Đánh giá hiệu năng những thuật toán ấp phát động băng thông đa bướ sóng ài đặt ho mạng wdm pon

86 Trang 12 1MỞ ĐẦU Mạng quang học sử dụng công nghệ ghép kênh phân chia bước sóng WDM - Wavelength Division Multiplexing [5] và bộ khuếch đại quang để truyền tải dữ liệu trên một số l

Đánh Giá Hiệu Năng Những Thuật Toán Cấp Phát Động Băng Thông Hỗ

Trợ Đa Bước Sóng Cài Đặt Cho Mạng WDM -PON

Chuyên ngành : Kỹ Thuật Máy Tính Và Truyền Thông

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan:

1 Những nội dung trong luận văn này là công trình nghiên cứu của tôi dưới

sự hướng dẫn trực tiếp của TS Nguyễn Tuấn Dũng

2 Mọi tham khảo dùng trong luận văn đều được trích dẫn rõ ràng tên tác giả, tên công trình, thời gian, địa điểm công bố

3 Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

4 Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian trá, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.

Tác giả luận văn

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ADM Add / Drop Multiplexer

ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line

APON ATM Passive Optical Network

ATM Asynchronous Transfer Mode

BPON Broadband Passive Optical Network

CO Central Office

CoS Class of Service

CBR Content Bit Rate

DBA Dynamic Bandwidth Allocation

DSL Digital Subscriber Loop

DTMC Discrete Time Markov Chain

DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing

eDBA enhanced Dynamic Bandwidth Allocation

ELAN Ethernet Local Area Network

EPON Ethernet Passive Optical Network

FDL Fiber Delay Line

FIFO First In First Out

FTTB Fiber to the Building

FTTH Fiber to the Home

ISP Internet Service Provider

LAN Local Area Network

MAC Medium Access Control

MAN Metropolitan Area Network

MEF Metro Ethernet Forum

MTU Maximum Transmission Unit

MTW Maximum Transmission Window

NS Network Simulator

OBS Optical Burst Switching

OC Optical Channel

OCS Optical Circuit Switching

oDBA older Dynamic Bandwidth Allocation

OE Opto-Electronic

OLT Optical Line Terminal

OMAN Optical Metropolitan Area Network ONU Optical Network Unit

OPS Optical Packet Switching

OTN Optical Transport Network

OWS Optical Wavelength Switching P2P Peer to Peer

PDF Probability Density Function

PDU Protocol Data Unit

PLR Packet Loss Ratio

PON Passive Optical Network

PtMT Point to Multipoint

PtP Point to Point

QoS Quality of Service

RTP Real-time Transport Protocol

RTT Round Trip Time

TCP User Datagram Protocol

TDM Time Division Multiplexing

UDP Transmission Control Protocol UNI User Network Interface

VoIP Voice Over IP

WADM Wavelength Add / Drop Multiplexer WAN Wide Area Network

WDM Wavelength Division Multiplexing

WDM IPACT Wavelength Division Multiplexing Interleaved Polling with Adaptive

Cycle Time

WDBA-C Wavelength Dynamic Bandwidth Allocation with Controlled

WDBA UC- Wavelength Dynamic Bandwidth Allocation with UnControlled

WDBA-CwE Wavelength Dynamic Bandwidth Allocation with EnhancedControlled WDM-PON Wavelength Division Multiplexing Passive Optical Network

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 – Các lớp quang 6

Hình 2 – Minh họa OPS 7

Hình 3 – Minh họa OBS 8

Hình 4 – Mạng truy cập tới hộ gia đình 10

Hình 5 –Môhình mạng quang thụ động 11

Hình 6 – Các coupler cơ bản 12

Hình 7 – Coupler 8x8 12

Hình 8 – Một vài mô hình PON 14

Hình 9 – Lưu lượng hướng xuống trong EPON 18

Hình 10 – Lưu lượng hướng tải lên trong EPON 19

Hình 11 – Thời gian Round-trip 21

Hình 12 – Giao thức MPCP và hoạt động của bản tin GATE 22

Hình 13 – Giao thức MPCP và hoạt động của bản tin REPORT 23

Hình 14 – Kiến trúc WDM-PON 24

Hình 15 – Kịch bản thử nghiệm cân bằng tải với 2 bước sóng 27

Hình 16 – Thời gian đáp ứng được đo tại nút 3 28

Hình 17 – Kịch bản thử nghiệm với 4 bước sóng (TH5) 29

Hình 18 – Kịch bản thử nghiệm với 4 bước sóng (TH6) 30

Hình 19 – Kết quả thử nghiệm 30

Hình 20 – Cấu trúc logic của ONU 31

Hình 21 – Cấu trúc logic OLT 32

Hình 22 – Mô hình mạng truy nhập EPON 33

Hình 23 – Cấp phát lưu lượng trong ONU 34

Hình 24 – Các bước trong thuật toán IPACT 38

Hình 25 – DBA với thời gian tính toán 39

Hình 26 – Mô hình eDBA tại OLT 42

Hình 27 –Truyền dữ liệu bổ sung với 2 ONU 44

Hình 28 –Truyền dữ liệu bổ sung với 3 ONU 44

Hình 29 – Thuật toán WDM IPACT 48

Hình 30 – Kiến trúc cơ bản NS2 53

Hình 31 – Nguồn IPP 55

Hình 32 – Sơ đồ khối của file Agent-edba.h/Agent-edba.cc 59

Hình 33 – Mối liên hệ các lớp trong Agent-Dborn 63

Hình 34 – Trễ truy nhập với DBA (TH1) 67

Hình 35 – Trễ truy nhập với IPACT-LSA (TH1) 68

Hình 36 – Độ trễ gói tin trong DBA (TH2) 69

Hình 37 – Độ trễ gói tin trong IPACT-LSA (TH2) 69

Hình 38 – Độ trễ trung bình gói tin tại một ONU khi cài đặt eDBA (TH1) 70

Hình 39 – Độ trễ trung bình gói tin tại một ONU khi cài đặt eDBA (TH2) 71

Hình 40 – Tỷ lệ mất gói tin của IPACT, DBA, eDBA (TH1) 72

Hình 41 – Tỷ lệ mất gói tin của IPACT, DBA, eDBA (TH2) 72

Hình 42– Cài đặt IPACT LSA với tải không đồng đều ở ONU- 74

Hình 43 – Cài đặt EDBA với tải không dồng đều ở ONU 75

Hình 44 – Tỷ lệ băng thông được sử dụng (đo tại coupler) 75

Hình 45 – 2-kênh WDM-PON 76

Hình 46 – Pdf các ONU có yêu cầu băng thông lớn 77

Hình 47 – Độ trễ trung bình đo tại một ONU với thuật toán WDBA-UC 78

Hình 48 –Độ trễ trung bình đo tại một ONU với thuật toán WDBA-C 78

Hình 49 – Độ trễ trung bình đo tại một ONU với thuật toán WDBA-CwE 79

Hình 50 – Tỷ lệ mất gói tin tại một ONU với thuật toán WDBA-UC 80

Hình 51 – Tỷ lệ mất gói tin tại một ONU với thuật toán WDBA-C 80

Hình 52 – Tỷ lệ mất gói tin tại một ONU với thuật toán WDBA-CwE 81

Hình 53 – Phân bố các chu kỳ truyền dẫn theo tỷ lệ điền đầy (tải mạng 50%) 81

Hình 54 – Phân bố các chu kỳ truyền dẫn theo tỷ lệ điền đầy (tải mạng 80%) 82

Hình 55 – Độ trễ trung bình gói tin Premium khi K thay đổi với các thuật toán 83

Hình 56 – Độ trễ trung bình lớp dịch vụ BestEffort khi K thay đổi với các thuật toán 83

viiHình 57 – Tỷ lệ mất gói tin BestEffort khi K thay đổi với các thuật toán 84 Hình 58 – Lượng băng thông lãng phí với K=2,4,6 85

