đồ án : ĐỒNG BỘ TRONG CHUYỂN MẠCH GÓI QUANG

đồ án :ĐỒNG BỘ TRONG CHUYỂN MẠCH GÓI QUANGĐồ án tốt nghiệp đại học Mục lụciiiTrịnh Thị Thanh Hoa, D04VT1MỤC LỤCMỤC LỤCiDANH MỤC HÌNH VẼiiiBẢNG CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮTvLỜI NÓI ĐẦU1CHƯƠNG 13GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CHUYỂN MẠCH QUANG31.1 Khái niệm chuyển mạch quang31.2 Phân loại chuyển mạch quang51.2.1 Chuyển mạch kênh quang51.2.2 Chuyển mạch gói quang81.2.3 Chuyển mạch burst quang91.2.4 So sánh giữa các loại chuyển mạch quang111.3 Kết luận chương 112CHƯƠNG 214CHUYỂN MẠCH GÓI QUANG142.1 Kiến trúc node chuyển mạch gói quang142.2 Bộ đệm và các kỹ thuật đệm172.2.1 Bộ đệm đầu ra172.2.2 Bộ đệm chia sẻ182.2.3 Bộ đệm vòng182.2.4 Bộ đệm đầu vào192.3 Trường chuyển mạch gói quang192.3.1 Trường chuyển mạch quang192.3.1.1 Trường chuyển mạch không gian192.3.1.2 Trường chuyển mạch thời gian222.3.1.3 Trường chuyển mạch bước sóng242.3.1.4 Trường chuyển mạch mã quang282.3.2 Trường chuyển mạch gói quang282.3.2.1 Chuyển mạch dựa trên trường chuyển mạch không gian282.3.2.2 Chuyển mạch định tuyến bước sóng322.3.2.3 Chuyển mạch quảng bá - lựa chọn342.3.2.4 Chuyển mạch định tuyến quang phân khe thời gian372.4 Mô hình chuyển mạch382.4.1 Kiến trúc chuyển mạch ATMOS382.4.2 Kiến trúc chuyển mạch KEOPS392.4.3 Kiến trúc chuyển mạch WASPNET402.5 Kết luận chương 241CHƯƠNG 342VẤN ĐỀ ĐỒNG BỘ TRONG CHUYỂN MẠCH GÓI QUANG423.1 Giới thiệu chung423.2 Kỹ thuật đồng bộ gói và bit quang433.3 Kiến trúc đồng bộ483.4 Sắp xếp gói513.5 Đồng bộ đầu vào533.6 Đồng bộ đầu ra543.7 Kết luận chương 356KẾT LUẬN57TÀI LIỆU THAM KHẢO58

HỌC VIỆN CôNG NGHỆ BƯU CHíNH VIỄN THôNG

KHOA VIỄN THôNG 1

-o0o -CỘNG Hòa Xã HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

-o0o -Đề tài đồ án tốt nghiệp đại học Họ và tên: Trịnh Thị Thanh Hoa Lớp: D04VT1 Khoá: 2004 – 2008 Nghành học: Điện tử - Viễn thông Tên đề tài: đồng bộ trong chuyển mạch gói quang Nội dung đồ án:  Giới thiệu chung về chuyển mạch quang  Chuyển mạch gói quang  Vấn đề đồng bộ trong chuyển mạch gói quang Ngày giao đề tài:………

Ngày nộp đồ án:………

Hà nội, ngày… tháng… năm 2008 Giáo viên hớng dẫn Ths Nguyễn Thị Thu Nga Nhận xét của giáo viên hớng dẫn ………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

§iÓm: ……… (B»ng ch÷: ………)

Ngµy…… th¸ng…… n¨m 2008 Gi¸o viªn híng dÉn Ths NguyÔn ThÞ Thu Nga NhËn xÐt cña gi¸o viªn ph¶n biÖn ………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Điểm:………… (Bằng chữ: ……… )

Ngày…… tháng … năm 2008 Giáo viên phản biện MụC LụC MụC LụC c DANH MụC HìNH Vẽ ii

