Bộ giáo dục và đào tạo tổng công ty
bu chính viễn thông việt nam
Học viện Công nghệ bu chính viễn thông
Nguyễn LA GIANG

Nghiên cứu hoạt động
của mạng chuyển mạch chùm quang Luận văn THạC Sĩ kỹ thuật
Hà nội - 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
***

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 bi
ệt 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.
Cuố
i 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 đầu 1


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


2.5

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


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


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


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 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
Mode
Phương thức chuyển giao không
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

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
Systems
Các hệ thống vi điện-cơ
MPLS MultiProtocol Label
Switching
Chuyển mạch nhãn đa giao thức
MPλS
MultiProtocol Lambda
Switching
Chuyển mạch bước sóng đa giao
thức
NGI the Next Generation
Information network
Mạng thông tin thế hệ sau
OADM Optical Add-Drop
Multiplexer
Bộ ghép kênh xen-tách quang
OBS Optical Burst Switching Chuyển mạch chùm quang
OCBS Optical Composite Burst
Switching
Chuyển mạch chùm quang kết hợp
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


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 m
ạng 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) củ
a 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: t
ốc 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.

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 t
ải 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 nh
ững 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 ni
ệm 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
xuấ
t 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


i 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
thi
ết 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 thố
ng 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 tri
ển 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

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, c
ần 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 cứ

i 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 nhiệ
t-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 đườ
ng 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.

-9-
1.1.2 Chuyển mạch gói quang

Cơ cấu chuyển mạch là trung tâm của hệ thống chuyển mạch và được sử dụng để
chuyển mạch các gói hoàn toàn bằng quang. Giao diện ra được sử dụng để phát lại

-10-
các tín hiệu quang và chèn vào header của gói. Bộ phận điều khiển sẽ điều khiển hệ
thống chuyển mạch bằng cách sử dụng thông tin trong các header gói. Do các yêu
cầu đồng bộ nên các hệ thống chuyển mạch gói quang điển hình được thiết kế cho
các gói có kích thước cố định. Khi một gói đi tới hệ thống chuyển mạch gói quang
WDM, trước hết nó được giao diện vào xử lý. Header và tải tin của gói
được tách
ra, sau đó header được chuyển đổi vào miền điện tử và được bộ phận điều khiển xử
lý bằng điện tử. Tải tin vẫn ở dạng tín hiệu quang khi đi qua hệ thống chuyển mạch.
Khi tải tin đã đi qua cơ cấu chuyển mạch, nó được kết hợp lại với header sau khi
header này được chuyển đổi trở lại dạng quang tạ
i giao diện ra.
Chuyển mạch gói quang là một giải pháp công nghệ được đưa ra như là một lựa
chọn tối ưu. Tuy nhiên, vào thời điểm hiện tại thì công nghệ này chưa đủ trưởng
thành để cung cấp một giải pháp ứng dụng được trong thực tế. Các trở ngại còn phải
giải quyết là:
- Một thử thách chính đó là yêu cầu về đồng bộ. Các hệ thống chuyển mạ
ch gói
quang thường hoạt động một cách đồng bộ. Thí dụ, các gói đi tới các cổng vào khác
nhau phải được sắp hàng trước khi chúng đi vào bộ phận chuyển mạch. Tuy nhiên,
việc thực hiện các thành phần đồng bộ là khó khăn và tốn kém.
- Một vấn đề quan trọng thứ hai trong việc thiết kế các hệ thống chuyển mạch
gói quang là thiếu các bộ đệm quang được thương mại hoá. Ý tưởng cơ bả
n của
chuyển mạch gói là "Cất giữ và Chuyển tiếp", có nghĩa là các gói trước tiên được
cất giữ trong các hệ thống chuyển mạch gói và sau đó mới được chuyển tiếp tới hệ
thống chuyển mạch kế tiếp. Điều này là cần thiết để tránh hiện tượng tranh chấp ở

ngay lập tức sau đó phát đi chùm mà không cần phải nhận được xác nhận. Nếu như
hệ thống chuyển mạch trên đường dẫn không thể mang được chùm do tắc nghẽn thì
chùm sẽ bị huỷ.
Mạng chuyển mạch chùm quang bao gồm các hệ thống chuyển mạch chùm
quang được kết nối bằng các kênh WDM. Hệ
thống chuyển mạch chùm quang
truyền đi chùm từ cổng vào tới cổng ra đích của nó. Phụ thuộc vào kiến trúc của hệ
thống chuyển mạch, nó có thể được hoặc không được trang bị bộ đệm quang. Các
liên kết cáp quang mang nhiều bước sóng và mỗi bước sóng có thể được xem như
một kênh. Một chùm được gán linh động với một kênh. Gói điều khiển của chùm
cũng có thể được phát đ
i trên một kênh hoặc trên một mạng không phải là quang.
Chùm có thể được bố trí cố định mang một hay nhiều gói IP.

-12-

Kªnh
WDM
K
ªnh ®iÒu khiÓn
Chïm d÷ li
Ö
u
Header cell
HÖ thèng chuyÓn
m¹ch chïm
HÖ thèng chuyÓn
m¹ch hiÖn t¹i

Hình 1.1 : Khái niệm chuyển mạch chùm

này được lặp lại trên tất cả các hệ thống chuyển mạch dọc theo đường dẫn đến đích.
BHC có chứa trường độ dài xác định lượng dữ liệu trong chùm. Giá trị này được sử
dụng để giải phóng đường dẫn khi kết thúc chùm. Có hai cách để định tuyến chùm.
Trong phương thức Datagram, các BHC bao gồm các địa chỉ mạng của thiết bị kết
cuối đích, từng hệ
thống chuyển mạch sẽ lựa chọn linh hoạt liên kết ra trong số các
liên kết tới địa chỉ đích đó. Do vậy hệ thống chuyển mạch cần phải tham chiếu cơ
sở dữ liệu định tuyến vào lúc bắt đầu một chùm để có quyết định định tuyến thích
hợp. Trong phương thức kênh ảo, việc phát chùm phải được thực hiện trước nhờ
quá trình l
ựa chọn tuyến end-to-end tương tự với việc thiết lập kênh ảo ATM. Trong
khi lựa chọn định tuyến, thông tin chuyển tiếp được kết hợp với phiên end-to-end đã
xác định lưu giữ trong các hệ thống chuyển mạch dọc theo đường dẫn. Các BHC
bao gồm bộ nhận dạng kênh ảo (VCI), bộ phận này được các hệ thống chuyển mạch
chùm sử dụng giống với cách các hệ thố
ng chuyển mạch ATM sử dụng ATM VCI.
Chú ý rằng trong khi việc lựa chọn tuyến cố định cho chuỗi các liên kết được chùm
sử dụng trong phiên end-to-end đã định thì các kênh riêng mà chùm sử dụng sẽ
không được chỉ ra. Các kênh này chỉ được gán trong khi các chùm đang được gửi
đi.
Để xử lý các chùm dữ liệu một cách hiệu quả thì các hệ thống chuyển mạch
chùm phải duy trì điều khiển chặt chẽ theo các mối quan hệ th
ời gian giữa các BHC
và các chùm dữ liệu tương ứng của chúng. Việc xác định không chính xác thời gian