Tổng quan về chuyển mạch chùm quang

tài liệu Tổng quan về chuyển mạch chùm quang là tài liệu được dịch từ tạp chí tiếng anh INTERNATIONAL JOURNAL OF ENGINEERING SCIENCES RESEARCH TECHNOLOGY, trong đó mố tả về mạng chuyển mạch chùm quang, cấu hình, hoạt động, sơ đồ khối và so sánh với các chuyển mạch quang trước đó, v..v...

TẠP CHÍ QUỐC TẾ CỦA KHOA HỌC KỸ THUẬT VÀ NGHIÊN

CỨU CÔNG NGHỆ Tổng quan về chuyển mạch chùm quang

Maninder Lal Singh , Kunal Pubby * & Devyan Kapoor

Khoa Công nghệ Điện tử, Đại học Nanak Dev Guru, Amritsar, Punjab, Ấn

Độ

TÓM TẮT

Bài bình luận này sẽ trình bày một công nghệ mới nổi của truyền thông quang học - chuyển mạch chùm quang Bài báo trước hết so sánh công nghệ mới nổi này với các mô hình chuyển đổi từ trước như OCS và OPS Sau đó, các cấu trúc của hệ thống OBS được thảo luận Bài báo này hoàn toàn giải thích các cơ chế khác nhau liên quan đến OBS như tập hợp chùm, giới hạn bước sóng, lập lịch chùm và giải quyết tranh chấp Cuối cùng, nhiều lợi thế của công nghệ thăm dò này được liệt kê

TỪ KHÓA: Chuyển mạch chùm quang, Lắp ráp chùm, Giới hạn bước sóng,

Lập lịch chùm, Thảo luận phân giải

GIỚI THIỆU

Bắt đầu của cuộc cách mạng kỹ thuật của thiên niên kỷ mới này, một số

xu hướng mới được theo dõi trong lĩnh vực này của các mạng truyền thông như tăng băng thông, nhiều hơn nhu cầu của chất lượng dịch vụ (QoS) của

người dùng và tăng lưu lượng người dùng trong các ứng dụng đa phương tiện [1] Sợi quang được tìm thấy những giải pháp của nhu cầu ngày càng tăng Lợi thế khác nhau của sợi bao gồm bảo mật, không có sự can thiệp, và các lỗi thấp hơn ngoài băng thông rất lớn Ban đầu, các sợi được sử dụng cho truyền thông điểm-điểm mà tại đó khả năng của sợi không được sử dụng Với

khoảng thời gian và công nghệ những tiến bộ, trong năm 1995, một công nghệ mới gia nhập thị trường ở Mỹ: WDM (WDM) [2] kỹ thuật ghép kênh quang học này cho phép thăm dò tốt hơn công suất sợi bằng cách đồng thời truyền tải nhiều kênh tốc độ cao trên các tần số khác nhau (bước sóng) Trong các mạng viễn thông trong tương lai, lưu lượng với yêu cầu thực hiện khác nhau sẽ được sáp nhập vào các lớp vật lý như nhau và sẽ đòi hỏi mới, kiến trúc mạng thích nghi Điều này đã buộc các mạng lõi phát triển nhanh chóng

từ mạng điện tử tới một mạng quang học, đòi hỏi tốc độ cao và công nghệ chuyển mạch quang hiệu suất cao [3] Để sử dụng hiệu quả số lượng băng thông thô trong mạng ghép kênh phân chia bước sóng (WDM), tất cả phương pháp vận chuyển quang phải được phát triển để tránh đệm điện tử trong khi

xử lý lưu lượng Một số công nghệ khác nhau đã được đề xuất cho việc

chuyển giao dữ liệu quá dầy đặc WDM [4] Chuyển mạch kênh quang (OCS)

và chuyển mạch gói quang (OPS) là hai kỹ thuật chuyển mạch được thiết lập, trong khi chuyển mạch chùm quang là một cái mới toàn bộ nghiên cứu của chúng tôi sẽ dựa trên công nghệ mới này

CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG (OBS)

