng các bộ lọc khả chỉnh độ nhạy cao và các bộ chuyển đổi bước sóng. Thêm nữa là các thiết bị điều khiển điện phức hợp cũng cần có. Vì vậy một chuyển mạch lựa chọn và quảng bá dựa trên TDM được thực hiện bởi Shimatsu và Tsukada, gọi là ULPHA. ULPHA là chuyển mạch quang ATM cực nhanh dựa trên nguyên lý lựa chọn và quảng bá. Hình 3.45 mô tả chuyển mạch này. Các tín hiệu đầu vào được dẫn tới các bộ điều chế đầu vào (M) và các bộ mã hoá tế bào (CC), ở đó dữ liệu được nén phụ thuộc vào tốc độ của nguồn xung ngắn. Mào đầu không bị nén để dễ dàng phát hiện thông tin địa chỉ. Coupler sao phối hợp dữ liệu từ các đầu vào khác nhau thành một tín hiệu, mà sau đó được xao chép tới mọi đầu ra. Bộ lựa chọn tế bào chọn ra khe thời gian thích hợp và sau đó giả mã gói như dạng ban đầu. Cũng như nhiều chuyển mạch ở trên, mỗi cổng đầu vào và ra chỉ chứa một gói tại một thời điểm. Hình 2.45: Cấu trúc chuyển mạch ULPHA. 2.6.3.3 Chuyển mạch bộ nhớ lặp sợi Được mô tả trong hình 3.46 đó là một chuyển mạch lựa chọn và quảng bá đơn giản được thực hiện trong dự án ATMOS. Nó có một TWC tại mỗi đầu vào và một bộ lọc khả chỉnh tại mỗi đầu ra. Chuyển mạch có một bộ đệm vòng lặp tuần hoàn có thể truy cập bước sóng một cách ngẫu nhiên. Với các bộ chuyển đổi bước sóng khả chỉnh mỗi gói nhận được một bước sóng mà không sử dụng trong bộ đệm. Tại mọi khe thời gian tất cả các gói được xao chép tới tất cả các đầu ra. Các gói mà đã được chọn bởi các bộ lọc khả chỉnh bị xoá khỏi bộ nhớ với các chuyển mạch cổng khả chỉnh. Dung lượng của chuyển mạch có thể tăng băng cách sử dụng vài bộ đệm và chuyển mạch không gian. Cũng như trên, mỗi cổng đầu vào và ra chỉ có thể chứa một gói tại một thời điểm. Hình 2.46: Cấu trúc chuyển mạch bộ nhớ lặp sợi. 2.6.5 Chuyển mạch định tuyến quang phân khe thời gian l1 l2 l3 l4 Khe quang l3 Gói tin Chuyển mạch gói quang Xử lí tiêu đề Delay_line Đệm gói tin (điện) Mảng bộ phát Phần tách Phần ghép Hình 2.47: Cấu trúc chuyển mạch định tuyến quang phân khe Định tuyến quang phân khe là một một kiến trúc chuyển mạch gói khác. Trong đó, thời gian được chia thành các khe có độ dài cố định. Mỗi bước sóng chỉ chứa một gói tin ở một khe thời gian. Tại một khe thời gian mọi kênh truyền có thể tới đích tại cùng một node, khi đó mỗi khe thời gian được chuyển mạch như khối tích hợp không có tách kênh hay ghép kênh. Các tiêu đề trên khe thời gian sẽ nhận một bước sóng. Ta có thể minh họa trên hình 2.47. Trước hết, các kênh sẽ được tách ra, các phần tiêu đề gói tin sẽ chuyển tới bộ xử lí tiêu đề, các bộ lọc có thể thay thế cho bộ tách xen rẽ. Các kênh khác sẽ bị trễ trong thời gian xử lí tiêu đề. Sau đó, chuyển mạch sẽ được thực hiện như các chuyển mạch thông thường với một kênh, cuối cùng các gói tin được truyền sẽ được ghép trên các kênh rỗi. Ưu điểm của chuyển mạch này cần ít thiết bị quang. Hầu hết các kiến trúc chuyển mạch trình bày ở trên đều chỉ có thể chuyển mạch một gói tin ở mỗi đầu vào tại một thời điểm. Các kiến trúc này chưa thể sử dụng dụng ngay trong mạng WDM, và cần phải có thêm nhiều cải tiến thích hợp. Hiện nay, hệ thống thực tế đã triển khai được số lượng kênh là 40 hoặc 80 kênh, và con số này có thể tăng trong tương lai gần. Do đó hiệu năng của các kiến trúc chuyển mạch này còn rất thấp. Tuy nhiên, với nguyên lí hoạt động và đánh giá khả cải thiện thì đây là những kiến trúc chuyển mạch có rất nhiều hứa hẹn trong mạng chuyển mạch gói quang CHƯƠNG III: CÁC MÔ HÌNH CHUYỂN MẠCH 3.1 Kiến trúc chuyển mạch ATMOS Kiến trúc chuyển mạch này không hoàn toàn quang do phải điều khiển bằng điện gồm 3 tầng như trên hình 3.1 sau: Đổi bước sóng. lM l1 BxT 0xT Cổng quang M 1 Điều khiển điện PD PD Mã bước sóng. Đệm đường dây trễ Tách bước sóng 1 M Lọc băng thông Hình 3.1: Chuyển mạch gói ATMOS. Tầng mã bước sóng: tiêu đề mọi gói trong M đầu vào được tách ra nhờ Photodiode (PD) để trích ra thông tin định tuyến. Dựa trên thông tin đó, mỗi gói sẽ được truyền trên một bước sóng phù hợp với băng tần của bộ lọc quang ở đầu ra yêu cầu. Chức năng này được thực hiện nhờ bộ biến đổi bước sóng quang. Tầng đệm bằng sợi quang đường dây trễ với độ dài tương ứng với bội số của chu kỳ gói T. Để truy cập nhanh vào tầng đệm này, người ta sử dụng các cổng quang. Tầng cuối cùng là tầng tách bước sóng, các bộ lọc băng thông sẽ lựa chọn hay lấy ra các gói trong bước sóng tương ứng. 3.2 Kiến trúc chuyển mạch KEOPS Đề tài nghiên cứu ATMOS thành công là nhờ có đề tài nghiên cứu KEOPS và sự nghiên cứu tầng mạng quang chuyển mạch gói được mở rộng. Các gói quang sẽ có khoảng thời gian cố định là 1,7 ms, tiêu đề gói có tốc độ 622Mb/s và được xử lý điện, dữ liệu có tốc độ khác nhau. Khoảng thời gian gói cố định đảm bảo cùng một node chuyển mạch có thể chuyển mạch gói ở tốc độ khác nhau.Tầng mạng gói quang được kiến nghị trong mô hình KEOPS được chấp nhận ở cả tốc độ bit và chế độ truyền trong suốt ở một vài cấp độ như : tế bào ATM , gói IP, khung SDH. Ngoài ra, kiến trúc chuyển mạch KEOPS còn cho phép quảng bá các gói quang đầu vào. Kiến trúc chuyển mạch KEOPS cơ bản giống như ATMOS, sự khác nhau chính là các gói của một đầu vào cho trước luôn luôn chuyển đổi ở cùng một bước sóng. Nhờ kết hợp cổng đa bước sóng, đường dây trễ và bộ chọn bước sóng nhanh ở đầu ra nên có thể quảng bá gói. Nguyên lý hoạt động có thể mô tả chi tiết hơn trên hình 3.3. BxT lM lM lM l1 l1 M 1 Điều khiển điện PD PD Mã bước sóng Cổng đa bước sóng Cổng đơn bước sóng Chuyển đổi bước sóng Đệm de_lay quang Lựa chọn bước sóng l1 0xT 1 M Ghép WDM Chia thụ động Hình 3.3: Chuyển mạch gói quang KEOPS. Mỗi gói sau khi xác định cổng đầu vào đều được chuyển đổi vào một bước sóng, và được chuyển vào bộ đệm. Các cổng quang đa bước sóng ở mỗi đầu ra đường dây trễ sẽ chọn gói thuộc về một khe thời gian thích hợp với trạng thái hàng đợi, các cổng quang cũng có thể chặn đồng thời tất cả các bước sóng. Sau đó, bộ lựa chọn bước sóng nhanh sẽ chỉ chọn một trong nhiều gói, ví dụ dựa trên một bước sóng. Cấu hình này cho phép chọn lựa một vài hay tất cả đầu ra đồng thời ở cùng một bước sóng. KEOPS đã kết hợp kỹ thuật truyền dẫn quang WDM và chuyển mạch gói cho ra mạng chuyển mạch gói quang WDM. Mục tiêu của KEOPS là nâng chức năng chuyển mạch lên miền quang, khi đó mới có thể thích ứng hoạt động chuyển mạch của bộ định tuyến với truyền dẫn WDM, do đó kết hợp được băng thông và định tuyến chuyển tiếp. KEOPS đã đưa ra mạng gói trong suốt quang, trong suốt cả về tốc độ truyền dẫn và giao thức, do đó hệ thống này rất dễ mở rộng và dễ khắc phục lỗi thiết bị để thiết lập lại cấu hình trong những lúc cần thiết. 3.3 Kiến trúc chuyển mạch WASPNET WASPNET (mạng gói chuyển mạch theo bước sóng) là một EPSRC cộng tác giữa ba trường đại học ở Anh và vài viện công nghiệp. Một thành tựu chính của dự án là thực thi một số kiến trúc chuyển mạch gói quang. Chuyển mạch dung lượng cao, tương thích với lưu lượng Internet và hiệu quả sử dụng mạng đã nhận được kết quả của dự án. Cũng chỉ ra dự án WASPNET mà truyền dẫn gói quang trong mạng qua 14 node thì có thể thực hiện được mà không làm giảm tín hiệu quan trọng. Thêm nữa để thiết kế node ,cũng như điều khiển mạng và hoạt động, chế tạo thiết bị được nghiên cứu. Trong dự án một network demonstrator đã được phát triển. Sử dụng demonstrator các chức năng của mào đầu xoá , chèn, định tuyến , chuyển mạch và giải quyết xung đột đã được nghiên cứu. 3.3.1 Chuyển mạch WASPNET Như mô tả trong hình 3.4. AWG AWG TWCs TWCs Tách kênh Ghép kênh Đầu ra Đầu vào Hình 3.4: Chuyển mạch WASPANET Chuyển mạch là sự đơn giản hoá của chuyển mạch gói quang WDM. Hình vẽ mô tả một mức của chuyển mạch trong khi chuyển mạch gồm nhiều mức, mỗi mức hoạt động tại một bước sóng đơn. Trong WDM chuyển mạch WASPNET có khả năng tại mỗi sợi vào được kết nối tới một bộ phân kênh mà gói được gửi đi với bước sóng i mức i, và mỗi đầu ra nhận được bằng cách ghép trỗn các đầu vào của các mức. Trong chuyển mạch này, các gói có mức độ ưu tiên cao có thể chiếm trước các gói có mức độ ưu tiên thấp. Chức năng của chuyển mạch rất giống với chức năng của chuyển mạch hồi tiếp dựa trên AWG. AWG thứ hai trong hình vẽ sử dụng để tránh xung đột. Trộn bước sóng và phối hợp các cổng đầu vào của AWG thứ hai để xác định cổng đầu ra. Nhiều gói có thể tồn tại trên cùng một đầu ra của mức, các gói có bước sóng khác nhau. Cách khác có thể thay thể AWG thứ hai bằng chuyển mạch không gian. 3.3.2 Điều khiển mạng Có hai phương pháp có thể sử dụng để điều khiển mạng đó là phương pháp tán xạ kênh bước sóng (SCWP) và phương pháp chia xẻ kênh bước sóng (SHWP). Trong tiếp cận gần đây, mỗi gói quang sử dụng bước sóng giống nhau dọc toàn bộ kênh truyền. Một số gói có thể cũng sử dụng bước sóng giống nhau. Trong phương pháp SCWP, các gói được chuyển đổi thành bước sóng mới tại mỗi node. Tất nhiên, SCWP cung cấp thông lượng cao hơn và yêu cầu ít bộ đệm. Mặt khác, cần sử dụng các bộ chuyển đổi bước sóng khả chỉnh. 3.3.3 Định dạng gói Trong dự án WASPNET, một gói có 4 byte mào đầu gói và 256 byte tải trọng. Tải trọng có tốc độ dữ liệu 10Gbít/s, trong khi mào đầu gói gửi đị với tốc độ truyề thấp hơn. Ba lựa chọn khác nhau sử dụng để truyền dữ liệu và mào đầu gói, mỗi cách có mặt mạnh và mặt yếu: Cả mào đầu và dữ liệu được truyền tại cùng khe thời gian. Mào đầu được đặt trên một sóng mang điện ở trên các tần số sử dụng cho tải trọng. Mào đầu và tải trọng được truyền đồng thời với các bước sóng khác nhau. Mào đầu và tải trọng được truyền rời rạc. Việc phối hợp này chịu sự xuyên âm. Trong cách phối hợp thứ nhất việc cập nhật mào đầu gặp khó khăn, và trong cách thứ hai cần sử dụng thêm kỹ thuật laser tới từng kênh tải trọng để lần lượt cập nhật mào đầu. Trong cách cuối băng tần sử dụng thì ít hơn, nhưng không bị xuyên âm và việc cập nhật mào đầu dễ dàng hơn. 3.4 Mạng ứng dụng cho chuyển mạch gói quang 3.4.1 Chuyển mạch gói quang trong suốt 3.4.1.1 Các mạng gói quang 1 Mạng tốc độ bít cao Sự hội tụ của viễn thông và truyền thông máy tính đã được biết trước một thời gian từ khi cả hai đều dựa vào kỹ thuật số. Trong gần nhưng năm 1980, xuất hiện mối tương quan rõ ràng giữa các mạng viễn thông truyền thống lưu lượng bị chi phối, hoàn thành việc tích hợp giữa việc nâng cấp hướng kết nối và cơ sở hạ tầng viễn thông chuyển mạch kênh để cho phép hỗ trợ lưu lượng dữ liệu. Tới thế kỷ mới môi trường mạng đã được thay đổi hoàn toàn. Hướng hiện tại với lưu lượng dữ liệu truyền đi khắp nơi, trong lưu lượng Internet thông thường thì lưu