intTypePromotion=1
ADSENSE

Chuyên đề 2. Mạng chuyển mạch chùm quang OBS

Chia sẻ: Nguyen Quang Ha | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:38

280
lượt xem
77
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tham khảo luận văn - đề án 'chuyên đề 2. mạng chuyển mạch chùm quang obs', kỹ thuật - công nghệ, kĩ thuật viễn thông phục vụ nhu cầu học tập, nghiên cứu và làm việc hiệu quả

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Chuyên đề 2. Mạng chuyển mạch chùm quang OBS

  1. Chuyên đề 2. Mạng chuyển mạch chùm quang OBS T i ể u l uậ n Mạng chuyển mạch chùm quang OBS 1
  2. Chuyên đề 2. Mạng chuyển mạch chùm quang OBS Mục lục Giới thiệu chung về công nghệ chuyển mạch quang ..................................................................... 4 1. Chuyển mạch kênh quang (OCS).......................................................................................... 5 1.1. Chuyển mạch gói quang (OBS) ............................................................................................ 5 1.2. Chuyển mạch chùm quang (OBS) ......................................................................................... 6 1.3. Mạng chuyển mạch chùm quang OBS ......................................................................................... 7 2. Đặc trưng chung của mạng OBS .......................................................................................... 7 2.1. Kiến trúc mạng chuyển mạch chùm quang ........................................................................... 8 2.2. 3. Điều khiển trong mạng chuyển mạch chùm quang ........................................................................ 9 Tập hợp chùm ...................................................................................................................... 9 3.1. Báo hiệu ............................................................................................................................ 11 3.2. Báo hiệu một chiều, hai chiều hay hỗn hợp................................................................. 11 3.2.1. Đặt trước tài nguyền bắt đầu từ nguồn, từ đích hoặc từ nút trung gian ....................... 12 3.2.2. Đặt trước bền vững (Persistent) hay không bền vững (Non-persistent)........................ 13 3.2.3. Đặt trước tức thời hay đặt trước sau một thời gian trễ ................................................ 13 3.2.4. Giải phóng tài nguyên tường minh hoặc ngầm định .................................................... 14 3.2.5. Kỹ thuật báo hiệu tập trung hay phân tán ................................................................... 14 3.2.6. Định tuyến ......................................................................................................................... 14 3.3. Lập lịch chùm (burst)......................................................................................................... 15 3.4. Phân loại các giải thuật lập lịch................................................................................. 16 3.4.1. Các giải thuật lập lịch không xét đến lấp đầy khoảng trống ........................................ 17 3.4.2. 3.4.3. Các giải thuật lập lịch có xét đến lấp đầy khoảng trống.............................................. 18 Giải quyết tranh chấp ........................................................................................................ 19 3.5. Sử dụng các đường trễ quang FDL............................................................................. 20 3.5.1. Chuyển đổi bước sóng ................................................................................................ 20 3.5.2. Định tuyến lệch hướng ............................................................................................... 21 3.5.3. Phương pháp mô hình hóa và đánh giá hiệu suất ........................................................................ 23 4. Xác định bài toán............................................................................................................... 23 4.1. Xây dựng mô hình.............................................................................................................. 24 4.2. Tính toán độ đo hiệu suất (xác suất tắc nghẽn, độ trễ) ........................................................ 24 4.3. Xác suất tắc nghẽn với khả năng chuyển đổi bước sóng đầy đủ (full) .......................... 24 4.3.1. 2
  3. Chuyên đề 2. Mạng chuyển mạch chùm quang OBS Xác suất tắc nghẽn với các kiến trúc nút lõi OBS giới hạn bộ chuyển đổi bước sóng ... 25 4.3.2. Phân tích với trường hợp nút lõi có các đường trễ quang FDL ................................... 31 4.3.3. 3
