NGHIÊN CỨU BỘ ĐỊNH TUYẾN CHUYỂN MẠCH GÓI TOÀN QUANG DỰA TRÊN BẢNG ĐỊNH TUYẾN

Sự bùng nổ của mạng Internet, sự phát triển số lượng người sử dụng cùng các ứng dụng dịch vụ mới trên nền IP, đó là những gì mà chúng ta đã chứng kiến trong vòng gần một thập kỉ qua. Để đáp ứng được sự phát triển đó, hạ tầng mạng truyền dẫn bao gồm mạng đường trục và mạng truy nhập đã và đang phải nâng cao dung lượng bằng cách chuyển dần sang mạng truyền dẫn cáp sợi quang. Nội dung đồ án gồm 3 chương: Chương 1: Giới thiệu chung Chương 2: Cơ chế định tuyến điều chế vị trí xung (PPM) dựa trên bảng định tuyến. Chương 3: Bộ định tuyến chuyển mạch gói toàn quang dựa trên bảng định tuyến.

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

“ NGHIÊN CỨU BỘ ĐỊNH TUYẾN CHUYỂN MẠCH GÓI TOÀN

QUANG DỰA TRÊN BẢNG ĐỊNH TUYẾN ”

NỘI DUNG CHÍNH CỦA ĐỒ ÁN:

Chương 1: Giới thiệu chung

Chương 2: Cơ chế định tuyến điều chế vị trí xung (PPM) dựa trên bảng địnhtuyến

Chương 3: Bộ định tuyến chuyển mạch gói toàn quang dựa trên bảng định tuyến

Ngày giao đề tài:……/…… /………

Ngày nộp đồ án:……/…… /………

Ngày tháng năm 2012

Giáo viên hướng dẫn

Th.s Cao Hồng Sơn

……….……… …

………

………

………

………

……… ………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Điểm: ………(bằng chữ: … ………….)

Hà Nội, ngày … tháng … năm 2012

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

………

……….……… …

………

………

………

………

……… ………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Người phản biện

LỜI CẢM ƠN

Đồ án tốt nghiệp luôn là điểm mốc đáng nhớ đối với mỗi sinh viên, không chỉ làkết thúc một quá trình lâu dài học tập, phấn đấu tại trường mà còn là cơ hội để sinhviên vận dụng những gì đã được học để đưa vào áp dụng giải quyết các bài toán thực

tế Đây cũng là bước quan trọng để sinh viên trau chuốt kỹ năng trước khi ra trườngbước vào một môi trường mới Để hoàn thành đồ án không chỉ có sự nỗ lực cố gắng ởbản thân người thực hiện, mà ở đó còn có sự chỉ dạy, hướng dẫn, góp ý, động viên từnhững người xung quanh Đối với em trong quá trình thực hiện đồ án đã nhận được rấtnhiều sự quan tâm từ mọi người Đó là động lực to lớn để em cố gắng thực hiện thậttốt đề tài này

Đầu tiên cho em được gửi lời cảm ơn đến tất cả các thầy cô trong học viện, đặcbiệt là các thầy cô giáo trong khoa Viễn thông 1- Học viện Công nghệ Bưu chính Viễnthông đã cho em những kiến thức, kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian qua

Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thạc sỹ Cao Hồng Sơn, bộ môn Thông tinquang, người đã tận tình hướng dẫn giúp đỡ em không chỉ trong thời gian làm đồ ántốt nghiệp này, mà cả trong quá trình học tập, nghiên cứu cũng như trong cuộc sốngtrong suốt thời gian qua Trong thời gian làm việc với thầy, em không ngừng tiếp thuthêm nhiều kiến thức bổ ích mà còn học tập được tinh thần làm việc, thái độ nghiêncứu khoa học nghiêm túc, hiệu quả Đây là những điều rất cần thiết cho em trong quátrình học tập và công tác sau này

Em cũng xin cảm ơn đến bố mẹ, các thành viên trong gia đình em, cảm ơn mọingười đã động viên, tạo điều kiện tốt để cho em hoàn thành đề tài này.Và cuối cùngxin cảm ơn đến tất cả các bạn trong tập thể lớp D08VT4 đã gúp đỡ, góp ý cho mìnhtrong quá trình nghiên cứu và thực hiện đồ án này

Xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC HÌNH VẼ vii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG 2

1.1 Sự phát triển của mạng quang và cấu trúc mạng quang 2

1.1.1 Sự phát triển của mạng quang 2

1.1.2.Cấu trúc mạng quang 3

1.2.Chuyển mạch toàn quang 7

1.3.Bộ định tuyến chuyển mạch gói toàn quang và mô hình nhận dạng tiêu đề 8

1.3.1.Bộ định tuyến chuyển mạch gói toàn quang 8

1.3.2.Mô hình nhận dạng tiêu đề 11

CHƯƠNG II ĐỊNH DẠNG ĐỊA CHỈ TIÊU ĐỀ GÓI DỰA TRÊN PPM 13

2.1 Giới thiệu 13

2.2 Bộ định tuyến toàn quang PPM-HP 13

2.2.1 PPM .13

2.2.2 PPM-HP 14

2.3 Module điều khiển chuyển mạch quang OSC 21

2.5 Phân tích kết quả đánh giá 24

2.6 Kết luận 36

CHƯƠNG III BỘ ĐỊNH TUYẾN CHUYỂN MẠCH GÓI TOÀN QUANG DỰA TRÊN BẢNG ĐỊNH TUYẾN 38

3.1 Giới thiệu 38

3.2 Bảng định tuyến đa vị trí xung MPPRT 39

3.3 Bộ tạo MPPRT 41

3.4 Bộ định tuyến chuyển mạch gói toàn quang dựa trên PPRT 43

3.5 Phân tích kết quả đánh giá 48

3.6 Kết luận 56

KẾT LUẬN 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Emission

Bức xạ tự phát được khuếch đại

Mutiplexing

Ghép kênh phân chia bước sóngmật độ thấp

Bảng định tuyến đa vị trí xung

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo mãquang

O-E-O Optical-to-Electrical-to-Optical Chuyển đổi quang-điện-quang

quang

Header Processing

Xử lý tiêu đề điều chế vị trí xung

xứng

Amplifier

Bộ khuếch đại quang bán dẫn

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo bướcsóng

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Suy hao sợi quang so với bước sóng tương ứng 3

