Đồ án Nghiên cứu về công nghệ chuyển mạch gói quang

MỤC LỤC CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Sự phát triển của mạng quang 1.1.1 Sự phát triển của topo mạng Kiến trúc điểm - điểm là loại đơn giản của topo mạng. Các gói được truyền giữa các node quang, nhưng sự chuyển đổi quang điện tử được thực hiện ở mọi node. SONET/SDH là một ví dụ. Một lựa chọn khác có ưu điểm hơn là sử dụng các topo mạng kiểu bus, vòng và sao. Hình1.1: Các topo mạngdạng Điểm - điểm, vòng, sao, lưới. Trong mạng WDM topo kiểu vòng được ưa dùng hơn. Topo kiểu mạng lưới có nhiều ưu điểm hơn khi so sánh với các loại trước bởi vì dung sai cắt sợi tốt hơn, khi có nhiều lựa chọn định tuyến. Thêm nữa, một node với tốc độ lưu lượng cao được nối với vài node, và một node với lưu lượng dữ liệu trên một node đơn chỉ có thể nối với node đơn này. Đáng tiếc, một mạng topo dạng mạng lưới gặp nhiều khó khăn khi triển khai do yêu cầu phức tạp trong định tuyến và chuyển mạch. Mạng WDM đầu tiên xuất hiện giữa những năm 1990 là mạng kiểu điểm - điểm. Sau đó các phần tử tách-ghép được sử dụng và cuối những năm 1990 topo mạng kiểu vòng trở nên ưa dùng. Ngày nay đã sử dụng các mạng có topo mạng kiểu mạng lưới. Một phần các mạng gói quang được thực hiện trong môi trường phòng thí nghiệm. Chắc chắn các mạng gói thương mại sẽ theo sự phát triển giống như các mạng WDM trước đó. 1.1.2 Sự phát triển của dung lượng truyền dẫn Tốc độ phát triển của dung lượng truyền dẫn nhanh hơn trong các năm trước đây. Giữa thập niên 90 tốc độ tăng là 30% trên năm, ngày nay là 60%. Bảng mô tả dự báo sự phát triển của tổng dung lượng và tốc độ bít người sử dụng. 1995 2000 2005 2010 Dung lượng tổng 20-40 Gbit/s 800 Gbit/s ³ 1Tbit/s Tốc độ bít người sử dụng POTS 64kbit/s ADSL 2-8Mbit/s Quang, ADSL 155Mbit/s 2,10,50 Mbit/s Quang, điện 622Mbit/s 100Mbit/s 1.1.3 Sự phát triển của mạng Mạng quang đầu tiên được thực thi cách đây hơn thập kỷ, nhưng sự khai thác thực tế của mạng quang lại liên quan với hiện tượng mới. Mạng sử dung công nghệ WDM sẽ tới đỉnh điểm của nó trong nửa cuối năm nhưng năm 2000. Sự phát triển vẫn tăng nhanh nếu như tốc độ phát triển của dung lượng vẫn tăng 60% trên năm. Hiện nay phương pháp ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) là công nghệ ghép kênh ưa chuộng nhất cho các mạng thông tin quang, bởi vì mọi thiết bị đầu cuối sử dụng chỉ cần hoạt động tại tần số của một kênh WDM. WDM là một cách ghép, trong đó ta có thể lợi dụng sự không đối xứng băng tần quang điện rộng lớn bằng cách yêu cầu mỗi đầu cuối của mỗi người sử dụng chỉ hoạt động tại tốc độ điện tử và các kênh ghép WDM từ các đầu cuối của người sử dụng khác sẽ được ghép vào trong cùng một cáp. Trong ghép kênh theo bước sóng WDM, mỗi bước sóng hỗ trợ một kênh thông tin hoạt động tại bất kỳ tốc độ được thiết kế này. Ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) xuất hiện như một giải pháp được lựa chọn để cung cấp một cơ sở hạ tầng mạng nhanh hơn, đáp ứng được sự bùng nổ của Internet. Thế hệ đầu tiên của WDM chỉ cung cấp các liên kết vật lý điểm tới điểm được sử dụng hạn chế trong các trung kế WAN. Các cấu hình mạng WDM, WAN là các cấu hình tĩnh. Thế hệ thứ hai của WDM có khả năng thiết lập các tuyến quang kết nối từ đầu cuối tới đầu cuối trong lớp quang sử dụng kết nối chéo lựa chọn bước sóng WSXC. Các tuyến quang tạo ra một tôpô ảo trên tôpô sợi quang vật lý. Cấu hình bước sóng ảo có thể thay đổi động theo sự thay đổi quy hoạch mạng. Kỹ thuật sử dụng trong thế hệ WDM thứ hai bao gồm các thiết bị kết nối chéo và bộ tách ghép bước sóng với khả năng chuyển đổi bước sóng, định tuyến động và phân bố bước sóng tại các node nối chéo. WDM thế hệ thứ ba được sử dụng trong các mạng quang chuyển mạch gói phi kết nối, trong đó các tiêu đề hay các nhãn được gắn với dữ liệu, truyền đi cùng với tải và được xử lý tại mỗi chuyển mạch quang WDM. Dựa trên tỷ lệ giữa thời gian xử lý tiêu đề gói và chi phí truyền dẫn gói, chuyển mạch WDM có thể được sử dụng hiệu quả bằng cách sử dụng chuyển mạch nhãn hay chuyển mạch burst quang. Chuyển mạch gói quang vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu. Sự phát triển mạng của WDM được chỉ ra như hình vẽ . Thế hệ thứ 3 Thế hệ thứ 1 Thế hệ thứ 2 Chuyển mạch kênh WDM Chuyển mạch burst quang Chuyển mạch gói quang Các kênh tĩnh tới động Các đường ảo và lưu giữ và chuyển tiễp Hình 1.2 Sự phát triển mạng WDM WADM WAMP DCX WSXC(OCX) OPR OBS OLS Chuyển mạch kênh quang được sử dụng cho lưu lượng được tập hợp lại có kích thước lớn, một kênh truyền sẽ được thiết lập trước và không thay đổi trong quá trình truyền dữ liệu. Chuyển mạch gói quang sử dụng cho các gói dữ liệu có kích thước nhỏ. 1.2 Chuyển mạch quang Chuyển mạch là từ dùng để chỉ hai nghĩa khác nhau. Một là để định nghĩa tóm tắt khái niệm chuyển mạch tức là thiết bị sử dụng chuyển mạch các tín hiệu từ các cổng đầu vào tới các cổng đầu ra. Hai là chuyển mạch chỉ một thiết bị với một vài thiết bị hoặc là một thiết bị phức hợp mà gồm khối điều khiển phức tạp, các bộ đệm đường dây trễ, các bộ lọc, các bộ chuyển đổi bước sóng và các chuyển mạch đơn giản. Các chuyển mạch không gian và các bộ định tuyến bước sóng là các thành phần cơ bản của một chuyển mạch quang. Một chuyển mạch không gian chỉ chuyển theo cách đơn giản các tín hiệu từ mỗi đầu vào tới một đầu ra. Có một vài cách để thực hiện một chuyển mạch không gian nhưng lựa chọn tốt nhất là sử dụng các SOA (các bộ khuyếch đại quang bán dẫn). Như hình 1.3 mô tả một chuyển mạch không gian. Hình 1.3: Chuyển mạch dựa trên cổng SOA. Chuyển mạch dựa trên cổng SOA N´N như mô tả ở trên gồm N bộ tách 1´N, N2 cổng SOA và N bộ trộn 1´N. Nếu tín hiệu được chuyển tới đầu ra j, cổng j ở trạng thái mở và các cổng khác ở trạng thái đóng. Tất cả các cổng có cùng chỉ mục sẽ được kết nối tới một bộ trộn. Một bộ định tuyến bước sóng có thể được cấu hình trước hoặc không. Như hình 1.4 mô tả bộ định tuyến bước sóng không cấu hình trước. Mỗi tín hiệu từ đầu vào i với bước sóng j luôn được truyền trực tiếp tới đầu ra k. Một ví dụ của bộ định tuyến lại này là AWGM. Một AWGM gồm hai coupler sao và một AWG giữa chúng. Coupler sao tách các tín hiệu từ các cổng đầu vào và đưa tới tất cả các lưới ống dẫn sóng mà các lưới ống dẫn sóng này có độ dài khác nhau. Độ trễ tín hiệu phụ thuộc vào độ dài của ống dẫn sóng và bước sóng. Coupler sao thứ hai chỉ phối hợp theo cấu trúc các tín hiệu có pha khác nhau tại một cổng đầu ra đơn. Mặc dù một bộ định tuyến bước sóng không cấu hình trước không có thuộc tính chuyển mạch thì vẫn được sử dụng rộng rãi trong các chuyển mạch gói quang định tuyến theo bước sóng. Y tưởng chính để mọi gói được chuyển đổi đầu tiên thành một bước sóng chính xác và sau đó truyền trực tiếp tới AWGM. Bởi vì AWGM chọn cổng ra của mỗi gói tuỳ thuộc cổng ra và bước sóng, mỗi gói sẽ được chuyển tới cổng ra đã định. Hình 1.4: Bộ định tuyến bước sóng. 1.2.1 Phân loại chuyển mạch quang Chuyển mạch có thể được chia thành chuyển mạch điện và chuyển mạch quang. Các chuyển mạch điện có thiết bị phát triển hơn chuyển mạch quang và việc thực thi chúng dễ dàng hơn. Chuyển mạch quang lại được chia thành: Chuyển mạch kênh quang. Chuyển mạch gói quang. Chuyển mạch burst quang. 1.2.1.1 Kỹ thuật chuyển mạch kênh quang Chuyển mạch kênh quang hoạt động theo kiểu định tuyến theo bước sóng. Trong mạng chuyển mạch kênh quang, một đường dẫn bước sóng riêng được thiết lập trong khoảng thời gian kết nối. Để một mạng chuyển mạch kênh hoạt động, một kênh sẽ được ấn định từ đầu tới cuối cho một kết nối. Kênh này sau đó chỉ được đăng ký phục vụ cho một kết nối. Hình 1.5 Mạng chuyển mạch kênh. Trong mạng chuyển mạch kênh trên đây yêu cầu nối giữa điểm A và B. Một kênh được thiết lập thông qua các node R1, R3, R4 và R5. Ta cũng có thể thành lập các tuyến liên kết khác giữa A và B. Giữa các node chuyển mạch có thể cho phép nhiều kênh được thiết lập. Chuyển mạch kênh gồm có 3 giai đoạn: Thiết lập kênh, truyền dữ liệu, và giải phóng kênh. Thiết lập kênh: Đăng ký một bước sóng cố định theo đường dẫn lựa chọn, mỗi liên kết trên đường dẫn được định hướng từ nguồn tới đích tương ứng của nó. Truyền dữ liệu: Dữ liệu được gửi trên một đường riêng. Khi phân phối điều khiển được sử dụng trong giai đoạn định tuyến, một khoảng thời gian yêu cầu giữa giai đoạn thiết lập và giai đoạn truyền dẫn là T, có giá trị T=2p+delta (p là thời gian truyền một chiều), delta là tổng trễ xử lý do yêu cầu thiết thiết lập trên đường truyền). Dữ liệu trong chuyển mạch kênh không cần đệm ở các node trung gian do kênh chỉ sử dụng phục vụ cho việc truyền dữ liệu này tại thời điểm cụ thể. Giải phóng kênh: Sau khi dữ liệu gửi đi tới đích, kênh truyền dẫn sẽ được giải phóng. Đích gửi về nguồn một bản tin xác nhận. Các node trên đường truyền lần lượt được giải phóng để phục vụ cho kết nối khác. Giữ liệu người dùng ACK Tín hiệu chấp nhận cuộc gọi Trễ xử lý Trễ đường truyền Yêu cầu cuộc gọi Hình 1.6 Tín hiệu trong chuyển mạch kênh. 1.2.1.2 Chuyển mạch gói quang Chuyển mạch gói quang là công nghệ tiếp theo được lựa chọn phục vụ cho việc truyền tải dữ liệu qua WDM. Hoạt động trong chuyển mạch gói: Các gói thông tin được gửi đi trên tuyến thích hợp được lựa chọn bởi bộ định tuyến tại node khi gói đến. Trong chuyển mạch gói, mỗi gói có một tiêu đề tương ứng mang thông tin về gói cũng như địa chỉ của gói, và mỗi node chuyển mạch trong mạng (các bộ định tuyến) sẽ nhận thông tin này