Đồ án Chuyển mạch gói quang

là (2 dB là hệ số quá nhiễu), do đó suy hao có mối quan hệ trực tiếp với số lượng đầu vào và đầu ra. Mỗi SOA có hệ số suy hao 6 dB và công suất bão hoà là 10 dB. Suy hao khi coupler kết hợp với SOA là 2 dB. Tỉ lệ suy hao trong SOA là 60 dB. Mỗi bộ khuyếch đại EDFA có hệ số suy hao là 5 dB. 3.4.1.1 Bộ đệm đầu ra Cấu trúc đệm đầu ra gồm một trường chuyển mạch và một bộ đệm ở đầu ra của trường chuyển mạch như hình 3.14. Trong một khe thời gian, các gói tới cùng một đầu ra đều được đưa vào bộ đệm đồng thời một cách thích hợp. Nếu bộ đệm đã đầy thì các gói đến tiếp theo sẽ bị loại và xảy ra mất gói. Xác suất mất gói thường là từ 10-10 tới 10-11 tuỳ thuộc từng loại ứng dụng. 1 2 3 N N 1 2 N N Chuyển mạch không gian Hình 3.14: Chuyển mạch gói đệm đầu ra Nếu chọn kích thước bộ đệm tuỳ ý thì sẽ không có sự mất gói song ta đã không tính đến độ trễ gói cũng như hiệu năng chuyển mạch. Trễ gói xảy ra do tranh chấp khi có nhiều gói muốn tới cùng đầu ra ngay lập tức. Độ trễ được tính là độ trễ trung bình thống kê ở một bộ đệm. Các phân tích, tính toán độ trễ thường dựa trên kiểu lưu lượng Bernoulli hay lưu lượng đều, tức là các biến cố là độc lập, có xác suất không đổi, đồng thời sự phân bố lưu lượng ở đầu ra là như nhau. Cách phân tích này tuy có hạn chế vì lưu lượng trên thực tế là không đều, mang tính chất bùng nổ (có thời điểm rất lớn), song lại dễ phân tích và dễ so sánh tương quan giữa các loại cấu hình đệm khác nhau, do đó ta chọn kiểu lưu lượng này để phân tích. 3.3.1.2 Bộ đệm chia xẻ Đây là một dạng của đệm đầu ra, song mọi bộ đệm trên từng đầu ra đều dùng chung một vùng RAM (bộ nhớ truy nhập ngẫu nhiên). Như vậy giới hạn khả năng đệm được tính là tổng số gói trên toàn bộ đệm RAM. Đây là phương thức phổ biến trong chuyển mạch ATM, thực hiện theo kiểu truy nhập bộ nhớ ngẫu nhiên điện. Nó không có khả năng thực hiện dạng bằng quang, vì không có bộ nhớ bằng quang tương đương, và do sự phức tạp của chuyển mạch. Tuy nhiên, nhiều chuyển mạch gói quang có thể nói đã sử dụng bộ đệm chia xẻ khi cạnh tranh với bộ đệm đầu ra, các đường trễ được chia xẻ giữa các bộ đệm đầu ra. 3.3.1.3 Bộ đệm vòng Nếu nhiều gói ở nhiều đầu vào cùng tới một đầu ra, khi đó chỉ một gói được truyền qua, còn lại đều được truyền qua vòng hồi tiếp như hình 3.15. Chuyển mạch không gian Trễ một khe thời gian Hình 3.15: Chuyển mạch quay vòng STARLITE. Mỗi một lần quay vòng sẽ làm trễ thời gian tương ứng một gói, tức là là mỗi một vòng cho độ trễ một gói. Ví dụ một chuyển mạch 64´64với xác xuất mất gói 10-10, tải trọng 0.8 thì yêu cầu sử dụng 237 vòng lặp hồi tiếp. Khi thực hiện bằng vòng lặp với một độ trễ khi đó cần nhiều vòng lặp, hoặc có thể dùng một vòng có độ trễ khác nhau. 3.3.1.4 Bộ đệm đầu vào Cấu trúc đệm đầu vào gồm có một trường chuyển mạch không gian và một bộ đệm ở đầu vào như hình 3.16. Chuyển mạch không gian 4 1 2 2 2 1 4 3 1 2 1 4 Hình 3.16: Chuyển mạch đệm đầu vào, có HoL Hình vẽ chỉ ra một chuyển mạch không gian với các bộ đệm trên các đầu vào. Kiểu đệm gói này rất hay được sử dụng trong chuyển mạch gói điện vì nó có khả năng đồng bộ các gói tin