GIẢI QUYẾT TRANH CHẤP TRONG CHUYỂN MẠCH GÓI QUANG BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỆM TOÀN QUANG

Đề tài : GIẢI QUYẾT TRANH CHẤP TRONG CHUYỂN MẠCH GÓI QUANG BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỆM TOÀN QUANGNội dung đề tài :Chương 1: Mạng truyền tải quang.Chương 2: Chuyển mạch gói quang.Chương 3: Giải quyết tranh chấp trong chuyển gói quang bằng phương pháp đệm toàn quang.

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

KHOA VIỄN THÔNG 1

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài: “ GIẢI QUYẾT TRANH CHẤP

TRONG CHUYỂN MẠCH GÓI QUANG BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỆM TOÀN QUANG”

Giảng viên hướng dẫn: ThS NGUYỄN THỊ THU NGA Sinh viên thực hiện: PHẠM QUANG HUY

Lớp : D08VT5 Khoá : 2008-2013

Hệ : ĐẠI HỌC CHÍNH QUY

Hà Nội, tháng 12 /2012

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

KHOA VIỄN THÔNG 1

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài: “ GIẢI QUYẾT TRANH CHẤP

TRONG CHUYỂN MẠCH GÓI QUANG BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỆM TOÀN QUANG”

Giảng viên hướng dẫn: ThS NGUYỄN THỊ THU NGA Sinh viên thực hiện: PHẠM QUANG HUY

Lớp : D08VT5 Khoá : 2008-2013

Hệ : ĐẠI HỌC CHÍNH QUY

Hà Nội, tháng 12 /2012

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Ngành đào tạo: Viễn thông Hệ đào tạo: Chính quy

1/ Tên đồ án/khoá luận tốt nghiệp

Giải quyết tranh chấp trong chuyển mạch gói quang bằng phương pháp đệm toànquang

2/ Lý do chọn đề tài

……… ………

………

3/ Nội dung, nhiệm vụ nghiên cứu

Chương 1: Mạng truyền tải quang

Chương 2: Chuyển mạch gói quang

Chương 3: Giải quyết tranh chấp trong chuyển gói quang bằng phương pháp đệm toànquang

Kết luận và kiến nghị

4/ Tài liệu, dữ liệu tham khảo

1 All optical buffering using laser neural networks IEEE-Photonics

2 Application of a lase neural network for all optical buffering of data packets

6/ Ngày giao đề tài:…… /…./20….

7/ Ngày nộp quyển: …… /…./20….

Hà Nội, ngày 01tháng 10năm 2012

(Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)

TRƯỞNG KHOA

(Ký, ghi rõ họ tên)

LỜI MỞ ĐẦU

Chuyển mạch quang chỉ mới được nghiên cứu trong hơn một thập niên trởlại đây Và đã có rất nhiều thay đổi cả về thiết bị lẫn phương thức truyền trênmạng quang.Còn rất nhiều những vấn đề chưa có lời giải nhưng công nghệchuyển mạch quang đã có những bước trưởng thành nhất định Có rất nhiềuphương thức chuyển mạch quang như chuyển mạch kênh quang, chuyển mạchburst quang, chuyển mạch gói quang Nếu như là nhiều năm về trước chuyểnmạch gói quang được xem như là còn phải nghiên cứu rất nhiều với có thể theokịp sự phát triển của chuyển mạch burst quang và chuyển mạch kênh quang thìbây giờ công nghệ chuyển mạch quang đã có những bước phát triển vượt bậc.Tuy nhiên trong chuyển mạch gói quang vẫn có nhiều vấn đề tồn đọng Đồ ánnày tập trung nghiên cứu về giải pháp xử lý xung đột trong chuyển mạch góiquang bằng phương pháp đệm toàn quang Phương pháp này hiện tại đangđược nghiên cứu và ứng dụng khá nhiều trong các mô hình chuyển mạch góiquang nhằm xử lý các vấn đề về tranh chấp của hai, ba hoặc nhiều hơn các góiquang cùng đi qua các bộ chuyển tiếp Trong việc nghiên cứu này có sử dụngđến các tài liệu về mạng truyền tải quang, chuyển mạch gói quang từ tài liệucủa trường và các tài liệu thu thập trên internet

Với mục đích tìm hiểu một công nghệ mới, củng cố và phát triển các kiếnthức đã lĩnh hội được trong quá trình nghiên cứu và học tập tại Học viện công

nghệ Bưu chính Viễn thông em đã chọn đề tài tốt nghiệp của mình là: “Giải

quyết tranh chấp trong chuyển mạch gói quang bằng phương pháp đệm toàn quang” Sau một thời gian tìm hiểu và nghiên cứu cuốn đồ án tốt nghiệp

với đề tài đã chọn đã được hoàn thành với nội dung gồm 3 chương như sau:

phương pháp đệm quang

LỜI CẢM ƠN

Sau gần 3 tháng nỗ lực tìm hiểu và thực hiện đồ án “Giải quyết tranh chấp

trong chuyển mạch gói quang bằng phương pháp đệm toàn quang” đã được hoàn

thành, ngoài sự cố gắng hết mình của bản thân, em còn nhận được sự động viên, khích

lệ từ gia đình, thầy cô và bạn bè

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô của trường Học viện Công nghệ Bưuchính Viễn thông đã truyền đạt nhiều kinh nghiệm và kiến thức quý báu cho em trongsuốt quá trình học tập tại trường Đặc biệt em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới CôNguyễn Thị Thu Nga – Giảng viên khoa Viễn thông và các thầy cô trong khoa đã tậntình giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện đồ án cuối khóa này

Mặc dù em đã cố gắng hết sức để hoàn thành đồ án cuối khóa này, nhưng dotham khảo ở nhiều nguồn khác nhau cộng thêm kiến thức còn nhiều hạn chế, do đókhông thể tránh khỏi thiếu sót Em rất mong nhận được sự thông cảm và đóng góp,chỉ bảo tận tình của quý thầy cô và các bạn để đồ án ngày càng hoàn thiện hơn

Một lần nữa em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất!

Hà Nội, tháng 11 năm 2012Sinh viên thực hiệnPhạm Quang Huy – Lớp D08VT5

NHẬN XÉT (Của giảng viên hướng dẫn)

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Điểm: ……….………(bằng chữ: … ……… ….)

Đồng ý/Không đồng ý cho sinh viên bảo vệ trước hội đồng chấm đồ án tốt nghiệp?.

…………, ngày tháng năm 20

CÁN BỘ- GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

(ký, họ tên)

NHẬN XÉT (Của giảng viên phản biện)

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Điểm: ……….………(bằng chữ: … ……… ….)

Đồng ý/Không đồng ý cho sinh viên bảo vệ trước hội đồng chấm đồ án tốt nghiệp?.

…………, ngày tháng năm 20

CÁN BỘ- GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN

(ký, họ tên)

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ

KÍ HIỆU CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT

ASE: Amplified Spontaneous Emission Khuếch đại phát xạ tự phát

AWGM: Arrayed Waveguide Grating

LNN: Laser Neural Network

quang

TOWC: Tunable Optical Wavelength

Converter

Chuyển đổi có hướng bước sóng quang

Đồ án Tốt nghiệp Đại học Chương 1: Mạng truyền tải quang

CHƯƠNG 1: MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG1.1 Tổng quan về mạng truyền tải quang.