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG QUANG- 4

1.1 Giới thiệu chung 5

1.1.1 Ưu điểm của mạng quang 5

1.1.2 Các lớp mạng quang 6

1.1.3 Các công nghệ chuyển mạch quang 7

1.2 Hiện trạng mạng quang tại Việt Nam 8

1.2.1 Mạng truy nhập quang thụ động( PON) 9

1.2.2 Khái quát chung về công nghệ PON 11

1.2.3 Bộ tách ghép quang 12

1.2.4 Mô hình PON 13

1.2.5 Các thiết bị đầu cuối mạng PON 14

1.2.6 So sánh các giải pháp truy nhập mạng PON 15

1.3 Kết luận chương 16

CHƯƠNG 2 MẠNG QUANG THỤ ĐỘNG E- -PON VÀ WDM-PON 17

2.1 Giới thiệu chung về EPON 17

2.1.1 Ưu điểm của mạng quang thụ động Ethernet 17

2.1.2 Nguyên lý hoạt động 18

2.1.3 Giao thức điều khiển đa điểm MPCP (Mutil Poit Control Protocol) 19

2.2 Giới thiệu về WDM-PON 24

2.2.1 Sự cần thiết của WDM PON- 25

2.2.2 Ưu điểm của WDM -PON 26

2.2.3 Cấu trúc logic của ONU trong WDM-PON 30

2.2.4 Cấu trúc OLT trong WDM PON- 31

2.3 Kết luận chương 32

CHƯƠNG 3: PHÂN PHỐI BĂNG THÔNG TRONG EPON 33

3.1 Mô hình cấp phát lưu lượng 33

3.2 Thuật toán cấp phát băng thông động (DBA) 35

3.2.1 Thuật toán IPACT 35

3.2.2 Thuật toán DBA 39

3.2.3 Thuật toán eDBA 41

3.3 Thuật toán cấp phát băng thông động WDBA 45

3.3.1 WDM-IPACT 45

3.3.2 Thuật toán WDBA-UC và WDBA-C 48

3.3.3 Thuật toán đề xuất WDBA CwE- 51

3.4 Kết luận chương 52

CHƯƠNG 4 – CÀI ĐẶT CÁC THUẬT TOÁN VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG 53

4.1 Tổng quan về NS2 53

4.2 Cài đặt thuật toán trong NS2 55

4.2.1 Nguồn IPP 55

4.2.2 Mô tả các khai báo trong file script tcl 56

4.2.3 Mô tả các thuộc tính, phương thức trong file C++ 59

4.2.4 Sơ đồ mối liên hệ các lớp trong Agent-edba 63

4.3 Đánh giá hiệu năng mạng EPON 64

4.4 Đánh giá hiệu năng mạng WDM PON- 76

4.4.1 Mô tả kịch bản 76

4.4.2 Đánh giá các thuật toán WDBA 77

4.5 Kết luận chương 85

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 86

TÀI LIỆU THAM KHẢO 88

MỞ ĐẦU

Mạng quang học sử dụng công nghệ ghép kênh phân chia bước sóng (WDM -

Wavelength Division Multiplexing) [5] và bộ khuếch đại quang để truyền tải dữ liệu trên một số lượng lớ các bước sóng trn ong sợi quang Trong các mạng trung tâm dữ liệu hiện tại, lưu lượng dữ liệu bây giờ trở thành tác nhân chính và các nhà khai thác mạng có thể phải cung cấp băng thông lớn hơn nữa với một tốc độ ngày càng cao

Do đó, mạng quang học hứa hẹn là một sự lựa chọn thực tế cho mạng tốc độ cao.Một trong những hạn chế lớn trong công nghệ quang học là khó khăn trong việc

xử lý và lưu trữ dữ liệu ở miền quang học do thiếu các thành phần phù hợp Do đó, loại đầu tiên của mạng quang học thực hiện kỹ thuật chuyển mạch quang (OCS) để khắc phục nhược điểm này Mặc dù mạng chuyển mạch có thể cung cấp một công suất lớn và mạnh mẽ, nó vẫn bị coi là khai thác băng thông kém hiệu quả bởi vì sự cấp phát không hợp lý băng thông tĩnh hoặc bán tĩnh trên mỗi bước sóng

Thông qua việc sử dụng băng thông mềm dẻo hơn và sự phản ứng với thay đổi lưu lượng truy cập nhanh hơn so với chuyển mạch quang nên chuyển mạch gói quang (OPS) [4] hoặc chuyển mạch burst quang (OBS) [15] hiện nay đang được coi

là nền tảng chính của mạng quang Ưu điểm chính của những kỹ thuật này là sự cải tiến trong việc sử dụng băng thông thông qua việc hạn chế thời gian chiếm giữ bước sóng, do đó tăng khả năng ghép kênh thống kê các bước sóng trong miền quang học Tuy nhiên, công nghệ cho phép chuyển mạch ở tốc độ siêu cao không được thương mại rộng rãi do tính phức tạp của nó

Trong phạm vi của luận án này, mục đích của tôi nhằm nghiên cứu kiến trúc mạng truy cập dựa trên công nghệ mạng thụ động Ethernet PON (EPON) nhờ vào

kỹ thuật chuyển mạch gói quang Với thực tế là hơn 90% lưu lượng truy cập dữ liệu ngày nay bắt nguồn từ và chấm dứt trong các mạng Ethernet, EPON dường như là một ứng cử viên tự nhiên cho các giải pháp của vấn đề “first mile” [7 EPON là ].một loại mạng truy cập điểm đa điểm (point- - -tomultipoint) không có các thiết bị

chủ động trên đường dẫn tín hiệu từ nguồn tới đích Hiện nay, EPON đang bắt đầuđược sử dụng rộng rãi trong mạng truy cập nhờ sự giảm giá trong chi phí sản xuất của sợi cáp quang và các loại thiết bị quang Mục tiêu chính của đề tài là xác định

và giải quyết một vấn đề đặc trưng cho mạng thụ động: vấn đề cấp phát băng thông Việc cấp phát băng thông hợp lý cho các nút đầu cuối trong mạng thụ động đóng vai trò cực kỳ quan trọng tới hiệu suất làm việc của mạng Luận án này sẽ nghiên cứu và đánh giá hiệu năng của mạng thụ động EPON với các phương pháp cấp phát băng thông khác nhau có tính đến chất lượng dịch vụ (QoS) đảm bảo sự tôn trọng các mức độ dịch vụ đã ký với khách hàng

Thuật toán phân bổ băng thông, trong đó việc chia sẻ nguồn tài nguyên băng thông một cách công bằng và hiệu quả trở nên rất quan trọng trong EPON Tôi nhận thấy đã có rất nhiều nghiên cứu được thực hiện về chủ đề phân bổ nguồn lực trong EPON Việc cấp phát băng thông có thể là tĩnh hoặc là động Các thuật toán cấp phát băng thông động cung cấp kế hoạch phân bổ băng thông linh hoạt hơn là tự động điều chỉnh cho phù hợp với nhu cầu khách hàng Tuy nhiên, những nghiên cứu trên được thực hiện trên mạng EPON đơn bước sóng Với số lượng ngày càng tăng của người sử dụng và các ứng dụng sử dụng nhiều băng thông, hiện tại mạng EPON đơn bước sóng có khả năng được nâng cấp để đáp ứng ngày càng tăng lưu lượng dữ liệu yêu cầu trong tương lai