và gửi đi trên tuyến thích hợp. Hình 1.7 Mạng chuyển mạch gói Hình vẽ 1.7 mô tả một mạng chuyển mạch gói. Gói được gửi từ điểm C tới đích D. Một gói thông tin rời C và được gửi đi trên tuyến R1 tới R3, sau đó từ R3 gửi tới R4 và tới D. Tuy nhiên gói cũng có thể được truyền tới D theo hướng khác. Nếu việc truyền dẫn từ R1 tới R3 chậm hoặc bị mất, gói từ R1 sẽ được gửi tới R2, từ R2 tới R5 và cứ tiếp tục cho tới khi tới đích. Trong chuyển mạch gói, độ dài mỗi gói là Lp, có thể cố định hoặc thay đổi từ giá trị nhỏ nhất Smin tới giá trị lớn nhất S max. Trường hợp gói có độ dài cố định, một bản tin kích thước Lb sẽ được chia thành các gói nhỏ hơn có kích thước giống nhau. Trường hợp gói có độ dài khác nhau, bản tin được chia thành Lb/Smax gói và đệm chỉ cần thiết đối với gói nhỏ hơn Smin. Một đặc điểm chính của chuyển mạch gói là lưu giữ và chuyển tiếp. Tức là một gói cần phải được tập hợp đầy đủ tại một node nguồn và mỗi node trung gian trước khi nó được chuyển đi. Đặc điểm này sẽ dẫn đến gói phải trải qua một khoảng thời gian trễ tương ứng với Lb tại mỗi node, khi đó cần phải có bộ đệm tại mỗi node trung gian của mạng có kích thước nhỏ nhất là Smax. Mặc dù vậy với công nghệ hiện tại chưa thể thực hiện chuyển mạch quang một cách có hiệu quả do: Chuyển mạch gói quang thường sử dụng cho trường hợp không đồng bộ. Ví dụ, các gói tới tại các cổng đầu vào khác nhau phải được xếp hàng trước khi truy nhập vào trường chuyển mạch. Tuy nhiên để ứng dụng cho trường hợp không đồng bộ là rất khó và chi phí cao. Một khó khăn nữa đối với chuyển mạch gói quang là sự thiếu vắng các bộ đệm quang. Đặc điểm chính của chuyển mạch gói là lưu đệm và chuyển tiếp. Đặc điểm này cần thiết để giải quyết vấn đề tranh chấp cổng đầu ra. Tuy nhiên hiện tại chưa có các bộ đệm truy nhập quang ngẫu nhiên cần thiết để thực hiện lưu giữ và chuyển tiếp. Khó khăn nữa cho việc sử dụng chuyển mạch gói quang là thời gian yêu cầu để định cấu hình cơ cấu chuyển mạch quang. 1.2.1.3 Chuyển mạch burst quang Khái niệm chuyển mạch quang xuất hiện từ đầu những năm 1980. Gần đây, chuyển mạch burst quang được nghiên cứu trở lại và được biết đến như một giải pháp kế tiếp của chuyển mạch gói quang. Thực chất chuyển mạch burst quang được xem xét trong tầng quang đơn thuần như một môi trường truyền dẫn trong suốt không bộ đệm cho các ứng dụng. Tuy nhiên không có một định nghĩa tổng quát cho chuyển mạch burst quang. Sự bùng nổ lưu lượng mạnh mẽ trong mạng Internet, sự phát triển nhanh chóng các lớp lưu lượng là những vấn đề quan trọng cần phải được xử lý. Để hỗ trợ cho việc sử dụng độ rộng băng có hiệu quả, phương pháp truyền tải toàn quang cho phép đệm quang trong khi vẫn xử lý sự bùng nổ lưu lượng, và hỗ trợ cho việc cung cấp tài nguyên nhanh và truyền dẫn không đồng bộ các gói có kích thước khác nhau cần phải được phát triển. Chuyển mạch burst quang (OBS) như một giải pháp cho sự truyền tải lưu lượng trực tiếp qua mạng WDM quang mà không cần bộ đệm. Chuyển mạch burst quang là phương pháp kết hợp cả hai kỹ thuật chuyển mạch kênh quang và chuyển mạch gói quang. Nó được thiết kế đạt được cân bằng giữa những ưu điểm của chuyển mạch kênh quang và nhược điểm của chuyển mạch gói quang. 