Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Giới thiệu
chung
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG
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
≥ 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
Lê Tiến Trung D2001VT–
5
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Giới thiệu
chung
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 .
Lê Tiến Trung D2001VT–
6
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Giới thiệu
chung
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.
Lê Tiến Trung D2001VT–
7
Thế hệ thứ 3Thế 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
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Giới thiệu
chung
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, N
2
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.
Lê Tiến Trung D2001VT–
8
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Giới thiệu
chung
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.
A
R 1
R 2
R 3 R 4
R 5
R 6
B
S w i t c h / R o u t e r
T u y Õ n h o ¹ t ® é n g
Hình 1.5 Mạng chuyển mạch kênh.
Lê Tiến Trung D2001VT–
9
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Giới thiệu
chung
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.
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.
Lê Tiến Trung D2001VT–
Giữ liệu người dùng
ACK
Tín hiệu chấp
nhận cuộc gọi
Trễ xử lý
Trễ đường truyền
Yêu cầu
cuộc gọi
10
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Giới thiệu
chung
C R 1
R 2
R 3
R 4
R 5
R 6
D
S w i t c h / R o u t e r
T u y Õ n h o ¹ t ® é n g
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.
Lê Tiến Trung D2001VT–
11
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Giới thiệu
chung
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.
Lê Tiến Trung D2001VT–
12
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Giới thiệu
chung
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.
Lê Tiến Trung D2001VT–
13
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Giới thiệu
chung
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.
Lê Tiến Trung D2001VT–
14
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét