XÂY DỰNG CẤU TRÚC KHUNG TÍN HIỆU ĐIỀU KHIỂN BURST CHO GIAO THỨC BÁO HIỆU XOAY VÒNG (CSP)

XÂY DỰNG CẤU TRÚC KHUNG TÍN HIỆU ĐIỀU KHIỂN BURST CHO GIAO THỨC BÁO HIỆU XOAY VÒNG (CSP). Chuyển mạch burst quang (OBS Optical Burst Switching) được coi là đề xuất hàng đầu cho mạng truyền tải toàn quang trong tương lai, đã và đang thu hút sự quan tâm nghiên cứ u của rất nhiều nhà khoa học trên thế giới. Hiện có rất nhiều công trình khoa học và kết quả nghiên cứu đã được công bố về OBS.

-

MÃ SỐ: 60.52.02.08 8

TÓM T ẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Luận văn được hoàn thành tại:

H ỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Bùi Trung Hiếu

Phản biện 1: ………

………

Phản biện 2: ………

………

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Vào lúc: giờ ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Chuyển mạch burst quang (OBS- Optical Burst Switching) được coi là đề

xuất hàng đầu cho mạng truyền tải toàn quang trong tương lai, đã và đang thu hút sự quan tâm nghiên cứ u của rất nhiều nhà khoa học trên thế giới Hiện có rất nhiều công trình khoa học và kết quả nghiên cứu đã được công bố về OBS Tuy vậy, một

vấn đề quan trọng trong mạng OBS vẫn chưa được giải quyết triệt để, đó là xung đột dẫn đến mất burst truyền qua mạng Chính vì vậy, một giải pháp riêng đã được

thầy giáo, PGS TS Bùi Trung Hiếu cùng với nhóm nghiên cứu đề xuất có khả năng

loại bỏ tranh chấp bước sóng truyền tải và mất burst trong mạng quang chính là sử

dụng giao thức báo hiệu xoay vòng (CSP – Circle Signalling Protocol) để truyền tải

các burst qua mạng OBS Qua nghiên cứu, tìm hiểu cùng với sự hướng dẫn của thầy giáo, trong luận văn này tôi tiếp tục đề xuất việc xây dựng cấu trúc khung tín hiệu điều khiển cho giao thức báo hiệu CSP, để tiếp tục hoàn thiện một phương pháp truyền tải quang mới, nơi hội tụ các ưu điểm của mạng toàn quang thế hệ mới hiện nay và trong tương lai

Chương 1: Kỹ thuật chuyển mạch burst quang

Chương này trình bày những vấn đề cơ bản về kỹ thuật chuyển mạch burst quang (OBS), bao gồm: Giới thiệu tổng quan về các công nghệ chuyển mạch quang

hiện nay, kiến trúc cơ bản của mạng chuyển mạch burst quang

Chương 2: Báo hiệu trong chuyển mạch burst quang

Chương này trình bày các vấn đề về báo hiệu trong chuyển mạch burst quang, làm cơ sở khoa học để xây dựng cấu trúc khung tín hiệu điều khiển burst

Chương 3: Xây dựng cấu trúc khung tín hiệu điều khiển burst cho CSP

Chương này trình bày các yêu cầu cơ bản và mục tiêu của việc thiết kế khung tín hiệu, các thông tin cần biết trong bản tin BCP/CSP, từ đó đề xuất cấu trúc cụ thể

về khung tín hiệu điều khiển burst cho CSP

Chương 1- KỸ THUẬT CHUYỂN MẠCH BURST QUANG 1.1 Các công ngh ệ chuyển mạch quang

1.1.1 Chuyển mạch kênh quang (OCS)

Trong chuyển mạch kênh quang, đường truyền dữ liệu được thiết lập trước quá trình truyền dữ liệu Nút nguồn khởi đầu một thủ tục báo hiệu đã phân bổ ngoài

băng để xác định đường đi, bước sóng, và thiết lập các kết nối chéo Khi một kênh truyền đã thiết lập xong thì dữ liệu mới được truyền đi

T p: thời gian xử lý bản tin giao thức tại mỗi nút (nguồn, đích, trung gian)

T c: thời gian chuyển mạch cắt qua bộ nối chéo và ổn định tại mỗi điểm chuyển mạch WDM.

t s-D , t f-D: thời điểm bắt đầu, kết thúc phát dữ liệu.