ở đầu vào, tuy nhiên cũng cần giải quyết hiện tượng tắc nghẽn đầu vào HoL (head_ of _ line), giới hạn thông lượng lớn nhất là 58% cho lưu lượng hợp nhất . Ví dụ như gói thứ hai trong hàng đợi thứ ba yêu cầu tới đầu ra 3 nhưng nó bi dữ lai do đầu gói thứ nhất bị nghẽn Trên đây là bốn kiểu đệm chính trong kĩ thuật chuyển mạch, tuy trong thực tế các thiết kế thường kết hợp các kiểu đệm này với nhau, có thể là đệm đầu vào kết hợp với đệm đầu ra. 3.4.2 Chuyển mạch đơn tầng 3.4.2.1 OASIS Hai loại OASIS sẽ được xét về hiệu năng, khả năng modul và khả năng mở rộng mà một loại có coupler thụ động liên kết với bộ lọc để cung cấp chức năng định tuyến, loại thứ hai sử dụng thiết bị AWG để giảm suy hao. OASIS là mô phỏng của đệm đầu ra, độ đệm gói hay số khe thời gian đệm giống như đệm đầu ra, và được định hướng chính xác tới đầu ra. Trước hết ta sẽ mô phỏng tóm tắt đệm đầu ra, sau đó sẽ mô tả về chuyển mạch OASIS. Mô phỏng đệm đầu ra Chuyển mạch được cấu hình để mỗi gói đầu vào có thể trễ từ 0 tới b khe thời gian. b là độ sâu của mỗi bộ đệm đầu ra. Tại một thời điểm, nếu không có tranh chấp đầu ra, gói sẽ được chuyển tới đầu ra yêu cầu ngay lập tức. Để mô phỏng ta dùng N bộ đếm (N là số lượng đầu vào và đầu ra), mỗi bộ đếm liên kết với 1 đầu ra của chuyển mạch để tính toán độ trễ gói. Mỗi bộ đếm sẽ điều khiển một số gói trong bộ đệm đầu ra ảo có nguyên tắc truy nhập "vào trước ra trước" FIFO (First In First out), giá trị bộ đếm giảm một khi một gói tin ra khỏi và tăng một khi có một gói tin tới. Mỗi gói tin sẽ được chuyển ra tại một khe thời gian mới trừ khi bộ đệm rỗng. Nếu nhiều gói muốn tới cùng một đầu ra ở một khe thời gian thì chúng sẽ được đăng kí một độ trễ và được chuyển lần lượt tới bộ đệm. Tổng độ trễ tính bằng khe thời gian được thống kê là giá trị bộ đếm đầu ra. Khi bộ đếm hiện giá trị là b thì gói đến sẽ bị loại trước khi vào trường chuyển mạch vì xảy ra hiện tượng quá tải. Qua quá trình thử nghiệm trên thực tế, người ta thấy OASIS có cùng hiệu năng với chuyển mạch đệm đầu ra với độ sâu của bộ đệm b. OASIS sử dụng coupler thụ động Mô hình này được mô tả như hình 3.17 Coupler thụ động Đầu vào Đầu ra 1 1 2 2 N N TWC's Tách kênh tích cực Bộ lọc cố định Hình 3.17 : Chuyển mạch OASIS sử dụng coupler thụ động Các bộ chuyển đổi bước sóng khả chỉnh (TWC's) sẽ mã hoá các gói tin đầu vào dưới một bước sóng thích hợp với bộ lọc ở đầu ra. Mỗi gói tin sau đó đưa vào bộ chuyển mạch quang (như một bộ tách kênh) 1 đầu vào và (b+1) đầu ra, để điều khiển gói tin tới một trong các đường đây trễ có độ dài 1, 2, … , b khe thời gian hoặc 0 (nếu chiều dài hiệu dụng bằng 0). Với thuật toán mô phỏng đệm đầu ra ở trên và độ trễ mỗi gói đã biết, tín hiệu điều khiển của thiết bị có thể dễ dàng xác định được. Với các giả thiết trong phần tính hiệu năng quang ở trên, công suất quang suy hao của kiến trúc này có thể xác định, được thể hiện trên hình 3.18. Hình 3.18: Công suất suy hao của OASIS do coupler thụ động 876543210 Công suất suy hao (dB) Số lượng đầu vào/ ra 4 8 12 622 Mb/s 2,5 Gb/s 10 Gb/s Giả thiết chiều sâu bộ đệm bằng số đầu vào và đầu ra, khi đó có thể đánh giá