Hình 1.2: Các mạng quang LAN, MAN, WAN 4

Hình 1.3: Mô hình OSI 5

Hình 1.4: Kiến trúc mạng lõi viễn thông 5

Hình 1.5: Định dạng của một gói tin quang thông thường 9

Hình 1.6: Sơ đồ khối của kiến trúc bộ định tuyến lõi chuyển mạch toàn quang 10

Hình 2.1: Một gói quang với địa chỉ PPM 14

Hình 2.2a: Mạng lõi quang với 16 nút biên 15

Hình 2.2b: Sơ đồ khối bộ định tuyến dựa trên xử lý tiêu đề PPM 1M (PPM-HP) .16

Hình 2.3: Sơ đồ khối của module tách tiêu đề PPM-HEM với N = 4 17

Hình 2.4: Tương quan giữa địa chỉ PPM và các đầu vào PPRT 19

Hình 2.5a: Cấu trúc bộ tạo đa xung 2 tầng (OSC) 21

Hình 2.5b: Quá trình của luồng đa xung 22

Hình 2.6: Truyền tín hiệu và nhiễu ASE từ nút biên nguồn tới nút biên đích thông qua H nút 23

Hình 2.7a: Lược đồ mô phỏng VPI cho kiến trúc bộ định tuyến 4 chặng 25

Hình 2.7b: Định tuyến 4 chặng 26

Hình 2.8: Dạng sóng theo thời gian; (a) gói đầu ra tại nút A, (b) chọn định thời tại nút A, (c) tại nút B, (d) tại nút C, (e) tại nút D, (f) gói chuyển mạch tại nút A_ đầu ra 1, (g) gói chuyển mạch tại nút B_đầu ra 2, (h) gói chuyển mạch tại nút c_ đầu ra 2, (i) gói chuyển mạch tại nút D_ đầu ra 3 31

Hình 2.9: Dạng sóng theo thời gian; (a) Gói tin đầu vào tại nút A - OS1 ( Công suất gói tin trung bình đầu vào = 100µW), (b) Gói tin chuyển mạch tại nút A - đầu ra 1(Công suất gói tin trung bình đầu vào = 100µW), (c) Gói tin đầu vào tại nút A -OS1(Công suất gói tin trung bình đầu vào = 200µW), (d) Gói tin chuyển mạch tại nút A - đầu ra 1(Công suất gói tin trung bình đầu vào = 200µW), (e) Gói tin đầu vào tại nút A - OS1(Công suất gói tin trung bình đầu vào = 400µW), (f) Gói tin chuyển mạch tại nút A - đầu ra 1(Công suất gói tin trung bình đầu vào = 400µW) 33

Hình 2.10: (a) OSNR với số lượng chặng, (b) Công suất của tín hiệu tương quan mk(t), 35

(c) Công suất trung bình gói tin tại đầu ra bộ định tuyến 35

Hình 2.10: Độ tương phản on/off với timing-offset của địa chỉ PPM 36

Hình 3.1: Một mạng lõi quang với 32 nút biên 39

Hình 3.2: Sơ đồ khối của bảng định tuyến đa vị trí (E1A, E2A, E3A, , E3D) cho địa chỉ

tiêu đề gói tin 5 bit 41

Hình 3.3: Bộ tạo bảng định tuyến đa vị trí xung PPRT ( X=2) 42

Hình 3.4: Sơ đồ khối tổng quát của cấu trúc nút với bảng định tuyến MPPRT với địa chỉ tiêu đề gói tin 5-bit ( N=5, X=2) 45

Hình 3.5: Tương quan giữa địa chỉ PPM và 1 trong 4 đầu vào bảng PPRT 47

Hình 3.6: Mô phỏng VPI thiết lập cho định tuyến 4 chặng 50

Hình 3.7: Dạng sóng thời gian 55

(a): gói đầu ra tại nút A 55

(b)-(e): Tách định thời ở nút A,B,C và D 55

(f)-(i): Gói chuyển mạch ở nút A – đầu ra 2, nút B- đầu ra 1, nút C- đầu ra 2, nút D-đầu ra 3 55

Hình 3.8: Hiệu năng OSNR được dự đoán và mô phỏng so với số lượng chặng 56

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: a) Bảng định tuyến theo qui ước với 2N đầu vào 18

b) PPRT tương ứng với M đầu vào 18

Bảng 2.2: Các tham số mô phỏng 24

Bảng 3.1: Sự chuyển đổi từ PPRT đơn thành đa PPRT 40

Bảng 3.2: Tham số mô phỏng 48

MỞ ĐẦU

Sự bùng nổ của mạng Internet, sự phát triển số lượng người sử dụng cùngcác ứng dụng dịch vụ mới trên nền IP, đó là những gì mà chúng ta đã chứng kiếntrong vòng gần một thập kỉ qua Để đáp ứng được sự phát triển đó, hạ tầng mạngtruyền dẫn bao gồm mạng đường trục và mạng truy nhập đã và đang phải nâng caodung lượng bằng cách chuyển dần sang mạng truyền dẫn cáp sợi quang

Mạng truyền dẫn quang đã đáp ứng được rất nhiều yêu cầu về dung lượng, chiphí xây dựng và tính bảo mật thông tin Trong khi mạng thông tin quang trước đây sửdụng chuyển mạch điện tại các nút mạng thì ngày nay tốc độ của chuyển mạch điệnkhông thể đáp ứng với yêu cầu về tốc độ bit và hiệu suất sử dụng băng thông của sợiquang Chuyển mạch điện ở các node trung gian trong mạng cũng làm gia tăngtrễ Những yếu tố này đã thúc đẩy sự phát triển của mạng toàn quang, trong đó cácthành phần chuyển mạch điện được thay thế bằng chuyển mạch quang với khả năngchuyển mạch các luồng dữ liệu quang băng thông cao và và khả năng đối phó với lưulượng phân bố không đều

