Tổng quan về mạng toàn quang (Alloptical network): cấu hình, các linh kiện và thiết bị cơ bản

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC BÀI TẬP LỚN MẠNG THÔNG TIN QUANG THẾ HỆ MỚI ĐỀ TÀI TỔNG QUAN VỀ MẠNG TOÀN QUANG ( ALL OPTICAL NETWORK) CẤU HÌNH, CÁC LINH KIỆN VÀ THIẾT BỊ CƠ BẢN Giảng viên hướng dẫn TS BÙI VIỆT KHÔI Nhóm học viên NGUYỄN ĐÌNH AN ĐINH TIẾN HIỆP ĐỖ XUÂN PHONG NGUYẾN THÀNH TRUNG THÂN VĂN TRƯỜNG Lớp KTTT1B Hà Nội, tháng 052022 Tổng quan về mạng toàn quang (All optical network) cấu hình, các linh kiện và thiết bị cơ bản LỜI MỞ ĐẦU Sự bù.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC BÀI TẬP LỚN MẠNG THÔNG TIN QUANG THẾ HỆ MỚI ĐỀ TÀI: TỔNG QUAN VỀ MẠNG TOÀN QUANG ( ALL-OPTICAL NETWORK) : CẤU HÌNH, CÁC LINH KIỆN VÀ THIẾT BỊ CƠ BẢN Giảng viên hướng dẫn Nhóm học viên Lớp : TS BÙI VIỆT KHÔI : NGUYỄN ĐÌNH AN ĐINH TIẾN HIỆP ĐỖ XUÂN PHONG NGUYẾN THÀNH TRUNG THÂN VĂN TRƯỜNG : KTTT1B Hà Nội, tháng 05/2022 Tổng quan mạng tồn quang (Alloptical network): cấu hình, linh kiện thiết bị LỜI MỞ ĐẦU Sự bùng nổ mạng Internet, phát triển số lượng người sử dùng, phát triển ứng dụng dịch vụ IP, mà chứng kiến vòng gần thập kỉ qua Xét mặt kỹ thuật, để đáp ứng phát triển đó, hạ tầng mạng truyền dẫn bao gồm mạng đường backbone mạng truy nhập phải nâng cao dung lượng cách chuyển dần sang mạng truyền dẫn cáp sợi quang Mạng truyền dẫn quang đáp ứng nhiều yêu cầu dung lượng (tối đa 50Tbps), chi phí xây dựng tính bảo mật thơng tin Hai công nghệ quan trọng gần giúp tăng dung lượng hệ thống WDM khuêch đại sợi quang EDFA Từ khoảng năm 1986 trở lại có nhiều dựán xây dựng mạng đường trục cáp quang biển quốc tếđược triển khai, giúp tăng cường khả trao đổi thông tin quốc gia, lãnh thổ giới Tiếp đến mạng đường trục đất liền quốc gia xây dựng tảng truyền dẫn sợi quang Vào đầu năm 1988, công nghệ SONET SDH chủ đề nóng đề cập đến chuẩn ghép kênh cho mạng đường trục tương lai SONET SDH chuẩn thiết kế từ đầu cho hệ thống TDM (chiếm đa số vào năm 1980) Sử dụng TDM, luồng liệu tốc độ cao tạo trực tiếp cách ghép kênh có tốc độ bit thấp Thực tế có nhiều hệ thống SDH/SONET triển khai Các hệ thống TDM dung lượng cao hoạt động tốc độ OC-192 10Gbps Tuy nhiên ta gặp khó khăn muốn chuyển lên tốc độ OC-768 lớn hạn chế tần số hoạt động linh kiện điện tử Đến năm 1997, công nghệ WDM đánh giá công nghệ ghép kênh số giúp tăng dung lượng hệ thống lên hàng trăm lần, giảm chi phí đầu tư Cơng nghệ WDM cho phép ghép nhiều kênh tốc độ bít khác sợi quang cách đặt kênh bước sóng khác Hiện có thiết bị ghép kênh WDM có khả ghép 80 kênh (bước sóng) Với việc xử lý tín hiệu quang node mạng, loại bỏ hạn chế thiết bị điện tử, đưa mạng tên mạng toàn quang (AON) Mạng toàn quang định tuyến bước sóng coi ứng cử viên cho mạng backbone diện rộng hệ Mạng AON xây dựng từ thiết bị ghép kênh WDM (kèm theo khả xen/tách) thiết bị đấu chéo OXC (cross-connect) Hệ thống DWDM có khả ghép 32 bước sóng nhiều dải 1550nm, tăng dung lượng sợi quang có suốt với tốc độ bít Mạng AON làm việc với bước sóng khác lớp vật lý, ghép kênh WDM định tuyến theo bước sóng Nó gồm node định tuyến bước sóng quang nối với kết nối sợi quang Một lightpath phải thiết lập hai node định tuyến trước chúng trao đổi thông tin Mạng phải xác định tuyến (route/path) nối node gán bước sóng rỗi cho kết nối dọc theo đường Lightpath kết nối quang trực tiếp hai node khơng qua thiết bịđiện tử trung gian Để thiết lập lightpath, thông thường yêu cầu mạng phải phân bổ bước sóng chung tất kết nối dọc theo đường lightpath Đó u cầu tính liên tục bước sóng, điều khiến cho mạng định tuyến bước sóng khác với mạng điện thoại chuyển mạch truyền thống Một u cầu bị từ chối khơng có bước sóng chung cịn rỗi tồn tuyến Một mục tiêu toán thiết kế mạng AON định tuyến bước sóng phải giảm tối thiểu xác suất nghẽn toàn mạng Bài tiểu luận trình bày Tổng quan Mạng tồn quang: Kiến trúc mạng, chi tiết thiết bị linh kiện mạng toàn quang, đồng thời nêu lên cơng nghệ quan trọng mạng tồn quang chuyển mạch ghép kênh quang Nhóm sinh viên thực hiện: - Nguyễn Đình An - Đinh Tiến Hiệp - Đỗ Xuân Phong - Nguyễn Thành Trung - Thân Văn Trường Mục lục Tổng quan mạng toàn quang 1.1 Các kiểu mạng toàn quang 1.2 Kiến trúc mạng toàn quang .6 1.2.1 Kiến trúc chức (functional architecture) 1.2.1.1 Lớp mạng kênh quang (Optical Channel Layer Network) 1.2.1.2 Lớp mạng ghép kênh quang 1.2.1.3 Lớp mạng truyền dẫn quang 1.2.2 Kiến trúc mạng (network