Một cách tiếp cận để nâng cấp hệ thống EPON là để tăng tốc độ luồng hiện tại từ

1 đến 10 Gb/s [2] Tuy nhiên, điều này ngụ ý rằng tất cả các nút trong mạng EPON cần được nâng cấp bằng cách cài đặt bộ thu phát mới hỗ trợ tốc độ mới cao hơn, kết quả là phải thực hiện nâng cấp khá tốn kém Một cách khác là để triển khai nhiều bước sóng trên các hướng tải lên/xuống, kết quả là cần phải áp dụng ghép kênh phân chia bước sóng (WDM) dựa trên topo.Nói một cách khác là chúng ta cần phải nâng cấp EPON lên WDM-PON Mạng WDM-PON cung cấp nhiều kênh với cácbước sóng khác nhau, trong đó các bước sóng mới có thể được bổ sung khi cần thiết Đối với mạng WDM PON, các thuật toán cấp phát băng thông động cũng đã -được cài đặt thử nghiệm và cho hiệu năng hệ thống khả quan như các nghiên cứu

[13], [14] Trong luận văn này, tôi cũng tiếp tục tập trung vào cài đặt các giải thuật cấp phát băng thông động trong WDM PON và sẽ đề xuất cải tiến một trong -phương pháp đã nghiên cứu nhằm phát huy tối đa hiệu suất của hệ thống mạng

Mạng quang là mạng mà tín hiệu được truyền đi thông qua sự lan truyền ánh sáng Những lợi thế của mạng quang rất nhiều: các tín hiệu, không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ, được bảo quản tốt hơn và thông lượng của mạng cũng lớn hơn nhiều

so với mạng cáp đồng truyền thống Ngoài ra, mạng quang được hưởng lợi từ khả năng của ghép kênh và khả năng phân chia phổ thành một số kênh quang học, mỗi tiểu kênh tương ứng với một bước sóng Kỹ thuật này được gọi là WDM (Wavelength Division Multiplexing) hoặc DWDM (Dense WDM) [5 ]

Mạng quang thụ động PON (Passive Optical Network) [1] được thiết kế để đáp ứng nhu cầu băng thông ngày càng tăng từ người sử dụng đầu cuối tới mạng nội đô MAN (Metropolitan Area Network) Mạng quang thụ động khai thác các thuộc tính của các sợi quang nên có thể cung cấp dịch vụ với băng thông lớn hơn nhiều so với các mạng truyền thống dựa trên sợi đồng

Một số lượng ngày càng lớn người sử dụng có nhu cầu truy cập băng thông rộng đã ảnh hưởng đến khả năng cung ứng của hệ thống phần cứng mạng Bên cạnh

đó, nhiều dịch vụ mới đã được phát triển như video theo yêu cầu (VoD), truyền hình độ nét cao (HDTV), … ngày càng đòi hỏi nhiều băng thông hơn trong khi các ứng dụng hiện đại khác như thoại qua IP (VoIP) lại yêu cầu chất lượng dịch vụ QoS (Quality of Service) cao hơn so với các dịch vụ cũ Do vậy việc tìm kiếm một kiến , trúc mới và những thuật toán phân bổ tài nguyên mạng hiệu quả trong mạng quang thụ động là rất cần thiết

Trong chương này, trước tiên chúng ta sẽ thảo luận về các thành phần cơ bản của mạng quang nói chung và mạng quang thụ động PON nói riêng Sau đó, chúng

ta sẽ thảo luận về các kỹ thuật chuyển mạch đang và sẽ được sử dụng trong mạng quang

1.1 Giới thiệu chung

1.1.1 Ưu điểm của mạng quang

Mạng quang có rất nhiều ưu điểm nổi trội, dưới đây là một vài ưu điểm đó:

 Băng thông khổng lồ đầy tiềm năng: Tần số sóng mạng quang trong khoảng 1013 đến 1015 Hz, cung cấp băng thông truyền lớn hơn nhiều so với

hệ thống cáp kim loại (băng thông của cáp đồng trục khoảng 500MHz)

 Sợi quang kích thước nhỏ và nhẹ: sợi quang có bán kính rất nhỏ, thường thì bán kính này không lớn hơn bán kính sợi tóc con người

 Sự cách li về điện: sợi quang được chế tạo từ thủy tinh hoặc đôi lúc là chất dẻo, đó là những chất cách điện, vì thế không giống với dây dẫn kim loại, nó không xuất hiện những trục trặc về tín hiệu điện

 Không bị ảnh hưởng bởi nhiễu và xuyên âm

 Bảo mật thông tin: ánh sang từ sợi quang bị bức xạ một cách không đáng

kể nên chúng có tính bảo mật tín hiệu cao Đặc tính này thu hút quân đội, ngân hàng và các ứng dụng truyền dữ liệu

 Suy hao thấp: sợi quang được chế tạo với độ suy hao 0.2dB/km và đặc tính này trở thành một lợi thế chính của hệ thống mạng quang Tạo thuận lợi cho việc đặt bộ khuếch đại cho mỗi khoảng cách trên đường truyền mà không cần chuyển sang tín hiệu điện ở bước trung gian, do đó giảm được giá thành

và độ phức tạp của hệ thống

 Tính linh hoạt: sợi quang được chế tạo với sức căng cao, bán kính nhỏ Với lợi thế về kích thước và trọng lượng, sợi quang thuận tiện cho việc lưu trữ, vận chuyển, xử lí và lắp đặt dễ dàng hơn so với cáp đồng trục

 Độ tin cậy của hệ thống và dễ bảo dưỡng: do đặc tính suy hao thấp của sợi quang nên có thể giảm được yêu cầu số bộ lặp trung gian trên đường truyền

Do đó độ tin cậy của hệ thống có thể nâng cao Ngoài ra các thiết bị quang có thời gian sử dụng khá cao, khoảng 20 đến 30 năm

 Giá thành thấp đầy tiềm năng

1.1.2 Các lớp mạng quang

Một mô hình phù hợp cho các mạng quang sử dụng các tầng giao thức và mỗi tầng giao thức kết hợp một số phân lớp, có thể cung cấp các chức năng tương tự như lớp vật lý, lớp liên kết dữ liệu và lớp mạng như trong mô hình ISO

Hình 1 – Các lớp quang

Từ quan điểm này, các lớp quang (Optical Layer) có thể được coi là lớp vật lý cho một loạt các lớp chẳng hạn như giao thức Internet (IP) hoặc ATM (Asynchronous Trasfer Mode) hay SONET / SDH Ví dụ, trong trường hợp giao thức Interner IP trên WDM, lớp IP coi lớp WDM như là lớp vật lý của nó Lớp IPkết nối lớp WDM sử dụng lightpath cung cấp bởi lớp quang Đôi khibản thân các lớp quang kết hợp nhiều lớp con bên trong nó

Mạch SONET/SDH [6] thường được thực hiện trên mạng quang WDM Trong trường hợp này, ba lớp của các lớp quang phải được đặt dưới bốn lớp của SONET/SDH Do đó, số lượng các lớp con trở thành bảy, làm cho hệ thống phức tạp Tuy nhiên, chúng ta lại không thể loại bỏ các chức năng của bất kỳ lớp con nào bởi vì chức năng của một số lớp con nằm trong ngành điện tử và một số lớp khác lại thuộc lĩnh vực quang học Hơn nữa, các lớp SONET/SDH có thể xử lý một cách hiệu quả dòng dữ liệu khi lưu lượng thấp, trong khi các lớp quang xử lý lưu lượng tốc độ cao có hiệu quả hơn trên một số bước sóng

