Luận văn Chất lượng dịch vụ trong mạng ip trên WDM

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -------------------------------------------- LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH: XỬ LÝ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG IP TRÊN WDM ĐỖ SINH TRƯỜNG HÀ NỘI 2008 Đ Ỗ SIN H TR Ư Ờ N G X Ử LÝ TH Ô N G TIN V À TR U Y ỀN TH Ô N G 2006-2008 Hà Nội 2008 1 LỜI NÓI ĐẦU Trong một vài năm gần đây đã có sự bùng nổ về lưu lượng IP do sự phát triển của các ứng dụng đa phương tiện như HDTV, điện thoại Internet, âm thanh số…Điều này dẫn đến có nhiều nghiên cứu về các kỹ thuật phân chia trong truyền dẫn tốc độ cao cũng như các công nghệ chuyển mạch, trong đó WDM đã nổi lên như là một công nghệ truyền dẫn mạng lõi đường trục Internet thế hệ sau với khả năng hỗ trợ đồng thời nhiều kênh tốc độ cao trên một sợi cáp quang. Một trong những vấn đề nảy sinh khi thực hiện kỹ thuật này đó là làm thế nào để hỗ trợ chất lượng dịch vụ (QoS) trong mạng IP trên WDM. Lý do là bởi vì hiện tại IP cung cấp dịch vụ không kết nối, truyền dẫn không tin cậy và phân phối gói tin đáp ứng tốt nhất nhưng các ứng dụng thời gian thực hiện nay lại có yêu cầu về QoS rất cao. Chất lượng dịch vụ đối với IP thường được đánh giá dựa vào các tiêu chí về tỷ lệ mất gói tin (được tính bằng số gói tin bị mất trên tổng số gói tin được truyền trên mạng), độ trễ gói tin (được tính là khoảng thời gian cần để truyền gói tin từ nguồn đến đích so với giá trị thời gian trung bình của các gói tin cùng nguồn /đích). Trong mạng IP trên WDM, có ba phương pháp chuyển mạch được ứng dụng là chuyển mạch định tuyến bước sóng (WR), chuyển mạch gói quang (OPS) và chuyển mạch chùm quang (OBS) và mỗi phương pháp đều có các ưu nhược điểm khác nhau. Tuy nhiên trong khuân khổ luận văn này chúng ta sẽ tập trung tìm hiểu chính về QoS của mạng IP trên WDM sử dụng công nghệ chuyển mạch chùm quang . Hiện nay, các mô hình QoS đều dựa trên chuyển mạch gói và qui định việc sử dụng bộ đệm để phân tách các lớp lưu lượng khác nhau được gọi là mô hình dựa trên bộ đệm (buffer-based). Thuật toán lập lịch trong mô hình này thường có độ phức tạp cao. Ngoài ra nó rất khó có thể áp dụng vào các mạng WDM với nguyên nhân chính là bởi sự truyền dẫn của lưu lượng trong các phương pháp này dựa trên mô hình lưu-và- chuyển tiếp và sử dụng bộ đệm để tránh xung đột. Do bộ đệm quang chưa phát triển 2 nên bộ đệm điện tử được sử dụng trong các chuyển mạch quang cùng với các bộ chuyển đổi quang-điện. Mặc dù có các đường trễ quang (FDL) được sử dụng để thay thế các bộ chuyển đổi này nhưng thực tế nó chưa đáp ứng được đầy đủ các khả năng theo các yêu cầu chất lượng dịch vụ cơ bản. Mục đích của luận văn này là tìm hiểu về các mô hình QoS và các thuật toán có thể áp dụng cho mạng IP trên WDM, đặc biệt là với mạng WDM sử dụng công nghệ chuyển mạch chùm quang OBS. Ngoài ra luận văn cũng đề cập đến phương pháp nâng cao hiệu năng QoS bằng cách chèn thêm các sợi trễ quang FDL. Bố cục của luận văn bao gồm 5 chương, chia thành hai phần chính. Phần thứ nhất bao gồm ba chương đầu nói về các kiến thức tổng quan về hệ thống mạng quang sử dụng công nghệ WDM. Chương 1 nói về mạng WDM và các thành phần cơ bản. Chương 2 đề cập đến các kỹ thuật chuyển mạch quang, đặc biệt là hệ thống chuyển mạch chùm quang và các giao thức hỗ trợ QoS. Chương 3 đề cập đến vấn đề tích hợp IP trên hệ thống mạng WDM và giao thức chuyển mạch nhãn đa giao thức sử dụng trong mạng này. Phần thứ hai bao gồm hai chương cuối. Chương 4 nói về các vấn đề về QoS trong mạng IP/WDM và các giải thuật lập lịch kênh trong chuyển mạch chùm quang OBS. Chương cuối cùng sẽ xây dựng một mô phỏng hệ thống mạng WDM và đánh giá các kết quả thu được trên hệ thống mô phỏng này. Hà Nội, tháng 11 năm 2008 Học viên ĐỖ SINH TRƯỜNG 3 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ABR Aggressive Burst Rescheduling: Tái lập lịch chùm quang linh hoạt ADM Add/Drop Multiplexer: Bé ghÐp kªnh xen/rÏ APD Avalanche Photo Diode: §ièt quang th¸c APD APS Automatic Protection Switching: ChuyÓn m¹ch b¶o vÖ tù ®éng ATM Ansynchronous Transfer Mode: KiÓu chuyÒn dÉn kh«ng ®ång bé AWG Array Wave Grating: C¸ch tö AWG BER Bit Error Ratio: TØ lÖ lçi bit BPH Burst Header Packet: Gói mào đầu chùm quang CB Control Burst: Chùm quang điều khiển DB Data Burst: Chùm quang dữ liệu DCG Dispersion Compensating Grating: C¸ch tö bï t¸n s¾c DSF Dispersion-shifted Singlemode DWDM Density Wavelengh Division Multiplexer: GhÐp kªnh theo b−íc sãng mËt ®é cao DXC Digital Cross-connect: Bé ®Êu nèi chÐo EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier: Bé khuÕch ®¹i quang sîi FDL Fiber Delay Line: Đường trễ quang FFUC First Fit Unscheduled Channel: Kênh chưa lập lịch phù hợp đầu tiên FXC Fiber Cross-Connect: đấu chéo sợi quang IP Internet Protocol: Giao thøc Internet ISDN Intergrated Service Digital Network: Mang sè ®a dÞch vô JET Just Enough Time JIT Just In Time LAUC Latest Available Unscheduled Channel: Kênh chưa lập lịch khả dụng cuối cùng LER Label Edge IP Router: bộ định tuyến biên IP nhãn 4 LIB Label Information Base: Cơ sở thông tin nhãn LSP Label-Switched Path: Đường chuyển mạch nhãn LSR Label Switched IP Router: bộ định tuyến IP chuyển mạch nhãn MPLS Multi-Protocol Label Switching: Chuyển mạch nhãn đa giao thức OADM Optical Add/Drop Multiplexer: Bé xen/rÏ b−íc sãng quang OBS Optical Burst Switching: Chuyển mạch chùm quang OC Optical Channel: Kªnh quang ODBR On-Demand burst rescheduling: Tái lập lịch chùm quang theo yêu cầu ODM Optical Demultiplexer: Bé t¸ch b−íc sãng quang OPS Optical Packet Switching: Chuyển mạch gói quang OSN Optical Swiching Node: Nút chuyển mạch quang OXC Optical Cross-connect: Bé ®Êu nèi chÐo quang SCU Switching Control Unit: Đơn vị điều khiển chuyển mạch SDH Synchronous Digital Hierarchy: Ph©n cÊp sè ®ång bé SMF Single Mode Fiber: Sợi quang đơn mốt SNR Signal to Noise Ratio: TØ sè tÝn hiÖu trªn t¹p ©m SOA Semiconductor Optical Amplifier: Khuếch đại quang bán dẫn SONET Synchronous Optical NETwork: M¹ng quang ®ång bé TAW Tell And Wait: Báo và chờ TDM Time Division Multiplexing: GhÐp kªnh theo thêi gian WDM Wavelengh Division Multiplexer: GhÐp kªnh ph©n chia theo b−íc sang WIXC Wavelength Interchanging Cross Connect: Chuyển mạch trao đổi bước sóng WSXC Wavelength Selective Cross Connect: Chuyển mạch lựa chọn bước sóng 5 DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU Hình 1.1. Vùng bước sóng [11] Hình 1.2 Sơ đồ chức năng hệ thống WDM [1] Hình 1.3 Hệ thống ghép kênh theo bước sóng song hướng và đơn hướng [1] Hình 1.4 Bộ xen/rẽ kênh quang (OADM) [10] Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống OXC 3×3 với hai bước sóng trên mỗi sợi quang [32] Hình 1.6 Một số dạng OXC [32] Hình 2.1 Chuyển mạch gói quang[23] Hình 2.2 Mô hình chuyển mạch chùm quang (OBS)[23] Hình 2.3 OPS và OBS [12] Hình 2.4 Giao thức JET [27] Hình 3.1 Mô hình mạng quang [36] Hình 3.2 Mối quan hệ giữa các bộ định tuyến IP và OXC trong mặt phẳng điều khiển[36] Hình 3.3 Mô hình dịch vụ [36] Hình 3.4 Các mô hình vận chuyển IP trên WDM [36] Hình 3.5: Tương tác giữa lớp quang và các lớp trên [36] Hình 3.6 Tương tác giữa mạng MPLS và MPLambdaS[36] Hình 3.7 Mô hình mạng IP/MPLS/MPLambdaS định tuyến theo bước sóng[23] Hình 3.8 Truyền dẫn trục chính IP/ OBS WDM dùng MPLS[35] Hình 3.9 Mô hình chức năng tại OXC hỗ trợ OBS và MPLS[35] Hình 3.10 Giao diện MAC giữa IP và các lớp OBS WDM[35] Hình 4.1 Thời gian trễ cho dịch vụ được bảo đảm [2] Hình 4.2 Kiến trúc nút lõi (core node) trong mạng OBS [24] Hình 4.3 Mối quan hệ giữa thời gian đến của BHPi và DBi[24] Hình 4.4 Minh họa của thuật toán LAUC [2] Hình 4.5 Mô tả thuật toán LAUC-VF [2] 6 Hình 4.6 Ví dụ về phương pháp tái lập lịch [21] Hình 4.7 Ví dụ về tái lập lịch đa mức [21] Hình 4.8 Ví dụ về lập lịch đa mức [21] Hình 4.9 Không lập lịch theo phương pháp LAUC, LACU-VF và ODBR [21] Hình 4.10 Ví dụ về thuật toán ABR [21] Hình 4.11 Cấu trúc nút chuyển mạch quang [25] Hình 4.12 Cấu trúc bộ đệm FDL[25] Hình 4.13 Phân tách lớp trong đặt trước tài nguyên[25] Hình 4.14 Sự khác biệt giữa FDL và hàng đợi [25] Hình 5.1 Kiến trúc OWns và các tầng Hình 5.2 Các thành phần của OWns Hình 5.3 Ví dụ mô phỏng mạng với 25 nút Hình 5.4 Mối quan hệ giữa xác suất bị chặn và hệ số chuyển đổi bước sóng Hình 5.5 Mối quan hệ giữa hệ số chuyển đổi bước sóng và trễ trung bình gói tin Hình 5.6 Mối quan hệ giữa số hop trung bình và hệ số chuyển đổi bước sóng Hình 5.7 Mối quan hệ giữa độ hiệu dụng của liên kết với hê số chuyển đổi bước sóng Hình 5.8 Mối quan hệ giữa xác suất bị chặn và tải lưu lượng Hình 5.9 Mối quan hệ giữa tải lưu lượng và trễ trung bình gói tin Hình 5.10 Mối quan hệ giữa lưu lượng tải và số hop trung bình Hình 5.11 Mối tương quan giữa tải lưu lượng và độ hiệu dụng liên kết Bảng 5.1 Xác suất bị chặn Bảng 5.2 Trễ trung bình gói tin Bảng 5.3 Số hop trung bình Bảng 5.4 Mối quan hệ giữa độ hiệu dụng của liên kết với hê số chuyển đổi bước sóng Bảng 5.5 Xác suất bị chặn và tải lưu lượng Bảng 5.6 Trễ trung bình gói tin và tải lưu lượng biến đổi Bảng 5.8 Mối tương quan giữa tải lưu lượng và độ hiệu dụng liên kết 7 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG QUANG GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG (WDM) 1.1. SỰ PHÁT TRIỂN CỦA TRUYỀN DẪN SỢI QUANG Truyền dẫn sợi quang bắt đầu được áp dụng từ thế kỷ 19 và cơ bản đã đáp ứng được nhu cầu truyền dẫn các dịch vụ hiện tại. Các hệ thống truyền dẫn sợi quang với các ưu điểm về dung lượng truyền tải, băng thông, cự ly truyền dẫn lớn, tỷ lệ lỗi thấp, tránh được giao thoa điện trường, khả năng bảo mật... đã ngày càng được nghiên cứu phát triển và ứng dụng rộng rãi. Trong truyền dẫn quang, người ta có xu hướng sử dụng những vùng phổ quang nhất định, ở đó suy hao quang được tính toán là thấp nhất. Những vùng này, thường được gọi là cửa sổ, nằm giữa các khu vực có độ hấp thụ ánh sáng cao. Ban đầu, hệ thống thông tin quang hoạt động ở cửa sổ thứ nhất, khu vực bước sóng xấp xỉ 850nm trước khi người ta nhận ra rằng ở cửa số thứ 2 (băng S), khu vực bước sóng 1310nm, có hệ số suy hao thấp hơn và thấp hơn nữa ở khu vực cửa sổ thứ 3 bước sóng 1550nm (băng C). Ngày nay, cửa sổ thứ tư (băng L) bước sóng 1625nm vẫn đang được nghiên cứu để ứng dụng. Bốn cửa sổ đã trình bày được minh hoạ như trên hình 1.1. Hình 1.1. Vùng bước sóng [11] 8 Công nghệ WDM được áp dụng đầu tiên vào đầu những năm 80’s sử dụng 2 bước sóng cách nhau khá xa trong vùng 1310nm và 1550nm (hoặc 850nm hoặc 1310nm) và được gọi là WDM băng rộng. Vào đầu những năm 90’s, bắt đầu xuất hiện công nghệ WDM thế hệ thứ 2, còn gọi là WDM băng hẹp, sử dụng từ 2 đến 8 kênh. Các kênh này thuộc cửa sổ 1550nm và cách nhau khoảng 400GHz. Đến giữa những năm 90’s, các hệ thống WDM mật độ cao (DWDM) được phát triển với 16 đến 40 kênh và khoảng cách mỗi kênh từ 100 đến 200 GHz. Cho đến cuối thập kỷ 90, các hệ thống DWDM đã sử dụng tới 64 đến 160 kênh với khoảng cách mỗi kênh là 50 thậm chí 25 GHz. [11] 1.2 NGUYÊN LÝ GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG 1.2.1 Định nghĩa Ghép kênh theo bước sóng (WDM) là công nghệ truyền dẫn đồng thời nhiều bước sóng tín hiệu quang trong một sợi quang. Ở đầu phát, các tín hiệu quang có bước sóng khác nhau được tổ hợp lại (ghép kênh) để truyền đi trên một sợi quang. Ở đầu thu, tín hiệu tổ hợp đó được phân giải (tách kênh) khôi phục lại thành các tín hiệu gốc và đưa đến các thiết bị đầu cuối khác nhau đến đích mong muốn. Hình 1.2 Sơ đồ chức năng hệ thống WDM [1] Như minh họa trong hình 1.2, hệ thống WDM bao gồm các các chức năng thành phần như sau: 9 - Phát tín hiệu: Hệ thống WDM sử dụng nguồn tín hiệu Laser. Yêu cầu đối với nguồn phát laser là phải có độ rộng phổ hẹp, bước sóng phát ra ổn định, mức công suất phát đỉnh, độ rộng phổ, bước sóng trung tâm phải nằm trong giới hạn cho phép. - Ghép/Tách tín hiệu: Ghép tín hiệu là sự kết hợp một số bước sóng ánh sang khác nhau thành một tín hiệu tổng hợp để truyền dẫn qua sợi quang. Tách tín hiệu là phân tách luồng tín hiệu tổng hợp đó thành các bước sóng tín hiệu riêng rẽ tại mỗi cổng đầu ra của bộ tách. Khi nói đến các bộ tách/ghép tín hiệu, ta phải xét đến các tham số như khoảng cách giữa các kênh, độ rộng băng tần của các kênh bước sóng, bước sóng trung tâm của kênh, mức xuyên âm của các kênh, suy