Chương 2. Hệ thống chuyển mạch chùm quang
2.3. Cấu trúc phân lớp trong mạng chuyển mạch chùm quang
2.3.3. Cấu trúc phân lớp chuyển mạch chùm quang
Trong phần này chúng ta sẽ mô tả các cấu trúc chức năng của các các lớp trong các đơn vị dữ liệu và đơn vị điều khiển. Trước tiên với đơn vị dữ liệu, ta sẽ xét việc liên mạng giữa mạng OBS và các mạng con khác. Để rõ ràng, chúng ta sẽ mô tả cấu trúc phân lớp của mỗi phần theo tín hiệu các gói dữ liệu nhất định.
2.3.3.1 Các lớp trong phần dữ liệu
Phần xử lý dữ liệu trong các node mạng thực hiện chức năng chuyển tải các gói tới từ các node biên nguồn đến một hay nhiều node đích. Phần giao diện đường của node biên sẽ cung cấp các giao diện với các gói đến từ các mạng người sử dụng khác nhau. Nó có thể thực hiện dò tìm và sửa lỗi các tiêu đề của gói IP đến. Trong phần này, chỉ xét lưu lượng IP truyền qua mạng OBS nên giả sử rằng tất cả các gói đi vào ra mạng OBS đều là các gói IP và các gói này phải được giữ nguyên định dạng và cấu trúc của nó.
a. Lớp hợp và phân tách gói (PAD)
Lớp PAD thực hiện chức năng liên kết các gói IP đến có cùng các đặc tính tạo thành các chùm dữ liệu. Ở node lối ra nó thực hiện chức năng ngược lại, phân tách các chùm dữ liệu thành các gói IP riêng biệt và định tuyến chúng tới các lối ra tương ứng. Việc phát đi các gói IP tại các đường vào của mạng OBS yêu cầu phải xác định được các đặc tính riêng của gói và liên kết chúng lại với nhau. Các đặc tính của gói bao gồm chất lượng dịch vụ gói và địa chỉ đích của nó. Sau khi giải mã các gói IP tới, địa chỉ đích của nó phải được biên dịch sang địa chỉ của node OBS biên tương ứng. Các gói có đặc tính tương tự nhau sẽ được hợp lại thành tải lưu lượng của chùm dữ liệu. Kỹ thuật hình thành chùm dữ liệu thường hay sử dụng là kỹ thuật theo ngưỡng thời gian và dựa trên ngưỡng độ dài của chùm dữ liệu. Đối với kỹ thuật hình thành chùm dữ liệu theo ngưỡng thời gian, một chùm dữ liệu được tạo ra và phát đi sau khoảng thời gian nhất định kể từ khi bắt đầu khởi tạo, dẫn tới các chùm dữ liệu có độ dài khác nhau. Còn với kỹ thuật hình thành chùm dữ liệu dựa trên ngưỡng độ dài, sẽ có một giới hạn về số gói chứa trong mỗi chùm dữ liệu nên
các chùm dữ liệu với độ dài không đổi được tạo ra tại cá node biên. Kỹ thuật hình thành chùm dữ liệu dựa trên ngưỡng độ dài tạo ra các chùm dữ liệu tại các thời điểm là bất kỳ. Một kỹ thuật hình thành chùm dữ liệu kết hợp cả hai kỹ thuật trên đã được thực hiện để giảm đặc tính biến thiên chùm dữ liệu do các thay đổi của tải trọng. Hơn nữa, việc kết hợp này là hoàn toàn hợp lý khi mạng hỗ trợ chất lượng dịch vụ. Khi đó chùm dữ liệu được tạo ra nhờ sự kết hợp các gói của các phân lớp khác nhau vào cùng một chùm dữ liệu.
Tại đường dẫn lối ra, PAD sẽ tách các chùm dữ liệu thành các gói IP. Mỗi tiêu đề gói phải được xử lý trả lại địa chỉ đích và loại dịch vụ tương ứng. Địa chỉ đích phải được biên dịch để xác định nơi mà gói IP sẽ được gửi tới.