Trước đây, do xa hội chưa phát triển nên nhu cầu trao đổi thông tin củacon người chưa cao và cũng không yêu cầu khắt khe về chất lượng của các dịch

vụ được cung cấp Chính vì vậy, mà chỉ cần một cơ sở hạ tầng mạng vừa phải

đã đủ cung cấp các dịch vụ viễn thông đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin của

xã hội lúc bấy giờ

Ngày nay, sự phát triển của xã hội có thể được đánh giá qua sự phát triểncủa ngành công nghệ viễn thông, mặt khác do nhu cầu trao đổi thông tin củacon người ngày càng tăng và đòi hỏi chất lượng cao hơn với nhiều dịch vụ hơn

đã gây ra sự bùng nổ lưu lượng Vì vậy mà với cơ sở hạ tầng mạng trước đâytrở nên không còn phù hợp cần phải được nâng cấp, để đáp ứng được các nhucầu của khách hàng đồng thời phù hợp để cung cấp các dịch vụ mới với chấtlượng tốt hơn

Do sự phát triển của công nghệ vi mạch điện tử, bán dẫn và công nghệtruyền dẫn quang đã cho phép thu nhỏ kích cỡ, đồng thời làm tăng tính năngcủa các vi mạch điện tử Mặt khác, tốc độ truyền dẫn tăng đột biến nhưng vẫnkhông đủ để đáp ứng tốc độ tăng nhanh như vũ bão của số lượng khách hàng

sử dụng các dịch vụ viễn thông và sự bùng nổ lưu lượng internet, do sự hạn chếtốc độ của các chuyển mạch điện tử Đây quả là một cơ hội tốt để các nhà cungcấp tăng doanh thu của mình nhưng cũng đồng thời đặt ra cho họ một tháchthức là phải nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên mạng một cách tối đa bằngcách áp dụng các công nghệ mới, đồng thời nghiên cứu phát triển công nghệchuyển mạch mới với tốc độ cao hơn và thực hiện đơn giản hơn

Cũng tại thời điểm này, cáp quang được đưa ra như một phương tiện truyềndẫn, cho phép sử dụng công nghệ WDM, điều này đã mở đầu một sự tăng trưởngnhanh chóng về giá trị của băng thông truyền dẫn làm cho Internet tốc độ caođược cung cấp tới mọi người Khả năng tính toán thô sơ của những máy vi tính

cá nhân đã tạo ra những ứng dụng tinh vi (như là truyền hình và thoại thời gianthực) có thể cung cấp cho nhiều người, và để truy nhập vào nội dung các ứngdụng trên Internet đây là một nguồn tiềm năng của các nhà cung cấp dịch vụInternet (ISPs: Internet Service Providers), các nhà cung cấp đã đi tới hướngcung cấp các dịch vụ truy nhập yêu cầu băng thông rộng tới khách hàng

Công nghệ ghép kênh WDM ra đời như một giải pháp được lựa chọn đểcung cấp cơ sở hạ tầng mạng nhanh hơn đáp ứng được sự bùng nổ lưu lượnginternet, cho phép cung cấp nhiều dịch vụ mới với chất lượng tốt hơn đáp ứngđược nhu cầu sử dụng các dịch vụ viễn thông ngày càng tăng của xã hội

Đồ án Tốt nghiệp Đại học Chương 1: Mạng truyền tải quang

Nhưng thế hệ đầu tiên của WDM chỉ cung cấp các kết nối vật lý điểm điểmđược sử dụng hạn chế trong các trung kế WAN

Thế hệ thứ hai của WDM có khả năng thiết lập các tuyến kết nối chéo lựachọn bước sóng từ đầu cuối tới đầu cuối tạo ra các tô pô ảo trên sợi quang vật lý,mặt khác cấu hình bước sóng ảo này có thể được thay đổi theo quy hoạch mạng.Thế hệ WDM thứ 3 được sử dụng trong các mạng chuyển mạch gói phikết nối, trong mạng chuyển mạch gói các tiêu đề hay nhãn được gắn với dữ liệu

và được truyền đi cùng với tải trọng là các dữ liệu người dùng Tại mỗi nodechuyển mạch WDM chúng được xử lý lấy ra thông tin định tuyến để xác địnhtuyến đi cho gói tin từ nguồn tới đích Dựa trên tỷ lệ giữa chi phí xử lý tiêu đềgói và chi phí truyền dẫn gói mà công nghệ WDM có thể được sử dụng hiệuquả hơn bằng cách sử dụng các công nghệ chuyển mạch nhãn hay burst thựchiện truyền một gói tin điều khiển để sử dụng cho nhiều gói tin người dùng.Đây quả là một hướng đi mới tiến tới mạng NGN trong thời gian tới

Hiện nay trên thế giới chuyển mạch quang vẫn đang trong quá trìnhnghiên cứu và thử nghiệm nên chưa được triển khai rộng trên thực tế Cácmạng trên thực tế hiện nay chủ yếu được phát triển theo hướng truyền dẫnquang và chuyển mạch điện tử do công nghệ bộ nhớ truy nhập quang chưa pháttriển gây cản trở cho sự ứng dụng của chuyển mạch quang trong các mạng thựctế

1.2 Tổng quan về chuyển mạch quang

1.2.1 Tầm quan trọng của chuyển mạch quang

Chuyển mạch là một thiết bị tối cần thiết trong mạng truyền tải, nó là thiết

bị duy nhất cho phép truyền tải thông tin giữa một node này với một hay nhiềunode khác, hay đầu cuối này với một hay nhiều đầu cuối khác trong mạngtruyền tải thông tin

Trước đây, do dung lượng mạng không lớn nên chỉ cần hệ thống chuyểnmạch với dung lượng nhỏ, tốc độ không cao cũng có thể đáp ứng đủ nhu cầucủa xã hội lúc bấy giờ Nhưng sau này, do nhu cầu trao đổi thông tin của conngười ngày càng tăng với nhiều dịch vụ đa dạng hơn gây nên sự "bùng nổ" lưulượng làm cho mạng với cơ sở hạ tầng cũ trở nên quá tải, và cần phải sử dụngcác công nghệ chuyển mạch mới để tăng tốc độ truyền tải thông tin cũng như

sử dụng tài nguyên mạng một cách hiệu quả hơn

Mặt khác do công nghệ truyền dẫn quang phát triển, các mạng truyền dẫnquang được xây dựng, đã đem lại dung lượng truyền dẫn vô cùng lớn do băngtần sóng mang quang có thể lên tới 200 THz, nhưng dung lượng mạng vẫnkhông đáp ứng được sự "bùng nổ" lưu lượng do dung lượng mạng bị giới hạnbởi các thiết bị chuyển mạch điện tử có dung lượng và tốc độ hạn chế

Đồ án Tốt nghiệp Đại học Chương 1: Mạng truyền tải quang

Chuyển mạch quang ra đời như một giải pháp được lựa chọn để nâng caohiệu quả truyền tải thông tin tốc độ cao mà không phải thay đổi hay bổ sung hệthống truyền dẫn quang sẵn có của mạng Đồng thời cho phép tăng đáng kểdung lượng mạng cũng như chất lượng dịch vụ được cung cấp bởi mạng có hệthống truyền dẫn quang Cho phép cung cấp nhiều dịch vụ mới với băng thôngrộng trên hệ thống truyền dẫn quang đã được lắp đặt trước đây Góp phần làmtăng lợi nhuận của các nhà đầu tư viễn thông, cùng các nhà khai thác dịch vụ.Chuyển mạch quang ra đời đã khắc phục được các hạn chế của việc xử lý

và chuyển mạch tín hiệu trong miền điện như trước đây Ở trong chuyển mạchquang chỉ có các thông tin điều khiển với số lượng ít ỏi là được biến đổi quang-điện-quang tại mỗi node chuyển mạch để xử lý định tuyến, vì vậy đã làm giảmđáng kể trễ xử lý do không còn phải tốn thời gian để biến đổi quang-điện-quang cho phần thông tin người dùng (khối lượng lớn) tại các đầu vào và đầu

Chuyển mạch gói quang là công nghệ chuyển mạch mà trong đó thông tincần truyền được cắt nhỏ thành các đoạn nhỏ có kích thước cố định hoặc biếnđổi Sau đó chúng được gắn thêm thông tin điều khiển, định tuyến và hỗ trợmạng và được truyền đi trên mạng truyền tải gói tới đích