hao… - Truyền dẫn tín hiệu: Quá trình truyền dẫn tín hiệu trong sợi quang chịu sự ảnh hưởng của nhiều yếu tố: suy hao quang, tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến, các vấn đề về khuếch đại tín hiệu… - Khuếch đại tín hiệu: Được sử dụng trong các hệ thống truyền dẫn có khoảng cách xa nhằm đảm bảo chất lượng tín hiệu ở nơi nhận. Có ba chế độ khuếch đại tín hiệu: khuếch đại công suất, khuếch đại đường và tiền khuếch đại. - Thu tín hiệu: Thu tín hiệu trong các hệ thống WDM cũng sử dụng các bộ tách sóng quang như các hệ thống thông tin quang thông thường: PIN, APD. 1.2.2 Phân loại hệ thống WDM Hệ thống WDM về cơ bản chia làm 2 loại: hệ thống đơn hướng và song hướng như minh hoạ trên hình 1.3. Hệ thống đơn hướng chỉ truyền theo một chiều trên sợi quang. Do vậy, để truyền thông tin giữa 2 điểm cần 2 sợi quang. Hệ thống WDM song hướng, ngược lại, truyền hai chiều trên một sợi quang nên chỉ cần một sợi quang để có thể trao đổi thông tin giữa 2 điểm. 10 Cả hai hệ thống đều có những ưu nhược điểm riêng. Giả sử rằng công nghệ hiện tại chỉ cho phép truyền N bước sóng trên một sợi quang, so sánh hai hệ thống ta thấy: • Xét về dung lượng, hệ thống đơn hướng có khả năng cung cấp dung lượng cao gấp đôi so với hệ thống song hướng. Ngược lại, số sợi quang cần dùng gấp đôi so với hệ thống song hướng. • Khi sự cố đứt cáp xảy ra, hệ thống song hướng không cần đến cơ chế chuyển mạch bảo vệ tự động APS (Automatic Protection Switching) vì cả hai đầu của liên kết đều có khả năng nhận biết sự cố ngay lập tức. • Về khía cạnh thiết kế mạng, hệ thống song hướng khó thiết kế hơn vì còn phải xét thêm các yếu tố như: vấn đề xuyên nhiễu do có nhiều bước sóng hơn trên một sợi quang, đảm bảo định tuyến và phân bố bước sóng sao cho hai chiều trên sợi quang không dùng chung một bước sóng… Hình 1.3- Heä thoáng gheùp keânh theo böôùc soùng song höôùng vaø ñôn höôùng.[1] 11 Các bộ khuếch đại trong hệ thống song hướng thường có cấu trúc phức tạp hơn trong hệ thống đơn hướng. Tuy nhiên, do số bước sóng khuếch đại trong hệ thống song hướng giảm ½ theo mỗi chiều nên ở hệ thống song hướng, các bộ khuyếch đại sẽ cho công suất quang ngõ ra lớn hơn so với ở hệ thống đơn hướng. 1.2.3 Ưu nhược điểm của công nghệ WDM So với hệ thống truyền dẫn đơn kênh quang, hệ thống WDM cho thấy những ưu điểm nổi trội: - Dung lượng truyền dẫn lớn: Hệ thống WDM có thể mang nhiều kênh quang, mỗi kênh quang ứng với tốc độ bit nào đó (TDM). Do đó hệ thống WDM có dung lượng truyền dẫn lớn hơn nhiều so với các hệ thống TDM. Hiện nay hệ thống WDM 80 bước sóng với mỗi bước sóng mang tín hiệu TDM 2,5Gbit/s, tổng dung lượng hệ thống sẽ là 200Gbit/s đã được thử nghiệm thành công. Trong khi đó thử nghiệm hệ thống TDM, tốc độ bit mới chỉ đạt tới STM-256 (40Gbit/s). - Loại bỏ yêu cầu khắt khe cũng như những khó khăn gặp phải với hệ thống TDM đơn kênh tốc độ cao: Không giống như TDM phải tăng tốc độ số liệu khi lưu lượng truyền dẫn tăng, WDM chỉ cần mang vài tín hiệu, mỗi tín hiệu ứng với một bước sóng riêng (kênh quang), do đó tốc độ từng kênh quang thấp. Điều này làm giảm đáng kể tác động bất lợi của các tham số truyền dẫn như tán sắc… Do đó tránh được sự phức tạp của các thiết bị TDM tốc độ cao. - Đáp ứng linh hoạt việc nâng cấp dung lượng hệ thống, thậm chí ngay cả khi hệ thống vẫn đang hoạt động: Kỹ thuật WDM cho phép tăng dung lượng của các mạng hiện có mà không phải lắp đặt thêm sợi quang mới (hay cáp quang). Bên cạnh đó nó cũng mở ra một thị trường mới đó là thuê kênh quang (hay bước sóng quang) ngoài việc thuê sợi hoặc cáp. Việc nâng cấp chỉ đơn giản là gắn thêm các Card mới trong khi hệ thống vẫn hoạt động (plug-n-play). 12 - Quản lý băng tần hiệu quả và thiết lập lại cấu hình một cách mềm dẻo và linh hoạt: Việc định tuyến và phân bổ bước sóng trong mạng WDM cho phép quản lý hiệu quả băng tần truyền dẫn và thiết lập lại cấu hình dịch vụ mạng trong chu kỳ sống của hệ thống mà không cần thi công lại cáp hoặc thiết kế lại mạng hiện tại. - Giảm chi phí đầu tư mới. Bên cạnh những ưu điểm trên WDM cũng bộc lộ một số mặt hạn chế nằm ở ngay bản thân công nghệ. Đây cũng chính là những thách thức cho công nghệ này: - Dung lượng hệ thống vẫn còn quá nhỏ bé so với băng tần sợi quang: Công nghệ WDM ngày nay rất hiệu quả trong việc nâng cao dung lượng nhưng nó cũng chưa khai thác triệt để băng tần rộng lớn của sợi quang. Cho dù công nghệ còn phát triển những dung lượng WDM cũng sẽ đạt đến giá trị tới hạn. - Chi phí cho khai thác tăng do có nhiều hệ thống cùng hoạt động hơn. Tuy nhiên, chi phí cho bảo dưỡng hệ thống WDM vẫn nhỏ hơn rất nhiều nếu so sánh với hệ thống TDM có dung lượng tương đương. 1.3 CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN TRONG HỆ THỐNG WDM 1.3.1. Nguồn phát a. Yêu cầu đối với nguồn phát - Độ rộng phổ hẹp và phổ vạch: Nhìn chung, hệ thống WDM cũng sử dụng các nguồn phát giống như đối với hệ thống truyền dẫn đơn kênh cự ly dài. Tuy nhiên trong trường hợp này chúng ta sử dụng loại Laser DFB hoặc DBR có duy nhất một vạch phổ trong dải phổ của nó. Độ rộng phổ tuỳ thuộc vào số lượng kênh trong hệ thống và dung sai của các phần tử. - Độ ổn định bước sóng phát: Trong hệ thống WDM cần giảm thiểu sự thay đổi bước sóng nguồn phát trong suốt thời gian hoạt động để tránh được những ảnh hưởng không mong muốn đến chỉ tiêu hệ thống. 13 - Khả chỉnh: Laser khả chỉnh có nghĩa rất lớn trong mạng quang tương lai, đặc biệt trong mạng quảng bá. Khả năng điều chỉnh của bộ phát lẫn bộ thu ảnh hưởng đến chỉ tiêu của toàn bộ hệ thống. b. Các loại nguồn phát được sử dụng hiện nay Nguồn phát quang thường được sử dụng hiện nay là điode phát quang (LED) hoặc Laser bán dẫn (LD). 1.3.2 Phần tử tách ghép bước sóng Các phần tử tách ghép bước sóng có các tham số cơ bản sau: - Bước sóng trung tâm: Đối với cách tử là bước sóng tại trung tâm của băng phản xạ, còn đối với các bộ lọc là bước sóng nằm giữa hai bước sóng ở 2 cạnh của băng. - Băng tần: Băng tần đặc trưng cho dải bước sóng phản xạ đối với cách tử và dải bước sóng lọc đặc trưng bởi khoảng cách (theo thiết kế) giữa các cạnh bộ lọc. - Đỉnh phản xạ: Đỉnh phản xạ định nghĩa cho cách tử, tương ứng lượng ánh sáng phản xạ tại bước sóng trung tâm - Bước sóng danh định: Bước sóng danh định sử dụng cho bộ lọc, được qui định từ nhà sản xuất. Bước sóng trung tâm thực tế thường là khác bước sóng này - Suy hao xen: Suy hao xen là lượng tổn hao công suất trên tuyến truyền dẫn quang do sự xuất hiện của các bộ ghép bước sóng. - Xuyên kênh: Xuyên kênh là sự xuyên nhiễu tín hiệu từ kênh này sang kênh khác, nói cách khác là sự xuất hiện của tín hiệu kênh này trong kênh lân cận. Sự xuyên kênh này làm tăng nền nhiễu của kênh tín hiệu dẫn đến giảm tỷ số S/N. - Độ rộng phổ của kênh: Độ rộng phổ của kênh là dải bước sóng dành cho mỗi kênh. Độ rộng phổ này phải đủ lớn để đảm bảo ngăn chặn được nhiễu giữa các 14 kênh, do đó nó được xác định tuỳ theo từng loại nguồn quang. 1.3.3 Sợi quang a. Sợi SMF (theo ITU G.652) Sử dụng loại sợi SMF cho phép đạt tới cự ly xấp xỉ 1000 km tại tốc độ STM-16 mà không cần sử dụng các bộ bù tán sắc. Tuy nhiên với tốc độ STM-64 nếu sử dụng loại sợi này thì chỉ đạt được khoảng cách khoảng 60 km nếu không sử dụng bù tán sắc. Cũng vì tán sắc lớn tại vùng bước sóng 1550 nm nên hiệu ứng FWM không xảy ra trong sợi SMF. b. Sợi DSF (theo ITU G.653) Loại sợi này đặc biệt phù hợp với các hệ thống đơn kênh, cự ly dài, dung lượng lớn. Tuy nhiên loại sợi này được khuyến nghị là không sử dụng cho các hệ thống WDM. Trong trường hợp tuyến đang sử dụng loại sợi này, muốn nâng cấp tăng dung lượng bằng kỹ thuật WDM thì phải chọn vùng bước sóng có tán sắc đủ lớn để tránh hiệu ứng FWM. Điều này làm hạn chế khả năng tăng dung lượng của hệ thống. c. Sợi NZ-DSF (theo ITU G.655) Tán sắc của loại sợi này đủ nhỏ để cho phép truyền với tốc độ 10 Gb/s trên khoảng cách 300 - 400 km mà không cần bù tán sắc nhưng cũng đủ lớn để giảm ảnh hưởng của FWM trong dải băng của EDFA (từ 1530 - 1565 nm). Vì vậy loại sợi này đặc biệt thích hợp với các hệ thống WDM tốc độ cao, cự ly truyền dẫn lớn. 1.3.4 Đầu thu (bộ tách sóng quang) a. PIN - Hiệu suất lượng tử (QE): là tỷ lệ giữa số electron thu được tại vùng chuyển tiếp và số photon tới. Hiệu suất lượng tử tuyệt đối là 1 nếu có 1 photon tới thì giải phóng 1 electron. QE phụ thuộc vào bước sóng hoạt động. 15 - Độ đáp ứng: Độ đáp ứng quan tâm đến năng lượng photon. Nó được đo bằng dòng photo đầu ra của thiết bị (đơn vị là A) chia cho công suất quang đầu vào (đơn vị là W). Đối với một photodiode silic thì độ đáp ứng điển hình ở bước sóng 900nm là 0,44. b. Photodiode thác (APD) Dạng cơ bản của một APD là một photodiode PIN có thế hiệu ngược rất lớn (thường khoảng 50V). Các tham số quan trọng của APD: - Độ nhạy - Tốc độ hoạt động - Tích độ tăng ích và băng tần - Nhiễu 1.3.5 Khuếch đại quang Khuếch đại quang được sử dụng trọng các hệ thống truyền dẫn để tăng khoảng cách trạm lặp hay tăng cự ly truyền dẫn. Khuếch đại trong các hệ thống WDM đóng vai trò đặc biệt quan trọng. Do có nhiều kênh quang cùng hoạt động nên các yêu cầu về đặc tính khuếch đại của hệ thống WDM nghiêm ngặt hơn nhiều so với hệ thống đơn kênh. Có nhiều kiểu khuếch đại nhưng cho đến nay người ta chủ yếu tập trung vào hai loại sau: khuếch đại quang bán dẫn (SOA) và khuếch đại quang sợi (AFA). Tuy nhiên, các phẩm chất của SOA trong cửa sổ sóng 1550 nm kém hơn AFA ở nhiều khía cạnh như: độ khuếch đại, công suất bão hoà và mức độ phụ thuộc phân cực nên trong các ứng dụng ngày nay khuếch đại quang sợi đã trở thành độc tôn. Công nghệ khuếch đại quang sợi đã gặt hái được rất nhiều thành công và đến nay nó được đánh giá là công nghệ trụ cột trong tương lai của mạng quang. 16 1.4 MẠNG WDM 1.4.1. Một số thành phần chính trong mạng WDM 1.4.1.1.Thiết bị OADM Trên thực tế, đôi khi người ta cần thực hiện việc tách hoặc/và ghép một số kênh xác định nào đó trong luồng tín hiệu. Để thực hiện nhiệm vụ này phải cần đến một loại thiết bị chuyên dụng, đó là thiết bị xen/rẽ kênh hay gọi ngắn gọn là thiết bị xen/rẽ. [10] Thiết bị xen/rẽ kênh quang (OADM) thực hiện chức năng thêm vào và tách ra một kênh tín hiệu từ tín hiệu WDM mà không gây ra nhiễu với những kênh khác trong sợi. Theo thời gian chức năng xen/rẽ kênh quang của OADM đã dần hoàn thiện và linh hoạt hơn. Hình 1.4 Bộ xen/rẽ kênh quang (OADM) [10] 1.4.1.2. Thiết bị OXC Dưới góc độ phần tử mạng, thiết bị đấu nối chéo quang (OXC) là một phần tử chuyển mạch quang linh hoạt cho phép chuyển mạch tín hiệu tới từ một cổng đầu vào đến một hoặc nhiều cổng đầu ra khác nhau. Dưới góc độ mạng, đấu nối chéo là một nút chuyển mạch mà trạng thái thay đổi theo hệ thống quản lý mạng chứ không theo báo hiệu trong mạng. Do đó những thay đổi này thường kéo dài trong 17 khoảng thời gian tính bằng giây. Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống OXC 3×3 với hai bước sóng trên mỗi sợi quang [32] Bộ đấu nối chéo quang (OXC) được xem như nền móng cho lớp mạng quang, nó đem lại cho người sử dụng khả năng lựa chọn mềm dẻo và linh hoạt cấu hình mạng (topo mạng) với độduy trì mạng cao. Ngày nay các thiết bị này chủ yếu xuất hiện trong môi trường mạng đường trục. Tuy nhiên những thiết bị loại này đang được trông đợi nhiều ở tất cả các cấp mạng bao gồm cả ở mạng nội hạt. Rào cản hiện tại của những thiết bị này trong mạng thực tế đó là giá thành. Chức năng chính của OXC sẽ là khả năng tái cấu hình mạng một cách linh hoạt ở mức bước sóng cho khôi phục mạng hoặc thích ứng đối với những thay đổi nhu cầu băng tần.