Giải pháp toàn quang cung cấp tốc độ xử lý rất cao, trong suốt và giảm bớt thắtnút cổ chai do chuyển đổi quang- điện- quang gây ra Hiện nay, nhận dạng tiêu đề góitin được thực hiện bằng cách tương quan tuần tự tiêu đề địa chỉ gói tin với mỗi đầu vàocủa một bảng định tuyến Với một mạng có quy mô lớn có bảng định tuyến kích thướclớn lên tới hàng trăm hoặc hàng nghìn đầu vào thì chi phí độ phức tạp và thời gian xử

lý trở thành một vấn đề thực sự Điều này dẫn đến một sự gia tăng đáng kể trong thờigian xử lý gói tin tại mỗi bộ định tuyến

Một mô hình định tuyến mới sử dụng định dạng tiêu đề gói tin điều chế vị tríxung (PPM) cũng như bảng định tuyến điều chế vị trí xung (PPRT) đã được đưa ra vànghiên cứu Ưu điểm chính của nó là giảm kích cỡ bảng định tuyến, dẫn tới thời gian

xử lý bộ định tuyến nhanh hơn hơn so với các bộ định tuyến sử dụng các bảng địnhtuyến thông thường Những ưu điểm này là nguyên nhân để mô hình phát triển và ứngdụng Xuất phát từ thực tế, em đã quyết định chọn đề tài: “Bộ định tuyến chuyển mạchgói toàn quang dựa trên bảng định tuyến”

Nội dung đồ án gồm 3 chương:

Chương 1: Giới thiệu chung

Chương 2: Cơ chế định tuyến điều chế vị trí xung (PPM) dựa trên bảng địnhtuyến

Chương 3: Bộ định tuyến chuyển mạch gói toàn quang dựa trên bảng định tuyến

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG1.1 Sự phát triển của mạng quang và cấu trúc mạng quang

1.1.1 Sự phát triển của mạng quang

Hệ thống thông tin sợi quang đã được triển khai trên toàn thế giới kể từ năm

1980 và tạo thành mạng trục dung lượng cao Một bước đột phá đã xảy ra vào nhữngnăm 1970 với sự phát triển của nguồn quang thương mại và sợi quang suy hao thấp.Theo đó, sự phát triển của các hệ thống quang trở nên phổ biến từ năm 1980 trở đi

bước sóng hoạt động 850nm (được hiểu như cửa sổ thứ nhất) và sử dụng laser bán dẫnGaAs và photodiode PIN như là nguồn quang và thiết bị thu tương ứng Tốc độ bit đạtđược 3445 Mb/s với khoảng lặp lên đến 10 km, cao hơn so với thông số có thể đã đạtđược với các hệ thống truyền tải cáp đồng hoặc vô tuyến (RF)

sóng hoạt động được chuyển lên ~1300 nm, sợi quang có hệ số tán sắc tối thiểu và suyhao sợi quang dưới mức 0,5 dB / km Tốc độ bit hệ thống lên tới 100 Mb/s với sợi đamode và 1,7 Gb/s với sợi đơn mode (SMF) ở khoảng lặp khoảng 50 km Các hệ thốngdựa trên SMF triển khai vào năm 1980 trên các mạng đường trục quốc tế

sóng hoạt động là 1550 nm trong đó sợi quang có suy hao tối thiểu là 0,2 dB/ kmnhưng hệ số tán sắc khá cao hơn so với bước sóng 1300nm Sử dụng sợi bù tán sắc(DCF) cùng với nguồn laser bán dẫn DFB tốc độ bit vượt quá 10 Gb/s với khoảng lặpđạt được khoảng 60-70 km

triển khai của công nghệ nền tảng WDM Một phát minh quan trọng là sự phát triểncủa bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium (EDFA) có thể khuếch đại tại bước sóng 1550

nm, vì vậy có khả năng truyền dữ liệu tốc độ cao qua một cự li dài

sóng, dẫn đến việc tạo ra ba băng tần mới: Băng C (1530 ~ 1565 nm), cũng như cácbăng L (1565 ~ 1625 nm) và băng S (1460 ~ 1530 nm), xem h́ình 2.1 Bộ khuếch đạiquang Raman đã được sử dụng thay thế cho các bộ khuếch đại EDFA không hoạtđộng trong dải băng tần rộng này

1995 Lưu lượng rất lớn của các hệ thống WDM đạt được nhờ có một khoảng cáchkênh rất hẹp khoảng 0,4 nm (50 GHz) hoặc nhỏ hơn Về nguyên tắc, dung lượng củasợi SMF là> 30 Tb/s Hệ thống WDM thường được phân thành 2 loại tùy thuộc vào

khoảng cách giữa các kênh của chúng (thông thường, khoảng cách kênh> 5 nm và <1

nm tương ứng với loại thứ nhất tức CWDM (ghép kênh phân chia theo bước sóng mật

độ thấp) và loại thứ 2 tức hệ thống DWDM (ghép kênh phân chia theo bước sóng mật

độ cao) Các hệ thống WDM phổ biến hiện nay khoảng cách kênh là 100 GHz Gầnđây, Liên minh Viễn thông quốc tế (ITU) đã quy định thu hẹp khoảng cách kênh thành

25 và 50 GHz cho hệ thống DWDM trong tương lai

Hình 1.1: Suy hao sợi quang thay đổi theo bước sóng

1.1.2 Cấu trúc mạng quang

Mạng quang có thể được chia thành ba nhóm tùy thuộc vào phạm vi hoạt động,xem hình 2.2:

trường học hoặc một thị xã (thường <10 km), do đó các suy hao sợi quang, tán sắc vàcác hiệu ứng phi tuyến không phải là vấn đề chính, mạng LAN thường được gọi làmạng truy nhập và là gần nhất với người dùng cuối

 Mạng đô thị (MAN): MAN kết nối với một số mạng LAN ở các thành phố lớn.Thông thường, một cấu trúc vòng được sử dụng trong MAN để kết nối với mạngWAN bằng các nút biên.