lượng trung bình bằng lưu lượng tràn nguyên nhân do dịch vụ điện thoại, làm cho truyền thông dữ liệu chi phối loại lưu lượng. Sự phát triển của kỹ thuật WDM điểm - điểm sử dụng băng thông sợi quang một cách hiệu quả và nhanh chóng (với khía cạnh là số kênh bước sóng bằng với tốc độ bít trên kênh). Tương lai phát triển của các mạng truyền tải WDM kết nối chéo quang, quản lý linh động đường toàn quang sẽ trả lại lượng dư tiềm năng các chức năng mạng mà được cung cấp bởi lớp SDH. Từ triển vọng khách hàng, IP đã trở thành giao thức chi phối việc truyền dữ liệu, vì vậy hiện tại đang là ứng cử rất mạnh cho việc tích hợp truyền dữ liệu của viễn thông. Nếu phiên bản hiện thời của IP không hỗ trợ phân biệt luồng khách hàng trên tiêu chuẩn chất lượng dịch vụ, tiếp tục phát triển trong nhóm đặc trách kỹ thuật Interenet ( IETF ) có thể có kết quả sớm trong khả năng phát triển, đảm bảo chất lượng dịch vụ với phổ của các kiểu lưu lượng. Vì vậy trong hai thập kỷ gần đây phạm vi của kiến trúc mạng số tích hợp dịch vụ băng thông rộng (BISDN) được mở rộng và xung quanh nó là công nghệ IP/WDM thêm nữa là ATM/ SDH hoặc IP/ SDH/WDM. Mối quan tâm chính với tiếp cận công nghệ IP/WDM thì không tương xứng giữa dung lượng truyền dẫn được cung cấp bởi lớp quang WDM và công suất xử lý của các bộ định tuyến hiện thời . Các bộ định tuyến IP thực hiện ba chức năng chính: Định tuyến: Hỗ trợ nhiều giao thức để bảo vệ các kết nối mạng, thông tin chứa đựng trong các bảng định tuyến. Chuyển tiếp: Liên quan tới bảng định tuyến với mỗi gói đầu vào để xác định giao diện đầu ra để gói có thể ghi. Chuyển mạch: Chuyển trực tiếp các gói tới đầu ra thích hợp. Với khía cạnh để định tuyến, vấn đề chính xuất phát từ kích cỡ của bảng định tuyến và tần số cập nhật bảng định tuyến. Như các vấn đề đánh địa chỉ hiện thời và quản lý bằng các phương tiện tốt (tập hợp định tuyến, cập nhật giao thức định tuyến để tránh dư hay thay đổi thông tin lỗi thời). Đặc tính chính của tắc nghẽn kiểu cổ chai xuất hiện tại mức chuyển tiếp. Thời gian cần thiết để quét một bảng định tuyến là cố định để giới hạn thông lượng định tuyến. Hai giải pháp đã được đề xuất để giảm tắc nghẽn kiểu cổ chai này: Song song hoá hai hoạt động chuyển tiếp đó là hoạt động một cách độc lập dựa trên gói-gói. Tối ưu hoá việc mã hoá bảng đinh tuyến và thuật toán quét, kết quả đạt được cải thiện một cách ấn tượng. Xem xét một ước lượng cũ về kịch cỡ trung bình của gói là 200 byte với tốc độ quét 2.106 lần trên giây thực hiện trên Pentium 200MHz, giới hạn tốc độ bít lớn nhất thiết lập nhờ xử lý chuyển tiếp khoảng 3 Gb/s. Việc chấp nhận công nghệ chuyển mạch ATM hiện thời hoặc công nghệ chuyển mạch thừa hưởng từ nền công nghiệp siêu tính toán đã cung cấp ma trận chuyển mạch nhanh và lớn, mà có thể giảm được tắc nghẽn cổ chai. Thuận lợi trong công nghệ và kiến trúc giúp cho thế hệ tiếp theo của các bộ định tuyến IP Gb, ví dụ cụ thể là mạng Neo 512Gb/s ma trận chuyển mạch không tắc nghẽn với bộ xử lý luồng 2400. Bất chấp sự nâng cấp ấn tượng đó vẫn cần chú ý tới hệ thống chuyển mạch điện tử độ linh động thấp khi quan tâm đến khả năng nâng cấp thông lượng. Có được hệ thống WDM mà cho phép giá rẻ, băng thông truyền dẫn tăng lên, nhiều tần số cao của lớp truyền tải có khả năng dự tính tăng theo yêu cầu. Nhiều tần số thấp sẽ đặt sức nặng yêu cầu vào sử lý chuyển mạch theo tần số phụ thuộc, tăng giá để giữ tốc độ truyền dẫn. 2 Mạng gói quang Từ mô tả ở trên, KEOPS tìm kiếm để phối hợp chuyển mạch gói với công nghệ truyền dẫn WDM để mang lại chuyển mạch gói quang của hệ thống WDM. Kết quả thay đổi nhiều tải chuyển mạch thành miền quang, cho phép phạm vi thành công của dung lượng chuyển mạch của các bộ định tuyến IP, khi so sánh với khả năng của kỹ thuật WDM. Khi làm như vậy, hiệu quả khi tách giữa băng thông và định tuyến/ chuyển tiếp thì cũng được thực hiện. Vấn đề trước, bao gồm cả chuyển mạch và truyền dẫn được đánh địa chỉ trong miền quang, truy cập băng thông sợi quang lớn, đó là sự liên quan tới xử lý định tuyến/ chuyển tiếp gói phức tạp xuất hiện tại mức mào đầu gói bất kể kích cỡ kèm theo của thực thể dữ liệu. Thêm nữa, lớp gói quang cung cấp các tuyến cơ bản, các chức năng của lớp bắt buộc hiệu năng giao diện của IP với lớp WDM bằng cách truyền tải các gói IP trong tải trọng của gói quang. Hơn nữa còn cung cấp mức ghép trong miền thời gian, điều đó cần thiết để cho phép các bộ định tuyến IP để kết hợp các luồng khách hàng trước khi truyền thông tin vào đường ống WDM quang. Hướng này bị loại bỏ bởi những phát minh gần đây mà mục đích để bao quát các công nghệ định tuyến và chuyển mạch một cách trực tiếp vào các mạng quang. Nhiều phát minh sử dụng để thực hiện kênh sạch 2,5Gb/s, giao diện giữa các bộ định tuyến gigabit IP và hệ thống WDM khoảng cách dài, loại ra giao diện cần thiết cho ghép kênh đầu cuối SDH hoặc các phần tử mạng tức thì khác. Như một giao diện có thể cho phép toàn bộ dải băng 2,5Gb/s của kết nối STM-16 để được đối xử như một ống sợi đơn, tối. Hơn nữa sự phân tách chuyển mạch và truyền dẫn yêu cầu các chức năng định tuyến/ chuyển tiếp. Mạng gói quang nổi bật như một ứng viên nhiều triển vọng có thể hỗ trợ bất cứ giao thức mạng định tuyến/chuyển tiếp điện chuyên