Luận văn nghiên cứu hoạt động của mạng chuyển mạch chùm quang

Chia sẻ: To Xuan Tuan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:134

Thêm vào BST

Báo xấu

191
lượt xem 49
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn này trình bày các kết quả nghiên cứu về Chuyển mạch chùm quang (OBS), một giải pháp mới đầy hứa hẹn cho mạng Internet quang thế hệ sau. Bản luận văn gồm có 4 chương: Chương 1 giới thiệu chung về chuyển mạch quang, phân loại chuyển mạch quang, một số khái niệm về chuyển mạch chùm quang làm cơ sở cho các nội dung trong các chương tiếp theo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn nghiên cứu hoạt động của mạng chuyển mạch chùm quang

Bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o tæng c«ng ty b−u chÝnh viÔn th«ng viÖt nam Häc viÖn C«ng nghÖ b−u chÝnh viÔn th«ng -------------------------------------- NguyÔn LA GIANG Nghiªn cøu ho¹t ®éng cña m¹ng chuyÓn m¹ch chïm quang LuËn v¨n TH¹C SÜ kü thuËt Hµ néi - 2003
Bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o tæng c«ng ty b−u chÝnh viÔn th«ng viÖt nam Häc viÖn C«ng nghÖ b−u chÝnh viÔn th«ng -----------------------***----------------------- NGUYỄN LA GIANG NGHIÊN CỨU HOẠT ĐỘNG CỦA MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG Chuyên ngành : Điện tử - Viễn thông LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Ng−êi h−íng dÉn Khoa häc: TS. LÊ HỮU LẬP TS. LÊ NGỌC GIAO Hµ néi - 2003
-i- Lời cám ơn Cho phép tôi được bày tỏ lòng cám ơn chân thành tới những người đã giúp đỡ tôi trong thời gian nghiên cứu hoàn thành bản luận văn này. Trước hết xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Lê Hữu Lập và TS. Lê Ngọc Giao, hai thầy đã tận tình hướng dẫn giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn. Xin bày tỏ lòng biết ơn đối với sự giúp đỡ của các thầy, cô giáo trong Học Viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, đặc biệt là các thầy, cô tham gia giảng dạy lớp Cao học Điện tử - Viễn thông khoá II đã cung cấp kiến thức tạo tiền đề cho tôi hoàn thành luận văn. Xin chân thành cám ơn các đồng nghiệp trong Phòng Nghiên cứu kỹ thuật Chuyển mạch - Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện đã luôn tạo điều kiện thuận lợi, hỗ trợ tôi trong quá trình thực hiện luận văn. Cuối cùng, xin chân thành cám ơn gia đình và bạn bè đã động viên, quan tâm, giúp đỡ tôi hoàn thành bản luận văn này. Hà nội, tháng 07 năm 2003 Nguyễn La Giang
-ii- Mục lục Lời cám ơn ........................................................................................................ i Danh mục hình vẽ............................................................................................ v Danh mục bảng .............................................................................................. vii Thuật ngữ và chữ viết tắt ............................................................................ viii Mở đ ầ u ....................................................................................................... 1 Chương 1. Giới thiệu ..................................................................................... 3 1.1 Chuyển mạch quang...................................................................... 3 1.1.1 Chuyển mạch kênh quang ............................................................. 7 1.1.2 Chuyển mạch gói quang ............................................................... 9 1.1.3 Chuyển mạch chùm quang .......................................................... 11 1.2 Một số khái niệm cơ bản của chuyển mạch chùm quang ........... 18 1.2.1 Offset của chùm .......................................................................... 18 1.2.2 Các phương thức đặt trước bước sóng ....................................... 20 1.2.3 Giải quyết xung đột ..................................................................... 22 1.3 Các mô hình phân tích mạng OBS ............................................. 23 Chương 2. Các giao thức truy nhập cho mạng Ring OBS ....................... 25 2.1 Giới thiệu chung ......................................................................... 25 2.2 Các phương thức chuyển mạch chùm quang .............................. 25 2.3 Cấu trúc mạng ............................................................................. 28 2.3.1 Cấu trúc Ring và nút ................................................................... 28 2.3.2 Hoạt động của bước sóng điều khiển ......................................... 30 2.4 Các giao thức OBS ..................................................................... 32 2.4.1 Round-Robin với lựa chọn ngẫu nhiên (RR/R) ........................... 33 2.4.2 Round-Robin với phục vụ liên tục (RR/P) .................................. 34
