MỘT SỐ KỸ THUẬT CƠ BẢN TRONG CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH GÓI QUANG docx

TRẦN XUÂN TRƯỜNG Liên Bộ môn Điện – Điện tử - Cơ sở II Trường Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Trên cơ sở so sánh với các kiến trúc chuyển mạch gói thông thường, bài viết đưa ra cá

MỘT SỐ KỸ THUẬT CƠ BẢN TRONG CÔNG NGHỆ

CHUYỂN MẠCH GÓI QUANG

ThS TRẦN XUÂN TRƯỜNG

Liên Bộ môn Điện – Điện tử - Cơ sở II Trường Đại học Giao thông Vận tải

Tóm tắt: Trên cơ sở so sánh với các kiến trúc chuyển mạch gói thông thường, bài viết

đưa ra các kiến trúc của các hệ thống chuyển mạch gói quang với kỹ thuật đệm và kỹ thuật chuyển mạch phân chia theo bước sóng – không gian Từ đó ta thấy được các thế mạnh của loại chuyển mạch mới này cũng như khả năng ứng dụng của chúng

Summary: By comparing with general packet switching architecture, this article

provides block diagrams of optical packet switching with buffering and wavelength division- space division switch technology From this, we can be aware of the strengths of this new switch and the capability in utilizing it

I ĐẶT VẤN ĐỀ

Hiện nay các hệ thống chuyển mạch gói thông thường đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin viễn thông Tuy nhiên tốc độ của chúng còn giới hạn nên khả năng ứng dụng cho các mạng băng rộng, đa dịch vụ, tốc độ cao ngày càng bị hạn chế Với các ưu thế vượt trội về tốc độ và băng thông của mình, chuyển mạch gói quang ra đời có thể khắc phục được các khiếm khuyết của chuyển mạch gói thông thường Vì lý do này, tác giả muốn trình bày các kỹ thuật được sử dụng trong công nghệ chuyển mạch gói quang với bố cục như sau: Phần 2, chúng tôi phân tích khái quát về các kiến trúc, nguyên lý hoạt động của chuyển mạch gói thông thường cũng như ưu và nhược điểm của chúng Phần 3 tập trung làm rõ các kỹ thuật chủ yếu dùng trong các hệ thống chuyển mạch gói quang Phần 4 là phần kết luận

ĐT

II KIẾN TRÚC VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA CHUYỂN MẠCH GÓI THÔNG THƯỜNG

Như đã biết trong chuyển mạch gói, nút chuyển mạch là sự kết hợp của một cơ cấu chuyển mạch và bộ xử lý mào đầu gói đồng thời thực hiện các chức năng xếp hàng và chuyển mạch phân chia theo không gian Mỗi gói tin gồm phần mào đầu và phần tải trọng sẽ được mang đi từ một cổng vào tới một hay nhiều cổng ra Nút thực hiện tách thông tin mào đầu từ gói Bộ xử lý thông tin mào đầu trong nút sẽ nhận ra các thông tin mào đầu và quyết định nó tới đầu ra, sau đó

nó thiết lập cơ cấu chuyển mạch để gửi tải trọng tới cổng ra đích theo dạng chuyển mạch phân chia theo không gian Thông tin gói nội bộ thường được bổ sung cho phần tải trong để phân biệt các gói với nhau Khi có hai hoặc ba tải trọng tới một cách đồng thời tại cùng một cổng ra được gọi là quá trình tranh chấp Trường hợp này các gói sẽ phải xếp hàng tạm thời trong một bộ đệm

và chờ nút xử lý gửi đến cổng ra Nếu xét bên trong hệ thống chuyển mạch, theo quan điểm về

vị trí bộ đệm thì kiến trúc phần tử chuyển mạch sẽ có ba loại sau

Loại thứ nhất là phần tử chuyển mạch bộ đệm đầu vào Trong loại này tình huống tranh

chấp được giải quyết tại đầu vào Mỗi cổng vào được trang bị một bộ nhớ đệm riêng, các bộ

