Đang tải... (xem toàn văn)
XÂY DỰNG CẤU TRÚC KHUNG TÍN HIỆU ĐIỀU KHIỂN BURST CHO GIAO THỨC BÁO HIỆU XOAY VÒNG (CSP). Chuyển mạch burst quang (OBS Optical Burst Switching) được coi là đề xuất hàng đầu cho mạng truyền tải toàn quang trong tương lai, đã và đang thu hút sự quan tâm nghiên cứ u của rất nhiều nhà khoa học trên thế giới. Hiện có rất nhiều công trình khoa học và kết quả nghiên cứu đã được công bố về OBS.
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG HOÀNG BÁ BẢO XÂY DỰNG CẤU TRÚC KHUNG TÍN HIỆU ĐIỀU KHIỂN BURST CHO GIAO THỨC BÁO HIỆU XOAY VÒNG (CSP) CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT VIỄN THÔNG MÃ SỐ: 60.52.02.08 8 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – NĂM 2013 i Luận văn được hoàn thành tại: HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS Bùi Trung Hiếu Phản biện 1: ……………………………………………………………… …………………………………………………………………………… Phản biện 2: ……………………………………………………………… …………………………………………………………………………… Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Vào lúc: giờ ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông ii MỞ ĐẦU Chuyển mạch burst quang (OBS- Optical Burst Switching) được coi là đề xuất hàng đầu cho mạng truyền tải toàn quang trong tương lai, đã và đang thu hút sự quan tâm nghiên cứ u của rất nhiều nhà khoa học trên thế giới. Hiện có rất nhiều công trình khoa học và kết quả nghiên cứu đã được công bố về OBS. Tuy vậy, một vấn đề quan trọng trong mạng OBS vẫn chưa được giải quyết triệt để, đó là xung đột dẫn đến mất burst truyền qua mạng. Chính vì vậy, một giải pháp riêng đã được thầy giáo, PGS. TS Bùi Trung Hiếu cùng với nhóm nghiên cứu đề xuất có khả năng loại bỏ tranh chấp bước sóng truyền tải và mất burst trong mạng quang chính là sử dụng giao thức báo hiệu xoay vòng (CSP – Circle Signalling Protocol) để truyền tải các burst qua mạng OBS. Qua nghiên cứu, tìm hiểu cùng với sự hướng dẫn của thầy giáo, trong luận văn này tôi tiếp tục đề xuất việc xây dựng cấu trúc khung tín hiệu điều khiển cho giao thức báo hiệu CSP, để tiếp tục hoàn thiện một phương pháp truyền tải quang mới, nơi hội tụ các ưu điểm của mạng toàn quang thế hệ mới hiện nay và trong tương lai. Cấu trúc của luận văn gồm 3 chương: Chương 1: Kỹ thuật chuyển mạch burst quang Chương này trình bày những vấn đề cơ bản về kỹ thuật chuyển mạch burst quang (OBS), bao gồm: Giới thiệu tổng quan về các công nghệ chuyển mạch quang hiện nay, kiến trúc cơ bản của mạng chuyển mạch burst quang. Chương 2: Báo hiệu trong chuyển mạch burst quang Chương này trình bày các vấn đề về báo hiệu trong chuyển mạch burst quang, làm cơ sở khoa học để xây dựng cấu trúc khung tín hiệu điều khiển burst. Chương 3: Xây dựng cấu trúc khung tín hiệu điều khiển burst cho CSP Chương này trình bày các yêu cầu cơ bản và mục tiêu của việc thiết kế khung tín hiệu, các thông tin cần biết trong bản tin BCP/CSP, từ đó đề xuất cấu trúc cụ thể về khung tín hiệu điều khiển burst cho CSP. 1 Chương 1- KỸ THUẬT CHUYỂN MẠCH BURST QUANG 1.1. Các công nghệ chuyển mạch quang 1.1.1. Chuyển mạch kênh quang (OCS) Trong chuyển mạch kênh quang, đường truyền dữ liệu được thiết lập trước quá trình truyền dữ liệu. Nút nguồn khởi đầu một thủ tục báo hiệu đã phân bổ ngoài băng để xác định đường đi, bước sóng, và thiết lập các kết nối chéo. Khi một kênh truyền đã thiết lập xong