LUẬN VĂN THẠC SĨ : CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG IP TRÊN WDM pptx

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH: XỬ LÝ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG IP TRÊN WDM ĐỖ SINH TRƯỜNG HÀ NỘI 2008 ĐỖ SINH TRƯỜNG XỬ LÝ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG 2006-2008 Hà Nội 2008 1 LỜI NÓI ĐẦU Trong một vài năm gần đây đã có sự bùng nổ về lưu lượng IP do sự phát triển của các ứng dụng đa phương tiện như HDTV, điện thoại Internet, âm thanh số…Điều này dẫn đến có nhiều nghiên cứu về các kỹ thuật phân chia trong truyền dẫn tốc độ cao cũng như các công nghệ chuyển mạch, trong đó WDM đã nổi lên như là một công nghệ truyền dẫn mạng lõi đường trục Internet thế hệ sau với khả năng hỗ trợ đồng thời nhiều kênh tốc độ cao trên một sợi cáp quang. Một trong những vấn đề nảy sinh khi thực hiện kỹ thuật này đó là làm thế nào để hỗ trợ chất lượng dịch vụ (QoS) trong mạng IP trên WDM. Lý do là bởi vì hiện tại IP cung cấp dịch vụ không kết nối, truyền dẫn không tin cậy và phân phối gói tin đáp ứng tốt nhất nhưng các ứng dụng thời gian thực hiện nay lại có yêu cầu về QoS rất cao. Chất lượng dịch vụ đối với IP thường được đánh giá dựa vào các tiêu chí về tỷ lệ mất gói tin (được tính bằng số gói tin bị mất trên tổng số gói tin được truyền trên mạng), độ trễ gói tin (được tính là khoảng thời gian cần để truyền gói tin từ nguồn đến đích so với giá trị thời gian trung bình của các gói tin cùng nguồn /đích). Trong mạng IP trên WDM, có ba phương pháp chuyển mạch được ứng dụng là chuyển mạch định tuyến bước sóng (WR), chuyển mạch gói quang (OPS) và chuyển mạch chùm quang (OBS) và mỗi phương pháp đều có các ưu nhược điểm khác nhau. Tuy nhiên trong khuân khổ luận văn này chúng ta sẽ tập trung tìm hiểu chính về QoS của mạng IP trên WDM sử dụng công nghệ chuyển mạch chùm quang . Hiện nay, các mô hình QoS đều d ựa trên chuyển mạch gói và qui định việc sử dụng bộ đệm để phân tách các lớp lưu lượng khác nhau được gọi là mô hình dựa trên bộ đệm (buffer-based). Thuật toán lập lịch trong mô hình này thường có độ phức tạp cao. Ngoài ra nó rất khó có thể áp dụng vào các mạng WDM với nguyên nhân chính là bởi sự truyền dẫn của lưu lượng trong các phương pháp này dựa trên mô hình lưu-và- chuyển tiếp và sử dụng bộ đệm để tránh xung đột. Do b ộ đệm quang chưa phát triển 2 nên bộ đệm điện tử được sử dụng trong các chuyển mạch quang cùng với các bộ chuyển đổi quang-điện. Mặc dù có các đường trễ quang (FDL) được sử dụng để thay thế các bộ chuyển đổi này nhưng thực tế nó chưa đáp ứng được đầy đủ các khả năng theo các yêu cầu chất lượng dịch vụ cơ bản. Mục đích của lu ận văn này là tìm hiểu về các mô hình QoS và các thuật toán có thể áp dụng cho mạng IP trên WDM, đặc biệt là với mạng WDM sử dụng công nghệ chuyển mạch chùm quang OBS. Ngoài ra luận văn cũng đề cập đến phương pháp nâng cao hiệu năng QoS bằng cách chèn thêm các sợi trễ quang FDL. Bố cục của luận văn bao gồm 5 chương, chia