-iii- 2.4.3 Round-Robin với phục vụ không liên tục (RR/NP) ..................... 36 2.4.4 Round-Robin có các Token (RR/Token) ..................................... 36 2.4.5 Round-Robin có xác nhận (RR/ACK) ......................................... 37 2.5 Phương pháp so sánh các giao thức ............................................ 39 2.5.1 Chất lượng hoạt động của các giao thức với ODD Offset ......... 41 2.5.2 JET và ODD................................................................................ 45 2.5.3 TAW và ODD .............................................................................. 46 2.5.4 Lưu lượng không đối xứng .......................................................... 46 2.6 Tóm tắt ........................................................................................ 47 Chương 3. Nút biên của mạng lưới WDM OBS ....................................... 48 3.1 Tiến trình đến của chùm ............................................................. 48 3.1.1 Mô tả mô hình ............................................................................. 48 3.1.2 Khoảng thời gian của chùm ........................................................ 49 3.1.3 Thời gian giữa các lần đến của chùm......................................... 50 3.1.4 Các tham số điều khiển ............................................................... 52 3.2 Nút biên của mạng OBS ............................................................. 53 3.2.1 Tổng quan ................................................................................... 53 3.2.2 Nút OBS biên .............................................................................. 54 3.2.3 Mô hình mạng hàng đợi của nút OBS biên................................. 57 3.2.4 Phân tích mạng hàng đợi một loại lưu lượng không có bộ chuyển đổi bước sóng .............................................................................. 61 3.2.5 Phân tích mạng hàng đợi một loại lưu lượng có bộ chuyển đổi 67 3.2.6 Phân tích về mạng hàng đợi nhiều loại lưu lượng có hoặc không có các bộ chuyển đổi ................................................................... 67 3.2.7 Các trường hợp giới hạn ............................................................ 74 3.3 Nút biên với số lượng lớn các bộ chuyển đổi ............................. 77 3.3.1 Các vấn đề khi số lượng bước sóng lớn ..................................... 77
-iv- 3.3.2 Phân tích về mạng hàng đợi một loại lưu lượng ........................ 80 3.3.3 Phân tích mạng hàng đợi nhiều loại lưu lượng .......................... 85 3.3.4 Các nhận xét đánh giá ................................................................ 87 Chương 4. Khả năng ứng dụng của chuyển mạch chùm quang trong mạng viễn thông thế hệ sau ...................................................... 89 4.1 Chuyển mạch chùm quang: giải pháp thích hợp cho mạng đường trục Terabit IP ............................................................................. 89 4.1.1 Mô tả chung ................................................................................ 89 4.1.2 Các công nghệ chuyển mạch cho WDM ..................................... 90 4.1.3 Cơ cấu cho IP-over-WDM sử dụng OBS .................................... 92 4.1.4 Các cơ chế QoS của IP ............................................................. 100 4.1.5 Khả năng sử dụng mạng và xác suất nghẽn chùm ................... 101 4.2 Triển vọng của chuyển mạch chùm quang trong các mạng đường trục và mạng diện rộng sử dụng IP ........................................... 102 4.2.1 Chuyển mạch chùm quang trong các mạng đường trục ........... 103 4.2.2 Chuyển mạch chùm quang trong các mạng diện rộng ............. 109 4.3 Hiện trạng của công nghệ chuyển mạch quang ........................ 112 4.4 Nhận xét tóm tắt ........................................................................ 114 Kết luận ................................................................................................... 116 Tài liệu tham khảo ...................................................................................... 118