hiệu năng quang chính xác mà không quá phức tạp. Do đó, nếu kích thước chuyển mạch tăng (số đầu vào và đầu ra tăng) thì độ sâu của bộ đệm cũng tăng, và tỉ lệ mất gói sẽ giảm. Ngoài ra, tốc độ bit cũng ảnh hưởng tới hiệu năng vì nhiễu bộ khuyếch đại quang bán dẫn SOA tăng nhanh với tốc độ bit. Hiệu năng đã được tính toán ở tốc độ bit 622 Mb/s; 2,5 Gb/s; và 10 Gb/s. Với chuyển mạch 16 ´16 không thể đạt BER =10-14 ở tốc độ 2,5 Gb/s hay 10 Gb/s, và suy hao công suất quá lớn (lớn hơn 2 dB) ở tốc độ 10 Gb/s đối với chuyển mạch 8 ´8. Bộ khuyếch đại quang bán dẫn SOA được sử dụng như một thành phần của bộ tách kênh tích cực, hai bộ SOA có thể bù suy hao khi tách và ghép kênh, nhưng nhiễu do nó sinh ra làm giảm hiệu năng quang của chuyển mạch. OASIS sử dụng AWG Cấu hình này là sự thay đổi của của cấu hình trước, các coupler thụ động và bộ lọc được thay thế bằng AWG để giảm suy hao. Hoạt động giống như trên, chỉ khác là các bộ chuyển đổi bước sóng khả chỉnh mã hóa bước sóng gói tin theo đầu ra yêu cầu, và nếu tương ứng với bước sóng hoạt động của đường dây trễ thì đều được truyền qua. Hình 3.19 trình bày về hiệu năng quang của mô hình này, BER có thể đạt tới 10-14 ở tốc độ bit 2,5 Gb/s với chuyển mạch 16´16, và suy hao công suất đối với chuyển mạch 8 ´8 ở tốc độ 10 Gb/s chỉ dưới 1,5 dB. 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Công suất suy hao (dB) Số lượng đầu vào/ ra 4 8 12 16 Hình 3.19: Công suất suy hao của OASIS sử dụng AWG's 622 Mb/s 2,5 Gb/s 10 Gb/s Cả hai mô hình OASIS này đều không thể thực hiện ưu tiên gói vì các gói khi đã vào hàng đợi thì không thể hủy bất cứ một gói nào khi có độ ưu tiên cao hơn. Hai kiến trúc OASIS có cùng độ mất gói và độ trễ như chuyển mạch đệm đầu ra. 3.4.2.2 Chuyển mạch lựa chọn và quảng bá Mô hình chuyển mạch lựa chọn và quảng bá được minh họa trên hình 3.20 Bộ chia thụ động Bộ kết hợp thụ động Bộ lọc cố định Cổng khuyếch đại Laser bán dẫn. Bộ chuyển đổi bước sóng cố định Hình 3.20: Chuyển mạch lựa chọn và quảng bá. Các bộ chuyển đổi bước sóng cố định sẽ mã hoá luồng gói tin ở đầu vào, do đó các gói trên mỗi đầu vào được xuất hiện dưới mỗi bước sóng riêng biệt. Các luồng này sau đó được kết hợp và phân tán tới các đường dây trễ. Với phương thức chuyển mạch SOA và bộ kết hợp thụ động, mỗi đầu ra sẽ chọn một tín hiệu từ một đường dây trễ. Do đó, ở mỗi đầu ra sẽ sử dụng một loạt bộ lọc để chọn các gói tin chính xác từ đầu vào. Cũng giống với chuyển mạch đệm đầu ra, nên chuyển mạch lựa chọn và quảng bá có cùng hiệu năng với chuyển mạch đệm đầu ra. Hơn nữa, vì tất cả các gói đều quảng bá tới mọi đầu ra, với mọi độ trễ có thể, nên chuyển mạch này có thể hoạt động quảng bá gói tin, và thực hiện ưu tiên gói. Hình 3.21 chỉ ra mức suy hao công suất ứng với kích thước chuyển mạch khác nhau, ở tốc độ 622 Gb/s; 2,5 Gb/s và 10 Gb/s. ở mô hình này, có thể sử dụng hai bộ khuyếch đại SOA và một EDFA ở đầu ra để bù lại suy hao. Công suất suy hao (dB) 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 4 8 12 16 Số đầu vào/ ra 622 Mb/s 2,5 Gb/s 10 Gb/s Hình 3.21 : Công suất suy hao chuyển mạch lựa chọn và quảng bá đơn tầng. 3.4.2.3 Đệm vòng lặp đa bước sóng FFPF Cổng SOA l0 l1 l2 l3 l0 l1 l2 l3 Đầu vào Đầu ra Chuyển đổi bước sóng khả chỉnh Bộ lọc DBF khả chỉnh Sợi trễ một khe thời gian FFPF FFPF (Fiber Febry Perot Filter): bộ lọc sợi Fabry Perot. Hình 3.22: Chuyển mạch vòng đa bước sóng. EDFA Trong chuyển mạch đệm vòng, nhiều gói được lưu trên cùng một vòng hồi tiếp ở nhiều bước sóng khác nhau như hình 3.22. Mỗi bộ chuyển đổi bước sóng sẽ phối hợp hoạt động ở mọi khe thời gian, sao cho các gói đầu vào không tranh chấp với các gói khác ở mạch vòng. Ngay khi một gói rời mạch vòng, bộ lọc khả chỉnh DFB ở đầu ra tương ứng sẽ điều chỉnh bước sóng, và một trong các SOA ở cổng vòng sẽ chuyển các gói ra ngoài. Thực nghiệm đã chứng tỏ được gói tin còn hiệu lực sau khi lặp vòng 10 lần ở tốc độ 622 Mb/s đối với cấu hình hai đầu vào và hai đầu ra. Với các giả thiết trong phần tính hiệu năng quang, coi bộ lọc khả chỉnh có hệ số tăng ích 21 tới 25 dB, và hệ số nhiễu là 6 dB. Hình 3.23 trình bày về công suất suy hao không tăng nhanh quá với số vòng lặp ở tốc độ 2,5 Gb/s và 10 Gb/s. 9876543210 0 1 2 3 4 5 6 7 Công suất suy hao (dB) Số lần quay vòng 2,5 Gb/s 10 Gb/s Hình 3.23: Công suất suy hao của chuyển mạch đệm vòng đa bước sóng. Chuyển mạch này cũng là mô phỏng của đệm đầu ra, nên có xác suất mất tế bào và độ trễ trên đường dây trễ như chuyển mạch đệm đầu ra với độ sâu bộ đệm bằng với số lần quay vòng lớn nhất. Mô hình này cũng có thể thực hiện ưu tiên gói. 3.4.2.4 Chuyển mạch gói quang dùng chung bộ nhớ SMOP (Share Memory Optical Packet switching) gồm chuyển mạch đệm quay vòng với độ dài đường dây trễ là 1, 2, 3, …, m, và chuyển mạch không gian trung tâm (N + m)´(N + m) thường được thiết kế hình cây, sao cho nhiễu và xuyên âm nhỏ. Các đường dây trễ có chiều dài lớn hơn một nên giảm được số vòng hồi tiếp và số bộ khuyếch đại, đồng thời giảm kích thước chuyển mạch không gian. Khi nhiều tế bào tới chuyển mạch không gian cùng định hướng tới một đầu ra, thì tất cả trừ một gói đều chuyển tới các đường dây trễ vòng. Thuật toán điều khiển dựa trên mô phỏng đệm đầu ra, và xử lí trên mỗi khe thời gian như sau: Các gói tới từ đường dây trễ tới đầu ra đều đã được định tuyến. Bất kỳ gói nào tới đầu vào của SMOP mà có thể đi trực tiếp tới đầu ra, đều đi theo một tuyến nhất định, trừ khi quy tắc hàng đợi "vào trước ra trước" FIFO bị vi phạm. Nếu có bất kì gói nào muốn tới đầu ra chỉ sau một lần quay vòng, thì chúng sẽ được lập lịch chỉ sau đúng một lần quay vòng, sau đó ra khỏi trường chuyển mạch. Quyền ưu tiên sẽ thuộc về gói có độ trễ còn lại nhỏ nhất. Tất cả các gói tin còn lại trên đường dây trễ cố gắng tránh trường hợp có nhiều gói tới cùng một đầu ra sau một lần lặp. Nói chung các gói được lưu đệm theo nguyên tắc hàng đợi FIFO và dựa trên kết quả mô phỏng, cho thấy số lần quay vòng cho phép lớn nhất là 10. Kiến trúc chuyển mạch này cho phép ưu tiên gói, vì những gói có độ ưu tiên thấp hơn có thể bị trễ nhiều hơn sau lần quay vòng khác. Xác suất mất gói gần với chuyển mạch chia sẻ bộ nhớ. Nếu N =8 và m =3, tải đều Bernoulli 0,9 thì xác suất mất gói bằng 10-6. Trong mô phỏng, mỗi SOA đều