thì dữ liệu mới được truyền đi. T p T c T p T D t s-D t f-D t 0 Bắt đầu truyền dữ liệu t Nút nguồn Nút trung gian Nút đích Release Confirm Setup Ghi chú: T p : thời gian xử lý bản tin giao thức tại mỗi nút (nguồn, đích, trung gian) T c : thời gian chuyển mạch cắt qua bộ nối chéo và ổn định tại mỗi điểm chuyển mạch WDM. t s-D , t f-D : thời điểm bắt đầu, kết thúc phát dữ liệu. T D : thời gian phát dữ liệu. T p Setup Setup T p T p T c Confirm T p Confirm Release Release Hình 1.1. Báo hiệu trong chuyển mạch kênh quang Trong chuyển mạch kênh, trễ chu trình (a round-trip delay) luôn tồn tại trong thời gian thiết lập. Và khi kích thước mạng lớn thì trễ này là đáng kể. Hơn nữa, ở tất cả các nút trung gian thì các kết nối phải được cấu hình xong trước khi dữ liệu đến, điều này gây ra sự lãng phí băng thông kết nối. Do đó chuyển mạch kênh chỉ hiệu quả khi thời gian truyền dữ liệu rất lớn so với thời gian thiết lập. 2 1.1.2. Chuyển mạch gói quang (OPS) Trong chuyển mạch gói quang, thông tin điều khiển được ghép với burst dữ liệu và đi cùng với burst dữ liệu như là tiêu đề của gói. Khi tới nút trung gian, tiêu đề được tách ra khỏi burst dữ liệu và được xử lý để quyết định cổng đầu ra. Một giao thức định tuyến có thể được dùng để cung cấp bảng định tuyến cho việc quyết định nút tới tiếp theo trên đường tới đích. Trong suốt quá trình xử lý tiêu đề và thiết lập nối chéo, burst dữ liệu được đệm tạm thời. Tiêu đề sau khi được xử lý xong lại tiếp tục kết hợp với burst dữ liệu tạo thành gói và được truyền đến nút tiếp thep. Do hạn chế về việc chế tạo các bộ đệm quang, nếu không tìm được cổng đầu ra thích hợp dữ liệu sẽ bị hủy. Không có sự phản hồi rõ ràng có liên quan tới sự tồn tại của gói được gửi trở lại nguồn. t s-Pk Bắt đầu truyền gói t Nút nguồn Các nút trung gian Nút đích T p T c Ghi chú: T p : thời gian xử lý bản tin giao thức tại mỗi nút (nguồn, đích, trung gian) T c : thời gian chuyển mạch cắt qua bộ nối chéo và ổn định tại mỗi điểm chuyển mạch WDM. t s-Pk , t f-Pk : thời điểm bắt đầu, kết thúc phát gói. T Pk : thời gian phát gói. t f-Pk T Pk Bắt đầu truyền gói T p T c T Pk Bắt đầu truyền gói T Pk Hình 1.2. Truyền bản tin trong chuyển mạch gói quang Như vậy, thời gian thiết lập trong chuyển mạch gói thấp hơn chuyển mạch kênh bởi vì thông tin điều khiển được truyền cùng với dữ liệu. Tuy nhiên, việc xử lý tiêu đề của các gói đến lại là một trở ngại với các chuyển mạch WDM toàn quang vì công nghệ hiện nay vẫn chưa xử lý được tiêu đề trong miền quang. Mặt khác, trong cơ chế chuyển mạch gói cần phải tách tiêu đề từ gói ở cổng đầu vào và ghép lại ở cổng đầu ra, điều này là không cần thiết ở chuyển mạch kênh. Thêm vào đó, yêu cầu các nút trung gian cũng cần phải có bộ đệm. 3 1.1.3. Chuyển mạch burst quang (OBS) Chuyển mạch burst quang được thiết kế nhằm kết hợp những ưu điểm của chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói. OBS không cần đến bộ đệm quang ở các nút trung gian, trong khi cho phép giảm nhỏ thời gian thiết lập và nâng cao hiệu quả sử dụng băng thông. Nút nguồn Các nút trung gian Nút đích t Thời gian xử lý Thời gian lệch Burst dữ liệu Hình 1.3. Báo hiệu trong chuyển mạch burst quang Hình 1.3 mô tả truyền báo hiệu và truyền burst trong OBS, trong đó burst dữ liệu và burst điều khiển ma ng thông tin báo hiệu đi trên hai bước s óng riêng