thành hai phần chính. Phần thứ nhất bao gồm ba chương đầu nói về các kiến thức tổng quan về h ệ thống mạng quang sử dụng công nghệ WDM. Chương 1 nói về mạng WDM và các thành phần cơ bản. Chương 2 đề cập đến các kỹ thuật chuyển mạch quang, đặc biệt là hệ thống chuyển mạch chùm quang và các giao thức hỗ trợ QoS. Chương 3 đề cập đến vấn đề tích hợp IP trên hệ thống mạng WDM và giao thức chuyển mạch nhãn đa giao thức sử dụng trong mạng này. Phần th ứ hai bao gồm hai chương cuối. Chương 4 nói về các vấn đề về QoS trong mạng IP/WDM và các giải thuật lập lịch kênh trong chuyển mạch chùm quang OBS. Chương cuối cùng sẽ xây dựng một mô phỏng hệ thống mạng WDM và đánh giá các kết quả thu được trên hệ thống mô phỏng này. Hà Nội, tháng 11 năm 2008 Học viên ĐỖ SINH TRƯỜNG 3 THUT NG VIT TT ABR Aggressive Burst Rescheduling: Tỏi lp lch chựm quang linh hot ADM Add/Drop Multiplexer: Bộ ghép kênh xen/rẽ APD Avalanche Photo Diode: Điốt quang thác APD APS Automatic Protection Switching: Chuyển mạch bảo vệ tự động ATM Ansynchronous Transfer Mode: Kiểu chuyền dẫn không đồng bộ AWG Array Wave Grating: Cách tử AWG BER Bit Error Ratio: Tỉ lệ lỗi bit BPH Burst Header Packet: Gúi mo u chựm quang CB Control Burst: Chựm quang iu khin DB Data Burst: Chựm quang d liu DCG Dispersion Compensating Grating: Cách tử bù tán sắc DSF Dispersion-shifted Singlemode DWDM Density Wavelengh Division Multiplexer: Ghép kênh theo bớc sóng mật độ cao DXC Digital Cross-connect: Bộ đấu nối chéo EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier: Bộ khuếch đại quang sợi FDL Fiber Delay Line: ng tr quang FFUC First Fit Unscheduled Channel: Kờnh cha lp lch phự hp u tiờn FXC Fiber Cross-Connect: u chộo si quang IP Internet Protocol: Giao thức Internet ISDN Intergrated Service Digital Network: Mang số đa dịch vụ JET Just Enough Time JIT Just In Time LAUC Latest Available Unscheduled Channel: Kờnh cha lp lch kh dng cui cựng LER Label Edge IP Router: b nh tuyn biờn IP nhón 4 LIB Label Information Base: Cơ sở thông tin nhãn LSP Label-Switched Path: Đường chuyển mạch nhãn LSR Label Switched IP Router: bộ định tuyến IP chuyển mạch nhãn MPLS Multi-Protocol Label Switching: Chuyển mạch nhãn đa giao thức OADM Optical Add/Drop Multiplexer: Bé xen/rÏ b−íc sãng quang OBS Optical Burst Switching: Chuyển mạch chùm quang OC Optical Channel: Kªnh quang ODBR On-Demand burst rescheduling: Tái lập lịch chùm quang theo yêu cầu ODM Optical Demultiplexer: Bé t¸ch b−íc sãng quang OPS Optical Packet Switching: Chuyển mạch gói quang OSN Optical Swiching Node: Nút chuyển mạch quang OXC Optical Cross-connect: Bé ®Êu nèi chÐo quang SCU Switching Control Unit: Đơn vị điều khiển chuyển mạch SDH Synchronous Digital Hierarchy: Ph©n cÊp sè ®ång bé SMF Single Mode Fiber: Sợi quang đơn mốt SNR Signal to Noise Ratio: TØ sè tÝn hiÖu trªn t¹p ©m SOA Semiconductor Optical Amplifier: Khuếch đại quang bán dẫn SONET Synchronous Optical NETwork: M¹ng quang ®ång bé TAW Tell And Wait: Báo