Chuyển mạch gói quang, là công nghệ tiếp theo của chuyển mạch kênhquang nên đã khắc phục được nhược điểm lớn nhất của chuyển mạch kênh là

sử dụng tài nguyên mạng không hiệu quả, chiếm dụng tài nguyên mạng cả khikhông thật sự cần thiết (tức là không thật sự có thông tin cần truyền, cáckhoảng lặng trong khi kết nối) Tuy nhiên để đạt được hiệu quả tối đa trongchuyển mạch gói là một điều rất khó vì cần phải dung hoà giữa hai yêu cầu tráingược nhau Đó là hiệu suất truyền thông tin (được đánh giá dựa trên tỷ số giữathông tin tải trọng và thông tin truyền đi, yêu cầu gói phải có kích thước lớn đểtăng hiệu suất truyền tin) và tỷ số lỗi thông tin (là tỷ số giữa số bít lỗi và tổng

Đồ án Tốt nghiệp Đại học Chương 1: Mạng truyền tải quang

số bít thông tin truyền đi trong thời gian quan trắc, yêu cầu gói tin nhỏ để khilỗi bít hay mất gói thì lượng thông tin mất đi là nhỏ)

Chuyển mạch burst quang Đây là một công nghệ chuyển mạch mới đãkết hợp các ưu điểm của cả chuyển mạch kênh và gói quang, thực hiện kết hợpmột số gói tin tạo thành burst với một gói mang thông tin điều khiển nên giảmlượng thông tin điều khiển mà không làm kích thước gói tin tăng lên Mặt khác,

do được truyền tải trên mạng truyền tải quang nên khoảng thời gian truyền mộtburst không quá lớn để gây trễ tới các burst khác Hiện tại chuyển mạch burstquang đang là sự lựa chọn phù hợp nhất cho mạng internet tốc độ cao, để cungcấp các dịch vụ băng thông rộng, đa phương tiện đồng thời với chất lượng dịch

vụ theo yêu cầu Tuy nhiên để phát triển công nghệ này phổ biến còn gặp rấtnhiều khó khăn, và phụ thuộc vào nhiều yếu tố khách quan khác như sự pháttriển của công nghệ bộ nhớ truy nhập quang, công nghệ quang lượng tử …

1.2.2 Nguyên tắc chung của chuyển mạch quang

Nguyên tắc chung của chuyển mạch quang là thực hiện chuyển mạchthông tin dữ liệu trong miền quang (tại lớp quang) mà không còn cần phảichuyển đổi thông tin dữ liệu sang miền điện như các node chuyển mạch điệntrước đây Bằng cách tạo ra các kênh quang (kênh bước sóng hay khe thờigian) để truyền tải thông tin dữ liệu

Ngoài ra, cũng giống như chuyển mạch nói chung Chuyển mạch quangcũng thực hiện lưu đệm và chuyển tiếp thông tin tải trọng giữa nguồn và đích.Nhưng có một điểm khác biệt giữa chuyển mạch quang và chuyển mạch điện

tử là: Trong chuyển mạch quang dữ liệu được "làm trễ" trước khi được chuyểntiếp tới node tiếp theo trên đường đi tới đích, chứ không phải thực hiện đệm tạicác node trung gian như trong chuyển mạch điện tử

Trong chuyển mạch quang, tại các node chuyển mạch các thông tin điềukhiển được tách riêng biến đổi quang điện, và xử lý để lấy thông tin định tuyến,còn thông tin tải trọng được lưu trong các bộ đệm quang hay các đường dây trễ

để đợi chuyển mạch tới đầu ra thích hợp trên hướng đi tới đích Như vậy trongchuyển mạch quang đã bỏ đi hẳn quá trình chuyển đổi O/E/O làm giảm đáng kểtrễ xử lý tại các node chuyển mạch

Dưới đây là mô hình chung của một node chuyển mạch quang

Đồ án Tốt nghiệp Đại học Chương 1: Mạng truyền tải quang

Hình 1.1: Mô hình chung của một node chuyển mạch quang

Một node chuyển mạch quang nói chung bao gồm 4 phần chính:

1 Khối giao diện đầu vào: Thu, đệm tín hiệu quang để chuẩn bị đưa vào

trường chuyển mạch thực hiện chuyển mạch tới đầu ra, và tách thông tin điềukhiển đưa lên khối điều khiển chuyển mạch

2 Khối điều khiển chuyển mạch: Khối này thực hiện thu nhận các thông

tin từ module đầu vào và phân tích thông tin điều khiển và thực hiện điều khiểnkhối chuyển mạch Ngoài ra sau khi phân tích song thông tin điều khiển thì nócòn phải có chức năng cấu tạo lại phần thông tin điều khiển đưa tới module đầura

3 Khối chuyển mạch quang: Đây là thành phần chính trong mỗi node

chuyển mạch quang thực hiện chức năng chuyển mạch thông tin từ đầu vào tớiđầu ra theo yêu cầu

4 Khối giao diện ra: thực hiện đệm đầu ra và ghép thông tin tải trọng và

thông tin điều khiển mới, biến đổi thành tín hiệu phù hợp với đường truyền vàđưa lên đường truyền dẫn

Các đơn vị thông tin truyền tải khi đến node chuyển mạch nó được đưaqua một bộ phân kênh (DEMUX) để tách phần tải trọng đưa vào bộ đệm quang(đường dây trễ), và thông tin điều khiển đưa vào module đầu vào của khối điềukhiển chuyển mạch để chuẩn bị xử lý lấy thông tin định tuyến, để điều khiểnkhối chuyển mạch Thực hiện chuyển mạch thông tin dữ liệu tới đầu ra phùhợp, rồi qua bộ ghép thông tin điều khiển (MUX) và được đưa lên đườngtruyền quang tới node tiếp theo trên đường đi từ nguồn tới đích

Đồ án Tốt nghiệp Đại học Chương 1: Mạng truyền tải quang

1.2.3 Phân loại chuyển mạch quang

1.2.3.1 Chuyển mạch kênh quang

Trong chuyển mạch kênh quang, một kênh quang được thiết lập trước khitruyền tin bởi một bản tin thiết lập, và được giải phóng bởi một bản tin giảiphóng được gửi đi sau khi cuộc nối kết thúc Đơn vị dữ liệu trong chuyển mạchkênh thường là bản tin

Chuyển mạch kênh quang hoạt động theo phương pháp định tuyến bướcsóng Trong mạng chuyển mạch kênh quang định tuyến bước sóng một kênhbước sóng sẽ được thiết lập từ điểm đầu tới điểm cuối trước khi truyền tin vàkênh đó sẽ bị chiếm dụng trong suốt thời gian diễn ra cuộc nối

Để thiết lập một cuộc nối trong mạng chuyển mạch kênh bao gồm 3 pha(thiết lập kết nối, truyền tin, giải phóng kết nối) Sau đây là mô hình thiết lậpmột kết nối đối với giao thức không yêu cầu bản tin xác nhận kết thúc phiêntruyền tin

Hình 1.2: Mô tả quá trình kết nối trong mạng chuyển mạch kênh quang

1.2.3.2 Chuyển mạch gói quang

Ở mạng chuyển mạch gói thông tin cần truyền được cắt nhỏ thành cáckhối có kích thước cố định hay thay đổi, và được cấu trúc thành gói tin baogồm thông tin tải trọng (là thông tin dữ liệu người dùng cần truyền, trao đổi) và

phần thông tin điều khiển mạng (thông tin điều khiển header) để gửi qua mạng

tới đích Tại phía thu phải thực hiện phục hồi bản tin từ các gói tin thu được.Trong mạng chuyển mạch gói các kết nối chỉ được thiết lập khi truyền gói tin,sau khi truyền song gói tin thì kết nối đó được giải phóng và các tài nguyênmạng đã phục vụ kết nối này lại được cung cấp phục vụ cho các kết nối khác,

vì vậy mà kết nối chỉ được thiết lập khi thực sự có thông tin cần truyền Đây là

Đồ án Tốt nghiệp Đại học Chương 1: Mạng truyền tải quang

điểm khác biệt so với chuyển mạch kênh Trong mạng chuyển mạch gói đãkhắc phục được nhược điểm của mạng chuyển mạch kênh đó là sử dụng tàinguyên mạng một cách mềm dẻo và đạt hiệu quả cao

