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 đầu ....................................................................................................... 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 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 Multiplexing Ghép kênh phân chia bước sóng mật độ cao FCFS First Come First Service Kiểu đến trước phục vụ trước FEC Forwarding Equivalence Class Lớp chuyển tiếp tương đương FDDI Fiber Distributed Data Interchange Trao đổi dữ liệu phân tán trên cáp quang FIFO First In First Out Vào trước ra trước FTTR Fixed Transmitter Tunable Receiver Phát cố định thu điều chỉnh được HAM Heuristic Aggregation Method Phương pháp tìm kiếm kết hợp HDTV High Density Television Truyền hình có độ phân giải cao IBM International Business Machine Corp. Hãng sản xuất máy tính IBM 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 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 -x- RR/ACK Round-Robin with Acknowledgement Round-Robin có xác nhận RR/NP Round-Robin with Non- Persistent Service Round-Robin với phục vụ không liên tục RR/P Round-Robin with Persistent Service Round-Robin với phục vụ liên tục RR/R Round-Robin with Random Selection Round-Robin với lựa chọn ngẫu nhiên RR/Token Round-Robin with Tokens Round-Robin có các Token SDH Synchronous Digital Hierarchy Phân cấp số đồng bộ SONET Synchronous Optical Network Mạng quang đồng bộ 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 Multiplexing Kỹ thuật ghép kênh phân chia bước 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