Câu 10: gồm những nội dung sau +  câu 8

1.1.    Chuyển mạch kênh quang (OCS)

Chuyển mạch kênh quang được thực hiện trong mạng quang định tuyến bước sóng thực hiện thiết lập các bước sóng toàn quang giữa hai nút mạng. Sự thiết lập các luồng quang bao gồm một số bước thực hiện: cấu hình tài nguyên, định tuyến, gán bước sóng, báo hiệu và đặt trước tài nguyên. Sự phát triển của AON bắt đầu với WRNs, quá trình hoạt động bao gồm việc thiết lập các kết nối kênh, được gọi là kênh quang (lightpaths), giữa các nút của mạng. Ràng buộc chính của WRNs, điển hình của tất cả các giao tiếp quang, là giới hạn số bước sóng trên mỗi sợi quang. Ví dụ, trong một WRN lớn, vấn đề khan hiếm số bước sóng có thể tạo nên một vấn đề là không thể tạo ra mạng lưới trọn vẹn các kênh quang giữa tất cả các người sử dụng đầu-cuối. Vì vậy, với mỗi topo WRN, những người thiết kế mạng phải giải quyết được bài toán NP-đầy đủ, là bài toán định tuyến và phân phối bước sóng (RWA) của các kênh quang để thỏa mãn một cách tối ưu các yêu cầu kết nối của người sử dụng. Giao thức truyền tín hiệu (signaling) được đề nghị đối với WRNs là GMPLS.

1.2.    Chuyển mạch gói quang (OPS)

Về nguyên tắc, chuyển mạch gói toàn quang tổ chức dựa trên gói tiêu đề và điều khiển được thực hiện trong miền quang, tuy nhiên phải trong nhiều năm nữa mới thực hiện được. Trong thời điểm hiện nay, chuyển mạch gói quang sử dụng điều khiển điện tử để xử lý tiêu đề gói vẫn được xem là thực tế hơn. Trong chuyển mạch gói quang, tiêu đề hoặc nhãn được đọc và so sánh với một bảng định tuyến. Tải số liệu sau đó sẽ được định tuyến tới cổng ra tương ứng với một nhãn mới (trao đổi nhãn). Điều quan trọng là tải dữ liệu được truyền trong suốt qua chuyển mạch.

Trong OPSNs, lưu lượng người sử dụng được mang trong các gói quang cùng với thông tin điều khiển in-band. Thông tin điều khiển được rút trích và xử lý trong miền điện tử tại mỗi node. Đây là kiến trúc có tính triển vọng bởi nó đã được biết đến trên thực tế là mạng chuyển mạch gói điện tử, đặc trưng bởi thông lượng cao và dễ dàng thích ứng với sự tắc nghẽn hay bị lỗi. Tuy nhiên, bài toán đặt ra với OPSNs đó là thiếu công nghệ đệm quang thực tế.

1.3.    Chuyển mạch chùm quang (OBS)

Trong chuyển mạch chùm quang (OBS), dữ liệu truyền tải trong các đơn vị có kích thước khác nhau, được gọi là chùm (burst) [1]. Bởi vì tính biến thiên lớn trong suốt thời gian tồn tại của các chùm, mạng OBS có thể được xem như nằm giữa OPSNs và WRNs. Điều đó có nghĩa là, khi thời gian tồn tại của tất cả các chùm là rất ngắn, bằng thời gian tồn tại của một gói quang, OBSN có thể được xem tương tự như một OPSN. Mặt khác, khi khi thời gian tồn tại của tất cả các chùm là vô cùng lớn (có thể kéo dài một vài tháng), thì OBSN có thể được xem tương tự là WRN. Trong OBS, có sự phân tách mạnh giữa cách bố trí kênh điều khiển và dữ liệu, cho phép có thể điều khiển mạng linh động và đạt hiểu quả cao. Hơn nữa, bản chất động (dynamic) của nó dẫn đến khả năng thích nghi của mạng cao, làm cho nó hoàn toàn phù hợp với sự truyền dẫn của lưu lượng chùm.

a. Nguyên lý chuyển mạch gói quang

b. Nguyên lý chuyển mạch chuyển mạch chùm quang

Hình 2. Nguyên lý chuyển mạch gói quang và nguyên lý chuyển mạch chùm quang

Hình 2 cho thấy nguyên lý của chuyển mạch gói quang (hình 2a) và nguyên lý chuyển mạch chùm quang (hình 2b).

1.            Mạng chuyển mạch chùm quang OBS

2.1.    Đặc trưng chung của mạng OBS

Một số đặc trưng chung của mạng chuyển mạch chùm quang như sau:

-     Tách biệt giữa kênh truyền gói điều khiển BCP (Burst Control Packet) và kênh truyền chùm dữ liệu DB (Data Burst): gói điều khiển được truyền trên một kênh riêng biệt.

-     Sự dành riêng một chiều: tài nguyên được cấp phát theo kiêu dành riêng một chiều, nghĩa là nút nguồn không cần đợi thông tin phản hồi từ nút đích trước khi nó bắt đầu truyền chùm.

-     Độ dài chùm thay đổi được: kích thước của chùm có thể thay đổi được theo yêu cầu.

-     Không cần bộ đệm quang: nút trung gian trong mạng quang không yêu cầu phải có bộ đệm quang. Các chùm đi qua các nút trung gian mà không chịu bất kì sự trễ nào.

2.2.    Kiến trúc mạng chuyển mạch chùm quang

Một mạng chuyển mạch chùm quang bao gồm các nút chuyển mạch chùm quang kết nối với nhau thông qua các sợi cáp quang. Mỗi sợi quang có khả năng hỗ trợ các kênh đa bước sóng. Như được trình bày ở hình 3, các nút trên mạng chuyển mạch chùm quang có hai kiểu: nút biên và nút lõi. Nút biên được xem như là giao diện giữa miền điện tử và miền quang. Nút biên có thể là nút biên vào hoặc là nút biên ra. Nút biên vào thực hiện tập hợp các gói điện tử (chẳng hạn các gói IP) có cùng đích thành một đơn vị truyền dẫn lớn gọi là chùm quang (burst), sau đó thực hiện định tuyến, ấn định bước sóng và lập lịch cho burst trên một kênh dữ liệu ở ngõ ra, sau đó được truyền qua mạng chuyển mạch chùm quang và cuối cùng được tách gói tại nút biên ngõ ra. Nút lõi được xem như là một ma trận chuyển mạch và là một đơn vị chuyển mạch có trách nhiệm chuyển tiếp các burst dữ liệu đến nút khác.

Hình 3. Kiến trúc của mạng chuyển mạch chùm quang

Một nút OBS bao gồm cả 2 phần: quang và điện. Phần quang là các bộ ghép/tách bước sóng (multiplexer/demultiplexer) và chuyển mạch quang. Phần điện có các module vào/ra, điều khiển định tuyến và lập lịch. Đơn vị chuyển mạch quang điều khiển các burst dữ liệu từ một cổng vào và ra một cổng tương ứng với đích đến của chúng.

Khi một nút biên chuẩn bị truyền một burst dữ liệu, nó sẽ gửi một gói điều khiển đi trên một bước sóng riêng tới nút lõi. Gói điều khiển thực hiện việc báo hiệu, cấu hình các chuyển mạch tại nút lõi để chuyển burst từ cổng vào đến cổng ra và giải quyết xung đột nếu xảy ra. Các hoạt động của mạng chuyển mạch chùm quang sẽ được trình bày ngay sau đây.