Chuyển mạch chùm quang (OBS) là một công nghệ ghép kênh phân chia bước sóng mới kết hợp những ưu điểm của cả hai mạng định tuyến bước

sóng (WR) và mạng chuyển mạch gói quang (OPS) [5] Mặc dù không có định nghĩa riêng của chuyển mạch quang chùm trong văn học, nó được nhất trí phổ biến rằng danh sách sau đây mô tả các đặc điểm chính của nó

1 Chi tiết OBS là giữa mạch và chuyển mạch gói

2 Có một sự tách biệt giữa các thông tin điều khiển (header) và dữ liệu phần điều khiên và dữ liệu thường được thực hiện trên các kênh khác nhau với khoảng cách trong thời gian

3 Các tài nguyên được phân phát tín hiệu hai chiều rõ ràng end-to-end; thay vì cái gọi là giới hạn vượt qua được áp dụng

4 Chùm có thể có độ dài biến đổi

5 Chùm chuyển mạch không cần đệm

Sự khác biệt của OBS từ OCS:

a) chùm OBS theo ngay sau phần điều khiển của chúng mà không cần chờ đợi một báo nhận đặt trước Trong khi Trong OCS,

truyền chỉ bắt đầu sau khi nhận được giới hạn đường báo nhận end-to-end

b) Trong chuyển mạch chùm, các nguồn tài nguyên dành riêng tại mỗi chuyển mạch và liên kết cổng đầu ra được tổ chức chỉ trong thời gian chúng được cần cho chuyển mạch và truyền dẫn của chùm riêng biệt

c) OBS cung cấp băng thông sử dụng tốt hơn

Sự khác biệt của OBS từ OPS:

a) chùm OBS không có bộ đệm tại chuyển mạch Trong khi, các gói tin cần bộ đệm tại mỗi nút trung gian

b) Trong trường hợp của OBS, các gói tin nhỏ được tổng hợp thành chùm có kích thước lớn Điều này làm giảm tác động bảo vệ băng thông lưu lượng kênh dữ liệu

c) Do hạn chế chùm OBS sử dụng các liên kết đường dẫn trong một cách thức thời gian đồng bộ Trong khi, các gói sử dụng bước sóng một cách đồng bộ

SƠ ĐỒ KHỐI CỦA OBS

Trong một mạng OBS, các thực thể chuyển đổi cơ bản là một chùm Chùm là một gói dữ liệu với chiều dài thay đổi, bộ định tuyến tập hợp đi vào bằng cách tích hợp một số các gói tin IP, từ máy chủ đơn lẻ hoặc nhiều mạng giống và khác nhau Một chùm mang thông tin di chuyển từ một nút đi vào đến một nút đi ra và chuyển mạch tại các nút trung gian

Một chùm bao gồm hai phần:

A Phần điều khiển chùm mang thông tin điều khiển và chịu kiểm soát phần đầu

B Phần tải trọng là dữ liệu thực tế truyền đi Sơ đồ khối chức năng của hệ thống OBS có thể được chia thành hai phần:

a Nút biên:

Các nút cạnh bao gồm bộ định tuyến điện tử và giao diện OBS Có hai nút biên trong mạng OBS: nút biên vào và nút biên ra Nhiều chức năng của

nút biên là: 1.) đệm điện tử và xử lý dữ liệu, 2.) tập hợp chùm (BA), trách nhiệm thu thập dữ liệu từ mạng truyền thống và xây dựng các đơn vị chùm, 3.) phân đoạn chùm 5.) gởi các gói điều khiển và chùm 6.) nút vào chịu trách nhiệm tập họp chùm, định tuyến, chuyển đổi bước sóng, lập lịch chùm tại mỗi nút 7.) Các nút cạnh đi ra chịu trách nhiệm bỏ qua chùm và chuyển tiếp các gói tin đến lớp mạng cao hơn

Hình 1 sơ đồ khối của hệ thống chuyển mạch chùm quang

b Các nút lõi:

Chức năng thực hiện bởi nút lõi: a) O-E-O chuyển đổi cho xử lý phần điều khiển, b) chuyển đổi bước sóng, c) chuyển đổi tốc độ đủ nhanh, d) bộ đệm quang cuối cùng, e) Xử lý các gói tin điều khiển vào ra (điện tử) và gửi

nó đến nút tiếp theo mà đưa trên con đường định tuyến, f) Đặt nguồn quang

để truyền chùm: Just-in-Time, Horizon Reservation (HRM), Just- Enough-Time (JET),g) chuyển mạch quang học nhanh với chuyển đổi bước sóng và

bộ đệm quang

KIẾN TRÚC HOẠT ĐỘNG CỦA OBS

Các hoạt động của hệ thống OBS có thể được xây dựng như:

1 Trong OBS, một nút vào lắp ráp các gói giao thức internet, đến từ các

mạng lưới truy cập nội bộ và dành riêng nút ra, chùm có kích thước thay đổi lớn Bước này được gọi là tập hợp chùm Một chùm quang gồm hai phần, phần điều khiển và chùm dữ liệu Phần điều khiển hoặc nhãn hoặc gói tin điều khiển đi trước tải trọng chùm và cố gắng dự trữ tài nguyên chuyển mạch

và truyền dẫn cần thiết ở mỗi chuyển đổi và đầu ra cổng liên kết dọc theo tuyến đường

Hình 2 Kiến trúc mạng OBS

2 Trước mỗi chùm dữ liệu được truyền đi, một điều khiển chùm được truyền qua một kênh điều khiển riêng biệt Việc kiểm soát chùm chứa thông tin về người gửi, người nhận và truyền bước sóng của chùm tương ứng Chùm điều

khiển, được gửi trước dữ liệu chùm, trải qua Optical/Electronic/Optical

(O/E/O) và được xử lý điện tử tại mỗi nút trung gian, để cấu hình chuyển đổi cho chùm dữ liệu đến sau Quá trình này được gọi là đặt trước bước sóng hoặc chùm [6] Nếu có nhiều hơn một chùm yêu cầu cho các bước sóng

tương tự, tranh chấp xảy ra Bốn chương trình giải quyết được thảo luận cho điều đó

3 Thời gian bù đắp, là sự chênh lệch giữa thời gian kết thúc của chùm điều khiển và thời gian bắt đầu của chùm dữ liệu tại các nút biên, như vậy sự bùng

nổ dữ liệu được chuyển tất cả quang học tại bất kỳ nút trung gian, mà không phát sinh bất kỳ sự trì hoãn Giá trị của thời gian offset được chọn là lớn hơn hoặc bằng tổng thời gian trễ xử lý gặp phải do CB [6] Do đó không có RAM quang học hay bộ đệm là cần thiết tại một nút trung gian Một node trung gian được nhiều chùm điều khiển và nó cần phải cấu hình thiết bị chuyển mạch cho tất cả các chùm dữ liệu tương ứng và quyết định kênh (bước sóng)

mà trên đó để lên lịch cho mỗi dữ liệu chùm Quá trình này được gọi là lập lịch chùm

SƠ ĐỒ LẮP RÁP CHÙM

Một trong những chức năng chính của một người sử dụng OBS là để thu thập lưu lượng lớp cao, sắp xếp nó dựa trên địa chỉ đích, và kết hợp nó vào chùm biến kích thước Tập hợp chùm là một quá trình mà tất cả các chùm dữ liệu đến sẽ được tập hợp tại nút biên của mạng OBS Hai kỹ thuật tập hợp chùm phổ biến nhất được sử dụng là: Timer-based and thres hold-based [7]:

a) dựa trên kỹ thuật bộ đếm thời gian: Trong cách tiếp cận tập hợp

chùm dựa trên ngưỡng thời gian, một chùm được tạo ra và gửi vào các mạng quang học khi các biến cố thời gian chờ được kích hoạt hệ thống dựa trên bộ đếm thời gian thích hợp cho lưu lượng thời gian hạn chế cho các ứng dụng thời gian thực vì các ràng buộc trên của sự chậm trễ tập hợp chùm là hạn chế

b) Threshold-based technique: trong a threshold-based approach một

giới hạn về số lượng các gói dữ liệu chứa trong mỗi chùm Một chùm được tạo ra và gửi vào mạng OBS khi tổng kích thước của các gói

trong hàng đợi đạt đến một giá trị ngưỡng Điều này không cung cấp bất kỳ sự bảo đảm về chậm trễ lắp ráp gói sẽ trải qua hệ thống ngưỡng được sử dụng cho các ứng dụng thời gian nhạy cảm như truyền tập tin,