BảNG CáC THUậT NGữ VIếT TắT iv

LờI NóI ĐầU 6

Chơng 1 8

Giới thiệu chung về chuyển mạch quang 8

1.1 Khái niệm chuyển mạch quang 8

1.2 Phân loại chuyển mạch quang 10

1.2.1 Chuyển mạch kênh quang 10

1.2.2 Chuyển mạch gói quang 13

1.2.3 Chuyển mạch burst quang 14

1.2.4 So sánh giữa các loại chuyển mạch quang 15

1.3 Kết luận chơng 1 16

Chơng 2 18

chuyển mạch gói quang 18

2.1 Kiến trúc node chuyển mạch gói quang 18

2.2 Bộ đệm và các kỹ thuật đệm 20

2.2.1 Bộ đệm đầu ra 21

2.2.2 Bộ đệm chia sẻ 21

2.2.3 Bộ đệm vòng 21

2.2.4 Bộ đệm đầu vào 22

2.3 Trờng chuyển mạch gói quang 23

2.3.1 Trờng chuyển mạch quang 23

2.3.1.1 Trờng chuyển mạch không gian 23

2.3.1.2 Trờng chuyển mạch thời gian 25

2.3.1.3 Trờng chuyển mạch bớc sóng 26

2.3.1.4 Trờng chuyển mạch mã quang 30

2.3.2 Trờng chuyển mạch gói quang 31

2.3.2.1 Chuyển mạch dựa trên trờng chuyển mạch không gian 31

2.3.2.2 Chuyển mạch định tuyến bớc sóng 34

2.3.2.3 Chuyển mạch quảng bá - lựa chọn 36

2.3.2.4 Chuyển mạch định tuyến quang phân khe thời gian 39

2.4 Mô hình chuyển mạch 40

2.4.1 Kiến trúc chuyển mạch ATMOS 40

2.4.2 Kiến trúc chuyển mạch KEOPS 41

2.4.3 Kiến trúc chuyển mạch WASPNET 41

2.5 Kết luận chơng 2 42

Chơng 3 43

Vấn đề đồng bộ trong chuyển mạch gói quang 43

3.1 Giới thiệu chung 43

3.2 Kỹ thuật đồng bộ gói và bit quang 44

3.3 Kiến trúc đồng bộ 49

3.4 Sắp xếp gói 51

3.5 Đồng bộ đầu vào 53

3.6 Đồng bộ đầu ra 54

3.7 Kết luận chơng 3 56

KếT LUậN 57

TàI LIệU THAM KHảO 58

DANH MụC HìNH Vẽ

Hình 1.1 Chuyển mạch quang dựa trên cổng SOA 9

Hình 1.2 Bộ định tuyến bớc sóng 10

Hình 1.3 Mạng chuyển mạch kênh 11

Hình 1.4 Tín hiệu trong chuyển mạch kênh 12

Hình 1.5 Mạng chuyển mạch gói quang 13

Hình 1.6 Mô hình mạng chuyển mạch burst quang 15

Hình 2.1 Cấu trúc node chuyển mạch gói quang 18

Hình 2.2 Chuyển mạch gói với bộ đệm đầu ra 21

Hình 2.3 Chuyển mạch quay vòng STARLITE 22

Hình 2.4 Chuyển mạch đệm đầu vào, có HoL 22

Hình 2.5 Chuyển mạch quang không gian 23

Hình 2.6 Trạng thái của phần tử chuyển mạch không gian 2x2 24

Hình 2.7 Phơng án thực hiện phần tử chuyển mạch quang không gian 2x2 24

Hình 2.8 Ma trận chuyển mạch vi gơng 25

Hình 2.9 Sơ đồ khối chuyển mạch theo thời gian 26

Hình 2.10 Cấu trúc cơ bản của bộ chuyển mạch bớc sóng 27

Hình 2.11 Bộ chuyển mạch bớc sóng 27

Hình 2.12 Chuyển mạch theo bớc sóng sử dụng cho quảng bá và lựa chọn 28

Hình 2.13 Chuyển mạch định tuyến bớc sóng 28

Hình 2.14 Bộ định tuyến lới ống dẫn sóng 29

Hình 2.15 Bộ trao đổi kênh bớc sóng 30

Hình 2.16 Cấu trúc chuyển mạch xen kẽ 31

Hình 2.17 Cấu trúc chuyển mạch gói quang bộ đệm đầu ra 32

Hình 2.18 Chuyển mạch không gian không đệm với TWC 33

Hình 2.19 Kiến trúc chuyển mạch gói DAVID 33

Hình 2.20 Kiến trúc chi tiết của khối chuyển mạch DAVID 34

Hình 2.21 Các phần chính của chuyển mạch định tuyến bớc sóng 35

Hình 2.22 Chuyển mạch định tuyến đệm đầu vào 36

Hình 2.23 Cấu hình của chuyển mạch quảng bá và lựa chọn 37

Hình 2.24 Cấu trúc chuyển mạch ULPHA 38

Hình 2.25 Cấu trúc chuyển mạch bộ nhớ lặp sợi 38

Hình 2.26 Cấu trúc chuyển mạch định tuyến quang phân khe thời gian 39

Hình 2.27 Chuyển mạch gói ATMOS 40

Hình 2.28 Chuyển mạch gói quang KEOPS 41

Hình 2.29 Chuyển mạch WASPNET 42

Hình 3.1 Các vấn đề đồng bộ tại một node chuyển mạch gói quang NxN 43

Hình 3.2 Trễ biến đổi sinh ra tại đầu ra do sự thay đổi nhiệt độ của laser diode từ 600C đến 20C 45

Hình 3.3 Trễ so với nhiệt độ của laser diode và trễ điều chỉnh do hằng số thời gian RC giảm tại nhiệt độ cao 46

Hình 3.4 Jitter tuyệt đối và tơng đối đợc đo trớc và sau khi truyền dẫn qua sợi quang dài 6,5 km 47

Hình 3.5 Số lợng bit cực đại bởi trễ độ dịch bớc sóng 5 nm và 20 nm cho hai sợi quang khác nhau (D.L = 50 ps/nm và 20 ps/nm) 48

Hình 3.6 Định dạng gói tin 49

Hình 3.7 Sắp xếp gói trong khe thời gian 50

Hình 3.8 Hai khả năng khi phân tích gói trớc khi đồng bộ 50

Hình 3.9 Đồng bộ gói trong trờng hợp lệch gói và tiêu đề đợc ghi lại ở khối giao diện đầu ra 51

Hình 3.10 Đồng bộ trong trờng hợp rung pha và tiêu đề đợc ghi lại ở khối giao diện

đầu vào 51

Hình 3.11 Sắp xếp gói trong mạng đồng bộ 52

Hình 3.12 Cấu trúc khối đồng bộ đầu vào 54

Hình 3.13 Hệ thống đồng bộ đầu ra 55

BảNG CáC THUậT NGữ VIếT TắT

AOWC All Optical Wavelength Converter Bộ chuyển đổi bớc sóng toàn quang

ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền tải không đồng bộ

ATMoS ATM Optical Switching Chuyển mạch quang ATM

AWG Arrayed – Waveguide Grating Cách tử ống dẫn sóng ma trận

CDMA Code Devision Multi Access Đa truy nhập phân chia theo mã

DFB Distributed FeedBack laser Laser hồi tiếp phân bố

DLE Dynamic Lightpath Establishment Thiết lập luồng quang động

EDFA Erbium Doped Fibre Amplifiers Khuyếch đại quang sợi Erbium

FIFO First In, First Out V o trà ước, ra trước

FWHM Full Width at Half Maximum Độ rộng tại mức nửa cực đại

HEC Header Error Check Kiểm tra lỗi tiêu đề

ISDN Integrate Services Data Network Mạng tích hợp đa dịch vụ

KEOPS KEys to Optical Packet Switching

KWR Key Word Recogniser Mã nhận dạng gói dùng để sắp xếp góiMZI Mach - Zehnder Interferometer Bộ giao thoa kế Mach – Zehnder

NGN Next Generation Network Mạng thế hệ tiếp theo

OBS Optical Burst Switching Chuyển mạch Burst quang

OCDM Optical Code Devision Multiplexer Ghép phân chia theo mã quang

OPS Optical Packet Switching Chuyển mạch gói quang

OSPF Open Shortest Path First Giao thức đờng ngắn nhất theo thứ tự mởOTDM Optical Time Devision Multiplexer Ghép kênh phân chia theo thời gian quangPSTN Public Switching Telephone Network Mạng điện thoại chuyển mạch công cộngRAM Random Access Memory Bộ nhớ truy nhập ngẫu nhiên

RMS Root – Mean - Square

RWA Routing and Wavelength Assignment Bài toán định tuyến và gán bớc sóngSDH Synchronous Digital Hierarchi Ghép kênh đồng bộ

SLE Static Lightpath Establishment Bài toán thiết lập luồng quang tĩnh

SOA Semiconductor Optical Amplifier Bộ khuyếch đại quang bán dẫn

TDM Time Dvision Multiplexing Ghép kênh phân chia theo thời gian

TWC Tunable Wavelength Converter Bộ chuyển đổi bớc sóng khả chỉnh

WC Wavelength Converter Bộ chuyển đổi bớc sóng

WCI Wavelength Channel Interchange Bộ trao đổi kênh bớc sóng

WDM Wavelength Division Multiplexer Ghép kênh phân chia theo bớc sóngWGR Waveguide-Grating Router Định tuyến cách tử dẫn sóng

WLR Wavelength Routing Định tuyến bớc sóng

LờI NóI ĐầU

Cuối thế kỷ 20 nhiều nhà khai thác viễn thông trên thế giới đã chứng kiến nhữngbiến động lớn về bản chất lu lợng truyền tải trên mạng Lu lợng phi thoại dần lấn át lulợng thoại truyền thống Nguyên nhân sâu xa của vấn đề này là do tốc độ phát triển v ợtbậc của lu lợng Internet và sự gia tăng không ngừng của số ngời sử dụng cùng các nhàcung cấp dịch vụ Internet đã làm cho Internet ngày càng trở nên hữu dụng

Kiến trúc mạng IP ngày nay đợc xây dựng theo kiểu xếp chồng giao thức nhữngcông nghệ nh ATM, SDH và WDM Do có nhiều lớp liên quan nên đặc trng của kiếntrúc này là d thừa tính năng và chi phí liên quan đến vận hành khai thác cao Hơn nữakiến trúc này trớc đây sử dụng để cung cấp chỉ tiêu đảm bảo cho dịch vụ thoại và thuêkênh, không đợc thiết kế phù hợp cho mạng số liệu Do đó nó không thật sự thích hợp

đối với các ứng dụng hoạt động dựa trên công nghệ chuyển mạch gói và đặc biệt lànhững ứng dụng có nguồn gốc IP

Một số nhà cung cấp và tổ chức tiêu chuẩn đang đề xuất những giải pháp mớikhai thác IP trên kiến trúc mạng đơn giản, ở đó lớp WDM là nơi cung cấp băng tầntruyền dẫn vô cùng lớn Những giải pháp này cố gắng giảm tối đa các tính năng d thừa,thông tin mào đầu giao thức, đơn giản hóa công việc quản lý và qua đó truyền tải IPtrên lớp WDM (lớp mạng quang) càng hiệu quả càng tốt

Việc loại bỏ các lớp mạng trung gian trong kiến trúc mạng truyền tải IP gắn liềnvới sự phát triển của công nghệ chuyển mạch quang Sự mở rộng chức năng củachuyển mạch quang tới lớp cao hơn sẽ tạo ra một kiến trúc mạng vô cùng đơn giản, và