  4. Chuyên đề 2. Mạng chuyển mạch chùm quang OBS 1. Giới thiệu chung về công nghệ chuyển mạch quang Xu thế phát triển mạng hiện nay trên thế giới và ở Việt Nam là xây dựng mạng truyền tải quang OTN cho mạng NGN dựa trên công nghệ WDM. Những nỗ lực phi thường về công nghệ truyền dẫn quang trong đó tập trung vào việc nghiên cứu các vấn đề công nghệ mạng WDM trên thế giới hiện nay đang dần đáp ứng được nhu cầu phát triển tất yếu của mạng. Có nhiều vấn đề cần phải giải quyết trong mạng OTN nhằm ngày càng hoàn thiện đặc tính mạng. Trong các vấn đề đó, chuyển mạch quang trong mạng OTN được coi là những hướng đi hấp dẫn nhất và rất có ý nghĩa. Một mặt, kỹ thuật này cho phép xây dựng được mạng truyền dẫn quang linh hoạt và bảo đảm thông suốt các lưu lượng tín hiện lớn. Mặt khác nó cho phép nâng cao tính thông minh cho lớp quang trong khi vẫn đơn giản hoá được rất nhiều cấu trúc mạng. Điều đó có tác động lớn tới việc xây dựng, khai thác và bảo dưỡng mạng rất có hiệu quả sau này. Về nguyên lý, một mạng chuyển mạch thực hiện chuyển lưu lượng từ một cổng lối vào hoặc kết nối lưu lượng trên một khối chuyển mạch tới một cổng lối ra. Hệ thống chuyển mạch quang là một hệ thống chuyển mạch cho phép các tín hiệu bên trong các sợi cáp quang hay các mạch quang tích hợp được chuyển mạch có lựa chọn từ một mạch này tới một mạch khác. Sự phát triển của mạng quang WDM có thể được phân loại như chỉ ra ở hình 1 [1]. Hình 1. Sự phát triển của mạng quang Các mạng quang WDM hiện thời làm việc trên các kết nối điểm-đến-điểm (point-to- point), ở đó việc chuyển đổi quang-điện tử-quang (OEO) được quy định tại mỗi bước. Tuy nhiên, việc thiết kế WDM trong tương lai được hội tụ trên các mạng toàn quang (AONs), ở đó dữ liệu của người sử dụng di chuyển hoàn toàn trong miền quang. Việc loại bỏ chuyển đổi OEO trong AONs cho phép tạo ra tốc độ truyền dẫn lớn chưa từng 4
  5. Chuyên đề 2. Mạng chuyển mạch chùm quang OBS thấy. AONs có thể được phân loại như mạng định tuyến bước sóng (WRNs), mạng chuyển mạch chùm quang (OBSNs), hay mạng chuyển mạch gói (OPSNs). Ngoài ra, mỗi bước phát triển quang bắt đầu với thiết kế vòng (ring) đơn giản trước khi hoạt động trên các cấu trúc topo lưới (mesh) phổ biến hơn. 1.1. Chuyển mạch kênh quang (OCS) Chuyển mạch kênh quang được thực hiện trong mạng quang định tuyến bước sóng thực hiện thiết lập các bước sóng toàn quang giữa hai nút mạng. Sự thiết lập các luồng quang bao gồm một số bước thực hiện: cấu hình tài nguyên, định tuyến, gán bước sóng, báo hiệu và đặt trước tài nguyên. Sự phát triển của AON bắt đầu với WRNs, quá trình hoạt động bao gồm việc thiết lập các kết nối kênh, được gọi là kênh quang (lightpaths), giữa các nút của mạng. Ràng buộc chính của WRNs, điển hình của tất cả các giao tiếp quang, là giới hạn số bước sóng trên mỗi sợi quang. Ví dụ, trong một WRN lớn, vấn đề khan hiếm số bước sóng có thể tạo nên một vấn đề là không thể tạo ra mạng lưới trọn vẹn các kênh quang giữa tất cả các người sử dụng đầu-cuối. Vì vậy, với mỗi topo WRN, những người thiết kế mạng phải giải quyết được bài toán NP-đầy đủ, là bài toán định tuyến và phân phối bước sóng (RWA) của các kênh quang để thỏa mãn một cách tối ưu các yêu cầu kết nối của người sử dụng. Giao thức truyền tín hiệu (signaling) được đề nghị đối với WRNs là GMPLS. 1.2. Chuyển mạch gói quang (OBS) Về nguyên tắc, chuyển mạch gói toàn quang tổ chức dựa trên gói tiêu đề và điều khiển được thực hiện trong miền quang, tuy nhiên phải trong nhiều năm nữa mới thực hiện được. Trong thời điểm hiện nay, chuyển mạch gói quang sử dụng điều khiển điện tử để xử lý tiêu đề gói vẫn được xem là thực tế hơn. Trong chuyển mạch gói quang, tiêu đề hoặc nhãn được đọc và so sánh với một bảng định tuyến. Tải số liệu sau đó sẽ được định tuyến tới cổng ra tương ứng với một nhãn mới (trao đổi nhãn). Điều quan trọng là tải dữ liệu được truyền trong suốt qua chuyển mạch. Trong OPSNs, lưu lượng người sử dụng được mang trong các gói quang cùng với thông tin điều khiển in-band. Thông tin điều khiển được rút trích và xử lý trong miền điện tử tại mỗi node. Đây là kiến trúc có tính triển vọng bởi nó đã được biết đến trên thực tế là mạng chuyển mạch gói điện tử, đặc trưng bởi thông lượng cao và dễ dàng thích ứng với sự tắc nghẽn hay bị lỗi. Tuy nhiên, bài toán đặt ra với OPSNs đó là thiếu công nghệ đệm quang thực tế. 5
  6. Chuyên đề 2. Mạng chuyển mạch chùm quang OBS 1.3. Chuyển mạch chùm quang (OBS) Trong chuyển mạch chùm quang (OBS), dữ liệu truyền tải trong các đơn vị có kích thước khác nhau, được gọi là chùm (burst) [1]. Bởi vì tính biến thiên lớn trong suốt thời gian tồn tại của các chùm, mạng OBS có thể được xem như nằm giữa OPSNs và WRNs. Điều đó có nghĩa là, khi thời gian tồn tại của tất cả các chùm là rất ngắn, bằng thời gian tồn tại của một gói quang, OBSN có thể được xem tương tự như một OPSN. Mặt khác, khi khi thời gian tồn tại của tất cả các chùm là vô cùng lớn (có thể kéo dài một vài tháng), thì OBSN có thể được xem tương tự là WRN. Trong OBS, có sự phân tách mạnh giữa cách bố trí kênh điều khiển và dữ liệu, cho phép có thể điều khiển mạng linh động và đạt hiểu quả cao. Hơn nữa, bản chất động (dynamic) của nó dẫn đến khả năng thích nghi của mạng cao, làm cho nó hoàn toàn phù hợp với sự truyền dẫn của lưu lượng chùm. a. Nguyên lý chuyển mạch gói quang b. Nguyên lý chuyển mạch chuyển mạch chùm quang Hình 2. Nguyên lý chuyển mạch gói quang và nguyên lý chuyển mạch chùm quang 6