đệm này có thể lưu giữ một gói tin cho đến khi giải thuật phân xử điều khiển bộ đệm để truyền

gói tin tới chuyển mạch trung gian Do đó, khối chuyển mạch trung gian có thể mang gói tin đi

mà không có sự tranh chấp nào Bộ đệm hoạt động theo nguyên lý đơn giản nhất là vào trước –

ra trước (FIFO) Tuy nhiên dạng chuyển mạch này sẽ gây ảnh hưởng bởi nghẽn đầu hàng Nếu

giả thiết có hai cổng vào A và B đều có một gói có đích là cùng một cổng ra X tại ngay đầu của

hàng của bộ đệm FIFO Khi này, do tại một thời điểm không thể gửi đồng thời 2 gói tin từ 2

cổng vào A, B tới cổng ra X, nên nếu giả sử kỹ thuật phân xử quyết định cho phép cổng vào A

gửi một gói tin tới cổng ra X và ngăn cổng vào B gửi gói tin tới cổng ra X đó Như vậy tại cổng

vào B, các gói tin kế tiếp sau gói tin đầu hàng bị nghẽn sẽ không thể chuyển đi được mặc dù

đích của chúng là đang rỗi Nghẽn đầu hàng có thể gây ảnh hưởng đến việc thực hiện tải của

phần tử chuyển mạch Nhiều nỗ lực thực hiện để giải quyết vấn đề nghẽn đầu hàng này và cải

tiến chất lượng chuyển mạch như sử dụng các bộ đệm đàn hồi cùng các thuật toán phân xử

Loại thứ hai là các phần tử chuyển mạch bộ đệm đầu ra Trong loại này, chuyển mạch

trung gian có thể truyền đồng thời nhiều gói từ các cổng vào tới cùng một cổng ra Mỗi cổng ra

được trang bị một bộ nhớ riêng để tránh tranh chấp tại đây Bộ đệm có thể nhận và lưu giữ

nhiều gói tin tại cùng một khoảng thời gian Vì vậy loại này có thể truyền gói tới các cổng ra

theo dạng từ gói tới gói trong bộ đệm FIFO Kiến trúc chuyển mạch bộ đệm đầu ra là khá đơn

giản nhưng yêu cầu khối chuyển mạch trung gian và bộ đệm phải có tốc độ cao Điều này cũng

có nghĩa là chúng không cần có các bộ đệm phức tạp cùng thuật giải phân xử để tránh nghẽn

đầu hàng Tuy nhiên một thách thức lớn là bộ đệm ở đây phải lưu giữ gói nhanh gấp N lần tốc

độ truyền cổng vào khi phần tử chuyển mạch này có N đầu vào

ĐT

Loại thứ ba của kiến trúc phần tử chuyển mạch là dạng chuyển mạch bộ đệm ở trung tâm

Trong dạng này, bộ đệm được chia sẻ giữa tất cả các cổng vào và các cổng ra Mỗi cổng vào lưu

giữ tất cả các gói trong bộ đệm trung tâm và mỗi cổng ra sẽ truy cập bộ nhớ thep quy luật FIFO

Với dạng kiến trúc này, khả năng sử dụng bộ nhớ là hiệu quả hơn so với hai loại chuyển mạch

đã được mô tả ở trên Tuy nhiên quá trình quản lý bộ nhớ của bộ đệm trung tâm là phức tạp hơn

III CÁC KỸ THUẬT SỬ DỤNG TRONG CHUYỂN MẠCH GÓI QUANG

3.1 Khái quát chung

Như đã mô tả phần trước thì có ba loại kiến trúc chuyển mạch gói chung theo thuật ngữ của

các bộ đệm Trong một nút chuyển mạch gói quang, các bộ đệm thường được thực hiện bằng

các dây trễ quang vì bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên quang là ít thực tế Do yêu cầu sự quản lý bộ

đệm phức tạp, nên kiến trúc chuyển mạch bộ đệm trung tâm là không thích hợp đối với chuyển

mạch gói quang Vì vậy phần này sẽ mô tả hai loại cơ bản để thực hiện được chuyển mạch gói

quang Đó là chuyển mạch gói quang bộ đệm đầu vào và chuyển mạch gói quang bộ đệm đầu

ra Đồng thời ta chỉ giới hạn xét các gói quang có độ dài cố định

Chuyển mạch gói quang bộ đệm đầu vào thường gồm các bộ đệm gói quang và một khối chuyển mạch phân chia theo thời gian quang Để tránh tranh chấp tại đầu ra của chuyển mạch quang, người ta sử dụng các bộ đệm dưới dạng đường dây trễ quang để làm trễ các gói truyền

đi Điều này sẽ làm giảm hiệu quả tải của chuyển mạch gói quang do một số khe thời gian không được sử dụng Đây là một nhược điểm của loại này

λ1

Bộ ghép gói quang theo bước sóng

λ1 - λ N

λ2

λN

Bộ chọn kênh quang theo bước sóng

λN

λ1

λ2

Mạng bus quảng

bá WDM

Bộ đệm gói (Dây trễ quang)