-v- Danh mục hình vẽ Hình 1.1 : Khái niệm chuyển mạch chùm ................................................................... 12 Hình 1.2 : Cấu trúc hệ thống chuyển mạch chùm quang ............................................ 15 Hình 1.3 : Vận hành của hệ thống chuyển mạch chùm quang .................................... 16 Hình 1.4 : 4 kiểu phương thức đặt trước bước sóng ................................................... 21 Hình 2.1 : Tính toán Offset trong giao thức JET OBS ............................................... 26 Hình 2.2 : Vòng ring OBS của mạng MAN ................................................................ 28 Hình 2.3 : Kiến trúc nút OBS (Các đường trễ không được chỉ ra ở đây) ................... 29 Hình 2.4 : Cấu trúc của khung điều khiển................................................................... 31 Hình 3.1 : Tiến trình đến của chùm ............................................................................ 48 Hình 3.2 : Server Coxy 2 cấp (2-stage) ....................................................................... 50 Hình 3.3 : Mối quan hệ giữa các biến ngẫu nhiên A, B và I ....................................... 50 Hình 3.4 : Người sử dụng được kết nối tới hệ thống chuyển mạch biên của mạng OBS............................................................................................................ 54 Hình 3.5 : Các bản tin báo hiệu trong JumpStart ........................................................ 57 Hình 3.6 : Mô hình mạng hàng đợi các hệ thống con của hệ thống chuyển mạch biên không có bộ chuyển đổi ............................................................................. 59 Hình 3.7 : Sơ đồ tốc độ chuyển trạng thái của nút i với i=1, ..., P trong mạng hàng đợi ở Hình 3.6 ............................................................................................ 62 Hình 3.8 : Mô hình hàng đợi của hệ thống chuyển mạch biên với một cổng ra "bận rộn" ............................................................................................................ 75 Hình 3.9 : Mô hình hàng đợi của hệ thống chuyển mạch biên ................................... 81 Hình 3.10 : Sơ đồ chuyển trạng thái của nút ............................................................... 83 Hình 4.1: Mạng trục truyền dẫn IP-over-OBS WDM sử dụng MPLS ....................... 92 Hình 4.2 : Các chức năng tại kết nối chéo quang hỗ trợ OBS và MPLS .................... 95 Hình 4.3 : Giao diện MAC giữa các lớp IP và OBS WDM ........................................ 96 Hình 4.4 : Đồng bộ khi kết hợp luồng. ....................................................................... 97 Hình 4.5 : Tạo dạng dữ liệu chùm............................................................................... 98 Hình 4.6 : Xác suất nghẽn chùm ............................................................................... 102
-vi- Hình 4.7 : Cấu hình mạng chuyển tải........................................................................ 103 Hình 4.8 : Các giải pháp sắp xếp giao thức cho chuyển tải các mạng IP trên công nghệ WDM .............................................................................................. 104 Hình 4.9 : Quá trình phát triển dung lượng của router IP ......................................... 106 Hình 4.10 : So sánh hiệu quả của chuyển mạch gói/chùm và bước sóng về phương diện số cổng liên quan với số nút trong mạng đường trục ...................... 107 Hình 4.11 : Mô hình mạng chuyển mạch chùm quang ............................................. 108 Hình 4.12 : Mạng ring diện rộng............................................................................... 111
-vii- Danh mục bảng Bảng 2.1 : Các giao thức OBS được L.Xu sử dụng trong mô phỏng ......................... 39 Bảng 3.1 : Ký hiệu được sử dụng trong phân tích ...................................................... 61 Bảng 3.2 : Ma trận tốc độ chuyển vị Q của nút .......................................................... 82 Bảng 4.1 : So sánh các công nghệ chuyển mạch có liên quan đến WDM .................. 92
-viii- Thuật ngữ và chữ viết tắt ABT ATM Block Transfer Truyền khối ATM ACK Acknowledgement Xác nhận ATM Asynchronous Transfer Phương thức chuyển giao không Mode đồng bộ BHC Burst Header Cell Tế bào header của chùm BSE Burst Switch Element Phần tử chuyển mạch chùm CTL Control Unit Bộ phận điều khiển DiffServ Differentiated Service Dịch vụ phân biệt DWDM Density Wavelength Division Ghép kênh phân chia bước sóng Multiplexing mật độ cao FCFS First Come First Service Kiểu đến trước phục vụ trước FEC Forwarding Equivalence Lớp chuyển tiếp tương đương Class FDDI Fiber Distributed Data Trao đổi dữ liệu phân tán trên cáp Interchange quang FIFO First In First Out Vào trước ra trước FTTR Fixed Transmitter Tunable Phát cố định thu điều chỉnh được Receiver HAM Heuristic Aggregation Phương pháp tìm kiếm kết hợp Method HDTV High Density Television Truyền hình có độ phân giải cao IBM International Business Hãng sản xuất máy tính IBM Machine Corp. IOM Input/Output Modul Mô đun vào/ra