  7. Chuyên đề 2. Mạng chuyển mạch chùm quang OBS Hình 2 cho thấy nguyên lý của chuyển mạch gói quang (hình 2a) và nguyên lý chuyển mạch chùm quang (hình 2b). 2. Mạng chuyển mạch chùm quang OBS 2.1. Đặc trưng chung của mạng OBS Khái niệm chuyển mạch chùm đã được đề xuất vào năm 1980. Tuy nhiên, kỹ thuật này không thành công trong mạng chuyển mạch điện tử do nhu cầu và tính phức tạp so với kỹ thuật chuyển mạch gói. Trong mạng quang có sự khác biệt lớn giữa khả năng truyền dẫn quang và khả năng xử lý điện tử; thêm vào đó khả năng sử dụng các bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên trong miền quang là không khả dụng, vì vậy không thể giữ được dữ liệu đợi xử lý trong miền quang. Mạng chuyển mạch chùm quang được đề xuất vào cuối năm 1990 và nó trở thành một công nghệ hứa hẹn có thể tận dụng được những ưu điểm của mạng chuyển mạch kênh quang và mạng chuyển mạch gói quang để tránh được những bất lợi về kỹ thuật trong thời gian này. Mạng chuyển mạch chùm quang được xem như là một công nghệ hứa hẹn cho mạng Internet toàn quang thế hệ kế tiếp. Nó có nhiều chức năng riêng và nhiều ưu điểm hơn so với các kỹ thuật chuyển mạch khác. Mạng chuyển mạch chùm quang là một giải pháp cho phép truyền tải lưu lượng trực tiếp qua mạng WDM mà không cần bộ đệm quang. Mạng chuyển mạch chùm quang sử dụng các sơ đồ định trước một hướng với quá trình truyền tức thời, chùm dữ liệu truyền đi sau gói điều khiển tương ứng mà không đợi phản hồi (báo nhận) từ nút đích. Thực chất, mạng chuyển mạch chùm quang xem xét lớp quang đơn thuần như một phương tiện truyền thông trong suốt cho các ứng dụng. Tuy nhiên cho đến hiện nay chưa có định nghĩa chung nào cho chuyển mạch chùm quang. Một số đặc trưng chung của mạng chuyển mạch chùm quang như sau: - Tách biệt giữa kênh truyền gói điều khiển BCP (Burst Control Packet) và kênh truyền chùm dữ liệu DB (Data Burst): gói điều khiển được truyền trên một kênh riêng biệt. - Sự dành riêng một chiều: tài nguyên được cấp phát theo kiêu dành riêng một chiều, nghĩa là nút nguồn không cần đợi thông tin phản hồi từ nút đích trước khi nó bắt đầu truyền chùm. Độ dài chùm thay đổi được: kích thước của chùm có thể thay đổi được theo yêu - cầu. - Không cần bộ đệm quang: nút trung gian trong mạng quang không yêu cầu phải có bộ đệm quang. Các chùm đi qua các nút trung gian mà không chịu bất kì sự trễ nào. 7
  8. Chuyên đề 2. Mạng chuyển mạch chùm quang OBS 2.2. Kiến trúc mạng chuyển mạch chùm quang Một mạng chuyển mạch chùm quang bao gồm các nút chuyển mạch chùm quang kết nối với nhau thông qua các sợi cáp quang. Mỗi sợi quang có khả năng hỗ trợ các kênh đa bước sóng. Như được trình bày ở hình 3, các nút trên mạng chuyển mạch chùm quang có hai kiểu: nút biên và nút lõi. Nút biên được xem như là giao diện giữa miền điện tử và miền quang. Nút biên có thể là nút biên vào hoặc là nút biên ra. Nút biên vào thực hiện tập hợp các gói điện tử (chẳng hạn các gói IP) có cùng đích thành một đơn vị truyền dẫn lớn gọi là chùm quang (burst), sau đó thực hiện định tuyến, ấn định bước sóng và lập lịch cho burst trên một kênh dữ liệu ở ngõ ra, sau đó được truyền qua mạng chuyển mạch chùm quang và cuối cùng được tách gói tại nút biên ngõ ra. Nút lõi được xem như là một ma trận chuyển mạch và là một đơn vị chuyển mạch có trách nhiệm chuyển tiếp các burst dữ liệu đến nút khác. Hình 3. Kiến trúc của mạng chuyển mạch chùm quang Một nút OBS bao gồm cả 2 phần: quang và điện. Phần quang là các bộ ghép/tách bước sóng (multiplexer/demultiplexer) và chuyển mạch quang. Phần điện có các module vào/ra, điều khiển định tuyến và lập lịch. Đơn vị chuyển mạch quang điều khiển các burst dữ liệu từ một cổng vào và ra một cổng tương ứng với đích đến của chúng. Khi một nút biên chuẩn bị truyền một burst dữ liệu, nó sẽ gửi một gói điều khiển đi trên một bước sóng riêng tới nút lõi. Gói điều khiển thực hiện việc báo hiệu, cấu hình các chuyển mạch tại nút lõi để chuyển burst từ cổng vào đến cổng ra và giải quyết xung đột nếu xảy ra. Các hoạt động của mạng chuyển mạch chùm quang sẽ được trình bày ngay sau đây. 8
  9. Chuyên đề 2. Mạng chuyển mạch chùm quang OBS 3. Điều khiển trong mạng chuyển mạch chùm quang 3.1. Tập hợp chùm Tập hợp chùm (burst) là quá trình tập hợp các gói tin điện tử và đóng gói thành burst tại nút biên ngõ vào của mạng chuyển mạch chùm quang. Tất cả gói đến sẽ chuyển đến hàng đợi tùy theo đích của chúng như trình bày trong hình 4. Một giá trị ngưỡng được sử dụng như một tham số giới hạn để quyết định khi nào tạo ra một chùm và gởi chùm vào trong mạng [2]. Hình 4. Tập hợp và tách chùm Hiện nay có nhiều kỹ thuật tập hợp chùm được đề xuất trong đó hai kỹ thuật được quan tâm nhất là tập hợp chùm dựa vào ngưỡng thời gian (timer-based) (hình 5) và dựa trên ngưỡng độ dài chùm (threshold-based) (hình 6). Trong phương pháp tập hợp chùm dựa trên ngưỡng thời gian [2], một burst được tạo ra và gởi vào trong mạng theo chu kỳ thời gian, đúng bằng thời gian đã được định sẵn vì vậy mà không quan tâm đến kích thước burst dài hay ngắn. Do đó, chiều dài của burst biến đổi tuỳ theo tần suất đến của gói, trong những khoảng thời gian bằng nhau. Hình 5. Tập hợp burst theo ngưỡng thời gian 9