đó cũng là mục tiêu hớng đến trong tơng lai; kiến trúc mạng chỉ gồm hai lớp: IP vàquang Chuyển mạch gói quang vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu phát triển Vấn

đề công nghệ đang là rào cản chính trong lĩnh vực này Và trong chuyển mạch góiquang thì vấn đề đồng bộ giữ vai trò hết sức quan trọng Đây là một vấn đề không hề

đơn giản và đồ án này em xin đợc nghiên cứu về vấn đề Đồng bộ trong chuyển mạch gói quang

Nội dung của đồ án bao gồm 3 chơng và phần kết luận, đợc cấu trúc nh sau:

 Chơng 1: Trình bày tổng quan về chuyển mạch quang nói chung,

tóm tắt về các kỹ thuật chuyển mạch quang

 Chơng 2: Chơng này sẽ tìm hiểu thêm về kỹ thuật chuyển mạch

gói quang với kiến trúc node chuyển mạch gói quang và các thành phầnquan trọng nhất trong node nh bộ đệm và trờng chuyển mạch

 Chơng 3: Nghiên cứu về kỹ thuật đồng bộ trong mạng chuyển

em cũng đã cố gắng tìm hiểu tài liệu và tham khảo ý kiến của giáo viên hớng dẫn nhng

do thời gian và trình độ có hạn nên không tránh khỏi thiếu sót, em mong nhận đợc sựgóp ý của các thầy cô để đề tài đợc hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Viễn thông, bộ môn thông tinquang đã giúp đỡ em trong thời gian qua Em xin cảm ơn cô Nguyễn Thị Thu Nga đãtận tình giúp đỡ em trong quá trình nghiên cứu và hoàn thanh đồ án này

Hà Nội, ngày 09 tháng 11 năm 2008

Sinh viên thực hiện

Trịnh Thị Thanh Hoa

Chơng 1 Giới thiệu chung về chuyển mạch quang

Chuyển mạch gói quang đã đợc khẳng định tính kinh tế sử dụng băng tần rấthiệu quả và khả năng hỗ trợ các dịch vụ khác nhau Khi công nghệ chuyển mạchquang cải thiện, chúng ta có thể thực hiện mạng chuyển mạch quang dựa trên gói.Khi đó các gói đợc chuyển mạch và định tuyến độc lập qua mạng trong miền quang

mà không cần biến đổi sang điện tại mỗi node Nh vậy chuyển mạch gói quang chophép một mức độ cao hơn việc ghép kênh thống kê trên các liên kết sợi quang và điềukhiển burst lu lợng tốt hơn chuyển mạch kênh Trong chơng này, chúng ta nghiên cứu

về khái niệm chuyển mạch quang, các loại chuyển mạch quang và tập trung vào kháiniệm chuyển mạch gói quang

1.1 Khái niệm chuyển mạch quang

Về nguyên lý, một chuyển mạch thực hiện chuyển lu lợng từ một cổng lối vàohoặc kết nối lu lợng trên một khối chuyển mạch tới một cổng lối ra Hệ thống chuyểnmạch quang là một hệ thống chuyển mạch cho phép các tín hiệu bên trong các sợi cápquang hay các mạch quang tích hợp đợc chuyển mạch có lựa chọn từ một mạch này tớimột mạch khác Tùy thuộc vào kỹ thuật chuyển mạch mà các thông tin đợc trao đổi dớidạng thời gian thực (chuyển mạch kênh) hoặc dới dạng ghép kênh thống kê (chuyểnmạch gói) Chuyển mạch kênh là một phơng pháp thông tin sử dụng để thiết lập chothông tin giữa hai điểm Số liệu đợc truyền trên cùng một tuyến và thông tin truyền đitrong thời gian thực Khác với chuyển mạch kênh, chuyển mạch gói thực hiện truyềncác gói số liệu độc lập Mỗi gói đi từ một cổng tới một cổng khác theo một đờng nào

đó Các gói không thể gửi tới node kế tiếp khi cha thực hiện thành công tại node trớc

đó Và nh vậy cần có các bộ đệm để tạm thời lu các gói Mỗi node trong chuyển mạchgói yêu cầu một hệ thống quản lý để thông báo điều kiện truyền thông tin tới node lâncận trong trờng hợp số liệu truyền bị lỗi

Các bộ chuyển mạch không gian và các bộ định tuyến bớc sóng là các thànhphần cơ bản của một chuyển mạch quang Một chuyển mạch không gian chỉ chuyểntheo cách đơn giản các tín hiệu từ mỗi đầu vào tới một đầu ra Có một vài cách để thựchiện một chuyển mạch không gian nhng lựa chọn tốt nhất là sử dụng các SOA (các bộkhuyếch đại quang bán dẫn) Hình 1.1 mô tả một chuyển mạch không gian

Hình 1.1 Chuyển mạch quang dựa trên cổng SOA.

Chuyển mạch dựa trên cổng SOA NxN nh mô tả ở trên gồm N bộ tách 1xN, N2

cổng SOA và N bộ trộn 1xN Nếu tín hiệu đợc chuyển tới đầu ra j, cổng j ở trạng thái

mở và các cổng khác ở trạng thái đóng Tất cả các cổng có cùng chỉ mục sẽ đợc kết nốitới một bộ trộn

Một bộ định tuyến bớc sóng có thể đợc cấu hình trớc hoặc không Nh hình vẽ1.2 mô tả bộ định tuyến bớc sóng không cấu hình trớc Mỗi tín hiệu từ đầu vào i với b-

ớc sóng j luôn đợc truyền trực tiếp tới đầu ra k Một ví dụ của bộ đinh tuyến này làAWGM Một AWGM gồm hai coupler sao và một AWG giữa chúng Coupler sao táchcác tín hiệu từ các cổng đầu vào và đa tới tất cả các lới ống dẫn sóng mà các lới ốngdẫn sóng này có độ dài khác nhau Độ trễ tín hiệu phụ thuộc vào độ dài của ống dẫnsóng và bớc sóng Coupler sao thứ hai chỉ phối hợp theo cấu trúc các tín hiệu có phakhác nhau tại một cổng đầu ra đơn

Mặc dù một bộ định tuyến bớc sóng không cấu hình trớc không có thuộc tínhchuyển mạch thì vẫn đợc sử dụng rộng rãi trong các chuyển mạch gói quang địnhtuyến theo bớc sóng ý tởng chính để mọi gói đợc chuyển đổi đầu tiên thành một bớcsóng chính xác và sau đó truyền trực tiếp tới AWGM Bởi vì AWGM chọn cổng ra củamỗi gói tuỳ thuộc cổng ra và bớc sóng, mỗi gói sẽ đợc chuyển tới cổng ra đã định

Hình 1.2 Bộ định tuyến bớc sóng

1.2 Phân loại chuyển mạch quang

Chuyển mạch có thể đợc chia thành chuyển mạch điện và chuyển mạch quang.Các chuyển mạch điện có thiết bị phát triển hơn chuyển mạch quang và việc thực thichúng dễ dàng hơn chuyển mạch quang lại đợc chia thành 3 loại:

 Chuyển mạch kênh quang

 Chuyển mạch gói quang

 Chuyển mạch burst quang

1.2.1 Chuyển mạch kênh quang

Chuyển mạch kênh quang hoạt động theo kiểu định tuyến theo bớc sóng Trongmạng chuyển mạch kênh quang, một đờng dẫn bớc sóng riêng đợc thiết lập trongkhoảng thời gian kết nối Để một mạng chuyển mạch kênh hoạt động, một kênh sẽ đợc

ấn định từ đầu tới cuối cho một kết nối Kênh này sau đó chỉ đợc đăng ký phục vụ chomột kết nối

Chuyển mạch kênh gồm có 3 giai đoạn: Thiết lập kênh, truyền dữ liệu, và giảiphóng kênh.