Trong mạng chuyển mạch gói quang thì các dữ liệu người sử dụng đượctruyền dẫn quang hoàn toàn từ nguồn đến đích Chính điều này đã làm giảmđáng kể thời gian trễ xử lý như ở các mạng chuyển mạch gói sử dụng chuyểnmạch điện tử do không phải thực hiện biến đổi O-E-O tại các node trung gian.Tuỳ theo kỹ thuật chuyển mạch được áp dụng mà ta có các kiểu thiết lậpkết nối khác nhau: Như định tuyến độc lập ( tức là, mỗi gói tin được định tuyếntrên những đường đi khác nhau tối ưu tại thời điểm đó), định tuyến phụ thuộc(là phương pháp định tuyến mà trong đó các gói tin cùng đi trên một đường đi)hay định tuyến ngẫu nhiên (là gói tin được gửi đi liên tục trên mạng và ngẫunhiên đến đích) Ở mạng chuyển mạch gói các gói tin có thể đi trên các conđường khác nhau, là con đường tối ưu nhất tại thời điểm đó, khi con đường tối

ưu nhất bị lỗi thì mạng có khả năng định tuyến lại

Hình 1.3: Mô hình mạng chuyển mạch gói.

Một nguyên tắc cơ bản của chuyển mạch gói đó là "lưu đệm" và chuyểntiếp, tức là một gói tin chỉ được gửi đi khi đã thu được hoàn toàn đầy đủ tạinode nguồn hay các node trung gian Chính đặc điểm này đã khiến các gói tin

bị trễ tương ứng với độ dài của mỗi gói tại các node trung gian Để giảm trễ thìngười ta có thể tiến hành sử dụng các giao thức khác như: Giao thức khôngkiểm tra lỗi tại node trung gian (trong mạng sử dụng công nghệ ATM), giaothức không cần bản tin xác nhận, hay có thể thực hiện ước lượng thống kê kíchthước gói để gửi đi trước thiết lập băng thông và cấu hình chuyển mạch v v Tuy nhiên chuyển mạch gói vẫn không phải là một phương pháp hoànhảo có thể đáp ứng mọi nhu cầu trong tương lai, nó vẫn tồn tại các hạn chế khókhắc phục như: Khi tốc độ đường truyền lên cao thì thời gian truyền dẫn trở

Đồ án Tốt nghiệp Đại học Chương 1: Mạng truyền tải quang

nên không đáng kể Vì vậy, nếu kích thước gói nhỏ thì thời gian định tuyến trởnên lớn hơn thời gian truyền thông tin rất nhiều, hay có thể xảy ra tranh chấpgây tắc nghẽn mạng do quá nhiều thông tin điều khiển phải xử lý Vì vậy cầnphải phát triển một công nghệ chuyển mạch khác khắc phục được các nhượcđiểm này, phù hợp hơn với các mạng hiện tại có dung lượng lớn tốc độ truyềndẫn cao Chuyển mạch burst quang là một trong những công nghệ chuyển mạchđáp ứng được các yêu cầu đó

1.2.3.3 Chuyển mạch burst quang(OBS).

Chuyển mạch burst quang ra đời là sự kết hợp các ưu điểm của cả chuyểnmạch gói quang và chuyển mạch kênh quang Nó được thiết kế để cân bằnggiữa các ưu và nhược điểm của cả hai loại chuyển mạch này, thực hiện truyềnthông tin dưới dạng các burst quang Đặc biệt hơn là nó không yêu cầu đệm cácburst quang tại các node trung gian (thực hiện truyền dẫn qua mạng truyền tảiquang một cách trong suốt)

Hình 1.4: Mô hình mạng chuyển mạch burst quang

Trong mạng chuyển mạch burst quang các thông tin cần truyền được cấutrúc vào thành các burst, bao gồm một gói điều khiển được gửi đi trước để đăng

ký sử dụng tài nguyên mạng và phần thông tin tải trọng bao gồm nhiều gói tin IPhay tế bào ATM hay Frame ralay thậm trí là dữ liệu HDTV đã được cấu trúcthành một burst đi theo sau gói điều khiển đã được gửi đi

Các node mạng trong mạng chuyển mạch burst quang được phân thành hailoại: node lõi và node biên

Đồ án Tốt nghiệp Đại học Chương 1: Mạng truyền tải quang

Node lõi: Là node chỉ có chức năng thu nhận và chuyển tiếp các burst đến

tới các node tiếp theo trên đường đi trong mạng Tuỳ theo các phương thức điềukhiển được sử dụng trong mạng mà node lõi có thể có bộ đệm hay không Chứcnăng chính của node này chỉ đơn thuần thực hiện cung cấp kết nối để chuyểntiếp burst tới node tiếp theo mà không có chức năng cấu thành hay phân giảiburst

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 nơi kết cuối hay bắt đầucủa các burst Đây là node có cả giao diện tín hiệu quang với các mạng quang vàmạng chuyển mạch burst và giao diện tín hiệu điện với các mạng chuyển mạchgói điện hay các mạng truy nhập Chức năng chính của node này là thu thậpthông tin để cấu tạo các burst và phân giải các burst ra thành các dạng thông tinban đầu(gói hay bản tin) phân bổ chúng tới các mạng truy nhập

Ở mạng chuyển mạch burst quang mỗi burst chỉ có một gói mang thông tinđiều khiển (gói điều khiển) nên đã giảm được đáng kể lượng thông tin điêu khiểntăng hiệu suất truyền tin Đồng thời trong mỗi burst được cấu tạo từ nhiều góinên cũng không chiếm dụng kênh trong thời gian qua dài hay gây trễ quá lớn tớicác burst khác Ở mạng chuyển mạch burst có thể tiến hành phát burst trong khivẫn còn đang thu phần sau của burst đó nên giảm hiện tượng trễ do một burstchiến dụng kênh quá lâu gây ảnh hưởng tới các burst khác, nên tăng hiệu quả sửdụng tài nguyên đồng thời tăng được chất lượng dịch vụ

Chuyển mạch burst quang có một số đặc trưng sau đây:

1 Kích thước đơn vị truyền dẫn của chuyển mạch burst nhỏ hơn kích thướcđơn vị truyền dẫn của chuyển mạch kênh và lớn hơn đơn vị truyền dẫn củachuyển mạch gói quang

2 Có sự ngăn cách giữa điều khiển và dữ liệu: Thông tin điều khiển củachuyển mạch burst được truyền trên một bước sóng riêng (báo hiệu ngoài băng),

và không được truyền đi cùng với burst như ở chuyển mạch gói mà nó đượctruyền đi trước

3 Sử dụng đăng ký trước: Trước khi truyền burst thì nó gửi đi một gói điềukhiển để đăng ký tài nguyên và cấu hình trường chuyển mạch Node nguồnkhông yêu cầu thu nhận thông tin xác nhận từ node đích gửi về trước khi truyềntin tới node đích

4 Kích thước burst có thể thay đổi Từ kích thước burst nhỏ nhất tới kíchthước burst lớn nhất Đặc biệt có thể phát burst bổ sung

5 Không sử dụng bộ đệm: Các node trung gian trong mạng chuyển mạchburst quang không thực hiện đệm tín hiệu Các burst được truyền thẳng qua cácnode trung gian tới node đích