  10. Chuyên đề 2. Mạng chuyển mạch chùm quang OBS Đối với phương pháp tập hợp burst dựa trên giá trị ngưỡng độ dài burst, một giới hạn dựa trên số lượng tối đa gói tin chứa trong mỗi burst. Vì vậy, những burst được tạo ra có kích thước cố định. Hình 6. Tập hợp burst theo ngưỡng kích thước (số gói tối đa) Vấn đề quan trọng được đặt ra ở đây là làm thế nào để chọn một giá trị ngưỡng thời gian hoặc ngưỡng độ dài burst tối ưu để giảm số lượng gói tin điện tử bị mất khi xảy ra tranh chấp burst, cũng như tăng hiệu suất sử dụng mạng chuyển mạch chùm quang. Ta thấy rằng nếu giá trị ngưỡng thời gian quá thấp, chiều dài của burst sẽ ngắn và số lượng burst di chuyển trong mạng tăng lên, dẫn đến tình trạng số lượng tranh chấp trong mạng cao, nhưng số lương gói tin mất trung bình trong mỗi burst lại thấp. Thêm vào đó, số lượng burst nhiều sẽ gây áp lực lên tốc độ xử lý các gói điều khiển phải nhanh mới hiệu quả. Ngược lại nếu giá trị ngưỡng thời gian lớn, độ dài của burst tăng lên và số lượng burst di chuyển trong mạng là giảm, do đó giảm được số lượng tranh chấp trong mạng so với trường hợp burst ngắn, nhưng số lượng gói tin mất trung bình trên mỗi burst mất là cao. Tóm lại, cần xác định độ dài burst tối ưu để tăng hiệu quả của một mạng chuyển mạch chùm quang. Hình 7. Tập hợp burst theo ngưỡng thời gian và ngưỡng độ dài burst 10
  11. Chuyên đề 2. Mạng chuyển mạch chùm quang OBS Hình 7 mô tả ảnh hưởng của kỹ thuật tập hợp burst dựa trên ngưỡng thời gian và ngưỡng độ dài burst đối với burst sinh ra. Trong trường hợp các gói chịu giới hạn về chất lượng dịch vụ QoS (Quality of Service), như ràng buộc về độ trễ, giải pháp rõ ràng là tập hợp burst theo ngưỡng thời gian. Giá trị ngưỡng thời gian được lựa chọn dựa trên yêu cầu trễ của các gói. Còn trong trường hợp không bắt buộc về độ trễ, việc thiết lập burst theo ngưỡng độ dài tỏ ra hợp lý hơn vì các burst có kích thước cố định sẽ giúp giảm bớt khả năng mất burst do xung đột. Hiện nay do lưu lượng trong mạng có thể thay đổi nên phương pháp tập hợp burst tốt nhất là kết hợp vừa dựa trên ngưỡng thời gian và vừa ngưỡng độ dài burst. 3.2. Báo hiệu Trong mạng chuyển mạch chùm quang, khi một burst được gửi tới một nút lõi, tiến trình báo hiệu được thực hiện trước để đặt trước tài nguyên và cấu hình cho bộ chuyển mạch quang tại mỗi nút đó sao cho phù hợp với burst dữ liệu tương ứng. Tiến trình báo hiệu trong mạng chuyển mạch burst quang được thực hiện bởi các gói điều khiển và các gói này được truyền độc lập với các burst dữ liệu [2]. Có nhiều phương thức báo hiệu khác nhau tùy thuộc vào cách thực hiện và thời gian mà tài nguyên dọc theo đường đi được đặt trước cho burst. Chúng ta có thể phân các loại phương thức báo hiệu như sau: - Theo hướng: đặt trước tài nguyên một chiều, hai chiều hay kết hợp. - Theo vị trí: đặt trước bắt đầu từ nguồn, từ đích hoặc từ nút trung gian. - Khi tài nguyên không sẳn sàng: đặt trước bền vững hay không bền vững. - Theo thời gian: đặt trước tài nguyên tức thời hoặc sau một khoảng thời gian trễ. - Giải phóng tài nguyên: Tường minh hoặc ngầm định. - Theo cách tính toán: Tập trung hoặc phân tán. 3.2.1. Báo hiệu một chiều, hai chiều hay hỗn hợp Đối với sơ đồ báo hiệu một chiều, nút nguồn gửi đi một gói điều khiển yêu cầu mỗi nút trên cùng một tuyến cấp phát tài nguyên cần thiết cho burst dữ liệu và cấu hình chuyển mạch quang tương ứng. Sau đó nguồn sẽ gửi burst dữ liệu đi mà không cần chờ tín hiệu ACK từ nút trung gian hay nút đích tr ả lời về. Vì không cần tín hiệu ACK nên burst dữ liệu có thể gửi đi sớm hơn và giảm độ trễ truyền dẫn đầu – cuối (end-to-end). 11
  12. Chuyên đề 2. Mạng chuyển mạch chùm quang OBS Sơ đồ báo hiệu hai chiều cũng tương tự như báo hiệu một chiều tuy nhiên nút nguồn chờ nhận được tín hiệu ACK phản hồi sau đó mới quyết định có truyền burst đi hay không. Như vậy, nếu việc đặt trước tài nguyên và cấu hình chuyển mạch quang thành công, burst dữ liệu được gửi đi; Ngược lại, nếu bất kỳ nút trung gian nào đó không thể điều tiết được tài nguyên thì tại nút trung gian này sẽ có một thông báo tắc nghẽn được gửi trở lại nguồn để báo rằng việc đặt trước thất bại và nút nguồn sẽ hủy bỏ các liên kết đã đặt trước được thiết lập trước đó trên đường đi tương ứng. Báo hiệu hai chiều tăng độ trễ truyền dẫn đầu – cuối. Phương pháp báo hiệu kết hợp đưa ra giải pháp cân bằng giữa báo hiệu một chiều và hai chiều, đây là phương pháp dự phòng bộ phận. Trong phương pháp báo hiệu kết hợp, việc đặt trước từ nút nguồn tới các nút trung gian trên tuyến được xác nhận bằng tín hiệu ACK, trong khi việc dành riêng từ nút trung gian tới đích sẽ không được xác nhận. Vị trí của nút được chỉ định làm nút trung gian sẽ quyết định khả năng mất hay độ trễ của burst dữ liệu. Nếu nút trung gian được chọn gần với nguồn thì hoạt động của mạng sẽ giống như việc báo hiệu một chiều, và nếu nút trung gian gần về phía đích thì hoạt động giống như việc báo hiệu hai chiều. 