1.3 So sánh 1.3.1 Giữa chuyển mạch kênh và gói Các mạng toàn quang hiện nay là các chuyển mạch kênh. Các mạng chuyển mạch gói quang vẫn đang tiếp tục nghiên cứu và trên thế giới chuyển mạch kênh quang là lựa chọn thích hợp hơn chuyển mạch gói quang. Nói cách khác, lưu lượng viễn thông trong tương lai vẫn còn tiếp tục bùng nổ. Trong bất cứ trường hợp nào, thì lưu lượng dạng gói sẽ ở mức lựa chọn cao hơn. Nếu tìm thấy một cách để thực hiện thương mại chuyển mạch gói quang, thì rõ ràng đó có thể là một kỹ thuật tốt hơn. Tuy nhiên, chừng nào mà các thiết bị quang cũng như kỹ thuật chuyển mạch vẫn chưa đáp ứng được yêu càu thì chuyển mạch kênh vẫn là lựa chọn số 1. 1.3.2 Giữa chuyển mạch gói và chuyển mạch burst Ưu điểm của chuyển mạch gói là một gói bao gồm cả tiêu đề và tải gửi đi mà không cần thiết lập kênh và chúng chia sẻ các bước sóng liên kết giữa các gói với các nguồn và các đích khác nhau. Tuy nhiên do cơ cấu lưu đệm và chuyển tiếp, mọi node đều phải xử lý tiêu đề của gói tới để xác định tuyến truyền của gói, vì vậy cần phải sử dụng bộ đệm tại các node. Chuyển mạch burst quang không cần phải có bước sóng riêng cho mỗi kết nối đầu cuối tới đầu cuối vì vậy ngay sau khi burst đi qua một tuyến liên kết thì bước sóng sẽ được giải phóng ngay. Khác với chuyển mạch gói, chuyển mạch burst không nhất thiết phải sử dụng các bộ đệm. Chuyển mạch burst quang là chuyển mạch hứa hẹn nhiều triển vọng, nó sẽ thay thế các chuyển mạch hiện tại, và sẽ mang tính thương mại cao hơn chuyển mạch gói quang, nó tránh được hai vấn đề chính là: Tốc độ chuyển mạch cao và bộ đệm quang. Nghẽn cổ chai trong mạng chuyển mạch gói quang khi xử lý tiêu đề gói tin trong trường chuyển mạch. Bởi vì dữ liệu được móc nối vào nhau bên trong các phần tử lớn hơn trong các mạng chuyển mạch burst, có nhiều dữ liệu / tiêu đề hơn so với các mạng chuyển mạch gói. Trước tiên, là đạt được tốc độ dữ liệu cao hơn với cùng một tốc độ xử lý tiêu đề. hơn nữa, không cần thiết phải triển khai các bộ đệm quang phức tạp. Các burst có thể được đệm trong miền điện tại cạnh của mạng thay cho bộ đệm tại mỗi node vì thời gian mao đầu đã được xử lý. Các trường chuyển mạch có thể được triển khai mà không cần bộ đệm hoặc với một vài đường trễ để giải quyết xung đột. Chuyển mạch burst đã tránh được những vấn đề của chuyển mạch gói, và phù hợp cho yêu cầu lưu lượng hiện nay. Trong thời gian tới, chuyển mạch burst rõ ràng sẽ hấp dẫn hơn chuyển mạch gói quang, và trong cuộc đua đường dài chuyển mạch burst dường như là đối thủ mạnh nhất của chuyển mạch gói quang. CHƯƠNG II: CHUYỂN MẠCH GÓI QUANG 2.1 Giới thiệu chung Mạng với các thiết bị quang hiện đang có triển vọng lớn trong việc cung cấp các ứng dụng đa phương tiện thời gian thực cao, vì nó có khả năng truyền dẫn ở tốc độ cao hơn rất nhiều với độ tin cậy lớn hơn so với mạng điện thông thường. Hiện nay, các liên kết quang đã thay thế cho cáp đồng trong rất nhiều mạng, tuy nhiên mạng quang theo đúng nghĩa mới chỉ được bắt đầu phát triển, nó bao gồm truyền dẫn quang, chuyển mạch quang và cả khả năng xử lí