[10] Một số chức năng của OXC hiện nay: - Quản lý băng tần và kết nối để cung cấp kết nối cho các kênh thuê riêng và kết nối của các kênh quang (hỗ trợ cho tải SDH), cung cấp chức năng xen/rẽ bước sóng. 18 - Sắp xếp hiệu quả bước sóng để tận dụng tốt hơn cơ sở hạ tầng đã có. - Phát triển từ từ các dịch vụ 10Gbit/s đến 40Gbit/s, đem lại một chi phí thấp cho mạng - Bảo vệ và khôi phục mạng ở mức bước sóng. - Định tuyến và liên kết ở mức bước sóng. Hiện nay, có thể phân thiết bị OXC thành hai loại chính: OXC dựa trên ma trận chuyển mạch điện (lõi điện) và OXC dựa trên ma trận chuyển mạch quang (lõi quang). Trước đây do công nghệ quang chưa chế tạo được chuyển mạch quang không gian lớn nên nhiều nhà sản xuất thiết bị hướng đến sử dụng ma trận điện trong các thiết bị đấu nối chéo quang của mình. Chính vì vậy mà phần lớn thiết bị được quảng cáo ngày nay của một số hãng lớn như Ciena, Cisco Network, Sycamore được phát triển trên nền này. Tín hiệu quang tới và ra khỏi OXC phải qua giao diện O/E, tốc độ xử lý cơ sở trong kiểu OXC này thường là 2,5Gbit/s. [32] Tuy nhiên khi nối chéo những tốc độ lớn như 10 hoặc 40Gbit/s thì các bị OXC này sẽ bộc lộ những nhược điểm về công nghệ của mình như xuyên kênh lớn, kích thước chuyển mạch nhỏ (<32x32), số lượng chuyển mạch lớn, trọng lượng nặng,... và hơn cả giá thành sẽ bị đẩy lên rất cao vì phải chi trả cho các công nghệ để giải quyết những nhược điểm trên. Do đó giải pháp xây dựng OXC với lõi quang trở nên hấp dẫn hơn cả và khắc phục được những nhược điểm nêu trên. Hơn nữa, giá thành của các linh kiện quang (ma trận chuyển mạch quang) đã giảm xuống rất nhiều, trong tương lai gần nó hoàn toàn có thể so sánh với OXC dựa trên ma trận chuyển mạch điện. Dựa vào đặc tính chuyển mạch người ta chia OXC lõi quang thành ba loại chính: a. OXC chuyển mạch sợi (FXC) Các nối chéo chuyển mạch sợi (FXC) thực hiện chuyển mạch tất cả kênh bước sóng từ một sợi đầu vào tới một sợi đầu ra, nó hoạt động như một bảng đấu sợi tự động. 19 FXC là kiểu chuyển mạch ít phức tạp nhất trong số hai kiểu còn lại (do đó cũng rẻ hơn). Trong một số phần mạng mà việc bảo vệ chống đứt sợi là vấn đề chính thì FXC có thể là một giải pháp hợp lý. Chúng tận dụng tối đa các công nghệ quang hiện tại. Chúng có thể cung cấp các khả năng khôi phục và dự phòng đơn giản nhưng lại không linh hoạt (nhằm hỗ trợ các dịch vụ bước sóng điểm-điểm mới). Hình 1.6 (a)OXC chuyển mạch sợi, (b)OXC chuyển mạch lựa chọn bước sóng, (c) chuyển mạch trao đổi bước sóng [32] b. OXC lựa chọn bước sóng (WSXC) WSXC chuyển mạch một nhóm các kênh bước sóng từ một sợi đầu vào đến một sợi đầu ra. Về mặt chức năng thì chúng yêu cầu giải ghép (theo tần số) các tín hiệu đến thành bước sóng ban đầu của chúng. WSXC còn có tính linh hoạt trong việc khôi phục dịch vụ. Các kênh bước sóng có thể được bảo vệ riêng biệt nhờ cơ chế bảo vệ mesh, ring hoặc kết hợp. c. OXC trao đổi bước sóng (WIXC) WIXC hoàn toàn giống như WSXC mô tả trên nhưng có thêm khả năng chuyển đổi hoặc thay đổi tần số (hoặc bước sóng) của kênh từ tần số này đến tần số khác. Đặc tính này làm giảm xác suất không được định tuyến từ sợi đầu vào đến sợi đầu ra do sự cạnh tranh bước sóng. WIXC có tính linh hoạt cao nhất trong việc khôi phục và dự 20 phòng dịch vụ. 1.4.2. Vấn đề thiết kế kỹ thuật trong mạng WDM Thiết kế kỹ thuật của hệ thống WDM là rất phức tạp, nó là sự cân bằng của nhiều các yếu tố tác động. Nhiều hiệu ứng trong hệ thống WDM đã được biết đến trong các hệ thống đơn kênh. Tuy nhiên còn có một số hiệu ứng khác trong truyền dẫn WDM, bao gồm: - Sự phân tách kênh và băng tần tín hiệu: Để giảm thiểu ảnh hưởng của SRS và đạt được độ bằng phẳng khuếch đại tối ưu từ các bộ khuếch đại ta phải sắp xếp các kênh càng gần nhau càng tốt. Dĩ nhiên điều này sẽ cho chúng ta có được nhiều kênh hơn (nếu cần) và vì vậy dung lượng cũng cao hơn.Tuy nhiên, những tác động của FWM lại không cho phép các kênh có khoảng cách quá gần nhau. - Độ chính xác và giá thành phần tử quang: Nói chung, các phần tử quang càng chính xác và ổn định thì chúng càng có giá thành đắt. Độ rộng phổ nguồn laser càng hẹp và tín hiệu của nó càng ổn định thì nó càng có giá thành cao hơn. Những đánh giá tương tự cũng được xét cho các cách tử, bộ lọc, và phần lớn các thiết bị khác. Đây là yếu tố quan trọng để quyết định độ rộng dải thông và khoảng cách kênh. - Kiểm soát tán sắc: ý nghĩa cơ bản của việc kiểm soát tán sắc là giảm nhỏ dải thông tín hiệu và sử dụng một số phương pháp bù tán sắc. Việc sử dụng sợi DSF tại bước sóng tán sắc 0 (zero) là không thể được do vấn đề FWM. Có thể giảm nhỏ dải thông tín hiệu nhưng dải thông lại bị giãn rộng ra do chúng tự điều chế và nếu ta giảm dải thông tín hiệu xuống thấp hơn 80 MHz thì lại xuất hiện những hạn chế do các hiệu ứng SBS. Trong các hệ thống có cự ly dưới 100km tại tốc độ 2,4 Gbit/s trở lên sẽ cần đến một số phương thức quản lý tán sắc và bù tán sắc. - Công suất tín hiệu (cho mỗi kênh): Một trong các yếu tố để đánh giá hệ thống là nhu cầu làm tăng khoảng cách giữa các bộ khuếch đại. Chi phí cho các bộ khuếch đại 21 không phải là vấn đề chính. Chi phí cho việc lắp đặt và bảo dưỡng chúng tại các trạm dọc theo tuyến cáp cao hơn khá nhiều so với chi phí cho các bộ khuếch đại. Vì vậy cần phải tăng tối đa công suất cho mỗi kênh. Tuy nhiên có nhiều yếu tố ảnh hưởng làm hạn chế lượng công suất có thể được sử dụng: • Công suất cực đại có ở các bộ phát. Đây thực ra là công suất đầu ra lớn nhất của một EDFA đặt tại bộ phát. Cho tới gần đây nó vẫn đạt khoảng 200 mW nhưng cùng với sự phát triển của các bộ khuếch đại EDFA nhiều tầng, thì giới hạn công suất đạt được ngày nay là 10 W. • Các hiệu ứng phi tuyến (SBS, SRS, CIP) gây ra những hạn chế lớn đối với lượng công suất có thể dùng cho mỗi kênh tuỳ thuộc vào nhiều yếu tố. • Vấn đề an toàn cũng rất quan trọng. Hầu như tất cả các hệ thống WDM đều được phân loại kỹ lưỡng theo độ nguy hiểm và cần thiết phải có những hệ thống bảo an được đặt ở những vị trí xác định có thể truy nhập hiệu quả chỉ riêng các dịch vụ có chất lượng. - Tạp âm: Như đã nói ở trên, tác động của sự tích luỹ tạp ASE được đánh giá chủ yếu là về khoảng cách bộ khuếch đại. - Loại sợi: Để giảm tán sắc ta nên sử dụng sợi DSF. Tuy nhiên, sợi DSF lại làm tăng đáng kể các hiệu ứng FWM và SRS. Do đó ta nên dùng cả sợi tiêu chuẩn lẫn sợi tối ưu hoá tán sắc (DOF). 1.5 TỔNG KẾT CHƯƠNG Chương này giới thiệu tổng quan về công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM, sơ lược về nguyên lý ghép kênh cũng như các thành phần cơ bản của mạng WDM áp dụng trên thực tế. Trong chương này cũng đề cập đến một số vấn đề thiết kế kỹ thuật trong mạng WDM. Chương tiếp theo sẽ trình bày về vấn đề định tuyến và gán bước sóng và một số công nghệ chuyển mạch quang. 22 Chương 2 CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH QUANG 2.1 BÀI TOÁN ĐỊNH TUYẾN VÀ GÁN BƯỚC SÓNG Trong truyền dẫn WDM, mỗi dòng dữ liệu được mang bởi một bước sóng duy nhất (hay còn gọi là tần số quang) và một sợi quang thường có rất nhiều bước sóng ánh sáng khác nhau truyền qua. Trong một mạng định tuyến theo bước sóng WDM (sử dụng các kết nối chéo quang để xác định các tuyến quang qua mạng), người sử dụng ở các đầu giao tiếp với nhau thông qua các kênh WDM gọi là quang tuyến. Các quang tuyến hỗ trợ kết nối trong mạng WDM định tuyến theo bước sóng và có thể bao gồm nhiều kết nối quang. Để có thể đáp ứng các yêu cầu của quang tuyến trong mạng WDM định tuyến theo bước sóng, chúng ta sẽ đề cập đến vấn đề chọn đường và chọn bước sóng. Nếu như cho ta một tập các kết nối, việc lựa chọn tuyến và gán bước sóng cho từng kết nối được gọi là vấn đề định tuyến và gán bước sóng (RWA)[15]. Thông thường, các yêu cầu kết nối có thể được chia thành ba loại: tĩnh, tăng dần và động. Với trường hợp lưu lượng tĩnh, tất cả các kết nối giữa hai đầu được biết trước, và việc xử lý chỉ là thiết lập quang tuyến cho các kết nối này theo một mô hình chung với yêu cầu là tối thiểu hóa các tài nguyên, ví dụ như số bước sóng sử dụng cho kết nối. Một sự lựa chọn khác là có thể thiết lập càng nhiều kết nối càng tốt với một số lượng bước sóng cố định trên một đường quang (giả thiết là tất cả các sợi quang đều có cùng số lượng bước sóng). Vấn đề RWA của lưu lượng tĩnh là thiết lập quang tuyến tĩnh (Static Lightpath Establish). Trong trường hợp lưu lượng tăng dần với số lượng yêu cầu kết nối đến một cách tuần tự, một quang tuyến sẽ được thiết lập cho mỗi kết nối và nó sẽ được duy trì trong mạng không hạn định. Đối với lưu lượng động, một quang tuyến được thiết lập cho mỗi kết nối khi có yêu cầu đến và chúng sẽ được giải phóng sau một khoảng thời gian nhất định. Vấn đề RWA trong trường hợp này là thiết lập quang tuyến động (DLE- Dynamic Lightpath Establish), bao gồm thiết lập quang tuyến 23 và gán bước sóng cho chúng với xác suất bị chặn là nhỏ nhất, hoặc hoặc số lượng kết nối là lớn nhất[18]. Vấn đề RWA thường được chia làm hai vấn đề con như sau: - Lựa chọn tuyến - Gán bước sóng 2.1.1 Lựa chọn tuyến Có ba phương pháp được sử dụng để lựa chọn tuyến như sau: - Tuyến cố định (fixed routing): Đây là phương pháp đơn giản được thực hiện khi tuyến cố định luôn được gán cho một kết nối giữa nguồn và đích cho trước. Một ví dụ của phương pháp này chính là định tuyến đường ngắn nhất cố định (SP- Shortest path routing). Phương pháp này sử dụng các thuật toán tìm đường ngắn nhất để tìm ra một quang tuyến cho cặp nguồn-đích cho trước. - Định tuyến cố định thay thế (fixed-alternate routing) Có một danh sách các tuyến cố định được sắp xếp theo thứ tự tới từng nút đích. Danh sách này nằm trong bảng định tuyến được duy trì bởi từng nút trong mạng. Phương pháp định tuyến K đường ngắn nhất (K-shortest path) được sử dụng để tìm các tuyến có thể giữa mỗi cặp nguồn-đích. Ví dụ, bảng này sẽ chứa danh sách tuyến ngắn nhất, tuyến thứ hai, tuyến thứ ba… Khi một yêu cầu kết nối đến, nút nguồn sẽ thiết lập kết nối của từng tuyến trong bảng định tuyến của nó một cách lần lượt cho đến khi nó tìm được một tuyến khả dụng. Trong trường hợp không có tuyến nào trong bảng có thể dùng được thì yêu cầu kết nối này sẽ bị chặn[33]. - Định tuyến thích nghi (Adaptive routing): Tuyến được chọn một cách tự động từ nút nguồn đến nút đích, tùy thuộc vào trạng thái của mạng. Trạng thái của mạng được xác định dựa vào các kết nối hiện tại trên mạng. Ví dụ của phương pháp này chính là định tuyến đường ít tắc nghẽn nhất (least congested-path routing). 24 Phương pháp này có xác suất chặn kết nối thấp hơn hai phương pháp trên nhưng việc tính toán phức tạp hơn[34]. 2.1.2 Gán bước sóng Gán bước sóng là lựa chọn một bước sóng trong danh sách các bước sóng có thể dùng được cho một tuyến nhằm tối đa hóa hiệu quả của bước sóng đó. Có một số mô hình cho phương pháp này như sau: - Gán bước sóng một cách ngẫu nhiên (Random Wavelength Assignment). Phương pháp này sẽ lựa chọn một cách ngẫu nhiên một bước sóng trong số các bước sóng có thể sử dụng để gán cho tuyến. - Phù hợp đầu tiên (First-Fit): Trong trường hợp này, tất cả các bước sóng sẽ được đánh số và nó sẽ lựa chọn bước sóng khả dụng đầu tiên theo thứ tự. - Ít sử dụng nhất (Least-used): Phương pháp này nhằm cân bằng tải cho tất cả các bước sóng. Tuy nhiên phương pháp này không được sử dụng nhiều trong thực tế bởi vì hiệu quả của nó được đánh giá thậm chí còn thấp hơn phương pháp gán ngẫu nhiên. - Sử dụng nhiều nhất (Most-used)Phương pháp này sẽ lựa chọn bước sóng được sử dụng nhiều nhất để gán cho tuyến. Phương pháp này được dùng nhiều hơn hai phương pháp FF và LU[19]. Trong mạng WDM định tuyến theo bước sóng có sử dụng các bộ chuyển đổi bước sóng để chuyển đổi bước sóng ban đầu mang dữ liệu từ nút nguồn sang một bước sóng khác ở nút trung gian trước khi chuyển nó đến sợi quang kế tiếp. Kỹ thuật này được gọi là sự chuyển đổi bước sóng[5]. Mạng định tuyến theo bước sóng có khả năng này được gọi là mạng bước sóng khả chuyển (wavelength-convertible). Với các bộ chuyển đổi hoàn toàn, chúng có thể chuyển đổi một bước sóng bất kỳ sang một bước sóng bất kỳ khác. Nếu như mỗi đường quang trong mỗi nút của mạng đều được trang 25 bị bộ chuyển đổi này thì mạng này được gọi là mạng khả chuyển hoàn toàn. Khi đó mạng quang này tương đương như mạng chuyển mạch kênh truyền thống. Như vậy, bộ chuyển mạch có thể nâng cao hiệu năng của mạng. 2.2 CÁC KỸ THUẬT CHUYỂN MẠCH QUANG Có ba kỹ thuật chuyển mạch quang chính được nghiên cứu trong các tài liệu về vận chuyển lưu lượng IP trong các mạng WDM. Các kỹ thuật này bao gồm: - Định tuyến bước sóng - Chuyển mạch gói quang - Chuyển mạch chùm quang Do vậy, dựa vào các kỹ thuật chuyển mạch, các mạng IP/WDM có thể được phân loại như sau: - Mạng định tuyến bước sóng - Mạng chuyển mạch gói quang - Mạng chuyển mạch chùm quang 2.2.1 Định tuyến bước sóng (WR-Wavelength Routing) Trong các mạng định tuyến bước sóng, một tuyến toàn quang được thiết lập giữa các đầu của mạng và nó được gọi là quang tuyến. Bằng cách sử dụng quang tuyến, nó có thể duy trì một kênh bước sóng dành riêng trên tất cả các kết nối dọc theo tuyến. Sau khi dữ liệu được truyền đi, quang tuyến này sẽ được giải phóng. Trong mạng định tuyến bước sóng, các thiết bị kết nối chéo quang được sử dụng để kết nối quang điểm – điểm trong một topo bất kỳ. Như đã đề cập trong phần trước, các thiết bị OXC có khả năng phân biệt các gói dữ liệu dựa trên cổng vào và bước sóng của nó sử dụng. Do vậy, khi ta sử dụng mạng này thì dữ liệu được truyền giữa các điểm đầu cuối 26 sẽ không cần phải xử lý, không cần chuyển đổi điện/quang (E/O conversion) và không cần bộ đệm tại các nút trung gian. Tuy nhiên, cũng giống như tất cả các mạng chuyển mạch, các mạng định tuyến bước sóng không chia sẻ tài nguyên và do vậy sự hiệu dụng của băng thông là thấp[2]. 