3.2.2. Đặt trước tài nguyền bắt đầu từ nguồn, từ đích hoặc từ nút trung gian Đặt trước từ nguồn (source initiated reservation - SIR): Tài nguyên được cấp phát cùng hướng báo hiệu khi gói điều khiển đi từ nguồn về đích. Nếu quá trình đặt trước thành công từ nguồn đến đích, một tín hiệu ACK được gửi ngược từ đích về nguồn chỉ định bước sóng dành riêng mà burst dữ liệu sẽ được truyền đi. Đặt trước từ đích (destination initiated reservation - DIR): Nguồn gửi một yêu cầu đặt trước tài nguyên đến nút đích, yêu cầu này sẽ lựa chọn các bước sóng phù hợp với thông tin trên mỗi liên kết cùng hướng, Dựa trên sự lựa chọn thông tin, nút đích sẽ chọn một bước sóng phù hợp (nếu như nó tồn tại) tương ứng với khoảng thời gian và gửi yêu cầu dành riêng trở về nút nguồn, yêu cầu dành riêng sẽ được chuyển qua các nút trung gian, dành riêng này sẽ được chọn một bước sóng để giữ cho hết thời gian quy định. Nguyên nhân chính gây ra tắc nghẽn (hoặc mất dữ liệu) trong SIR vì thiếu tài nguyên rỗi, trong khi đó đối với DIR việc mất dữ liệu vì thông tin hết hạn. Dành riêng tại nút trung gian (intermediate node initiated reservation - INI): đặc trưng dành riêng tài nguyên của nó giống như DIR từ nguồn đến một vài nút trung gian, và giống như SIR từ nút trung gian đến nút đích. Nhìn chung, để giảm sự mất dữ liệu tại các nút trong hướng thuận, SIR dựa trên sự dành riêng nhiều hơn một bước sóng cho đến khi tới đích và giải phóng những dành 12
  13. Chuyên đề 2. Mạng chuyển mạch chùm quang OBS riêng không cần thiết đối với hướng ngược lại. Cách tiếp cận này có thể dẫn đến việc là làm giảm hiệu năng vì đã phong tỏa hết hướng thuận và thiếu hụt ở nguồn. Ngược lại, DIR dựa trên kỹ thuật chỉ lựa chọn những thông tin sẵn sàng của tất cả các nút trung gian và dựa trên những thông tin đó mà lựa chọn bước sóng. 3.2.3. Đặt trước bền vững (Persistent) hay không bền vững (Non-persistent) Việc đặt trước tài nguyên tại một nút có thể bị tắc nghẽn tạm thời; kỹ thuật báo hiệu do đó có thể hoặc chờ đợi cho đến khi hết tắc nghẽn (Persistent) hoặc thông báo tắc nghẽn ngay lập tức (Non-persistent). Trong cách tiếp cận bền vững, gói điều khiển chờ cho đến khi tài nguyên rỗi và chọn bước sóng sao cho việc mất dữ liệu nhỏ nhất. Trong trường hợp này, giả định mỗi nút biên và lõi đều có bộ đệm (buffer) dành riêng để “lưu” tạm thời burst đến. Trong cách tiếp cận không bền vững, ràng buộc là độ trễ (thời gian trễ đầu-cuối nhỏ nhất); vì vậy yêu cầu tài nguyên là thất bại nếu không có giải pháp giải quyết tranh chấp phù hợp. 3.2.4. Đặt trước tức thời hay đặt trước sau một thời gian trễ Hình 8. Quá trình đặt trước tức thời và sau một thời gian trễ Như mô tả ở hình 8, dựa trên khoảng cách giữa gói điều khiển và burst đến, kỹ thuật báo hiệu có thể thực hiện đặt trước tài nguyên tức thời hoặc sau một khoảng thời gian trễ. Trong kỹ thuật đặt trước tức thời, kênh (tài nguyên) sẽ được dành riêng ngay lập tức khi gói điều khiển đến các nút. Ngược lại đối với kỹ thuật đặt trước sau khoảng thời gian trễ, các kênh được đặt chổ dựa trên thời gian thực tế của burst dữ liệu đến tại nút đó. Để sử dụng kỹ thuật đặt trước sau khoảng thời gian trễ, gói điều khiển phải được gửi đi trước burst dữ liệu một khoảng thời gian offset. Ví dụ của đặt trước tức thời là giao thức JIT (Just-In-Time), trong khi giao thức JET (Just-Enough-Time) dùng kỹ thuật đặt trước sau khoảng thời gian trễ. Nhìn chung đặt trước tức thời đơn giản và có thể thực hiện ngay lập tức nhưng dễ tạo ra tắc nghẽn lớn, ảnh hưởng đến hiệu quả sử dụng băng thông trên toàn mạng. Ngược lại đặt trước sau khoảng thời gian trễ giải quyết được tình trạng trên một cách hiệu quả. 13
  14. Chuyên đề 2. Mạng chuyển mạch chùm quang OBS 3.2.5. Giải phóng tài nguyên tường minh hoặc ngầm định Giải phóng tài nguyên có thể thực hiện bằng hai cách đó là giải phóng ngầm định và giải phóng tường minh. Trong đó kỹ thuật giải phóng tường minh, một gói điều khiển riêng biệt theo sau burst dữ liệu từ nguồn đến đích để giải phóng hoặc kết thúc việc sử dụng tài nguyên đã được đặt trước. Ngược lại kỹ thuật giải phóng ngầm định thì gói điều khiển (BHP) phải mang thêm thông tin như là độ dài khối dữ liệu và độ lệch thời gian giữa gói điều khiển và burst dữ liệu để tại nút đó biết được thời gian để giải phóng tài nguyên dành trước. Đối với hai cách giải phóng tài nguyên đặt trước trên thì giải phóng tài nguyên tường minh phức tạp, chiếm dụng băng thông và làm tăng số lượng gói thông báo ở trong mạng. 3.2.6. Kỹ thuật báo hiệu tập trung hay phân tán Trong kỹ thuật báo hiệu tập trung một máy chủ chuyên dụng chịu trách nhiệm thiết lập các thông số như định tuyến, cấp phát bước sóng cho burst dữ liệu đối với tất cả các cặp nút trên mạng. Trong kỹ thuật báo hiệu phân tán, mỗi nút mạng có một bộ lập lịch gán một kênh ra cho mỗi gói tin điều khiển đến theo kiểu phân tán. Kỹ thuật phân tán thích hợp cho những mạng quang lớn và dữ liệu dưới dạng chùm, ngược lại kỹ thuật tập trung chỉ thích hợp những mạng nhỏ có lưu lượng ít. 3.3. Định tuyến Định tuyến để chỉ sự lựa chọn đường đi cho một kết nối để thực hiện việc gửi dữ liệu. Định tuyến chỉ ra hướng dịch chuyển của các gói (dữ liệu), từ nguồn đến đích và qua các nút trung gian; thiết bị chuyên dùng cho việc định tuyến là bộ định tuyến (router). Quá trình định tuyến chỉ hướng đi thường dựa vào bảng định tuyến, bảng chứa các lộ trình tốt nhất đến các đích khác nhau trên mạng. Vì vậy việc xây dựng bảng đinh tuyến, được tổ chức trong bộ nhớ của bộ định tuyến, trở nên vô cùng quan trọng cho hiệu quả của việc định tuyến [2]. Trong mạng quang, người sử dụng liên lạc với nhau qua các kênh quang gọi là các lightpath. Kênh quang là một đường đi của tín hiệu ánh sáng từ nguồn đến đích và qua các nút trung gian. Trong mạng quang không sử dụng bộ chuyển đổi bước sóng, kênh quang phải sử dụng cùng một bước sóng từ nguồn đến đích (gọi là ràng buộc tính liên tục của bước sóng). Khi có yêu cầu thiết lập một kết nối, bộ định tuyến bước sóng WR (Wavelenght Router) phải sử dụng một giải thuật được chọn từ trước để xác định một cổng ra và bước sóng tương ứng. Sự lựa chọn bước sóng đóng vai trò rất quan trọng đối với xác suất tắc nghẽn trên toàn mạng sau này. Vì vậy một bộ định tuyến bước sóng phải tìm ra kênh quang và thực hiện gán bước sóng sao cho xác suất tắc nghẽn là tối thiểu. Đây là loại bài toán quan trọng trong việc thiết kế các mạng toàn quang. 14
  15. Chuyên đề 2. Mạng chuyển mạch chùm quang OBS Bài toán định tuyến và cấp phát bước sóng RWA (Routing and Assignment Wavelenght) được chia làm hai loại: - Bài toán định tuyến và cấp phát bước sóng RWA dành cho lưu lượng mạng cố định (static traffic). Với loại bài toán này, các yêu cầu về lightpath được biết trước; tất cả mọi đường đi và bước sóng gán cho các lightpath được thiết lập cố định từ trước (ví dụ như các yêu cầu kết nối từ nút này đến nút khác là không đổi, tính theo đơn vị kênh quang; xét trên toàn mạng ta có một ma trận hằng ∗ , trong đó là tổng số nút trên mạng). Khi có một yêu cầu kết nối, một đường đi và bước sóng đã chỉ định từ trước được cấp cho yêu cầu tương ứng. Vì vậy, qui trình định tuyến và gán bước sóng là cố định, không thay đổi theo thời gian. Với loại bài toán này, công việc thực hiện là không phức tạp, chỉ đơn giản là tìm đường đi nào đó cho một kênh quang. Mục đích của phương pháp này là cực đại dung lượng băng thông mạng có thể sử dụng, tức là cực đại số kênh quang có thể thiết lập đồng thời. - Bài toán định tuyến và cấp phát bước sóng RWA dành cho lưu lượng mạng thay đổi (dynamic traffic). Trong mạng quang định tuyến bước sóng, các yêu cầu về kênh quang đến theo một quy trình riêng biệt và thời gian thực hiện các yêu cầu này cũng theo một qui luật riêng. Với dạng lưu lượng mạng thay đổi thì cần có một giải thuật động để thiết lập các kênh quang qua các đường đi khác nhau dựa vào khả năng tắc nghẽn trên các tuyến truyền dẫn. Từ đó giải thuật cho bài toán định tuyến và cấp phát bước sóng RWA phải dựa vào trạng thái hiện thời của mạng để xác định đường đi cho mỗi yêu cầu thiết lập kênh quang. Một trong những thách thức để giải quyết bài toán định tuyến và gán bước sóng với lưu lượng mạng thay đổi là phát triển các giải thuật và giao thức để thiết lập các kênh quang, nhằm hạn chế đến mức thấp nhất xác suất tắc nghẽn trong mạng (tức là số yêu cầu kết nối sẽ bị từ chối trên tổng số yêu cầu), nâng cao hiệu suất sử dụng tài nguyên (cùng một lượng dây truyền dẫn (fiber), nút và bộ chuyển đổi bước sóng,… có thể tạo ra nhiều kênh quang nhất) và cải thiện tổng hiệu năng của mạng (hiệu năng = xác suất tắc nghẽn của mạng + độ phức tạp của giải thuật). Một phương pháp đơn giản là dựa vào giải thuật tìm đường đi ít bị nghẽn nhất để thiết lập các kênh quang động. Trong giải thuật này, một kênh quang được thiết lập trên đường đi ít bị nghẽn nhất từ tập các kênh quang khác nhau giữa cặp nguồn - đích. Bước sóng được cấp phát là bước sóng đầu tiên còn rỗi giữa những tuyến liên kết trên đường đi này. 3.4. Lập lịch chùm (burst) Trong mạng chuyển mạch chùm quang một vấn đề quan trọng khác là lập lịch cho chùm. Khi một gói điều khiển đến một nút, một thuật toán lập lịch được gọi ra để gán chùm chưa được lập lịch với một kênh dữ liệu trên liên kết ra. Dựa vào thông tin trong 15