 Thiết lập kênh: Đăng ký một bớc sóng cố định theo đờng dẫn lựa chọn, mỗi liênkết trên đờng dẫn đợc định hớng từ nguồn tới đích tơng ứng của nó

 Truyền dữ liệu: Dữ liệu đợc gửi trên một đờng riêng Khi phân phối điều khiển

đợc sử dụng trong giai đoạn định tuyến, một khoảng thời gian yêu cầu giữa giai

đoạn thiết lập và giai đoạn truyền dẫn là T, có giá trị T=2p+delta (p là thời giantruyền một chiều), delta là tổng trễ xử lý do yêu cầu thiết thiết lập trên đ ờngtruyền) Dữ liệu trong chuyển mạch kênh không cần đệm ở các node trung gian

do kênh chỉ sử dụng phục vụ cho việc truyền dữ liệu này tại thời điểm cụ thể

 Giải phóng kênh: Sau khi dữ liệu gửi đi tới đích, kênh truyền dẫn sẽ đợc giảiphóng Đích gửi về nguồn một bản tin xác nhận Các node trên đờng truyền lầnlợt đợc giải phóng để phục vụ cho kết nối khác

Hình 1.4 Tín hiệu trong chuyển mạch kênh

Quá trình thiết lập các luồng quang bao gồm một số bớc thực hiện là tìm ra cấuhình và tài nguyên, định tuyến, gán bớc sóng báo hiệu và đặt trớc tài nguyên

Tìm ra cấu hình và tài nguyên bao gồm phân bổ và duy trì thông tin trạng tháimạng Thông tin sẽ bao gồm cấu hình mạng vật lý và trạng thái liên kết của mạng.Trong mạng định tuyến bớc sóng WDM, những thông tin này bao gồm các bớc sóng cóthể sử dụng trên một tuyến đa ra trong mạng Một giao thức phổ biến dành cho duy trìthông tin trạng thái tuyến trong mạng internet là giao thức đờng ngắn nhất theo thứ tự

Bài toán SLE có thể đợc giải nh là qui hoạch tuyến tính nguyên Để giải bài toán

dễ dàng hơn, bài toán SLE có thể chia thành 2 bài toán nhỏ : (1) là định tuyến, (2) làgán bớc sóng, mỗi bài toán này giải theo những cách khác nhau Việc giải các bài toán

Dữ liệu ng ời dùng

ACK

Tín hiệu chấp nhận cuộc gọi

Trễ xử lý Trễ đ ờng truyền

Yêu cầu cuộc gọi

thiết lập luồng quang động là khó hơn, các phơng pháp heuristic thờng đợc dùng

Ph-ơng pháp heuristic thực hiện cho cả hai bài toán định tuyến và gán bớc sóng

1.2.2 Chuyển mạch gói quang

Về nguyên tắc, chuyển mạch gói quang tổ chức dựa trên gói tiêu đề và điềukhiển đợc thực hiện trong miền quang, tuy nhiên phải trong nhiều năm nữa mới thựchiện đợc Trong thời điểm hiện nay chuyển mạch gói quang tiêu đề hoặc nhãn đợc đọc

và so sánh với một bảng định tuyến Tải số liệu sau đó sẽ đợc định tuyến tới cổng ra

t-ơng ứng với một nhãn mới (trao đổi nhãn) Điều quan trọng là tải tin đợc truyền trongsuốt qua chuyển mạch

Các gói tin đợc gửi đi trên tuyến thích hợp đợc lựa chọn bởi bộ định tuyến tạinode khi gói đến Trong đó mỗi gói có một tiêu đề tơng ứng mang thông tin về góicũng nh địa chỉ của gói, và mỗi node chuyển mạch trong mạng (các bộ định tuyến) sẽnhận thông tin này và gửi đi trên tuyến thích hợp

Hình 1.5 Mạng chuyển mạch gói quang

Hình 1.5 mô tả một mạng chuyển mạch gói Gói đợc gửi từ điểm C tới đích D.Một gói thông tin rời C và đợc gửi đi trên tuyến R1 tới R3, sau đó từ R3 gửi tới R4 vàtới D Tuy nhiên gói cũng có thể đợc truyền tới D theo các hớng khác Nếu việc truyềndẫn từ R1 tới R3 chậm hoặc bị mất, gói từ R1 sẽ đợc gửi tới R2, từ R2 tới R5 và cứ tiếptục cho tới khi tới đích

Trong chuyển mạch gói, độ dài mỗi gói là Lp, có thể cố định hoặc thay đổi từgiá trị nhỏ nhất Smin tới giá trị lớn nhất S max Trờng hợp gói có độ dài cố định, mộtbản tin kích thớc Lb sẽ đợc chia thành các gói nhỏ hơn có kích thớc giống nhau Trờnghợp gói có độ dài khác nhau, bản tin đợc chia thành Lb/Smax gói

Một đặc điểm chính của chuyển mạch gói là lu giữ và chuyển tiếp Tức là mộtgói cần phải đợc tập hợp đầy đủ tại một node nguồn và mỗi node trung gian trớc khi nó

đợc chuyển đi Đặc điểm này sẽ dẫn đến gói phải trải qua một khoảng thời gian trễ

t-ơng ứng với Lb tại mỗi node, khi đó cần phải có bộ đệm tại mỗi node trung gian củamạng có kích thớc nhỏ nhất là Smax.

Mặc dù vậy với công nghệ hiện tại cha thể thực hiện chuyển mạch quang mộtcách có hiệu quả do:

 Chuyển mạch gói quang thờng sử dụng hiệu quả cho trờng hợp không đồng bộ.Nhng các gói tới tại các cổng đầu vào khác nhau phải đợc xếp hàng trớc khi truynhập vào trờng chuyển mạch Do vậy để ứng dụng cho trờng hợp không đồng bộ

là rất khó và chi phí cao

 Một khó khăn nữa đối với chuyển mạch gói quang là sự thiếu vắng các bộ đệmquang Đặc điểm chính của chuyển mạch gói là lu đệm và chuyển tiếp Đặc

điểm này cần thiết để giải quyết vấn đề tranh chấp cổng đầu ra Tuy nhiên hiệntại cha có các bộ đệm truy nhập quang ngẫu nhiên cần thiết để thực hiện lu giữ

và chuyển tiếp

 Khó khăn nữa cho việc sử dụng chuyển mạch gói quang là thời gian yêu cầu để

định cấu hình cơ cấu chuyển mạch quang

1.2.3 Chuyển mạch burst quang

Khái niệm chuyển mạch quang xuất hiện từ đầu những năm 1980 Gần đây,chuyển mạch burst quang đợc nghiên cứu trở lại và đợc biết đến nh một giải pháp kếtiếp của chuyển mạch gói quang Thực chất chuyển mạch burst quang đợc xem xéttrong tầng quang đơn thuần nh một môi trờng truyền dẫn trong suốt không bộ đệm chocác ứng dụng Tuy nhiên không có một định nghĩa tổng quát cho chuyển mạch burstquang

Chuyển mạch burst quang đợc xem là phơng pháp kết hợp cả hai kỹ thuậtchuyển mạch kênh quang và chuyển mạch gói quang Nó đợc thiết kế đạt đợc cân bằnggiữa những u điểm của chuyển mạch kênh quang và nhợc điểm của chuyển mạch góiquang

Trong các mạng chuyển mạch burst quang, các burst dữ liệu bao gồm nhiều gói

đợc chuyển mạch thông qua mạng toàn quang Một bản tin điều khiển (tiêu đề) đợctruyền đi trớc burst tín hiệu để thiết lập cấu hình chuyển mạch trên tuyến truyền củaburst Các burst dữ liệu truyền tiếp sau tiêu đề mà không cần đợi bản tin xác nhận kếtnối đã hoàn thành