-ix- IP Internet Protocol Giao thức Internet IPP Interrupted Poisson Process Tiến trình Poisson dừng JET Just Enough Time Phương thức Thời gian vừa đủ JIT Just In Time Phương thức theo thời gian LIB Label Information Base Cơ sở thông tin nhãn LSP Label Switched Path Đường chuyển mạch nhãn MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập trung gian MAN Metropolitan Area Network Mạng thành phố MEMS Micro-Electronic-Mechanical Các hệ thống vi điện-cơ Systems MPLS MultiProtocol Label Chuyển mạch nhãn đa giao thức Switching MP λS MultiProtocol Lambda Chuyển mạch bước sóng đa giao Switching thức NGI the Next Generation Mạng thông tin thế hệ sau Information network OADM Optical Add-Drop Bộ ghép kênh xen-tách quang Multiplexer OBS Optical Burst Switching Chuyển mạch chùm quang OCBS Optical Composite Burst Chuyển mạch chùm quang kết hợp Switching ODD Only Destination Delay Giao thức Chỉ có trễ ở đích ODL Optical Delay Line Đường trễ quang OPS Optical Packet Switching Chuyển mạch gói quang QoS Quanlity of Service Chất lượng dịch vụ RAM Random Access Memory Bộ nhớ truy nhập ngẫu nhiên
-x- RR/ACK Round-Robin with Round-Robin có xác nhận Acknowledgement RR/NP Round-Robin with Non- Round-Robin với phục vụ không Persistent Service liên tục RR/P Round-Robin with Persistent Round-Robin với phục vụ liên tục Service RR/R Round-Robin with Random Round-Robin với lựa chọn ngẫu Selection nhiên RR/Token Round-Robin with Tokens Round-Robin có các Token SDH Synchronous Digital Phân cấp số đồng bộ Hierarchy SONET Synchronous Optical Mạng quang đồng bộ Network TAG Talk and Go Phương thức Nói và Đi TAW Tell and Wait Phương thức Nói và Chờ TDM Time Division Multiplexing Kỹ thuật ghép kênh theo thời gian VCI Virtual Circuit Identifier Bộ nhận dạng kênh ảo WAN Wide Area Network Mạng diện rộng WDM Wavelength Division Kỹ thuật ghép kênh phân chia bước Multiplexing sóng WR-OBS Wavelength-routed OBS Chuyển mạch chùm quang định tuyến bước sóng
-1- Mở đầu Luận văn này trình bày các kết quả nghiên cứu về Chuyển mạch chùm quang (OBS), một giải pháp mới đầy hứa hẹn cho mạng Internet quang thế hệ sau. Bản luận văn gồm có 4 chương: Chương 1 giới thiệu chung về chuyển mạch quang, phân loại chuyển mạch quang, một số khái niệm về chuyển mạch chùm quang làm cơ sở cho các nội dung trong các chương tiếp theo. Hiện nay, các nghiên cứu về mạng OBS thường là các mạng quang với cấu hình lưới chứ không phải cấu hình ring. Tuy nhiên, các mạng ring đang chiếm một sự đầu tư lớn của nhiều nhà cung cấp và hiện nay đang được nâng cấp để hỗ trợ WDM. Do vậy, các nghiên cứu về hoạt động của các mạng OBS với cấu hình ring là cần thiết. Chương 2 sẽ nói về mạng OBS với cấu hình Ring. Vòng ring bao gồm N nút và mỗi nút có một bước sóng riêng để truyền các chùm (burst) của nó. Vòng ring vận hành theo phương thức phát cố định, thu điều chỉnh được (FTTR). Thông tin điều khiển được truyền trên một kênh riêng. Một số giao thức truy nhập dùng để giải quyết xung đột giữa các bộ thu. Chương này cũng mô tả chất lượng hoạt động của các giao thức truy nhập được đánh giá qua thông lượng, trễ gói, phân phối đều thông lượng, phân phối đều trễ với các tham số mạng khác nhau là: tốc độ đến trung bình của gói, kích thước cực đại của chùm và kích thước nhỏ nhất của chùm. Phương pháp tính toán để có thể đơn giản hoá một cách đáng kể việc thiết kế giao thức truy nhập và làm giảm trễ gói cho tất cả các giao thức truy nhập cũng được trình bày trong chương này. Chương 3 mô tả tiến trình đến của chùm bằng tiến trình Markov 3 trạng thái. Tiến trình này cho phép mô hình hoá các chùm ngắn và dài cũng như có thể lựa chọn các tham số của mô hình để "bắt giữ" các hành vi của dòng đến. Nút biên được mô hình hoá như là một mạng hàng đợi khép kín, bao gồm các nút đặc biệt với các khách hàng xung quanh. Chương này trình bày các thuật toán cho cả mạng hàng đợi một loại lưu lượng và nhiều loại lưu lượng. Trong trường hợp không có các bộ
-2- chuyển đổi, biểu thức gần đúng cho thông lượng có điều kiện của nút đặc biệt với các khách hàng xung quanh sẽ được đưa ra. Phương pháp phân tách sẽ được sử dụng để phân tích mạng hàng đợi nhiều loại lưu lượng. Cụ thể là mạng hàng đợi nhiều loại lưu lượng được tách thành một tập hợp các mạng hàng đợi hai loại lưu lượng và mỗi một trong số các mạng này sẽ được xử lý bằng phương pháp tìm kiếm kết hợp. Chương này cũng trình bày thuật toán xấp xỉ nhanh để phân tích nút OBS biên với số lượng lớn các bước sóng. Chương 4 đề xuất khả năng ứng dụng của chuyển mạch chùm quang trong mạng viễn thông thế hệ sau. Việc triển khai IP trên WDM nhờ sử dụng OBS cũng như ứng dụng của OBS trong các mạng đường trục Terabit và mạng diện rộng được mô tả cho thấy mức độ và triển vọng áp dụng OBS vào thực tế như thế nào. Phần kết luận của luận văn tóm tắt các kết quả nghiên cứu và đưa ra một số đề xuất về các hướng nghiên cứu trong tương lai.