1.1.3 Các công nghệ chuyển mạch quang

Chúng ta thảo luận về các công nghệ chuyển mạch đầy hứa hẹn trong mạng quang: công nghệ chuyển mạch gói quang (Optical Packet Switching - OPS) [4] và công nghệ chuyển mạch burst quang (Optical Burst Switching - OBS) [4 ]

A Chuyển mạch gói quang (OPS)

Chuyển mạch gói quang OPS là công nghệ chuyển mạch mới ưu việt hơn công nghệ chuyển mạch quang OCS (Optical Circuit Switching) Ưu điểm chính của OBS so với công nghệ cũ là nó dễ dàng thực hiện việc ghép kênh OPS cho phép chuyển các gói dữ liệu quang ở tốc độ cao mà việc này thì không thể đạt được bằng cách sử dụng các thiết bị điện tử Tuy nhiên trong thực tế, công nghệ OPS có thể gây ra tắc nghẽn khi chuyển các gói tin tại các bộ chuyển mạch Tắc nghẽn xảy ra khi hai hoặc nhiều hơn các gói tin dữ liệu cố gắng để đi ra cùng một cổng chuyển đổi quang học trên cùng một bước sóng khi đi qua bộ chuyển mạch Điều này không thể xảy ra khi sử dụng công nghệ OC bởi vì trong trường hợp này, một S

cổng ra luôn luôn được dành riêng cho một mạch cụ thể

Nói chung, vấn đề này rất dễ để giải quyết bằng các công nghệ điện tử khi mà

bộ nhớ RAM (bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên uôn sẵn sàng) l Tuy nhiên, các công nghệ quang lại không có giải pháp triệt để nhằm giải quyết vấn đề này Do không có bộ nhớRAMở dạng quang, OPS thường sử dụng sợi làm trễ (Fiber Delay Line - FDL) cho phép làm chậm các gói tin để tránh tắc ngẽn Chúng ta có thể coi FDL như là một hàng đợi FIFO và các gói tin bị lưu lại trong FDL với thời gian cố định nên ít hiệu quả hơn bộ nhớ RAM điện tử

Hình – Minh họa OPS2

B Optical Burst Switching (OBS)

Chuyển mạch burst quang (OBS-) là một giải pháp giữa chuyển mạch quang OCS và chuyển mạch gói tin quangOPS

Hình 3 – Minh họa OBSTrong OBS, một burst bao gồm nhiều gói tin (có thể có các kích thước khác nhau) với cùng một đích đến Sau khi gom các gói tin có cùng đích đến để tạo thành burst, burst sẽ được chuyển đi, thông thường, như một gói tin OBS đã đạt được nhiều sự chú ý vì nó kết hợp nhiều lợi thế của cả hai công nghệ chuyển mạch quang học: chuyển mạch quang OCS và chuyển mạch gói quang tin OPS Trong OBS, đầu tiên nút nguồn sẽ gửi các gói tin điều khiển tới tất cả các nút trung gian từ nút nguồn tới nút đích Các nút trung gian này sau khi nhận được gói tin điều khiển sẽ để dành tài nguyên mạng cho các gói tin burst sẽ đi qua sauđó So với OPS, OBS cung cấp một giải pháp cho tình trạng tắc nghẽn bộ nhớ trong OPS

1.2 Hiện trạng mạng quang tại Việt Nam

Trong những năm gần đây, mạng đường trục (mạng xương sống: backbone) đã

có một sự phát triển vượt bậc, tuy nhiên mạng truy cập (access network) ít có sự

thay đổi Sự phát triển kinh ngạc của lưu lượng Internet càng làm trầm trọng thêm

sự chậm trễ của dung lượng mạng truy cập

Theo như hầu hết các nhà phân tích thì lưu lượng dữ liệu đã vượt trội lưu lương thoại Nhiều dịch vụ và ứng dụng mới được triển khai khi mà băng thông mỗi người dùng được tăng lên Cả DSL (Digital Subscriber Line) và cáp modem đều không thể theo kịp nhu cầu Cả hai công nghệ này đều là những kiến trúc truyền th ng phổ ôbiến hiện nay nhưng không tối ưu hoá cho lưu lượng dữ liệu Trong mạng cáp Modem, chỉ một vài kênh RF được chỉ định cho dữ liệu trong khi phần lớn băng thông dành cho video tương tự Mạng cáp đồng DSL không thể phù hợp với tốc độ

dữ liệu ở khoảng cách lớn do méo và nhiễu xuyên tâm tín hiệu Hầu hết các nhà hoạt động mạng đều nhận thức rõ rằng sự cần thiết của một giải pháp tập trung dữ liệu, các dịch vụ truyền thống như thoại, video sẽ hội tụ với đầy đủ các yêu cầu chất lượng dịch vụ

Một công nghệ mới đã được đưa ra có chi phí đầu tư không cao, đơn giản, có - thể nâng cấp, có khả năng hội tụ các dịch vụ thoại dữ liệu và video đến người dùng trên một mạng đơn – gọi là EPON (Ethernet Passive Optical Network) Đây là giải pháp truy nhập sử dụng mạng quang thụ động (PON: Passive Optical Network) kết hợp với giao thức Ethernet (EPON) Giải pháp này mang ưu diểm của cả hai công nghệ PON với băng rộng và Ethernet được thiết kế phù hợp tải mang lưu lượng IP (Internet Protocol) Hiện nay, đây là một công nghệ truy nhập được kỳ vọng và cũng được xem như là một trong những động lực công nghệ để tiến đến mạng toàn quang

1.2.1 Mạng truy nh ập quang thụ độ ng( PON)

Sợi quang có khả năng phân phối băng thông cao, tích hợp dịch vụ thoại, dữ liệu và video với khoảng cách trên 20Km đối với mạng truy nhập Phương thức vật

lý để triển khai sợi quang trong mạng truy nhập nội hạt là sử dụng mô hình điểm điểm (PtP: Point to Point), với sợi quang chạy từ CO (Central Office) đến mỗi đầu cuối thuê bao (Hình 4.a) Kiến trúc này đơn giản tuy nhiên chi phí lại khá cao

Hình 4 – Mạng truy cập tới hộ gia đìnhHiện tại, một trong những chi phí cao nhất của các nhà cung cấp tổng đài nội hạt là cung cấp và bảo quản năng lượng điện trong v ng nội hạtù , cho nên thật hợp lý khi thay các chuyển mạch cụm thuê bao bằng các bộ quang thụ động rẻ tiền (Hình 4.c)

PON là một công nghệ được xem xét áp dụng cho mạng truy nhập FTTH với nhiều ưu điểm như số lượng các bộ thu phát quang, thiết bị đầu cuối CO và sợi quang ít PON là mạng quang điểm đa điểm (PtMP: Point to MultiPoint) với các phần tử không kích hoạt trong đường dẫn tín hiệu từ nguồn đến đích, chỉ các phần

tử được sử dụng bên trong mạng PON là các linh kiện quang thụ động như là sợi

quang, bộ nối và bộ chia quang Một mạng truy nhập dựa trên một sợi quang đơn chỉ yêu cầu N+1 bộ thu phát và L km sợi quang