hoặc một lục địa, và thường được gọi là mạng truyền tải hoặc các mạng lõi, trong đó

bộ định tuyến (hoặc các nút) trong mạng lõi được đặt trong khu vực đô thị lớn

Hình 1.2: Các mạng quang LAN, MAN, WAN

quang (SDH/SONET) là các chuẩn quang quan trọng nhất, các quá trình chuyển đổitrong SDH / SONET được thực hiện trong miền điện SDH/ SONET được thiết kế đểthực hiện một chuẩn truyền dẫn số trước đó là hệ thống phân cấp số không đồng bộ(PDH) và chế độ truyền không đồng bộ (ATM) SONET chỉ được sử dụng tại Mỹ vàCanada, tốc độ bit hoạt động là 51,84 Mb/s, nó cũng được chuẩn hóa như là tín hiệutruyền tải đồng bộ - 1 (STS-1) Tuy nhiên, SDH được sử dụng trong khu vực còn lạicủa thế giới với tốc độ bit hoạt động 155,52 Mb/s, nó cũng được chuẩn hóa nhưmodule truyền tải đồng bộ - 1 (STM-1)

Mạng truyền tải quang như SDH và SONET phù hợp với các kết nối hệ thống

mở (OSI) lớp 1, xem hình 1.3 Lớp vật lý (layer 1) chứa một số thành phần quang baogồm sợi quang, bộ phát, bộ khuếch đại, và bộ thu

Hình 1.3: Mô hình OSIHình 1.4 là một mô hình kiến trúc phân lớp mạng truyền gói của hệ thống viễnthông Thông thường, các gói tin IP gửi bởi người sử dụng cuối cùng được chuyển đổithành các tế bào ATM trước khi được áp dụng với mạng truyền tải SDH / SONET vàcác hệ thống WDM

Hình 1.4: Mô hình phân lớp kiến trúc mạng truyền gói

Trong các mạng quang để cung cấp các dữ liệu trên mạng đến đích, một số kỹthuật chuyển mạch sẽ được nêu dưới đây:

mạng chuyển mạch kênh là phù hợp hơn cho thoại và lưu lượng thời gian thực Ưuđiểm chính của việc sử dụng OCS là nó sử dụng quá trình đơn giản và các hệ thốngđệm Tuy nhiên, lưu lượng truy cập dữ liệu được lưu lượng truy cập chi phối khôngđược tối ưu hóa cho mạch chuyển đổi, công nghệ định tuyến bước sóng được dựa trênOCS và hiện đang được sử dụng trong mạng WDM, các dữ liệu đến tại một bước sóng

cụ thể có thể được chuyển mạch tới đầu ra tương ứng của nó bằng cách sử dụng OXC.Mặc dù kết nối điểm-điểm là đơn giản song lưu lượng sợi quang không được sử dụnghiệu quả Trong định tuyến bước sóng , kết nối cho mỗi bước nhảy được thiết lập bằngcách sử dụng một bước sóng, được gọi là đường quang Bởi vì lưu lượng là cố địnhtrong một đường quang, do đó tài nguyên trở nên lãng phí trong khi chỉ mang mộtlượng nhỏ dữ liệu

OCDM, thông tin định tuyến được mã hoá bằng cách truyền một loạt các xung ngắntên là chip trong một khoảng bit Mỗi nút chuyển đổi được gán một mã duy nhất với

“chip" Chỉ có một dữ liệu với mã giống nhau có thể được giải mã bởi nút chuyểnmạch duy nhất, phần còn lại của dữ liệu với các mã khác nhau sẽ được coi là "nhiễu"với các nút đặc trưng này Về cơ bản, có hai phương pháp chuyển mạch OCDM:chuyển mạch nhãn OCDM và chuyển mạch đường OCDM Trong chuyển mạch nhãnOCDM, thông tin định tuyến được thực hiện bởi một nhãn quang được mã hóa ở đầucủa dữ liệu tải trọng Trong chuyển mạch đường OCDM, thông tin định tuyến đượcthực hiện bởi các bit dữ liệu của chúng , mỗi bit dữ liệu được mã hóa quang, cách nàytương tự như định tuyến bước sóng nhưng các thông tin định tuyến được thực hiện bởi

mã quang chứ không phải là bước sóng

chùm, và các dữ liệu và tín hiệu điều khiển được truyền trên kênh khác nhau, vớicác tín hiệu điều khiển được xử lý bằng điện Có 3 phương pháp khác nhau đểtruyền các tín hiệu điều khiển : Tell-and-wait (TAW), tell-and-go (TAG), và just-enough-time (JET) Trong phương pháp TAW , nút nguồn truyền gói tin điều khiểnđầu tiên, và chờ đợi tin nhắn phản hồi từ nút tiếp theo, sau đó gửi dữ liệu tuyềnloạt Phương pháp TAG, nút nguồn truyền các gói tin điều khiển đầu tiên và ngaylập tức truyền burst quang mà không cần chờ đợi phản ứng từ nút tiếp theo Trongphương pháp JET có một thời gian trễ giữa việc truyền tải các gói dữ liệu điềukhiển và các chùm dữ liệu quang

 Chuyển mạch gói quang (OPS): OPS được coi như các kỹ thuật chuyển đổi tốtnhất cho các mạng quang thế hệ tiếp theo Nhằm mục đích để cung cấp hiệu quả sửdụng tốt hơn băng thông lớn cung cấp bằng sợi Trong OPS, định tuyến nhanh có thểđạt được bằng cách sử dụng tất cả các thiết bị chuyển mạch và các kỹ thuật xử lý tínhiệu quang quang Tuy nhiên, vấn đề chính trong OPS là thiếu bộ nhớ quang để đệm.Nhận dạng và xử lý tiêu đề gói tin cũng được yêu cầu trong mỗi nút chuyển mạch, do

đó làm tăng độ phức tạp của node

1.2 Chuyển mạch toàn quang

Các mạng thông tin quang trước đây sử dụng chuyển mạch điện tử tại các nodemạng Tuy nhiên ngày nay tốc độ của chuyển mạch điện tử không thể đáp ứng với yêucầu về tốc độ bit, và hiệu suất sử dụng băng thông của sợi quang Chuyển mạch điện tử

ở các node trung gian trong mạng cũng làm gia tăng trễ Những yếu tố này đã thúcđẩy sự phát triển của mạng toàn quang trong đó các thành phần chuyển mạch điện tửđược thay thế bằng chuyển mạch quang với khả năng chuyển mạch các luồng dữ liệuquang băng thông cao Các bộ chuyển mạch quang được sử dụng trong các mạngquang cho nhiều ứng dụng khác nhau Mỗi ứng dụng yêu cầu thời gian chuyển mạch

và số cổng chuyển mạch khác nhau Một ứng dụng của các bộ chuyển mạch quang làcung cấp các đường quang