dụng nào trong khi xem xét băng thông của sợi quang. Giải pháp dựa trên chuyển mạch nhãn được bắt đầu xác định trong sườn của chuyển mạch nhãn đa giao thức(MPLS). Vì vậy, một giải pháp cung cấp khả năng mạng hướng kết nối, một cách linh động trong giới hạn quản lý băng thông và tương lai quan tâm đến việc ngăn được sự lớn lên của băng thông đã phát sinh. Tìm kiếm theo KEOPS cũng cung cấp các phương tiện kết nối thông qua mạng gói quang. Một số tiếp cận hiện tại để thấy rõ mạng gói trong suốt quang(OTP-N). Trong trường hợp mạng gói trong suốt quang KEOPS, thời gian gói cố định được sử dụng khi cả hai mào đầu và tải trọng kèm theo được mã hoá trên sóng mang có bước sóng giống nhau. Thông tin định tuyến được phân phát từ mào đầu gói theo chuyển đổi quang điện; mào đầu được mã hoá tại tốc độ bít cố định thấp, thời gian tải trọng bị cố định tất nhiên là cả nội dung; độ lớn dữ liệu được cân xứng với tốc độ bít định nghĩa người sử dụng mà có thể thay đổi từ vài trăm Mb/s tới 10Gb/s. 3 Tương tác giữa mạng điện và mạng truyền tải WDM Xét lưu lượng chủ yếu là lưu lượng IP, OTP_N có thể chuyển mạch và vận chuyển luồng lưu lượng tổng IP. Để truy nhập vào OTP_N, sử dụng bộ định tuyến IP tốc độ cao, kết hợp với giao diện gói quang và gọi chung là định tuyến biên (hình 4.5). ROUTER OTP_IWU LAN Host LAN ROUTER OTP_IWU Mạng truyền tải WDM Hình 3.5: Kết nối mạng IP thông qua OTP-N Host Sau đây sẽ trình bày chức năng của bộ định tuyến biên cũng như kiến trúc và phân tầng giao thức của giao diện truy nhập hay còn gọi là khối tương tác OTP (IWU : InterWorking Unit). Giao diện truy nhập chia làm 4 tầng con như hình 4.6 Định tuyến Xử lí tiêu đề IP Phân mảnh gói IP (nếu cần) và chuyển tiếp Thích ứng tốc độ dữ liệu Khôi phục tiêu đề OTP Ghép / tách Truyền dẫn trên bước sóng xác định Xử lý gói dữ liệu IP và định tuyến Tái tạo gói quang Ghép các gói Truyền trên sợi quang DCSL NSL LSL WCSL Hình 3.6: Cấu trúc tham chiếu mạng OTP. Lớp con hội tụ dữ liệu (DCSL Data Convergence Sublayer): Thích ứng tốc độ bit, tạo lập gói quang từ luồng dữ liệu IP đầu vào. Giả thiết rằng: Tầng OTP không thực hiện phân đoạn hay ghép đoạn dữ liệu có độ dài thay đổi; độ dài lớn nhất gói dữ liệu IP trong OTP_N do độ dài OTP và tốc độ bit liên kết thiết lập. Gói IP có kích thước lớn hơn sẽ được phân mảnh bởi bộ định tuyến theo giao thức IP (được chỉ ra trong tiêu đề gói tin). Các gói IP ngắn hơn cùng địa chỉ mạng con, có thể được ghép với nhau trên cùng OTP do đó tận dụng được kích cỡ tải trọng cho phép mà không cần xử lý tiêu đề IP. Lớp con mạng (NSL Network Sublayer): Nằm dưới tầng DCLS, có chức năng tạo nhãn hay địa chỉ định tuyến được chèn trong tiêu đề OTP. Chỉ duy nhất một nhãn/địa chỉ cho mỗi DCSL. Do đó, bộ định tuyến thường chuyển tiếp gói IP tới DCSL thích hợp với mạng con đích. Lớp con liên kết (LSL Link Sublayer): Ghép/tách các OTP's từ/tới các DCSL/NSL khác nhau và truyền như một luồng gói duy nhất. Tuy nhiên một gói quang lí tưởng là do NSL chèn và duy trì nguồn phát không đổi. Những gói rỗng có thể bị loại ở bất cứ thời điểm nào trong mạng để đảm bảo lưu thoát lưu lượng. Lớp con hội tụ bước sóng (WCSL Wavelength Convergence Sublayer): mã hoá bước sóng truyền dẫn thích hợp với sợi quang bằng nguồn phát hay nguồn bước sóng. 4 Quản lý bước sóng Nguồn bước sóng được khai thác ở trong từng node mạng và từng liên kết. Trong cơ cấu chuyển mạch, bước sóng được sử dụng để định tuyến và một số giải pháp khác. Sử dụng bước sóng trong chuyển mạch cần rất chặt chẽ, và được giả thiết rằng mỗi đầu ra của chuyển mạch đều tương thích với yêu cầu truyền dẫn của các liên kết (hoặc do giao diện chuyển đổi bước sóng đảm bảo). Trong chuyển mạch gói quang, KEOPS lựa chọn sử dụng bước sóng như sau: Các bước sóng của một sợi quang là tài nguyên chia sẻ hay tài nguyên dùng chung. Lưu lượng tải được trải phổ trên một tập các bước sóng và các gói cùng một liên kết có thể truyền trên những bước sóng khác nhau trên cùng một bước nhảy. Các tuyến trong mạng được tổ chức trong những sợi cáp và bước sóng, được gọi là gói bước sóng (WP - Wavelength Packet). Nếu các gói được ghép thoả mãn trên tập bước sóng, thì các burst rất dễ dàng chuyển tới đúng sợi đầu ra và sẽ giảm đáng kể bộ đệm yêu cầu. Tuy nhiên, khi tách các gói quang trong miền bước sóng ở bộ định tuyến biên cũng sẽ có nhiều khó khăn. Nó liên quan tới thứ tự gói và chuyển mạch biên, tương tự như có nhiều cổng, nhiều kênh bước sóng sử dụng để chuyển đưa luồng dữ liệu. Chuyển mạch biên trong IWU's có yêu cầu rất chặt chẽ khi giao diện với các mạng con IP điện, hay với tầng vận chuyển WDM ở dưới khi khả năng vận chuyển của tầng này dựa trên các kênh bước sóng độc lập. Trong trường hợp liên kết nối trên nhiều bước sóng, nếu bộ định tuyến IP không phân giải dữ liệu rõ ràng vì độ trễ truyền dẫn khác nhau, thì khi đó sẽ dẫn tới thứ tự gói bị lộn xộn và độ lưu thoát lưu lượng đầu cuối tới đầu cuối cũng thấp. Do vậy mạng truyền dẫn WDM cần đưa ra một độ trễ cần thiết để quản lý bước sóng, ngay khi mạng khách hàng yêu cầu băng thông vượt quá một kênh bước sóng. 3.4.1.2 Node chuyển mạch gói quang Node chuyển mạch quang có vai trò quan trọng nhất trong mạng, ví dụ để chuyển thông tin tới đích chính xác