-3- Chương 1. Giới thiệu 1.1 Chuyển mạch quang Hiện nay, mạng viễn thông đang phát triển theo hướng đa dịch vụ băng rộng nhằm đáp ứng nhu cầu dịch vụ ngày càng tăng của khách hàng. Trong mạng băng rộng tương lai, mỗi thuê bao thay vì truy nhập tới kênh băng hẹp 64 kb/s, được nâng lên truy nhập băng rộng, do đó năng lực xử lý của hệ thống chuyển mạch có thể lên tới hàng chục Tb/s cùng với dung lượng trên mạng chuyển tải chắc chắn sẽ tăng lên. Rõ ràng đây là một bước nhảy lớn và các mạng quang có khả năng đáp ứng được vấn đề này từ góc độ truyền dẫn. Từ những thập niên 70, 80 các tuyến truyền dẫn quang đã phát triển với tốc độ nhanh chóng, cùng với sự mở rộng các tuyến truyền dẫn này thì một câu hỏi đã xuất hiện: Có thể dùng các thiết bị quang không những chỉ để truyền tín hiệu mà còn chuyển mạch các tín hiệu đó hay không? Các kết quả nghiên cứu, thử nghiệm đã chỉ ra rằng có thể chuyển mạch các tín hiệu băng rộng bằng các thiết bị quang, quang- điện tử trên cơ sở lợi dụng tính chất sóng của ánh sáng và một công nghệ chuyển mạch mới ra đời: Chuyển mạch quang. Ở đây cần chú ý là trong chuyển mạch quang vẫn còn dùng khái niệm chuyển mạch quang-điện tử (optoelectronic switching). Khái niệm này thường dùng khi quá trình chuyển mạch được thực hiện kèm theo sự biến đổi quang-điện, điện-quang và chức năng chuyển mạch gần với điện tử hơn là quang. Chuyển mạch quang-điện tử còn là thuật ngữ dùng cho một kỹ thuật lấy mẫu nhanh tín hiệu điện tử do Auston đề xuất với việc nhờ các thiết bị quang tạo ra các xung quang tốc độ rất cao để xử lý các tín hiệu điện tử. Sự khác biệt cơ bản giữa lấy mẫu quang-điện tử và ma trận quang-điện tử là trong ma trận quang-điện tử thì điều khiển là điện tử và tín hiệu là quang, trong khi đó lấy mẫu quang-điện tử thì ngược lại. Theo định nghĩa thì 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 (IOC) được chuyển mạch có lựa chọn từ một mạch này tới một mạch khác. Với chú
-4- ý là: một hệ thống chuyển mạch quang có thể được vận hành nhờ các phương tiện cơ như chuyển dịch một sợi cáp quang tới một sợi cáp quang khác, hay nhờ các hiệu ứng điện-quang, từ-quang hoặc bằng các phương pháp khác. Ngoài ra, các hệ thống chuyển mạch quang tốc độ chậm, như các hệ thống chuyển mạch quang sử dụng việc dịch chuyển cáp quang có thể được sử dụng cho việc định tuyến thay thế đường truyền dẫn quang, ví dụ định tuyến vòng qua một lỗi; các hệ thống chuyển mạch quang tốc độ nhanh như loại sử dụng các hiệu ứng điện-quang hay từ-quang có thể được sử dụng cho việc thực hiện các hoạt động mang tính logic. Khái niệm chuyển mạch photonic (photonic switching) liên quan đến việc điều khiển trực tiếp đường truyền của tín hiệu ánh sáng mà không có bất cứ quá trình biến đổi quang điện nào có nghĩa là việc điều khiển chuyển mạch hoàn toàn bằng quang. Như vậy khái niệm chuyển mạch quang bao hàm cả khái niệm chuyển mạch photonic. Một điểm cần phải nhấn mạnh nữa là chuyển mạch photonic không cạnh tranh hay loại trừ chuyển mạch điện tử truyền thống mà chúng phối hợp, bổ sung cho nhau nhằm khai thác tốt nhất tiềm năng của mạng. Trong những năm gần đây, đã có nhiều nước trên thế giới, đặc biệt là 3 trung tâm viễn thông lớn là Mỹ, Tây Âu và Nhật