để giảm chi phí của các gói điều khiển, tăng hiệu quả truyền OBS

ĐẶT TRƯỚC BƯỚC SÓNG CHO CÁC CHÙM

Đó là tiến trình giới hạn và giải phóng băng thông Trong quá trình này, chúng tôi xác định bao nhiêu và khi băng thông được phân bổ cho từng

chùm Quá trình giới hạn trong OBS được lấy từ chuyển nhượng khối ATM (ABT) Về cơ bản có hai phương án:

A truyền trực tiếp với ABT

Trong này, một bước sóng đầu ra được dành cho một tải trọng ngay sau khi sự xuất hiện của gói điều khiển tương ứng; nếu một bước sóng không thể đặt trước tại thời điểm đó, những thông điệp thiết lập bị loại bỏ và dữ liệu chùm tương ứng bị rơi Chương trình này có thể được tiếp tục thực hiện theo

hai cách tùy thuộc vào đặt trước băng thông, quản lý kiểm soát và thời gian

bù đắp

(a) Tell-And-Go (TAG) [8]

 Một kế hoạch đặt trước tức thì

 Các gói điều khiển được truyền trên một kênh điều khiển, rồi sau khi không có hoặc bỏ qua bù đắp, tải trọng được truyền qua các kênh dữ liệu

 Các gói điều khiển được truyền tải và xử lý tại mỗi nút trong khi fiber chậm trễ dòng (FDL) đệm tải trọng

 Nếu đặt trước bước sóng là thành công sau đó tải trọng được truyền dọc theo điều khiển, nếu không nhìn nhận phủ định được gửi đến người nhận Điều khiển tiếp theo chỉ được gửi sau khi truyền tải thành công của tải trọng

 Nhược điểm: a) Cần bộ đệm quang Hơn nữa, FDL có thể giữ các dữ liệu chỉ trong một thời gian cố định và không có thể chứa kích cỡ chùm khác nhau

b) Mất gói tin điều khiển để giải phóng chiếm tài nguyên dẫn đến lãng phí băng thông

(b) Just-in-Time (JIT) [9]:

 Một kế hoạch đặt trước ngay lập tức Bởi vì các nút dự trữ tài nguyên ngay sau khi các gói điều khiển được xử lý

 Sau khi sự có mặt của một gói điều khiển đến một nút lõi OBS, một kênh bước sóng được ngay lập tức dành riêng nếu có Nếu không có bước sóng khả dụng theo yêu cầu sẽ bị khóa và các dữ liệu chùm tương

ứng bị rơi Khi bước sóng được dành riêng thành công, nó vẫn còn dành riêng cho tới khi truyền dữ liệu chùm đã hoàn thành Thông tin duy nhất mà cần phải được lưu giữ trong các nút mạng là liệu các bước sóng được hiện dành riêng hay không Các gói điều khiển là không nhận thức được chiều dài chùm và dự trữ băng thông liên kết thích hợp( nếu có) cho toàn bộ chùm ngay khi nó đến lúc chuyển mạch

 Sự khác biệt giữa JIT và TAG là trong JIT, các đệm của tải trọng tại mỗi nút được loại bỏ bằng cách chèn một thời gian (tương đương để bù đắp thời gian) giữa khe các gói điều khiển và tải trọng

 Nhược điểm: a) Vì băng thông dành riêng lập tức sau khi xử lý gói điều khiển, nên các bước sóng sẽ ở trạng thái rỗi từ thời điểm thực hiện đặt trước cho đến khi bit đầu tiên của tải trọng đến tại nút Điều này xảy ra do để bù đắp thời gian chèn vào

b) Một đầu cuối trong băng được đặt ở phần cuối của mỗi chùm dữ liệu, được sử dụng bởi mỗi nút giải phóng các bước sóng dành riêng sau khi truyền tải trọng