1.2.2 Khái quát chung về công nghệ PON

Mạng truy nhập quang thụ động PON sử dụng phần tử chia quang thụ động (passive splitter) trong phần mạng phân bố nằm giữa thiết bị đường truyền quang (OLT) và thiết bị cuối (ONU)

Hình 5 – Mô hình mạng quang thụ động

Các phần tử thụ động của PON đều nằm trong mạng phân bố quang (hay còn gọi là mạng quang ngoại vi) bao gồm các phần tử như sợi quang, các bộ tách /ghép quang thụ động, các đầu nối và các mối hàn quang Các phần tử tích cực như OLT

và các ONU đều nằm ở đầu cuối của mạng PON Tín hiệu trong PON có thể được phân ra và truyền đi theo nhiều sợi quang hoặc được kết hợp lại và truyền đi trên một sợi quang thông qua bộ ghép quang, phụ thuộc tín hiệu đó đi theo hướng lên hay xuống của PON

1.2.3 Bộ tách ghép quang

Một mạng quang thụ động sử dụng một thiết bị thụ động để tách một tín hiệu quang từ một sợi quang sang một vài sợi quang và ngược lại Thiết bị này là Coupler quang Để đơn giản, một Coupler quang gồm hai sợi nối với nhau Tỷ số tách của bộ tách có thể được điều khiển bằng chiều dài của tầng nối và vì thế nó là hằng số

Hình 6 C – ác coupler cơ bản

Coupler có nhiều hơn hai cổng vào và nhiều hơn hai cổng ra gọi là Coupler hình sao Coupler NxN được tạo ra từ nhiều Couper 2x2

Hình 7 Coupler 8x8 –

Các thông số đặc trưng của couple:

 Splitting loss (tổn hao tách): Mức năng lượng ở đầu ra của Coupler so với năng lượng đầu vào (db) Đối với Coupler 2x2 lý tưởng, giá trị này

1.2.4 Mô hình PON

Có một vài mô hình thích hợp cho mạng truy cập như mô hình cây, vòng hoặc bus Mạng quang thụ động PON có thể triển khai linh động trong bất kỳ mô hình nào nhờ sử dụng một tapcoupler quang 1:2 và bộ tách quang 1:N

Tất cả sự truyền dẫn trong mạng PON đều được thực hiện giữa OLT và các ONU OLT ở tại tổng đài (Central Office), kết nối truy nhập quang đến mạng đường trục (có thể là mạng IP, ATM hay SONET) ONU ở tại đầu cuối người sử dụng (trong giải pháp FTTH - Fiber To The Home, FTTB - Fiber To The Building) hoặc ở tại Curb trong giải pháp FTTC - Fiber To The Cur và có khả năng cung cấp các dịch vụ thoại, dữ liệu và video băng rộng

Hình 8 – Một vài mô hình PON

1.2.5 Các thiết bị đầu cuối mạng PON

Optical Line Terminal (OLT thiết bị đường truyền quang): OLT cung cấp giao tiếp giữa hệ thống mạng truy cập quang thụ động PON và mạng quang đường trục của các nhà cung cấp dịch vụ thoại, dữ liệu và video OLT cũng kết nối đến mạng lõi của nhà cung cấp dịch vụ thông qua hệ thống quản lý EMS (Element Management System)

Optical Network Unit (ONU: thiết bị kết cuối mạng quang): ONU cung cấp giao tiếp giữa mạng thoại, video và dữ liệu người dùng với mạng PON Chức năng cơ bản của ONU là nhận dữ liệu ở dạng quang và chuyển sang dạng phù hợp với người dùng

Element Management System (EMS: hệ thống quản lý): EMS quản lý các phần

tử khác nhau của mạng PON và cung cấp giao diện đến mạng lõi của các nhà cung cấp dịch vụ EMS có chức năng quản lý về cấu hình, đặc tính và bảo mật

1.2.6 So sánh các giải pháp truy nhập mạng PON

Dưới đây là bảng so sánh các giải pháp truy nhập mạng quang đang được sử dụng:

WDM-PON Tiêu chuẩn FSAN

ITU-T G.983

FSAN

ITU-T G.983

EFM IEEE 802.3ah

FSAN ITU-T G.984

Chưa

Ethernet, Phân bổ Vodeo

Encapsulation Mode

Không phụ thuộc

GPON và EPON đã được triển khai rộng rãi nhất cho FTTH và FTTB Hiện nay GPON có tầm tối đa 20km và phân chia tối đa 64 người dùng và băng thông tải về khoảng 2,5 Gbps Hiện nay cả chuẩn EPON và GPON đang được triển khai 10G EPON là phiên bản cải tiến của EPON có thể cung cấp 10Gbps luồng tải xuống và Nhật Bản dự kiến sẽ là thị trường đầu tiên khởi động Tại Hàn Quốc hai nhà cung cấp dịch vụ là Lorea Telecom (KT) và Hanaro Telecom đã triển khai cả GPON và EPON KT cũng có một triển khai Wavelength Division Multiplexing (WDM) PON

1.3 Kết luận chương

Trong chương này, tôi đã đề cập đến các khái niệm và các thành phần cơ bản của mạng quang cũng như ưu và nhược điểm của nó Tiếp theo đó, tôi có đề cập đến một trường hợp riêng của mạng quang là mạng quang thụ động PON – vì đây là trường hợp mà tôi sẽ nghiên cứu chính trong các chương tiếp theo Tại đây tôi có nêu lên các giải pháp mạng PON và tôi thấy rằng giải pháp mạng truy nhập EPON được hỗ trợ và phát triển nhanh nhất Rất nhiều nhà cung cấp dịch vụ mạng đã lựa chọn công nghệ EPON để làm mạng truy nhập và truyền tải lưu lượng mạng để cung cấp đa dịch vụ Trong khi đó, mạng WDM PON cho phép khai thác tối đa kỹ -thuật ghép kênh đa bước sóng, tuy chưa được sử dụng nhiều nhưng nhờ tính ưu việt

về dung lượng nên nó sẽ là lựa chọn tiếp theo đối với mạng truy nhập Phần tiếp theo chúng ta sẽ tìm hiểu rõ hơn về hai mạng truy nhập EPON và WDM PON-

CHƯƠNG 2 MẠNG QUANG THỤ ĐỘNG E - -PON VÀ

WDM-PON

2.1 Giới thiệu ch ung về EPON

EPON là mạng dựa trên mạng PON trong đó lưu lượng dữ liệu được đóng gói vào khung Ethernet Nó sử dụng chuẩn mã đường truyền 8b/10b (8 bit người dùng được mã hoá như 10 bit đường truyền) và hoạt động ở tốc độ chuẩn của Ethernet

2.1.1 Ưu điểm của mạng quang thụ động Ethernet

EPON là sự kết hợp giữa mạng truy nhập quang thụ động PON và công nghệ Ethernet nên nó mang ưu điểm của cả hai công việc này Việc triển khai EPON mang lại lợi ích rất to lớn bao gồm:

 Băng thông cao hơn: EPON cung cấp băng thông cao nhất cho người dùng hơn so với bất kỳ hệ thống truy cập quang thụ động nào Tốc độ lưu lượng hướng xuống là 1Gbps và lưu lượng lên từ 64 ONU có thể vượt quá 800 Mbps Với khả năng cung cấp băng thông rất lớn như vậy, EPON có một số lợi ích sau:

 Số lượng thuê bao trên một mạng PON lớn

 Băng thông trên mỗi thuê bao nhiều

 Khả năng cung cấp video

 Loại trừ những phần tử ATM và SONET phức tạp và đắt đỏ

 Các linh kiện quang thụ động giảm được chi phí bảo dưỡng

T, hổ trợ các dịch vụ trên nền ATM, TDM (Time Division Multiplexing) và SONET

2.1.2 Nguyên lý hoạt động

Chuẩn IEEE 802.3 định nghĩa hai cấu hình cơ bản cho một mạng Ethernet Một cấu hình trong đó các nút sử dụng chung môi trường truyền dẫn với giao thức đa truy cập CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) và cấu hình còn lại, các nút giao tiếp với nhau thông qua một chuyển mạch sử dụng các tuyến kết nối điểm điểm và song công Tuy nhiên, EPON có một số đặc tính mà -khiến cho nó không thể triển khai trên một trong hai cấu hình này mà thay vào đó phải kết hợp cả hai

Ở hướng tải xuống, EPON hoạt động như một mạng quảng bá Khung Ethernet được truyền bởi OLT qua bộ chia quang thụ động đến từng ONU (với số lượng ONU trong khoảng từ 4 đến 64) ONU sẽ lọc bỏ các gói tin không phải là của nó nhờ vào địa chỉ MAC (Media Access Control) trước khi truyền các gói tin còn lại đến người dung cuối Hình vẽ dưới đây là hình mô tả hướng đi tải về của dữ liệu

Hình 9 – Lưu lượng hướng xuống trong EPON

Ở hướng tải lên, vì đặc tính định hướng của bộ kết hợp quang thụ động, khung

dữ liệu từ bất kỳ ONU nào chỉ đến OLT và không đến các ONU khác Trong trường hợp đó, ở hướng lên đặc tính của EPON giống như kiến trúc điểm điểm Tuy nhiê- n, không giống như mạng điểm điểm thật sự, các khung dữ liệu trong EPON từ các -ONU khác nhau được truyền đồng thời vẫn có thể bị xung đột xảy ra ở bộ chia tách coupler Vì vậy, ở hướng tải lên (từ người dùng đến mạng), ONU cần sử dụng một vài cơ chế tránh xung đột dữ liệu và chia sẽ dung lượng kênh quang hợp lý Ở đây, luồng dữ liệu hướng lên được phân bố theo thời gian Hình dưới đây mô tả hướng tải lên của dữ liệu

Hình 10 – Lưu lượng hướng tải lên trong EPON

Để tránh đụng độ, sự sắp xếp các khe thời gian truyền dữ liệu hợp lý giữa các ONU có thể được định vị tĩnh (sử dụng TDMA cố định) và hoạt động dựa vào hàng đợi tức thời trong từng ONU (thực hiện truyền thống kê) Có nhiều mô hình định vị như là định vị dựa vào quyền ưu tiên của dữ liệu, dựa vào chất lượng dịch vụ QoS hay dựa vào mức dịch vụ cam kết (SLAs: Service Level Agreements)

2.1.3 Giao thức điều khiển đa điểm MPCP (Mutil Poit Control Protocol)

Để hổ trợ việc định vị khe thời gian bởi OLT, giao thức MPCP đ được nhóm ã IEEE 802.3ah phát triển MPCP không xây dựng một cơ chế phân bổ băng tần cụ thể, mà thay vào đó, nó là một cơ chế hỗ trợ thiết lập các thuật toán phân bổ băng

tần khác nhau trong PON Giao thức này dựa vào hai bản tin Ethernet: Gate và Report Bản tin Gate được gửi từ OLT đến ONU để ấn định một khoảng thời gian truyền Bản tin Report được ONU sử dụng để truyền đạt các thông tin về trạng thái hiện tại của nó (như mức chiếm dữ của bộ đệm) đến OLT, giúp OLT có thể phân bổ

khoảng thời gian một cách hợp lý Cả hai bản tin Gate và Report đều là các khung điều khiển MAC (loại 88 08) và được xử lý bởi lớp con điều khiển MAC.-

Có hai mô hình hoạt động của MPCP: tự khởi tạo và hoạt động bình thường

Mô hình tự khởi tạo được dùng để dò các kết nối ONU mới, nhận biết trễ Roundtrip và địa chỉ MAC của ONU đó Trong khi đó, mô hình bình thường được dùng để phân bổ cơ hội truyền tải dữ liệu cho tất cả các ONU được khởi tạo

-Nhiều ONU có thể yêu cầu khởi tạo cùng một lúc, mô hình khởi tạo tự động làm việc như sau:

 OLT chỉ định một khoảng thời gian khởi tạo một khoảng thời gian mà - không có ONU khởi tạo trước nào được phép truyền Chiều dài của khoảng khởi tạo này phải tối thiểu là: <transmission size> + <maximum round-trip time> -

<minimum round-trip time>; với <transmission size> là chiều dài của cửa sổ truyền

mà một ONU không khởi tạo có thể dùng

 OLT gửi một bản tin khởi tạo Gate báo hiệu thời gian bắt đầu của khoảng khởi tạo và chiều dài của nó Trong khi chuyển tiếp bản tin này từ lớp cao hơn đến lớp MAC, MPCP sẽ gán nhãn thời gian được lấy theo đồng hồ của nó

 Chỉ các ONU chưa khởi tạo mới đáp ứng bản tin khởi tạo Gate Khi nhận bản tin khởi tạo Gate, một ONU sẽ thiết lập thời gian đồng hồ của nó theo nhãn thời gian đến trong bản tin khởi tạo Gate

 Khi đồng hồ trong ONU bằng thời gian bắt đầu của khoảng thời gian khởi tạo (cũng được phân phối trong bản tin Gate), ONU sẽ truyền bản tin của chính nó (khởi tạo Report) Bản tin Report sẽ chứa địa chỉ nguồn của ONU và nhãn thời gian tượng trưng cho thời gian bên trong của ONU khi bản tin Report được gửi

 Khi OLT nhận bản tin Report từ một ONU chưa khởi tạo, nó nhận biết địa chỉ MAC của ONU và thời gian Round-trip Thời gian Round trip của một -

Hình 11 – Thời gian Round-tripDưới đây chúng ta mô tả hoạt động bình thường của MPCP:

 Từ lớp cao hơn (MAC control client), MPCP tại OLT đưa ra yêu cầu

để truyền bản tin Gate đến một ONU cụ thể với các thông tin như sau: thời điểm ONU bắt đầu truyền dẫn và thời gian của quá trình truyền dẫn (Hình 12)

Hình 12 –Giao thức MPCP và hoạt động của bản tin GATE

 Trong lớp MPCP (của cả OLT và ONU) duy trì một đồng hồ Trong khi truyền bản tin Gate từ lớp cao hơn đến lớp MAC, MPCP sẽ gán vào bản tin này nhãn thời gian được lấy theo đồng hồ của nó

 Trong khi tiếp nhận bản tin Gate có địa chỉ MAC phù hợp (địa chỉ của các bản tin Gate đều là duy nhất), ONU sẽ ghi lên các thanh ghi trong

nó thời gian bắt đầu truyền và khoảng thời gian truyền ONU sẽ cập nhật đồng hồ của nó theo thời gian lưu trên nhãn của bản tin Gate nhận được Nếu sự sai khác vượt quá ngưỡng đã được định trước thì ONU sẽ cho rằng, nó đã mất sự đồng bộ và sẽ tự chuyển vào mode chưa khởi tạo Ở mode này, ONU không được phép truyền Nó sẽ chờ đến bản tin Gate khởi tạo tiếp theo để khởi tạo lại