bản nghiên cứu về vấn đề này đồng thời các khái niệm cũng như thử nghiệm khác nhau về chuyển mạch quang đã được giới thiệu, minh hoạ từng phần trên các tạp chí cũng như các hội nghị khoa học. Chuyển mạch quang có nhiều ưu điểm như dải thông tín hiệu rộng, có thể tách/nhập tín hiệu quang trong kết nối quang không gian tự do, khả năng sử dụng miền tần số TetaHez, tốc độ chuyển mạch cao và loại trừ nhiễu điện từ. Với những lợi thế như vậy chuyển mạch photonic rất phù hợp với các nhu cầu của mạng viễn thông tương lai trong đó ngoài dịch vụ thoại truyền thống còn có rất nhiều dịch vụ băng rộng như điện thoại thấy hình, truyền hình độ phân giải cao HDTV, truyền số liệu tốc độ lớn...
-5- Cũng cần chú ý rằng sự khác biệt giữa chuyển mạch và truyền dẫn đang trở nên không rõ ràng, với việc sử dụng các kết nối chéo số và các bộ ghép kênh xen-tách, lớp truyền dẫn sẽ đảm nhận một số vai trò của lớp chuyển mạch. Do những ưu, nhược điểm của mình, các hệ thống chuyển mạch quang sẽ là những phần tử cần thiết được bố trí tại các nút có thông lượng cao của mạng chuyển tải băng rộng cũng như phục vụ cho các dịch vụ sử dụng băng thông cao. Chuyển mạch quang có nhiều ứng dụng trong mạng vận chuyển tái định tuyến toàn bộ các kênh hay các nhóm kênh mà không cần phân chia thành các đường số liệu riêng biệt. Bằng cách này ta có thể tăng dung lượng, độ linh hoạt và độ tin cậy của mạng trong các hệ thống gồm các kênh nhiều Gigabit được kết hợp, phân chia theo không gian và bước sóng. Các hệ thống chuyển mạch photonic có số cổng ít nhưng dung lượng được chuyển mạch của một cổng lại rất lớn, do vậy chúng thường được bố trí tại các nút có thông lượng cao của mạng, phối hợp với công nghệ SDH và ATM để chuyển mạch các luồng tín hiệu tốc độ từ hàng chục Gb/s đến hàng Tb/s nhằm giải toả lưu lượng, tránh được hiện tượng tắc nghẽn (nút cổ chai), trên cơ sở đó nâng cao hiệu quả sử dụng mạng. Chuyển mạch quang là một trong những thử nghiệm công nghệ để đáp ứng cho nhu cầu phát triển mạng trong giai đoạn tới. Mặc dù gần đây đã có những tiến triển đáng kể nhưng nhiều vấn đề còn phải thực hiện để phát triển các hệ thống chuyển mạch photonic nhằm khắc phục các "nút thắt cổ chai" dung lượng của các hệ thống chuyển mạch điện tử và sẽ dần thay thế chúng nhằm để có được sự kết hợp tối ưu giữa các thiết bị quang và điện tử về mặt hoạt động cũng như giá thành. Tính hợp lý để đưa công nghệ chuyển mạch quang vào mạng quang có thể được mô tả như sau: trước tiên chuyển mạch quang sẽ được sử dụng cho nhiều chức năng đơn giản tại các nút mạng, duy trì độ rộng băng lớn nhờ việc định tuyến các kênh bước sóng riêng biệt mà không quan tâm đến đồng bộ, trong khi các thiết bị điện tử sẽ được sử dụng cho các chức năng phức tạp hơn. Tuy nhiên với sự phát triển công nghệ photonic nhằm tạo nên các thiết bị tiên tiến hơn có thể thực hiện chuyển mạch tốc độ cao, đồng bộ, đệm và có thể là xử lý tín hiệu thì chuyển mạch photonic sẽ có