Trong ứng dụng này, các chuyển mạch được sử dụng bên trong các bộ WXCnhằm cấu hình lại chúng để cung cấp các đường quang mới Sẽ phải có một phần mềmdùng để quản lý mạng từ đầu cuối đến đầu cuối Một ứng dụng quan trọng khác làchuyển mạch bảo vệ ở đây các chuyển mạch được sử dụng để chuyển các luồng lưulượng từ một sợi chính sang một sợi khác trong trường hợp sợi chính bị hỏng Toàn bộquá trình chuyển luồng phải được hoàn thành trong hàng chục ms, bao gồm thời giantìm ra lỗi, thông tin lỗi đến các phần tử mạng để điều khiển việc chuyển mạch, và thờigian chuyển mạch thật sự Vì vậy thời gian chuyển mạch yêu cầu khoảng một vài ms

Có thể có các dạng chuyển mạch bảo vệ khác nhau, phụ thuộc vào phương pháp được

sử dụng, số lượng cổng chuyển mạch cần thiết có thể thay đổi từ hàng trăm đến hàngngàn cổng khi sửdụng trong các bộ kết nối chéo bước sóng Các bộ chuyển mạchquang cũng là phần tử quan trọng trong mạng chuyểnmạch gói quang tốc độ cao.Trong các mạng này, các chuyển mạch được sử dụng để chuyển các tín hiệu trên cơ sởcác gói Với ứng dụng này, thời gian chuyển mạch phải nhỏ hơn nhiều thời gian củamột gói nên cần có các bộ chuyển mạch tốc độ cực cao Ví dụ kích thước của một tếbào trong mạng ATM là 53bytes ở tốc độ 10Gbps dài 42ns, vì vậy thời gian chuyểnmạch yêu cầu khoảng một vài ns Các bộ chuyển mạch quang còn được sử dụng như là

cá bộ điều chế bên ngoài để mở và đóng dữ liệu trước một nguồn Laser Trong trườnghợp này, thời gian chuyển mạch phải là một phần nhỏ của chu kì bit dữ liệu Do đó

một bộ điều chế ngoài cho một tín hiệu 10Gbps (với một khoảng thời gianbit 100ps) phải có thời gian chuyển mạch khoảng 10ps.

Thiết bị chuyển mạch quang là những nhân tố quan trọng trong một nút chuyểnmạch gói toàn quang cho việc chuyển mạch và xử lý các module Có một số thiết bịchuyển mạch quang được nêu dưới đây:

hoặc uốn cong sợi quang trong khu vực ảnh hưởng để chuyển đổi nguồn sáng tới cáccổng đầu ra khác nhau Thời gian chuyển mạch của chuyển mạch cơ là khoảng 10ms

silicon và kiểm soát nó bằng cách sử dụng phương pháp điện từ hoặc điện Thời gianchuyển mạch của MEMS là khoảng 10ms

bọt để làm lệch nguồn sáng Thời gian chuyển mạch của chuyển mạch bọt là khoảng10ms

thay đổi sự phân cực của nguồn sáng Bằng cách sử dụng bộ tách và bộ kết hợp chùmtia phân cực nguồn sáng có thể được chuyển mạch Thời gian chuyển mạch củachuyển mạch tinh thể lỏng là là khoảng 4ms

của hai ống dẫn sóng Sự khác pha giữa 2 ống dẫn sóng sẽ dẫn đến chuyển mạch Thờigian chuyển mạch của chuyển mạch nhiệt- quang là khoảng 3ms

áp dụng một điện áp Thời gian chuyển mạch của chuyển mạch điện quang là khoảng10ps

1.3 Bộ định tuyến chuyển mạch gói toàn quang và mô hình nhận dạng tiêu đề 1.3.1 Bộ định tuyến chuyển mạch gói toàn quang

Mục tiêu của mạng chuyển mạch gói toàn quang là đưa ra các mạng với chuyểnmạch nhanh và sử dụng băng tần quang mềm dẻo hơn Tuy nhiên, để đạt được mạngchuyển mạch gói toàn quang, cần yêu cầu xử lý tiêu đề toàn quang và tương quan địachỉ trong mỗi bộ định tuyến Trong phần này sẽ đưa ra định dạng gói quang và kiếntrúc cơ bản của bộ định tuyến Một số phương pháp khác nhau để xử lý tiêu đề góiquang cũng được giới thiệu

Gói quang truyền qua mạng lõi được tập hợp bởi bộ định tuyến biên từ mạng đôthị MAN Thông thường, một gói quang bao gồm ba phần: định thời, địa chỉ và tảitrọng, xem hình 1.5 Tín hiệu định thời được sử dụng để đồng bộ hóa thời gian trongmột bộ định tuyến, và thông tin địa chỉ được sử dụng cho gán nhãn đích đến gói tin

Tải trọng là thông tin, gồm các gói tốc độ thấp có cùng một đích đến Các gói dữ liệuquang được chuyển từ một nút này đến nút khác trên mạng lõi quang cho đến khi đạtđược đích đến gói tin, xem hình 1.2 Các node / bộ định tuyến chuyển các gói tin đếncác đường khác nhau dựa trên các thông tin được lấy từ địa chỉ gói tin.