2.            Điều khiển trong mạng chuyển mạch chùm quang

3.1.         Tập hợp chùm

Tập hợp chùm (burst) là quá trình tập hợp các gói tin điện tử và đóng gói thành burst tại nút biên ngõ vào của mạng chuyển mạch chùm quang. Tất cả gói đến sẽ chuyển đến hàng đợi tùy theo đích của chúng như trình bày trong hình 4. Một giá trị ngưỡng được sử dụng như một tham số giới hạn để quyết định khi nào tạo ra một chùm và gởi chùm vào trong mạng [2].

Hình 4. Tập hợp và tách chùm

Hiện nay có nhiều kỹ thuật tập hợp chùm được đề xuất trong đó hai kỹ thuật được quan tâm nhất là tập hợp chùm dựa vào ngưỡng thời gian (timer-based) (hình 5) và dựa trên ngưỡng độ dài chùm (threshold-based) (hình 6).

Trong phương pháp tập hợp chùm dựa trên ngưỡng thời gian [2], một burst được tạo ra và gởi vào trong mạng theo chu kỳ thời gian, đúng bằng thời gian đã được định sẵn vì vậy mà không quan tâm đến kích thước burst dài hay ngắn. Do đó, chiều dài của burst biến đổi tuỳ theo tần suất đến của gói, trong những khoảng thời gian bằng nhau.

Hình 5. Tập hợp burst theo ngưỡng thời gian

Đối với phương pháp tập hợp burst dựa trên giá trị ngưỡng độ dài burst, một giới hạn dựa trên số lượng tối đa gói tin chứa trong mỗi burst. Vì vậy, những burst được tạo ra có kích thước cố định.

Hình 6. Tập hợp burst theo ngưỡng kích thước (số gói tối đa)

Vấn đề quan trọng được đặt ra ở đây là làm thế nào để chọn một giá trị ngưỡng thời gian hoặc ngưỡng độ dài burst tối ưu để giảm số lượng gói tin điện tử bị mất khi xảy ra tranh chấp burst, cũng như tăng hiệu suất sử dụng mạng chuyển mạch chùm quang. Ta thấy rằng nếu giá trị ngưỡng thời gian quá thấp, chiều dài của burst sẽ ngắn và số lượng burst di chuyển trong mạng tăng lên, dẫn đến tình trạng số lượng tranh chấp trong mạng cao, nhưng số lương gói tin mất trung bình trong mỗi burst lại thấp. Thêm vào đó, số lượng burst nhiều sẽ gây áp lực lên tốc độ xử lý các gói điều khiển phải nhanh mới hiệu quả. Ngược lại nếu giá trị ngưỡng thời gian lớn, độ dài của burst tăng lên và số lượng burst di chuyển trong mạng là giảm, do đó giảm được số lượng tranh chấp trong mạng so với trường hợp burst ngắn, nhưng số lượng gói tin mất trung bình trên mỗi burst mất là cao. Tóm lại, cần xác định độ dài burst tối ưu để tăng hiệu quả của một mạng chuyển mạch chùm quang.

Hình 7. Tập hợp burst theo ngưỡng thời gian và ngưỡng độ dài burst

Hình 7 mô tả ảnh hưởng của kỹ thuật tập hợp burst dựa trên ngưỡng thời gian và ngưỡng độ dài burst đối với burst sinh ra.

Trong trường hợp các gói chịu giới hạn về chất lượng dịch vụ QoS (Quality of Service), như ràng buộc về độ trễ, giải pháp rõ ràng là tập hợp burst theo ngưỡng thời gian. Giá trị ngưỡng thời gian được lựa chọn dựa trên yêu cầu trễ của các gói. Còn trong trường hợp không bắt buộc về độ trễ, việc thiết lập burst theo ngưỡng độ dài tỏ ra hợp lý hơn vì các burst có kích thước cố định sẽ giúp giảm bớt khả năng mất burst do xung đột.

Hiện nay do lưu lượng trong mạng có thể thay đổi nên phương pháp tập hợp burst tốt nhất là kết hợp vừa dựa trên ngưỡng thời gian và vừa ngưỡng độ dài burst.