Đồ án Tốt nghiệp Đại học Chương 1: Mạng truyền tải quang

6 Đặc biệt trong chuyển mạch burst quang có thể ứng dụng kỹ thuật ướclượng thống kê kích thước burst để gửi đi trước trong gói điều khiển, giảm thờigian trễ burst tại các node nguồn

Mặt khác chuyển mạch burst quang có tốc độ cao và cho phép đồng thờitruyền dẫn nhiều loại lưu lượng khác nhau (IP, ATM, Frame relay hayHDTV ) nên có thể đáp ứng được các dịch vụ mới yêu cầu chất lượng caobăng thông rộng trong tương lai Hiện nay chuyển mạch burst quang đang làmột giải pháp phù hợp nhất cho mạng internet tốc độ cao và cung cấp các dịch

vụ đa phương tiện Tuy nhiên vấn đề ứng dụng chuyển mạch burst quang vàomạng viễn thông hiện nay vẫn đang gặp nhiều khó khăn, do công nghệ bộ nhớtruy nhập quang chưa phát triển, chất lượng các thiết bị quang lượng tử chưađược chính xác,…đang là vấn đề lớn nhất cần giải quyết

Đồ án Tốt nghiệp Đại học Chương 2: Chuyển mạch gói quang

CHƯƠNG 2: CHUYỂN MẠCH GÓI QUANG2.1 Giới thiệu chung

Mạng với các thiết bị quang hiện đang có triển vọng lớn trong việc cungcấp các ứng dụng đa phương tiện thời gian thực cao, vì nó có khả năng truyềndẫn ở tốc độ cao hơn rất nhiều với độ tin cậy lớn hơn so với mạng điện thôngthường Hiện nay, các liên kết quang đã thay thế cho cáp đồng trong rất nhiềumạng, tuy nhiên mạng quang theo đúng nghĩa mới chỉ được bắt đầu phát triển,

nó bao gồm truyền dẫn quang, chuyển mạch quang và cả khả năng xử lí gói tinbằng công nghệ quang Dưới đây sẽ nghiên cứu một kĩ thuật mới, hiện chưađược triển khai trên thực tế, song lại là một giải pháp có rất nhiều ưu điểm, và

có khả năng đáp ứng được các yêu cầu của mạng thế hệ mới về mọi mặt, đó là

"chuyển mạch gói quang" Chuyển mạch gói quang là kĩ thuật chuyển mạch góiđược thực hiện bởi hoàn toàn công nghệ quang thông qua các thiết bị quang.Mạng chuyển mạch gói quang hoàn toàn có khả năng truyền tải mọi loại thôngtin, từ tốc độ bit thấp như thoại cho tới tốc độ bit cao là video rõ nét, và có thểđáp ứng các yêu cầu khác nhau của mỗi loại dịch vụ có về tốc độ bit, đặc tính,kiểu tốc độ (cố định hay thay đổi), độ chính xác thông tin (như độ mất gói và tỉ

lệ lỗi bit) và đảm bảo thời gian (độ trễ và jitter)

Chuyển mạch gói quang có thể đáp ứng mọi yêu cầu và ta có thể phân loạicác yêu cầu thông tin của chuyển mạch đó là:

Hiện nay mạng chuyển mạch gói quang vẫn chưa hoàn toàn quang, các tínhiệu đều cần chuyển đổi trở lại dạng điện trước khi chuyển mạch và xử lí Nhưvậy, các ưu điểm lớn của thông tin quang như tốc độ và hiệu quả vẫn chưađược phát huy cao do độ trễ vẫn lớn Mạng chuyển mạch gói quang có thể chưađược áp dụng vào cuộc sống trong một vài năm tới do giới hạn về công nghệquang Tuy nhiên với sự phát triển nhanh chóng và rất nhiều các mô hìnhnghiên cứu chuyển mạch gói quang, mạng viễn thông sẽ có thể áp dụng côngnghệ này vào thực tiễn để đáp ứng được đòi hỏi ngày càng cao của các dịch vụngười dùng

2.2 Vai trò của mạng chuyển mạch gói quang

Sự phát triển của các dịch vụ hiện có và các dịch vụ mới băng thông cao

đã làm cho lưu lượng viễn thông không ngừng tăng nhanh, và từ đó băng thôngyêu cầu cũng tăng lên ngày càng lớn Bước đầu để đáp ứng băng thông là sựtriển khai hệ thống truyền dẫn WDM Và bước tiếp theo, mạng thế hệ mới cầnphải tận dụng được kĩ thuật WDM bằng cách thực hiện các chức năng quang

Đồ án Tốt nghiệp Đại học Chương 2: Chuyển mạch gói quangtrong điều khiển và quản lí các tín hiệu hàng megabit, như thế sẽ làm giảm sựphức tạp trong hệ thống điện và giảm giá thành.

Sự nâng cấp mạng từ điện sang quang làm phát sinh vấn đề nghẽn cổ chai

về khả năng thông qua Vấn đề này đã thấy được trên mạng đường trục kết nốichéo quang, và người ta cần sử dụng tầng chuyển mạch gói quang giữa tầngchuyển mạch điện và tầng truyền dẫn Như vậy tầng chuyển mạch gói quang sẽkết nối, lấp khe trống giữa tầng điện đang tồn tại và các kênh quang ở đườngtrục, đồng thời cho phép chuyển mạch gói nhanh các kết nối đổi tần ở tốc độcao hơn nhiều so với tầng điện mà không ảnh hưởng trực tiếp lên kết nối chéo

Ta có mô hình phân tầng tham khảo như hình 2.1

Hình 2.1: Mô hình mạng phân tầng tham chiếu

Các xu hướng phát triển của các mạng viễn thông chủ yếu phụ thuộc vàonhững yêu cầu của các dịch vụ tương lai Qua thực tế người ta dự đoán môitrường mạng sẽ biến đổi hoàn toàn theo những xu hướng chủ đạo là:

băng thông cũng như số lượng kênh bước sóng và tốc độ bít trên một kênh

Các nghiên cứu cho thấy mạng chuyển mạch gói là mạng chủ đạo trongtương lai và có thể đáp ứng được các yêu cầu dịch vụ, một trong số đó có mạng

Đồ án Tốt nghiệp Đại học Chương 2: Chuyển mạch gói quangchuyển mạch gói quang Mạng chuyển mạch gói quang đã được nghiên cứucách đây khoảng chục năm Từ đó đến nay có rất nhiều thay đổi, các thiết bị đãđược cải thiện cũng như đặc tính lưu lượng có nhiều biến đổi Có rất nhiều vấn

đề chưa được giải quyết, song công nghệ quang đã bắt đầu có những dấu hiệutrưởng thành Mạng quang có thể được trải rộng từ mạng đường trục vớikhoảng cách lớn tới mạng truy cập, và mạng đã càng ngày càng phức tạp hơn,hiệu quả hơn và độ tin cậy cao hơn trước đây Chuyển mạch gói quang có thểvẫn chỉ trong phòng thí nghiệm nhiều năm nữa, song với công nghệ phát triểnngày càng cao để đáp ứng cho các phương thức chuyển mạch hiện có nhưchuyển mạch kênh quang, sẽ tạo bước xúc tiến cho mạng chuyển mạch góiquang ra đời

2.3 Đặc tính lưu lượng của chuyển mạch gói quang

2.3.1 Đặc tính lưu lượng của chuyển mạch không có chức năng ghép

tách-2.3.1.1 Mạng và kiến trúc chuyển mạch của hệ thống WDM

Mạng gói quang WDM xác định ở đây được chỉ ra trong hình 2.2

Hình 2.2: Chuyển mạch gói của hệ thống WDM

Chuyển mạch gói quang chuyển dữ liệu giữa các mạng con như MAN,LAN Mạng giống với một mạng sao và N bước sóng khác nhau, λ1 λN-1,λNtrên một sợi và các bước sóng này được sử dụng để mang lưu lượng mạng.Kiến trúc chuyển mạch ATMOS và KEOPS với các cổng đầu vào kênhđơn được mô tả Ơ đây, thực hiện chung của một node chuyển mạch gói WDMđược xác định như trong hình 2.3