và được truyền cách nhau một khoảng thời gian lệch. Tại mỗi nút trung gian, burst điều khiển sẽ được đọc và xử lý để tạo lập kênh truyền cho burst dữ liệu. Có thể tóm lược một vài đặc điểm về chuyển mạch burst quang đó là: • Tính chất hạt (granularity): kích cỡ đơn vị truyền tải của chuyển mạch burst nằm giữa đơn vị truyền tải của chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh. • Tách biệt giữa thông tin điều khiển và dữ liệu: thông tin điều khiển được truyền trên một bước sóng riêng (kênh riêng). • Đặt trước tài nguyên: tài nguyên bị chiếm dụng theo kiểu đặt trước. • Chiều dài gói thay đổi: độ dài của các burst là không cố định. • Không sử dụng các bộ đệm quang: Nút trung gian trong mạng không yêu cầu bộ đệm quang, burst đi qua các nút này mà không có trễ. 4 1.2. Kiến trúc mạng chuyển mạch burst quang 1.2.1. Kiến trúc mạng OBS - Mesh 1.2.1.1. Mô hình mạng Mô hình của một mạng OBS theo cấu hình dạng mesh với hai loại nút là nút biên và nút lõi phân biệt, được nối với nhau bởi các tuyến WDM trên hình 1.4. Nút biên đầu vào Nút lõi Bước sóng điều khiển Bước sóng dữ liệu Nút biên đầu ra Mạng OBS Quản lý đăng ký Chuyển đổi bước sóng Trường chuyển mạch quang Lập burst Mạng truy nhập Offset Tách burst Hình 1.4. Mô hình mạng OBS-Mesh phân biệt nút biên và nút lõi Từ mô hình này ta thấy, n út biên có chức năng lập/tách burst và lập lịch để truyền burst trên kênh bước sóng ra. Nút lõi chịu trách nhiệm tạo đường kết nối để truyền burst từ một cổng đầu vào tới đầu ra thích hợp dựa trên thông tin điều khiển và xử lý khi xảy ra tranh chấp. 1.2.1.2. Cấu trúc nút lõi Cấu trúc cơ bản của nút lõi OBS được thể hiện trên hình 1.5. Nút lõi thường bao gồm một trường chuyển mạch quang (OSF: Optical Switch Fabric) và một khối điều khiển chuyển mạch (SCU: Switch control unit). SCU tạo ra và duy trì một bảng định tuyến và chịu trách nhiệm cấu hình trường chuyển mạch. Trường chuyển mạch quang mang ý nghĩa chủ chốt quyết định dung lượng của cả nút chuyển mạch. Trường chuyển mạch bao gồm khối chuyển mạch không gian không tắc nghẽn và bộ chuyển đổi bước sóng cho phép chuyển mạch các burst dữ liệu từ bất cứ đầu vào nào tới đầu ra theo yêu cầu đảm bảo không bị chồng lấn lên các burst dữ liệu khác. 5 Tín hiệu quang Tín hiệu quang Tín hiệu quang Tín hiệu quang Khối xử lý và điều khiển chuyển mạch (SCU) OMUX Cổng vào 0 Cổng vào M-1 Cổng ra 0 Cổng ra N-1 λ 0 … λ k-1 λ 0 λ 0 … λ w-1 λ 0 … λ W-1 λ 0 … λ k-1 M: Tổng số cổng (sợi) đầu vào N: Tổng số cổng đầu ra ODEMUX OMUX O/E O/E E/O E/O Trường chuyển mạch quang (OSF) λ w-1 λ 1 Gói điều khiển Burst dữ liệu λ k-1 λ 1 λ W-1 λ 1 λ k-1 λ 1 Kênh điều khiển Kênh điều khiển Kênh dữ liệu ODEMUX Hình 1.5. Cấu trúc nút lõi trong mạng chuyển mạch burst quang 1.2.1.3. Cấu trúc nút biên Cấu trúc cơ bản của một nút biên như trên hình 1.6. v CÁC GÓI IP VÀO/RA 1 1 N PD 1 E S 2 λ 0 , λ 1 , λ 2 , λ m O D M U X TỪ NÚT B1 TỪ NÚT B2 λ 0 , λ 1 , λ 2 , λ k PD 2 PD v PD 0 LD 1 LD 2 LD v λ 0 , λ 1 , λ 2 , λ m ĐẾN NÚT B1 ĐẾN NÚT B2 λ 0 , λ 1 , λ 2 , λ k LD 0 LẬP / TÁCH BURST XỬ LÝ BCP, IP-OH VÀ B-OH LẬP LỊCH & ĐIỀU KHIỂN O M U X Hình 1.6. Cấu trúc nút biên trong chuyển mạch bust quang Nút biên thực hiện các chức năng như: tiếp nhận gói, xử lý mào đầu, đệm gói, sắp xếp các gói vào burst và tách burst thành các gói, ngoài ra còn có thể thực hiện các chức năng khác như đồng bộ, ưu tiên, giải quyết tranh chấp v.v. 1.2.1.4. Cấu trúc nút lai Trong mạng OBS-Mesh, nút mạng cũng có thể đồng thời vừa là nút biên, vừa là nút lõi. Hình 1.7 là sơ đồ cấu trúc của một nút OBS mang cả chức năng nút biên và nút lõi, trong đó A/C (Amplifier/Converter) là khối khuếch đại và chuyển đổi bước sóng và OS (Optical Switch) là khối chuyển mạch quang. 