-6- khả năng xử lý nhiều chức năng hơn tại các nút. Bởi vậy sự kết hợp tối ưu giữa các thiết bị quang và điện tử sẽ thay đổi dần theo thời gian, dẫn tới việc các nút chuyển mạch được đơn giản hoá cùng với việc nâng cấp các hoạt động và các phương tiện quản lý. Hiện tại, do còn một số khó khăn về mặt công nghệ (ví dụ như bộ nhớ quang, xử lý điều khiển chuyển mạch, kích thước,...), chuyển mạch quang còn chưa được áp dụng rộng rãi trong thực tế. Tuy nhiên, với những ưu điểm của nó, trong tương lai chuyển mạch quang sẽ được áp dụng trong các mạng chuyển tải dung lượng lớn, trong các mạng ISDN băng rộng nhằm bổ sung tốt nhất cho các hệ thống chuyển mạch điện tử. Đối với các dịch vụ thoại truyền thống hay các dịch vụ không đòi hỏi độ rộng băng cao, chuyển mạch điện tử vẫn là một giải pháp hợp lý về mặt giá thành và công nghệ. Điều này khẳng định rằng chuyển mạch quang không cạnh tranh, loại trừ chuyển mạch điện tử mà chúng cùng nhau tồn tại, bổ sung lẫn nhau nhằm khai thác có hiệu quả nhất các công nghệ mới phục vụ cho mạng viễn thông. Kỹ thuật ghép kênh phân chia bước sóng (WDM) là một giải pháp lựa chọn để cung cấp một cơ sở hạ tầng mạng nhanh hơn nhằm đáp ứng sự phát triển bùng nổ của Internet. Tuy nhiên, với sự phát triển nhanh chóng của lưu lượng dữ liệu trên mạng, tốc độ xử lý điện tử có thể không phù hợp trong tương lai nữa, đồng thời dữ liệu quang thường bị chậm lại do xử lý điện tử tại các nút, do đó việc tìm kiếm một phương pháp chuyển tải các gói IP trực tiếp trên lớp quang không cần qua chuyển đổi O/E/O cho mạng thông tin thế hệ sau (NGI) là một tất yếu. Nhằm để xây dựng mạng toàn quang tại đó dữ liệu được duy trì trong miền quang ở tất cả các nút trung gian, cần phải thiết kế các giao thức mới dành cho các hệ thống chuyển mạch/router quang. Một trong các vấn đề cần thiết là làm thế nào để hỗ trợ việc cung cấp tài nguyên nhanh chóng, truyền dẫn đồng bộ (của các gói kích thước biến đổi như các gói IP) cũng như hỗ trợ mức độ cao việc chia sẻ tài nguyên theo thống kê để xử lý hiệu quả lưu lượng có tính "bùng nổ" mà không cần có đệm ở lớp WDM (do chưa có các bộ đệm quang dạng bộ nhớ truy nhập ngẫu nhiên RAM). Do đó các phương pháp chuyển tải toàn quang cần phải tránh đệm quang càng nhiều càng tốt. Một vấn
-7- đề khác là làm thế nào để hỗ trợ chất lượng dịch vụ (QoS) trong mạng Internet quang thế hệ sau. Mạng IP ban đầu cung cấp các dịch vụ best-effort, tuy nhiên hiện nay các ứng dụng thời gian thực (ví dụ điện thoại và hội nghị truyền hình qua Internet) yêu cầu QoS cao hơn các ứng dụng không phải thời gian thực (như email và trình duyệt Web thông thường) và do vậy vấn đề đặt ra đối với lớp WDM là làm thế nào để hỗ trợ QoS (ví dụ các mức ưu tiên) cho Internet quang. Khả năng của lớp WDM để hỗ trợ QoS không chỉ cần thiết cho việc tải các tín hiệu điều khiển cũng như quản lý mạng để bảo vệ/khôi phục tại lớp WDM mà còn để thúc đẩy bổ sung tăng cường các phiên bản IP mới đáp ứng cho các ứng dụng nhạy cảm với QoS. Hiện nay có nhiều trung tâm nghiên cứu cố gắng phát triển các phương thức QoS cho ATM và IP nhưng chưa có kết quả nào đáp ứng được yêu cầu cho lớp WDM. Một số công nghệ khác nhau đã được phát triển để truyền dữ liệu trên WDM, như định tuyến bước sóng (chuyển mạch kênh quang), chuyển mạch gói quang và chuyển mạch chùm quang (OBS). Các mạng quang định tuyến bước sóng đã được triển khai và cho thấy đó là một công nghệ hứa hẹn nhất cho các mạng quang. Tuy nhiên, các mạng quang định