Chương 2. Hệ thống chuyển mạch chùm quang
2.4. Thiết kế thực thi lớp vật lý các node mạng lõi OBS
2.4.2. Một số giải pháp chống xung đột trong node mạng lõi OBS
Khi các gói IP được liên kết hợp thành các chùm dữ liệu tại node mạng biên, chúng sẽ được truyền vào mạng OBS đi qua các node mạng lõi OBS để tới đích. Như ta đã biết chức năng chính của một node mạng lõi OBS là thực hiện chuyển mạch, chuyển tiếp các chùm dữ liệu quang nhanh và đảm bảo mất dữ liệu là nhỏ nhất khi có tắc nghẽn xảy ra. Các tình huống nghẽn trong mạng OBS
có thể được giải quyết tại lớp quang trong một hoặc kết hợp các miền gồm: miền không gian, thời gian và bước sóng.
Miền bước sóng – công nghệ truyền dẫn WDM sử dụng kỹ thuật chuyển đổi bước sóng.
Trong miền bước sóng, công nghệ WDM không chỉ tăng dung lượng truyền mà nó còn có thể giải quyết hiệu quả vấn đề tắc nghẽn. Nếu các bộ chuyển đổi bước sóng được thực hiện thì tất cả các bước sóng truyền trong sợi đều có thể được sử dụng cho các chùm dữ liệu. Về mặt lý thuyết, chúng ta có thể thấy rằng một tập gồm k kênh truyền song song (mỗi kênh có dung năng c) sẽ có xác suất nghẽn thấp hơn khi truyền một kênh dung năng k.c. Với mạng OBS trên nền hệ thống WDM, tỉ lệ mất chùm dữ liệu trong trường hợp sợi truyền M kênh bước sóng tốc độ b sẽ thấp hơn so với sợi truyền một bước sóng tốc độ M.b. Giả sử hệ thống có khả năng chuyển đổi từ một bước sóng sang một bước sóng truyền dẫn khác, khi đó các chùm dữ liệu có thể được truyền trên một bước sóng bất kỳ trên sợi lối ra. Xung đột giữa các chùm dữ liệu trên cùng một lối ra có thể được giải quyết bằng cách sử dụng một bước sóng chưa sử dụng khác. Do đó vấn đề nghẽn đã được giải quyết hiệu quả mà không gây mất, lưu trữ và sắp xếp lại các chùm dữ liệu. Chính vì vậy, các bộ chuyển đổi bước sóng là một phần cần thiết, quan trọng trong các mạng chuyển mạch chùm quang.
Miền thời gian - bộ đệm quang sợi FDL và sự phân đoạn chùm dữ liệu.
Dây trễ quang sợi FDL có thể thực hiện đệm tương tự như các bộ đệm truy nhập ngẫu nhiên trong miền điện. Một chùm dữ liệu có thể được trễ trong trường hợp nghẽn nhờ sử dụng các bộ trễ FDL với độ dài cho trước.
Các bộ đệm FDL có thể có cấu trúc thực thi một tầng hay nhiều tầng.
Trong mạng OBS các bộ đệm có thể không sử dụng hoặc sử dụng một tầng đơn giản hơn so với trong hệ thống OPS. Ngoài ra, các hệ thống sử dụng các bộ trễ quang vẫn phải sử dụng kèm theo nó là các bộ chuyển đổi bước sóng. Có hai hình thức sử dụng đệm quang trong hệ thống các node mạng lõi:
Bộ đệm FDL không phản hồi, trong trường hợp này một chùm dữ liệu đi ra khỏi bộ đệm sẽ đi thẳng tới một cổng lối ra của node mạng lõi OBS;
Bộ đệm FDL phản hồi, khi chùm dữ liệu đi ra khỏi bộ đệm FDL cũng đi tới lối ra của node mạng lõi OBS và được phản hồi trở lại lối vào tầng chuyển mạch không gian sau đó được chuyển tới lối ra yêu cầu hoặc tới bộ trễ nếu cần thiết.
Do thực tế các bộ FDL thực hiện đệm dựa trên nguyên lý trễ lan truyền của tín hiệu trong sợi nên chúng có nhiều hạn chế so với các bộ đệm RAM trong miền điện. Để thực thi một bộ đệm quang dung lượng lớn sẽ cần nhiều sợi trễ, dẫn tới suy hao tín hiệu. Nếu sử dụng các bộ khuếch đại, có thể bù lại được suy hao này nhưng một điều không thể tránh đó là sẽ khuếch đại cả tín hiệu nhiễu. Phụ thuộc vào cấu trúc mạng, ví dụ như mức độ suy giảm tín hiệu trong mạng sẽ giới hạn kích thước, số node mạng.
Hơn nữa kể cả trong trường hợp sử dụng các bộ đệm cũng không thể giảm đáng kể xác suất mất dữ liệu. Để giải quyết vấn đề xung đột nghẽn mạng, trong OBS sử dụng các bộ đệm quang người ta còn sử dụng kết hợp các bộ chuyển đổi bước sóng [6].
Một kỹ thuật khác để giải quyết vấn đề nghẽn dựa trên miền thời gian là kỹ thuật phân đoạn, chia nhỏ chùm dữ liệu thành các đoạn khác nhau. Ở đây một chùm dữ liệu được chia thành các đoạn dữ liệu độc lập với nhau.
Trong trường hợp nghẽn, một số đoạn của chùm dữ liệu có thể bị rớt hoặc được chuyển hướng truyền khác nghĩa là một phần dữ liệu của chùm được truyền đi tới các node kế tiếp. Phần dữ liệu bị mất có thể là phần đầu hoặc cuối của chùm dữ liệu. Trường hợp mất phần đầu của chùm dữ liệu, cần phải bù thêm một độ trễ nhất định giữa tiêu đề và thời điểm bắt đầu của chùm dữ liệu. Trong trường hợp mất phần cuối của chùm dữ liệu, thì vấn đề là phải thực hiện truyền bổ xung thêm thông tin tương ứng với phần đầu của chùm dữ liệu đã được truyền đi. Để truyền chùm dữ liệu này, chúng ta thực hiện quá trình truyền thông tương tụ như truyền một chùm dữ liệu nhưng có độ dài nhỏ hơn. Nhược điểm của kỹ thuật giải quyết nghẽn này là xuất hiện hai phần dữ liệu mào đầu bao gồm phần thêm vào cho mỗi đoạn dữ liệu và tiêu đề bào hiệu trong các node mạng lõi OBS. Độ phức tạp xử lý trong các node lõi tăng khi node xác định xử lý các tình huống nghẽn mạng trên các kênh dữ liệu. Thực hiện phân đoạn chùm dữ liệu là một giải
pháp sẽ rất khó khăn đối với mạng OBS vì khi đó đoạn dữ liệu ngắn đi, tốc độ chuyển mạch yêu cầu nhanh hơn.
Miền không gian- định tuyến bước sóng.
Trong các mạng có quy mô lớn, các trường hợp nghẽn mạng có thể giải quyết trong miền không gian, định tuyến bước sóng. Nếu xảy ra nghẽn trên một sợi lối ra, chùm dữ liệu sẽ được định tuyến trên một lối ra khác còn trống và cũng có thể đi qua các node trung gian khác để tới đích. Có hai kỹ thuật định tuyến lại trong trường hợp nghẽn đó là định tuyến theo thuật toán nhất định và định tuyến ngẫu nhiên. Đối với trường hợp định tuyến theo thuật toán, các chùm dữ liệu quang sẽ được phát đi trên các cổng lối ra theo thuật toán định tuyến được tính toán sẵn trước đó. Nếu các cổng được tính tương ứng đang phục vụ kênh truyền khác thì chùm dữ liệu sẽ bị loại bỏ, mất dữ liệu. Nhược điểm của phương pháp này là xác suất mất dữ liệu tại các node biên cao. Do nó không có cơ chế biến đổi linh hoạt, nên nếu một chùm dữ liệu thấy cổng lối ra bận thì chùm dữ liệu sẽ bị rớt, mất dữ liệu. Đối với định tuyến ngẫu nhiên, chùm dữ liệu quang sẽ được phát trên một cổng chọn ngẫu nhiên lối ra. Nếu các node lõi OBS có cùng số cổng lối vào, ra thì phương pháp này sẽ không gây nghẽn, bởi vì chùm dữ liệu luôn tìm thấy ít nhất một cổng chưa sử dụng lối ra. Trường hợp node không có khả năng khắc phục, ta có thể định tuyến lại lưu lượng sang node kế cận.
Tuy nhiên, biện pháp này phụ thuộc vào khả năng đáp ứng của mạng, lưu lượng và kế hoạch định tuyến. Tham số quan trọng nhất trong trường hợp này là tham số chỉ thị khả năng kết nối các chùm quang hay còn gọi là khả năng mạng được tính bằng số liên kết trung bình mỗi node. Cụ thể nó chính là hai lần tỉ số giữa số liên kết với tổng số node trong mạng. Với các mạng lớn, có thể xảy ra trường hợp các chùm dữ liệu tới đích không theo thứ tự yêu cầu và độ trễ lớn. Hơn nữa, kỹ thuật này còn phụ thuộc vào khả năng nối tầng các node mạng lõi OBS.
Để thực thi các kỹ thuật giải quyết vấn đề nghẽn mạng tại các node mạng lõi thì ta phải quan tâm đến cả khía cạnh công nghệ và đặc tính lưu lượng. Về khía cạnh lưu lượng, một tham số quan trọng đó là tỉ lệ mất chùm dữ liệu. Để giữ tỉ lệ mất chùm dữ liệu ở mức thấp có thể, có rất nhiều kỹ thuật kết hợp được sử dụng như kết hợp tối ưu giữa bộ chuyển đổi bước sóng và các bộ đệm trễ
quang sợi, hoặc sử dụng nối nhiều tầng các bộ đệm trễ quang sợi… Tuy nhiên vấn đề đặt ra quan trọng nhất đó là các giới hạn thực thi mặt vật lý. Trong các phần tiếp theo của luận văn, sẽ phân tích thực thi lớp vật lý của các node mạng lõi OBS để đưa ra giải pháp tối ưu trên cả hai khía cạnh công nghệ và lưu lượng.
Cấu trúc của node mạng OBS nói chung bao gồm năm khối chính: giao diện lối vào, đơn vị chuyển mạch gói điều khiển OBS (có chuyển đổi O/E/O), đơn vị chuyển mạch quang, đơn vị chuyển đổi bước sóng và giao diện lối ra.
Phần chuyển mạch quang nói chung được xây dựng theo cấu trúc chuyển mạch không gian quang. Bộ chuyển đổi bước sóng được đặt tại các lối vào hoặc lối ra của trường chuyển mạch quang (hình vẽ 2.25).
Hình 2.25 Sơ đồ cấu trúc cơ bản của node mạng OBS.
Ngoài các thành phần trên node mạng có thể bao gồm các bộ trễ FDL đặt tại các lối vào của trường chuyển mạch để trễ các chùm dữ liệu. Các tín hiệu lối vào sẽ được phân kênh thành M bước sóng nhờ các bộ phân kênh tại các giao diện lối vào và tương ứng sẽ hợp kênh tại các giao diện lối ra. Để bù lại phần năng lượng mất do các bộ chia, chuyển mạch và khi đi qua node cần phải sử dụng các bộ khuếch đại EDFA tại các giao diện lối vào ra. Phần chuyển mạch quang và các bộ chuyển đổi bước sóng, được điều khiển bởi đơn vị điều khiển chuyển mạch, thực hiện chuyển các chùm dữ liệu tới sợi lối ra mong muốn. Với một hệ N sợi và M bước sóng trên mỗi sợi sẽ yêu cầu kích thước của trường chuyển mạch quang là NM x NM. Nếu các bộ chuyển đổi bước sóng được đặt tại lối ra, các bước sóng lối ra của chúng có thể không đổi, trừ khi các bộ này được
đặt tại lối vào thì các bước sóng sẽ phải điều chỉnh. Các bộ chuyển đổi bước sóng phải có dải hoạt động trên toàn bộ M bước sóng hoạt động của hệ thống.
Để đạt được một tỷ lệ mất chùm dữ liệu có thể chấp nhận được, các bộ trễ FDL được yêu cầu [5].