cần kết hợp nhiều chức năng trong cả miền điện và miền quang. Cấu trúc mỗi node mạng nói chung cần những khối cơ bản sau: Giao diện đầu vào kết hợp với chức năng đồng bộ. Kiến trúc chuyển mạch. Giao diện đầu ra kết hợp với chức năng tái tạo và sửa đổi tiêu đề. Hiện nay, việc đáp ứng độ lớn bộ đệm là một vấn đề khó chủ yếu trong chuyển mạch gói quang, vì vậy, những kiến trúc chuyển mạch hiệu năng cao đều dựa trên khả năng tối thiểu độ phức tạp của chức năng đệm quang. Kiến trúc tổng quan của node như hình 3.7: Kiến trúc chuyển mạch Giao diện đầu ra Giao diện đầu vào Đồng bộ thô. Phác họa tiêu đề Vị trí dữ liệu Khôi phục tiêu đề O E Điều khiển chuyển mạch Đồng hồ chủ Cục bộ/ từ xa Khôi phục tín hiệu Phác họa tải tin Cập nhật tiêu đề O E Hình 3.7: Cấu trúc tổng quát của node mạng. Trong mạng WDM, bắt đầu và kết thúc node là các bộ tách/ghép thụ động. Quá trình xử lý chuyển mạch được tiến hành ở mức gói, trên mỗi bước sóng và mỗi khe thời gian. Số lượng cổng cũng như số lượng sợi cáp liên kết tỉ lệ với số lượng bước sóng được ghép cũng như độ lớn trường chuyển mạch. Giống như giao diện, giao điện quang có vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ tin cậy trao đổi thông tin. Giao diện đầu vào cần đồng chỉnh luồng tế bào đến theo đúng nhịp đồng hồ chủ chuyển mạch, để tạo ra sự đồng bộ các luồng gói, đồng thời giúp cho việc khôi phục lại tiêu đề chính xác. Chức năng phác họa gói tin là một chìa khoá công nghệ để đọc tiêu đề gói tin, đồng bộ gói tin và có thể viết lại tiêu đề gói tin. Phác hoạ tiêu đề không chỉ để tách tiêu đề mà còn để khôi phục tải tin. Phác họa tiêu đề gói tin có thể thực hiện bằng cách xác định mẫu, ví dụ như so sánh dữ liệu đầu vào với từ khoá cố định (KW Key word) trong tiêu đề gói tin. Ngoài ra, để giảm xác suất đồng bộ sai, có thể sử dụng hai từ khoá khác nhau là KW1 và KW2, nếu ta tách được chuỗi theo thứ tự "KW1_KW2_KW1…" thì khi đó ta có thể xác định chính xác vị trí gói tin. Người ta thường chọn KW1 và KW2 là phần bù nhị phân của nhau để đơn giản trong xử lí. Đồng bộ thô không đồng chỉnh vị trí gói tin một cách chính xác song độ lệch thời gian nhỏ hơn khe giữa các gói tin rất nhiều, do đó khắc phục được jitter thời gian giữa các gói trên các tuyến truyền quang khác nhau. Giao diện đầu ra cần đảm bảo chỉ tiêu truyền dẫn vật lý như mức nguồn, định rõ bước sóng, đường bao tín hiệu và chèn lại tiêu đề đã cập nhật. Trong bất cứ kết nối đầu cuối tới đầu cuối, các tải tin không bị chuyển đổi trở lại miền điện, và cần phải sử dụng đồng bộ quang để đồng chỉnh thời gian tải tin, từ đó duy trì tính trong suốt. Hiện tượng trôi pha jitter cũng cần được tính toán trong trường chuyển mạch để xác định chính xác phần dữ liệu và trường con trỏ trong mỗi tiêu đề cần chỉ ra vị trí phần dữ liệu so với tiêu đề. Các tiêu đề gói tin cũng cần được đồng bộ với điểm bắt đầu khe thời gian để đảm bảo thứ tự trên các bước sóng. 3.4.2 Mạng kết nối quang với bộ định tuyến IP terabit Sự tăng lên một cách khủng khiếp của tốc độ dữ liệu truyền tải trên sợi quang đã kích thích yêu cầu lớn cho các dịch vụ đa phương tiện gigabít như đào tạo từ xa và hội nghị truyền hình. Internet có khả năng hỗ trợ nhiều thông tin được truyền đi với giao thức Internet mạnh mẽ và chắc chắn, nó được coi như mặt bằng có thể đạt được cuẩ kiến trúc thông tin thế hệ kế tiếp. Chìa khoá cho sự thành công của Internet thế hệ tiếp theo (NGI) nằm trong sự triển khai các bộ định tuyến terabit để thích hợp với sự tăng trưởng theo cấp số mũ của lưu lượng đa phương tiện. Xây dựng bộ định tuyến IP với dung lượng nhiều terabit trên giây thì vẫn còn phải xem xét. Nhiệm vụ khó khăn của việc xây dựng bộ định tuyến terabit gồm: Thực thi một trường chuyển mạch dung lượng lớn cung cấp kết nối tốc độ cao cho một số các module định tuyến dung lượng nhỏ hơn (RM). Tìm ra kế hoạch phân xử nhanh giải quyết xung đột đầu ra trong thời gian bắt buộc nghiêm ngặt trong khi vẫn đảm bảo thông lượng lớn và độ trễ thấp. Bằng cách phối hợp mạnh mẽ cả hai công nghệ quang và điện, một kiến trúc chuyển mạch gói terabít đã được đề xuất mà sử dung mạng kết nối quang không bộ đệm không tắc nghẽn (ONI) để kết nối nhiều module định tuyến điện. Lý do mà ONI được ưa dùng hơn mạng kết nối diện(EIN) là do giảm được sợi kết nối và loại trừ được vấn đề của giao diện điện từ trong EIN. OIN lợi dụng được sự tiên tiến của công nghệ WDM bằng việc mang nhiều gói với các bước sóng khác nhau và vì công nghệ này cung cấp băng thông lớn cho mỗi sợi kết nối. Kết quả là tổng số sợi kết nối bị giảm rõ rệt. OIN sử dụng phân cấp tiếp cận lựa chọn và quảng bá để kết nối các bộ thu và phát quang. Như công nghệ WDM ghép 100 bước sóng trong cửa sổ 1550 nm và khuyếch đại chúng một cách đồng thời. Thêm nữa nổi bật của sự tích hợp lai ghép quang ở các kênh sóng quang phẳng(PCL) và thiết bị bán dẫn phát triển làm cho giá hệ thống quang giảm. Vì vậy, OIN dựa trên WDM và công nghệ tích hợp lai ghép quang đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp dung lượng chuyển mạch terabít trên giây. Một nhiệm vụ khó khăn khi đồng bộ các tín hiệu dữ liệu quang và các tín hiêu điều khiển điện. Một cặp bít được sử dụng như thời gian bảo vệ để phá vỡ tốc độ chuyển mạch thấp hơn của các thiết bị quang. Một mạch trễ điện có thể điều chỉnh cũng được sử dụng để các tín hiệu điều khiển lần lượt xắp theo các tín hiệu dữ liệu quang. 