Lớp hợp, phân tách gói PAD còn thực hiện các cơ cấu điều khiển dòng dữ liệu và xác minh, nhận dạng các chùm dữ liệu tới. Các giao thức điều khiển dòng dữ liệu có thể thực hiện điều chỉnh tốc độ các chùm dữ liệu trên mỗi đường truyền. Các giao thức còn có thể thực hiện chức năng biên dịch địa chỉ.
Các giao thức thông minh có thể nhận biết, cập nhật sự thay đổi cấu hình mạng và hỗ trợ truyền quảng bá. Sự liên kết các gói có thể dựa trên một hay nhiều đặc tính của gói như địa chỉ, phân lớp… Mặt khác, kích thước của chùm dữ liệu hình thành cũng là một thông số quan trọng trong quá trình truyền dẫn chúng.
b. Lớp điều khiển đóng khung chùm dữ liệu (BFC)
Chức năng của lớp điều khiển đóng khung chùm dữ liệu là thực hiện tiếp nhận các gói đã được liên kết từ lớp trên (lớp PAD) và nhóm chúng vào các cấu trúc khung phù hợp. Lớp này cũng giải mã các khung chùm dữ liệu tới và bóc tách chúng để lấy phần dữ liệu chuyển lên lớp trên. Hình 2.20 chỉ ra định dạng khung chung của chùm dữ liệu. Khi các khung của chùm dữ liệu có độ dài thay đổi và thời điểm tới là ngẫu nhiên, xung đóng khung là cần thiết để chỉ ra thời điểm bắt đầu của mỗi khung dữ liệu quang. Dải bảo vệ thường là chuỗi các xung cố định được sử dụng để tách biệt các khung. Chúng là bắt buộc vì các lý do như lỗi độ dài liên kết, độ chính xác tín hiệu đồng hồ, và các hiệu ứng nhiệt khác. Trường kiểm lỗi cũng có thể được sử dụng khi mạng hỗ trợ việc truyền lại chùm dữ liệu từ node biên nguồn đến node biên đích. Trong trường hợp này, các node biên phải được thiết kế với dung lượng bộ nhớ lưu
trữ đủ lớn. Sử dụng trường kiểm lỗi có thể phải tính toán lưu ý, đặc biệt khi quá trình trung chuyển không đưa ra yêu cầu về tỉ lệ lỗi đường truyền dẫn.
Hình 2.20 Định dạng khung chùm dữ liệu.
Trường dữ liệu trong khung chùm dữ liệu có thể được chia nhỏ thành các đoạn với kích thước không đổi hoặc thay đổi. Kỹ thuật này được gị là kỹ thuật phân đoạn, lớp BFC sẽ chèn thêm các thông tin điều kiển vào mỗi đoạn bị phân chia này.
c. Lớp điều khiển truy nhập (MAC)
Lớp MAC trong phần dữ liệu bao gồm các giao thức tích luỹ tài nguyên, lập lịch, các giao thức ấn định độ lệch thời gian, lược đồ giải quyết xung đột và các giao thức phát quảng bá. Lớp MAC cũng có thể cung cấp các sự khác nhau của các phân lớp để cung cấp mức bảo vệ cho các chùm dữ liệu với các yêu cầu chất lượng dịch vụ khác nhau. Việc xử lý báo hiệu trong node là một yêu cầu thiết yếu, để thiết lập hay giải phóng một kết nối được thực hiện trong phần điều khiển. Mạng OBS là một mạng điểm-điểm trong đó các node kề nhau được kết nối với nhau thông qua các liên kết vật lý. Tuy nhiên, các chùm dữ liệu đi vào node mạng lõi từ các đường liên kết khác nhau có thể yêu cầu tới cùng một đường liên kết lối ra. Lớp MAC cung cấp cách thức truy nhập điều khiển các liên kết lối ra của các chùm dữ liệu này. Nói chung, các lược đồ điều khiển truy nhập đối với mạng OBS có thể phân loại thành lược đồ tập trung và phân tán.