  16. Chuyên đề 2. Mạng chuyển mạch chùm quang OBS gói điều khiển, bộ lập lịch biết được thời gian đến, thời gian kết thúc của chùm (do đó biết được độ dài chùm). Bên cạnh đó, bộ lập lịch duy trì thời gian chưa lập lịch khả dụng gần nhất LAUT (Lastest Available Unscheduled Time), các khoảng hở (gap1) và các khoảng trống (voids2) trên mỗi kênh dữ liệu ra. Những thông tin này cho phép bộ lập lịch tại các nút xác định được kênh bước sóng thích hợp nhất dành cho chùm dữ liệu nhờ giải thuật lập lịch của bộ lập lịch [2]. Mục đích chính của các giải thuật lập lịch là sắp xếp được thật nhiều chùm trên cùng một kênh bước sóng để tối ưu hóa băng thông sử dụng và giảm số lượng chùm mất. Nếu việc lập lịch không thể thực hiện được tại thời điểm chùm đến thì chùm có thể được làm trễ một khoảng thời gian nhờ sử dụng đường trễ FDL để có thể được lập lịch sau, nếu không chùm sẽ bị mất. Thêm vào đó bộ lập lịch cần sử dụng những giải thuật đơn giản hơn là các giải thuật phức tap bởi vì các nút định tuyến hoạt động với tốc độ rất cao và xử lý một số lượng rất lớn chùm dữ liệu. Một giải thuật phức tạp có thể dẫn đến tình trạng mất chùm, khi mà chùm dữ liệu đến trước khi gói tin điều khiển của chùm đó được xử lý xong. 3.4.1. Phân loại các giải thuật lập lịch Các giải thuật lập lịch cho kênh dữ liệu có thể được phân thành 2 loại: lấp đầy khoảng trống và không lấp đầy khoảng trống. Các giải thuật khác nhau chủ yếu ở kiểu, điều kiện chọn kênh và số lượng thông tin trạng thái được duy trì tại một nút trên mỗi kênh. Trong các giải thuật lập lịch kênh dữ liệu mà không lấp đầy khoảng trống, LAUT trên mỗi kênh dữ liệu ( = 0, 1, . . . , − 1) được duy trì trong bộ lập lịch kênh. Các giải thuật lấp đầy khoảng trống, thời điểm bắt đầu và thời điểm kết thúc được duy trì đối với mỗi chùm trên mỗi kênh dữ liệu, trong đó = 0, 1, . . . , − 1 là kênh dữ liệu thứ và = 0. . . là chùm thứ trên kênh . Các thông tin sau được sử dụng bởi bộ lập lịch cho hầu hết các giải thuật lập lịch: : độ dài chùm đến chưa được lập lịch. - : thời điểm đến của chùm chưa lập lịch. - : số kênh dữ liệu ra tối đa. - : số chùm dữ liệu tối đa đã lập lịch trên một kênh dữ liệu. - : kênh dữ liệu ra thứ . - 1 Khoảng thời gian giữa thời gian đến của burst chưa được lập lịch và thời gian kết thúc của burst sau cùng đã được lập lịch trên kênh dữ liệu. 2 Khoảng thời gian không dùng đến giữa 2 burst đã được lập lịch trên kênh dữ liệu. 16
  17. Chuyên đề 2. Mạng chuyển mạch chùm quang OBS - LAUT : thời điểm chưa lập lịch khả dụng gần nhất của kênh dữ liệu thứ ( = 0, 1, . . . , − 1) đối với các giải thuật không lấp đầy khoảng trống. và : thời điểm bắt đầu và kết thúc của mỗi chùm đã lập lịch trên mỗi - kênh dữ liệu đối với các giải thuật lập lịch lấp đầy khoảng trống. và LAUT đối : nếu kênh là khả dụng thì là khoảng thời gian giữa - với các giải thuật lập lịch không lấp đầy khoảng trống và chính là sự khác nhau giữa và của chùm sau cùng đã lập lịch trước đối với các giải thuật lập lịch lấp đầy khoảng trống. Thông tin khoảng hở được dùng để chọn một kênh trong trường hợp có hơn một kênh rỗi; ngược lại nếu kênh không khả được gán bằng 0. dụng thì 3.4.2. Các giải thuật lập lịch không xét đến lấp đầy khoảng trống Có hai giải thuật lập lịch không xét đến lấp đầy khoảng trống: FFUC ( First Fit Unscheduled Channel) và LAUC (Lastest Available Unused Channel). Hình 9. Minh họa các giải thuật lập lịch không xét đến lấp đầy khoảng trống Đối với loại giải thuật này, chúng ta cần lưu ý đến 2 tham số: thời điểm đến của chùm so với thời điểm kết thúc của chùm sau cùng nhất LAUT (Latest Available Unscheduled Time) trên kênh dữ liệu thứ . Nếu LAUT ≤ t , kênh thứ mới được xem xét cho việc lập lịch chùm đến. Như mô tả ở hình 9, rõ ràng chỉ có kênh D và D là được xem xét vì thỏa mãn điều kiện LAUT ≤ t và LAUT ≤ t . 17
  18. Chuyên đề 2. Mạng chuyển mạch chùm quang OBS 3.4.2.1. Giải thuật lập lịch FFUC Giải thuật FFUC chọn kênh khả dụng đầu tiên được tìm thấy sẽ lập lịch cho chùm đó. Như mô tả ở hình 9, kênh D được chọn vì đó là kênh đầu tiên được tìm thấy thỏa mãn điều kiện LAUT ≤ t . Độ phức tạp của giải thuật FFUC là O(log (W)). Ưu điểm của giải thuật này là tính đơn giản và giải thuật cần duy trì chỉ một giá trị (LAUT ) cho mỗi kênh. Bên cạnh đó hạn chế của FFUC là sử dụng kênh thấp và xác suất rơi chùm cao do FFUC không xem xét đến các khoảng thời gian trống tạo ra giữa các chùm trên mỗi kênh dữ liệu. 3.4.2.2. Giải thuật lập lịch LAUC Giải thuật LAUC chọn kênh mà khoảng cách (khoảng ) giữa chùm đến và chùm đã được lập lịch sau cùng nhất là tối thiểu. Như mô tả ở hình 9, kênh D được chọn vì thỏa mãn điều kiện LAUT ≤ t và = − là nhỏ nhất. Vì vậy giải thuật LAUC tăng việc tận dụng băng thông bằng cách tối thiểu hóa các khoảng trống tạo ra giữa các chùm. Độ phức tạp của giải thuật LAUC là O(log(W)). Trong trường hợp không có kênh khả dụng để lập lịch cho chùm thì cả hai giải thuật FFUC và LAUC đều không thực hiện được. Lúc này, ta phải sử dụng đường trễ FDL để tránh bị mất chùm. 3.4.3. Các giải thuật lập lịch có xét đến lấp đầy khoảng trống Trên cở sở 2 giải thuật không xét đến lấp đầy khoảng trống, 2 giải thuật tương tự có xét đến lấp đầy khoảng trống ( Void-Filling) đã được đề nghị: FFUC-VF và LAUC-VF [2]. Hình 10. Minh họa các giải thuật lập lịch có xét đến lấp đầy khoảng trống , Đối với loại giải thuật này, bộ lập lịch duy trì thời điểm bắt đầu và kết thúc của các chùm đã lập lịch trên tất cả các kênh (trong đó = 0. . . − 1, là tổng số 18