3.4.2.1 Kiến trúc bộ định tuyến IP terabit. Hình 4.8 mô tả các phần tử chính của bộ định tuyến IP terabit, OIN hỗ trợ chuyển mạch không tắc nghẽn và dung lượng cao, khối phân xử Ping –Pong giải quyết xung đột đầu ra và điều khiển các thiết bị chuyển mạch, các RM thực hiện chuyển tiếp các gói IP, và RC cấu trúc thông tin định tuyến cho RM. Có hai loại RM là RM đầu vào (IRM) và RM đầu ra (ORM). Cả hai đều thực hiện nhiệm vụ đệm gói IP, quét bảng định tuyến, lọc gói và các giao diện linh hoạt như OC-3, OC12, OC-48, chuẩn Ethernet Gigabít. Kết nối giữa RC và các RM được thực hiện với các bus chuyên dụng hoặc thông qua OIN. Hình 3.8: Kiến trúc bộ định tuyến IP terabit. 1 Sự tăng tốc Trong kỹ thuật chuyển mạch thì độ dài đoạn cố định thường nhận được từ các bộ định tuyến dung lượng cao để phối hợp chuyển mạch tốc độ cao và hiệu năng hệ thống tốt hơn. Hình 3.9(a) đề xuất hai nhân tố tăng tốc độ để phối hợp 100% thông lượng dưới lưu lượng kiểu bó với phân phối hình học và trung bình đột phát kích cỡ 10 đoạn gói. Hình 3.9(b) chỉ ra trễ trung bình tương ứng. Tổng số trễ trung bình hàng đợi đầu vào và đầu ra rất gần với danh giới lý thuyết của hàng đợi đầu ra. Trễ đầu vào ở thứ tự nhỏ hơn trễ tổng, vết mờ một chuyển mạch hàng đợi với độ tăng tốc 2, trung bình sẽ thực hiện gần bằng chuyển mạch hàng đợi đầu ra hoàn toàn. (a) (b) Hình 3.9: Đặc tính chuyển mạch. Sự tăng tốc gây ra nhiều khó khăn về hai khía cạnh: Tốc độ truyền chuyển mạch phải tăng gấp đôi tới 10Gbít/s Chia đều thời gian phân xử. Khó khăn đầu tiên có thể dễ dàng giải quyết nhờ công nghệ kết nối quang, còn khó khăn thứ hai nhờ sự phối hợp PPA. 2 Luồng gói dữ liệu Một đoạn dữ liệu được chọn đơn vị 64 byte để tương thích với các gói IP ngắn nhất (40 byte). Các gói IP độ dài thay đổi được phân đoạn trước khi chuyển qua trường chuyển mạch. Hình 4.10 mô tả luồng gói thông qua các bộ định tuyến. Một bộ phân nhiệm gói luân chuyển đơn giản được sử dụng tại mỗi giao diện đầu vào (ILI) để xắp xếp các gói đến từ các giao diện khác nhau. Bộ phân nhiệm sử dụng một bộ đệm FIFO ở mỗi giao diện để lưu trữ các gói đầu vào. Khi tốc độ đường đầu ra của phân nhiệm phụ thuộc vào tất cả các giao diện, nó cũng chỉ ra sự biến động gói lớn nhất tại mỗi FIFO đường đầu vào chỉ gấp đôi kích cỡ gói IP lớn nhất. Vì vậy, bộ đệm giống nhau được chọn để tránh mất gói. Hình 3.10: Các luồng gói qua bộ định tuyến. Các gói ra khỏi bộ nhân nhiệm được đưa vào giao diện chuyển mạch đầu vào (ISI) mà ở đó phân đoạn gói tin để mang đi. Trong khi gói được phân đoạn thì đầu tiên mào đầu IP được kiểm tra bởi bộ lọc gói đầu vào (IPF) để bảo mật mạng phân lớp luồng, như chỉ ra trong hình 4.8. Sau đó mào đầu được gửi tới phương tiện chuyển tiếp đầu (IFE) vào để quét bảng định tuyến IP mà quyết định gói được đưa đến ORM nào. Đoạn dữ liệu được lưu trữ trong FIFO trong khi chờ sự phân sử trước khi chuyển qua OIN. Thứ tự chuyển tiếp là từng gói, chứ không phải từng cell với mỗi ISI thứ tự ghép lại một cách đơn giản. Thêm số các cổng đầu vào vào mỗi đoạn trước khi đưa vào OIN để đảm bảo gói được ghép đúng tại cổng đầu ra. Các đoạn của một gói đến cổng cổng ra được chèn cùng với các gói từ các cổng đầu vào khác. Trong khi một gói được ghép lại thì các mào đầu IP được gửi tới bộ lọc gói đầu ra (OPF) sau đó phương tiện chuyển tiếp đầu ra (OFE) với cách quét bảng định tuyến IP khác để quyết định gói này được đưa đến giao diện đi ra nào. Sau đó các gói được quảng bá từ giao diện đường ra tới tất cả giao diện cần thiết. Mỗi giao diện duy trì hai FIFO hỗ trợ hai thuộc tính lưu lượng: Các gói thời gian thực(RT) và không thời gian thực (NRT). 3.4.2.2 Bộ điều khiển tuyến và module bộ định tuyến Các RM được kết nối bởi OIN thực hiện chuyển gói theo kiểu phân phối, như hình 11.20. Các nhiệm vụ chạy các giao thức định tuyến đa hướng và đơn hướng cùng các giao thức điều khiển khác được mang đi bởi trung tâm RC theo thứ tự xúc tiến truyền tải dữ liệu tại mỗi RM. Mỗi RM chủ yếu gồm giao diện đường vào/ra (ILI/OLI), giao diện chuyển mach (ISI/OSI), bộ lọc gói (IPF/OPF), phương tiện chuyển tiếp (IFE/OFE). 1 Các phương tiện chuyển tiếp đầu vào và ra Chức năng quét bảng định tuyến được thực hiện bởi IFE và OFE trong mỗi IRM và ORM. Một vài kỹ thuật quét bảng định tuyến được đề suất trong thời gian gần đây. Các IFE và OFE chỉ ra sự sai khác nhỏ trong khi thực hiện chuyển gói. Khi một IFE thu một gói vào, đầu tiên thông qua mào đầu IP. Nếu mào đầu không có hiệu lực, đơn giản gói sẽ bị loại bỏ. Cách khác, IFE sẽ xác định gói này có thuộc IFE hay không để điều khiển bản tin hoặc dữ liệu và sau khi đã được xuất phát đúng. Khi điều khiển bản tin, IFE chuyển tiếp các gói thông qua kênh điều khiển như bus PCI hoặc qua OIN để tới RC. Với dữ liệu, phụ thuộc vào việc gói này có truyền đơn hoặc đa hướng hay không, IFE sẽ thực hiện quét bảng đơn hoặc đa hướng để tìm ra các ORM đích và các thông tin này được chuyển qua ISI. Sau đó ISI sẽ chuyển gói thông qua OIN tới các ORM. Khi các bản tin điều khiển được xử lý bằng các IFE, các OFE chỉ phân phối dữ liệu. Một OFE thực