Hình 3 Đặt trước Just-In-Time (JIT)

B Truyền trì hoãn với ABT

Ở đây, các gói điều khiển và tải trọng được tách ra thời gian bằng một giá trị offset để thích ứng với quá trình họp của gói điều khiển

Một bước sóng đầu ra được dành riêng cho một chùm dữ liệu ngay

trước khi sự xuất hiện của bit đầu tiên của dữ liệu chùm Nếu khi đến

nơi thông điệp thiết lập, được xác định là không có bước sóng có thể

được đặt vào thời điểm thích hợp, sau đó thông báo set-up có thể bị từ

chối và sự bùng nổ dữ liệu được bị rơi Chương trình này được thực

hiện trong sơ đồ sau:

Just-Enough-Time (JET) [10]:

 Một kế hoạch đặt trươc bị trì hoãn

 Kế hoạch này dự trữ nguồn tài nguyên chính xác cho thời gian truyền

của chùm dữ liệu Trong JET, khi một gói tin điều khiển tới một nút lõi,

một thuật toán lập lịch kênh bước sóng được gọi để tìm một kênh bước sóng thích hợp vào liên kết gửi đi cho các DB tương ứng Các kênh bước sóng được dành riêng cho thời gian bằng với chiều dài chùm bắt đầu từ thời gian xuất hiện của DB Các thông tin theo yêu cầu của lập lịch như thời gian đến dữ liệu chùm và thời gian của nó thu được từ chùm điều khiển

 Trong JET, kích thước của chùm dữ liệu được quyết định trước khi gói tin điều khiển được truyền qua các nguồn Việc bù đắp giữa gói

điều khiển và tải trọng cũng được tính toán dựa vào số lượng hop giữa

nguồn và đích

Hình 4 Đặt trước Just-Đủ-Time (JET)

 Lợi thế hơn TAG và JIT: a) Đặt trước của bước sóng được thực hiện

từ khi bit đầu tiên của tải trọng tới nút cho đến khi bit cuối cùng được chuyển đến cổng ra Điều này giúp loại bỏ các bước sóng thời gian chờ b) Kể từ khi bước sóng được dành cho một khoảng thời gian cố định,

không có nhu cầu giải phóng rõ ràng về nguồn tài nguyên dành riêng dọc theo con đường Vì vậy, không có băng thông lãng phí bao hàm sử dụng kênh cao hơn hiệu quả của nó là tốt hơn nhiều so với hai giới hạn khác về xác suất mất mát chùm

 Nhược điểm: Liên quan đến việc lập kế hoạch phức tạp hoặc các thuật toán làm đầy khoảng trống Do đó, phức tạp hơn JET và TAG

GIẢI THUẬT LẬP LỊCH CHÙM

Lập lịch chùm là cơ chế của sắp xếp một chùm đặc biệt trên các kênh bước sóng Có những thuật toán khác nhau để lập lịch chùm:

xuất hiện của tải trọng, thuật toán FFUC tìm kiếm tất cả các kênh không sử dụng trong một trật tự cố định và phân công các kênh không sử dụng đầu tiên đến chùm đến ví dụ Tại fig, khi một chùm đến, các thuật toán tìm kiếm cho tất cả các kênh có sẵn chưa sử dụng Kênh 1 và 2 đạt yêu cầu FFUC chọn kênh 1 vì nó là đầu tiên

có sẵn

là kênh dữ liệu đột xuất, trong đó khoảng trống được tạo ra sau khi sắp xếp các chùm dữ liệu có kích thước tối thiểu ví dụ Kênh 1 và 2

là kênh có sẵn Tại vị trí của dữ liệu chùm vào kênh 1 và 2 tạo

khoảng trống (tb-t1) và (tb-t2) tương ứng Kể từ khi, (tb-t1) (tb-t2),

do đó dữ liệu chùm được đặt trên kênh 2

FFUC-VF tìm kiếm cho tất cả các khoảng trống có thể trong mạng

và lập lịch chùm trong khoảng không có sẵn đầu tiên ví dụ khoảng