gói tin bằng công nghệ quang. Dưới đây sẽ nghiên cứu một kĩ thuật mới, hiện chưa được triển khai trên thực tế, song lại là một giải pháp có rất nhiều ưu điểm, và có khả năng đáp ứng được các yêu cầu của mạng thế hệ mới về mọi mặt, đó là "chuyển mạch gói quang". Chuyển mạch gói quang là kĩ thuật chuyển mạch gói được thực hiện bởi hoàn toàn công nghệ quang thông qua các thiết bị quang. Mạng chuyển mạch gói quang hoàn toàn có khả năng truyền tải mọi loại thông tin, từ tốc độ bit thấp như thoại cho tới tốc độ bit cao là video rõ nét, và có thể đáp ứng các yêu cầu khác nhau của mỗi loại dịch vụ có về tốc độ bit, đặc tính, kiểu tốc độ (cố định hay thay đổi), độ chính xác thông tin (như độ mất gói và tỉ lệ lỗi bit) và đảm bảo thời gian (độ trễ và jitter). Chuyển mạch gói quang có thể đáp ứng mọi yêu cầu và ta có thể phân loại các yêu cầu thông tin của chuyển mạch đó là: Khả năng quản lí các loại tốc độ thông tin khác nhau. Có thể chuyển mạch đa phương hoặc quảng bá. Có hiệu năng cao về độ trễ, khả năng thông qua và tỉ lệ lỗi bit (BER) Hiện nay mạng chuyển mạch gói quang vẫn chưa hoàn toàn quang, các tín hiệu đều cần chuyển đổi trở lại dạng điện trước khi chuyển mạch và xử lí. Như vậy, các ưu điểm lớn của thông tin quang như tốc độ và hiệu quả vẫn chưa được phát huy cao do độ trễ vẫn lớn. Mạng chuyển mạch gói quang có thể chưa được áp dụng vào cuộc sống trong một vài năm tới do giới hạn về công nghệ quang. Tuy nhiên với sự phát triển nhanh chóng và rất nhiều các mô hình nghiên cứu chuyển mạch gói quang, mạng viễn thông sẽ có thể áp dụng công nghệ này vào thực tiễn để đáp ứng được đòi hỏi ngày càng cao của các dịch vụ người dùng. 2.2 Vai trò của mạng chuyển mạch gói quang Sự phát triển của các dịch vụ hiện có và các dịch vụ mới băng thông cao đã làm cho lưu lượng viễn thông không ngừng tăng nhanh, và từ đó băng thông yêu cầu cũng tăng lên ngày càng lớn. Bước đầu để đáp ứng băng thông là sự triển khai hệ thống truyền dẫn WDM. Và bước tiếp theo, mạng thế hệ mới cần phải tận dụng được kĩ thuật WDM bằng cách thực hiện các chức năng quang trong điều khiển và quản lí các tín hiệu hàng megabit, như thế sẽ làm giảm sự phức tạp trong hệ thống điện và giảm giá thành. Sự nâng cấp mạng từ điện sang quang làm phát sinh vấn đề nghẽn cổ chai về khả năng thông qua. Vấn đề này đã thấy được trên mạng đường trục kết nối chéo quang, và người ta cần sử dụng tầng chuyển mạch gói quang giữa tầng chuyển mạch điện và tầng truyền dẫn. Như vậy tầng chuyển mạch gói quang sẽ kết nối, lấp khe trống giữa tầng điện đang tồn tại và các kênh quang ở đường trục, đồng thời cho phép chuyển mạch gói nhanh các kết nối đổi tần ở tốc độ cao hơn nhiều so với tầng điện mà không ảnh hưởng trực tiếp lên kết nối chéo. Ta có mô hình phân tầng tham khảo như hình 2.1. Chuyển mạch gói quang Tầngtruyền dẫn quang TẦNG CHUYỂN MẠCH ĐIỆN Truy nhập Truy nhập ATM - ADM ATM - ADM Tầng gói quang OPS OPS OPS OPS OPS GÓI QUANG (MAN) OXC OXC OXC OXC Xen rẽ ATM điện ATM - ADM OPS OXC Kết nối chéo quang Hình 2.1: Mô hình mạng phân tầng tham chiếu. Các xu hướng phát triển của các mạng viễn thông chủ yếu phụ thuộc vào những yêu