Trong mạng OBS tập trung, một trạm yêu cầu phục vụ sẽ đảm nhiệm quá trình truyền chùm dữ liệu qua toàn mạng. Ta có thể thấy chế độ hoạt động này cho phép dễ dàng truy nhập do yêu cầu phục vụ cung cấp bởi một điểm sẽ loại trừ được nghẽn mạng và mất gói. Tuy nhiên, lược đồ trong mạng tập trung rất phức tạp, độ tin cậy và tính bền vững không cao.
Trong mạng OBS phân tán, mỗi node mạng sẽ đảm nhiệm quá trình truyền dữ liệu độc lập. Số chùm dữ liệu đi vào một node có thể sẽ lớn hơn số lượng kênh hiện thời chưa sử dụng tại các cổng lối ra. Đây chính là nguyên nhân chính yếu dẫn tới hiện tượng nghẽn trong mạng OBS phân tán. Do đó các thuật toán tin cậy với hiêu quả cao trong lớp MAC được yêu cầu để đồng thời giảm thiểu tắc nghẽn cũng như tối thiểu hoá trễ các chùm dữ liệu.
Tuỳ thuộc vào loại hình dịch vụ ứng dụng như dịch vụ phi kết nối hay dịch vụ kết nối hướng đối tượng mà lớp MAC trong mạng OBS cần ấn định tài nguyên và băng thông hiệu quả. Việc ấn định đạt được nhờ các giao thức tích luỹ thích hợp. Các giao thức tích luỹ chỉ ra các cơ chế ấn định thời điểm bắt đầu và kết thúc của một chùm dữ liệu. Các tiếp cận về tích luỹ một phía ngoài băng khác nhau đã được nghiên cứu giới thiệu trong các mạng OBS.
Cấu trúc báo hiệu sử dụng rộng rãi nhất trong các hệ OBS truyền thống là lược đồ tích luỹ JIT (Just In Time) và JET (Just Enough Time). Mặc dù lược đồ tích luỹ JET cho phép sử dụng băng thông hiệu quả hơn nhưng yêu cầu thực thi lại phức tạp hơn.
Các phương thức lập lịch khác nhau được thực thi trong lớp MAC hoàn toàn phụ thuộc vào các giao thức tích luỹ tài nguyên được sử dụng trong hệ thống. Một phương thức lập lịch trong mạng OBS xác định cách thức các kênh ra có thể cho chùm dữ liệu. Các thuật toán lập lịch phải đủ nhanh và hiệu quả để giảm thiểu thời gian xử lý và mất dữ liệu. Một số thuật toán lập lịch thông thường đối với hệ thống JET bao gồm thuật toán FFUC, LAUC hoặc LAUC-VF.
Các giao thức lập lịch trong lớp MAC có thể hỗ trợ các loại dịch vụ khác nhau, cung cấp cho mức bảo vệ cao hơn và độ tin cậy truyền dẫn cao hơn đối với các chùm dữ liệu có mức ưu tiên cao. Ngoài vấn đề giải quyết nghẽn và thuật toán đánh địa chỉ, lớp MAC còn có chức năng ấn định và duy trì độ lệch thời gian giữa các chùm dữ liệu và các gói điều khiển. Độ lệch này có thể biến đổi hoặc không đổi. Tuy nhiên, khi các gói điều khiển được xử lý và cấu trúc lại tại mỗi node thì độ lệch này có xu hướng giảm. Node mạng lõi phải có khả năng quản lý, tính toán được sự thay đổi này. Các giao thức MAC đề cập vấn đề này như là các giao thức điều khiển độ lệch thời gian.
Vấn đề chủ chốt trong lược đồ điều khiển truy nhập của mạng phân tán là nguy cơ nghẽn mạng cao, các quá trình truyền gói trong mạng có thể chỉ đảm bảo trong điều kiện tĩnh. Có rất nhiều kỹ thuật, thuật toán khác nhau được đưa ra để cải thiện độ tin cậy của mạng OBS và giảm tỉ lệ mất chùm dữ liệu.