được sử dụng ở đầu ra và trên mạch vòng để bù lại suy hao, thông thường N =M. Hình 3.24 trình bày về công suất suy hao tỉ lệ với số lần lặp vòng ứng với tốc độ 2,5 Gb/s và 10 Gb/s. Ta thấy trong tất cả các kiến trúc chuyển mạch đơn tầng, SMOP cho suy hao công suất thấp nhất vì kiến trúc chuyển mạng hình cây rất thông minh và xuyên âm nhỏ. Với OASIS, do sử dụng AWG nên cũng cải thiện được hiệu năng do giảm được suy hao. Tất cả các kiến trúc chuyển mạch này đều có hiệu năng trễ và mất gói như chuyển mạch đệm đầu ra trừ SMOP. Ngoài ra, chỉ OASIS là không thể có chế độ ưu tiên gói vì nó không thực hiện được quay vòng cũng như quảng bá gói tin tới tất cả đường dây trễ chuyển tiếp. 0 5 10 20 40 80 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Công suất suy hao (dB) Số lần quay vòng 0 5 10 20 40 80 4 3 2 1 0 Công suất suy hao (dB) Số lần quay vòng 10 Gb/s 622 Mb/s 0 5 10 20 40 80 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Công suất suy hao (dB) Số lần quay vòng 4 I/Os 8 I/Os 16 I/Os 2,5 Gb/s Hình 3.24: Công suất suy hao của SMOP. Đó là các kiểu đệm gói tin trong chuyển mạch đơn tầng, sau đây ta xét chuyển mạch đa tầng Kiến trúc chuyển mạch đa tầng sử dụng đệm bằng nhiều tầng đường dây trễ. Wave_Mux sử dụng phần lớn là đệm điện, còn đệm quang chỉ theo lịch trình để dễ dàng dễ chuyển mạch. Chủ yếu chuyển mạch đa tầng là là sự mở rộng ghép nối của các phần tử chuyển mạch 2 x2. 3.4.3 Chuyển mạch đa tầng 3.4.3.1 Chuyển mạch ghép bước sóng Wave-Mux Trong chuyển mạch Wave_Mux, chuyển mạch trung tâm thay đổi trạng thái ở mọi khe thời gian, hoạt động theo cách thức lập lịch trình (hình 3.25 (a)). Chuyển mạch không gian trung tâm IGM IGM IGM OGM OGM OGM Hình 3.25 (a): Sơ đồ khối kiến trúc chuyển mạch Wave_ mux Các đầu vào và đầu ra được phân chia thành các nhóm gọi là nhóm đầu vào IGM (Input Group Module) và nhóm đầu ra OGM (Output Group Module). Mỗi IGM/ OGM được đăng kí một khe thời gian nhất định, và các IGM sẽ đệm cho tất cả các gói đầu vào, cho tới khi chúng được truyền qua chuyển mạch trung tâm ở khe thời gian chính xác, như vậy Wave_mux có bản chất là chuyển mạch đệm đầu vào. Mỗi gói tin hay tế bào tin trên một khe thời gian xác định, đều được chuyển qua trường chuyển mạch trung tâm, trên một đường xác định tại một bước sóng khác. Các gói tin khi tới IGM, trước tiên được chuyển về dạng điện để chuyển đổi tiêu đề gói tin và đệm, sau đó mới được chuyển đổi về dạng tín hiệu quang như hình 3.25 (b). Quang/ /điện Khôi phục tiêu đề Đệm điện Điện/ /quang Phân loại Hình 3.25 (b): Cấu trúc IGM Đệm điện cần phải sử dụng vì yêu cầu khả năng đệm lớn để đảm bảo tỉ lệ mất gói tin. Bộ nhớ đệm cần được tổ chức, sao cho các gói tin từ một đầu vào có thể vào bộ phân loại đồng thời, để tránh hiện tượng tắc nghẽn đầu vào HoL (Head Of Line) như hình 3.25 (c). Chuyển mạch không gian Biến đổi bước sóng khả chỉnh Coupler thụ động 1 b Hình 3.25 (c) : Bộ phân loại trong modul IGM Bộ phân loại được sử dụng để đảm bảo các gói tới trường chuyển mạch trong khe thời gian chính xác, tại đầu ra chính xác. Bộ chuyển đổi bước sóng cho phép các gói tin truyền qua trường chuyển