Một mạng chuyển mạch burst quang bao gồm các node chuyển mạch burstquang đợc liên kết với nhau qua các tuyến sợi quang Node mạng OBS có thể là nodebiên hoặc là các node lõi Mỗi sợi quang có thể hỗ trợ các kênh đa bớc sóng sử dụngghép kênh WDM Một chuyển mạch burst quang truyền tải một burst từ một cổng đầuvào tới cổng đầu ra tại đích của nó Các sợi liên kết có thể mang nhiều bớc sóng, mỗibớc sóng có thể đợc xem nh một kênh mang thông tin (truyền các burst thông tin) Gói

điều khiển có thể đợc truyền trong băng trên cùng kênh dữ liệu hoặc trên kênh điềukhiển riêng Một burst có thể mang một hay nhiều gói IP

Hình 1.6 Mô hình mạng chuyển mạch burst quang

Hình 1.6 mô tả một mạng chuyển mạch burst quang với hai loại node mạng lànode lõi và node biên Trong đó node lõi chỉ có chức năng thu nhận và chuyển tiếp cácburst đến các node tiếp theo trên đờng đi trong mạng Chức năng chính của node nàychỉ đơn thuần cung cấp các kết nối để chuyển tiếp burst tới node tiếp theo mà không cóchức năng cấu thành hay phân giải burst Node biên ngoài chức năng của một node lõi

nó còn phải có chức năng cấu tạo (thành lập) và phân giải các burst thông tin, là nơikết cuối hay bắt đầu của các burst Đây là node có cả giao diện tín hiệu điện với cácmạng chuyển mạch gói điện hay các mạng truy nhập Chức năng chính của node này làthu thập thông tin để cấu tạo các burst và phân giải các burst thành các dạng thông tinban đầu (gói tin hay bản tin) phân bổ chúng tới các mạng truy nhập

1.2.4 So sánh giữa các loại chuyển mạch quang

Các mạng toàn quang hiện nay đang sử dụng chủ yếu vẫn là các chuyển mạchkênh Các mạng chuyển mạch gói vẫn đang tiếp tục nghiên cứu và trên thế giới chuyểnmạch kênh quang là lựa chọn thích hợp hơn chuyển mạch gói quang Nói cách khác, lulợng viễn thông trong tơng lai vẫn còn tiếp tục bùng nổ Trong bất cứ trờng hợp nào thì

lu lợng dạng gói sẽ ở mức lựa chọn cao hơn Nếu tìm thấy một cách để thực hiện thơngmại chuyển mạch gói quang thì rõ ràng đó có thể là một kỹ thuật tốt hơn Tuy nhiênchừng nào mà các thiết bị quang cũng nh là kỹ thuật chuyển mạch vẫn cha đáp ứng đ-

ợc yêu cầu thì chuyển mạch kênh vẫn là lựa chọn số 1

Ưu điểm của chuyển mạch gói là một gói bao gồm cả tiêu đề và tải gửi đi màkhông cần thiết lập kênh và chúng chia sẻ các bớc sóng liên kết giữa các gói với các

nguồn và đích khác nhau Tuy nhiên do cơ cấu lu đệm và chuyển tiếp, mọi node đềuphải xử lý tiêu đề của gói tới để xác định tuyến truyền của gói, vì vậy cần phải sử dụng

bộ đệm tại các node Trong khi đó chuyển mạch burst quang không cần phải có b ớcsóng riêng cho mỗi kết nối đầu cuối tới đầu cuối, vì vậy sau khi burst đi qua một tuyếnliên kết thì bớc sóng sẽ đợc giải phóng ngay Khác với chuyển mạch gói, chuyển mạchburst quang không nhất thiết phải sử dụng các bộ đệm

Chuyển mạch burst quang là chuyển mạch hứa hẹn nhiều triển vọng, nó sẽ thaythế các chuyển mạch hiện tại, và sẽ mang tính thơng mại cao hơn chuyển mạch góiquang, nó tránh đợc hai vấn đề chính là: Tốc độ chuyển mạch cao và bộ đệm quang.Nghẽn cổ chai trong mạng chuyển mạch gói quang khi xử lý tiêu đề gói tin trong trờngchuyển mạch Bởi vì dữ liệu đợc móc nối vào nhau bên trong các phần tử lớn hơn trongcác mạng chuyển mạch burst, có nhiều dữ liệu / tiêu đề hơn so với các mạng chuyểnmạch gói Trớc tiên, là đạt đợc tốc độ dữ liệu cao hơn với cùng một tốc độ xử lý tiêu

đề Hơn nữa, không cần thiết phải triển khai các bộ đệm quang phức tạp Các burst cóthể đợc đệm trong miền điện tại cạnh của mạng thay cho bộ đệm tại mỗi node vì thờigian mào đầu đã đợc xử lý Các trờng chuyển mạch có thể đợc triển khai mà không cần

bộ đệm hoặc với một vài đờng trễ để giải quyết xung đột Chuyển mạch burst đã tránh

đợc những vấn đề của chuyển mạch gói, và phù hợp cho yêu cầu lu lợng hiện nay.Trong thời gian tới, chuyển mạch burst rõ ràng sẽ hấp dẫn hơn chuyển mạch góiquang, và trong cuộc đua đờng dài chuyển mạch burst dờng nh là đối thủ mạnh nhấtcủa chuyển mạch gói quang

1.3 Kết luận chơng 1

Công nghệ chuyển mạch quang với những bớc tiến nhanh đã mở ra một thời kìmới với kết quả là tạo ra một mạng toàn quang (trong mạng sẽ không còn sự chuyển

đổi quang điện, điện quang (OEO) tại các nút trung gian)

Chuyển mạch sẽ chuyển từ chuyển mạch điện sang chuyển mạch quang Quátrình chuyển đổi này sẽ qua một số giai đoạn

Giai đoạn đầu tiên là chuyển mạch kênh dựa trên mạng định tuyến bớc sóng.Tuy nhiên cả mạng chuyển mạch kênh và mạng định tuyến bớc sóng đều có tốc độ t-

ơng đối chậm với thời gian chuyển mạch vào khoảng một phần nghìn giây

Giai đoạn 2 là chuyển mạch gói quang (OPS) Mạng OPS hứa hẹn một môi ờng truyền dẫn tốt hơn và duy nhất, chuyển mạch đóng vai trò trung tâm Đồng thời,mạng OPS sử dụng hiệu quả băng tần, tăng tính mềm dẻo và dữ liệu quang trên toàn bộmạng

Giai đoạn thứ 3 là chuyển mạch burst (OBS-Optical Burst Switching) mới đợc

đa ra gần đây Trong mạng OBS, đơn vị truyền dẫn là 1 burst, một burst đợc coi nh làtập hợp dòng gói dữ liệu Mạng OBS giảm tối thiểu việc xử lý tiêu đề và bộ đệm tại cácnút trung gian Chuyển mạch burst hiệu quả hơn chuyển mạch kênh khi mà thời gian

thoại không chiếm hết toàn bộ bớc sóng Đồng thời, OBS có tốc độ chuyển mạch lêntới một phần triệu giây hoặc nhỏ hơn Mạng OBS hứa hẹn trở thành hiện thực trongmột vài năm tới.