Đồ án Tốt nghiệp Đại học Chương 2: Chuyển mạch gói quang

Hình 2.3 Khối chuyên mạch gói quang WDM

đánh địa chỉ các gói theo không gian trống trong bộ đệm đầu ra đường dây trễ

• Khối chuyển mạch không gian không nghẽn (nonblocking) có chức năngchuyển gói tới đầu ra yêu cầu cũng như đệm đầu ra đường dây trễ thích hợp

BM

x N.M

, trong đó B là số vị trí gói trong bộ đệm, N là số bướcsóng, M là số đầu vào và đầu ra, B/N là số lượng đường dây trễ Các kết nốicuối B/N +1 từ chuyển mạch không gian qua bộ đệm tới đầu ra là một đoạn cáp

dây trễ cho trước, thì số vị trí gói B là bội số của N hay α là số nguyên

Kiến trúc này không thể hiện giao diện quang/điện đặt ngay sau bộ táchkênh ở đầu vào của chuyển mạch Giao diện này được dùng để tách tiêu đề mỗigói tìm đầu ra, sau đó xác định vị trí hay trạng thái hàng đợi để điều khiển bộchuyển đổi bước sóng cũng như trạng thái cổng ở chuyển mạch không gian

2.3.1.2 Ảnh hưởng của các bộ chuyển đổi bước sóng khả chỉnh

a Lưu lượng kiểu ngẫu nhiên

Bộ biến đổi bước sóng khả chỉnh TOWC (Tunable Optical WavelengthConverter) làm giảm rõ rệt số lượng đường dây trễ vì TOWC cho phép lưuchuyển nhiều gói quang ở nhiều bước sóng khác nhau trên cùng một đường dâytrễ Mặc dù sử dụng TOWC có thể làm đảo lộn thứ tự gói, song ta có thể bỏqua vì ảnh hưởng lên độ lưu thoát lưu lượng là rất nhỏ, ngay cả trong trườnghợp xấu nhất Hình 2.4 trình bày việc xử lí đệm trong trường hợp có và không

có bộ biến đổi bước sóng TOWC

Đồ án Tốt nghiệp Đại học Chương 2: Chuyển mạch gói quang

Hình 2.4: Xử lí đệm khi có và không có chuyển đổi bước sóng

Có thể minh họa tác dụng giảm số lượng đường dây trễ trên hình 2.5, mẫulưu lượng đã được công nhận và đang được phát triển cho một số mô hìnhkhác

Hình 2.5: Xác suất mất gói tin khi có và không có TOWC’s

Đồ thị chỉ ra xác xuất mất gói với số đường dây trễ là B/N, trong đó B là

số lượng gói tin lớn nhất có thể lưu trên bộ đệm, N là số lượng bước sóng.Trường chuyển mạch 16 x 16, tải 0,8 cho mỗi kênh trên N kênh đầu vào Nếukhông có bộ biến đổi bước sóng, hiệu năng là độc lập với N, hàng đợi có thểcoi như gồm N hàng riêng biệt và độc lập, mỗi hàng chỉ tương ứng với 1 bướcsóng, và các tính toán chỉ cần đặt N=1 Khi có bộ biến đổi, xác suất mất góiPLR được cải thiện khi số lượng bước sóng tăng tức là khi N tăng, tổng sốlượng kênh đầu vào và đầu ra cũng tăng do đó dung lượng chuyển mạch khônggian tăng làm giảm tỉ lệ mất gói tin Mặc dù số kênh đầu vào tăng, nhưng mỗiđầu ra có thể nhận cùng tỉ lệ tải tin ρ độc lập với N, và do đó với cùng một tỉ lệmất gói PLR mà độ sâu bộ đệm không đổi Mặt khác nếu B/N cố định, thì độsâu bộ đệm sẽ tăng theo N Do vậy, xác suất mất gói giảm với số kênh bướcsóng khi TOWC's được sử dụng Ta cũng có thể so sánh như sau: với PLR =

10-10, N=4/ 8 nếu có bộ chuyển đổi thìcần số đường dây trễ là 12/6, trong khi đónếu không có bộ chuyển đổi thì cần số đường dây trễ là 48

b Lưu lượng biến đổi đột ngột

Mô hình tính toán cho lưu lượng biến đổi đột ngột đã được thực hiện vàxác nhận Các tính toán cơ bản khi áp dụng trên đơn kênh, đã chỉ ra rằng tảichấp nhận được thấp hơn nhiều khi so sánh với lưu lượng ngẫu nhiên Tuynhiên, với hệ thống WDM thì vấn đề này cũng được giản quyết như trường hợptải ngẫu nhiên

Hình 2.6 (a) mô tả số lượng đường dây trễ giảm nhờ có TOWC's trong

Đồ án Tốt nghiệp Đại học Chương 2: Chuyển mạch gói quang

Hình 2.6: Số đường dây trễ yêu cầu

Ta thấy rất rõ số lượng đường dây trễ giảm khi số bước sóng tăng lên.Một điểm quan trọng khác là cấu hình chuyển mạch không gian gần như không

đổi, được minh họa trong hình 2.6(b) giữa

4, số đườngdây trễ không đổi bằng 7, hình 2.7 chỉ ra vai trò quan trọng củaTOWC khi tốc độ kênh là10 Gb/s

Hình 2.7: Đồ thị tải kênh lớn nhất với số burstiness

Nếu không có TOWC, thì tỉ lệ tải trên mỗi kênh làhàm số của burstness,

Đồ án Tốt nghiệp Đại học Chương 2: Chuyển mạch gói quang

có TOWC, khi bustness tăng thì tỉ lệ tải lớn hơn nhiều, khả năng thông qua lêntới 60 Gb/s

2.3.2 Đặc tính lưu lượng của chuyển mạch với chức năng tách ghép.

Như mô tả trong hình 2.8, các node chuyển mạch gói tách ghép được sửdụng từ cấu trúc của node mạng con hoặc phân chia thì nhận được các mạngkhác nhau ví dụ MAN, WAN Kiến trúc chuyển mạch gói cũng được chuyểnđổi trực tiếp thành chuyển mạch tách ghép bằng cách dành ghép một số đầuvào và tách ở phía đầu ra Tuy nhiên, có vài điểm khác nhau trong kiến trúcxuất hiện như trình bày dưới đây

Ví dụ một mạng sử dụng chuyển mạch tách ghép là Shufflenetwork nhưchỉ trong hình 2.8

Hình 2.8: Chuyển mạch tách ghép Shufflenetwork

Hình vẽ mô tả Shufflenetwork WDM thông thường với 8 node chuyển

cột (cột cuối không tính khi nó là mô hình của cột đầu tiên) Chú ý tới cácShufflenetwork tổng quát (được tổng quát hoá của Shuffle hoàn hảo) xây dựng

từ các chuyển mạch M×M và k cột thì gồmk.Mk node Điều đó chỉ raShufflenetwork ít tính modul vídụ với M = 4 thì số node là 32 khi k = 2 và 192khi k = 3 Tính modul nhận được bằng cách thêm cột vào Shufflenet chuẩn nghĩa

mạng trong hình 12 đã được thêm vào một cột và có số node là 12

Kiểu kết nối theo hình trụ của Shufflenetworks nhận được sự phối hợp địachỉ theo cách thông thường, cho phép khả năng tự định tuyến và lựa chọn địnhtuyến trả lời từ tắc nghẽn và lỗi mạng Hơn nữa, vấn đề quan trọng của đặc tính

Đồ án Tốt nghiệp Đại học Chương 2: Chuyển mạch gói quanglưu lượng sẽ trình bày ở sau Các mạng đó đảm bảo số lượng nhỏ các hop giữacác node thu và phát.