tuyến bước sóng lại sử dụng chuyển mạch kênh có thể không phải là công nghệ thích hợp nhất cho các ứng dụng khác nhau sử dụng Internet quang. Kỹ thuật chuyển mạch gói quang là một giải pháp công nghệ khác và có lẽ là tối ưu hơn cho các ứng dụng mới. Tuy nhiên, vào thời điểm hiện tại, công nghệ này còn chưa đủ trưởng thành để có thể ứng dụng vào thực tế. Chuyển mạch chùm quang là một giải pháp kỹ thuật trung gian giữa chuyển mạch kênh quang và chuyển mạch gói quang nhằm đáp ứng đầy đủ cho các tính năng mới trong giai đoạn tới. 1.1.1 Chuyển mạch kênh quang Mặc dù các mạng quang định tuyến bước sóng đã được triển khai nhưng có lẽ nó không phải là kỹ thuật thích hợp nhất cho Internet quang. Thí dụ, để thiết lập một đường dẫn ánh sáng sẽ chỉ cần một thời gian rất nhỏ của trễ toàn trình. Điều này dẫn đến việc sử dụng bước sóng không hiệu quả nếu như thời giam chiếm giữ kết nối rất ngắn. Bản chất "bùng nổ" của lưu lượng dữ liệu cũng là nguyên nhân dẫn
-8- đến việc sử dụng bước sóng không hiệu quả. Do vậy, nhằm sử dụng hoàn toàn bước sóng, cơ chế grooming của lưu lượng phức tạp là cần thiết để hỗ trợ việc ghép kênh thống kê dữ liệu từ các khách hàng khác nhau. Với định tuyến bước sóng, các đường dẫn ánh sáng được thiết lập giữa nguồn (các nút vào) và đích (các nút ra) thông qua các nút được trang bị các kết nối chéo WDM quang (hay các router bước sóng). Tại từng router bước sóng, bước sóng ra (ở cổng ra) tại đó tín hiệu vào được định tuyến tới vào thời điểm đã xác định trước sẽ được xác định duy nhất dựa trên bước sóng vào (và cổng vào) mang tín hiệu này. Do đó định tuyến bước sóng là một dạng chuyển mạch kênh. Trong báo hiệu phân tán, phương thức đặt trước hai chiều là cần thiết để thiết lập các đường dẫn ánh sáng nhờ đó nút nguồn gửi đi gói điều khiển để đặt trước, sau đó chờ xác nhận trước khi phát đi dữ liệu. Một trong các thuận lợi của định tuyến bước sóng là không cần có đệm quang (hay chuyển đổi O/E/O của dữ liệu) tại các nút trung gian. Hơn nữa, đó là một lựa chọn đầy hứa hẹn vì các hệ thống chuyển mạch quang dựa trên các công nghệ cơ-quang, âm-quang hay nhiệt-quang quá chậm để chuyển mạch gói một cách hiệu quả. Tuy nhiên, một trong các hạn chế của định tuyến bước sóng là đường dẫn phải thiết lập toàn bộ bước sóng trên từng kênh dọc theo đường dẫn, dẫn đến hiệu quả sử dụng băng tần thấp khi mang các dòng lưu lượng có tính "bùng nổ" (ví dụ các gói IP) vì lưu lượng từ các nút vào khác nhau không thể chia sẻ theo thống kê băng tần của đường dẫn ánh sáng. Hơn nữa, do không có đủ bước sóng trong cáp quang để cho phép kết nối dạng lưới một cách hoàn toàn nên phân bố tải trong mạng có thể không đồng đều dẫn đến mật độ lưu lượng trên các đường dẫn ánh sáng thay đổi theo thời gian. Chú ý là ở trên giả thiết rằng các nút quang chỉ hỗ trợ chức năng kết nối chéo và không có khả năng chuyển mạch/định tuyến nhanh. Do việc thiết lập và huỷ bỏ đường dẫn ánh sáng mất tối thiểu vài chục ms, tương ứng với (hoặc thậm chí vượt quá) thời gian truyền vài Megabyte dữ liệu ở tốc độ truyền dẫn cao (ví dụ 2.5 Gb/s hay OC-48) nên việc thiết lập và giải phóng linh hoạt các đường dẫn ánh sáng theo các giai đoạn của chùm không phải là một mô hình hiệu quả.