hiện quét bảng định tuyến IP giống nhau để nhận các gói và xác định các đầu ra tới các bộ định tuyến hoặc host tiếp theo, và thông tin này được chuyển tới OSI. OSI sẽ chuyển mỗi gói tới giao diện đi ra. 2 Các giao diện chuyển mạch đầu vào và ra Hình 3.11 và 3.12 mô tả các thành phần và chức năng trong ISI và OSI. Chức năng của ISI gồm: Phân đoạn gói. Đệm đoạn dữ liệu. Điều khiển chuyển tiếp đoạn tại cổng vào của OIN. Hình 3.11: Giao diện chuyển mạch đầu vào. Hình 3.12: Giao diện chuyển mạch đầu ra. Trong khi một gói bắt đầu phân đoạn, mào đầu gói tin IP được lấy ra và gửi tới IPF để thực hiện lọc đầu vào, sau đó tới IFE để xử lý quét bảng IP, các đầu ra nơi mà các thông tin được gửi đến (gọi là kiểu đa hướng - MP) của gói vào một FIFO MP. Trong lúc đó, một bít mào đầu được thêm vào mỗi đoạn để chỉ ra có đoạn cuối của một gói hay không. Thông tin này được sử dụng để xác định bao gói. Các đoạn được đệm trong hàng đợi FIFO dữ liệu với đoạn HOL đưa vào IPC để truyền đi. IPC đem lại kiểu truyền đa hướng từ hàng đợi FIFO MP khi nào đoạn đầu tiên của gói đến được. Tại mọi khe thời gian, IPC giữ tín hiệu yêu cầu gửi tới PAU, và đợi tín hiệu chấp nhận, sau đó cập nhật kiểu truyền đa hướng để chuẩn bị cho yêu cầu tiếp theo. Nếu tất cả yêu cầu được chấp nhận thì tức là đoạn hiện thời đã được chuyển tiếp mọi đích, sau đó IPC đọc đoạn mới từ dữ liệu hàng đợi và kiểm tra nó nếu là đoạn đầu tiên của gói. Nếu không, MP hiện thời được sử dụng cho đoạn. Nếu như thế, IPC nhận MP mới từ hàng đợi FIFO MP và lặp lại thủ tục. Lúc bắt đầu truyền trong OIN, mỗi đoạn được đánh dấu với một số nhận dạng cổng vào theo thứ tự ghép gói lại một cách thích hợp tại đầu ra,. Tại mỗi OSI, đoạn dữ liệu từ OIN được lưu trữ trong bộ nhớ đoạn dữ liệu được tổ chức như danh sách tuyến kết nối tất cả các đoạn của mỗi gói như trong chuyển mạch bộ nhớ chia xẻ. Có một con trỏ hàng đợi FIFO rỗi giữ các con trỏ bộ nhớ sử dụng. Một con trỏ bộ nhớ khác được chỉ định bởi số cổng đầu vào và sử dụng để lưu trữ đầu, cuối con trỏ của danh sách tuyến khi các gói bắt đầu được truyền qua OIN tới đầu ra. Tất cả các đoạn của gói đến được đích thì toàn bộ danh sách tuyến kết nối hoàn thành và bộ xử lý mào đầu đoạn (SHP) sẽ chuyển tiếp đầu con trỏ tới hàng đợi FIFO cho chương chình khởi hành gói. Hàng đợi mào đầu con trỏ FIFO giữ các gói theo thứ tự thời gian đến của chúng. 3 Bộ điều khiển định tuyến RC trong bộ định tuyến thực hiện ba nhiệm vụ chính: Thực hiện các giao thức định tuyến (như ICMP, IGMP và SNMP), thay đổi bản tin điều khiển thông qua các RM với các bộ định tuyến ở cạnh và các server quản lý mạng, bảo dưỡng dựa trên các thông tin định tuyến(RIB) trong hệ thống. Dựa trên RIB , tính toán, cập nhật và phân phối bảng chuyển tiếp đơn hay đa hướng IP(còn gọi là dựa trên thông tin chuyển tiếp-FIB) tới mọi RM. Thực hiện quản lý việc lọc gói . 3.4.2.3 Mạng kết nối quang Hình 3.13 chỉ ra mạng kết nối quang được đề xuất cấu hình 256´256, nó dễ dàng cung cấp chức năng truyền thống đa hướng do nó có thuộc tính lựa chọn và quảng bá. OIN gồm hai loại modul chuyển mạch quang là modul quang đầu vào (IOM) và đầu ra (OOM). Có 16 modul đầu vào, mỗi modul sử dụng một tập 16 bước sóng khác nhau (l1…l16), mỗi tuyến tại IOM được gán một khe bước sóng riêng, mà các đoạ gói được truyền đi dưới dạng sóng mang. Trong mỗi khe thời gian, 16 đoạn gói tại một IOM được ghép lại bởi bộ định tuyến AWG. Tín hiệu ghép sau đó được truyền quảng bá tới tất cả các OOM nhờ bộ tách 1´16 quang thụ động. Hình 3.13: Mạng kết nối quang 256´256. Tại mỗi OOM, trường chuyển mạch kết nối hoàn toàn 16´16 thực hiện chức năng chuyển mạch đa hướng bằng cách điều khiển chính xác các cổng SOA. Tổng có 256 cổng SOA trong mỗi OOM. Bộ lọc khả chỉnh được điều khiển bởi PAU sử dụng phương pháp chọn linh hoạt một trong 16 bước sóng ở mọi khe thời gian. Như mô tả trong hình 4.14 bộ lọc được mang đoạn gói từ tuyến thứ k của IOM thứ i được đưa đến đích thứ q và tuyến ra thứ 16 của OOM thứ j , 1£i,j,q,k£16. Hai kết nối đa hướng đó được thiết lập nhờ việc bật cá cổn SOA với chỉ mục (i,j,q) và (i,j,16). Các bộ lọc khả chỉnh tại các tuyến thứ q và thứ 16 của OOM thứ j được bật với chỉ mục k do PAU cung cấp. Hình 3.14: Điều khiển modul quang đẩu ra thứ j. Các bộ lọc khả chỉnh được sử dụng để thực hiện lựa chọn bước sóng trong OIN. Có 3 loại có thể được sử dụng để lọc: + Bộ lọc khả chỉnh loại 1: Như hình vẽ 4.15 việc lựa chọn bước sóng được thực hiện trong miền điện. Hình 3.15: Bộ lọc khả chỉnh loại 1. Mỗi đầu ra của trường chuyển mạch 16´16 được kết nối tới một bộ định tuyến AWG 1´16. Hình 3.16 chỉ ra kết nối 16 ´16. Ví dụ nếu tín hiệu WDM đưa vào cổng thứ 7 của AWG, chỉ có bước sóng thứ 14 sẽ được gửi đi thông qua cổng ra thứ 8. Mỗi bước sóng ghép được phát hiện nhờ bộ phát hiện tín hiệu tốc độ cao. Mỗi bộ phát hiện có một cấu trúc đường dẫn sóng laser và có thể được tích hợp một cách vững chắc với bộ định tuyến AWG, vì vậy đã tăng được độ linh hoạt và giảm được giá thành đóng gói bộ định tuyến. Cuối cùng bộ lựa chọn điện 16´ 1 được sử dụng để lựa chọn tín hiệu yêu cầu từ 16 bộ phát hiện. Bộ lựa chọn được điều khiển bởi 4 bít tín hiệu điều khiển của PAU. Bộ lọc khả chỉnh loại 2: Như mô tả trong