Trước khi truyền sự mô tả, phân tích rất quan trọng để xác định mạng vàkích cỡ chuyển mạch ưa thích Mạng nội hạt và mạng trung tâm ít khi có hơn

250 node Tham khảo mạng RAINBOW II, nó như mộtWDM MAN, gồm 32node hoạt động tại800Mb/s trong khi mạng STARNET (như LAN) hỗ trợ tớigần 200 node, có tốc độ 1Gb/s hoặc 80 node tại tốc độ 2,5 Gb/s Thông qua các

ví dụ đó chúng chỉ ra kích cỡ mạng ưa dùng

Liên quan tới kích cỡ của các chuyển mạch gói tách ghép quang, kích cỡ

và cũng chắc chắn mức độ phức tạp của thực thể mạng thấp

Một kiến trúc chung của chuyển mạch gói tách ghép quang như hình 2.9

Hình 2.9: Chuyển mạch tách ghép gói quang.

Tại mỗi M đầu vào các gói đến từ các node mạng khác nhau trong khi các

vào mạng sẽ lựa chọn các gói đến tại N bước sóng, λ1 λN-1,λN trong khi đó Naddcác kênh mang các gói được ghép lưu lượng nội hạt Tiếp theo, các bộ chuyểnbước sóng khả chỉnh được sử dụng để đánh điạ chỉ không gian trống trong các

bộ đệm đầu ra đường trễ sợi Một chuyển mạch không gian được sử dụng để truycập các đường trễ sợi quang và để định tuyến các gói tới các đầu ra thích hợp.Một gói phải bị tách ra để định tuyến tới đầu ra tách sau đó thực hiện chuyển đổiquang thành điện và bộ đệm điện (các đầu ra khác được tham chiếu như các đầu

ra của mạng) Chú ý rằng trong nguyên lý bộ đệm tại đầu ra tách có thể là quang

và được thực hiện như một bộ đệm WDM

Đồ án Tốt nghiệp Đại học Chương 2: Chuyển mạch gói quang

2.3.2.1 Lưu lượng của mạng chuyển mạch gói tách- ghép WDM

Để có được sự nhận dạng các kiến trúc chúng ta cần tiếp tục phát triểnmột kiểu lưu lượng để tính toán cho các bộ chuyển đổi bước sóng, WDM vàquan trọng là số các hop giữa các node

Sự phân tích kiểu lưu lượng được dựa trên kiểu chuyển mạch gói WDM.Phải chỉ ra được những gì đã xem xét trong Shufflenetworks, kiểu ứng dụngvới bất cứ mạng gói tách ghép nào cung cấp theo giả thuyết:

nhận được phân phối một cách ngẫu nhiên

nhau và mang đi tải trọng ρaddtrung bình giống nhau

mạng chẳng hạn 1/ (Nnodes – 1) nếu số node trong mạng là Nnodes

Nếu giả sử lưu lượng được phân phối một cách ngẫu nhiên Vẫn còn lưulượng burstiness trong lớp gói quang khi so sánh với lớp chuyển mạch ATMbằng điện thường thấp vì vậy giải thích cho giả định Với liên quan tới giảthuyết thứ hai, chỉ ra sự phối hợp định tuyến thích ứng đơn giản cho điều khiểntắc nghẽn ở mạng sóng ánh sáng đa hop Shufflenet mà ở đó giả sử đúng nếuthuật toán định tuyến thích ứng được thực hiện với Shufflenetwork

và do đó giá trị lưu lượng khởi tạo được đưa đến đích như chỉ trên hình 2.10

Tải trọng này cũng là tải trọng của mỗi kênh tại các đầu vào mạng của chuyển

bằng nhau

Đồ án Tốt nghiệp Đại học Chương 2: Chuyển mạch gói quang

Hình 2.10: Các tham số lưu lượng của node chuyển mạch tách ghép quang.

Để sử dụng kiểu hàng đợi mô tả trong kiến trúc chuyển mạch gói WDM

và sự phân tích ảnh hưởng của các bộ chuyển đổi bước sóng khả chỉnh lên hiệunăng, mà được ứng dụng cho hàng đợi đầu ra WDM quang, việc xử lý gói đếntới mỗi hàng đợi mạng phải được tìm thấy Có hai điều kiện:

Nếu số trung bình các hop giữa các node là E sau đó xác xuất của một gói

1

1 −

Cụ thể tại một đầu ra, xác xuất của

j net

j net

M

E E

j

M N c

11 ,

.

0

ρ

.(2.1)Biểu thức cuối cùng là số trung bình của các gói đến Như thế, các góiđến từ các đầu vào ghép Nadd tới hàng đợi đầu ra mạng có tải trọng là ρadd /M vàxác xuất cadd,i của i gói đến từ các đầu vào đó là:

Đồ án Tốt nghiệp Đại học Chương 2: Chuyển mạch gói quang

i N add

i add add

i add

a dd

M M

i

N c

add

M N i add add

ρ

.,

0

=

= ∑

=

(2.2).Phối hợp với biểu thức ở trên, xác xuất clcủa tổng số l gói đến:

, ,

M N l N l i

i l net j add l

a d d

c c

=

E

N M N

add

11

r (2.3).Tính toán tổng cho các điều kiện kèm theo và công thức ở dưới nhậnđược số gói trung bình truyền cho bộ đệm của một đầu ra

Số gói đến hàng đợi tách thì giống với mô tả trong nối chéo toàn quangcho mạng truyền tải quang đa bước sóng dung lượng cao, chỉ khác xác xuất

p net p

drop

E E

p

M N c

N c

p

p

p drop drop

1

0

= ∑

=

(2.4) Với các xác xuất nhận được từ tính toán ở trên, xác xuất phát cho số gói tronghàng đợi quang có thể tìm thấy tuỳ thuộc vào cách mô tả trong 2.3.1.2 và PLR có thểđược tính toán

sau đó là PLR cho cả mạng.Tuy nhiên, các phương pháp đó đầu tiên cần tìmđược giá trị ρnet Tóm tắt lại vấn đề đối với hàng đợi: Trong mỗi bước, một giátrị mới cho thông lượng của hàng đợi mạng được tìm thấy bằng cách tính toánPLR cho các hàng đợi đó

Đồ án Tốt nghiệp Đại học Chương 2: Chuyển mạch gói quang

2.3.2.2 Thuật toán định tuyến và kiểu kiểm tra

Sự chính xác của kiểu phân tích thì đã được kiểm tra với hai kích cỡ khácnhau của Shufflenetwork Tuy nhiên, trước khi mô tả kết quả cần giải thích vềthuật toán định tuyến sử dụng Thuật toán định tuyến phải kết nối các node màtài nguyên mạng được tận dụng tốt nhất và trễ đầu cuối là nhỏ nhất Để giữ trễthấp nhất chỉ có cách sử dụng kênh ngắn nhất tức là các kênh mà sử dụng sốlượng các hop ít nhất Cũng cần chú ý trong một vài trường hợp sử dụng cáckênh lớn hơn có thể cải thiện được đặc tính lưu lượng

Trong các kiểu mô phỏng, hai thuật toán định tuyến được xem xét Thuậttoán hữu dụng nhất là thuật toán có nhiều hơn một đường ngắn nhất giữa hainode Thuật toán đầu tiên chọn các đường một cách đều đặn Thuật toán thứ hairắc rối hơn và liên quan chặt chẽ với định toán thích ứng đơn giản để điềukhiển tắc nghẽn trong mạng sóng ánh sáng đa hop Shufflenet Dựa vào tìnhhình lưu lượng truyền, các gói được định tuyến dọc theo đường nơi có trễ hàngđợi lớn nhất trên một node thuộc về đường ngắn nhất (xem hình 2.11) Phươngpháp này giống với thuật toán định tuyến lớn nhất – nhỏ nhất

Hình 2.11: Thuật toán định tuyến lớn nhỏ

Trong mô phỏng đầu tiên chỉ thuật toán định tuyến tiên tiến được sửdụng Kết quả được thể hiện trong hình 2.12(a), mà đem lại PLR ngược với tải

một chuyển mạch đơn tầng thì cùng được xem xét

Đồ án Tốt nghiệp Đại học Chương 2: Chuyển mạch gói quang

(a)

(b)

Hình 2.12: Xác xuất mất gói trong các hàng đợi mạng.