architecture) 1.2.1.1 Kiến trúc AT&T/MIT-LL/DEC AON 1.2.1.2 Kiến trúc Bellcore’s AON 13 Các linh kiện thiết bị mạng toàn quang .14 2.1 Sợi quang .14 2.2 Bộ phát/thu tín hiệu quang 16 2.3 Bộ lọc ghép kênh quang 17 2.4 Bộ chuyển mạch quang 18 2.5 Bộ chuyển đổi bước sóng 19 2.5.1 Chuyển đổi bước sóng O-E 20 2.5.2 Chuyển đổi bước sóng tồn quang 20 2.6 Bộ khuếch đại quang .21 2.7 Cấu trúc mạng DWDM 24 2.7.1 Thiết bị đầu cuối OLT 26 2.7.2 Bộ ghép/xem OADM 27 2.7.3 Bộ kết nối chéo quang OXC 30 Một số công nghệ quan trọng mạng AON 36 3.1 Công nghệ kênh quang 36 3.1.1 Kênh quang 36 3.1.2 Đường dẫn bước sóng đường dẫn bước sóng ảo .43 3.2 Cơng nghệ chuyển mạch kênh quang 44 3.2.1 Cấu trúc chuyển mạch WP .47 3.2.2 Cấu trúc hệ thống chuyển mạch WP/VWP 47 3.2.3 Cấu trúc chuyển mạch ma trận đầy đủ 49 3.3 Công nghệ chuyển mạch gói quang 50 Kết luận .54 4.1 Ứng dụng mạng toàn quang 54 4.2 Những hạn chế 56 4.3 Kết luận khuyến nghị .57 Tổng quan mạng toàn quang 1.1 Các kiểu mạng toàn quang Mạng tồn quang phân chia thành: Passive Optical Networks (PONs), Transparent Optical Networks (TONs), Ultra-high-speed Optical Networks (UONs) Các mạng thảo luận chi tiết mục sau a Passive Optical Networks (PONs) PON sử dụng cá thành phần quang thụ động như: cáp quang, directional coupler, star coupler, router thụ động, lọc Nhìn chung, PĨN thiết kể cho truyền thơng khoảng cách ngắn, bé 30 dặm Với khoảng cách ngắn, tín hiệu quang khơng u cầu khuch đại Nó loại trừ việc sử dụng tất thành phần tíh cực yêu câu lượng điện để xử lý PONs đáp ứng yêu cầu giá thành rẻ, độ tin cậy cao băng thơng lớn Do vậy, xem giải pháp hấp dẫn cho mạng cục (Local Area Networks – LANs) mạng Metropolitan Area Networks (MANs) Mạng LANs MANs toàn quang thụ động cấu hình sử dụng topo hình sao, cây, bus vịng Chúng sử dụng ứng dụng như: - Fiber to The Curb (FTTC) - Fiber to The Building (FTTB) - Fiber to The Home (FTTF) Thêm vào đó, PONs sử dụng với mạng khác để cung cấp tín hiệu quang truyền thơng điểm – đa điểm Những mạng gồm Digital Loop Carrier (DLC) Integrated Access, Wireless Multi-channel Multi-point Distribution System (MMDS), High Dât-rate Digital Subscriber Line (HDSL) Very High Dât-rate Digital Subscriber Line (VDSL) Sử dụng PON giảm giá thành DLC việc cung cấp giải pháp feeder cáp quang đa điểm Hệ thống PON dùng Central Office thiết bị đầu cuối xa DLC, , cung cấp giải pháp vịng cục băng rộng Các mạng không dây băng rộng yêu cầu mạng feeder băng thông cao từ Central Office ddeens nhiều trạm Các trạm gốc kết nối lưu lượng ngược Central Office tăng lên nhờ PON Theo truyền thống, kiến trúc bus cáp đồng trục tín hiệu analog sử dụng mạng CATV (cable television) Các mạng cáp đồng trục yêu cầu khuếch đại giá thành cao đắt đỏ bảo tri, thiết kế choc ho dịch vụ đơn công Kiến trúc Hybrid Fiber Coax (HFC) cho phép mạng CATV cung cấp dịch vụ song cơng Một cách điển hình, mạng HFC dung cấp dung lượng kênh từ 30 đến 40Mb/s cho downstream, sử dụng kênh analog 6MHz chia sẻ khoảng 100 – 250 hộ Tuy nhien, HFC có vấn đề với dung lượng upstream, khắc phục cách triển khai PON trạm head-end node quang Công nghệ PON over HFC cung cấp dịch vụ song cơng, lỗi, cân băng, u cầu cần thiết cho ứng dụng tương tác băng rộng PON dùng WDM, Sub-Carrier Multiplexing (SCM), OTDM kết hợp công nghệ để truyền dẫn phức hợp tín hiệu video, voice, dât, bao gồm Plain Old Telephone Service), Integrated Services Digital Network (ISDN), T1/E1, T3/E3, OC-3, OC-12, OC-48 Truyền hình kỹ thuật số, tương tự b Transparent Optical Networks (TONs) TONs cho phép tín hiệu truyền qua node mạng khơng phụ thuộc vào điều chế tín hiệu, tốc độ dât, đặc điểm cụ thể PONs xây dựn theo nhiều đường Tuy nhiên, tính linh động, hiệu cao, khả từ local đến global mục tiêu cho việc sử dụng PONs Trong hầu hết thành phần quang thiết kế để độc lập với kiểu tín hiệu, tồn giới hạn truyền dẫn yêu cầu hiệu end-to-end cho dạng tín hiệu tốc độ truyền liệu Các kiểu tín hiệu khác có độ nhạy khác tới suy hao tích lũy như: tán sắc đơn sắc, tán sắc phân cự, nhiễu khuếch đại, nhiễu xuyên kênh, tính chất phi tuyến quang học Xa hơn, khó hỗ trợ truyền dẫn tín hiệu analog bời tính nhạy cảm với phản xạ quang học yêu cầu tuyến tính stringent cho laser sử dụng chuyển đổi bước song Do đó, mạng tồn quang suốt khơng hồn tồn suốt Để giảm bớt vấn đề này, có số đề xuất định nghĩa mức suốt mạng toàn quang suốt Những mức là: +) 4T-transparent-trong suốt dạng điều