hình 4.17 nó thực hiện lựa chọn bước sóng trong miền quang, có 2 AWG. AWG 1´16 thứ nhất thực hiện phân kênh trong khi AWG 16´1 thứ hai thực hiện ghép kênh. Bằng cách điều khiển thích hợp các cổng SOA, chỉ một trong 16 bước sóng được lựa chọn. Bước sóng được lựa chọn chuyển tới AWG thứ 2 và sau đó được chuyển đổi thành tín hiệu điện nhờ một bộ phát hiện. Một kỹ thuật gán trực tiếp PLC-PLC được sử dụng để cấu trúc loại bộ lọc này và để tích hợp các bộ định tuyến AWG và các cổng SOA. Sự tích hợp này giảm được mất gói kép và tăng độ linh động. Đầu vào Đầu ra 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 2 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1 3 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1 2 4 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1 2 3 5 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1 2 3 4 6 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1 2 3 4 5 7 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1 2 3 4 5 6 8 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1 2 3 4 5 6 7 9 9 10 11 12 13 14 15 16 1 2 3 4 5 6 7 8 10 10 11 12 13 14 15 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 11 11 12 13 14 15 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 12 13 14 15 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 13 13 14 15 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 14 14 15 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 15 15 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 16 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Hình 3.16: Kết nối bộ định tuyến AWG 16´16. Hình 3.17: Bộ lọc khả chỉnh loại 2 Bộ lọc khả chỉnh loại 3: Như mô tả trong hình 4.18 ngược với bộ lọc loại 2, nó chỉ sử dụng một bộ định tuyến AWG 16´16. Bất cứ bước sóng nào cũng được lựa chọn thông qua sự phối hợp của các cổng SOA tại phía vào và ra của bộ định tuyến AWG. Hình 4.19 chỉ ra cách chọn một trong 16 bước sóng. Bộ định tuyến AWG 16´16 sẽ định tuyến bước sóng lk từ cổng đầu vào x (x=1,…,16) tới cổng đầu ra y (y=1,….,16) với k = (x+y-1) mod 16. Ví dụ l7 sẽ được lựa chọn thành đầu ra bằng cách mở cổng SOA thứ 3 tại phía đầu vào và SOA thứ 5 tại phía đầu ra của bộ định tuyến AWG. Số cỏng SOA trong bộ lọc loại này giảm được một nửa. Nhưng nó có công suất mất gói lớn hơn hai loại bộ lọc ở trên do bộ tách 1´4 và bộ ghép 4´1. Hình 3.18: Bộ lọc khả chỉnh loại 3. Đầu vào Đầu ra 1 5 9 13 1 1 5 9 13 2 2 6 10 14 3 3 7 11 15 4 4 8 12 16 Hình 3.19: Kết nối bộ lọc khả chỉnh loại 3. 3.4.2.4 Khối phân xử Ping –Pong Như chỉ ra trong hình 11.20, PAU được sử dụng trong bộ định tuyến của chúng để phân phối truyền các đoạn gói trong OIN. Nói các khác, khi một đoạn HOL bắt đầu được truyền qua OIN thì đoạn tiếp theo cũng gửi yêu cầu tới khối quyết định. Trong thứ tự tối thiểu trễ chuyển tiếp các tín hiệu yêu cầu đa hướng cần 256 bộ quyết định song song, mỗi bộ quyết định liên kết với một đầu ra và xử lý 256 tín hiệu yêu cầu đầu vào. Các tín hiệu yêu cầu truyền thông đa hướng phía đầu vào phải được xử lý đồng thời trong một khe thời gian, tức là 51,2ns cho 64 byteđoạn dữ liệu truyền ở tốc độ 10Gbit/s. Để hiểu được nguyên lý sự phân xử Ping Pong ta xem xét một chuyển mạch gói N đầu vào. Để giải quyết xung đột đầu vào thì giải pháp là sử dụng một bộ phân xử tại mỗi đầu vào để lựa chọn đúng đắn một gói vào và gửi ngược trở lại một tín hiệu chấp nhận tới đầu vào tương ứng. Thủ tục phân xử như sau: Trong suốt mọi chu kỳ phân xử, mỗi đầu vào đệ trình một bít tín hiệu yêu cầu tới mỗi đầu ra (bộ phân xử ), chỉ thị có gói hay không được truyền đến đầu ra. Mỗi bộ phân xử đầu ra tập hợp N tín hiệu yêu cầu mà giữa một đầu vào yêu cầu kích hoạt được chấp nhận tuỳ thuộc vào thứ tự ưu tiên. Một tín hiệu chấp nhận sẽ gửi quay trở lại đầu vào bản tin báo nhận. KẾT LUẬN Mạng gói quang chỉ mới được nghiên cứu trong gần một thập niên. Và đã có rất nhiều thay đổi cả về các thiết bị cũng như lưu lượng truyền trên mạng quang. Còn rất nhiều vấn đề chưa có lời giải nhưng công nghệ quang bắt đầu đánh dấu những trưởng thành. Các mạng quang trải rộng từ các mạng đường dài tới các mạng truy nhập, và từ các mạng phức tạp, hiệu năng cao, linh động. Chuyển mạch gói quang sẽ chắc chắn còn phải nghiên cứu nhiều hơn nữa khi chuyển mạch burst quang đã có đầy đủ cơ hội để thành kỹ thuật có thể thực hiện được trong vài năm tới. Và nếu các mạng gói quang vẫn còn trong thời gian hoàn thiện thì sự cải thiện của chuyển mạch kênh quang, công nghệ quang và các thiết bị sẽ mở ra tương lai của các mạng chuyển mạch gói quang. Đồ án này chưa thể đi sâu nghiên cứu về công nghệ chuyển mạch gói quang, tuy nhiên nó có thể là bước mở đầu để tìm hiểu kĩ về công nghệ mạng tương lai. Để thực hiện thành công công nghệ chuyển mạch gói quang vào mạng thực tế, đòi hỏi sự phát triển rất lớn của công nghệ quang, đặc biệt là công nghệ xử lí quang. Tuy nhiên đồ án này cũng cho phép kết hợp hiệu quả giữa khả năng xử lí điện tốc độ cao với khả năng khổng lồ của truyền dẫn sợi quang hiện có! Hy vọng rằng trong một tương lai gần, công nghệ này sẽ được ứng dụng thành công !

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • docxPhân tích các mạng chuyển động mạch.docx
Luận văn liên quan