và chờ TDM Time Division Multiplexing: GhÐp kªnh theo thêi gian WDM Wavelengh Division Multiplexer: GhÐp kªnh ph©n chia theo b−íc sang WIXC Wavelength Interchanging Cross Connect: Chuyển mạch trao đổi bước sóng WSXC Wavelength Selective Cross Connect: Chuyển mạch lựa chọn bước sóng 5 DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU Hình 1.1. Vùng bước sóng [11] Hình 1.2 Sơ đồ chức năng hệ thống WDM [1] Hình 1.3 Hệ thống ghép kênh theo bước sóng song hướng và đơn hướng [1] Hình 1.4 Bộ xen/rẽ kênh quang (OADM) [10] Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống OXC 3×3 với hai bước sóng trên mỗi sợi quang [32] Hình 1.6 Một số dạng OXC [32] Hình 2.1 Chuyển mạch gói quang[23] Hình 2.2 Mô hình chuyển mạch chùm quang (OBS)[23] Hình 2.3 OPS và OBS [12] Hình 2.4 Giao thức JET [27] Hình 3.1 Mô hình mạng quang [36] Hình 3.2 Mối quan hệ giữa các bộ định tuyến IP và OXC trong mặt phẳng điều khiển[36] Hình 3.3 Mô hình dịch vụ [36] Hình 3.4 Các mô hình vận chuyển IP trên WDM [36] Hình 3.5: Tương tác giữa lớp quang và các lớp trên [36] Hình 3.6 Tương tác giữa mạng MPLS và MPLambdaS[36] Hình 3.7 Mô hình mạng IP/MPLS/MPLambdaS định tuyến theo bước sóng[23] Hình 3.8 Truyền dẫn trục chính IP/ OBS WDM dùng MPLS[35] Hình 3.9 Mô hình chức năng tại OXC hỗ trợ OBS và MPLS[35] Hình 3.10 Giao diện MAC giữa IP và các lớp OBS WDM[35] Hình 4.1 Thời gian trễ cho dịch vụ được bảo đảm [2] Hình 4.2 Kiến trúc nút lõi (core node) trong mạng OBS [24] Hình 4.3 Mối quan h ệ giữa thời gian đến của BHP i và DB i [24] Hình 4.4 Minh họa của thuật toán LAUC [2] Hình 4.5 Mô tả thuật toán LAUC-VF [2] 6 Hình 4.6 Ví dụ về phương pháp tái lập lịch [21] Hình 4.7 Ví dụ về tái lập lịch đa mức [21] Hình 4.8 Ví dụ về lập lịch đa mức [21] Hình 4.9 Không lập lịch theo phương pháp LAUC, LACU-VF và ODBR [21] Hình 4.10 Ví dụ về thuật toán ABR [21] Hình 4.11 Cấu trúc nút chuyển mạch quang [25] Hình 4.12 Cấu trúc bộ đệm FDL[25] Hình 4.13 Phân tách lớp trong đặt trước tài nguyên[25] Hình 4.14 Sự khác biệt giữa FDL và hàng đợi [25] Hình 5.1 Kiến trúc OWns và các tầng Hình 5.2 Các thành phần của OWns Hình 5.3 Ví d ụ mô phỏng mạng với 25 nút Hình 5.4 Mối quan hệ giữa xác suất bị chặn và hệ số chuyển đổi bước sóng Hình 5.5 Mối quan hệ giữa hệ số chuyển đổi bước sóng và trễ trung bình gói tin Hình 5.6 Mối quan hệ giữa số hop trung bình và hệ số chuyển đổi bước sóng Hình 5.7 Mối quan hệ giữa độ hiệu dụng của liên kết với hê số chuyển đổi bước sóng Hình 5.8 Mối quan h ệ giữa xác suất bị chặn và tải lưu lượng Hình 5.9 Mối quan hệ giữa tải lưu lượng và trễ trung bình gói tin Hình 5.10 Mối quan hệ giữa lưu lượng tải và số hop trung bình Hình 5.11 Mối tương quan giữa tải lưu lượng và độ hiệu dụng liên kết Bảng 5.1 Xác suất bị chặn Bảng 5.2 Trễ trung bình gói tin Bảng 5.3 Số hop trung bình Bảng 5.4 Mối quan hệ giữa độ hiệu dụng của liên kết với hê số chuyển đổi bước sóng Bảng 5.5 Xác suất bị chặn và tải lưu lượng Bảng 5.6 Trễ trung bình gói tin và tải lưu