mạch không gian đồng thời trên cùng một tuyến. Nhóm OGM gồm các đường dây trễ và bộ lọc khả chỉnh sẽ lần lượt chuyển các gói tin tới đầu ra chính xác như hình 3.25 (d). Hình 3.25d: Bộ phân loại trong modul OGM Một ưu điểm của chuyển mạch Wave_mux là kích thước yêu cầu của chuyển mạch không gian rất nhỏ, ngay cả khi gói tin có kích thước lớn. Với 128 đầu vào và đầu ra, 8 đầu vào trong một IGM và 16 đầu ra trong một OGM, 128 gói tin trên mỗi đường trong bộ đệm điện và tải 0,8, thì có thể đạt được tỉ lệ mất gói hay tế bào tin là 10-10. Kiến trúc này cũng có thể thực hiện ưu tiên gói. Khi xây dựng mô hình này, một cổng SOA và hai bộ khuyếch đại EDFA (mỗi EDFA cho một chuyển mạch 4 x4) đều cần sử dụng để bù lại suy hao, và cũng như SMOP, tất cả chuyển mạch không gian đều có kiến trúc hình cây. Trong mỗi bộ phân loại của IGM, các coupler thụ động được đặt tại đầu ra của chuyển mạch để có thể chuyển mạch theo cơ chế nối thông nhiều_tới_một. Hình 3.26 trình bày công suất suy hao tỉ lệ với kích thước chuyển mạch với tốc độ bit. 543210 Công suất suy hao (dB) Số lượng đầu vào/ ra 4 8 16 622 Mb/s 2,5 Gb/s Hình 3.26: Công suất suy hao của chuyển mạch Wave_mux. ở đây kiến trúc này không đáp ứng được tốc độ 10 Gb/s do nhiễu nền, phát xạ tự phát khuyếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emission) và suy giảm hiệu năng, đúng như dự kiến rằng suy hao công suất tăng nhanh khi tốc độ tăng. Chuyển mạch Wave_Mux sử dụng các thiết bị quang học và chuyển mạch quang để liên kết nối, chuyển mạch và đệm. Nhưng do sử dụng công nghệ quang nhiều để thực hiện các chức năng (chủ yếu là trễ và chuyển mạch) nên công suất suy hao lớn hơn so với các kiến trúc khác, tuy nhiên lại không tốn nhiều bộ đệm. 3.4.3.2 Chuyển mạch ghép tầng sử dụng các phần tử chuyển mạch 2 x 2 Kiến trúc node chuyển mạch đệm quang 2´2 gồm một loạt các thiết bị chuyển mạch 2´2 và các đường dây trễ. Mỗi điểm chuyển mạch 2´2 có thể thay đổi trạng thái giữa các khe thời gian dưới sự điều khiển điện. Dung lượng của chuyển mạch rất nhỏ so với mạng viễn thông rộng lớn, do đó kiến trúc này chỉ áp dụng trong các mạch vòng và mạng cục bộ (LAN). Kiến trúc này cũng có thể thực hiện ưu tiên gói tin nhưng rất khó vì các gói tin đều được lập lịch trình theo một thời gian định trước, để đi qua trường chuyển mạch. Dưới đây sẽ xét 4 kiểu trong loại kiến trúc này. 1 Kiến trúc ghép trễ quang COD (Cascaded Optical Delays) Trong COD, mỗi thiết bị chuyển mạch 2x2 sẽ phân loại gói tin tới đầu ra phía trên hay đầu ra phía dưới theo yêu cầu, và được gọi là một "thanh nối chéo thông minh" hay "crossbar thông minh (smart)". Mỗi tầng có thể hoặc là trao đổi một khe (TC Track Changer) như hình 3.27 (a), hoặc là trao đổi hai khe (TTC Twin Track Changer) như hình 3.27 (b), và được ghép nối theo chuỗi nối tiếp. Đầu vào tầng Đường trễ Chuyển mạch 2x2 Đầu ra tới tầng tiếp theo Hình 3.27(a): Trao đổi một khe Đầu vào tầng Đường trễ Delay_line Đầu ra tới tầng tiếp theo Chuyển mạch 2x2 Hình 3.27(b): Trao đổi hai khe Nếu mỗi đường dây trễ trên mỗi tầng có một bước sóng duy nhất, thì thứ tự các gói tin được duy trì. Độ sâu của toàn bộ đệm quan hệ tuyến tính với số tầng. Chuỗi các TTC có xác suất mất tế bào tin nhỏ hơn chuỗi TC. Ví dụ với 5 tầng TC; độ trễ 1, 7, 49, 686; tải 0,8 và 11 thanh nối chéo thì xác suất mất gói là 10-11, còn nếu với 4 tầng TTC, độ trễ 1, 7, 98, 4116; tải 0,8 và 13 thanh nối chéo thì xác suất mất gói là 10-24. Do đó, đối với TTC nếu số thanh nối chéo càng ít thì hiệu năng càng cao. 2 Kiến trúc chuyển mạch ghép đường dây trễ SDL (Switch Fiber Delay_lines) Kiến trúc 2x1 này gồm 2 tầng đường dây trễ như hình 3.28, ban đầu chỉ để làm giảm sự tranh chấp bộ thu trong hệ thống WDM. Sau đó được đưa vào sử dụng trong kiến trúc chuyển mạch. Đầu ra Đầu vào 1 1 Hình 3.28: Kiến trúc chuyển mạch ghép đường dây trễ Nếu có hai gói tin tranh chấp ở đầu vào thì một gói được trễ đệm trên đường dây trễ thứ nhất, và nếu lại tiếp tục có tranh chấp thì gói tin mới sẽ được trễ đệm trên đường dây trễ thứ hai. Khi nguyên tắc hàng đợi FIFO bị phá vỡ, hiệu năng vẫn có thể được duy trì vì có rất nhiều cách điều khiển. Theo đề án giải quyết tranh chấp nhờ đường dây trễ CORD (Contention Optical Resolution by Delay_lines), thì các đường dây trễ đều có độ trễ như nhau bằng 1 khe thời gian. Tuy nhiên các đường dây trễ có độ trễ không đồng đều từ 1 tới 10 cũng có thể được sử dụng, ví dụ suy hao gói 0,0469 ở tải 0,5 trên cả hai đầu vào. Tất cả các gói tới hai đầu vào đều định hướng tới một đầu ra vì đây là kiến trúc 2x1, khi đó cần tránh trường hợp cả hai gói ra khỏi đường dây trễ cùng một lúc. Chuyển mạch gói sẽ thực hiện nhờ điều khiển gói tới đường dây trễ có độ trễ nhỏ hơn hay lớn hơn. 3 Chuyển mạch đường dây trễ logarit Kiến trúc này yêu cầu phần cứng tăng theo hàm loga với yêu cầu độ sâu bộ đệm như hình 3.29. Hình 3.29: Chuyển mạch đường dây trễ logarit 1 2 n/ 4 n/ 2 0 -5 -10 -15 -20 -25 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0,999 Tải r LogW) Hình 3.30 : Tỉ lệ mất gói tin của chuyển mạch đường dây trễ logarit n = 2 n = 4 n = 8 n = 16 n = 32 n = 64 n = 128 Kiến mô phỏng theo đệm đầu ra để điều khiển cấu trúc với các phần tử chuyển mạch đệm đầu ra 2 x2. Tổng hai bộ đệm luôn là n-1, kiến trúc này hoàn toàn không bị chặn nội, hay nói cách khác là kiến trúc này chấp nhận tải 100%. Tuy nhiên tải 100% ở đây không ổn định, vì có gói tin bị trễ vô hạn theo thống kê ngẫu nhiên. Để giải quyết trường hợp này, mỗi khe thời gian rỗng vào chuyển mạch sẽ được chèn vào hàng đợi còn nhiều chỗ trống nhất để đảm bảo hệ thống cân bằng và tránh tình trạng không ổn định. Các khe thời gian rỗng trong hàng đợi sẽ bị trễ không định trước và có thể trễ vô hạn. Hình 3.30 biểu diễn tỉ lệ mất gói tin theo đơn vị loga của kiến trúc này. 4 Chuyển mạch định tuyến bổ sung đệm đơn tầng Kiến trúc chuyển mạch này là trường hợp đặc biệt của chuyển mạch đường dây trễ logarit, với n=2 và gồm hai chuyển mạch 2x2 với một đường dây trễ. Chuyển mạch này có thể điều khiển sai khác rất ít so với kiến trúc trên, để xác suất mất gói giảm xuống một đại lượng rất nhỏ. Sự triển khai kiến trúc này có thể được nghiên cứu rộng rãi trong mạng thông thường. Tuy nhiên vì dung lượng đệm đơn tầng rất nhỏ, nên kiến trúc