Chúng ta cần chú ý rằng, cả 3 công nghệ chuyển mạch này có ứng dụng cực kìquan trọng, mỗi công nghệ sẽ đợc triển khai trên thực tế và đợc thay thế theo thứ tự utiên hoặc có thể cùng tồn tại trong tơng lai

Hiện nay mạng chuyển mạch gói quang vẫn cha hoàn toàn quang, các tín hiệu

đều cần chuyển đổi trở lại dạng điện trớc khi chuyển mạch và xử lí Nh vậy, các u điểmlớn của thông tin quang nh tốc độ và hiệu quả vẫn cha đợc phát huy cao do độ trễ vẫnlớn Mạng chuyển mạch gói quang có thể cha đợc áp dụng vào cuộc sống trong mộtvài năm tới do giới hạn về công nghệ quang Tuy nhiên với sự phát triển nhanh chóng

và rất nhiều các mô hình nghiên cứu chuyển mạch gói quang, mạng viễn thông sẽ cóthể áp dụng công nghệ này vào thực tiễn để đáp ứng đợc đòi hỏi ngày càng cao của cácdịch vụ ngời dùng Chơng 2 sẽ trình bày rõ hơn về chuyển mạch gói quang

Chơng 2 chuyển mạch gói quang

Trong chơng này ta sẽ tìm hiểu cụ thể về chuyển mạch gói quang, trớc hết làkiến trúc một node chuyển mạch trong mạng chuyển mạch gói quang Trong kiến trúcnode chuyển mạch gói quang thì trờng chuyển mạch và bộ đệm quang là hai thànhphần không thể thiếu và cần đợc xem xét cụ thể nhất

2.1 Kiến trúc node chuyển mạch gói quang

Kiến trúc tổng quát node chuyển mạch gói quang nh hình 2.1

Hình 2.1 Cấu trúc node chuyển mạch gói quang

Giao diện đầu vào thực hiện đồng bộ và phác họa gói tin Việc phác họa gói tinrất cần thiết để xác định tiêu đề, tách dữ liệu và viết lại tiêu đề Ngoài ra, phác họa góitin còn cần thiết để đồng bộ gói Đồng bộ gói đầu vào rất cần thiết để khắc phục hiện t-ợng jitter chậm, và thờng thực hiện bằng cách làm trễ gói tin trong một thời gian xác

định

Giao diện đầu ra sẽ tái tạo lại gói tin hay khuyếch đại dữ liệu, viết lại tiêu đề gói

và đồng bộ ở đầu ra Thực hiện đồng bộ đầu ra là một yêu cầu cần thiết để khắc phục

sự biến đổi độ trễ khác nhau trong node chuyển mạch

Khối điều khiển sẽ đọc tiêu đề gói tin và dựa trên thông tin đó để điều khiểnphần chuyển mạch Tiêu đề gói tin có thể đợc quản lí bằng điện hoặc bằng quang, ở

đây ta chỉ đề cập tới tiêu đề có dạng tín hiệu điện để thực hiện điều khiển

Giao diện

đầu vào

Giao diện

đầu ra

Tr ờng chuyển mạch Khối điều khiển chuyển mạch

Bộ đệm quang

Trờng chuyển mạch sẽ định tuyến gói tin tới cổng đầu ra theo yêu cầu dựa trênthông tin chứa trong tiêu đề Nó cũng có thể giải quyết tranh chấp gói tin hoặc bằng đ-ờng dây trễ hoặc bằng bộ chuyển đổi bớc sóng khả chỉnh hoặc cả hai

Tín hiệu vào đầu tiên đợc cho qua bộ tách kênh để tách thành các bớc sóngriêng biệt rồi đợc gửi tới giao diện đầu vào Tại giao diện đầu vào, sẽ trích một phầnnhỏ tín hiệu để xác định phần tiêu đề và phần tải tin của gói Giao diện đầu vào sẽ xác

định một cách chính xác tiêu đề của gói để gửi cho khối điều khiển chuyển mạch.Khối chuyển mạch xử lý thông tin của tiêu đề đã nhận đợc nhằm xác định cổng ra vàbớc sóng thích hợp của gói tin Sau đó, khối điều khiển chuyển mạch điều khiển trờngchuyển mạch định tuyến gói tin tới cổng ra Trong định tuyến gói, trờng chuyển mạch

có thể cần tới bộ đệm quang và bộ chuyển đổi bớc sóng Khối điều khiển chuyển mạchcũng cần xác định tiêu đề mới cho gói tin rồi gửi tới khối ghép sóng để truyền tới nodetiếp theo

Có một số vấn đề đặt ra cần tập trung tìm hiểu là:

Chuyển mạch đồng bộ hay không đồng bộ

Mạng chuyển mạch gói quang có thể phân làm hai loại là mạng dồng bộ vàkhông đồng bộ Trong mạng đồng bộ, tất cả các gói trong mạng co cùng kích thớc.Mõi gói tin đợc xếp vào một khe thời gian Ta thấy rằng trễ lan truyền có thể thay đổi,các gói tin đến node trên các giao diện khác nhau có thể không trùng với xung đồng hồnội Do đó trách nhiệm của giao diện đầu vào là đồng bộ các gói tin đến và sắp xếpchúng vào các khe thời gian Trờng chuyển mạch gói quang đồng bộ giống nh trongchuyển mạch gói điện đồng bộ nên dễ dàng xây dựng và đa vào hoạt động Do đómạng chuyển mạch gói quang đồng bộ đợc chú ý và nghiên cứu một cách cẩn thận

Trong mạng chuyển mạch gói quang không đồng bộ, gói tin có kích thớc có thểthay đổi đợc, chuyển mạch có thể xảy ra tại bất cứ vị trí nào của gói, và sẽ không cần

đồng bộ gói tại chuyển mạch đầu vào Nh vậy sẽ tăng tính mềm dẻo của mạng và nókhông phụ thuộc vào việc chia đoạn hoặc ghép lại các đoạn tại ranh giới mạng

Xử lý điện hay quang

Tiêu đề gói quang chứa thông tin để xác định tuyến gói trong mạng Vấn đề xử

lý tiêu đề là rất quan trọng trong hoạt động của mạng Hiện nay, do công nghệ xử lý bitquang vẫn còn nhiều hạn chế cho nên quá trình xử lý tiêu đề chủ yếu là xử lý điện

Định dạng tiêu đề quang

Ta thấy rằng, dữ liệu của phần tải tin chỉ đợc xử lý duy nhất tại nguồn và đích.Trong khi đó, dữ liệu của phần tiêu đề mang rất nhiều thông tin nh: địa chỉ nguồn, địachỉ đích, thứ tự gói… đợc xử lý tại tất cả các node Để thuận tiện cho việc xử lý tiêu đề

có một số công nghệ đợc đa ra là: Bit Serial, Out – of – Band Signaling, và Bit –Parallel

Kiến trúc trờng chuyển mạch

Kiến trúc trờng chuyển mạch đa ra cho mạng chuyển mạch gói quang thì rất đadạng, cho cả gói có kích thớc cố định và không cố định Nó đóng vai trò trung tâmtrong hoạt động của node Do vậy ta sẽ nghiên cứu cẩn thận ở phần 2.3

Các giải pháp chống xung đột

Khi hai gói tin đến từ các cổng khác nhau, các bớc sóng khác nhau có yêu cầuchuyển mạch tới cùng một cổng ra, tại cùng một bớc sóng và tại cùng một thời điểm,xung đột sẽ xảy ra Trong trờng hợp này, khối điều khiển chuyển mạch phải có kếhoạch để giải quyết xung đột này Xung đột đầu ra có thể giải quyết theo 3 hớng khácnhau: hớng bớc sóng (sử dụng bộ biến đổi bớc sóng), thời gian (sử dụng dây trễquang), không gian (sử dụng định tuyến mềm) hoặc kết hợp các cách trên

Chúng ta cần chú ý rằng, xung đột cũng xuất hiện trong mặt phẳng điều khiển.Xung đột trong điều khiển chuyển mạch là kết quả của việc mất hoặc do sự chậm trễ

đáng kể của tiêu đề, khi đó phần tải tin đến trớc tiêu đề hay gói bị hủy Bởi vậy, quản lý

và phân chia kích thớc bộ đệm hợp lý là cực kì quan trọng Từ đó xác định đợc kỹ thuật

sử dụng cho mục đích này, nh vậy chúng ta sẽ không xét tới xung đột trong mặt phẳng