lượng biến đổi Bảng 5.8 Mối tương quan giữa tải lưu lượng và độ hiệu dụng liên kết 7 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG QUANG GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG (WDM) 1.1. SỰ PHÁT TRIỂN CỦA TRUYỀN DẪN SỢI QUANG Truyền dẫn sợi quang bắt đầu được áp dụng từ thế kỷ 19 và cơ bản đã đáp ứng được nhu cầu truyền dẫn các dịch vụ hiện tại. Các hệ thống truyền dẫn sợi quang với các ưu điểm về dung lượng truyền tải, băng thông, cự ly truyền dẫn lớn, tỷ lệ l ỗi thấp, tránh được giao thoa điện trường, khả năng bảo mật đã ngày càng được nghiên cứu phát triển và ứng dụng rộng rãi. Trong truyền dẫn quang, người ta có xu hướng sử dụng những vùng phổ quang nhất định, ở đó suy hao quang được tính toán là thấp nhất. Những vùng này, thường được gọi là cửa sổ, nằm giữa các khu vực có độ hấp thụ ánh sáng cao. Ban đầu, hệ thống thông tin quang hoạt động ở cửa sổ thứ nhất, khu vực bước sóng xấp xỉ 850nm trước khi người ta nhận ra rằng ở cửa số thứ 2 (băng S), khu vực bước sóng 1310nm, có hệ số suy hao thấp hơn và thấp hơn nữa ở khu vực cửa sổ thứ 3 bước sóng 1550nm (băng C). Ngày nay, cửa sổ thứ tư (băng L) bước sóng 1625nm vẫn đang được nghiên cứu để ứng dụng. Bố n cửa sổ đã trình bày được minh hoạ như trên hình 1.1. Hình 1.1. Vùng bước sóng [11] 8 Công nghệ WDM được áp dụng đầu tiên vào đầu những năm 80’s sử dụng 2 bước sóng cách nhau khá xa trong vùng 1310nm và 1550nm (hoặc 850nm hoặc 1310nm) và được gọi là WDM băng rộng. Vào đầu những năm 90’s, bắt đầu xuất hiện công nghệ WDM thế hệ thứ 2, còn gọi là WDM băng hẹp, sử dụng từ 2 đến 8 kênh. Các kênh này thuộc cửa sổ 1550nm và cách nhau khoảng 400GHz. Đến giữa những năm 90’s, các hệ thống WDM mật độ cao (DWDM) được phát triể n với 16 đến 40 kênh và khoảng cách mỗi kênh từ 100 đến 200 GHz. Cho đến cuối thập kỷ 90, các hệ thống DWDM đã sử dụng tới 64 đến 160 kênh với khoảng cách mỗi kênh là 50 thậm chí 25 GHz. [11] 1.2 NGUYÊN LÝ GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG 1.2.1 Định nghĩa Ghép kênh theo bước sóng (WDM) là công nghệ truyền dẫn đồng thời nhiều bước sóng tín hiệu quang trong một sợi quang. Ở đầu phát, các tín hiệu quang có bước sóng khác nhau được tổ hợp lại (ghép kênh) để truyền đi trên m ột sợi quang. Ở đầu thu, tín hiệu tổ hợp đó được phân giải (tách kênh) khôi phục lại thành các tín hiệu gốc và đưa đến các thiết bị đầu cuối khác nhau đến đích mong muốn. Hình 1.2 Sơ đồ chức năng hệ thống WDM [1] Như minh họa trong hình 1.2, hệ thống WDM bao gồm các các chức năng thành phần như sau: 9 - Phát tín hiệu: Hệ thống WDM sử dụng nguồn tín hiệu Laser. Yêu cầu đối với nguồn phát laser là phải có độ rộng phổ hẹp, bước sóng phát ra ổn định, mức công suất phát đỉnh, độ rộng phổ, bước sóng trung tâm phải nằm trong giới hạn cho phép. - Ghép/Tách tín hiệu: Ghép tín hiệu là sự kết hợp một số bước sóng ánh sang khác nhau thành một tín hiệu tổng hợp để truyền dẫn qua sợ i quang. Tách tín hiệu là phân tách luồng tín hiệu tổng