2.2.2 Chuyển mạch gói quang (OPS – Optical Packets Switching) 2.2.2.1 Giới thiệu chung Như chúng ta đã nói ở phần trước, các mạng định tuyến theo bước sóng không hiệu quả trong hầu hết các trường hợp trừ khi kết nối được thiết lập và duy trì trong một khoảng thời gian tương đối dài. Điều này chính là do định tuyến bước sóng tương tự như chuyển mạch kênh, tức là kết nối giữa hai đầu nguồn và đích phải được thiết lập trước khi dữ liệu có thể được truyền đi. Quyết định chuyển cũng được tạo ra tại thời điểm thiết lập cuộc gọi và trong suốt quá trình diễn ra cuộc gọi, bộ chuyển mạch phải đọc, lưu và chuyển từng khung dữ liệu cuộc gọi mà nó nhận được. Dữ liệu mào đầu (overhead) là rất lớn tại thời điểm thiết lập cuộc gọi và ít đi trong thời gian cuộc gọi thực hiện. Tuy vậy, thông thường thời gian của cuộc gọi dài hơn rất nhiều so với thời gian thiết lập và ngắt cuộc gọi nên hiệu quả của phương pháp này là cao nếu như băng thông được tận dụng tối đa trong quá trình gọi. Chính nhược điểm này của mạng định tuyến bước sóng làm cho các nghiên cứu tập trung vào phương pháp chuyển mạch gói quang bởi vì phương pháp này tận dụng được băng thông của mạng bằng cách sử dụng ghép kênh thống kê cho chia sẻ băng thông[2]. Trong các mạng chuyển mạch gói, lưu lượng IP được xử lý và chuyển mạch tại các bộ định tuyến IP theo từng gói tin một. Mỗi gói tin IP đều chứa phần trọng tải (payload) và phần mào đầu (header). Phần mào đầu gói tin chứa thông tin cần thiết để định tuyến gói tin còn phần trọng tải chứa các bản tin dữ liệu. Một bộ chuyển mạch gói quang WDM bao gồm bốn phần: 27 - Giao diện đầu vào (input interface): được sử dụng để mô tả và căn chỉnh gói tin, và tách gỡ thông tin mào đầu của gói tin. - Cơ cấu chuyển mạch (switching fabric): là phần lõi của bộ chuyển mạch. Nó thực hiện chuyển mạch các gói tin trong vùng quang. - Giao diện đầu ra (output interface): được sử dụng để tái tạo tín hiệu quang và chèn thông tin mào đầu. - Đơn vị điều khiển (control unit): Được sử dụng để điều khiển chuyển mạch tiếp dựa trên các yêu cầu chứa trong phần mào đầu quang. 2.2.2.2 Công nghệ chuyển mạch gói quang Quá trình thực hiện của kỹ thuật chuyển mạch gói quang được mô tả trong hình 2.1 Hình 2.1 Chuyển mạch gói quang[23] Từ hình trên ta có thể tóm lược các bước thực hiện của chuyển mạch gói quang như sau: Đồng bộ hóa và khôi phục định thời gói tin Thực hiện của đồng bộ hóa gói tin bao gồm một bộ nhận dạng bắt đầu gói tin được sử dụng để xác định vị trí bắt đầu của gói tin và một module trễ có thể lập trình được dùng để thay đổi thời gian đến của gói tin. Loại bỏ phần mào đầu gói tin 28 Phương pháp này được thực hiện bằng cách sử dụng bộ khuếch đại quang bán dẫn (SOA) và nó có thể được cải thiện nhờ kỹ thuật chuyển đổi bước sóng. Bộ đệm Do không có bộ nhớ RAM quang học phù hợp cho các chuyển mạch gói quang, ta cần phải tìm một giải pháp khác, đó là bộ nhớ RAM điện tử. Thiết bị này có tốc độ truy cập giới hạn và cần có bộ chuyển đổi quang-điện-quang và bộ đệm dựa trên các đường quang trễ có hoặc không có khả năng WDM. Định tuyến gói tin Trong khi đang xử lý địa chỉ trong miền điện tử, các chuyển mạch gói quang sẽ chuyển hướng và lưu đệm các gói tin trong miền quang. Có rất nhiều kiến trúc chuyển mạch gói khác nhau, ví dụ như chuyển mạch gói quang định tuyến theo bước sóng, chuyển mạch gói quảng bá và lựa chọn. Khi một gói tin đi đến bộ chuyển mạch quang WDM, đầu tiên nó được xử lý qua giao diện đầu vào, tại đây nó sẽ tách riêng phần thông tin mào đầu và phần dữ liệu sau đó phần mào đầu sẽ được chuyển đổi vào miền điện tử và được xử lý bởi khối điều khiển; trong khi đó phần dữ liệu vẫn nằm trong miền quang. Sau đó phần dữ liệu sẽ được xử lý bởi cơ cấu chuyển mạch để chuyển đến cổng thích hợp. Một đặc tính chính ở đây là quyết định khi nào thì cần phải đồng bộ. Trong mạng này cơ cấu chuyển mạch tại một nút nhận các gói tin đến với thời gian căn chỉnh là nhỏ nhất. Tuy nhiên, phương pháp này phức tạp hơn bởi vì chúng có các giai đoạn đồng bộ hóa căn chỉnh gói tin. Một phương pháp khác là xây dựng một mạng không đồng bộ mà trong đó các gói tin có thể có kích thước khác nhau. Kiến trúc của chuyển mạch trong trường hợp này đơn giản hơn mặc dù xác suất bất đồng gói tin cao hơn. Sau khi dữ liệu truyền qua cơ cấu chuyển mạch, nó sẽ được kết hợp với mào đầu đã được chuyển đổi ngược lại vào miền quang tại giao diện đầu ra.[23] 29 2.2.3 Chuyển mạch chùm quang (OBS-Optical Burst Switching) 2.2.3.1 Giới thiệu chung Từ hai phần trước chúng ta có thể thấy kỹ thuật định tuyến bước sóng không cần xử lý, không chuyển đổi quang-điện và không sử dụng bộ đệm tại nút trung gian, tuy nhiên nó lại không sử dụng hết băng thông. Ngược lại, kỹ thuật chuyển mạch gói quang có thể nâng cao hiệu suất sử dụng băng thông bằng cách hợp kênh thống kê cho chia sẻ băng thông nhưng nó lại cần có bộ đệm. Chính vì vậy cần kết hợp hai phương pháp này để đưa ra một phương pháp kế thừa các ưu điểm của hai phương pháp kể trên, gọi là kỹ thuật chuyển mạch chùm quang. Chuyển mạch chùm quang (OBS) được xây dựng dựa trên các tiêu chuẩn của tổ chức ITU-T dành cho chuyển mạch bó trong mạng ATM, được biết đến chuyển mạch khối ATM (ATM block transfer). OBS là kỹ thuật dùng để truyền đi một khối lượng lớn lưu lượng qua mạng vận chuyển quang bằng cách thiết lập một liên kết và chiếm giữ các tài nguyên cho chỉ một chùm quang (burst). Mô hình của chuyển mạch chùm quang được mô tả trong hình 2.2 Hình 2.2 Mô hình chuyển mạch chùm quang (OBS)[23] Phần tử cơ bản của OBS là burst (chùm quang), được định nghĩa là một chuỗi các gói tin có cùng địa chỉ đích và có các đặc điểm giống nhau, ví dụ như là cùng di chuyển từ một lối vào đến lối ra của một nút và cùng được chuyển mạch tại các nút trung gian. Mỗi một burst bao gồm hai phần: phần mào đầu và phần dữ liệu. Phần mào 30 đầu được gọi là phần burst điều khiển (control burst-CB) và phần dữ liệu được gọi là burst dữ liệu (Data burst – DB). Trước tiên phần CB sẽ được truyền đi nhằm mục đích dành sẵn băng thông dọc theo tuyến truyền cho phần DB, và sau đó DB sẽ được theo tuyến băng thông này để đi đến nơi nhận. [14] 2.2.3.2 So sánh OBS với OPS và WR Do trong OBS bước sóng dùng để truyền chùm quang sẽ được giải phóng ngay khi chùm quang truyền qua kết nối đó nên các chùm quang từ nguồn khác đến đích khác hoàn toàn có thể sử dụng băng thông của cùng bước sóng trên kết nối này. Kết quả này thể hiện sự sử dụng hiệu quả băng thông của OBS hơn so với WR đồng thời vẫn đáp ứng được các kết nối trong thời gian dài. Kỹ thuật này cũng giải quyết được các vấn đề về giới hạn kết nối trong các mạng định tuyến theo bước sóng, nơi mà số lượng quang tuyến có thể thiết lập được bị giới hạn bởi số bước sóng khả dụng. Hình 2.3 (a) Chuyển mạch gói quang (b) Chuyển mạch chùm quang [12] 31 Ngoài ra, do sự hạn chế của CB, OBS còn có độ thích nghi với tắc nghẽn hoặc lỗi kết nối cao hơn so với OPS và nó hỗ trợ định tuyến dựa trên mức ưu tiên như trong chuyển mạch gói quang. Tuy vậy, do OBS chuyển mạch các chùm quang với kích thước có thể lớn hơn rất nhiều lần so với các gói tin IP do đó tỷ lệ kích thước mào đầu so với dữ liệu được truyền là thấp hơn. Tóm lại, có ba điểm khác biệt chính giữa chuyển mạch chùm quang với chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói quang.: - Một chùm quang có tính chất cụm khi so sánh với các loại chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói - Chuyển mạch chùm quang chiếm giữ băng thông theo tiến trình một chiều, nghĩa là nó có thể gửi dữ liệu đi mà không cần chờ bản tin xác nhận chiếm giữ thành công. Tuy nhiên trong chuyển mạch kênh thì băng thông cho cuộc gọi cần phải được chiếm giữ cả hai chiều. - Trong chuyển mạch chùm quang, một chùm quang sẽ đi qua các nút trung gian mà không cần lưu trong bộ đệm, trong khi đối với chuyển mạch gói, các gói tin được lưu-và-chuyển tiếp (stored and forwarding) tại mỗi nút trung gian.[19] 2.2.3.3 Kỹ thuật chuyển mạch chùm quang Trong một mạng IP/WDM, một chùm quang được cấu trúc ở đầu switch/router có thể chứa nhiều gói tin IP với kích thước vài megabyte dữ liệu (ảnh có độ phân giải cao hoặc một đoạn video clip). Có ba kỹ thuật chuyển mạch chùm quang được mô tả ở trong phần này: - Kỹ thuật IBT(in-and-terminator): Trong kỹ thuật này, thông tin điều khiển (chứa địa chỉ nguồn và địa chỉ đích) được gửi đi như là mào đầu (với điều khiển trong băng) hoặc gói tin điều khiển (với điều khiển ngoài băng), tiếp theo là chùm 32 quang có chứa IBT để báo hiệu kết thúc chùm quang. Băng thông sẽ được dành riêng cho chùm quang ngay khi thông tin điều khiển được xử lý, và nó sẽ được giải phóng ngay khi IBT được phát hiện. Một trong những khó khăn của chuyển mạch chùm quang dựa trên IBT trong mạng quang là nhận dạng và xử lý IBT trong miền quang.[12] - Kỹ thuật TAG(Tell-And-Go): Kỹ thuật này gần giống với kỹ thuật chuyển mạch kênh nhanh. Nguyên tắc làm việc của nó như sau: Đầu tiên nút nguồn sẽ gửi đi một gói tin điều khiển nhằm chuẩn bị riêng băng thông và sau đó dữ liệu chùm quang tương ứng sẽ được truyền đi mà không cần phải chờ xác nhận bởi vì băng thông đã được dành riêng hoàn toàn cho kênh này. Sau đó nút nguồn có thể gửi đi một bản tin điều khiển khác nhằm giải phóng băng thông vừa được cấp riêng, hoặc nó sẽ gửi đi một bản tin làm mới (refresh packet) để tiếp tục duy trì băng thông. Băng thông sẽ tự động giải phóng trong trường hợp nó không nhận được một bản tin làm mới nào trong một khoảng thời gian nhất định.[22] - Kỹ thuật RFD(reserve-a-fixed-duration): Trong kỹ thuật này, việc đặt trước băng thông được đóng tại từng switch, băng thông được dành riêng trong một khoảng thời gian nhất định dựa theo từng gói tin điều khiển.[15] 2.2.3.4 Giao thức JET (Just Enough Time) Như chúng ta đã biết, kết nối được thiết lập dựa trên đặt trước từ hai phía dưới sự điều khiển phân tán trong các mạng điện thoại và mạng dữ liệu tốc độ cao. Phương pháp tương tự cũng có thể được sử dụng trong mạng quang. Tuy nhiên với tốc độ truyền 2.5 Gbps, một chùm quang có kích thước 500Kbytes có thể được gửi trong khoảng 1.6ms nhưng để nhận một ACK đến trong khoảng 500km thì mất khoảng 2.5ms. Điều này chứng tỏ rằng giao thức đặt trước một chiều sẽ hiệu quả hơn là giao thức hai chiều áp dụng với lưu lượng lớn truyền trên một khoảng cách tương đối xa. 33 Hình 2.4 Mô tả giao thức JET [27] Hình trên mô tả ý tưởng cơ bản của giao thức JET (Just-Enough-Time) áp dụng cho OBS. Đây là một dạng giao thức chiếm giữ một chiều[13][27]. Để thực hiện gửi đi một chùm quang dữ liệu (gồm rất nhiều gói tin IP), một chùm quang điều khiển (được coi như là một gói tin IP bình thường), hay còn gọi là gói tin điều khiển, được gửi đi từ nút nguồn đến nút đích để chiếm giữ một tuyến toàn quang. Một cách cụ thể hơn, mỗi nút tự chọn một bước sóng phù hợp trên kết nối của mình và để dành cho chùm quang dữ liệu tương ứng đến ngay sau đó, tạo nên chuyển mạch quang. Để đơn giản, ta giả sử rằng tổng thời gian xử lý của gói tin điều khiển tại mỗi nút là δ; trong khi đó, sau khi chùm quang dữ liệu chờ tại nguồn trong miền điện tử trong khoảng thời gian T0, nó sẽ được gửi đi dưới dạng tín hiệu quang mà không cần phải chờ đến khi nhận được ACK từ đích. Gọi L là số bước truyền trên tuyến thì T0 được chọn thấp nhất là (δ*L) để đảm bảo rằng mỗi nút có đủ thời gian để hoàn tất việc xử lý gói tin điều khiển trước khi chùm quang dữ liệu bắt đầu được truyền. Kết quả là ngay khi chùm quang dữ liệu được truyền đi, nó vượt qua tất cả các nút trung gian mà không cần phải sử dụng bộ đệm, bộ chuyển đổi quang-điện-quang hay một thực thể IP trung gian nào. 34 Trong bất kỳ một giao thức chiếm giữ một chiều nào đều có một vấn đề đặt ra, đó là tỷ lệ mất dữ liệu. Cụ thể là nếu một gói tin điều khiển không thể thiết lập được băng thông tại một nút trung gian, thì chùm quang dữ liệu tương ứng có thể bị bỏ qua và một ACK từ chối sẽ được gửi đến nguồn để có thể gửi lại chùm quang dữ liệu đã mất. Trong trường hợp này đoạn băng thông đã được thiết lập sẽ không được sử dụng và bị lãng phí. Để loại trừ khả năng băng thông bị lẵng phí này, một chùm quang cần phải được lưu trong bộ đệm điện tử (sau khi đã được đi qua bộ chuyển đổi quang-điện) và tiếp tục gửi đến đích của nó sau một khoảng thời gian nhất định. Người ta có thể sử dụng các FDL để cung cấp một số khoảng trễ tại các nút trung gian nhằm giảm thiểu nguy cơ trên.