 Nếu thời gian của bản tin Gate được nhận gần giống với thời gian được lưu trên nhãn của bản tin Gate, ONU sẽ cập nhật đồng hồ của nó theo nhãn thời gian Khi đồng hồ trong ONU chỉ đến thời điểm bắt đầu của khoảng thời gian truyền dữ liệu, ONU sẽ bắt đầu phiên truyền dẫn Quá trình truyền dẫn này có thể chứa nhiều khung Ethernet

ONU sẽ đảm bảo rằng không có khung nào bị truyền gián đoạn Nếu phần còn lại của khoảng thời gian truyền dữ liệu không đủ cho khung tiếp theo thì khung này sẽ được để lại cho oảng thời gian truyền dẫnkhtiếp theo và để trống một phần không sử dụng trong oảng thời gian khhiện tại

Bản tin Report sẽ được ONU gửi đi trong cửa sổ truyền dẫn gán cho nó cùng với các khung dữ liệu Các bản tin Report có thể được gửi một cách tự động hay theo yêu cầu của OLT Các bản tin Report được tạo ra ở lớp trên lớp điều khiển MAC (MAC Control Client) và được gán nhãn thời gian tại lớp điều khiển MAC (Hình 13) Thông thường Report sẽ chứa độ dài yêu cầu cho khe thời gian tiếp theo dựa trên độ dài hàng đợi của ONU Khi yêu cầu một khe thời gian, ONU cũng có tính đến cả các phần mào đầu bản tin, đó là các khung mào đầu 64 bit và khung mào đầu IFG 96 bit được ghép vào trong khung dữ liệu

Hình 13 –Giaothức MPCP và hoạt động của bản tin REPORT

Khi bản tin Report đã được gán nhãn thời gian đến OLT, nó sẽ đi qua lớp MAC (lớp chịu trách nhiệm phân bổ băng tần) Ngoài ra, OLT cũng sẽ tính lại chu trình đi

và về với mỗi nguồn ONU Sẽ có một số chênh lệch nhỏ của RTT mới và RTT

được tính từ trước bắt nguồn từ sự thay đổi trong chiết suất của sợi quang do nhiệt

độ thay đổi Nếu sự chênh lệch này là lớn thì OLT sẽ được cảnh báo ONU đã mất đồng bộ và OLT sẽ không cấp phiên truyền dẫn cho ONU cho đến khi nó được khởi tạo lại

Hiện nay giao thức MPCP vẫn đang tiếp tục được xây dựng và phát triển bởi nhóm 802.3ah của IEEE Đây là nhóm có nhiệm vụ phát triển và đưa ra các giải pháp Ethernet cho các thuê bao của mạng truy nhập

2.2 Giới thiệu về WDM -PON

WDM-PON đã thêm nhiều bước sóng vào trong sợi quang để tăng công suất của hệ thống truy nhập Mỗi ON có mộtU số bước sóng chuyên dụng kết nối với OLT Giới hạn băng thông mà người dùng có thể nhận được phụ thuộc vào những

gì các bước sóng có thể thực hiện Nút splitter trong hệ thống PON thông thườngđược thay thế bằng một AWG (Arrayed Waveguide Grating) định tuyến bước sóng đến mỗi đích O T Không giống như các hệ thống PON thông thường, L WDM-PON

sẽ có thể cải thiện tỷ lệ băng thông chia, tách và vượt qua công nghệ PON truyền thống Với WDM-PON, một PON ảo có thể được tạo ra cho mỗi thuê bao bằng cách sử dụng đa sóng tại một sợi duy nhất

Hình 14 – K iến trúc WDM- PON

2.2.1 Sự cần thiết của WDM- PON

Vấn đề tắc nghẽn băng thông về phía mạng truy cập của khách hàng (first mile problem) hiện nay tuy không còn là vấn đề gay gắt nữa nhưng điều này chưa có nghĩa là các thách thức về hạn chế truy cập đã được giải quyết Các nhà cung cấp dịch vụ có thể sẽ phải thấy hiện tượng tắc nghẽn mới trong tương lai tương đối gần Điều này là do sự phát triển ngày càng tăng các ứng dụng đòi hỏi khắt khe mới: video độ nét cao hơn và tiêu chuẩn phát sóng mới UHDTV chẳng hạn như ITU BT

1201, ITU 1769 và SMPTE 2036 đang được giới thiệu Ngoài ra, với video IP, IPTV và các dịch vụ cá nhân trên nền IP đang làm vấn đề càng trở nên phức tạp.Ứng dụng băng thông cao như video lưu trữ, mạng trực tuyến, phần mềm dựa trên đám mây như một dịch vụ (SaaS), tương tácmáy tính, chơi game trực tuyến và chia

sẻ video cũng sẽ yếu tố góp phần thúc đẩy nhu cầu lớn hơn cho kết nối băng thông siêu cao với độ trễ thấp và chất lượng dịch vụ tốt hơn

Bất kỳ mạng truy cập mới được xây dựng ngày hôm nay đều phải được đầu tư lớn nhằm đảm bảo khả năng mở rộng trong tương lai Nhưng mỗi mạng truy cập đều có điểm yếu Mạng EPON không hề dễ dàng mở rộng và không cung cấp một kiến trúc tập trung nên để có hiệu quả về chi phí thì thông thường nó phải hy sinh khoảng cách để có tỷ lệ phân chia cao hơn Mạng GPON có thể có quy mô tới 1 Gbps trên mỗi người sử dụng trong lý thuyết, nhưng trong thực tế băng thông được cung cấp là thường xuyên không hơn 100 Mbps Điều này chủ yếu là do sự tác động của các yếu tố như tỷ lệ phân chia và khoảng cách Do đó, WDM-PON đang nổi lên như một giải pháp mang tính dài hạn Cách duy nhất mà các nhà cung cấp dịch vụ

có thể giảm chi phí một cách hiệu quả mà vẫn đảm bảo được yêu cầu băng thông hiện nay và trong tương lai là sử dụng sợi quang có hỗ trợ nhiều bước sóng với hạ tầng thụ động Hạ tầng thụ động được hiểu ở đây là bộ chuyển phát đa bước sóng (có thể truyền gói tin ở nhiều bước sóng), các bộ lọc quang học

2.2.2 Ưu điểm của WDM -PON

Giải pháp WDM PON cung cấp băng thông chuyên dụng của một mạng điểm- điểm với việc chia sẻ sợi quang vốn có trong mạng PON Kiến trúc là hơi tương tự như của EPON và GPON, ngoại trừ một AWG (Array Waveguide Grating) AWG

-là bộ lọc phân tách các bước sóng đơn đến tận các thuê bao ONUs, được sử dụng thay splitter được sử dụng trong kiến trúc EPON Ưu điểm chính của WDM-PON là

sử dụng hoàn toàn riêng biệt bước sóng cho mỗi thuê bao iệc tách rời bước sóng Vcung cấp thêm băng thông cho mỗi thuê bao giúp cho việc bảo mật tốt hơn, đồng thời tăng cường điều khiển hoạt động tốt hơn khi có sự trùng lặp tiềm năng giữa các bước sóng ở vùng tải lên upstream

Áp dụng mạng WDM thụ động vào mạng truy cập cho phép hợp nhất các kênh truy nhập vào một kiến trúc duy nhất và đem lại khả năng mở rộng kênh Do các lớp khác nhau được tích hợp trực tiếp vào một kiến trúc hạ tầng duy nhất nên việc tương tác giữa các lớp vật lý quang học với các lớp dữ liệu, mạng diễn ra gần như là trong suốt với người dùng đem lại khả năng tích hợp dữ liệu, chuyển đổi giao thức, chuyển đổi bước sóng hay chuyển đổi lớp nhanh chóng và hiệu quả Do vậy, giải pháp WDM-PON là giải pháp truy nhập tối ưu cho cả doanh nghiệp, di động hay là lưu trữ dữ liệu