T D: thời gian phát dữ liệu.

Hình 1.1 Báo hi ệu trong chuyển mạch kênh quang

Trong chuyển mạch kênh, trễ chu trình (a round-trip delay) luôn tồn tại trong

thời gian thiết lập Và khi kích thước mạng lớn thì trễ này là đáng kể Hơn nữa, ở tất

cả các nút trung gian thì các kết nối phải được cấu hình xong trước khi dữ liệu đến, điều này gây ra sự lãng phí băng thông kết nối Do đó chuyển mạch kênh chỉ hiệu

quả khi thời gian truyền dữ liệu rất lớn so với thời gian thiết lập

1.1.2 Chuy ển mạch gói quang (OPS)

Trong chuyển mạch gói quang, thông tin điều khiển được ghép với burst dữ

liệu và đi cùng với burst dữ liệu như là tiêu đề của gói Khi tới nút trung gian, tiêu

đề được tách ra khỏi burst dữ liệu và được xử lý để quyết định cổng đầu ra Một giao thức định tuyến có thể được dùng để cung cấp bảng định tuyến cho việc quyết định nút tới tiếp theo trên đường tới đích Trong suốt quá trình xử lý tiêu đề và thiết

lập nối chéo, burst dữ liệu được đệm tạm thời Tiêu đề sau khi được xử lý xong lại

tiếp tục kết hợp với burst dữ liệu tạo thành gói và được truyền đến nút tiếp thep Do

hạn chế về việc chế tạo các bộ đệm quang, nếu không tìm được cổng đầu ra thích

hợp dữ liệu sẽ bị hủy Không có sự phản hồi rõ ràng có liên quan tới sự tồn tại của gói được gửi trở lại nguồn

t s-Pk Bắt đầu truyền gói

T p: thời gian xử lý bản tin giao thức tại mỗi nút (nguồn, đích, trung gian)

T c: thời gian chuyển mạch cắt qua bộ nối chéo và ổn định tại mỗi điểm chuyển mạch WDM.

t s-Pk , t f-Pk: thời điểm bắt đầu, kết thúc phát gói.

T Pk: thời gian phát gói.

Hình 1.2 Truy ền bản tin trong chuyển mạch gói quang

Như vậy, thời gian thiết lập trong chuyển mạch gói thấp hơn chuyển mạch kênh bởi vì thông tin điều khiển được truyền cùng với dữ liệu Tuy nhiên, việc xử lý tiêu đề của các gói đến lại là một trở ngại với các chuyển mạch WDM toàn quang vì công nghệ hiện nay vẫn chưa xử lý được tiêu đề trong miền quang Mặt khác, trong

cơ chế chuyển mạch gói cần phải tách tiêu đề từ gói ở cổng đầu vào và ghép lại ở

cổng đầu ra, điều này là không cần thiết ở chuyển mạch kênh Thêm vào đó, yêu

cầu các nút trung gian cũng cần phải có bộ đệm

1.1.3 Chuy ển mạch burst quang (OBS)

Chuyển mạch burst quang được thiết kế nhằm kết hợp những ưu điểm của chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói OBS không cần đến bộ đệm quang ở các nút trung gian, trong khi cho phép giảm nhỏ thời gian thiết lập và nâng cao hiệu quả

Burst

dữ liệu

Hình 1.3 Báo hi ệu trong chuyển mạch burst quang

Hình 1.3 mô tả truyền báo hiệu và truyền burst trong OBS, trong đó burst dữ

liệu và burst điều khiển ma ng thông tin báo hiệu đi trên hai bước s óng riêng và được truyền cách nhau một khoảng thời gian lệch Tại mỗi nút trung gian, burst điều khiển sẽ được đọc và xử lý để tạo lập kênh truyền cho burst dữ liệu

Có thể tóm lược một vài đặc điểm về chuyển mạch burst quang đó là:

• Tính chất hạt (granularity): kích cỡ đơn vị truyền tải của chuyển mạch burst

nằm giữa đơn vị truyền tải của chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh

• Tách biệt giữa thông tin điều khiển và dữ liệu: thông tin điều khiển được truyền trên một bước sóng riêng (kênh riêng)

• Đặt trước tài nguyên: tài nguyên bị chiếm dụng theo kiểu đặt trước

• Chiều dài gói thay đổi: độ dài của các burst là không cố định

• Không sử dụng các bộ đệm quang: Nút trung gian trong mạng không yêu cầu

bộ đệm quang, burst đi qua các nút này mà không có trễ

1.2 Ki ến trúc mạng chuyển mạch burst quang

Mạng truy nhập

Offset

Tách burst

Hình 1.4 Mô hình m ạng OBS-Mesh phân biệt nút biên và nút lõi

Từ mô hình này ta thấy, n út biên có chức năng lập/tách burst và lập lịch để truyền burst trên kênh bước sóng ra Nút lõi chịu trách nhiệm tạo đường kết nối để truyền burst từ một cổng đầu vào tới đầu ra thích hợp dựa trên thông tin điều khiển

và xử lý khi xảy ra tranh chấp

1.2.1.2 C ấu trúc nút lõi

Cấu trúc cơ bản của nút lõi OBS được thể hiện trên hình 1.5

Nút lõi thường bao gồm một trường chuyển mạch quang (OSF: Optical

SCU tạo ra và duy trì một bảng định tuyến và chịu trách nhiệm cấu hình trường chuyển mạch Trường chuyển mạch quang mang ý nghĩa chủ chốt quyết định dung lượng của cả nút chuyển mạch Trường chuyển mạch bao gồm khối chuyển mạch không gian không tắc nghẽn và bộ chuyển đổi bước sóng cho phép chuyển mạch các burst dữ liệu từ bất cứ đầu vào nào tới đầu ra theo yêu cầu đảm

bảo không bị chồng lấn lên các burst dữ liệu khác

Tín hiệu quang Tín hiệu quang

Tín hiệu quang

Tín hiệu quang

Khối xử lý và điều khiển chuyển mạch (SCU)

E/O E/O

Trường chuyển mạch quang (OSF)

2

λ 0 , λ 1 , λ 2 , λ m O

D M U X

BURST

XỬ LÝ BCP, IP-OH VÀ B-OH

LẬP LỊCH &

ĐIỀU KHIỂN

O M U X

Hình 1.6 C ấu trúc nút biên trong chuyển mạch bust quang

Nút biên thực hiện các chức năng như: tiếp nhận gói, xử lý mào đầu, đệm gói, sắp xếp các gói vào burst và tách burst thành các gói, ngoài ra còn có thể thực

hiện các chức năng khác như đồng bộ, ưu tiên, giải quyết tranh chấp v.v

1.2.1.4 C ấu trúc nút lai

Trong mạng OBS-Mesh, nút mạng cũng có thể đồng thời vừa là nút biên, vừa

là nút lõi Hình 1.7 là sơ đồ cấu trúc của một nút OBS mang cả chức năng nút biên

và nút lõi, trong đó A/C (Amplifier/Converter) là khối khuếch đại và chuyển đổi bước sóng và OS (Optical Switch) là khối chuyển mạch quang

Hình 1.7 C ấu trúc nút mạng OBS

1.2.1.5 Mô hình t ổng hợp và hoạt động của mạng chuyển mạch

Hình 1.8 M ột mô hình tổng hợp của mạng OBS-Mesh

Hình 1.8 là mô hình của một mạng OBS-Mesh tổng hợp, trong đó các nút

mạng OBS được tích hợp các chức năng của cả nút biên và nút lõi và được liên kết

với nhau qua các tuyến sợi quang Mỗi sợi quang liên kết giữa các nút có thể mang nhiều bước sóng, mỗi bước sóng có thể được xem như một kênh truyền dữ liệu

IP, ethernet

1.2.2.3 Ho ạt động của mạng

C hương 2- BÁO HIỆU TRONG CHUYỂN MẠCH BURST QUANG

Trong mạng viễn thông, báo hiệu được coi là một phương tiện để chuyển thông tin và các lệnh từ điểm này đến điểm khác, các thông tin và các lệnh này có liên quan đến thiết lập, giám sát và giải phóng cuộc gọi