điều khiển nữa

Để giải quyết đợc hết các vấn đề nêu trên thực sự cần nghiên cứu hết sứcnghiêm túc và cẩn thận, ở đây chỉ tập trung giải quyết một số vấn đề liên quan đến nộidung của đồ án Sau đây đồ án sẽ chú ý đến bộ đệm, kiến trúc trờng chuyển mạch vàgiới thiệu một số mô hình trờng chuyển mạch cơ bản đang đợc quan tâm

2.2 Bộ đệm và các kỹ thuật đệm

Bộ đệm sử dụng trong chuyển mạch quang còn đợc gọi là các dây trễ quang(FDL) và thông thờng sợi dịch tán sắc đợc sử dụng làm đờng dây trễ để tránh ảnh hởngtán sắc FDL là một đoạn sợi quang có chiều dài xác định, nó có thể giữ gói trong mộtkhoảng thời gian xác định (khoảng thời gian này phụ thuộc vào bớc sóng truyền trongFDL và chiều dài FDL) Do đó, FDL không giống nh RAM điện, nó không chứa góikhông xác định và khi một gói đã đi vào FDL ta sẽ không thu lại đợc cho đến khi nó đi

ra đầu kia của FDL

Khi thiết kế cấu trúc FDL phải quan tâm tới những vấn đề quan trọng bao gồmmất gói, giá thành, điều khiển phức tạp, sắp xếp gói và mất tín hiệu trong FDL

Một số cách sắp xếp FDL để tạo ra bộ đệm quang đợc đa ra là: FDL đơn tầng,FDL đa tầng, sắp xếp FDL nối tiếp hoặc hồi tiếp Mỗi cách sắp xếp đợc sử dụng vớicác kiến trúc trờng chuyển mạch khác nhau.

Có bốn kỹ thuật đệm cơ bản sử dụng trong chuyển mạch quang

2.2.1 Bộ đệm đầu ra

Cấu trúc đệm đầu ra gồm một trờng chuyển mạch và một bộ đệm ở đầu ra củatrờng chuyển mạch nh hình 2.2

Hình 2.2 Chuyển mạch gói với bộ đệm đầu ra

Trong một khe thời gian, các gói tin tới cùng một đầu ra đều đợc đa vào bộ đệm

đồng thời một cách thích hợp Nếu bộ đệm đã đầy thì các gói đến tiếp theo sẽ bị loại vàxảy ra mất gói Xác suất mất gói thờng là từ 10-10 đến 10-11 tùy thuộc từng loại ứngdụng

Nếu chọn kích thớc bộ đệm lớn thì sẽ không có sự mất gói song ta đã không tính

đến độ trễ gói cũng nh hiệu năng chuyển mạch

có khả năng thực hiện dạng tín hiệu quang vì không có bộ nhớ quang tơng đơng, và do

sự phức tạp của chuyển mạch Tuy nhiên, nhiều chuyển mạch gói quang có thể nói đã

sử dụng bộ đệm chia sẻ khi cạnh tranh với bộ đệm đầu ra, các đờng trễ đợc chia sẻ giữacác bộ đệm đầu ra

2.2.3 Bộ đệm vòng

Nếu nhiều gói ở đầu vào cùng tới một đầu ra, khi đó chỉ một gói đợc truyền qua,còn lại đều đợc truyền qua vòng hồi tiếp nh hình 2.3

1 2 3

N

N

1 2

N

Chuyển mạch không gian

Hình 2.3 Chuyển mạch quay vòng STARLITE

Mỗi một lần quay vòng sẽ làm trễ thời gian tơng ứng một gói, tức là mỗi mộtvòng cho độ trễ một gói Ví dụ một chuyển mạch 64x64 với xác suất mất gói 10-10, tảitrọng 0,8 thì yêu cầu sử dụng 237 vòng lặp Khi thực hiện bằng vòng lặp với một độ trễkhi đó cần nhiều vòng lặp, hoặc có thể dùng một vòng có độ trễ thay đổi

2.2.4 Bộ đệm đầu vào

Cấu trúc đệm đầu vào gồm có một trờng chuyển mạch không gian và các bộ

đệm ở đầu vào nh hình 2.4

Hình 2.4 Chuyển mạch đệm đầu vào, có HoL

Hình vẽ chỉ ra một chuyển mạch không gian với các bộ đệm trên các đầu vào.Kiểu đệm gói này rất hay đợc sử dụng trong chuyển mạch gói điện vì nó có khả năng

đồng bộ các gói tin ở đầu vào, tuy nhiên cũng cần giải quyết hiện tợng tắc nghẽn đầuvào HoL (head – of - Line), giới hạn thông lợng lớn nhất là 58% cho lu lợng hợp nhất

Ví dụ nh gói thứ hai trong hàng đợi thứ ba yêu cầu tới đầu ra 3 nhng nó bị giữ lại do

đầu ra gói thứ nhất bị nghẽn

Trên đây là bốn kiểu đệm chính trong kỹ thuật chuyển mạch, tuy nhiên trongthực tế các thiết kế thờng kết hợp các kiểu đệm này với nhau, có thể đệm đầu vào kếthợp với đệm đầu ra…

Chuyển mạch không gian

Trễ một khe thời gian

2.3 Trờng chuyển mạch gói quang

2.3.1 Trờng chuyển mạch quang

Trờng chuyển mạch quang là một phần tử quang đa dạng và phức tạp, có thểphân thành bốn kiểu trờng chuyển mạch cơ bản

2.3.1.1 Trờng chuyển mạch không gian

Chuyển mạch quang phân chia theo không gian (hay chuyển mạch không gian)

là loại chuyển mạch đợc sử dụng phổ biến nhất, đó là quá trình kết nối vật lý đờng dẫnsóng ánh sáng, kết nối từ một sợi đầu vào tới sợi đầu ra

Theo kiểu chuyển mạch này thì các kết nối vật lý giữa các sợi đầu vào và các sợi

đầu ra đợc tạo ra theo yêu cầu; các kết nối khác nhau sử dụng các đờng khác nhau vàmỗi kết nối mới yêu cầu thêm một không gian vật lý trong trờng chuyển mạch Dới

đây là một khái niệm cơ bản về chuyển mạch phân chia theo không gian thể hiện quahình 2.5

(a) Chuyển mạch lựa chọn (b) Chuyển mạch cổng

Hình 2.5 Chuyển mạch quang không gian

Hình 2.5 a là kiểu chuyển mạch không gian lựa chọn, cổng ra đợc lựa chọn mộtcách trực tiếp, do đó về nguyên tắc là không có tổn hao về chuyển mạch, cổng ra cóthể lựa chọn bằng cách điều khiển chiết suất của ống dẫn sóng

Cấu trúc trong hình 2.5b là kiểu chuyển mạch cổng, các tín hiệu đầu vào đợcphân chia và chọn các cổng thiết bị để đến đầu ra Trong trờng hợp này, năng lợng tínhiệu phân chia vào các đờng dẫn mà không đợc lựa chọn sẽ gây tổn hao trong chuyểnmạch, nhng lại có u điểm là có thể nối tất cả các đờng ra đồng thời để thực hiệnMulticast và Broadcast Cổng thiết bị có thể đợc thực hiện bởi bộ khuếch đại quangbán dẫn và các modul hấp thụ

Phần tử chuyển mạch không gian cơ bản là phần tử 2x2 Một phần tử chuyểnmạch 2x2 định tuyến các tín hiệu quang từ sợi đầu vào tới sợi đầu ra và có hai trạngthái: Trạng thái nối chéo (Cross) và trạng thái song song (Bar) đợc mô tả trong hình2.6

(a) Trạng thái nối chéo (b) Trạng thái song song

Hình 2.6 Trạng thái của phần tử chuyển mạch không gian 2x2

Trạng thái nối chéo đợc mô tả trong hình 2.6a, trong trạng thái này nếu I1 có tínhiệu đến thì sẽ đợc chuyển mạch tới đầu ra O2; và nếu đầu vào là I2 có tín hiệu đến thìtín hiệu này đợc chuyển tới cổng đầu ra O1 Còn đối với trạng thái song song hình 2.6b,tín hiệu ở đầu vào I1 sẽ đợc chuyển tới đầu ra O1 và tín hiệu ở đầu vào O2 sẽ đợc chuyểntới đầu ra O2