[13][27] Ngoài ra xác suất mất dữ liệu cũng có thể được giảm thiểu mà không cần sử dụng đến các đường trễ quang. Cụ thể hơn, ở đây một số chùm quang có thể được gán mức ưu tiên cao hơn bằng cách rất đơn giản là sử dụng thêm một khoảng trễ và do vậy đảm bảo xác suất truyền thành công sẽ tăng lên. Ngoài phương pháp báo hiệu JET ra còn có một số phương pháp báo hiệu khác trong mạng quang như là JIT (Just-In-Time) và TAW (Tell-And-Go).Các phương pháp này được giới thiệu trong [16][29]. 2. 3 TỔNG KẾT CHƯƠNG Trong chương này chúng ta đã giới thiệu về các kỹ thuật định tuyến và gán bước sóng cơ bản trong mạng WDM. Sau đó chúng ta đi tìm hiểu về các công nghệ chuyển mạch quang, đặc biệt là về công nghệ chuyển mạch chùm quang OBS. Đây là vấn đề sẽ liên quan đến phần nội dung chính của luận văn, tìm hiểu về chất lượng dịch vụ trong mạng IP/WDM sử dụng chuyển mạch chùm quang. Chương tiếp theo chúng ta sẽ nói đến sự tích hợp IP trên mạng WDM và các kỹ thuật liên quan. 35 Chương 3 TRUYỀN DẪN IP TRÊN MẠNG WDM 3.1 SỰ TÍCH HỢP IP VÀ MẠNG QUANG Ngày nay lưu lượng IP đã trở thành lưu lượng lấn át trên hầu hết các mạng viễn thông. Sự phát triển và sử dụng rộng rãi của các mạng TCP/IP ủy thác các mạng IP không chỉ đáp ứng được sự phát triển mong muốn theo số lượng mà nó còn thỏa mãn các khía cạnh khác của các mạng viễn thông truyền thống ví dụ như sự chọn lọc và các phương thức điều khiển làm nó thuận tiện trong hoạt động hoặc hiệu năng. Mặt khác, các mạng quang ngày càng được ứng dụng rộng rãi nhằm nâng cao băng thông, đáp ứng yêu cầu truyền thông ngày càng cao trên mạng. Do đó, để nâng cao năng lực của hệ thống, công nghệ mạng IP cần phải được tích hợp với một mạng quang chặt chẽ hơn. Để đạt được yêu cầu này, mạng quang cần phải linh hoạt, có khả năng tự cấu hình và có khả năng hỗ trợ các mô hình bảo vệ và khôi phục lỗi. 3.1.1 Khái niệm 3.1.1.1 Mô hình mạng quang Có rất nhiều phương pháp tích hợp IP trên mạng quang. Tuy nhiên, vấn đề đầu tiên cần phải được đề cập đến đó là một mạng quang chính xác là như thế nào. Chúng ta có thể định nghĩa mạng quang là một hệ thống truyền thông sử dụng các thiết bị quang và các kỹ thuật như là thực thể vận chuyển cơ bản được sử dụng rộng rãi trong các mạng SDH/SONET, WDM và các công nghệ kết nối quang như Ethernet quang tốc độ gigabit… Mục đích là làm cho mạng quang trở nên khác biệt với những mô hình mạng truyền thống như mạng điểm-điểm, mạng ring và mạng dạng lưới. 36 Hình 3.1 Mô hình mạng quang [36] Tổng quan thì mô hình mạng IP bao gồm rất nhiều bộ định tuyến IP tốc độ cao được kết nối với nhau bởi mạng lõi quang. Các bộ định tuyến này thường nằm ở biên của mạng quang. Như chúng ta có thể thấy ở hình 3.1, một mạng quang được kết nối bởi rất nhiều mạng khách hàng khác thông qua các giao diện người dùng (User Network Interface-UNI). Chú ý rằng các mạng khách hàngcó thể bao gồm các mạng IP và các dạng mạng khác, ví dụ như mạng STM. Hơn nữa, chúng ta vẫn có thể thấy rằng bản thân một mạng quang bao gồm rất nhiều mạng con quang được kết nối với nhau thông qua giao diện nút mạng (Network Node Interface –NNI). Mạng quang được coi là mạng vận chuyển dữ liệu người dùng. Mạng này là trong suốt đối với tốc độ và sự mã hóa của lưu lượng khách hàng. 3.1.1.2 Các vấn đề chính Vấn đề đầu tiên là làm thế nào để thích nghi và sử dụng các giao thức điều khiển IP trong sự điều khiển mạng quang. Trong trường hợp này “nó bao gồm thiết kế mới các giao thức báo hiệu và điều khiển hoặc trang bị thêm các giao thức điều khiển và báo hiệu IP hiện có để sử dụng cho mạng quang nhằm mục đích quản lý gắn kết các đầu, cung cấp và khôi phục các quang tuyến dọc theo các mạng quang. Vấn đề thứ hai đó chính là làm thế nào để vận chuyển lưu lượng IP trên mạng quang. Điều này bao 37 hàm một số vấn đề, tập trung vào căn chỉnh các tuyến từ một điểm đầu IP đến một điểm khác qua mạng quang và xác định khả năng đến của IP. 3.1.1.3 Mặt phẳng dữ liệu và mặt phẳng điều khiển Giả sử rằng mặt phẳng dữ liệu sẽ sử dụng mô hình phủ (overlay) trong đó mạng quang cung cấp các đường ống (pipe) để truyền dẫn dữ liệu IP. Thông qua các đường ống này, các gói tin IP có thể được vận chuyển và chúng không thể nhìn thấy các chuyển mạch quang từ góc độ gói tin. Đặc tính chính của mô hình phủ này là các chuyển mạch quang đều không nhận thức được các gói tin IP một các rời rạc. Chính vì vậy nó không thể xử lý từng gói tin IP rời rạc dựa vào phần đầu của bản tin được. Do đó, giải pháp đưa ra hiện nay chính là sử dụng các bộ OXC có thể điều khiển động trong hệ thống mạng. Với các bộ kết nối chéo quang OXC này, một tuyến quang sẽ được thiết lập trên mạng trước khi dữ liệu được truyền đi. Kết quả là lưu lượng IP sẽ được xử lý bằng cách đưa vào đường hầm quang từ cổng vào (ingress) của mạng quang và đi ra khỏi mạng từ đầu ra (egress port). Ngược lại với mặt phẳng dữ liệu, mặt phẳng điều khiển có thể nằm trong một số mô hình khác nhau. Giống như với mặt phẳng dữ liệu, chúng ta cũng có thể giả sử mặt phẳng dữ liệu sử dụng mô hình phủ, ngoài ra còn một số mô hình khác như mô hình đồng đẳng (peer-to-peer), mô hình mở rộng… [36] Trong một mạng quang, mặt phẳng điều khiển được sử dụng để phối hợp các giải thuật nhằm cung cấp các chức năng sau: - Giao thức báo hiệu dùng để thiết lập, duy trì và ngắt một kết nối. - Quy trình định tuyến nhằm điều khiển cấu trúc liên kết mạng, sử dụng tài nguyên, và tính toán tuyến truyền. - Sắp xếp hệ thống đặt tên và định địa chỉ. 38 - Giao thức báo hiệu dành cho truyền thông giữa thực thể yêu cầu dịch vụ và các thực thể cung cấp dịch vụ. 3.1.2 Kiến trúc và các mô hình định tuyến Như đã nói ở phần trên, theo quan điểm của kiến trúc mạng, mặc dù các mô hình mạng khác nhau về báo hiệu và kiến trúc điều khiển nhưng về cơ bản chúng có cùng mô hình truyền dữ liệu. Mặt phẳng dữ liệu IP trên mạng quang được thực hiện trên mạng che phủ của tuyến quang. Mặt khác, các bộ định tuyến IP và OXC có lại mối quan hệ đẳng cấp hoặc mối quan hệ dạng chủ-khách trong mặt phẳng điều khiển. Như trong hình 3.2a ta thấy thiết bị của người dùng truy xuất các dịch vụ thông qua một giao thức báo hiệu UNI định nghĩa tốt để yêu cầu hoặc giải phóng các kết nối điểm – điểm đã thực hiện qua mạng quang. Đây được gọi là mô hình che phủ (overlay model) do thiết bị người sử dụng không thể biết được cấu trúc bên trong của mạng quang[30]. Hình 3.2b trình bày mô hình đồng cấp trong đó thiết bị của người sử dụng hoàn toàn nắm được cấu trúc của mạng quang, tạo nên quan hệ đồng cấp giữa các OXC của mạng quang và thiết bị người sử dụng. Điều này dẫn đến kiến trúc IP trên mạng quang được định nghĩa một cách cơ bản bởi sự tổ chức của mặt phẳng điều khiển. Hình 3.2 Mối quan hệ giữa các bộ định tuyến IP và OXC trong mặt phẳng điều khiển (a) mô hình che phủ (overlay) (b) mô hình đồng cấp (peer) [36] 39 Từ hình 3.1 ở phần trước chúng ta có thể thấy rằng có hai loại giao diện chính trong mô hình mạng quang, giao diện NNI và giao diện UNI. Giao diện NNI là giao diện giữa hai mạng quang với nhau, còn giao diện UNI là giao diện giữa mạng khách hàng và mạng quang. Trong cả hai trường hợp, một phía của giao diện có thể coi như là bên đề xuất dịch vụ cho phía còn lại. Tùy thuộc vào các dạng dịch vụ và phương thức triệu gọi dịch vụ mà người ta có thể chia thành hai mô hình chính. Mô hình thứ nhất được gọi là mô hình dịch vụ miền và mô hình thứ hai là mô hình dịch vụ hợp nhất[36]. Hình 3.3 mô tả hai mô hình dịch vụ này. Sự khác biệt giữa hai mô hình ở chỗ một mô hình có thể định địa chỉ khác biệt hoàn toàn trong khi mô hình sau có chung không gian địa chỉ. Hình 3.3 (a) Mô hình dịch vụ miền (b) Mô hình dịch vụ hợp nhất[36] - Mô hình dịch vụ miền: Trong trường hợp này giao diện đưa ra một đề xuất rõ ràng về một bộ dịch vụ được định nghĩa tới người dùng. Các mặt phẳng điều khiển và định địa chỉ được coi là hoàn toàn tách biệt với những cái đang tồn tại trong mạng quang cũng như trong mạng khách hàng. Do đó, mỗi miền được coi như có báo hiệu và kiểu định địa chỉ riêng. Điều này được minh họa trong hình 3.3a bằng đường nét đứt bao quanh 40 các bộ định tuyến và OXC. Như chúng ta có thể thấy, các bộ định tuyến thực hiện giao thức điều khiển tầng IP truyền thống và/hoặc các giao thức điều khiển MLPS. Các OXC sử dụng quyền sở hữu hoặc các giao thức điều khiển/báo hiệu G-MPLS. Mô hình dịch vụ miền này được ánh xạ với một mặt phẳng điều khiển một cách dễ dàng thông qua các khái niệm mô hình che phủ. Hiểu như thông thường, nó coi các nút mạng khách hàng đó (ví dụ như các bộ định tuyến) sẽ sử dụng mạng lõi quang như là nền tảng và giao diện để thiết lập và duy trì các quang tuyến. - Mô hình dịch vụ hợp nhất: trong trường hợp này giao diện phải là liền mạch, không phân biệt IP và các mạng quang. Điều này có nghĩa là các OXC và các bộ định tuyến IP lưu ý như là ngang hàng với nhau và một mặt phẳng điều khiển tín hiệu hợp nhất sẽ cùng được sử dụng cho cả OXC và bộ định tuyến IP. Như trong hình 3.3b trình bày cách thức các bộ định tuyến IP và OXC đều có chức năng như là G-MPLS LSR và giao tiếp thông qua báo hiệu G-MPLS. Chú ý rằng theo quan điểm của báo hiệu và định tuyến, các bộ định tuyến IP và các OXC là hoàn toàn giống nhau. Hơn thế nữa, với cùng một mô hình dịch vụ, một không gian địa chỉ chung sẽ được sử dụng để xác định tất cả các bộ định tuyến và các OXC. Do vậy, không giống như trong hình 3.3a, các đường đứt đoạn trong hình 3.3b bao quanh cả bộ định tuyến IP và OXC.[36] 3.2 MẠNG IP/WDM Như chúng ta đã biết, khả năng truyền dẫn của sợi quang đã được tăng lên một cách đang kể, với khoảng 160 Gbps trong trường hợp là sợi quang DWDM. Sự thay đổi này sẽ dẫn đến rất nhiều thay đổi trong mạng viễn thông trong tương lai, không chỉ về hệ thống truyền dẫn mà cả về kiến trúc mạng. Vận chuyển các gói tin IP trực tiếp trên WDM có thể coi là một trong những sự thay đổi chính mà chúng ta mong muốn trên kiến trúc mạng. Với dung lượng cực lớn của các mạng WDM có thể cho phép tích hợp đầy đủ các công nghệ IP lên đó. Không có một chuẩn rõ ràng nào cho kiến trúc 41 IP/WDM hiện nay nhưng đã có rất nhiều đề xuất đã được xác nhận như là các phương pháp đúng đắn. 3.2.1 Các kiến trúc phân tầng Các kiến trúc phân tầng giao thức chính dành cho vận chuyển IP trên mạng WDM hiện nay là thông qua mạng ATM và SONET và đã được ứng dụng trong mạng WDM. Hơn nữa, sự vận chuyển trực tiếp IP trên mạng WDM đang được theo đuổi cho các hệ thống tương lai. Hình 3.4 thể hiện bốn mô hình phân tầng dành cho vận chuyển lưu lượng IP trên mạng quang. Như có thể thấy, có bốn mô hình phân lớp cơ bản dựa trên sự sử dụng của ATM và/hoặc SDH/SONET giữa tầng IP và các tầng vận chuyển quang WDM. Hình 3.4 Các mô hình vận chuyển IP trên WDM [36] Trong hình 3.4 (a-c) tầng ứng dụng quang có thể được xem như là tuân theo mô hình OTN (Optical Transport Network) khuyến nghị G872 của ITU, trong đó bao gồm cả OCH( optical change- Kênh quang), OMS (bộ phận hợp kênh quang – Optical Multiplex Section) và OTS (phần truyền dẫn quang – Optical Transmission Section). Tầng thích nghi quang, hay còn gọi là tầng quang, sẽ quản lý các vấn đề về thiết lập/ giải phóng kênh WDM và cung cấp sự bảo vệ giới hạn. Tầng vật lý thực hiện các chức năng như một bộ khuếch đại quang, chuyển mạch bước sóng, biến đỏi bước sóng, thêm/bớt các bước sóng và các bộ chuyển đổi E/O và O/E.