chế, mã đường dây, tần số đồng hồ, định dạng truyền dẫn +) 3T-transparent- Trong suốt mã đường dây, hồi phục clock, định dạng truyền dẫn +) 2T-transparent-Trong suốt tần số đồng hồ định dạng truyền dẫn +) 1T- Trong suốt định dạng truyền dẫn c Ultra-high speed optical network AONs tốc độ siêu cao sử dụng đặc điểm tốc độ cao tượng quang học để truyền tải xung quang siêu ngắn (hoặc solitons), 100 Gb/s lớn khoảng cách dài Một số công nghệ chủ chốt cần thiết cho việc xây dựng mạng toàn quang AONs tốc độ siêu cao bao gồm xung quang siêu ngắn, ghép kênh, truyền dẫn siêu nhanh solitons, phục hồi đồng hồ, đệm quang Các xung quang siêu ngắn tạo cách sử dụng laser bán dẫn tăng ích-chuyển mạch Mode-Locked Laser (MLLs) Thông thường, AONs tốc độ siêu cao sử dụng OTDM Có hai đặc tính vật lý sợi quang điều khiển việc thiết kế mạng quang Thứ tán sắc đơn sắc Đây tính chất tuyến tính tất sợi quang gây khiến cho ánh sáng với tần số khác có vận tốc khác Xung ánh sáng có xu hướng trải rộng khiến cho khó khơi phục dịng bit Tính chất thứ hai ánh sáng truyền sợi quang, gây thay đổi cực nhỏ định nghĩa lường hình dạng xung, gọi hiệu ứng Kerr Giải pháp format xung cách đặc biệt để tận dụng hai đặc điểm Điều dẫn đến tán sắc cân hiệu nén triệt tiêu Các xung lượng dẫn đến độ sáng sợi quang Khi lượng tiêu hao, nén phi tuyến dừng lại xung bắt đầu trải rộng Điều yêu cầu sợi quang bù tán sắc để nén lại xung ánh sáng Trong OTDM, phục hồi clock cần thiết để ước lượng xác thơng tin định thời tín hiệu đến đầu cuối nhận tín hiêu Nó cho phép receiver đồng với luồng thông tin đến Hai kỹ thuật phục hồi clock đề xuất cho mạng toàn quang tốc độ siêu cao sử dụng OTDM Trong kỹ thuật thứ nhất, đồng hồ quang cục có tốc độ điều khiển bời nguồn RF khóa tới dịng xung OTDM dến Trong kỹ thuật thứ hai, Nonlinear Optial Loop Mirror (NOLM) sử dụng cảm biến phase bit quang NOLM bao gồm coupler fiber 3-db với hai cộng tham gia xuyên suốt chiều dài sợi quang Sau đồng hồ quan đươc khôi phục, tách kênh cần đệm slot mong muốn header tín hiệu quang đến sử dụng thiết bị lưu trữ quang Xa hơn, cần giảm tốc độ dât nhawmcf giao tiếp tin hiệu mong muốn với receiver cho việc xử lý dât Tuy nhiên, nhớ quang random access khơng tồn tại, thay vào đó, ta sử dụng line loop quang delay đêm quang Mạng tồn quang tốc đọ siêu cao có nhiều bước tiến hiệu năng, nhiên nhiều công nghệ cần thiết để hỗ trợ chức mạng tồn quang tốc độ siêu cao có phịng thí nghiệm Do mạng tồn quang tốc độ siêu cao xem giải pháp với mục tiêu lâu dài 1.2 Kiến trúc mạng toàn quang 1.2.1 Kiến trúc chức (functional architecture) ITU-T phát triển kiến trúc truyền tải chức cho mạng truyền tải quang Kiến trúc chức truyền tải quy định khuyến nghị G.872 Kiến trúc truyền tải mô tả chức AON từ quan điểm cấp độ mạng Nó dựa vào tài khoản cấu trúc phân lớp mạng quang, thong tin đặc tính client, kết hợp phân lớp client/server, cấu trúc lien kết mạng, chức lớp mạng Chức lớp mạng bao trùm truyền dẫn tín hiệu quang, đa phép kênh, giám sát, định tuyến, đánh giá hoạt động khả sống sót mạng Phạm vi kiến trúc giới hạn cho tín hiệu số Hơn nữa, kiến trúc dành cho WDM Các kỹ thuật đa ghép kênh quang khác OTDM, OCDM cần nghiên cứu thêm Các kiến trúc vận chuyển chức sử dụng phương pháp mơ hình hóa mô tả ITU-T Khuyến nghị G.805, - Kiến trúc chức chung mạng chuyển vận Theo phương pháp này, mạng truyền tải quang học bị chia thành lớp mạng chuyển vận độc lập Mỗi tầng mạng phân chia cách riêng biệt cách phản ánh cấu trúc nội lớp mạng Hình mơ tả lớp cấu trúc mạng truyền tải quang Chúng bao gồm lớp kênh mạng quang, phần ghép kênh quang học lớp mạng, truyền phần quang học tầng mạng Hình Layered Structure of Optical Transport Network 1.2.1.1 Lớp mạng kênh quang (Optical Channel Layer Network) Lớp mạng kênh quang cung cấp kết cuối mạng end –to –end kênh quang cho truyền đạt minh bạch thông tin client định dạng khác nhau, chẳng hạn truyền dẫn số đồng SDH, cận đồng PDH chế độ truyền bất đối xứng ATM Để cung cấp mạng ent –to –end, khả sau bao gồm lớp mạng kênh quang: Kết nối kênh quang xếp lại cho định tuyến mạng linh động Xử lý mào đầu kênh quang để đảm bảo tính tồn vẹn kênh quang đáp ứng thông tin Kênh quang giám sát chức để kích hoạt hoạt động cấp độ mạng chức quản lý cung cấp kết nối, trao đổi thông số QoS, tính sống sót mạng 1.2.1.2 Lớp mạng ghép kênh quang Nó cấp chức cho mạng tín hiệu quang đa bước song Khả sau mạng bao hàm mục này: Phần ghép kênh