Ma trận chuyển mạch không gian đợc tạo thành từ các phần tử chuyển mạch cơbản 2x2 Chuyển mạch quang phân chia theo không gian đợc phân thành 2 loại: loạisợi quang và loại không gian tự do Loại cơ bản là loại sợi quang, ở đầu vào và đầu ra

có hai sợi quang, có thể hình thành hai trạng thái kết nối đó là kết nối chéo và kết nốisong song (hình 2.7)

(a) Dựa vào phối ghép phơng hớng

LiNbO3

(a) Dùng sợi quang nối liền 4 khoáquang 1x2

Hình 2.7 Phơng án thực hiện phần tử chuyển mạch quang không gian 2x2

Hai loại phần tử chuyển mạch 2x2 trong hình 2.7 thuộc loại chuyển mạch ốngdẫn sóng, sử dụng phơng pháp điều khiển ngoài hiệu suất khúc xạ ống dẫn sóng đểchọn ống dẫn sóng đầu ra Điều khiển hiệu suất khúc xạ có hai loại: Do điện áp bênngoài đa vào (kiểu điện – quang), do đốt nóng (kiểu nhiệt - quang) Suy hao của thiết

bị chuyển mạch ống dẫn sóng rất lớn, bao gồm tổn hao của bản thân nó và tổn hao mộtnửa năng lợng để thực hiện chuyển mạch công suất tín hiệu tới các sợi đầu ra

Ngoài ra, các phần tử chuyển mạch cơ bản 2x2 còn thực hiện bằng chuyển mạchcơ khí hay chuyển mạch vi gơng Chuyển mạch cơ khí có u điểm là tổn hao nhỏ, độ

cách ly cao, làm việc ổn định có độ tin cậy…, nhng nhợc điểm của nó là tốc độ chuyểnmạch chậm, kiểu chuyển mạch này đã đợc sử dụng trong thực tế Hình 2.8 mô tả matrận chuyển mạch vi gơng.

Hình 2.8 Ma trận chuyển mạch vi gơng

Ma trận chuyển mạch vi gơng bao gồm các gơng đợc đặt tại các giao điểm giữacác sợi đầu vào và các sợi đầu ra Các gơng này có đờng kính rất nhỏ, khoảng 200àm.Công suất quang đến sẽ đợc truyền thẳng nếu gơng quay đi khỏi điểm giao nhau củacác ống dẫn sóng (trạng thái ngắt) Nếu gơng quay về mặt giao điểm (trạng thái dẫn),thì công suất quang tới sẽ đợc phản xạ vào đờng vuông góc với nó tại vị trí gơng đó.Hoạt động của các gơng đợc điều khiển bằng điện, dùng một tín hiệu điện để điềukhiển hoạt động của gơng Tốc độ chuyển mạch và kích thớc ma trận chuyển mạch phụthuộc vào loại chuyển mạch

2.3.1.2 Trờng chuyển mạch thời gian

Giả định tín hiệu ghép thời gian trong mỗi khung ghép có T khe thời gian, cáckhe thời gian rộng bằng nhau và là một kênh tín hiệu Kiểu chuyển mạch theo thờigian đợc sử dụng cho hệ thống ghép kênh theo thời gian, đó là quá trình chuyển đổi tínhiệu quang đã ghép trên trục thời gian ở khe ti sang vị trí khe thời gian tj khác Nh vậy,chuyển mạch phân chia theo thời gian chính là chuyển mạch theo thời gian, nó phảichuyển mạch bất kỳ khe thời gian nào trong một khung tín hiệu đầu vào đến một khethời gian khác ở đầu ra

Có thể ghép kênh theo bit hoặc nhóm bit (khối), do phần tử chuyển mạch cần cótín hiệu điều khiển nên ở giữa các tín hiệu ghép phải có vùng bảo vệ để hoàn thànhviệc chuyển đổi trạng thái nên ghép theo khối có hiệu suất cao hơn ghép theo bit

Chuyển mạch quang theo thời gian tạm thời ghép kênh các tín hiệu quang giữakhe thời gian ti và tj, quá trình chuyển đổi từng bit tín hiệu 10Gb/s yêu cầu thời gianchuyển mạch nhỏ hơn 100ps Tuy nhiên, những yêu cầu về thời gian chuyển mạch sẽgiảm đi trong trờng hợp chuyển mạch theo khối (hàng trăm bit).

Do các photon không dễ lu trữ và phục hồi sau trễ nên việc chuyển mạch phânchia theo thời gian hay là trao đổi khe thời gian cần phải có bộ nhớ quang (dây trễquang) Sợi quang có thể làm bộ trễ quang trong chuyển mạch quang phân chia theothời gian, lấy độ rộng một khe thời gian làm đơn vị, nếu tín hiệu quang cần trễ baonhiêu khe thời gian, độ dài sợi quang có đơn vị chiều dài tơng ứng Hoặc là một kiểu

bộ trễ quang khác đợc thực hiện kết hợp giữa sợi quang và phần tử chuyển mạch 2x2.Hiện nay, các bộ chuyển mạch theo thời gian đều do khóa quang không gian và cácdây trễ quang tạo thành

Hình 2.9 Sơ đồ khối chuyển mạch theo thời gian

Sơ đồ khối chuyển mạch quang nh trong hình 2.9, tầng đầu tiên là bộ tách khethời gian, thực hiện tách các khe thời gian trên từng đầu ra của bộ nhớ, tại các đầu racủa bộ tách này các dữ liệu xuất hiện đồng thời và đi vào dây trễ tơng ứng Tiếp đó cácdữ liệu này sẽ đợc làm trễ theo yêu cầu và đi vào bộ ghép thời gian để ghép thànhkhung tín hiệu theo thời gian

Chuyển mạch quang phân chia theo thời gian có u điểm là có thể tơng thích vớicác hệ thống truyền dẫn sợi quang TDM Khi các hệ thống chuyển mạch đợc kết nốivới các hệ thống truyền dẫn quang thì cần phải có đờng kết nối số tốc độ cao Tuynhiên, trong hệ thống chuyển mạch băng rộng phân chia theo thời gian đòi hỏi tốc độhoạt động của bộ nhớ cũng nh bộ tách ghép thời gian phải rất nhanh, đồng thời cũng

đòi hỏi khắt khe về sự đồng bộ các bit/ frame

2.3.1.3 Trờng chuyển mạch bớc sóng

Chuyển mạch quang phân chia theo bớc sóng (còn gọi là chuyển mạch bớcsóng), kiểu chuyển mạch này đợc áp dụng nhiều trong mạng ghép kênh phân chia theobớc sóng (WDM)

Chuyển mạch theo bớc sóng khác với định tuyến theo bớc sóng (WLR) Địnhtuyến theo bớc sóng là lợi dụng sự khác nhau của bớc sóng để thực hiện chọn đờng, tức

là thực hiện chuyển mạch không gian, không có biến đổi bớc sóng Còn chuyển mạchtheo bớc sóng quang thì cần có bộ chuyển đổi bớc sóng quang, dùng bộ tách kênh đểchia cắt các kênh tín hiệu về không gian, tiến hành chuyển đổi bớc sóng đối với mỗikênh, rồi đợc ghép lại nhờ bộ ghép

Hình 2.10 Cấu trúc cơ bản của bộ chuyển mạch bớc sóng

Sơ đồ nguyên lý chuyển mạch theo bớc sóng đợc chỉ ra trong hình 2.11 bao gồmcác bộ chuyển đổi bớc sóng và các bộ tách/ghép kênh theo bớc sóng