Hình 1.5: Định dạng của một gói tin quang thông thườngHình 1.6 cho thấy kiến trúc cơ bản của một bộ định tuyến lõi trong một mạngchuyển mạch gói quang

Về cơ bản, các bộ định tuyến bao gồm một số các module quan trọng, chẳng hạnnhư mô-đun chọn lọc định thời để đồng bộ hóa, module tách tiêu đề gói để khôi phụcđích gói, một bảng định tuyến để lưu thông tin định tuyến (tức là đường ngắn nhất quamột số bộ định tuyến lõi đến đích của nó), module tương quan địa chỉ gói tin để sosánh địa chỉ gói dữ liệu và bảng định tuyến theo đó quyết định định tuyến, moduleđiều khiển chuyển mạch quang để điều khiển các chuyển mạch quang và các chuyểnmạch quang để chuyển mạch các gói dữ liệu đầu vào Những module quang khác(không được hiển thị trong hình) như các bộ lặp sửa dạng, khuếch đại (2R) và bộ lặpsửa dạng, khuếch đại, tái định thời (3R) và module đệm quang

Trong bất kỳ mạng nào, tranh chấp là một vấn đề cần xem xét Tranh chấp xảy rakhi có đồng thời nhiều gói tin được chuyển mạch tới cùng một cổng đầu ra Có baphương pháp để giải quyết vấn đề tranh chấp gói là: đệm quang, định tuyến lệchhướng và chuyển đổi bước sóng

dàng thực hiện bằng cách sử dụng bộ nhớ điện truy cập ngẫu nhiên (RAM) Tuynhiên điều này là không dễ thực hiện trong miền quang, do hiện nay không có

bộ nhớ truy nhập ngẫu nhiên quang Thông thường, bộ đệm quang được thựchiện bằng cách sử dụng đường trễ sợi quang (FDL) Đường trễ sợi quang FDL

là một cách dễ dàng để thực hiện đệm Tuy nhiên, nó vẫn không đủ linh hoạt

Điều này là do FDL không có khả năng truy cập ngẫu nhiên, do đó các gói tin

có thể được tìm kiếm chỉ sau khi nó đi qua một chiều dài sợi quang nhất định.Ngoài ra, một khoảng sợi quang dài là cần thiết để đạt được thời gian trễ ngắn(1µs trễ với 200m sợi quang)

Hình 1.6: Sơ đồ khối của kiến trúc bộ định tuyến lõi chuyển mạch toàn quang

đường khác nhau Tuy nhiên, sử dụng đường thay thế dẫn đến trễ truyền lớn hơn (tức

là yêu cầu truyền trên đường dài hơn để đến đích của nó) Định tuyến lệch hướng cũng

có thể dẫn đến các gói tin đã được chuyển tiếp vẫn còn lưu thông trong mạng, do đóđòi hỏi các giao thức phức tạp hơn

 Chuyển đổi bước sóng: Khi hai gói tin rời một cổng đầu ra cùng một lúc, mộttrong số chúng được chuyển thành bước sóng khác bằng cách sử dụng một bộ chuyểnđổi bước Cách giải quyết này là cách hiệu quả nhất bởi vì không làm trễ các tín hiệuhoặc sử dụng bộ định tuyến Tuy nhiên, nó đòi hỏi một số lượng lớn của bộ chuyển đổibước sóng với nhiễu thấp và tỷ lệ phân biệt cao, do đó phải duy trì tốc độ bit gốc, địnhdạng dữ liệu, phân cực, và công suất.

1.3.2 Mô hình nhận dạng tiêu đề

Ngoài các vấn đề tranh chấp, xử lý tiêu đề gói tin trong các miền toàn quang làmột thách thức lớn cho các bộ định tuyến chuyển mạch gói quang Chuyển mạch góiyêu cầu xử lý tín hiệu của địa chỉ tiêu đề gói tin bên trong bộ định tuyến Nó bao gồm

sự tách tiêu đề gói tin (bộ định thời và địa chỉ) và sự tương quan địa chỉ gói tin Việc

xử lý tiêu đề thông thường được thực hiện ở miền điện bằng cách truyền các tiêu đềgói tin ở tốc độ thấp hơn nhiều so với tải trọng Trong chuyển mạch nhãn quang(AOLS), nhận dạng tiêu đề thường được thực hiện bằng cách truyền các tiêu đề và tảitrọng trong hai miền khác nhau (biên độ, bước sóng, pha, hoặc phân cực) Tuy nhiên,không phải là một nhiệm vụ dễ dàng để duy trì cùng một phân cực hoặc pha giốngnhau dọc theo đường truyền vì tác sắc và các hiệu ứng phi tuyến kết hợp với các sợiquang và các thiết bị quang Tiêu đề truyền trong biên độ khác nhau cũng xấu đi bởi

sự biến thiên công suất do suy hao công suất khác nhau/ đặc tính khuếch đại của mỗiđường quang dọc theo đường truyền Tiêu đề với bước sóng khác nhau sẽ dẫn đến thờigian tới khác nhau do tán sắc màu khi một gói tin truyền qua mạng Chuyển mạchnhãn quang AOLS đã được nghiên cứu rộng rãi để thực hiện định tuyến trong mạngtoàn quang Tuy nhiên, trong hầu hết các trường hợp, nhãn trao đổi / điều chế đượcyêu cầu tại mỗi nút chuyển mạch (tức là các bộ định tuyến), do đó làm tăng sự phứctạp của các bộ định tuyến

Một số sơ đồ xử lý tiêu đề gói toàn quang và tương quan địa chỉ đã được đề xuất,

và có thể được phân thành ba loại:

thái đóng/ mở của các chuyển mạch đầu ra Mô hình này ít phức tạp hơn vìkhông có mối tương quan giữa địa chỉ và bảng định tuyến Tuy nhiên, khi sốchặng tăng thì phải tăng chiều dài của địa chỉ tiêu đề

được sử dụng trong mạng Tuy nhiên,khi chiều dài của địa chỉ tăng, số lượng bộtương quan yêu cầu tăng theo cấp số nhân

và cổng AND thường được sử dụng để so sánh các thông tin địa chỉ với bảng định

tuyến cục bộ Tuy nhiên, sự phức tạp của các module nhận dạng địa chỉ tăng theo cấp

số nhân khi tăng độ dài địa chỉ Trong IST-LASAGNE (trao đổi nhãn quang sử dụngcác cổng logic quang học trong các nút mạng), các nhãn/địa chỉ tói tin được nhận dạngtrong tất cả các miền quang bằng cách sử dụng một chuỗi các cấu trúc SOA-MZI Một

mô h́nh nhận dạng địa chỉ toàn quang khác dựa trên các cổng logic cũng đã đượcchứng minh bằng thực nghiệm Trong đó các bit địa chỉ được kiểm tra định kì bằngcách sử dụng một các tầng hoạt động XOR Tuy nhiên, số lượng của cấu trúc SOA-MZI tăng khi số lượng bit địa chỉ tăng