này chỉ áp dụng cho các ứng dụng chấp nhận xác suất mất gói lớn, và do đó nó hạn chế hơn so với kiến trúc chuyển mạch đường dây trễ logarit nói trên. Hiệu năng của kiểu chuyển mạch này ứng với n=2 trong hình 3.30. Nói chung, các kiến trúc đệm theo CORD và chuyển mạch định tuyến đệm đơn tầng đều là các chuyển mạch kích thước nhỏ, do đó chỉ áp dụng trong một số trường hợp đặc biệt. COD tận dụng phần cứng kém hiệu quả hơn so với chuyển mạch đường dây trễ logarit. Ví dụ xác suất mất gói tin là 10-24 yêu cầu 13 crossbar thông minh trong cấu hình TTC, trong khi đó, chuyển mạch đường dây trễ logarit chỉ cần 8 phần tử chuyển mạch 2x2 (hình 3.30). Ngoài ra, theo CORD kiểu đệm cho độ trễ gói lớn hơn và không duy trì được thứ tự gói tin. 3.4.3.3 Chuyển mạch với bộ đệm quang lớn SLOB Sơ đồ khối của chuyển mạch đệm quang lớn trên hình 3.31, đó là sự ghép nối của nhiều chuyển mạch nhỏ, tạo thành chuyển mạch lớn với khả năng đệm sâu hơn. (m-1).mk-1 2mk-1 mk-1 (m-1).m2 2m2 m2 2m m 2 1 Chuyển mạch không gian đầu ra Phần tử chuyển mạch 0 Phần tử chuyển mạch k 1 2 3 m Đầu vào 1 2 3 m Không sử dụng 1 2 m Đầu ra (m-1).m0 Phần tử chuyển mạch 1 (m-1).m1 Phần tử chuyển mạch 2 Hình 3.31: Chuyển mạch với đệm quang lớn 3.5 Kiến trúc định tuyến thực nghiệm gói quang có khả năng hoán đổi nhẵn OPERA 3.5.1 Kiến trúc mạng Mạng OPERA được thiết kế để định tuyến gói tin giữa nhiều người dùng qua nhiều mạng con như trên hình 3.32. Mỗi một mạng con kết nối với M người dùng thông qua các bộ định tuyến giao diện mạng quang ONIR's (Optical Network Interface Routers) và kết nối tới N-M mạng con khác. Quá trình định tuyến bên trong và ngoài mạng con cần sự kết hợp giữa bộ chuyển đổi bước sóng trong ONIR's và chức năng định tuyến thụ động của AWGR. Khi đó chỉ cần dùng N bước sóng để định tuyến qua rất nhiều node mạng nhờ có chuyển đổi bước sóng. Mạng con i N N-1 Bộ định tuyến bước sóng theo mảng (AWGR) Node #1i Node #2i Node #Mi ORNI # 2i Mạng con Mạng con Mạng con ORNI # Mi ORNI #1i M+1 Hình 2.32: Mạng OPERA, kết nối một mạng con tới các mạng con. Chức năng định tuyến và chuyển tiếp gói trong ONIR's bao gồm khôi phục và cập nhật tiêu đề với tốc độ đường truyền, chuyển mạch bước sóng nhanh, chuyển mạch quang không gian và xử lí chuyển tiếp gói. Cập nhật tiêu đề gói rất quan trọng để đơn giản trong định tuyến và trao đổi nhãn, thích hợp với bộ giao thức internet và chuyển mạch ATM. Để đơn giản chức năng khôi phục và thay đổi tiêu đề gói, OPERA sử dụng sóng mang quang để ghép vào địa chỉ OSCM (Optical Subcarrier Multiplexer). Dữ liệu và tiêu đề được phát đi ở tốc độ bit khác nhau và việc khôi phục tiêu đề được thực hiện độc lập với tốc độ tải trọng nhờ kỹ thuật lọc. Quá trình khôi phục tiêu đề sóng mang con dựa trên kỹ thuật tách sóng quang trực tiếp, nên làm giảm sự phức tạp của công nghệ coherent RF. Chuyển đổi bước sóng hoạt động ở tốc độ gói, với cách thức chuyển đổi bước sóng hai tầng để có thể thay thế sóng mang quang và tăng cường tỉ lệ tải trọng. Cách thức này dựa trên các bộ chuyển đổi bước sóng khuyếch đại quang bán dẫn, có thể tách tiêu đề mà không cần tách dữ liệu và sửa đổi tiêu