quang kết nối xếp lại cho linh hoạt mạng định tuyến đa bước sóng ; · Xử lý mào đầu phần ghép kênh quang để đảm bảo tính tồn vẹn phần ghép kênh quang đa bước sóng tương thích thong tin Ghép kênh quang giám sát chức để đảm bảo cấp độ phiên hoạt động chức quản lý cung cấp kết nối phiên đa ghép kênh tính sống sót cảu mạng 1.2.1.3 Lớp mạng truyền dẫn quang Phần cung cấp chức cho truyền dẫn tín hiệu quang phương tiện quang kiểu khác sợi quang đơn mode đa mode Chức bao gồm khả cho giám sát khuếch đại quang trạm lặp 1.2.2 Kiến trúc mạng (network architecture) Kiến trúc mạng quang giai đoạn phát triển Tất phải xem xét NS/EP để đảm bảo tính tương thích Một số trình bày 1.2.1.1 Kiến trúc AT&T/MIT-LL/DEC AON Tổ hợp sản xuất công ty American Telephone and Telegraph (AT&T), Digital Equiment Corporation (DEC), Massachusetts Instude of Technology Lincoln Laborary (MIT-LL) phát triển hai mạng sở WDM OTDM Những kiến trúc kiểm tra theo ứng dụng NS/EP a Kiến trúc sở WDM Kiến trúc cung cấp mở rộng qua bước sóng sử dụng lại Time Division Multiplexing (TDM) Như thể hình, kiến trúc sơ đồ ba mức (Ví dụ, Level-0 (L-0), Level-1 (L-1), Level-2 (L-2) mạng Mỗi mạng mạng toàn quang hoạt động độc lập Ở mức thấp sơ đồ mạng L-0, mạng mạng LAN hiệu cao Người dùng truy nhập mạng L-0 qua đầu cuối quang (Optical Terminal – OT) Mỗi OT kết nối tới mạng L-0 sử dụng cặp cáp quang Mỗi mạng L-0 chia sẻ nội bước sóng với mở rộng sử dụng lại bước sóng mạng L-0 khác Ở mức sơ đồ mạng L-1 mạng metro (Metropolitan Area Network - MAN) Mỗi MAN liên kết với nhiều mạng L-0 cung cấp bước sóng sử dụng lại theo mạng L-0 khác qua định tuyến bước sóng thụ động Ở mức cao sơ đồ mạng L-2 Mạng mạng diện rộng (Wide Area Network - WAN), bao gồm nhiều node kết nối theo mơ hình mesh Nó liên kết với mạng L-1 định truyến chuyển đổi bước sóng Mỗi mạng cung cấp ba dạng dịch vụ tới mạng OT lớp Những dịch vụ phân loại thành dịch vụ Type-A, Type-B, Type-C thực chức năng:  Dịch vụ Type-A: Mỗi dịch vụ cung cấp đường quang riêng cho kết nối pointto-point, point-to-multipoint multipoint-to-multipoint Với dạng, qua dịch vụ Type-A, đầu cuối quang cung cấp point-to-point OC-192 point-to-multipoint video đa điểm Một “virtual” chia sẻ phương tiện LAN, V-LAN, cấu hình qua multipoint-to-multipoint kênh A Đầu cuối quang kết nối V-LAN qua giao thức đa truy nhập slotted ALOHA ALOHA phương thức truy nhập đa kênh, phát triển trường đại học HAWAII  Dịch vụ Type-B: Nó dịch vụ TDM đặt lịch, suốt với khe thời gian hữu dụng cho ứng dụng băng thơng thấp Một người sử dụng truyền liệu nhiều tốc độ định dạng khác khe hay nhóm khe, nhiên, chúng nên cài đặt kết nối cụ thể bảo vệ/phục hồi có mặt tất lớp Không tồn lặp lại chức năng, mà xảy xung đột chức bảo vệ/phục hồi mạng xảy lỗi lớp Hình 28 Mơ hình phân lớp với lặp lại chức Đối với mạng quang WDM, đường dẫn quang thiết kế hỗ trợ định dạng tín hiệu điện khác Như nói trên, dạng tín hiệu điện khác mang bước sóng khác sợi quang sử dụng gán bước sóng Rõ ràng, đường dẫn quang cung cấp hạ tầng truyền dẫn truyền nhiều dạng tín hiệu khác nhau, nhanh chóng dễ dàng nâng cấp đểđưa dịch vụ Hình 29 So sánh mạng định tuyến tín hiệu điện với mạng truyền dẫn quang Hình 29 so sánh mạng định tuyến công nghệđiện tử với mạng truyền dẫn quang dựa cơng nghệđường dẫn quang Có hai đặc điểm quan trọng mạng truyền dẫn quang Thứ sựđơn giản hố mạng truyền dẫn lõi ( ởđó cần định tuyến bước sóng cần dùng loại thiết bịđịnh tuyến OXC (Optical cross-connect)/OADM (Optical Add/Drop Multiplexer)), định tuyến cho dạng tín hiệu điện khác lớp quang Thứ hai việc tách chức lớp lõi lớp biên Lớp lõi (core network) có nhiều node thơng lượng cao kết nối tuyến có dung lượng lớn tất cảđều có dự phịng, có khả bảo vệ/phục hồi Các node xử lý tín hiệu điện nằm mạng biên (edge network) kết nối trực tiếp với đường dẫn quang 3.1.2 Đường dẫn bước sóng đường dẫn bước sóng ảo Các đường dẫn quang tách biệt với bước sóng chúng Có hai loại đường dẫn quang: WP (Wavelength Path) VWP (Virtual Wavelength Path) Đối với WP, đường dẫn quang thiết lập hai node băng cách phân bổ bước sóng cho đường dẫn Các node trung gian dọc theo WP thực định tuyến WP theo bước sóng Cịn VWP, bước sóng phân bổ tuyến (link) Vì bước sóng VWP tuyến cóý nghĩa nội thay tồn mạng WP Điều giống nguyên tắc gán VPI (Virtual Path Identifier) mạng ATM Vì lí này, loại gọi Virtual WP Trong mơ hình VWP cần chuyển đổi bước sóng node chuyển mạch Hình 30 So