Để kết thúc sự mô phỏng bằng việc mô tả khái niệm đặc tính lưu lượngcủa các mạng chuyển mạch tách ghép gói và được sử dụng dưới sự phân tíchcác tiêu điểm của WDM với việc sử dụng các bộ chuyển đổi bước sóng khảchỉnh Với sự phân tích này ba sự kiện cơ bản cho các kiến trúc chuyển mạch

Đồ án Tốt nghiệp Đại học Chương 2: Chuyển mạch gói quang

kênh mang một nửa tải Cuối cùng hình 2.13(c) chỉ ra chỉ một bộ chuyển đổibước sóng trên đầu vào ghép Trong trường hợp này có nhiều ưu điểm, chỉ mộtđầu vào ghép, Nadd=1 yêu cầu mang đi tải0,8

Đồ án Tốt nghiệp Đại học Chương 2: Chuyển mạch gói quang

2.3 Bộ đệm trong chuyển mạch gói quang

2.3.1 Các kỹ thuật đệm

Trước khi xem xét các kiến trúc chuyển mạch với các cách đệm khác nhau,cần xem xét các phương pháp xác định hiệu năng quang, vì đây là một công việcrất quan trọng để xác định mô hình chuyển mạch với kiểu đệm nào có khả năngứng dụng trong thực tế

Tham số tỉ lệ lỗi bit BER (Bit Error Rate) là một trong các tham số hiệunăng rất quan trọng, không những trong hệ thống chuyển mạch mà còn trongrất nhiều các hệ thống khác như các hệ thống truyền dẫn BER của mỗi cấuhình được xác định bằng việc phân tích các mô hình và được định lượng nhờmáy tính Nhiễu và xuyên âm đều được lấy mẫu, nhiễu giao thoa có thể bỏ qua(vì nhỏ hơn 60 dB so với tín hiệu) Hệ số tăng ích của mỗi kiến trúc chuyểnmạch đều được chỉnh bằng 0, và sử dụng một hay một số tầng khuyếch đạithêm bên ngoài để thuận tiện tính toán

Giả thuyết rằng suy hao trên đường dây trễ có thể bỏ qua Để chứng minhgiả thuyết hãy giả sử thiết kế đệm được 250 gói tin hoạt động ở tốc độ 10 Gb/s.Nếu tế bào ATM được đệm thì bộ đệm phải lưu 53x8x250 = 106.000 bit Vì

2,12 km Với suy hao quang thông thường thì mỗi đường dây trễ như vậy sẽkhông ảnh hưởng tới mô hình, do đó suy hao trên đương dây trễ có thể bỏ qua.Ngoài ra cũng có thể bỏ qua sự thay đổi độ dài đường dưới tác động nhiệt độ,

vì mỗi đường dây trễ đều có bộ ổn định nhiệt

lỗi đường truyền và BER hợp lí ở liên kết đầu cuối Trong chuyển mạch điện,BER cũng đạt được gần như bằng không, nên các công nghệ quang mới nhấtcũng phải đáp ứng được chỉ tiêu hiệu năng này

Các bộ khuyếch đại quang bán dẫn (SOA's) được sử dụng để chuyểnmạch và khuyếch đại, phát sinh thêm nhiễu cộng tự phát, điều này rất bất lợi vàcũng được xét trong mô hình tính toán Nguồn nhiễu này đã làm giới hạn kíchthước mỗi chuyển mạch và số lượng chuyển mạch có thể ghép tầng Ngoài ra,các thiết bị như bộ kết hợp và AWG (sử dụng để định tuyến theo bước sóng)cũng sinh ra nhiễu xuyên kênh nên làm suy giảm tín hiệu, và trong trường hợpxấu nhất là trùng với bước sóng và trạng thái phân cực của tín hiệu Nói chung,mọi tính toán đều dựa trên một số giả thiết sau:

làm việc

Đồ án Tốt nghiệp Đại học Chương 2: Chuyển mạch gói quang

khuyếch đại bão hoà do tín hiệu vì tín hiệu lớn hơn nhiễu rất nhiều

được trong thực tế

cộng, nhưng chúng lại cải thiện dạng tín hiệu nhờ hiệu ứng truyền đạt phi tuyến

khi tín hiệu tới đầu ra chính xác, và 37 dB (2dB +35dB) khi tín hiệu bị sai đầu

ra AWG gây nhiễu xuyên kênh nhỏ hơn 35 dB so với tín hiệu

2.3.1.1 Bộ đệm đầu ra

Cấu trúc đệm đầu ra gồm một trường chuyển mạch và một bộ đệm ở đầu

ra của trường chuyển mạch như hình 2.14 Trong một khe thời gian, các gói tớicùng một đầu ra đều được đưa vào bộ đệm đồng thời một cách thích hợp Nếu

bộ đệm đã đầy thì các gói đến tiếp theo sẽ bị loại và xảy ra mất gói Xác suấtmất gói thường là từ 10-10 tới 10-11 tuỳ thuộc từng loại ứng dụng

Đồ án Tốt nghiệp Đại học Chương 2: Chuyển mạch gói quang

Hình 2.14: Chuyển mạch gói đệm đầu ra

Nếu chọn kích thước bộ đệm tuỳ ý thì sẽ không có sự mất gói song ta đãkhông tính đến độ trễ gói cũng như hiệu năng chuyển mạch

Trễ gói xảy ra do tranh chấp khi có nhiều gói muốn tới cùng đầu ra ngaylập tức Độ trễ được tính là độ trễ trung bình thống kê ở một bộ đệm Các phântích, tính toán độ trễ thường dựa trên kiểu lưu lượng Bernoulli hay lưu lượngđều, tức là các biến cố là độc lập, có xác suất không đổi, đồng thời sự phân bốlưu lượng ở đầu ra là như nhau Cách phân tích này tuy có hạn chế vì lưu lượngtrên thực tế là không đều, mang tính chất bùng nổ (có thời điểm rất lớn), songlại dễ phân tích và dễ so sánh tương quan giữa các loại cấu hình đệm khácnhau, do đó ta chọn kiểu lưu lượng này để phân tích

2.3.1.2 Bộ đệm chia sẻ

Đây là một dạng của đệm đầu ra, song mọi bộ đệm trên từng đầu ra đềudùng chung một vùng RAM (bộ nhớ truy nhập ngẫu nhiên) Như vậy giới hạnkhả năng đệm được tính là tổng số gói trên toàn bộ đệm RAM Đây là phươngthức phổ biến trong chuyển mạch ATM, thực hiện theo kiểu truy nhập bộ nhớngẫu nhiên điện Nó không có khả năng thực hiện dạng bằng quang, vì không

có bộ nhớ bằng quang tương đương, và do sự phức tạp của chuyển mạch Tuynhiên, nhiều chuyển mạch gói quang có thể nói đã sử dụng bộ đệm chia sẻ khicạnh tranh với bộ đệm đầu ra, các đường trễ được chia sẻ giữa các bộ đệm đầura

2.3.1.3 Bộ đệm vòng

Nếu nhiều gói ở nhiều đầu vào cùng tới một đầu ra, khi đó chỉ một góiđược truyền qua, còn lại đều được truyền qua vòng hồi tiếp như hình 2.15

Hình 2.15: Chuyển mạch quay vòng STARLITE

Mỗi một lần quay vòng sẽ làm trễ thời gian tương ứng một gói, tức là là

mất gói 10-10, tải trọng 0.8 thì yêu cầu sử dụng 237 vòng lặp hồi tiếp Khi thực