[36] 42 - Kiến trúc IP/ATM/ SDM/ : Trong những kiến trúc này, các gói tin có thể được chuyển mạch tại lớp IP, lớp ATM, lớp SDH/SONET hoặc lớp WDM. Mô hình stack chồng này có khung mào đầu nhiều nhất và hướng đến bốn tầng quản lý. - IP/SDH/WDM: Cũng giống như trên, các gói tin được có thể được chuyển mạch tại lớp IP, hoặc lớp SDH/SONET hoặc lớp WDM. Điều này yêu cầu các phương pháp tạo khung của giao thức đẳng cấp (PPP-Point-to-Point protocol) hoặc SDL (Simple Data Link) để đưa các gói tin IP vào các khung SDH/SONET. Do vậy mô hình này có ba tầng quản lý. - IP/WDM: trong kiến trúc hai tầng này, chỉ các chức năng định tuyến/chuyển mạch của tầng IP cùng với OADM hoặc OXC được sử dụng để định tuyến hoặc chuyển mạch các gói tin. Sự đóng gói có thể thực hiện bằng cách sử dụng SDH/SONET, nhưng các kết nối chéo SDH/SONET hoặc WDM sẽ không được sử dụng. Có một số phương pháp tiếp cận mạng quang IP/WDM. Một trong số đó là phương pháp được mô tả trong hình 3.4c, dựa trên kỹ thuật truyền các gói tin IP trên các quang tuyến theo định nghĩa trong khuyến cáo G.782. Phương pháp này yêu cầu một số phương pháp tạo khung và khôi phục lỗi để thay thế các chức năng của SDH/SONET trong các mô hình khác. Một phương pháp khác trong hình 3.4d sử dụng MPLS trên mạng quang cũng như trên mạng IP. Mô hình này sử dụng chung các phương thức điều khiển mạng quang và mạng IP. Hơn nữa, các chức năng tạo khung, kiểm soát lỗi, phát hiện lỗi… sẽ được mang bởi mặt phẳng điều khiển MPLS. Chú ý rằng ở trong hình 3.4, chúng ta chỉ đề cập đến MPLS như là giao thức điều khiển cho hình 3.4d chứ không dành cho các mô hình 3.4(a-c). Điều này là bởi vì mặt phẳng điều khiển MPLS chỉ có thể được sử dụng trong mô hình này và không thể được sử dụng trong các trường khác. Ngược lại, trường hợp được mô tả trong hình 3.4d 43 được thiết kế với mục đích rõ ràng là sử dụng MPLS như là mặt phẳng điều khiển cho tầng IP và mạng quang.[10] 3.2.2 Một số vấn đề kỹ thuật Theo các phương pháp được trình bày ở phần trên, hiện nay xu hướng là xây dựng mạng quang để tập trung tầng IP và tầng WDM bằng cách loại bỏ một hoặc hai tầng khác trong chồng giao thức và cung cấp hỗ trợ đa giao thức (MPLS) hoặc đơn giản hóa kiến trúc mạng.[30] 3.2.2.1 Tương tác giữa hai tầng Trong một hệ thống mạng IP trên WDM, một kênh quang có thể kết nối hai bộ định tuyến IP bất kỳ và một tập các quang tuyến tạo nên một mô hình kết nối ảo được gọi là topo ảo. Một quang tuyến được thiết lập bằng cách căn chỉnh cả bộ phát tại nút nguồn và bộ thu tại nút đích có cùng một bước sóng phù hợp, và cấu hình các OXC trên tuyến truyền mà lưu lượng sẽ đi qua. Chú ý là sự tương tác giữa lớp quang và lớp điện tử (IP) là một trong những vấn đề chính bao gồm các chức năng như cung cấp băng thông, quản lý lỗi, giám sát hiệu năng … Hình 3.5: Tương tác giữa lớp quang và các lớp trên [36] 44 Cung cấp băng thông trong lớp quang liên quan đến vấn đề phức tạp là định tuyến và gán bước sóng (RWA), nó bao gồm tối thiểu hóa việc sử dụng tài nguyên mạng xét về sự hạn chế của chuyển đổi bước sóng, khả năng của chuyển mạch và liên kết ở tầng vật lý. Vấn đề càng trở nên phức tạp khi đề cập đến sự linh hoạt của lưu lượng IP. Khi cường độ lưu lượng giữa các nút thay đổi theo thời gian, hệ thống mạng sẽ cần phải được tối ưu lại bằng các phương pháp trực tuyến. Đây là sự kết hợp nhiều vấn đề bao gồm định tuyến IP, cấu hình lại topo-ảo và do vậy sẽ liên quan đến định tuyến lớp quang và gán bước sóng[3]. Để giải quyết những vấn đề này chúng ta cần các kỹ thuật tự động mà có thể tương tác với các giao thức IP ngày nay như là IPv4, IPv6, RSVP… Trong kiến trúc mạng đó, một sợi quang có sự cố sẽ gây nên lỗi cho tất cả các quang tuyến chạy qua nó. Do mỗi quang tuyến hoạt động với tốc độ lên đến hàng chục Gbps nên sự cố này có thể làm mất dữ liệu với khối lượng lớn, khả năng khôi phục mạng là một vấn đề quan trọng.[30] 3.2.2.2 Các vấn đề với IP/WDM Có một số yêu cầu thực tế cần phải được xử lý để có thể thực hiện vận chuyển IP trực tiếp qua mạng WDM: - Vấn đề đầu tiên là làm thế nào để đóng khung các gói tin IP mà cần được chuyển đi. Phương pháp đóng khung cần phải được kết nối trực tiếp với các phương pháp được sử dụng trong truyền dẫn và xử lý khung. - Vấn đề tiếp theo là xây dựng các chức năng điều khiển và quản lý một cách hiệu quả trên các tuyến có thiết bị SDH/SONET, bao gồm phát hiện lỗi, khôi phục và cung cấp sửa lỗi. - Sự trong suốt của mạng cũng là một vấn đề quan trọng khi mà cả các dịch vụ cũ và mới đều phải thường xuyên được hỗ trợ. 45 - Hỗ trợ đồng thời các mạng và phân phối thời gian có thể là các mục quan trọng nhất cần được hỗ trợ. - Ngoài ra, QoS là một vấn đề lớn vì nó được cho là sẽ được đưa vào tất cả các mạng trong tương lai và do đó cần phải được hỗ trợ một cách cơ bản. Chúng ta có thể xem xét các vấn đề IP/WDM từ hai ứng dụng khác nhau: một ứng dụng sử dụng trong các mạng IP/WDM khoảng cách xa và ứng dụng còn lại được sử trong mạng IP/WDM đô thị. Mặc dù cả hai ứng dụng này đều cố gắng để đạt mục đích chung là hỗ trợ IP/WDM nhưng yêu cầu và kiến trúc là khác nhau. Với trường hợp mạng IP/WDM khoảng cách xa, bởi vì giá thành của nền tảng mạng cho liên kết quang khoảng cách xa là rất cao dẫn đến giá thành của sợi quang và bước song cũng cao. Cụ thể là giá thành của mạng phần lớn nằm trong các thiết bị sợi quang. Do vậy, các thiết bị điện tử được sử dụng để ghép các tín hiệu nhằm tối thiểu hóa các yêu cầu với sợi quang. Như là một hệ quả, các bộ ghép kênh SDH/SONET có thể vẫn còn được sử dụng trong rất nhiều các liên kết WDM để nâng cao tốc độ dữ liệu. Trong trường hợp mạng IP/WDM đô thị, khoảng cách giữa các đầu kết nối thường ngắn, nằm trong khoảng 10-20km, và tốc độ giữa các chuyển mạch khoảng DS- 3 hoặc STM-1/OC-3. Với mạng này giao diện trực tiếp WDM xuất hiện một cách hạn chế ở các mức STM-4/OC-12 hiện nay và mức STM-1/OC-3 trong tương lai. IP/WDM có thể vẫn sử dụng SDH/SONET với mục đích tiết kiệm kinh phí hoặc để tương thích với các thiết bị đang có.[36] 3.3 CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH NHÃN ĐA GIAO THỨC (MPLS) 3.3.1 Giới thiệu Chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS-Multi-Protocol Label Switching) là một tập hợp các kỹ thuật chuyển tiếp hướng kết nối và các giao thức định tuyến Internet. Với MPLS, dữ liệu có thể được chuyển mạch qua một hệ thống phân tầng 46 định tuyến mà không cần các yêu cầu thỏa hiệp. Hơn thế nữa, nó cũng có thể liên kết một phạm vi rộng các nút chuyển tiếp với một nhãn, từ tất cả dữ liệu có đích qua một bộ định tuyến ra tới một luồng ứng dụng host-to-host. MPLS có sự phát triển mạnh mẽ từ yêu cầu sử dụng tốc độ cao của các công nghệ chuyển đổi nhãn đang có như ATM. Trong sự phát triển của MPLS thì các kỹ thuật chuyển mạch IP của Ipsilon, ARIS của IBM, TAG của Cisco và các kiến trúc định tuyến chuyển mạch của Toshiba là các kỹ thuật quan trọng nhất mang các chuyển mạch tốc độ cao ATM và các giao thức định tuyến IP lại với nhau. MPLS sử dụng các nhãn để chuyển tiếp các quyết định tại các nút mạng được gọi là bộ định tuyến chuyển mạch nhãn (LSR-Label-switching router). Trong MPLS, không gian của tất cả các tùy chọn chuyển tiếp có khả năng được chia thành các lớp tương đương chuyển tiếp(FEC-Forwarding Equivalence Class). Cụ thể là tất cả các gói tin đi đến một ngõ ra định sẵn và có cùng chất lượng dịch vụ sẽ có cùng FEC. Trong quá trình vận chuyển, đầu tiên các gói tin sẽ được dán nhãn tại ngõ vào dựa theo FEC của chúng. Sau đó mỗi nút trung gian sẽ sử dụng nhãn của các gói tin đến để xác định nút kế tiếp và thực hiện hoán đổi nhãn bằng cách thay thế nhãn ngõ vào bằng nhãn ngõ ra tương ứng. Như chúng ta đã biết, trong định tuyến IP (hop-by-hop, định tuyến gói tin dựa trên địa chỉ đích), hop kế tiếp và cổng ra của gói tin đến được xác định bằng cách tìm trên bảng chuyển tiếp giá trị tiền tố phù hợp dài nhất (longest-prefix-match), trong đó địa chỉ IP đích của gói tin được xem như là khóa cần tìm. Trong trường hợp đó, bảng này được thiết lập và duy trì bởi các giao thức định tuyến IP. Trong chuyển tiếp theo nhãn, phương pháp chuyển tiếp của từng gói tin hoàn toàn được xác định bởi một chỉ số tra cứu trong bảng chuyển mạch bằng cách sử dụng nhãn MPLS của gói tin là khóa cần tìm. Bảng chuyển mạch được nạp trước bằng nhãn hop kết tiếp duy nhất, cổng ra, hàng đợi, và qui tắc lập lịch cho toàn bộ nhãn MPLS hiện tại. Thông tin ánh xạ này được thiết lập và quản lý bởi bộ máy quản lý nhằm đáp ứng với các yêu cầu tạo 47 tuyến nhãn qua LSR từ bên ngoài, và chỉ được yêu cầu sửa đổi khi một nhãn mới cần được kích hoạt hoặc khi xóa bỏ một nhãn cũ. Bộ giao thức MPLS bao gồm một họ các giao thức. Các báo hiệu thực tế của thiết lập, ngắt kết nối và duy trì các LSP có thể được thực hiện bằng cách sử dụng các giao thức phân phối nhãn (LDP) hoặc qua giao thức chiếm dụng tài nguyên (RSVP) mở rộng. Trong khi đó, quá trình phổ biến của tôpô mạng và thông tin tài nguyên (cần thiết cho điều hành lưu lượng MPLS) được thực hiện như bình thường sử dụng giao thức cổng nội (IGP-Interior Gateway Protocol) cùng các mở rộng phù hợp với các bản tin quảng cáo trạng thái kênh truyền (LSA-Link State Advertisement) của nó. Cuối cùng, nhìn chung quản lý tài nguyên mạng được thực hiện dựa vào các giao thức CBR, sử dụng các thông tin được các giao thức IGP cải tiến cung cấp để xây dựng các tuyến LSP. CBR là dạng tổng quát hóa của định tuyến QoS, và giới thiệu một mức tự động dành cho lưu lượng mà đã thực hiện một cách có điều khiển trong khoảng thời gian dài.[12] MPLS cung cấp phương pháp định tuyến dựa vào cưỡng ép. Nút đầu vào có thể thiết lập và hiển thị tuyến qua mạng. MPLS cho phép tuyến hiển thị được vận chuyển chỉ khi đường dẫn chuyển mạch nhãn (LSP) được thiết lập. Các chuỗi gói tin đi theo đường dẫn này được chuyển tiếp thông qua các nhãn gói tin. Phương pháp định tuyến này có độ khả dụng cao trong kỹ thuật lưu lượng.[19] 3.3.2 Các kỹ thuật MPLS Sự phát triển nền tảng MPLS đã mở ra nhiều chiến lược tích hợp cho các mạng vận chuyển IP và các lớp liên kết. Đặc tính tổng quát của kiến trúc này làm cho nó có thể ứng dụng như cơ sở cung cấp nền tảng cơ bản cho rất nhiều công nghệ mạng dữ liệu. Ví dụ, MPLS ứng dụng trong các công nghệ liên kết lớp (ATM, frame relay…) mặc dù không thể mô tả hoặc xử lý các gói tin IP nhưng nó có thể thực hiện một số các hoạt động xử lý nhãn. Hiện nay, chuyển mạch lamda đa giao thức (MPλS) đã coi các 48 kết nối chéo quang (các bộ định tuyến bước sóng) như là các LSR và các bước sóng như các nhãn để cung cấp các đường dẫn định tuyến dựa bước sóng. Hình 3.6 mô tả mối quan hệ tương tác giữa MPLS và MPλS. (Chi tiết trong [20][13][16]) Hình 3.6 Tương tác giữa mạng MPLS và MPLambdaS[36] 3.3.2.1 Mạng IP/MPLS định tuyến theo bước sóng Hình 3.7 Mô hình mạng IP/MPLS/MPLambdaS định tuyến theo bước sóng[23] 49 Như đã giới thiệu trong phần 2.2.1, định tuyến bước sóng là một dạng của chuyển mạch kênh quang, trong đó một kênh quang được thiết lập riêng khi có yêu cầu. Kết nối này được gọi là quang tuyến, nó bao gồm các cấp phát giống nhau trên mỗi liên kết dọc theo hướng truyền. Quang tuyến này có thể bao gồm nhiều bước sóng khác nhau nếu như trong mạng có các bộ chuyển đổi bước sóng. Thường thì gần như là không có yêu cầu về định dạng và tốc độ bit đối với dữ liệu truyền trên quang tuyến. Mạng định tuyến bước sóng bao gồm các bộ chuyển mạch kênh quang có thể được sử dụng để kết nối các bộ chuyển mạch IP trục chính (như hình 3.7). Chuyển mạch lamda đa giao thức được sử dụng để thiết lập các quang tuyến giữa cổng vào (ingress) và một bộ định tuyến IP cổng ra (egress). Với MPLS, môt OXC cung cấp các quang tuyến bằng cách thiết lập mối quan hệ giữa cổng vào cùng bước sóng vào và cổng ra cùng bước sóng ra. Các gói tin IP được chuyển tiếp bởi các bộ định tuyến thông thường cho đến khi nó đến được một bộ định tuyến trục chính cổng vào. Dựa vào địa chỉ đích của các gói tin này mà chúng được bộ định tuyến IP cổng vào gửi đi trên một bước sóng phù hợp tới bộ định tuyến đầu ra qua mạng trục chính toàn quang bao gồm các OXC. Từ bộ định tuyến IP lối ra, các gói tin IP tiếp tục được các bộ định tuyến thông thường chuyển tiếp cho đến khi nó đến được địa chỉ đích. Các khái niệm của chuyển mạch nhãn đa giao thức có thể được mở rộng cho mạng vận chuyển quang (gọi là MPLambdaS). Với MPLambdaS, ý tưởng cơ bản là sử dụng các kênh bước sóng như là các nhãn và thiết lập các tuyến đường phù hợp trong mạng. Các tuyến quang này cho phép chuyển mạch nhanh dữ liệu mà không cần yêu cầu các bước xử lý định tuyến phức tạp dọc theo tuyến.