sánh WP VWP Hình 30 so sánh hai loại đường dẫn quang Yêu cầu phải thiết lập WP, VWP tuyến giống Kết mơ hình WP cần sử dụng bước sóng, VWP sử dụng bước sóng Tức mơ hình VWP tối đa mức độ tái sử dụng lại bước sóng mạng cho phép sử dụng bước sóng Trong q trình xếp tạo WP, tốn gán bước sóng tốn định tuyến phải giải đồng thời, để WP gán bước sóng khác sợi quang Với tài nguyên biết trước (số sợi quang số bước sóng sợi), node phải định tuyến quang (Optical Path route) gán bước sóng, theo thuật tốn tối ưu (RWA) 3.2 Công nghệ chuyển mạch kênh quang Công nghệ chuyển mạch kênh sử dụng từ lâu hệ thống viễn thông Nhược điểm công nghệ thời gian chuyển mạch lớn hiệu suất sử dụng tài nguyên thấp Với phát triển bùng nổ lưu lượng IP, công nghệ chuyển mạch kênh dần bị thay cng nghệ chuyển mạch có tốc độ chuyển mạch cao: chuyển mạch gói (ATM), chuyển mạch nhãn (MPLS) Trong truyền dẫn cáp sợi quang dần khẳng định ưu điểm vượt trội so với loại truyền dẫn truyền thống Trên mơi trường truyền dẫn quang, ta có loại chuyển mạch quang: Chuyển mạch kênh quang, Chuyển mạch quang gói (Optical Packet Switching), Chuyển mạch quang nhãn (Optical Label Switching), chuyển mạch nhóm quang ( Optical Burst Switching) Mạng đường dẫn quang WDM cung cấp chức năng: truyền dẫn, ghép kênh, định tuyến, giám sát vv, xử lý quang Hệ thống chuyển mạch đường dẫn quang (OPXC) node thành phần quan trọng tạo nên backbone cho mạng đường dẫn quang WDM Một hệ thống OPXC điển hình (xem hình 26) gồm chuyển mạch quang (OXC), chuyển đổi bước sóng (W/C), truyền dẫn WDM (WDM-T), chức ghép/tách tải (PAD- Payload Assembler/Disassembler) Chức W/C cần có mạng VWP lại không cần mạng WP Giao diện Node – Mạng (ONNI- Optical Network-Node Interface) cung cấp WDM-T, giao diện User-Mạng (OUNI- Optical User Network Interface) thực PAD Hình 31 Cấu hình chức node OXPC Hệ thống OPXC thiết kế gồm N cổng sợi quang vào/ra, có khả ghép WDM tối đa M bước sóng sợi quang Trong N cổng vào này, u cổng dùng cho giao diện nội đài thông qua PAD với thiết bịđiện tử khác (chuyển mạch điện tử) Khối OXC chuyển mạch bất kỳđầu vào quang đến đầu cổng sợi quang Chức OXC bao gồm chức xen/tách quang OADM (Optical Adds/Drops Multiplexing), dùng để xen/tách đường dẫn quang từ/đến PAD Hầu hết hệ thống mạng Ring WDM thực chức OADM Khối chức WDM-T đảm bảo chất lượng truyền dẫn WDM chất lượng cao với node OPXC lân cận Các chức 3R (Reshaping, Retiming, Regeneration) giám sát chất lượng tích hợp trọng khối WDM-T Để toàn mạng WDM vận hành, quản lý, vàđiều khiển, khối chức phải có chức giám sát Mạng WDM thiết kế để khôi phục nhận thông tin lỗi báo lỗi từ lớp truyền dẫn Hình 32 Sơ đồ phát triển công nghệ điều khiển đường dẫn quang Các công nghệ điều khiển (thiết lập/khôi phục/ngắt) đường dẫn phát triển từ điều khiển tĩnh sang điều khiển động (xem hình 32) Hệ thống truyền dẫn quang điểm-điểm xây dựng vào khoảng năm 1990 bước phát triển mạng quang WDM Tiếp đến phát triển mạng WDM vịng, có chức OADM bước sóng cố định sử dụng lọc quang Việc phát triển chuyển mạch quang kích cỡ nhỏ mở đầu cho khả điều khiển linh hoạt bước sóng gán OADM Các hệ hệ thống WDM gắn liền với đời hệ thống node mạng: OXPC, Photonic MPLS Router, Next-generation Photonic MPLS Router Photonic MPLS Router gồm hai phần OPXC IP Router , điều khiển đường dẫn quang theo lưu lượng IP OPXC nhận lệnh điều khiển thiết lập/giải phóng/ khơi phục đường dẫn quang từ IP router Phần sau giới thiệu cấu trúc khác OPXC có khả hỗ trợ hệ thống mạng WDM vòng mạng mesh-like mà việc vận hành chúng dựa mơ hình client/server peer -to-peer 3.2.1 Cấu trúc chuyển mạch WP Hình 33 Cấu trúc hệ thống chuyển mạch WP Cấu trúc hệ thống node OPXC loại WP cho đơn giản chi phí hiệu so với loại VWP, tốn gán bước sóng phải giải xong trước cấu hình mạng Loại hệ thống phù hợp cho mạng WDM với yêu cầu lưu lượng gần cố định (tĩnh) Hai dạng cấu trúc hệ thống thuộc loại cho hình 33 Trong hai cấu trúc yêu cầu cần có M chuyển mạch ma trận NxN Mỗi module chuyển mạch tương ứng với bước sóng thực chuyển mạch WP N sợi quang đầu vào tới WP N sợi quang đầu Sự khác hình 33.a 33.b việc sử lọc điều chỉnh (tunable filter) ghép nối quang (optical coupler) thay sử dụng Mux Demux hình 33.b Khi tunalbe filter sử dụng thay cho fixed-wavelength filer trước phần chuyển mạch ma trận NxN Như hình 33.b, bước sóng sợi quang đầu vào khác nhau, kết thúc node Khơng có phát vẽ hình 33 nghĩa hệ thống chuyển mạch WP hệ thống suốt (transparent system) 3.2.2 Cấu trúc hệ thống chuyển mạch WP/VWP Một số cấu trúc áp dụng cho hai loại hệ thống chuyển mạch WP VWP Hình 34.a mơ tả cấu trúc có sử dụng chuyển mạch ghép nối phân phối (DC-SWs) Hình 34.b cấu trúc MxN DC-SW (chú ý khối chức PAD không vẽ) Cấu trúc cho phép kết nối M sợi quang đầu vào với N sợi quang đầu Nếu N=1 ta có ghép quang Mx1 Với cấu vậy, đường dẫn quang đầu vào vàđầu nối với theo cách không bị nghẽn O hệ thống vận hành phần tử mạng (NE-Network Element) phải đảm bảo WP sợi quang đầu vào không xảy tranh chấp với WP đầu Nếu có chức chuyển đổi bước sóng W/C hệ thống dễ dàng tránh tranh chấp bước sóng đầu W/C chuyển sang bước sóng cịn rỗi sợi quang đầu Với W/C không phụ thuộc vào tốc độ bit, ta có hệ thống OPXC suốt Hình 34 Cấu trúc hệ thống chuyển mạch WP/VWP Ta thực hệ thống cách thay mạch chức W/C phát WDM bước sóng cố định Hệ thống có khả module hoá cao, việc triển khai hệ thống sẽđạt chi phí hiệu phù hợp cho giai đoạn phát triển Cấu trúc hệ thống dựa chuyển mạch song song mơ tả hình 35 Các tín hiệu WDM sợi quang đầu vào phân phối cho MxN cổng với hai tầng ghép nối quang, sau tín hiệu chọn khối chuyển mạch Nx1 Tiếp đến, tunable filter lọc bước sóng yêu cầu (một đường dẫn quang) vàđược khối phát WDM chuyển đổi sang bước sóng cố định trước phát Kết hợp chức tunalbe filter (hoặc fixed filter) optoelectronic 3R tạo thành chuyển đổi bước sóng dựa mơ hình lựa chọn bước sóng đầu vào Cấu trúc hỗ trợ chuyển mạch VWP sử dụng mạch chuyển đổi bước sóng W/C, cho phép khơng xảy nghẽn Hình 35 Cấu trúc chuyển mạch song song 3.2.3 Cấu trúc chuyển mạch ma trận đầy đủ Cấu trúc loại chuyển mạch ma trận đầy đủ(Full Matrix Cross-Connect Switch )gồm khối chuyển mạch quang (NxM) x (NxM) cổng đặt phát (transmitter) Nếu khơng có phát, hệ thống trở thành chuyển mạch transparent WP Hai cách dùng để thực khối chuyển mạch quang (NxM) x (NxM) cổng là: chuyển mạch khơng gian tầng (A single-stage switch), chuyển mạch Clos ba tầng C.Clos đưa (xem hình 31) Khối chuyển mạch Clos ba tầng gồm N chuyển mạch MxL tầng đầu vào, L chuyển mạch NxN tầng N chuyển mạch LxN tầng đầu Nếu L>=2M-1 khơng xảy nghẽn Ví dụ thiết kế hệ thống OPXC 16 cổng sợi quang (N=16), với số bước sóng ghép kênh sợi quang M=32, thường lấy L=64 (>=63), số lượng cổng ma trận chuyển mạch NxM=512 Khói chuyển mạch quang (NxM)x(NxM) cho phép chuyển mạch chéo (crossconnection) với (NxM) phát WDM, phát có nguồn sang bước sóng cố định Hình 36 Cấu trúc chuyển mạch ma trận đầy đủ 3.3 Công nghệ chuyển mạch gói quang a) Giới thiệu cơng nghệ chuyển mạch gói Cơng nghệ chuyển mạch gói quang thuộc cơng nghệ chuyển mạch gói Hình 37 Sơ đồ khối chức nút chuyển mạch gói tổng quát Cấu trúc gồm phần: khối chuyển mạch (Switching Fabric) khối xử lýmào đầu (Header Processor) Gói sẽđược chuyển từ đầu vào sang hay nhiều đâu Cấu tạo gói đầu vào gồm hai phần mào đầo (header) tải (payload) Khi Nút nhận gói, tách lấy phần mào đầu chuyển thông tin mào đầu xuống khối xử lý mào đầu để xác định đầu cho gói Bộ xử lý mào đầu thiết lập khối chuyển mạch không gian để chuyển phần payload đến đầu mong muốn Khi hai hay nhiều payload hướng tới đầu thời điểm, chúng tạm thời đưa vào đệm Khối xử lý mào đầu tái tạo lại mào đầu gán vào payload trước gói đưa ngõ Hình 37 Sơ đồ khối chức nút chuyển mạch gói Nếu xét vị trí đặt đệm khối chuyển mạch, ta có loại cấu trúc chuyển mạch hình 33 Mơ hình thứ (xem hình 33a), tranh chấp giải đầu vào Mỗi cổng đầu vào trang bị đệm lưu gói đến theo chế FIFO Dưới chế tùy ý điều khiển đệm phát gói vào phần chuyển mạch (Switching media) Nhược điểm mơ hình có trễ lớn Giả sử cổng đầu vào A B có gói muốn chuyển đến cổng X Theo chế phát gói đó, cho phép cổng A phát gói đến cổng X, cổng B bị chặn Như cổng B khơng thể gửi gói cổng đầu gói rỗi Loại nghẽn gọi nghẽn đầu dòng (Head of Line Blocking) Loại nghẽn HOL ảnh hưởng đến thông lượng phần chuyển mạch Rất nhiều thuật đệm phát gói nghiên cứu để hạn chế ảnh hưởng loại nghẽn Hình 38 Các loại chuyển mạch khơng gian Mơ hình chuyển mạch thứ hai cho hình 38b có đệm thiết kế đặt đầu Trong mơ hình phần chuyển mạch truyền đồng thời nhiều gói đến từ ngõ vào khác tới ngõ Mỗi ngõ đặt đệm để tránh tranh chấp đầu Bộ đệm nhận lưu trữ tạm thời nhiều gói thời điểm, sau phát gói tới ngõ gói theo kiểu FIFO Mơ hình đơn giản cần đệm phần chuyển mạch có tốc độ cao nhiều Cụ thể khơng cần đệm phức tạp thuật phát để tránh nghẽn HOL