  19. Chuyên đề 2. Mạng chuyển mạch chùm quang OBS kênh, và = 1, ⋯ , là tổng số burst đang được lập lịch trên một kênh). Như mô tả ở hình 10, kênh D và D là được xem xét vì thỏa mãn điều kiện ≤ và ≥ + , = 0. . .3. 3.4.3.1. Giải thuật lập lịch FFUC-VF Giải thuật lập lịch FFUC-VF duy trì thời điểm bắt đầu và kết thúc cho mỗi chùm dữ liệu đã được lập lịch trên mỗi kênh dữ liệu. Mục đích của giải thuật này là tận dụng các khoảng trống giữa hai chùm dữ liệu đã được lập lịch trước đó. Kênh đầu tiên với một khoảng trống phù hợp sẽ được chọn để lập lịch cho chùm đến. Như mô tả ở hình 10, kênh D được chọn vì thỏa mãn điều kiện ≤ ≥ + . Nếu là số và chùm đã lập lịch trên mỗi kênh dữ liệu thì giải thuật tìm kiếm nhị phân có thể được sử dụng để kiểm tra xem một kênh có thể chọn được hay không. Do đó, độ phức tạp giải thuật FFUC-VF là O(log(W ∗ N ). 3.4.3.2. Giải thuật lập lịch LAUC-VF Trong cả hai giải thuật lập lịch FFUC và LAUC, các khoảng trống giữa 2 chùm trên mỗi kênh dữ liệu chưa được tận dụng để lập lịch cho một chùm đến. Giải thuật LAUC- VF (có tên gọi khác là Min-SV, Minimum End Void) tương tự như LAUC ngoài trừ các khoảng trống có thể được lập lịch bằng các chùm đến. Giải thuật lập lịch LAUC- VF duy trì thời điểm bắt đầu và thời điểm kết thúc cho mỗi chùm dữ liệu được lập lịch trên mỗi kênh dữ liệu. Mục đích của giải thuật này là tận dụng các khoảng trống giữa hai chùm đã được lập lịch. Như mô tả ở hình 10, dựa vào thời gian đến và thời gian kết thúc của chùm thì tất cả các kênh D , D , D , D đều khả dụng để lập lịch cho chùm đến. Ngoài ra ta thấy kênh D có − là nhỏ nhất vì vậy kênh D sẽ được chọn để lập lịch cho chùm đến. 3.5. Giải quyết tranh chấp Trong mạng chuyển mạch chùm quang, cũng như các mạng chuyển mạch gói khác, tồn tại khả năng một chùm có thể tranh chấp với một chùm khác tại một nút. Sự tranh chấp sẽ xảy ra nếu nhiều chùm đến từ nhiều cổng vào khác nhau được định trước cho cùng một cổng ra tại cùng thời điểm. Điển hình của việc giải quyết tranh chấp trong các mạng chuyển mạch gói điện tử truyền thống được quản lý thông qua bộ đệm, tuy nhiên trong lĩnh vực quang, việc sử dụng bộ đệm tại các nút đang gặp khó khăn (về mặt công nghệ). Để giải quyết tình trạng tranh chấp và việc mất chùm, một số phương pháp cơ bản sau có thể sử dụng: thay đổi thời gian đến của chùm dữ liệu bằng cách sử dụng các đường trễ quang FDL (Fiber Delay Link), thay đổi bước sóng ra của chùm bằng cách sử dụng bộ chuyển đổi bước sóng hay thay đổi cổng ra của chùm bằng cách định tuyến lệch hướng (Deflection Routing). 19
  20. Chuyên đề 2. Mạng chuyển mạch chùm quang OBS 3.5.1. Sử dụng các đường trễ quang FDL Cách tiếp cận này là cố gắng làm trì hoãn thời gian ra của chùm cho đến khi một kênh nào đó rảnh. Trong các mạng chuyển mạch gói điện tử truyền thống, việc được thực thi bằng cách lưu trữ các gói trong các bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên RAM (Random Access Memory). Tuy nhiên, bộ đệm như RAM không thực sự hiện hữu trong lĩnh vực mạng quang. Do đó, các đường trễ FDL có thể được sử dụng để làm trễ các chùm ra trong một khoảng thời gian xác định. Phương pháp này mang lại khả năng mất mát chùm thấp hơn, nhưng nó không đảm bảo thứ tự các chùm một cách chính xác. Chú ý rằng, trong bất kỳ kỹ thuật sử dụng bộ đệm quang nào, kích thước của các bộ đệm bị giới hạn rất nghiêm ngặt, không những bởi chất lượng tín hiệu mà còn bởi sự giới hạn về không gian vật lý. Để làm trễ một chùm với thời gian 1 chúng ta cần đến hơn 200 cáp quang. Bộ đệm quang có thể được phân thành các loại như sau: - Bộ đệm FDL một chiều (Feed-forward): sau khi ra khỏi bộ đệm, chùm được truyền thẳng đến một trong số các ngõ ra của nút. - Bộ đệm FDL có phản hồi (Feedback): sau khi ra khỏi bộ đệm, chùm không chỉ đi đến cổng ra mà còn có thể được truyền ngược (quay lại) về đường dây trễ ban đầu. - Bộ đệm FDL lai (Hybrid): là sự kết hợp của hai loại bộ đệm trên. 3.5.2. Chuyển đổi bước sóng Trong WDM, nhiều bước sóng có thể được truyền trên một đuờng dây nối giữa hai chuyển mạch quang. Nhiều bước sóng có thể được khai thác để cực tiểu hóa các tranh chấp như: giả sử 2 chùm được dành riêng để đi ra trên cùng cổng ra tại cùng thời điểm; cả 2 chùm khi đó có thể vẫn được truyền đi nhưng trên 2 bước sóng khác nhau. Phương pháp này có thể cực tiểu hóa các sự tranh chấp chùm, vì vậy số lượng của các bước sóng mà chúng có thể được kết hợp với nhau trên một liên kết đơn tiếp tục tăng một cách đặc biệt. Ví dụ, một liên kết có thể chứa từ 160 đến 320 bước sóng trong một tương lai gần. Quá trình chuyển đổi bước sóng là quá trình chuyển đổi bước sóng của một kênh vào thành một bước sóng khác trên một kênh ra. Các bộ chuyển đổi bước sóng là các thiết bị mà chúng chuyển đổi một tín hiệu của bước sóng vào thành một bước sóng ra khác. Với cách này cho phép tăng khả năng sử dùng lại các bước sóng hiệu quả hơn, 20
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2