[23] 3.3.2.2 Kết nối chéo quang hỗ trợ OBS và MPLS Chúng ta hãy hình dung một mạng IP hoạt động trên mạng đường trục quang sử dụng OBS như là kỹ thuật truyền dẫn như mô tả trong hình 3.8. Các gói tin IP đến được tập hợp lại thành các chùm quang dữ liệu tại bộ định tuyến IP đầu vào và sau đó 50 được vận chuyển dọc theo mạng lõi quang tới bộ định tuyến IP lối ra. Mạng trục chính quang này có thể không sử dụng bộ đệm hoặc sử dụng rất giới hạn (dùng các đường trễ quang FDL) tại các điểm kết nối chéo quang. Ở trong phần này chúng ta sẽ cùng xem xét các kỹ thuật dạng MPLS được sử dụng cùng với OBS như thế nào để chuyển tiếp các chùm quang dữ liệu qua mạng lõi quang. Sau đó chúng ta mô tả các vấn đề thiết kế tại lớp OBS-MAC và các chức năng tại điểm kết nối chéo quang. Hình 3.8 Truyền dẫn trục chính IP/ OBS WDM dùng MPLS[35] 3.3.2.2.1 OBS sử dụng MPLS Như chúng ta đã đề cập đến một số vấn đề của MPLS trong phần 3.3.1, ta có thể thấy rằng MPLS có thể đảm nhận một vai trò quan trọng trong kỹ thuật lưu lượng và nâng cao hiệu năng thông lượng của một mạng dựa OBS, như mô tả trong hình 3.9. Mỗi điểm kết nối chéo trong mạng trục chính quang sẽ có thông tin trao đổi nhãn về các tuyến được tính toán trước có chứa trong cơ sở thông tin nhãn (LIB) của nó. Một LIB có thể được thiết lập sử dụng các kỹ thuật tiêu chuẩn ví dụ như các kỹ thuật định tuyến cùng kỹ thuật lưu lượng mở rộng để phân phối thông tin về miền quang (băng thông cho từng bước sóng, số bước sóng trên một sợi quang…) và giao thức phân phối nhãn định tuyến dựa trên sự ép buộc(CR-LDP) hoặc giao thức chiếm dụng tài nguyên 51 (RVSP) để phân phối nhãn. Mỗi khi bộ định tuyến đầu vào có chùm quang dữ liệu cần truyền, nó sẽ tham chiếu đến LIB của nó để xác định nhãn tương ứng. Nhãn này bao gồm cả gói tin điều khiển đến trước chùm quang dữ liệu. Khi gói tin điều khiển đến bất kỳ một nút trung gian nào, các hoạt động sau sẽ được thực hiện: - Nhãn trong gói tin điều khiển được sử dụng để trỏ đến chùm quang dữ liệu chuyển tiếp thông tin trong LIB ví dụ như giao diện đầu ra và mức ưu tiên hoặc thông tin QoS. Hình 3.9 Mô hình chức năng tại OXC hỗ trợ OBS và MPLS[35] - Điểm kết nối chéo được thiết lập để chuyển mạch chùm quang dữ liệu tương ứng với gói tin điều khiển trong toàn miền quang. Để thực hiện điều này, thông tin trong gói tin điều khiển về độ dài và offset của chùm quang dữ liệu được sử dụng để chuyển tiếp thông tin lấy từ LIB. Trong trường hợp này, thông tin offset được sử dụng để xác định sự ánh xạ từ sợ quang đến và bước sóng tới bước sóng của sợi quang đầu ra. Để có thể chuyển tiếp các chùm quang dữ liệu liên tiếp đến từ cùng một kết nối trên các bước sóng khác nhau trong một sợi quang cho trước, chúng ta giả sử rằng nhãn chỉ xác định ánh xạ tư sợi quang đầu vào tới sợi quang đầu ra, trong khi đó thông tin về bước sóng được gắn thêm vào nhãn đầu ra tại tất cả các nút. LIB cũng có thể cung cấp các thông tin QoS khác. Ví dụ như định rõ danh sách các bước sóng có thể sử dụng trên sợi quang đầu ra, 52 xác định tính phù hợp của chùm quang dữ liệu để sử dụng bộ chuyển đổi bước sóng, chỉ rõ khi nào thì gói tin điều khiển được phép giành quyền ưu tiên đã cấp cho một dữ liệu để gán cho một chùm quang dữ liệu có mức ưu tiên thấp hơn … - Sau đó gói tin điều khiển chịu sự thay đổi thông tin nhãn (và gắn thêm thông tin bước sóng) và được chuyển tiếp trên kênh điều khiển dành riêng của sợi quang đầu ra như chỉ định bởi LIB. Sơ đồ chức năng của một kết nối chéo quang hỗ trợ OBS và sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp dạng MPLS được mô tả trong hình 3.9. 3.3.2.2.2 Lớp OBS-MAC Lớp MAC được sử dụng để thực hiện các chức năng nằm giữa lớp IP và lớp quang. Mục đích là lớp quang sử dụng OBS xuất hiện dưới lớp IP như là một phương tiện truyền dẫn đáng tin cậy và đảm bảo xác suất chặn chùm quang dữ liệu thấp. Hình 3.10 thể hiện các khối chức năng cần thiết của lớp OBS MAC. Các chức năng chính của lớp OBS MAC được thực hiện tại bộ chuyển mạch đầu vào như sau: Hình 3.10 Giao diện MAC giữa IP và các lớp OBS WDM[35] 53 - Kết hợp các gói tin IP thành các chùm quang. - Khi một chùm quang nằm ở đầu hàng đợi, xác định giá trị trễ (offset) được sử dụng cho chùm quang đó và tạo một gói tin điều khiển chứa thông tin về offset, độ dài của chùm quang và thông tin định tuyến (nhãn). - Tạo khung cho chùm quang sau khi thời gian trễ trôi qua và gửi chùm quang vào lớp quang. Tại bộ chuyển mạch đầu ra, lớp OBS-MAC thực hiện thao tác tách khung các chùm quang và sau đó tách lấy các gói tin IP từ các chùm quang này. Vấn đề quan trọng trong thiết kế OBS-MAC là xác định khoảng trễ giữa gói tin điều khiển và chùm quang dữ liệu tương ứng. Tất nhiên giá trị này phải đủ lớn để gói tin điều khiển có thể được xử lý tại các điểm kết nối chéo quang trong LSP để tối thiểu hóa hoặc loại bỏ sự sử dụng bộ đệm quang. Hơn thế nữa, thuật toán xác định độ trễ có thể được phát triển để giảm thiểu sự xung đột giữa các chùm quang dữ liệu đến từ các bộ định tuyến đầu vào khác nhau tại một nút trong lớp quang. Hiệu quả của một kỹ thuật thiết lập độ trễ điển hình có thể được đánh giá dựa vào xác suất chặn chùm quang. Ở phần 2.2.3.3 chúng ta đã đề cập đến một giao thức thiết lập độ trễ được sử dụng trong mạng OBS, đó là giao thức JET (just- enough-time). Về vấn đề chất lượng dịch vụ, [13] đưa ra giải pháp gán thời gian offset dài hơn cho các chùm quang có độ ưu tiên cao. 3.4 TỔNG KẾT CHƯƠNG Trong chương này chúng ta đã đề cập đến việc tích hợp IP trên WDM, công nghệ truyền dẫn IP trên WDM và một số vấn đề nảy sinh. Sau đó chương này cũng đã giới thiệu công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS và sự tích hợp của nó trên mạng WDM. 54 Chương 4 CHẤT LƯỢNG DICH VỤ TRONG MẠNG IP TRÊN WDM 4.1 GIỚI THIỆU Một trong những vấn đề lớn cần phải được đặt ra đối với mạng Internet quang thế hệ kế tiếp đó là làm thế nào để hỗ trợ chất lượng dịch vụ (QoS) tại lớp WDM. Điều này bởi vì mạng IP hiện tại chỉ hỗ trợ dịch vụ tốt nhất (best effort service) trong khi các ứng dụng thời gian thực và các ứng dụng đặc biệt lại đòi hỏi chất lượng dịch vụ cao (độ trễ thấp, xác suất mất gói tin thấp, nhiễu thấp…) Hỗ trợ các chức năng QoS cơ bản tại mức WDM sẽ giúp thuận tiện hơn cho việc nâng cao QoS cho mạng IP. Hơn thế nữa, nó rất cần thiết không chỉ cho vận chuyển lưu lượng ở mức WDM, ví dụ thông tin báo hiệu và các mục đích bảo vệ/ khôi phục tín hiệu luôn có mức ưu tiên cao hơn các lưu lượng thông thường, mà nó còn hỗ trợ một cách trực tiếp hoặc hỗ trợ gián tiếp các ứng dụng thông qua những giao thức kế thừa hoặc giao thức mới không có khả năng hỗ trợ QoS. Như ta đã nói trong phần đầu, có rất nhiều vấn đề còn tồn tại trong quá trình thực hiện QoS trong mạng WDM. Ví dụ như chưa có hệ thống QoS để đưa vào báo cáo các thuộc tính duy nhất của mạng WDM. Cụ thể hơn, các mô hình QoS hiện tại đều dựa trên chuyển mạch gói và ủy thác cho bộ đệm để phân tách các lớp lưu lượng khác nhau, gọi là mô hình QoS dựa trên bộ đệm (buffer-based). Trong mô hình này, mức độ phức tạp của các thuật toán lập lịch (scheduling algorithms) luôn luôn cao. Ngoài ra, do sự thiếu thốn của bộ nhớ quang hiện nay, phải sử dụng bộ nhớ điện tử cùng với các bộ chuyển đổi quang-điện tại các chuyển mạch quang là một trong những nhược điểm của hệ thống. Mặc dù hiện tại các đường trễ quang (FDL) đã được sử dụng để thay thế các bộ chuyển đổi này nhưng nó không thể cung cấp đầy đủ các khả năng của bộ đệm theo yêu cầu của các phương pháp QoS truyền thống. 55 Trong chương này chúng ta cùng tìm hiểu các phương pháp cung cấp QoS trong mạng WDM, đặc biệt là trong mạng chuyển mạch chùm quang (OBS). Đây là mạng mới ra đời nhưng có mô hình hứa hẹn sẽ là sự kết hợp các ưu điểm của mạng định tuyến theo bước sóng và chuyển mạch gói quang nhằm mục đích làm cho sự tích hợp IP trên WDM được thuận tiện hơn. Chương này được chia làm ba phần. Đầu tiên chúng ta sẽ tập trung tìm hiểu giao thức báo hiệu (chiếm giữ) có hỗ trợ QoS. Sau đó là phần giới thiệu các thuật toán lập kế hoạch trong mạng các chuyển mạch lõi. Trong phần này chúng ta cũng nghiên cứu sơ đồ QoS được gọi là mô hình dựa trên thời gian trễ sau đó đánh giá nó với các hệ thống có bổ xung đường FDL. Cuối cùng chúng ta sẽ cùng nghiên cứu về các ảnh hưởng của các đường FDL giới hạn trên các kết quả thực hiện QoS của mạng WDM chuyển mạch chùm quang. 4.2 GIAO THỨC BÁO HIỆU HỖ TRỢ QOS Như đã đề cập trong phần 2.2.3.3, giao thức JET được cài đặt trong mạng OBS để phân chia cách thức truyền dẫn chùm quang (burst) điều khiển và chùm quang dữ liệu. Sau khi chùm quang điều khiển được gửi đi, nó sẽ thực hiện truyền chùm quang dữ liệu đi sau khi chờ một khoảng thời gian tối thiểu là (δ*L) , trong đó δ là tổng thời gian cần để xử lý gói tin điều khiển tại từng nút và L là số nút trên tuyến từ nguồn đến vị trí đích, để đảm bảo mỗi nút có đủ thời gian để xử lý chùm quang điều khiển. Tuy nhiên giao thức này lại bỏ qua mức độ ưu tiên của các dịch vụ, hay nói cách khác là nó không có phân lớp. Do đó JET không thể ứng dụng trong mạng OBS có cung cấp QoS. Trong phần này chúng ta sẽ đề cập đến một giao thức mới hỗ trợ chất lượng dịch vụ trong mạng chuyển mạch chùm quang. Giao thức này dựa trên giao thức JET và được gọi là giao thức JET dành ưu tiên (PJET) [31]. Giao thức này sử dụng thời gian trễ như là một cách để phân biệt các lớp dữ liệu trong mạng quang không sử dụng bộ đệm (và không dùng FDL). Một vài chùm quang có thể được gán mức ưu tiên cao hơn bằng cách tăng thời gian trễ và do đó được đảm bảo xác suất bị chặn sẽ thấp hơn. 56 Gói tin điều khiển tương ứng có thể chiếm giữ băng thông lâu hơn các gói khác, do vậy xác suất truyền thành công là cao hơn. Giả sử ta có hai lớp dịch vụ, lớp 0 là lớp đáp ứng tốt nhất (best effort) và lớp 1 là lớp độ ưu tiên cao (high priority). Để lớp 1 có mức ưu tiên cao hơn trong việc chiếm giữ băng thông, lớp này sẽ được gán thêm một khoảng thời gian trễ toffset . Giá trị này là một hằng số và lớn hơn nhiều so với thời gian trể ban đầu T0. Nó còn cần phải lớn hơn độ dài lớn nhất của các chùm quang thuộc lớp 0. Với thời gian trễ như vậy, xác suất bị chặn của các chùm quang thuộc lớp 1 trở nên không phụ thuộc với tải xuất hiện trong lớp 0. Tải xuất hiện ở cả hai lớp sẽ xác định xác suất chặn của lớp 0. Hình 4.1 trình bày lý do tại sao yêu cầu lớp 1 được gán toffset thì nhận được mức ưu tiên cao hơn so với yêu cầu của lớp 0. Gọi tai và tsi lần lượt là thời gian đến và thời gian bắt đầu dịch vụ cho yêu cầu của lớp i (biểu thị bằng req(i)), với i = 0 và 1 như trong ví dụ của chúng ta, và gọi li là chùm quang được yêu cầu bởi lớp i. Chúng ta hãy đề cập đến hai trường hợp sau với khả năng xảy ra xung đột giữa hai lớp là có thể xảy ra. Trường hợp thứ nhất được mô tả trong hình 4.1a, req(1) đến và chiếm giữ băng thông trước, sau đó req(0) mới đến. Rõ ràng là req(1) sẽ được truyền thành công nhưng req(0) sẽ bị chặn nếu ta0 ts1 hoặc nếu ta0 < ts1 + l1. Hình 4.1 Thời gian trễ cho dịch vụ được bảo đảm [2] 57 Trong trường hợp thứ hai, req(0) đến trước, sau đó là req(1) như trong hình 4.1b. Ta có thể thấy rằng chừng nào mà toffset của lớp 1 còn lớn hơn độ dài tối đa của chùm quang thuộc lớp 0 thì bất kỳ yêu cầu từ lớp 1 có thể tránh khỏi bị chặn bởi yêu cầu từ lớp 0. 4.3 CÁC GIẢI THUẬT LẬP LỊCH TRONG MẠNG OBS Trong mạng OBS, khi một chùm quang điều khiển đi đến một nút thì một thuật toán lập lịch sẽ được sử dụng để gán kênh bước sóng trên một liên kết đầu ra cho chùm quang mang dữ liệu tương ứng. Thông tin cần thiết cho bộ lập lịch bao gồm thời gian đến và khoảng độ dài của chùm quang dữ liệu sẽ được lấy ra từ chùm quang mang thông tin điều khiển. Bộ lập lịch kiểm soát độ khả dụng của các khe thời gian trên tất cả các kênh bước sóng. Ta giả sử rằng tại mỗi nút đều có các đường trễ quang FDL (Fiber Delay Line), trong trường hợp cần thiết thì bộ lập lịch có thể lựa chọn một hoặc nhiều FDL để làm trễ chùm quang dữ liệu đến. Một kênh bước sóng được gọi là chưa được lập lịch tại thời điểm t khi không có chùm quang dữ liệu nào sử dụng kênh đó tại hoặc sau thời điểm t. Một kênh được gọi là không sử dụng trong khoảng thời gian trống giữa các chùm quang liên tiếp và sau chùm quang cuối cung được gán cho kênh. Như chúng ta đã biết, có một số vấn đề ảnh hưởng đến hiệu quả của bộ lập lịch OBS. Đầu tiên nó phải lựa chọn các kênh bước sóng và các đường trễ quang FDL một cách hiệu quả nhằm giảm xác suất chặn chùm quang đến. Hơn nữa, nó phải đủ đơn giản để có thể điều khiển được một số lượng lớn các chùm quang mang dữ liệu trong một môi trường có tốc độ rất cao. Thêm nữa nó phải không bị rơi vào tình trạng chùm quang dữ liệu đến sớm, tức là chùm quang dữ liệu đến trước khi chùm quang điều khiển được xử lý. 4.3.1 Mạng WDM chuyển mạch chùm quang và sự lập lịch Trong phần này chúng ta sẽ nói về nguyên lý và mục đích của thuật toán lập lịch trong mạng WDM chuyển mạch chùm quang. 