Trong đồ án này sẽ tìm hiểu về xử lý tiêu đề gói tin toàn quang và các mô hìnhtương quan dựa trên bảng định tuyến PPM (PPRT) Những ưu điểm chính của các môhình này là:

 Thời gian xử lý tiêu đề địa chỉ nhanh hơn

của các cổng logic toàn quang

lớp quang

CHƯƠNG II ĐỊNH DẠNG ĐỊA CHỈ TIÊU ĐỀ GÓI DỰA TRÊN PPM2.1 Giới thiệu

Định tuyến gói toàn quang được đưa ra như là một giải pháp thay thế cho môhình định tuyến gói dữ liệu tốc độ thấp hiện nay, trong đó xử lý tiêu đề được thực hiệntrong miền điện Bằng cách thay thế các module chuyển đổi tín hiệu quang-điện-quang(O/E/O) và thực hiện xử lý tiêu đề trong miền toàn quang có thể đạt được thông lượng

dữ liệu cao hơn và tiêu thụ điện năng thấp hơn Một phương pháp xử lý tiêu đề thaythế dựa trên việc xử lý tiêu đề điều chế vị trí xung (PPM-HP) đã được đề xuất Trong

đó bit địa chỉ các gói quang đến và các thông số bảng định tuyến đều được chuyển đổithành định dạng PPM trước khi tương quan với nhau Tuy nhiên, PPM-HP sẽ yêu cầumột bộ chuyển đổi nối tiếp-song song (SPC) để lấy ra các bit riêng lẻ từ địa chỉ tiêu đềgói tin đến, một dãy chuyển mạch 1x2 và các đường dây trễ Với các gói có mẫu bittiêu đề dài thì các tầng chuyển mạch sẽ tăng lên, dẫn đến suy giảm tỷ lệ phân biệt củađịa chỉ đầu ra PPM và tăng độ phức tạp của hệ thống

Trong phần 2.2, cấu trúc node không còn sử dụng bộ chuyển đổi nối tiếp-songsong SPC và chuỗi 1x2 thiết bị chuyển mạch được đưa ra Bằng cách sử dụng địnhdạng địa chỉ tiêu đề gói dựa vào PPM, sự chuyển đổi địa chỉ không còn được yêu cầutrong bộ định tuyến, do đó làm giảm đáng kể sự phức tạp của hệ thống Module điềukhiển chuyển mạch quang tạo ra các xung điều khiển liên tiếp để mở một cửa sổchuyển mạch được giới thiệu tại mục 2.3 Ngoài ra, hiệu năng tỷ lệ tín hiệu trên nhiễuquang đa chặng cũng được thảo luận Ảnh hưởng lên các tín hiệu tương quan và côngsuất gói trung bình tại đầu ra của bộ định tuyến do bù thời gian của địa chỉ PPM đượcthảo luận tại mục 2.4

2.2 Bộ định tuyến toàn quang PPM-HP

Một gói đặc trưng bao gồm một tiêu đề (định thời và địa chỉ) và các bit tải trọng,xem hình 2.1 Thông tin định thời được sử dụng để đồng bộ hóa trong các bộ định

hẹp (< một khe thời gian)

2.2.1 PPM.

PPM là một kỹ thuật điều chế băng gốc phổ biến nhất được sử dụng trong thôngtin quang (quang sợi cũng như quang không gian) vì hiệu quả công suất của nó so với

a2, , aM) ∈ (0,1)N được ánh xạ tới một trong L kí tự PPM, trong đó L = 2N

L kí tự PPM X = (0, 0,1,000… 0)  (0, l) L bao gồm một xung đơn của mộtkhe thời gian Ts = N / (LRb) và L-1 khe trống, Rb là tốc độ bit dữ liệu Vị trí của xungđược chỉ định bởi biểu diễn nhị phân của b.

Ví dụ, địa chỉ đích "0111" có giá trị thập phân là 7 được biểu diễn trong PPM là

"0000000100000000", xem hình 2.1

Hình 2.1: Một gói quang với địa chỉ PPMPPM có chu kì nhiệm vụ rất thấp là L-1 và tỉ số công suất tương đối cực đại là L.Một tín hiệu PPM được biểu diễn như sau:

định thời vào gói quang tốc độ cao với tốc độ bit 1/Tb, trong đó Tb là chu kì bit dữliệu Tiêu đề gói tin quang bao gồm một xung đồng hồ và địa chỉ N-bit địa chỉ đích nútbiên (lưu ý 2N ≥ K).

Hình 2.2a: Mạng lõi quang với 16 nút biênHình 2.2b minh họa cấu trúc bộ định tuyến 1M PPM-HP bao gồm một mô-đun tách định thời (CEM), mô- đun tách địa chỉ tiêu đề (PPM-HEM), một bảngđịnh tuyến vị trí xung (PPRT), các cổng AND, một số đường trễ quang (FDL),chuyển mạch toàn quang (OS), mô- đun điều khiển chuyển mạch toàn quang(OSC), và các bộ chia quang

Hình 2.2b: Sơ đồ khối bộ định tuyến dựa trên xử lý tiêu đề PPM 1M

(PPM-HP)

tương ứng là 0, τCEM (thời gian yêu cầu để tách định thời) và τtot (tổng thời gian yêu cầucho tương quan địa chỉ PPM) CEM tách xung đồng hồ c(t) bằng cách sử dụng hai tầngchuyển mạch SMZ, trong đó các đầu vào của CEM là các gói tin đến và tín hiệu điềukhiển SMZ là phiên bản đã được khuếch đại và trễ của các gói tin đến c (t) sau đóđược tách ra và đưa vào các bộ chuyển đổi nối tiếp song song dựa trên SMZ, khối

x (t) = αc (t + τAC) trongn đó α là hệ số tách.c (t + τAC) trongn đó αc (t + τAC) trongn đó α là hệ số tách là hệ số tách

Các bit tiêu đề gói tin [aN-1 aN-2 … a0], trong đó aN-1 là bit quan trọng nhất, được tách ra

từ các gói tin trễ αc (t + τAC) trongn đó α là hệ số tách.P (t + τCME) trong SPC trước khi được đưa vào module PPM-ACthông qua các bộ khuếch đại quang và các khối trễ [τN-1, , τ1, τ0], xem hình 2.3 Cáctín hiệu ở đầu ra của các mô-đun PPM-AC được cho bởi:

1 0

đó không có trễ tại OP2

Hình 2.3: Sơ đồ khối của module tách tiêu đề PPM-HEM với N = 4

Bảng 2.1: a) Bảng định tuyếntheo qui ước với 2N đầu vào

b) PPRT tương ứng với M đầu

vào

Bảng 2.1 minh họa một bảng định

tuyến theo qui ước (CRT) và PPRT, tương

chỉ tiêu đề được gán một cổng ra riêng, ngược lại trong PPRT một nhóm địa chỉ tiêu

đề j được chuyển sang một định dạng PPM và được gán cùng đầu ra Mỗi khung PPMbao gồm j xung của một bề rộng khe với vị trí được xác định theo hệ thập phân củamỗi địa chỉ, xem hình 2.4

Các đầu vào PPRT

0000001000110100011001111101

E1{ 0,2,3,4,6,7,13}

000000100101100111001111

E2{0,2,5,9,12,15}

000100101000101010111110

E3{1,2,8,10,11,14}

Hình 2.4: Tương quan giữa địa chỉ PPM và các đầu vào PPRT

Lưu ý những gì biểu diễn trong Bảng 2.1 (b) là PPRT cho nút A Tương tự nhưvậy, cho các nút B, C, và D, các đầu vào của PPRT tương ứng sẽ là E1 ∈ {2, 6, 7, 13,14}, E2 ∈ {2, 7, 8, 12, 15}, và E3 ∈ {0, 4, 5, 7, 9, 13}

PPRT được tạo ra bằng cách áp dụng một phần của tín hiệu định thời 1 - αc (t + τAC) trongn đó α là hệ số tách.c (t)(tức là e (t)) thông qua một số các chuyển mạch quang và các đường dây trễ như đưa

Nhận dạng địa chỉ đích được thực hiện nhờ tương quan địa chỉ tiêu đề PPM đượctách với các đầu vào PPRT sử dụng một dãy SMZ dựa trên các cổng AND quang(Hình 2.4)

Vì với mỗi tương quan yêu cầu một hoạt động hoạt động đảo bít đơn, vì thế thờigian khôi phục khuếch đại SOA của cổng AND không còn là vấn đề mà không cần

chú đến kích cỡ của tiêu đề gói và bảng định tuyến Tín hiệu tương quan ở đầu ra củacổng AND thứ k được biểu diễn bằng:

1 ( ( )) ( ) ( ) ( )

0 ( ( ))

neáu d neáu d

Sự tồn tại của thời gian bù (offset) τOS giữa XPPM (t) và Ek (được xác định bởi %

xung ở cùng một vị trí trong nhiều đầu vào PPRT, thì gói tin được phân thành loại đahướng và quảng bá (cùng một vị trí trong tất cả các đầu vào) đến nhiều cổng đầu rahoặc tất cả các đầu ra tương ứng

khiển cửa sổ chuyển mạch quang cho phép chuyển mạch hoàn toàn gói với biến thiênkhuếch đại không đáng kể

Tín hiệu đầu ra bộ định tuyến được cho như sau:

Thời gian tương quan địa chỉ (hoặc thời gian nhận dạng tiêu đề) cuả mô hình

PPRT s

T  T (2.6)Trong các mô hình tương quan địa chỉ thông thường, nhận dạng tiêu đề đượcthực hiện bởi các phép tương quan tuần tự giữa các bit địa chỉ với mỗi đầu vào của

điển hình (hàng trăm ps) lớn hơn nhiều so với Tb (vài ps) trong mạng quang tốc độ cao(tốc độ bit > 40 Gb/s).

thời gian yêu cầu cho mô hình PPRT (TPPRT) và được cho bởi:

AND PPRT

s

N T R

M T





 (2.8)

gian tương quan RPPRT bằng 106,67

2.3 Module điều khiển chuyển mạch quang OSC

Về cơ bản, các mô-đun OSC là bộ tạo đa xung, tạo ra các xung điều khiển liêntiếp để mở chuyển mạch hoàn toàn, do đó cho phép gói đầu vào đi qua Tín hiệu vàocủa OSC là xung hợp tương quan đơn từ tín hiệu đầu ra của các cổng AND Hình 2.5

được giải thích thêm khi tham khảo hình 2.5 (b), trong đó số xung K1 với khoảng thời

đại bởi một bộ khuếch đại quang với hệ số khuếch đại là Gosc trước khi được đưa vàotầng thứ hai Kết quả là, đầu ra của tầng thứ hai (tức là đầu ra của mô-đun OSC) sẽ bao

2.5b

Hình 2.5a: Cấu trúc bộ tạo đa xung 2 tầng (OSC)

Hình 2.5b: Quá trình của luồng đa xungThông thường khoảng thời gian này được thiết lập nhỏ hơn thời gian phục hồikhuếch đại SOA để giảm sự biến thiên hệ số khuếch đại chuyển mạch.

Với suy hao xen của bộ chia và bộ kết hợp là Lspiitter và Lcombiner, thì công suất tốithiểu của xung đầu vào POSC-in yêu cầu bằng:

có khả năng cung cấp thời gian điều chỉnh dạng sóng liên tục để chuyển mạch các gói

có độ dài thay đổi Tuy nhiên, module OSC dựa trên các AOFF yêu cầu thêm nguồnlaser sóng liên tục nên làm phức tạp và tốn kém thêm

2.4 Tỉ số tín hiệu trên nhiễu quang OSNR

Một mạng toàn quang bao gồm K nút biên và N nút lõi với K = 16 ( Xem hình1.2) Mỗi nút biên có một địa chỉ riêng Các gói đầu vào dạng điện tốc độ thấp ở nútbiên nguồn có cùng đích được kết hợp và chuyển thành gói quang tốc độ cao Các góiquang sau đó được định tuyến đến đích qua mạng lõi Khi một gói đến bộ định tuyếnPPM-HP (tức là một nút lõi), tiêu đề của nó được xử lý và tương quan với các đầu vàocủa PPRT để chuyển mạch gói đến đúng cổng ra Tùy thuộc vào cấu hình mạng và cácPPRT nội bộ, gói sẽ đi qua một số bộ định tuyến lõi trước khi đến nút biên đích