Để dành trước tài nguyên mạng một cách hiệu quả, góp phần giải quyết tranh

chấp và giảm tỷ lệ mất burst, người ta cần phải có các cơ chế đăng ký, phân bổ tài nguyên và cấu hình chuyển mạch quang cho burst ở mỗi nút hợp lý Đó chính là các

giải pháp kỹ thuật cơ bản cho báo hiệu Dựa trên các giải pháp kỹ thuật đó người là xây dựng nên các giao thức báo hiệu

2.1 M ột số giải pháp kỹ thuật cho báo hiệu trong chuyển mạch burst quang

Các giải pháp kỹ thuật cơ bản cho báo hiệu trong chuyển mạch burst quang

có thể được tiến hành theo các cơ chế đăng ký, giải phóng tài nguyên như:

• Đăng ký: tức thì (immediate), có trễ (delayed)

• Đăng ký khởi đầu tại nút : nguồn, đích hay trung gian (source-initiated,

destination- initiated, intermediate-node reservation)

• Đăng ký một khoảng thời gian cố định (reserved a fix duration), đăng ký một

khoảng thời gian giới hạn (reserved a limited duration)

• Đăng ký kiên trì (persistent), không kiên trì (non-persistent)

• Đăng ký một chiều, hai chiều, lai ghép ( one-way, two-way, hybrid

reservation)

• Giải phóng tài nguyên: rõ ràng (explicit), ước lượng (implicit)

2.1.1 Các cơ chế đăng ký bước sóng

2.1.1.1 Đăng ký tức thì hoặc có trễ

bước sóng đầu ra tại mỗi nút ngay sau khi nút đó thu được bản tin điều khiển (BCP) Nói cách khác, đây là kiểu đăng ký mà chuyển mạch quang được thiết lập ngay sau khi xử lý bản tin báo hiệu Tuy nhiên nếu một bước sóng không thể đăng

ký được tại thời điểm đó thì thông tin điều khiển và burst tiếp theo sẽ bị mất

Nút nguồn Nút trung gian Nút đích

t

Bước sóng được đăng ký

Hình 2.1 Đăng ký tức thì trong chuyển mạch burst quang

xuất hiện bit đầu tiên của burst dữ liệu Nói cách khác, đây là kiểu đăng ký mà chuyển mạch quang chỉ thiết lập trước khi bit đầu tiên của burst đến Tuy nhiên nếu trong lúc bản tin điều điều khiển đến mà không đăng ký được bước sóng tại thời điểm thích hợp thì bản tin điều khiển bị hủy và burst bị mất

t

Bước sóng được đăng ký

Hình 2.2 Đăng ký có trễ trong chuyển mạch burst quang

Nhìn chung đăng ký tức thì đơn giản và dễ thực hiện nhưng khả năng bị nghẽn cao do việc phân phối băng thông không hiệu quả Còn đăng ký có trễ phức

tạp hơn nhưng sử dụng băng thông hiệu quả hơn

2.1.1.2 Đăng ký khởi đầu tại nút nguồn, đích hoặc trung gian

2.1.1.3 Đăng ký một khoảng thời gian cố định, giới hạn

2.1.1.4 Đăng ký kiên trì hoặc không kiên trì

2.1.1.5 Đăng ký một chiều, hai chiều, lai ghép

2.1.2 Các cơ chế giải phóng tài nguyên

Tùy theo việc có hay không có bản tin giải phóng đánh dấu sự kết thúc của burst mà ta có thể phân ra việc giải phóng tài nguyên là không rõ ràng hay rõ ràng

Trong gi ải phóng rõ ràng (explicit), một bản tin điều khiển dành riêng được

gửi đi sau burst dữ liệu theo hướng từ nguồn tới đích để giải phóng đăng ký Không

có thông tin về khoảng thời gian tồn tại của burst trong bản tin điều khiển (BCP)

Trong gi ải phóng ước lượng (implicit), bản tin điều khiển BCP chứa thêm

các thông tin như: độ dài burst, thời gian trễ Vì vậy không cần bản tin giải phóng