3.2.         Báo hiệu

Trong mạng chuyển mạch chùm quang, khi một burst được gửi tới một nút lõi, tiến trình báo hiệu được thực hiện trước để đặt trước tài nguyên và cấu hình cho bộ chuyển mạch quang tại mỗi nút đó sao cho phù hợp với burst dữ liệu tương ứng. Tiến trình báo hiệu trong mạng chuyển mạch burst quang được thực hiện bởi các gói điều khiển và các gói này được truyền độc lập với các burst dữ liệu [2].

Có nhiều phương thức báo hiệu khác nhau tùy thuộc vào cách thực hiện và thời gian mà tài nguyên dọc theo đường đi được đặt trước cho burst. Chúng ta có thể phân các loại phương thức báo hiệu như sau:

-   Theo hướng: đặt trước tài nguyên một chiều, hai chiều hay kết hợp.

-   Theo vị trí: đặt trước bắt đầu từ nguồn, từ đích hoặc từ nút trung gian.

-   Khi tài nguyên không sẳn sàng: đặt trước bền vững hay không bền vững.

-   Theo thời gian: đặt trước tài nguyên tức thời hoặc sau một khoảng thời gian trễ.

-   Giải phóng tài nguyên: Tường minh hoặc ngầm định.

-   Theo cách tính toán: Tập trung hoặc phân tán.

3.2.1.  Báo hiệu một chiều, hai chiều hay hỗn hợp

Đối với sơ đồ báo hiệu một chiều, nút nguồn gửi đi một gói điều khiển yêu cầu mỗi nút trên cùng một tuyến cấp phát tài nguyên cần thiết cho burst dữ liệu và cấu hình chuyển mạch quang tương ứng. Sau đó nguồn sẽ gửi burst dữ liệu đi mà không cần chờ tín hiệu ACK từ nút trung gian hay nút đích trả lời về. Vì không cần tín hiệu ACK nên burst dữ liệu có thể gửi đi sớm hơn và giảm độ trễ truyền dẫn đầu – cuối (end-to-end).

Sơ đồ báo hiệu hai chiều cũng tương tự như báo hiệu một chiều tuy nhiên nút nguồn chờ nhận được tín hiệu ACK phản hồi sau đó mới quyết định có truyền burst đi hay không. Như vậy, nếu việc đặt trước tài nguyên và cấu hình chuyển mạch quang thành công, burst dữ liệu được gửi đi; Ngược lại, nếu bất kỳ nút trung gian nào đó không thể điều tiết được tài nguyên thì tại nút trung gian này sẽ có một thông báo tắc nghẽn được gửi trở lại nguồn để báo rằng việc đặt trước thất bại và nút nguồn sẽ hủy bỏ các liên kết đã đặt trước được thiết lập trước đó trên đường đi tương ứng. Báo hiệu hai chiều tăng độ trễ truyền dẫn đầu – cuối.

Phương pháp báo hiệu kết hợp đưa ra giải pháp cân bằng giữa báo hiệu một chiều và hai chiều, đây là phương pháp dự phòng bộ phận. Trong phương pháp báo hiệu kết hợp, việc đặt trước từ nút nguồn tới các nút trung gian trên tuyến được xác nhận bằng tín hiệu ACK, trong khi việc dành riêng từ nút trung gian tới đích sẽ không được xác nhận. Vị trí của nút được chỉ định làm nút trung gian sẽ quyết định khả năng mất hay độ trễ của burst dữ liệu. Nếu nút trung gian được chọn gần với nguồn thì hoạt động của mạng sẽ giống như việc báo hiệu một chiều, và nếu nút trung gian gần về phía đích thì hoạt động giống như việc báo hiệu hai chiều.