Hình 1 Cấu trúc bộ chuyển mạch gói quang bộ đệm đầu ra

ĐT

Đối với chuyển mạch gói quang bộ đệm đầu ra có thể mô tả như hình 1 Nó bao gồm một mạng bus quảng bá WDM, các bộ đệm gói và bộ chọn kênh theo bước sóng Cấu trúc này sử dụng sơ đồ bộ đệm đầu ra theo nguyên lý ghép kênh phân chia theo bước sóng quang Mỗi kênh bước sóng cố định được ấn định cho mỗi cổng vào, các gói quang đến được kết hợp theo kiểu WDM và được phân bố tới mọi cổng ra tại bộ kết hợp quang trong mạng bus quảng bá Mỗi một cổng ra được trang bị một bộ đệm gói WDM Nếu một gói WDM trộn với hai hoặc nhiều gói

mà được tới đích đối với cùng một cổng ra thì bộ đệm gói sẽ lưu giữ và nhân đôi các gói WDM đồng thời gửi chúng tới bộ chọn kênh WDM Bộ chọn kênh sẽ lọc gói quang mong muốn ra khỏi gói WDM Khi các chuyển mạch quang của loại này được nối tầng thì tại mỗi cổng vào cần có một bộ chuyển đổi bước sóng

Cấu trúc đầy đủ của một nút chuyển mạch gói quang bao gồm 4 phân hệ Giao diện đầu vào bao gồm một bộ tách mào đầu để tách các thông tin mào đầu từ các gói đến, bộ đồng bộ để sắp hàng các gói đến theo thời gian thực tương thích với tín hiệu đồng hồ Phân hệ chuyển mạch gói sẽ truyền các gói tới các đầu ra chính xác của chúng Giao tiếp đầu ra sẽ chèn một mào đầu mới đồng thời có thể tạo dạng dữ liệu và chuyển đổi bước sóng của nó Bộ điều khiển tiến hành giải quyết tranh chấp và quản lý bộ đệm

3.2 Các kỹ thuật sử dụng trong công nghệ chuyển mạch gói quang

- Phương pháp chuyển mạch phân chia theo không gian trong chuyển mạch gói quang:

Khối chuyển mạch phân chia theo không gian quang là một trong các phân hệ mấu chốt

của hệ thống chuyển mạch gói quang bộ đệm đầu vào Hình vẽ 2 chỉ ra ví dụ về hệ thống

chuyển mạch không gian đối với chuyển mạch gói quang Đây là loại chuyển mạch băng rộng

bao gồm 256 đầu vào và 256 đầu ra (ký hiệu: 256 x 256), trong đó sử dụng các bộ chia tín hiệu

1 đầu vào, 256 đầu ra (ký hiệu: 1 x 126) và các bộ chọn tín hiệu 256 đầu vào, 1 đầu ra (ký hiệu:

256 x 1) Nó làm việc theo nguyên tắc sau: 256 bộ khuếch đại quang sợi EDFA sẽ thực hiện

khuếch đại 256 tín hiệu vào để đảm bảo chất lượng tín hiệu quang trong bộ chia công suất

quang Sau đó tín hiệu này được chia và quảng bá ra 256 bộ chia 1 x 256 để tới các bộ chọn

256 x 1 có 256 cổng SOAG (cổng khuếch đại quang bán dẫn) Bộ chọn sẽ truyền một trong 256

tín hiệu vào tới một cổng ra bằng việc mở một cổng quang trong 256 cổng Cấu trúc này, các bộ

chọn có thể truyền một cách độc lập một tín hiệu đầu vào duy nhất giữa 256 tín hiệu Do đó nó

làm việc như một chuyển mạch ngang dọc không có tổn thất nội bộ Tuy nhiên, hệ thống này

yêu cầu 65536 cổng SOAG và 256 bộ khuếch đại quang cho chuyến mạch dung lượng

256 x 256 cổng vào - ra Để làm giảm nhỏ số lượng thiết bị, ta có thể sử dụng các kỹ thuật

WDM cho chuyển mạch phân chia theo không gian Cấu trúc này được gọi là chuyển mạch

quang phân chia theo bước sóng và không gian WD/SD

1

1

(256)