6 Hình 1.7. Cấu trúc nút mạng OBS 1.2.1.5. Mô hình tổng hợp và hoạt động của mạng chuyển mạch Hình 1.8. Một mô hình tổng hợp của mạng OBS-Mesh Hình 1.8 là mô hình của một mạng OBS-Mesh tổng hợp, trong đó các nút mạng OBS được tích hợp các chức năng của cả nút biên và nút lõi và được liên kết với nhau qua các tuyến sợi quang. Mỗi sợi quang liên kết giữa các nút có thể mang nhiều bước sóng, mỗi bước sóng có thể được xem như một kênh truyền dữ liệu. 1.2.2. Kiến trúc mạng OBS- Ring 1.2.2.1. Sơ đồ mạng Trong mạng OBS-Ring, các nút OBS được nối với nhau tạo thành một vòng truyền dẫn khép kín và có vai trò như nhau trong hệ thống . Vòng truyền dẫn chính là vòng đi lần lượt một lần qua các nút mạng. 7 IP, ethernet A 2 λ 0, λ 1, λ 2, … , λ W A 1 A 3 A 4 A N Vòng OBS IP, ethernet IP, ethernet IP, ethernet Nút OBS Hình 1.9. Mô hình mạng OBS-Ring 1.2.2.2. Cấu trúc nút mạng Cấu trúc nút OBS-Ring tương tự như mô hình cấu trúc một nút OBS tổng quát (hình 1.7). Các nút trong mạng là các nút chuyển mạch burst quang có cấu trúc, giống nhau, mang chức năng của cả nút biên và nút lõi. Với chức năng nút biên, các nút thu nhận các gói dữ liệu đến, lập burst, lựa chọn kênh quang (bước sóng) thích hợp, điều biến để truyền burst trên kênh quang đã chọn và thu nhận các burst khi là nút đích, tách burst thành các gói dữ liệu và gửi chúng đến khách hàng. Với chức năng nút lõi, nút mạng thực hiện chuyển mạch quang tạo các đường quang truyền qua như một nút trung gian. 1.2.2.3. Hoạt động của mạng [...]... 2.2.7.2 Truyền bản tin điều khiển 2.2.7.3 Truyền tải qua mạng 17 Chương 3- XÂY DỰNG CẤU TRÚC KHUNG TÍN HIỆU ĐIỀU KHIỂN BURST CHO CSP 3.1 Các yêu cầu và mục tiêu thiết kế Có nhiều loại thông tin báo hiệu trong mạng, trong đó thông tin điều khiển burst (BCP) là một trong những loại thông tin quan trọng nhất Đây chính là khung tín hiệu đề xuất trong giao thức báo hiệu xoay vòng Khung BCP được thiết kế... truyền burst Những thông tin đưa vào BCP cần được lựa chọn kỹ càng, chỉ nên đưa vào khi thật cần thiết để giảm thiểu kích thước của BCP và qua đó, giảm nhỏ thời gian truyền BCP 3.3 Đề xuất cấu trúc khung tín hiệu điều khiển burst cho CSP 3.3.1 Cấu trúc khung tổng thể Một cấu trúc cho BCP sử dụng giao thức báo hiệu xoay vòng (CSP) được đề xuất như trên hình 3.1 Như theo cấu trúc thông thường, BCP là một khung. .. văn đã giúp tôi hiểu sâu hơn v các giao thức báo hiệu điển hình đang được áp dụng cho mạng ề OBS, đặc biệt là một giao thức báo hiệu mới không tranh chấp (CSP) đem đến đầy triển vọng mới cho mạng OBS đã được thầy giáo PGS TS Bùi Trung Hiếu dày công xây dựng Việc hoàn thành cấu trúc khung tín hiệu điều khiển đóng góp một phần quan trọng vào việc hoàn thiện giao thức báo hiệu này Những nội dung chính trong... hiệu mới CSP trong mạng truyền tải • Xây dựng mô hình cấu trúc khung tín hiệu điều khiển cho CSP trên cơ sở xây dựng các trường thông tin cần có trong bản tin điều khiển Tính toán