3.2.2.  Đặt trước tài nguyền bắt đầu từ nguồn, từ đích hoặc từ nút trung gian

Đặt trước từ nguồn (source initiated reservation - SIR): Tài nguyên được cấp phát cùng hướng báo hiệu khi gói điều khiển đi từ nguồn về đích. Nếu quá trình đặt trước thành công từ nguồn đến đích, một tín hiệu ACK được gửi ngược từ đích về nguồn chỉ định bước sóng dành riêng mà burst dữ liệu sẽ được truyền đi.

Đặt trước từ đích (destination initiated reservation - DIR): Nguồn gửi một yêu cầu đặt trước tài nguyên đến nút đích, yêu cầu này sẽ lựa chọn các bước sóng phù hợp với thông tin trên mỗi liên kết cùng hướng, Dựa trên sự lựa chọn thông tin, nút đích sẽ chọn một bước sóng phù hợp (nếu như nó tồn tại) tương ứng với khoảng thời gian và gửi yêu cầu dành riêng trở về nút nguồn, yêu cầu dành riêng sẽ được chuyển qua các nút trung gian, dành riêng này sẽ được chọn một bước sóng để giữ cho hết thời gian quy định.

Nguyên nhân chính gây ra tắc nghẽn (hoặc mất dữ liệu) trong SIR vì thiếu tài nguyên rỗi, trong khi đó đối với DIR việc mất dữ liệu vì thông tin hết hạn.

Dành riêng tại nút trung gian (intermediate node initiated reservation- INI): đặc trưng dành riêng tài nguyên của nó giống như DIR từ nguồn đến một vài nút trung gian, và giống như SIR từ nút trung gian đến nút đích.

Nhìn chung, để giảm sự mất dữ liệu tại các nút trong hướng thuận, SIR dựa trên sự dành riêng nhiều hơn một bước sóng cho đến khi tới đích và giải phóng những dành riêng không cần thiết đối với hướng ngược lại. Cách tiếp cận này có thể dẫn đến việc là làm giảm hiệu năng vì đã phong tỏa hết hướng thuận và thiếu hụt ở nguồn. Ngược lại, DIR dựa trên kỹ thuật chỉ lựa chọn những thông tin sẵn sàng của tất cả các nút trung gian và dựa trên những thông tin đó mà lựa chọn bước sóng.

3.2.3.  Đặt trước bền vững (Persistent) hay không bền vững (Non-persistent)

Việc đặt trước tài nguyên tại một nút có thể bị tắc nghẽn tạm thời; kỹ thuật báo hiệu do đó có thể hoặc chờ đợi cho đến khi hết tắc nghẽn (Persistent) hoặc thông báo tắc nghẽn ngay lập tức (Non-persistent). Trong cách tiếp cận bền vững, gói điều khiển chờ cho đến khi tài nguyên rỗi và chọn bước sóng sao cho việc mất dữ liệu nhỏ nhất. Trong trường hợp này, giả định mỗi nút biên và lõi đều có bộ đệm (buffer) dành riêng để “lưu” tạm thời burst đến. Trong cách tiếp cận không bền vững, ràng buộc là độ trễ (thời gian trễ đầu-cuối nhỏ nhất); vì vậy yêu cầu tài nguyên là thất bại nếu không có giải pháp giải quyết tranh chấp phù hợp.

3.2.4.  Đặt trước tức thời hay đặt trước sau một thời gian trễ

Hình 8. Quá trình đặt trước tức thời và sau một thời gian trễ

Như mô tả ở hình 8, dựa trên khoảng cách giữa gói điều khiển và burst đến, kỹ thuật báo hiệu có thể thực hiện đặt trước tài nguyên tức thời hoặc sau một khoảng thời gian trễ. Trong kỹ thuật đặt trước tức thời, kênh (tài nguyên) sẽ được dành riêng ngay lập tức khi gói điều khiển đến các nút. Ngược lại đối với kỹ thuật đặt trước sau khoảng thời gian trễ, các kênh được đặt chổ dựa trên thời gian thực tế của burst dữ liệu đến tại nút đó.