Nhưng lại yêu cầu đệm phải có khả chứa gói nhanh gấp N lần sơ với tốc độ phát ngõ vào phần chuyển mạch có N cổng vào Mơ hình chuyển mạch thứ (hình 38c) có đệm dùng chung cho tất ngõ vào ngõ Mỗi ngõ vào lưu tất gói đệm trung tâm, ngõ truy cập đệm theo kiểu FIFO Mơ hình có hiệu suất sử dụng nhớ tốt hai mơ hình trên, nhiên việc quản lý nhớ đệm trung tâm phức tạp nhiều b) Công nghệ chuyển mạch gói quang (Optical Packet-Switching) Như giới thiệu trên, xét vị trí đệm ta có loại mơ hình chuyển mạch gói Trong nút chuyển mạch gói quang, đệm thường thực dây trễ sợi quang nhớ truy nhập ngẫu nhiên chưa có thực tế Do cấu trúc chuyển mạch cần quản lý nhớ phức tạp loại chuyển mạch thứ 3, không phù hợp cho chuyển mạch gói quang Trong phần chỉđề cập đến hai mơ hình chuyển mạch thứ thứ hai thực cho chuyển mạch gói quang Với giả thiết tất gói có chiều dài cốđinh, việc sử dụng dây trễ sợi quang thuận lợi Hình 39 ví dụ cấu trúc chuyển mạch gói quang ma trận 3x3 khe thời gian, có đệm đầu vào Nó gồm phần đệm gói quang chuyển mạch không gian quang Để tránh tranh chấp đầu chuyển mạch, đệm dây trễ sợi quang Trong ví dụ này, ngõ vào đồng thời có gói vào khe thời gian với đích đến ngõ C Bộ đệm gói làm trễ gói ngõ vào tới khe thời gian thứ Gói sở hữu khe thời gian thứ phải trễ xuống khe thời gian thứ trễ Các khe thời gian thứ thứ xung đột với gói ngõ vào Vì vậy, gói vốn nằm khe thời gian khe thời gian thứ trễ xuống khe thời gian thứ khe thời gian thứ nhất, thứ ba thứ tưở ngõ vào để trống Những khe trống nhân tố làm giảm thơng lượng chuyển mạch gói quang Cuối khối chuyển mạch khơng gian chuyển tất các gói tới ngõ mà không xảy tranh chấp Hình 39 Một ví dụ cấu trúc chuyển mạch gói quang 3x3 Hình 40 ví dụ chuyển mạch gói quang đệm đầu ra, gồm bus quảng bá (broadcast bus), đệm gói, lựa chọn kênh bước sóng (Wavelength Channel Selector) Kiến trúc sử dụng mơ hình ghép kênh WDM sử dụng đệm đầu Một kênh bước sóng cố định gán cho ngõ vào, gói quang vào ghép với theo cách ghép WDM vàđược phân phối tó ngõ qua broadcast bus (bộ ghép quang- optical coupler ) Các đệm gói WDM đặt ngõ Nếu gói WDM ghép hai hay nhiều gói có đích ngõ ra, đệm gói lưu gửi tới chọn kênh WDM Bộ chọn kênh WDM lọc gói mong muốn gói gói WDM Cấu trúc đầy đủ nút chuyển mạch gói quang gồm khối mơ tả hình 41 Giao diện đầu vào gồm khối lọc header, lọc thơng tin mào đầu gói; khối đồng (synchronizer) thực định thời lại gói Khối lõi chuyển mạch truyền gói tới đầu phù hợp Giao diện đầu thực gán header vào gói, phải tái tạo lại liệu vàchuyển sang bước sóng khác Khối điều khiển thực quản lý đệm thuật toán tránh xung đột Hình 40 Một ví dụ chuyển mạch gói đệm đầu Hình 41 Cấu trúc chuyển mạch gói quang đầy đủ Kết luận 4.1 Ứng dụng mạng tồn quang Ở có tiềm ứng dụng rộng lớn AONs thương mại, phủ, khoa học…Trong ngắn hạn, phần lớn ứng dụng hỗ trợ mạng điện tử điện – quang Tuy nhiên, tập hợp nhiều dịch vụ giá cả, tính linh động, hỗ trợ minh bạch AONs chứng minh vượt trội với mạng điện điện – quang Hình 42 AON applications Phạm vi ứng dụng chia làm loại Loại thứ bao gồm ứng dụng sử dụng dịch vụ số truyền thống Tốc độ liệu ứng dụng phạm vi từ Kb/s tới Gb/s Họ phân loại sâu loại nhỏ bao gồm ứng dụng yêu cầu Gb/s, chuyển mạch gói nhanh nhữ ATM, trực quan, mô kết nối siêu máy tính Ứng dụng thứ hai vượt yêu cầu 100Mb/s liệu kết nối mạng LAN, truyền hình với độ nét cao DHTV, số hóa video thơng thường, trạm lien kết nối Dạng thứ bao gồm ứng dụng 10 Mb/s mạng âm số đa kênh mạng máy tính Ethernet, loại có ứng dụng Mb/s nhỏ dịch vụ thoại RS – 232 Loại thứ bao gồm dịch vụ analog Thí dụ như, phân tán kênh truyền hình quảng bá đa kênh, nhiều kênh xử lý đơn vị Kể từ tốc độ số hóa tăng lên, giá rẻ đơn giản để giữ định dạng analog Dạng thứ bao gồm ứng dụng mà cần thiết giao diện quang Những ứng dụng cần thiết cho tốc độ truyền tải cao, định dạng tín hiệu khơng biết trước, mong muốn dử dụng đặc tính độc đáo mạng toàn quang Tiền ứng dụng loại bao gồm trạm làm việc video tương lai, máy chủ sở liệu, HDTV… Một số thử nghiệm ban đầu khác chứng minh số kết ứng dụng từ loại Thí dụ ARPAtafi trợ cho tập đoàn AON, tạo nên AT&T, DEC MIT – LL, thử nghiệm hội nghị truyền hình, y học từ xa, kết nối siêu máy tính, lớp học từ xa ứng dụng khác 4.2 Những hạn chế AONs hướng đến tiên tiến tính khả dụng hệ thống, kết nối giá thành cách cho phép truyền thông tin mà không cần qua chuyển đổi quang – điện Tuy nhiên, nguyên lý mạng toàn quang