hợp đó thành các bước sóng tín hiệu riêng rẽ tại mỗi cổng đầu ra của bộ tách. Khi nói đến các bộ tách/ghép tín hiệu, ta phải xét đến các tham số như khoảng cách giữa các kênh, độ rộng băng tần của các kênh bước sóng, bước sóng trung tâm của kênh, mức xuyên âm của các kênh, suy hao… - Truyền dẫn tín hiệu: Quá trình truyền dẫn tín hiệu trong sợi quang chịu sự ảnh hưởng củ a nhiều yếu tố: suy hao quang, tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến, các vấn đề về khuếch đại tín hiệu… - Khuếch đại tín hiệu: Được sử dụng trong các hệ thống truyền dẫn có khoảng cách xa nhằm đảm bảo chất lượng tín hiệu ở nơi nhận. Có ba chế độ khuếch đại tín hiệu: khuếch đại công suất, khuếch đại đường và tiền khuếch đại. - Thu tín hiệu: Thu tín hiệu trong các hệ thống WDM cũng sử dụng các bộ tách sóng quang như các hệ thống thông tin quang thông thường: PIN, APD. 1.2.2 Phân loại hệ thống WDM Hệ thống WDM về cơ bản chia làm 2 loại: hệ thống đơn hướng và song hướng như minh hoạ trên hình 1.3. Hệ thống đơn hướng chỉ truyền theo một chiều trên sợi quang. Do vậy, để truyền thông tin giữa 2 điểm cần 2 sợi quang. Hệ thống WDM song hướng, ngược lại, truyền hai chiều trên một sợi quang nên chỉ cần một sợi quang để có thể trao đổi thông tin giữa 2 điểm. [...]... tích hợp IP trên mạng WDM và các kỹ thuật liên quan 35 Chương 3 TRUYỀN DẪN IP TRÊN MẠNG WDM 3.1 SỰ TÍCH HỢP IP VÀ MẠNG QUANG Ngày nay lưu lượng IP đã trở thành lưu lượng lấn át trên hầu hết các mạng viễn thơng Sự phát triển và sử dụng rộng rãi của các mạng TCP /IP ủy thác các mạng IP khơng chỉ đáp ứng được sự phát triển mong muốn theo số lượng mà nó còn thỏa mãn các khía cạnh khác của các mạng viễn... này được giới thiệu trong [16][29] 2 3 TỔNG KẾT CHƯƠNG Trong chương này chúng ta đã giới thiệu về các kỹ thuật định tuyến và gán bước sóng cơ bản trong mạng WDM Sau đó chúng ta đi tìm hiểu về các cơng nghệ chuyển mạch quang, đặc biệt là về cơng nghệ chuyển mạch chùm quang OBS Đây là vấn đề sẽ liên quan đến phần nội dung chính của luận văn, tìm hiểu về chất lượng dịch vụ trong mạng IP/ WDM sử dụng chuyển... hoạt cao nhất trong việc khơi phục và dự 20 phòng dịch vụ 1.4.2 Vấn đề thiết kế kỹ thuật trong mạng WDM Thiết kế kỹ thuật của hệ thống WDM là rất phức tạp, nó là sự cân bằng của nhiều các yếu tố tác động Nhiều hiệu ứng trong hệ thống WDM đã được biết đến trong các hệ thống đơn kênh Tuy nhiên còn có một số hiệu ứng khác trong truyền dẫn WDM, bao gồm: - Sự phân tách kênh và băng tần tín hiệu: Để giảm thiểu... quang trong mỗi nút của mạng đều được trang 25 bị bộ chuyển đổi này thì mạng này được gọi là mạng khả chuyển hồn tồn Khi đó mạng quang này tương đương như mạng chuyển mạch kênh truyền thống Như vậy, bộ chuyển mạch có thể nâng cao hiệu năng của mạng 2.2 CÁC KỸ THUẬT CHUYỂN MẠCH QUANG Có ba kỹ thuật chuyển mạch quang chính được nghiên cứu trong các tài liệu về vận chuyển lưu lượng IP trong các mạng WDM. .. phổ trong dải phổ của nó Độ rộng phổ tuỳ thuộc vào số lượng