Lớp MAC có thể thực hiện thiết lập các lược đồ truyền thông đa điểm.
Trong các lược đồ này, một node biên bất kỳ có thể truyền các chùm dữ liệu của nó đến nhiều node biên khác. Các kỹ thuật phát quảng bá ngày nay được sử dụng phổ biến hơn và cũng là yêu cầu đặt ra đối với mạng internet cũng như các dịch vụ ứng dụng bao gồm hội nghị truyền hình, truyền hình theo yêu cầu… Nói chung, các cơ chế giải quyết xung đột trong thông tin điểm-điểm và quảng bá là tương tự nhau.
d. Lớp vật lý (PHY)
Lớp vật lý trong mạng OBS thực hiện yêu cầu chuyển tải các chùm dữ liệu và các gói tin điều khiển giữa các node mạng. Nó chuyển đổi các tín hiệu sang định dạng quang, điện và đưa chúng tới các khung truyền dẫn thích hợp. Lớp vật lý bao gồm các giao diện vật lý giữa các node trong mạng OBS. Lớp vật lý được chia thành hai phần: thành phần chuyển tải dữ liệu (DTC) và thành phần phụ thuộc môi trường (MDC).
Phần chuyển tải dữ liệu: là phần trung gian độc lập của lớp vật lý. Đối với node biên lối vào, DTC mã hoá các bit dữ liệu thành xung truyền dẫn riêng gọi là mã đường (các mã NRZ, AMI, HDB3…) và thực hiện chuyển đổi điện/quang. Ngoài ra, DTC còn thực hiện cơ chế đồng bộ giữa các node. Như đã trình bày ở trên, các kỹ thuật truyền dẫn trong các mạng OBS có thể chia thành hai loại: đồng bộ và không đồng bộ. Trong mạng OBS đồng bộ, các gói điều khiển và các chùm dữ liệu chỉ được truyền trong phạm vi khe của chúng. Như vậy, các kênh dữ liệu và kênh điều khiển được chia thành các khe thời gian với độ dài không đổi. Mỗi khe điều khiển lại được chia thành một số khe nhỏ hơn có độ dài không đổi.
Trong mạng OBS không đồng bộ, không cần khoảng thời gian trễ giữa chùm dữ liệu và gói điều khiển BHP đến khi các biên của khe tương ứng đến. Mỗi node mạng có đồng hồ nội của nó, mặt khác DTC cũng có cơ chế đảm bảo khoảng trống giữa các khung, xác định độ sai lệch tối đa của
tín hiệu đồng hồ. Phần DTC cũng yêu cầu ấn định các bọ đệm để có thể thay đổi độ lệch của xung đồng hồ giữa các node.
Phần phụ thuộc môi trường: Phần này có thể chia thành các loại môi trường truyền thực tế, bao gồm cáp đồng trục, sóng vô tuyến hay sợi quang. Các bộ kết nối, bộ thu, bộ phát… cũng được coi là một phần của lớp con MDC. Trong mạng OBS, khi chuyển mạch một chùm dữ liệu đặc biệt, lớp MDC thực hiện hoàn toàn trên lớp quang WDM, lớp cung cấp các đường dẫn quang trong mạng. Một đường dẫn quang là một thiết lập kết nối đầu cuối qua mạng quang, nó sử dụng một bước sóng trên mỗi liên kết giữa nguồn và đích. Lớp con MDC này còn bao gồm cả chức năng khuếch đại và chuyển đổi bước sóng.
2.3.3.2 Các phân lớp trong phần điều khiển
Như đã đề cập trong các phần trước, sự tách biệt các phần trong cấu trúc mạng OBS là cần thiết để đảm bảo tính khả thi và thực hiện các giao thức truy nhập môi trường ở tốc độ cao. Do các giới hạn về công nghệ, chuyển mạch gói trên miền quang hiện nay là không thể thực hiện nếu không có các bộ chuyển đổi quang điện. Trong mạng OBS, thực thi lớp MAC như là lớp ứng dụng của phần điều khiển cho phép sử dụng các giao thức trong một miền (điện) độc lập với dữ liệu (miền quang). Phần điều khiển trong mạng OBS với lưu lượng IP có thể dựa trên các giao thức chuẩn. Ví dụ như tương tự với giao thức Internet, chúng ta có thể thực hiện giao thức tích luỹ tài nguyên (RSVP) và giao thức tìm đường dẫn mở ngắn nhất (OSPF) trong phần điều khiển để thực hiện báo hiệu.
Các giao thức chuẩn có thể thực hiện nhiều chức năng điều khiển cũng như thực hiện truyền thông quảng bá đa điểm. Tuy nhiên vấn đề chủ yếu trong thực thi cấu trúc giao thức là độ phức tạp và yêu cầu thời gian xử lý của nó. Với yêu cầu đề ra này, các giao thức mới cần lưu ý sao cho xử lý các bản tin điều khiển là tối ưu. Tính năng quyết định của các giao thức mới là phải mềm dẻo và mức độ phức tạp thấp. Dưới đây chúng ta sẽ mô tả sơ lược về kỹ thuật báo hiệu và các chức năng cơ bản của mỗi lớp trong phần điều khiển.
a. Lớp điều khiển báo hiệu chùm BSC
Lớp BSC chứa phần lập lịch của lớp MAC trong phần dữ liệu, giải pháp chống xung đột và các giao thức điều khiển độ lệch thời gian thông qua các giao thức báo hiệu. Các thông tin đặc trưng của chùm dữ liệu bao gồm địa chỉ
đích, chất lượng dịch vụ, mức ưu tiên… được đi đến lớp BSC từ lớp MAC.
BSC xác định các loại gói điều khiển được truyền tới node kế tiếp. Các loại gói điều khiển tiêu biểu là gói tiêu đề BHP, gói yêu cầu huỷ chùm dữ liệu BCP hay gói quản lý mạng NMP. BHP chứa các thông tin đặc trưng chùm dữ liệu, BCP được sử dụng để huỷ bỏ yêu cầu tích luỹ tài nguyên, và NMP cung cấp thông tin trạng thái mạng.
b. Lớp điều khiển báo hiệu kết nối (SCC)
Lớp SCC bao gồm các thuật toán định tuyến cho các gói điều khiển để thiết lập các đường vật lý phục vụ các chùm dữ liệu đến. Một điểm cần lưu ý là do hai phần dữ liệu và phần điều khiển có thể được thực hiện ở các môi trường riêng biệt nên có thể xảy ra khả năng các đường định tuyến vật lý đối với các gói điều khiển và chùm dữ liệu là khác nhau. Các giao thức định tuyến cũng có thể được thực hiện trên lớp SCC.
c. Lớp điều khiển khung báo hiệu (SFC)
Mục đích chính của lớp SFC là đảm bảo độ tin cậy cho các gói điều khiển.
Lớp SFC có thể xem đơn thuần giống như một giao thức hoạt động giữa các node kề nhau. SFC thu các chuỗi bit chứa các gói điều khiển, kết hợp các đặc tính của nó và cấu trúc lên khung gói điều khiển bằng cách thêm vào các bit tiêu đề. Các cơ chế nhóm khung phổ biến giống như điều khiển liên kết dữ liệu mức cao (HDLC) có thể coi như giao thức liên kết dữ liệu. Song độ phức tạp của giao thức và giá thành tăng đáng kể khi tăng tốc độ giao diện. Hình vẽ 2.21 (a) dưới đây chỉ ra định dạng khung của khung chứa gói điều khiển.
Hình 2.21 Cấu trúc khung của gói điều khiển (a) khung gói điều khiển chung; (b) khung gói tiêu đề chùm dữ liệu BHP.
Các gói điều khiển trong mạng OBS là các gói có độ dài cố định, liên tục và được xử lý trên miền điện. Do đó không cần bổ xung các xung đồng bộ