Để sử dụng kỹ thuật đặt trước sau khoảng thời gian trễ, gói điều khiển phải được gửi đi trước burst dữ liệu một khoảng thời gian offset. Ví dụ của đặt trước tức thời là giao thức JIT (Just-In-Time), trong khi giao thức JET (Just-Enough-Time) dùng kỹ thuật đặt trước sau khoảng thời gian trễ. Nhìn chung đặt trước tức thời đơn giản và có thể thực hiện ngay lập tức nhưng dễ tạo ra tắc nghẽn lớn, ảnh hưởng đến hiệu quả sử dụng băng thông trên toàn mạng. Ngược lại đặt trước sau khoảng thời gian trễ giải quyết được tình trạng trên một cách hiệu quả.

3.2.5.  Giải phóng tài nguyên tường minh hoặc ngầm định

Giải phóng tài nguyên có thể thực hiện bằng hai cách đó là giải phóng ngầm định và giải phóng tường minh. Trong đó kỹ thuật giải phóng tường minh, một gói điều khiển riêng biệt theo sau burst dữ liệu từ nguồn đến đích để giải phóng hoặc kết thúc việc sử dụng tài nguyên đã được đặt trước. Ngược lại kỹ thuật giải phóng ngầm định thì gói điều khiển (BHP) phải mang thêm thông tin như là độ dài khối dữ liệu và độ lệch thời gian giữa gói điều khiển và burst dữ liệu để tại nút đó biết được thời gian để giải phóng tài nguyên dành trước. Đối với hai cách giải phóng tài nguyên đặt trước trên thì giải phóng tài nguyên tường minh phức tạp, chiếm dụng băng thông và làm tăng số lượng gói thông báo ở trong mạng.

3.2.6.  Kỹ thuật báo hiệu tập trung hay phân tán

Trong kỹ thuật báo hiệu tập trung một máy chủ chuyên dụng chịu trách nhiệm thiết lập các thông số như định tuyến, cấp phát bước sóng cho burst dữ liệu đối với tất cả các cặp nút trên mạng. Trong kỹ thuật báo hiệu phân tán, mỗi nút mạng có một bộ lập lịch gán một kênh ra cho mỗi gói tin điều khiển đến theo kiểu phân tán. Kỹ thuật phân tán thích hợp cho những mạng quang lớn và dữ liệu dưới dạng chùm, ngược lại kỹ thuật tập trung chỉ thích hợp những mạng nhỏ có lưu lượng ít.

3.3.         Định tuyến

Định tuyến để chỉ sự lựa chọn đường đi cho một kết nối để thực hiện việc gửi dữ liệu. Lập lịch chùm (burst)

Trong mạng chuyển mạch chùm quang một vấn đề quan trọng khác là lập lịch cho chùm. Khi một gói điều khiển đến một nút, một thuật toán lập lịch được gọi ra để gán chùm chưa được lập lịch với một kênh dữ liệu trên liên kết ra.

Mục đích chính của các giải thuật lập lịch là sắp xếp được thật nhiều chùm trên cùng một kênh bước sóng để tối ưu hóa băng thông sử dụng và giảm số lượng chùm mất

Phân loại các giải thuật lập lịch

3.4.1.  Các giải thuật lập lịch không xét đến lấp đầy khoảng trống

Có hai giải thuật lập lịch không xét đến lấp đầy khoảng trống: FFUC (First Fit Unscheduled Channel) và LAUC (Lastest Available Unused Channel).

3.4.2.  Các giải thuật lập lịch có xét đến lấp đầy khoảng trống

Trên cở sở 2 giải thuật không xét đến lấp đầy khoảng trống, 2 giải thuật tương tự có xét đến lấp đầy khoảng trống (Void-Filling) đã được đề nghị: FFUC-VF và LAUC-VF