tương đối nay, số lượng không nhỏ vấn đề thách thức gặp phải Một vài vấn đề giới hạn mạng AONs bàn thảo Các kỹ thuật ghép kênh khác WDM OTDM đề xuất để chia sẻ băng thông lớn sợi quang Kỹ thuật OTDM sử dụng để để xây dựng mạng AON có khả dụng cao Khi so sánh với mạng AON dựa WDM, mạng AON dựa OTDM giai đoạn non trẻ, bắt đầu hầu hết thiết bị cịn đắt đỏ chúng chí bị giới hạn phòng nghiên cứu thực nghiệm Bởi vậy, Tính khả thi tương lai gần dường mạng dựa WDM mạng dựa OTDM Kỹ thuật Transparency trở thành thuộc tính mạng AONs Tuy nhiên, Có nhiều dạng transparency khác nhau, khơng phải tất các nhóm tín nhiều quang truyền qua bất chấp yêu cầu tuyến tính định dạng điều chế Đó nguyên dẫn tới hiệu ứng lan truyền nhiễu siêu âm, điều chế, thành phần chọn lựa bước sóng giới hạn SNR Nguyên lý việc phân tầng kiến trúc, chứng lớp transport để mang đến nhiều tiện tích, bao gồm khả lớp triển, phát triển độc lớp với lớp khác Bởi vậy, cần phải đảm bảo khả hoạt động xuyên tầng lớp khác nhau, đặc biệt với chức điều khiển quản lý chúng Thách thức gồm phần: thứ đặc tính liên vận hành cho phần cứng phần mềm phải xác định Thứ hai NMS cần thiết kế phát triển để tích hợp hệ thống quản lý thành phần đặc trưng lớp đặc tính vendor Việc điều khiển quản lý mạng AONs mang đến nhiều thách thức Nó bao gồm chức quản lý mạng lỗi, quản lý hiệu suất quản lý cấu hình Tiêu chuẩn chức quản lý mạng chất để đạt khả hoạt động qua nhiều hệ thống cung cấp nhiều miền quản trị Hiện nay, ITU-T ANS T1X1.5 làm việc tiêu chuẩn chức Bảo mật khía cạnh quan trọng AONs yêu cầu đặc biệt liên quan đến lượng lớn liệu bị lỗi bị hư hại trường hợp bị công bất ngờ Khía cạnh chưa đánh giá cách đầy đủ Nhiều tiện ích có nghĩa phát nhiều khả cơng bao gồm công phá hoại rời rạc, công đa điểm, công hệ thống điều khiển, công giao thức… điều cần thiết 4.3 Kết luận khuyến nghị Các mạng truyền thống bao gồm, hầu hết phần tập hợp chuyển mạch điện để liên kết kết nối sợi quang điểm-điểm cho khoảng ngắn, vùng đô thị khoảng cách xa Qua vài năm gần đây, dẫn đến yêu cầu việc cần thay thế, thay đổi mạng để cung cấp băng thơng cao hơn, tốc độ cao khả mềm dẻo cao Để đạt yêu cầu trên, mạng cần nâng cao cách thêm nhiều sợi quang nhiều chuyển mạch cấp chuyển mạch giới hạn mạng tượng nghẽn cổ chai miền điện ( “electronic bottleneck” ) bao gồm yếu tố Thứ tất thông tin vận chuyển sợi quang phải xử lý phần tạo tốc độ liệu điện mà tương thích với thiết bị chuyển mạch điện theo trình tự vài Gbps, thứ thông tin truyền qua chuyển đổi quang điện gây hao phí , trễ thời gian Sử lý tín hiệu điện, chuyển đổi quang điện liệu tất node mạng trung gian AONs truyền thơng tin với tốc độ cao mà không cần qua chuyển đổi quang điện Trong tương lai, Aons mang đến khả dụng băng thông lớn sợi quang nâng cao hiệu sử dụng để đạt yêu cầu tăng cao băng thông WDM, OTDM OCDM sử dụng phổ biến để nâng cao hiệu sử dụng băng thông sợi quang OTDM OCDM chưa thực hoàn hảo so sánh với WDM ứng dụng chúng giới hạn vài thực nghiệm Phụ thuộc vào đặc tính chức chúng, có loại AONs passive, transparent ultra-fast Passive transparent AONs dùng WDM OTDM, ultra-fast AONs sử dụng OTDM Những mạng AONs sử dụng kinh doanh, thương mại, y học, giáo dục để hỗ trợ dải rộng ứng dụng Các khả ứng dụng bao gồm kết nối máy tính với tốc độ siêu cao, truy nhập thư viện điện tử, telemedicine, Video conferencing, VoD, học trực truyến nhiều ứng dụng đa phương tiện khác Rất nhiều ứng dụng sử dụng để nâng cao thơng tin NS/EP tình khẩn cấp Vì vậy, mạng AONs xem khả thay mạng điện tử tình khẩn cấp Khi mà mạng tồn quang có ngun lý rõ nét, cơng việc cần thiết bảo mật, vận hành liên mạng, điều khiển quản lý AONs Các tổ chức tiêu chuẩn ITU-T ANSI nhiều tổ chức nghiên cứu khác nghiên cứu vấn đề Khi mà công nghệ tiêu chuẩn chuẩn hóa , AONs chứng tỏ ý nghĩa làm để hỗ trợ thơng tin NS/EP suốt tình khẩn cấp ... suất nghẽn toàn mạng Bài tiểu luận trình bày Tổng quan Mạng tồn quang: Kiến trúc mạng, chi tiết thiết bị linh kiện mạng toàn quang, đồng thời nêu lên cơng nghệ quan trọng mạng tồn quang chuyển... .54 4.1 Ứng dụng mạng toàn quang 54 4.2 Những hạn chế 56 4.3 Kết luận khuyến nghị .57 Tổng quan mạng toàn quang 1.1 Các kiểu mạng toàn quang Mạng toàn quang phân chia thành:... OCDM khác  Các chuyển dịch mối tương quan tự động cung cấp mã OCDM cho phép OCDM giảm thiểu để hoạt động mà không cần đồng hóa Các linh kiện thiết bị mạng toàn quang 2.1 Sợi quang Sợi quang (Optical