cụ thể để hoàn thiện cấu trúc khung tín hiệu một cách chi tiết Tuy nhiên, các k quả đã đạt được cũng chỉ là ban đầu Việc xây dựng các ết trường thông tin trong bản tin điều khiển mới chỉ dừng ở số lượng chứ chưa đưa ra các giá... mạch burst quang, kiến trúc mạng và nguyên tắc truyền tải, báo hiệu trong mạng • Phân tích các cơ ch đăng ký giải phóng tài nguyên và tìm hiểu các phương ế thức điều khiển và các giao thức báo hiệu sử dụng các kỹ thuật khác nhau của các cơ chế đó So sánh các ưu, nhược điểm của các giao thức báo hiệu để từ đó thấy rõ khả năng ứng dụng của giao thức báo hiệu mới CSP trong mạng truyền tải • Xây dựng mô... các cơ chế đăng ký, phân bổ tài nguyên và cấu hình chuyển mạch quang cho burst ở mỗi nút hợp lý Đó chính là các giải pháp kỹ thuật cơ bản cho báo hiệu Dựa trên các giải pháp kỹ thuật đó người là xây dựng nên các giao thức báo hiệu 2.1 Một số giải pháp kỹ thuật cho báo hiệu trong chuyển mạch burst quang Các giải pháp kỹ thuật cơ bản cho báo hiệu trong chuyển mạch burst quang có thể được tiến hành theo... cho burst sớm hơn thời điểm Horizon nhỏ nhất mọi bước sóng thì bản tin điều khiển và burst tiếp theo bị hủy bỏ Gói điều khiển (burst thứ i) tới Gói điều khiển (burst thứ i+1) tới Burst thứ i t2 t1 t3 TOXC t4 Burst thứ i+1 Thời gian t6 t5 Thời gian lệch nhau giữa các burst Khoảng thời gian chờ truyền burst Burst dữ liệu Hình 2.8 Đăng ký bước sóng tại nút OBS trong Horizon Như vậy giao thức Horizon cho. .. t1" t Burst dữ liệu Hình 2.10 Hoạt động của JET trên cùng một bước sóng 2.2.4 Giao thức JumpStart Nền tảng của giao thức JumpStart dựa trên giao thức JIT nhưng có thêm vào một số đặc tính: Cho phép triển khai QoS , hỗ trợ Multicast, cho phép chuyển mạch nhãn và cho phép đối với những kết nối ổn định (các đường dẫn quang) 2.2.5 Giao thức JIT+ Giao thức JIT + được đưa ra để cải thiện cho JIT Giao thức. .. 2.6 Truyền báo hiệu và burst trong giao thức JIT Hình 2.7 là một cách thể hiện khác của quá trình đăng ký bước sóng trong giao thức JIT tại một nút trên cùng một bước sóng, trong đó hai burst kế tiếp nhau là burst thứ i và burst thứ (i+1) đăng ký thành công trên cùng một bước sóng Gói điều khiển (burst thứ i+1) tới Gói điều khiển (burst thứ i) tới Burst thứ i t3 t1 t2 Rỗi (Idle) Rỗi (free) Burst thứ... ITU-OTN, khung thông tin đề xuất cho một BCP có thể gồm 3 phần: phần mào đầu (OH), phần thông tin điều khiển truyền burst (BCI) và phần dành cho những thông tin cần thiết khác (FCS) 3.2.1 Mào đầu BCP Phần mào đầu BCP có các trường tin: Cờ: Báo hiệu bắt đầu một gói tin điều khiển Loại bản tin: Để phân biệt gói tin điều khiển truyền burst với các loại thông tin báo hiệu khác (đồng bộ, cảnh báo, nghiệp . mạch burst quang, làm cơ sở khoa học để xây dựng cấu trúc khung tín hiệu điều khiển burst. Chương 3: Xây dựng cấu trúc khung tín hiệu điều khiển burst cho CSP Chương này trình bày các yêu cầu. CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG HOÀNG BÁ BẢO XÂY DỰNG CẤU TRÚC KHUNG TÍN HIỆU ĐIỀU KHIỂN BURST CHO GIAO THỨC BÁO HIỆU XOAY VÒNG (CSP) CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT VIỄN THÔNG MÃ SỐ: 60.52.02.08. tin báo hiệu trong mạng, trong đó thông tin điều khiển burst (BCP) là một trong những loại thông tin quan trọng nhất. Đây chính là khung tín hiệu đề xuất trong giao thức báo hiệu xoay vòng. Khung