cầu của các dịch vụ tương lai. Qua thực tế người ta dự đoán môi trường mạng sẽ biến đổi hoàn toàn theo những xu hướng chủ đạo là: Lưu lượng internet trong đó thông tin dữ liệu chiếm ưu thế. Sự phát triển kỹ thuật WDM dựa trên liên kết điểm - điểm sẽ tận dụng được băng thông cũng như số lượng kênh bước sóng và tốc độ bít trên một kênh. Mạng truyền tải WDM kết nối chéo quang có độ linh hoạt cao. Các nghiên cứu cho thấy mạng chuyển mạch gói là mạng chủ đạo trong tương lai và có thể đáp ứng được các yêu cầu dịch vụ, một trong số đó có mạng chuyển mạch gói quang. Mạng chuyển mạch gói quang đã được nghiên cứu cách đây khoảng chục năm. Từ đó đến nay có rất nhiều thay đổi, các thiết bị đã được cải thiện cũng như đặc tính lưu lượng có nhiều biến đổi. Có rất nhiều vấn đề chưa được giải quyết, song công nghệ quang đã bắt đầu có những dấu hiệu trưởng thành. Mạng quang có thể được trải rộng từ mạng đường trục với khoảng cách lớn tới mạng truy cập, và mạng đã càng ngày càng phức tạp hơn, hiệu quả hơn và độ tin cậy cao hơn trước đây. Chuyển mạch gói quang có thể vẫn chỉ trong phòng thí nghiệm nhiều năm nữa, song với công nghệ phát triển ngày càng cao để đáp ứng cho các phương thức chuyển mạch hiện có như chuyển mạch kênh quang, sẽ tạo bước xúc tiến cho mạng chuyển mạch gói quang ra đời. 2.3 Đặc tính lưu lượng của chuyển mạch gói quang 2.3.1 Đặc tính lưu lượng của chuyển mạch không có chức năng tách - ghép 2.3.1.1 Mạng và kiến trúc chuyển mạch của hệ thống WDM Mạng gói quang WDM xác định ở đây được chỉ ra trong hình 2.2. Hình 2.2 : Chuyển mạch gói của hệ thống WDM Chuyển mạch gói quang chuyển dữ liệu giữa các mạng con như MAN, LAN.... Mạng giống với một mạng sao và N bước sóng khác nhau, l1 .... lN-1,lN trên một sợi và các bước sóng này được sử dụng để mang lưu lượng mạng. Kiến trúc chuyển mạch ATMOS và KEOPS với các cổng đầu vào kênh đơn được mô tả. Ơ đây, thực hiện chung của một node chuyển mạch gói WDM được xác định như trong hình 2.3. lN l1 lN l1 M 1 l1…lN l1…lN l1…lN Vị trí Chuyển mạch không gian Tách bước sóng Đổi bước sóng khả chỉnh Đệm B vị trí l1…lN 1 M Hình 2.3: Khối chuyển mạch gói quang WDM. Phần đầu vào: Tại đây, khối tách kênh lựa chọn các gói đến ở N bước sóng cố định l1, l2,…, lN và bộ chuyển đổi bước sóng quang khả chỉnh (TOWC's) sẽ đánh địa chỉ các gói theo không gian trống trong bộ đệm đầu ra đường dây trễ. Khối chuyển mạch không gian không nghẽn (nonblocking) có chức năng chuyển gói tới đầu ra yêu cầu cũng như đệm đầu ra đường dây trễ thích hợp. Khối đệm gói bằng các đường dây trễ. Như trên hình ta có kích thước chuyển mạch là , trong đó B là số vị trí gói trong bộ đệm, N là số bước sóng, M là số đầu vào và đầu ra, B/N là số lượng đường dây trễ. Các kết nối cuối B/N +1 từ chuyển mạch không gian qua bộ đệm tới đầu ra là một đoạn cáp có chiều dài rất nhỏ. Đặt B/N+1 = a để nhấn mạnh rằng với số đường đường dây trễ cho trước, thì số vị trí gói B là bội số của N hay a là số nguyên. Kiến trúc này không thể hiện giao diện quang/điện đặt ngay sau bộ tách kênh ở đầu vào của chuyển mạch. Giao diện này được dùng để tách tiêu đề mỗi gói tìm đầu ra, sau đó xác