Ở đây tôi thử nghiệm một mô phỏng nhỏ để đánh giá lợi ích của của công nghệ WDM lên hiệu năng của mạng WDM-PON Để minh họa những lợi thế của công nghệ WDM, tôi trình bày ở đây một nghiên cứu về sự linh hoạt của WDM trong việc giảm thiểu tác động của sự tăng trưởng lưu lượng tải trên hiệu suất truyền tải của mạng Chú ý là khi lưu lượng truy cập mạng ngày càng tăng thì có thể gây ra sự kiện mạng bị quá tải Chúng ta phân tích của một mạng có cấu hình liên kết bus có chứa 5 nút trong đó có một nút trung tâm (chuyên nhận dữ liệu) Trong mạng như vậy, 4 nút trên bus cạnh tranh để truyền tải gói dữ liệu của nó đến nút trung tâm trên bus Tất cả các nút trên bus chia sẻ một liên kết chung hỗ trợ 2 bước sóng ở 20 Gbps (mỗi bước sóng có thể được sử dụng ở tốc độ lên đến 10 Gbps) Các nút bus (như thể hiện trong Hình 15) được trang bị với một bộ truyền phát điều chỉnh cho

Hình 15 – Kịch bản thử nghiệm cân bằng tải với 2 bước sóng

Trong pha kế tiếp, sự tăng trưởng của lưu lượng dữ liệu truy cập có thể dẫn đến một tình huống mà các bước sóng được xác định trước do sự truyền liên tục của một nút (chỉ định ở pha đầu tiên) trở nên quá tải Để tránh sự xuống cấp hiệu suất mạng, các nút đứng sau trên bus có thể sử dụng một cơ chế cân bằng tải bằng cách điều chỉnh bộ truyền phát của nó sang các bước sóng khác không bị quá tải Lưu ý rằng

cơ chế này có thể làm việc tốt khi và chỉ khi các nút có thể tìm thấy một bước sóng

mà không bị quá tải May mắn thay, trong mạng thực tế, xác suất mà tất cả các bước sóng được quá tải cùng một lúc thường là thấp (tức là xác suất mà tất cả các bước sóng quan sát cùng một thời điểm), do đó có một cơ hội lớn để cơ chế cân bằng tải giúp mạng vượt qua các thời điểm tải mạng lên cao bất thường

Giả sử rằng mạng đang xét gồm hai bước sóng, tôi xem xét bốn trường hợp mà mục tiêu chính là để đánh giá liệu lưu lượng dữ liệu tại nút 3 có thể được đảm bảo trong một cấu hình không thuận lợi như vậy

• Trường hợp 1: lưu lượng dữ liệu được phân bố đều trên bus Bước sóng 1 được tải lên đến 75% tất cả các nút trên bus, nhưng bước sóng chỉ chịu tải nhẹ 2

1 

 2

: Tx switched to 2

0

(khoảng 25%) do lưu lượng gửi từ nút 0 Kỹ thuật cân bằng tải không được sử dụng tại bất kỳ một nút nào Đây là trường hợp cơ bản được sử dụng để so sánh hiệu suất với các trường hợp còn lại nêu dưới đây

• Trường hợp 2: lưu lượng dữ liệu trên bước sóng 1 đột nhiên thay đổi tại tất cả các nút, dẫn đến tình huống mà bước sóng bị tải 1 rất lớn (lên đến hơn 95%), nhưng lưu lượng dữ liệu trên bước sóng 2 vẫn không thay đổi Trong trường hợp này, kỹ thuật cân bằng tải sẽ được thực hiện Các nút trên bus có thể sử dụng cơ chế cân bằng tải với một trong những quy tắc sau đây:

+ Quy tắc 1: cân bằng tải được thực hiện tự động Điều này có nghĩa là lưu lượng dữ liệu truy cập của mỗi nút được chia đều cho hai bước sóng (trường hợp 3) + Quy tắc 2: nếu bộ đệm cục bộ của nút 3 được lấp đầy đến 50%, nó sẽ chuyển sang truyền dữ liệu trên bước sóng 2 (tức là một phần của lưu lượng truy cập truyền trên bước sóng 1 bây giờ sẽ truyền trên bước sóng 2) Nếu tỷ lệ lấp đầy bộ đệm địa phương của nó nhỏ hơn 50%, nó sẽ truyền trở lại trên bước sóng 1 (tức là, trở lại với cấu hình bình thường) (Trường hợp 4)

Hình 16 – Thời gian đáp ứng được đo tại nút 3

Hình 16 minh họa kết quả về thời gian truy nhập trung bình của mỗi gói tin chờ đợi để được truyền đi tại nút 3 Nó so sánh từng trường hợp không thuận lợi (2, 3, 4) với trường hợp cơ bản (trường hợp 1), tôi quan sát thấy rằng khi bước sóng được tải lên đến 95% mà không có WDM với kỹ thuật cân bằng tải (trường hợp 2) thì không thể đảm bảo tất cả lưu lượng truy cập Trong trường hợp sử dụng cân bằng

tải có thể đảm bảo tốc độ truy nhập mạng (trường hợp 3, 4) với thời gian đáp ứng nhỏ hơn so với trường hợp 1 Nếu tôi cho phép tự động cân bằng tải (trường hợp 3), thời gian đáp ứng được cải thiện đôi chút so với cân bằng tải liên quan đến tỷ lệ lấp đầy bộ đệm cục bộ (trường hợp 4)

Tôi tiếp tục trình bày hai trường hợp mô phỏng khác trong Hình 17 và Hình 18

có liên quan đến số lượng bước sóng như sau:

• Trường hợp 5: Mỗi nút từ nút 0 đến nút 4 có bốn bộ phát cố định để truyền cácgói tin trên tất cả 4 bước sóng Node 5 gửi dữ liệu của nó ới nút 8 (t qua λ1) và nút 9 (qua λ3) Lúc đầu, các nút được cấu hình sao cho tải được cung cấp cho mỗi bước sóng thỏa mãn: ρ (λ1) = ρ (λ3) = 0,6 (40% gây bởi nút 5, 20% bởi các nút khác) Sau

đó, tải cung cấp cho mỗi bước sóng được tăng sao cho ρ (λ1) = ρ (λ3) = 0,8 (40% bởi nút 5, 40% bởi các nút khác) Kỹ thuật cân bằng tải được thực hiện tại nút 5

Hình 17 – Kịch bản thử nghiệm với 4 bước sóng (TH5)

• Trường hợp 6: Node 8 và nút 9 sử dụng hai bộ phát Node 5 gửi dữ liệu của nó tới nút 8 (trên λ1, λ2) và nút 9 (trên λ3, λ4) Lúc đầu, các nút được cấu hình theo cách mà tải thỏa mãn mỗi bước sóng như sau: ρ(λ1) = ρ λ2) = ρ(λ3) = ρ(λ4) = 0,6 ((20% bởi nút 5, 40% bởi các nút khác) Sau đó, tải trên mỗi bước sóng bị tăng như sau: ρ (λ1) = ρ (λ2) = ρ (λ3) = ρ (λ4) = 0.8 (20% bởi nút 5, 60% do các nút khác)

Kỹ thuật cân bằng tải vẫn được sử dụng tại nút 5