Bộ chọn SD 256 x1

0

0

(256) EDFA

256

256 cổng SOAG

Cổng ra 1

1

1

256

256

256

256 cổng SOAG

Cổng ra 256

Cổng vào 1

Cổng vào 256

Bộ chia 1x 256

ĐT

Hình 2 Cấu trúc của hệ thống chuyển mạch phân chia theo không gian quang

Sơ đồ khối của một hệ thống chuyển mạch quang WD/SD 256x256 sử dụng 16 bộ ghép

kênh quang theo bước sóng được chỉ ra ở hình 3 Tại phía đầu vào, mỗi một trong 256 cổng vào

sẽ được ấn định trước vào một trong 16 kênh quang theo bước sóng của 16 nhóm riêng rẽ Mỗi

tín hiệu vào được quảng bá tới các bộ chọn WD/SD 256x1 thông qua bộ ghép kênh theo bước

sóng 16 x 1 (λ - MUX) và qua bộ khuếch đại quang sợi để tăng biên độ tín hiệu quang Bộ chia

1 x 256 thực hiện tương tự như một bộ chia 1 x 16 theo cấu trúc cây hai trạng thái Việc khuếch

đại tín hiệu đảm bảo công suất quang đủ để phân bố tới mỗi bộ chọn WD/SD 32 cổng SOAG

(2 dãy 16 SOAG), qua bộ định tuyến ống dẫn sóng 16 x 16 và bộ kết hợp thụ động 16x1

Dãy cổng SOAG tầng đầu tiên của mỗi bộ chọn WD/SD 256 x 1 sẽ chọn một tín hiệu nhóm riêng bao gồm 16 kênh bước sóng Sau đó tín hiệu WDM của nhóm được chọn sẽ được giải ghép kênh khi nó đi qua bộ định tuyến AWG Dãy SOAG tầng thứ 2 sẽ chọn một kênh bước sóng ra khỏi 16 kênh Bằng việc sử dụng công nghệ WDM và chức năng định tuyến bước sóng của AWG, số các cổng SOAG yêu cầu sẽ giảm đi còn 32 (thay vì 256 cho trường hợp chuyển mạch quang phân chia theo không gian) và suy hao có thể giảm 12db do kết hợp giữa dãy SOAG tầng 1 và 2 Như vậy, cấu trúc chuyển mạch quang WD/SD chỉ cần 8192 cổng SOAG để thực hiện hệ thống chuyển mạch 256 x 256 và số lượng này đã giảm đi 8 lần so với chuyển mạch phân chia theo không gian thông thường

Bộ EDFA

Cổng ra 256

Cổng ra 1

(256)

Bộ chọn WD/ SD 256 x1

0

0

(16)

256

λ - MUX

16x16 AWG

16x16 AWG

16x1 AWG

16x1 AWG

16 SOAG

16 SOAG

1

16

1

16

16

Bộ chia 1x 256

1

ĐT

Hình 3 Cấu trúc của hệ thống chuyển mạch phân chia theo bước sóng / không gian quang

Kỹ thuật thực hiện đệm gói quang:

Bộ đệm quang cũng là một trong các phân hệ thiết yếu trong cả hai hệ thống chuyển mạch gói quang bộ đệm đầu ra và đầu vào Ở đây sẽ chỉ ra hai cách cơ bản để thực hiện khả năng đệm một số gói kết hợp trong một nút chuyển mạch gói quang theo hình vẽ 4 và 5 Ta giả thiết rằng thời gian được chia ra thành các khe với độ dài tương ứng là T và mỗi khe chứa một gói Trong cấu trúc dây trễ song song, bộ nhớ đệm được chế tạo sử dụng bộ chia 1 x N và bộ chuyển mạch

N x 1 được liên kết với nhau bằng N dây trễ Nếu mỗi dây trễ có thể lưu giữ một số khác nhau các gói, nghĩa là sự khác nhau trong thời gian truyền qua dây trễ được làm tròn theo mỗi đơn vị của khe thời gian thì bộ đệm có khả năng đệm N gói Mặt khác ta đã biết nếu các gói đến đồng

thời tại nhiều cổng vào đi tới đích với cùng một cổng ra thì chỉ có một gói sẽ được truyền tới

đầu ra chính xác của nó, còn các gói khác sẽ được lưu giữ trong bộ đệm và được truyền đi sau k

khe thời gian theo giải thuật tránh va chạm logic Bộ đệm sẽ chọn một gói để lan truyền qua

đường dây trễ kT Điều này có thể thực hiện bởi việc thiết lập chuyển mạch 1 x N trong trạng

thái thích hợp Gói này sau đó sẽ có cơ hội được truyền tới đầu ra mong muốn của nó trong khe

thời gian phụ Trong ví dụ, khi không có gói trong khe thời gian kế tiếp, gói lưu giữ này có thể