định vị trí hay trạng thái hàng đợi để điều khiển bộ chuyển đổi bước sóng cũng như trạng thái cổng ở chuyển mạch không gian. 2.3.1.2 ảnh hưởng của các bộ chuyển đổi bước sóng khả chỉnh 1 Lưu lượng kiểu ngẫu nhiên Bộ biến đổi bước sóng khả chỉnh TOWC (Tunable Optical Wavelength Converter) làm giảm rõ rệt số lượng đường dây trễ vì TOWC cho phép lưu chuyển nhiều gói quang ở nhiều bước sóng khác nhau trên cùng một đường dây trễ. Mặc dù sử dụng TOWC có thể làm đảo lộn thứ tự gói, song ta có thể bỏ qua vì ảnh hưởng lên độ lưu thoát lưu lượng là rất nhỏ, ngay cả trong trường hợp xấu nhất. Hình 2.4 trình bày việc xử lí đệm trong trường hợp có và không có bộ biến đổi bước sóng TOWC. l1 l1 l1 l1 TOWC TOWC l1 l2 l1 l2 Không chuyển đổi bước sóng Có chuyển đổi bước sóng l1 l1 Gói 1: Gói 2: l1 l1 Gói 1: Gói 2: Hình 2.4: Xử lí đệm khi có và không có chuyển đổi bước sóng . Có thể minh họa tác dụng giảm số lượng đường dây trễ trên hình 3.5, mẫu lưu lượng đã được công nhận và đang được phát triển cho một số mô hình khác. Xác suất mất gói tin 10-1 10-3 10-5 10-7 10-9 10-11 10-13 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Không có TOWC's (độc lập với N) N = 4 N = 8 Có TOWC''s Hình 2.5: Xác suất mất gói tin khi có và không có TOWC's. Số đường dây trễ Đồ thị chỉ ra xác xuất mất gói với số đường dây trễ là B/N, trong đó B là số lượng gói tin lớn nhất có thể lưu trên bộ đệm, N là số lượng bước sóng. Trường chuyển mạch 16 x 16, tải 0,8 cho mỗi kênh trên N kênh đầu vào. Nếu không có bộ biến đổi bước sóng, hiệu năng là độc lập với N, hàng đợi có thể coi như gồm N hàng riêng biệt và độc lập, mỗi hàng chỉ tương ứng với 1 bước sóng, và các tính toán chỉ cần đặt N=1. Khi có bộ biến đổi, xác suất mất gói PLR được cải thiện khi số lượng bước sóng tăng tức là khi N tăng, tổng số lượng kênh đầu vào và đầu ra cũng tăng do đó dung lượng chuyển mạch không gian tăng làm giảm tỉ lệ mất gói tin. Mặc dù số kênh đầu vào tăng, nhưng mỗi đầu ra có thể nhận cùng tỉ lệ tải tin r độc lập với N, và do đó với cùng một tỉ lệ mất gói PLR mà độ sâu bộ đệm không đổi. Mặt khác nếu B/N cố định, thì độ sâu bộ đệm sẽ tăng theo N. Do vậy, xác suất mất gói giảm với số kênh bước sóng khi TOWC's được sử dụng. Ta cũng có thể so sánh như sau: với PLR = 10-10, N=4/ 8 nếu có bộ chuyển đổi thì cần số đường dây trễ là 12/6, trong khi đó nếu không có bộ chuyển đổi thì cần số đường dây trễ là 48. 2 Lưu lượng biến đổi đột ngột Mô hình tính toán cho lưu lượng biến đổi đột ngột đã được thực hiện và xác nhận. Các tính toán cơ bản khi áp dụng trên đơn kênh, đã chỉ ra rằng tải chấp nhận được thấp hơn nhiều khi so sánh với lưu lượng ngẫu nhiên. Tuy nhiên, với hệ thống WDM thì vấn đề này cũng được giản quyết như trường hợp tải ngẫu nhiên. Hình 2.6 (a) mô tả số lượng đường dây trễ giảm nhờ có TOWC's trong chuyển mạch gói WDM với tỉ lệ mất gói tin PLR = 10-10. 25 21 17 13 9 5 1 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Tải trên mỗi kênh Số đường dây trễ Không đổi bước sóng Có đổi bước sóng N = 2 N = 4 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Tải trên mỗi kênh N.a N = 2 N = 4 N = 1 Hình 2.6: Số đường dâ