kênh trong hệ thống và dung sai của các phần tử - Độ ổn định bước sóng phát: Trong hệ thống WDM cần giảm thiểu sự thay đổi bước sóng nguồn phát trong suốt thời gian hoạt động để tránh được những ảnh hưởng khơng mong muốn đến chỉ tiêu hệ thống 13 - Khả chỉnh: Laser khả chỉnh có nghĩa rất lớn trong mạng quang tương lai, đặc biệt trong mạng. .. quả và thiết lập lại cấu hình một cách mềm dẻo và linh hoạt: Việc định tuyến và phân bổ bước sóng trong mạng WDM cho phép quản lý hiệu quả băng tần truyền dẫn và thiết lập lại cấu hình dịch vụ mạng trong chu kỳ sống của hệ thống mà khơng cần thi cơng lại cáp hoặc thiết kế lại mạng hiện tại - Giảm chi phí đầu tư mới Bên cạnh những ưu điểm trên WDM cũng bộc lộ một số mặt hạn chế nằm ở ngay bản thân cơng... bao gồm: - Định tuyến bước sóng - Chuyển mạch gói quang - Chuyển mạch chùm quang Do vậy, dựa vào các kỹ thuật chuyển mạch, các mạng IP/ WDM có thể được phân loại như sau: - Mạng định tuyến bước sóng - Mạng chuyển mạch gói quang - Mạng chuyển mạch chùm quang 2.2.1 Định tuyến bước sóng (WR-Wavelength Routing) Trong các mạng định tuyến bước sóng, một tuyến tồn quang được thiết lập giữa các đầu của mạng và... bước sóng WDM, sơ lược về ngun lý ghép kênh cũng như các thành phần cơ bản của mạng WDM áp dụng trên thực tế Trong chương này cũng đề cập đến một số vấn đề thiết kế kỹ thuật trong mạng WDM Chương tiếp theo sẽ trình bày về vấn đề định tuyến và gán bước sóng và một số cơng nghệ chuyển mạch quang 22 Chương 2 CƠNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH QUANG 2.1 BÀI TỐN ĐỊNH TUYẾN VÀ GÁN BƯỚC SĨNG Trong truyền dẫn WDM, mỗi... khác nhau truyền qua Trong một mạng định tuyến theo bước sóng WDM (sử dụng các kết nối chéo quang để xác định các tuyến quang qua mạng) , người sử dụng ở các đầu giao tiếp với nhau thơng qua các kênh WDM gọi là quang tuyến Các quang tuyến hỗ trợ kết nối trong mạng WDM định tuyến theo bước sóng và có thể bao gồm nhiều kết nối quang Để có thể đáp ứng các u cầu của quang tuyến trong mạng WDM định tuyến theo... dẻo và linh hoạt cấu hình mạng (topo mạng) với độduy trì mạng cao Ngày nay các thiết bị này chủ yếu xuất hiện trong mơi trường mạng đường trục Tuy nhiên những thiết bị loại này đang được trơng đợi nhiều ở tất cả các cấp mạng bao gồm cả ở mạng nội hạt Rào cản hiện tại của những thiết bị này trong mạng thực tế đó là giá thành Chức năng chính của OXC sẽ là khả năng tái cấu hình mạng một cách linh hoạt ở . TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH: XỬ LÝ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG IP TRÊN WDM ĐỖ SINH TRƯỜNG . cao trên một sợi cáp quang. Một trong những vấn đề nảy sinh khi thực hiện kỹ thuật này đó là làm thế nào để hỗ trợ chất lượng dịch vụ (QoS) trong mạng IP trên WDM. Lý do là bởi vì hiện tại IP. theo các yêu cầu chất lượng dịch vụ cơ bản. Mục đích của lu ận văn này là tìm hiểu về các mô hình QoS và các thuật toán có thể áp dụng cho mạng IP trên WDM, đặc biệt là với mạng WDM sử dụng công