được truyền tới đích ra mong muốn của nó trong khe kế đó

Trong cấu trúc bộ đệm theo dây trễ hồi tiếp, dây trễ sẽ nối đầu ra của chuyển mạch quay về

đầu vào của nó Mỗi đường dây trễ sẽ áp dụng cho chuyển mạch 2 x 2, trong đó một đầu vào

của chuyển mạch này là từ bên ngoài, đầu vào còn lại là từ phía đường dây trễ Ở đây nếu các

gói tranh chấp cùng một cổng ra đơn thì một trong chúng có thể được truyền và còn lại thì được

nhớ trong bộ đệm Khi dây trễ có độ dài bằng một khe thời gian thì gói lưu giữ có cơ hội để

định tuyến đến đầu ra mong muốn của nó trong khe thời gian tiếp theo Nếu không có tranh

chấp, gói lưu giữ hoặc gói tranh chấp có thể được lưu trong khe thời gian khác của dây trễ

ĐT

Đối với cấu trúc dây trễ song song, một gói có một số nhất định các cơ hội để tới đích

mong muốn của nó Chẳng hạn trong nút định tuyến của hình 4, gói có nhiều nhất 3 cơ hội để

truyền được tới đầu ra: tại khe đến của nó và trong các khe kế cận ngay tại (N - 1) Mặt khác

trong cấu trúc dây trễ hồi tiếp thì một gói có thể lưu giữ một cách không xác định Điều này là

không phù hợp với thực tế vì chuyển mạch quang có suy hao và nhiễu ảnh là vài db, nên một

gói giống nó không thể định tuyến vài lần qua chuyển mạch được Trong thực tế, kiến trúc dây

trễ song song là thông dụng hơn so với dạng hồi tiếp, vì nó không cần chú ý tới đường truyền

được tạo ra trong nút định tuyến cho dù đặc tính suy hao tín hiệu là giống nhau giữa hai loại

Trên đây là các kỹ thuật cơ bản được sử dụng trong các kiến trúc chuyển mạch gói quang

Theo [4], trong phòng thí nghiệm hiện nay, khi dùng các kỹ thuật trên người ta có thể xây dựng

được hệ thống chuyển mạch quang với dung lượng lên tới 320 Gb/s Hi vọng trong thời gian tới

các chuyển mạch này sẽ được thay thế cho các hệ thống chuyển mạch thông thường để đáp ứng

cho các mạng băng rộng

Hình 4 Cấu trúc của bộ đệm theo các

dây trễ song song

Dây trễ 0T

Dây trễ (N-1)T

Dây trễ 1T

Bộ chia

1 x N

Bộ chuyển mạch

N x 1

Dây trễ 1T

Bộ chuyển mạch

2 x 2

Hình 5 Cấu trúc của bộ

đệm theo dây trễ hồi tiếp

IV KẾT LUẬN

Trong khuôn khổ của bài báo, tác giả đã đưa ra một số các kỹ thuật nhằm thực hiện quá trình chuyển gói quang trực tiếp qua hệ thống chuyển mạch Các kỹ thuật được dựa trên các công nghệ

đã có như ghép kênh phân chia theo bước sóng quang WDM, khuếch đại quang sợi EDFA, các dây trễ quang Mục đích của bài này là đưa ra cho người đọc cái nhìn tổng quát về cấu trúc và hoạt động của các bộ chuyển mạch gói quang, sự phức tạp cũng như các ưu nhược điểm của chúng Nhược điểm của bài báo là chưa đề cập tới phương pháp đồng bộ gói quang trong chuyển mạch, một trong những kỹ thuật khá quan trọng đối với các hệ thống chuyển mạch quang

Tài liệu tham khảo

[1] Achyut K Dutta, Niloy K Dutta, Masahiko Fujiwara,‘WDM Technologies optical networks,’

Elsevier Academic Press, 2004

[2] ‘Special Issue on Photonic Packet Switching Technologies and Systems,’ IEEE J Lightwave Tech, vol 16, no 12, Dec 1998

[3] Harry J.R Dutton,’ Understanding Optical Communications,’ http : // www redbooks.ibm.com

[4] K Habara, H Sanjo, H Nishizawa, Y Yamada, S Hino, I Ogawa, Y Suzaki, ‘Large capacity

photonic packet switch prototype using wavelength routing techniques,’ IEICE Trans Commun., vol E83-B, no 10, 2000♦

ĐT