58 Mạng WDM chuyển mạch chùm quang là mạng truyền dẫn bao gồm các bộ định tuyến biên (edge router) và các bộ định tuyến lõi (core router). Bộ định tuyến biên nằm ở biên của mạng, nó có thể đóng vai trò như là một bộ định tuyến biên đầu vào và bộ định tuyến biên đầu ra. Một bộ định tuyến biên đầu vào bao gồm một tập hợp các kênh, mỗi kênh sử dụng một bước sóng khác nhau. Bộ định tuyến lõi là một nút trung gian trên tuyến truyền giữa hai bộ định tuyến biên. Nó bao gồm một tập các liên kết quang đầu vào và một tập các liên kết quang đầu ra. Trong mỗi liên kết quang đầu vào/ra đều chứa nhiều kênh và mỗi kênh sử dụng một bước sóng riêng rẽ. Các kênh trong một liên kết quang được chia làm hai nhóm: nhóm kênh dữ liệu (DC-Data Channel) và nhóm kênh điều khiển (CC-Control Channel). Kênh dữ liệu được sử dụng để mang các chùm quang dữ liệu(DB-Data Burst) còn kênh điều khiển mang các gói tin tiêu đề chùm quang (BHP-Burst Header Packets) và các gói tin điều khiển khác. Như đã đề cập đến trong phần trước, các gói tin IP đến từ đầu vào của một bộ định tuyến biên lối vào được tập hợp lại thành các chùm dựa theo địa chỉ bộ định tuyến biên lối ra và các thông tin khác. Mỗi chùm quang mang dữ liệu được truyền đi trong miền quang trong suốt. Chú ý rằng sự truyền dẫn của các DB và BHP là riêng rẽ với nhau. Mỗi BHP đều chứa các thông tin định tuyến, dạng lớp, thời gian offset và độ dài của chùm quang dữ liệu tương ứng; BHP được gửi đi trước DB bằng cách thêm vào một lượng thời gian offset nhất định. Tại mỗi bộ định tuyến lõi trên tuyến truyền hướng đến bộ định tuyến biên lối ra đích, mỗi BHP được xử lý bằng điện tử để cấu hình bộ chuyển mạch quang sao cho các DB được truyền theo tuyến mà không cần phải qua xử lý chuyển đổi điện-quang và quang-điện. Trong khi giá trị ban đầu được thiết lập bởi bộ định tuyến biên đầu vào thì giá trị offset có thể thay đổi trên từng hop. Chùm quang dữ liệu nhận được tại bộ định tuyến biên lối ra (đích) được tách thành các gói tin. Hình 4.2 mô tả cấu trúc của một bộ định tuyến lõi OBS tiêu biểu. BHP và DB của một chùm quang đi qua các tuyến sử dụng các kênh khác nhau trong bộ định tuyến . BHP được xử lý bởi một đơn vị điều khiển chuyển mạch (SCU) quang hoặc điện tử. 59 Chức năng chính của một SCU bao gồm xử lý BHP, tìm kiếm trên bảng định tuyến để xác định kết nối đầu ra cho các DB, lập lịch cho DB tại kênh đầu ra, thiết lập ma trận chuyển mạch kênh để cung cấp các đường dẫn từ đầu vào đến đầu ra cho các DB, quản lý các bộ đệm FDL giới hạn nhằm tránh xảy ra xung đột, chuyển mạch các BHP đến các kênh điều khiển và cuối cùng là tái tạo các BHP.[24] Hình 4.2 Kiến trúc nút lõi (core node) trong mạng OBS [24] Lập lịch kênh dữ liệu là một trong những chức năng quan trọng nhất của SCU. Ngoại trừ các trường hợp đặc biệt thì các giả thiết sau được áp dụng cho lập lịch kênh dữ liệu trong một bộ định tuyến lõi: - Mỗi liên kết đều có k kênh ch1, ch2,.., chk và một kênh điều khiển. Giả thiết này nhằm đơn giản hóa sự trình bày của chúng ta. Tuy nhiên, trong thực tế thì mỗi liên kết có thể có số lượng kênh khác nhau. - Mỗi liên kết đầu ra đều được trang bị một bộ lập lịch chịu trách nhiệm lập lịch cho các DB được chuyển đến liên kết này. - Các BHP được lập lịch theo thứ tự chúng nhận được tại bộ lập lịch của liên kết đó. Để đơn giản hóa, chúng ta giả sử nó tuân theo thứ tự tuyến tính. 60 - BHPi bao gồm: o trường offset di định rõ khoảng thời gian giữa thời điểm truyền BHPi và DBi. o trường độ dài lengthi định rõ độ dài của DBi. Giả sử rằng lengthi được xác định theo đơn vị thời gian. - Hình 4.3 Mối quan hệ giữa thời gian đến của BHPi và DBi[24] - Mỗi DBi được làm trễ bằng cách cho đi vào các đường trễ quang FDL trong một khoảng thời gian cố định D trước khi đi vào ma trận chuyển mạch. Khoảng thời gian trễ này cần thiết để bù cho thời gian các BHP được xử lý và chuyển mạch DB. - Các FDL khép kín hỗ trợ một tập SL và q khoảng thời gian trễ FDL khả dụng. SL={L1,L2,…,Lq} để bộ lập lịch có thể lựa chọn cho các DB trước khi đi qua ma trận chuyển mạch. Như mô tả trong hình 4.3, tins(BHPi) biểu thị thời điểm tại đó slot đầu tiên của BHPi nhận được, và tins(DBi) và tine(DBi) biểu thị thời gian nhận của slot đầu tiên và cuối cùng của DBi. 61 Ta có thể thấy ݐ௦௜௡(DBi) = ݐ௦௜௡((BHPi) + di và ݐ௘௜௡((DBi)= ݐ௦௜௡((DBi) + length(DBi) Hơn nữa, cho ݐ௦௢௨௧((DBi) và ݐ௘௢௨௧((DBi) là thời gian truyền của slot đầu tiên và cuối cùng của DBi qua một kênh đầu ra. Do vậy, ݐ௦௢௨௧(DBi)=ݐ௦௜௡(BHPi)+ di + D + Lri và ݐ௘௢௨௧(DBi)= ݐ௦௢௨௧(DBi) + length(DBi) + D + Lri Trong đó Lri là thời gian trễ đầu ra được chọn từ tập SL = SL ∪ {L0}, với L0 = 0. Ta sử dụng [ݐ௦௢௨௧(DBi), ݐ௘௢௨௧(DBi)] để chỉ khoảng thời gian truyền dẫn của DBi tại một nút. Xung đột xảy ra giữa DBi và DBj nếu như chúng cùng được truyền trên một kênh đầu ra và [ݐ௦௢௨௧(DBi), ݐ௘௢௨௧(DBi)]∩[ݐ௦௢௨௧(DBj), ݐ௘௢௨௧(DBj)] ≠0. Dựa vào ݐ௦௜௡(BHPi), di,và length(DBi) với i = 1,2,3… , trên cùng một đường liên kết, mục đích của lập lịch kênh là gán mỗi DB cho một kênh đầu ra Chu, với 1 ≤ u ≤ k, và lựa chọn một khoảng thời gian trễ Lri từ SL cho DBi sao cho DBi và DBj (i≠j)sẽ không bị xung đột với nhau. Kỹ thuật gán kênh này được gọi là lập lịch không xung đột (conflict-free schedule). Khoảng thời gian lập lịch (thời gian đưa ra quyết định) cho mỗi cặp (BHPi, DBi) không được vượt quá thời gian ngưỡng cho phép. Do các giới hạn thời gian thực, sự hạn chế hiểu biết về các chùm quang trong tương lai, và sự cân bằng giữa các yếu tố giá thành/hiệu quả mà có thể không phải lúc nào cũng tìm được một phương thức lập lịch không xung đột cho tất cả các DB. Do đó chúng ta đi theo một hướng khác: tìm một kỹ thuật lập lịch không xung đột cho tập lớn nhất các DB trong khoảng thời gian nhỏ nhất. Các DB mà không được lập lịch thành công được coi như là bị chặn. 62 4.3.2 Các thuật toán lập lịch kênh bước sóng Trong phần này chúng ta sẽ tìm hiểu một số thuật toán lập lịch kênh đã được trình bày trong [2]. 4.3.2.1 Thuật toán kênh chưa lập lịch phù hợp đầu tiên (FFUC First Fit Unscheduled Channel) Với mỗi kênh bước sóng đầu ra, thuật toán FFUC kiểm soát thời gian chưa lập lịch. Mỗi khi có một chùm quang dữ liệu đến, thuật toán này sẽ tìm kiếm tất cả các kênh bước sóng theo thứ tự cố định và cấp phát chùm quang dữ liệu này cho kênh đầu tiên có thời gian chưa lập lịch nhỏ hơn thời gian đến của chùm quang dữ liệu. Ưu điểm chính của thuật toán này là việc tính toán rất đơn giản. Tuy nhiên, nhược điểm của nó là có xác suất chùm quang bị chặn cao do thuật toán này không tính toán được các khoảng trống giữa các chùm quang đã lập lịch. 4.3.2.2 Thuật toán kênh chưa lập lịch khả dụng cuối cùng (LAUC Latest Available Unscheduled Channel) Ý tưởng chính của LAUC là tăng độ khả dụng của các kênh bằng cách giảm thiểu các khoảng trống được tạo giữa các chùm quang. Điều này có thể đạt được bằng cách lựa chọn kênh dữ liệu chưa lập lịch khả dụng cuối cùng cho mỗi chùm quang dữ liệu đến. Lấy ví dụ, trong hình 4.4 bước sóng 1 và 2 đều không có lịch tại thời điểm ta, và bước sóng 1 sẽ được lựa chọn để mang chùm quang dữ liệu đến tại thời điểm ta. Trong trường hợp này, khoảng trống trên bước sóng 1 sẽ nhỏ hơn khoảng trống có thể được tạo ra nếu như bước sóng 2 được lựa chọn. Do đó thuật toán LAUC có hiệu quả hơn thuật toán FFUC bởi vì nó không chèn thêm bất kỳ sự tính toán nào vào mào đầu (overhead). Tuy nhiên, bởi vì nó cũng không có sự cải tiến nào về mặt các khoảng trống giữa các chùm quang như trường hợp của thuật toán FFUC nên thuật toán này cũng có xác suất chùm quang bị chặn cao. 63 Hình 4.4 Minh họa của thuật toán LAUC [2] 4.3.2.3 Thuật toán LAUC có chèn khoảng trống (LAUC-Void Filling) Khoảng trống nằm giữa hai chùm quang dữ liệu trong bước sóng 1 ở hình 4.4 là dung lượng kênh không sử dụng. Thuật toán LAUC-VF tương tự như thuật toán LAUC ngoại trừ các khoảng trống có thể được lấp bằng các chùm quang dữ liệu mới đến. Ý tưởng cơ bản của thuật toán này là tối thiểu số khoảng trống bằng cách lựa chọn kênh dữ liệu không sử dụng khả dụng mới nhất cho mỗi chùm quang dữ liệu đến. Cho một chùm quang dữ liệu với thời gian đến ta với độ dài L đến chuyển mạch quang, đầu tiên bộ lập lịch sẽ tìm các kênh dữ liệu đầu ra khả dụng trong khoảng thời gian (ta, ta + L). Nếu phát hiện tối thiểu có một kênh đáp ứng các yêu cầu đó thì bộ lập lịch sẽ lựa chọn kênh khả dụng mới nhất, có nghĩa là kênh có khoảng giữa ta và cuối của chùm quang dữ liệu cuối cùng trước ta là nhỏ nhất. Hình 4.5 mô tả ví dụ thuật toán LAUC-VF. Như ta thấy, một chùm quang mới đến tại thời điểm ta, tại thời điểm đó bước sóng 1 và 3 không đủ điều kiện sử dụng bởi vì khoảng trống trên kênh 1 là quá nhỏ và không đủ cho chùm quang mới, còn kênh 3 thì lại đang bận. Thuật toán LAUC-VF chọn kênh 2 bởi vì nó sẽ tạo ra khoảng trống nhỏ nhất. Do các khoảng trống được sử dụng một cách hiệu quả nên thuật toán LAUC-VF đạt được hiệu suất cao hơn trong khía cạnh xác suất chùm quang dữ liệu bị chặn so với thuật toán FFUC và LAUC. Ngược lại, thuật toán 64 này lại phức tạp hơn hai thuật toán FFUC và LAUC do nó phải kiểm soát hai biến thay vì một biến như hai thuật toán kia. Hình 4.5 Mô tả thuật toán LAUC-VF [2] 4.3.2.4 Thuật toán LAUC-VF mở rộng (G-LAUC-VF) Thuật toán G-LAUC-VF là sự mở rộng của thuật toán LAUC-VF bao gồm các tính năng QoS. Tại các chuyển mạch lõi, bộ lập lịch gắn liền với một liên kết sẽ lập lịch cho các chùm quang dữ liệu (DB) đi qua liên kết đó. Với mỗi liên kết, bộ lập lịch của nó sẽ duy trì n hàng đợi Q1, Q2,…, Qn trong đó Qi được sử dụng để lưu chùm quang điều khiển của lớp i theo thứ tự FIFO. Với mỗi khe (slot), thuật toán chỉ được thực hiện một lần. 4.3.2.5 Phương pháp lập lịch kênh dựa theo thứ tự chùm quang đến Một đặc điểm chung của các thuật toán lập lịch kênh truyền thống đó là xây dựng lịch cho các chùm quang dữ liệu đến theo thứ tự của các gói tin điều khiển của nó. Do vậy, các chùm quang có thời gian offset dài sẽ có thể chiếm được một kênh truyền hơn là các chùm có thời gian offset ngắn. Sự chiếm giữ này làm cho thời gian không sử dụng của kênh bị chia thành từng đoạn dẫn đến giảm khả năng lập lịch cho các 65 chùm quang có thời gian offset ngắn khác. Để xác định gốc gác của vấn đề thì các node cần phải thực hiện lập lịch dựa theo thời gian đến thực tế của chùm quang. Trong trường hợp đó, các khoảng trống sẽ không ảnh hưởng đến sự lập lịch chùm quang bởi vì tại thời điểm một khoảng trống được tạo ra, các chùm quang trong vùng đó đã được lập lịch xong. Phương pháp được dùng nhiều nhất để thực hiện lập lịch theo thứ tự đến chính là làm trễ thời gian xử lý các chùm quang điều khiển của các chùm quang dữ liệu có offset lớn. Trong các kiểu lập lịch thông thường, một nút sẽ tập hợp các chùm quang điều khiển và đưa ra quyết định lập lịch cho tất cả tại thời điểm đến. Trong mô hình lập lịch làm trễ điều khiển, nút sẽ làm trễ các chùm quang điều khiển trong một khoảng thời gian nhất định và sắp xếp chúng dựa theo thời gian mà chùm quang tương ứng của chúng đến. Tuy nhiên, với cả hai dạng này đều còn tồn tại sự xung đột giữa yêu cầu làm trễ chùm điều khiển và yêu cầu chuyển tiếp chùm điều khiển sớm để làm cho thời gian xử lý của nút trở nên hiệu quả.[21] 4.3.3 Tái lập lịch chùm quang (burst rescheduling) 4.3.3.1 Giới thiệu Phương pháp tái lập lịch chùm quang là sự nỗ lực hoàn thiện khái niệm lập lịch theo thứ tự chùm quang dữ liệu ở trên. Nó giúp làm giảm tỷ lệ mất dữ liệu và làm giảm mức độ phức tạp tính toán. Ý tưởng chính của phương pháp này là tái lập lịch một chùm quang đã được lập lịch trước đó vào một bước sóng khác để cung cấp tài nguyên cho một chùm quang mới đến[21]. Điều này có thể thực hiện được do các yêu cầu đến