để đánh dấu sự kết thúc của burst

Có thể nhận thấy rằng kỹ thuật giải phóng ước lượng cho tỷ lệ mất burst thấp hơn do không có khoảng t rễ nào giữa thời điểm kết thúc thực sự của burst và thời điểm đến của bản tin điều khiển giải phóng ở mỗi nút Mặt khác, kỹ thuật giải phóng rõ ràng dẫn đến hiệu quả sử dụng băng tần thấp hơn và làm tăng mức độ

phức tạp của bản tin

Kết hợp cả các kỹ thuật đăng ký và giải phóng tài nguyên ta có các kỹ thuật báo hiệu khác nhau như: đăng ký tức thì giải phóng rõ ràng, đăng ký tức thì giải phóng ước lượng, đăng ký có trễ giải phóng rõ ràng và đăng ký có trễ giải phóng ước lượng v.v

2.1.3 Các phương thức báo hiệu và điều khiển

2.1.3.1 Phương thức TAG

TAG là phương thức đăng ký tài nguyên theo kiểu một chiều và tức thì và không kiên trì Ở phương thức này, một burst được truyền đi ngay cả khi việc thiết

lập một đường quang ảo chưa hoàn thành Đường quang ảo được định nghĩa là một

sự liên kết các bước sóng theo một trật tự xác định, từng kết nối liên tiếp nhau trong khoảng thời gian thiết lập cho trước Burst sẽ đ ược truyền theo đường quang ảo trong khi quá trình thiết lập đang được tiến hành bằng cách sử dụng những bước sóng đã được đăng ký Nếu quá trình thiết lập thành công, các burst sẽ được truyền

tới đích, nếu không nó sẽ bị loại bỏ tại một trong các nút trung gian

Burst Cont

Hình 2.4 Mô t ả quá trình đăng ký tài nguyên theo phương thức TAG

Nhược điểm của TAG là các burst cần phải được đệm tại mỗi nút trung gian

để nút có đủ thời gian xử lý tiêu đề burst và cấu hình chuyển mạch, thay cho việc định trước khoảng thời gian này tại nguồn và đặt trễ trong khoảng thời gian lệch Điều này đòi hỏi các nút trung gian phải có bộ đệm quang hoặc các đường dây trễ

2.1.3.2 Phương thức TAW

TAW là phương thức đăng ký tài nguyên hai chiều và giải phóng rõ ràng Khác với phương thức điều khiển theo kiểu TAG, trong TAW thì một burst sẽ chỉ

được phát lên mạng bởi một nút nguồn đầu vào khi chắc chắn có một đường quang

ảo đã được thiết lập thông qua mạng tới nút đầu ra Chính vì đặc điểm này mà ta

thấy phương thức điều khiển TAW phù hợp cho mô hình chuyển mạch kênh truyền

thống hơn là mô hình chuyển mạch burst

Burst Burst Burst

Thời gian t 0

Thiết lập không thành công

Burst thu được

Thời gian thiết lập chuyển mạch quang

Không đăng

ký được bước sóng

Khoảng thời gian chiếm dụng bước sóng

Thời gian thiết lập chuyển mạch quang

Hình 2.5 Mô t ả quá trình đăng ký tài nguyên theo phương thức TAW

Hình 2.6 Truy ền báo hiệu và burst trong giao thức JIT

Hình 2.7 là một cách thể hiện khác của quá trình đăng ký bước sóng trong giao thức JIT tại một nút trên cùng một bước sóng, trong đó hai burst kế tiếp nhau là burst thứ i và burst thứ (i+1) đăng ký thành công trên cùng một bước sóng

Rỗi (Idle)

Hình 2.7 Đăng ký bước sóng tại nút OBS trong JIT

Như vậy ở đây, sự đăng ký trực tiếp là khá đơn giản, thời gian xử lý gói điều khiển nhanh và không yêu cầu cơ sở dữ liệu cũng như vận hành điều khiển tại một nút quá nhiều vì vậy giao thức này rất thích hợp trong những mạng mà tải không quá cao Tuy nhiên, ở giao thức này vẫn tồn tại khoảng thời gian mà bước sóng đã được cung cấp nhưng vẫn chưa có thông tin để truyền gây nên tình trạng lãng phí tài nguyên mạng