DUY TRÌ TRONG MẠNG QUANG WDM CHƯƠNG 3_1 doc

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP BỘ MÔN THÔNG TIN QUANG ĐỀ TÀI: DUY TRÌ TRONG MẠNG QUANG WDM CHƯƠNG III. MẠNG MAN ĐƠN CHẶNG LỰA CHỌN BƯỚC SÓNG DỰA TRÊN AWG 3.1. Các yêu cầu mạng Mạng phải đạt được một số yêu cầu về cấu trúc và/ hay mức giao thức.Sau đây chúng ta liệt kê các yêu cầu quan trọng phải đạt được khi thiết kế cấu trúc và giao thức mạng. Đặc biệt chú ý tới các mạng metro. * Độ tin cậy: mạng phải có khả năng cung cấp chức năng end – to – end , đảm bảo mạng phục vụ người dùng trong một khoảng thời gian đã định. * Sự tồn tại: mạng phải có đủ khả năng duy trì mức hoạt động chấp nhận được trong suốt quá trình xảy ra lỗi mạng ( lỗi node và/hay kết nối) bằng cách áp dụng một số kỹ thuật bảo vệ và/hay khôi phục, để ngăn chặn hay tránh dịch vụ ngừng chạy do lỗi mạng. * Khả năng thay đổi: Phải có thể thêm vào hay bớt các node mạng đi một cách dễ dàng mà không làm ngắt hay có biểu hiện hoạt động của mạng bị xuống cấp. * Sự kết nối: sự kết nối mạng làm cho mỗi node có khả năng truyền thông với tất cả các node mạng khác. Lưu lượng không truyền trên một số lớn các node trung gian để đảm bảo các yêu cầu về tài nguyên và độ trễ truyền thông ít hơn. * Khả năng phù hợp tương lai: mạng phải có khả năng hỗ trợ các giao thức tương lai với các tốc độ bit khác nhau mà không phải thay thế các thành phần mạng. * Chất lượng dịch vụ: Chất lượng của dịch vụ (QoS) là khả năng mạng cung cấp một số mức đảm bảo các yêu cầu về dịch vụ cho các loại lưu lượng khác nhau, ví dụ nhạy cảm về độ trễ, thời gian thực, và các ứng dụng tương tác lẫn nhau. QoS là một đơn vị đo các đặc tính (thông lượng. độ trễ, jitter, suy hao…) của tế bào hoặc gói. * Tính công bằng: tính công bằng là khả năng mạng phân phối tài nguyên công bằng và đầy đủ cho tất cả các node cần gửi số liệu. Trong các mạng với sự điều khiển công bằng của các kênh truy nhập mỗi node sẵng sàng gửi số liệu đều cơ hội truyền đi như nhau. * Tính bảo mật: bảo mật là khả năng bảo vệ mạng và dịch vụ của nó khỏi bị thay đổi, phá hủy hay tiết lộ trái phép. Nó đảm bảo rằng mạng vẫn thực hiện đúng các chức năng cốt yếu và không có phản ứng phụ. * Vận hành khai thác và bảo dưỡng (OAM) đơn giản: các khía cạnh quản lý họat động và bảo trì (OAM) của mạng nên càng đơn giản càng tốt để giảm chi phí mạng và tổng chi phí. * Hỗ trợ multicast: mạng phải có khả năng cung cấp điểm đa điểm để hỗ trợ các ứng dụng multicast như hội nghị video và các trò chơi đảm bảo tính kinh tế và hiệu quả băng thông. Thêm vào đó, đặc biệt là mạng đô thị phải biểu lộ những đặc tính sau: * Tính linh hoạt: các mạng metro thu thập nhiều loại tín hiệu của client khác nhau và kết nối chúng lại tới mạng đường trục. vì vậy các mạng metro phải có khả năng hỗ trợ một dải rộng các giao thức hỗn hợp như ATM, Frame Relay, SONET/SDH, IP, ESCON, IIIPPI, và Fibre Channel. Điều này đòi hỏi mạng phải có khả năng truyền các gói có kích thước khác nhau. * Hiệu quả về chi phí: do số ít các khách hàng chia sẻ chi phí nên các mạng metro nhạy cảm về chi phí hơn các mạng đường trục. Vì thế, khi triển khai các thành phần mạng, cấu trúc và node mạng phải mang tính kinh tế và đơn giản. Các giao thức không thực hiện hoạt động phức tạp * Tính hiệu quả: để đạt được các giới hạn về chi phí, các tài nguyên trong mạng metro (bước sóng, máy thu phát) phải được sử dụng 1 cách hiệu quả. * Khả năng nâng cấp: các nhà cung cấp thiết bị ngày càng tăng việc sử dụng các proxy caches trong mạng metro để giảm thời gian đàm thoại. Để đối phó với việc lưu lượng gia tăng cục bộ , mạng metro phải có khả năng dễ dàng nâng cấp. Các kỹ thuật tiên tiến như: máy thu phát có thể điều chỉnh với miền điều chỉnh rộng hơn và thời gian điều chỉnh ngắn hơn, phải được sử dụng mà không làm ngắt dịch vụ mạng hay phải cài đặt lại. 3.2. Kiến trúc mạng 3.2.1. Các nguyên lý cơ bản 3.2.1.1. Lát phổ quang học Giả thiết không bị suy hao, chúng ta xem xét một AWG 2x2 để giải thích. Lát phổ của tín hiệu băng rộng. Hình 3.1. biểu diễn một trường hợp trong đó 6 bước sóng bước sóng bằng nhau được đưa và được đưa vào cổng vào trên của AWG. Các bước sóng có nguồn gốc từ 6 diốt laze khác nhau được đưa vào cổng vào AWG sau khi qua một bộ kết hợp 6x1. Tín hiệu băng rộng có phổ từ 10-100nm bao phủ một hay nhiều FSR của AWG. Trong hình minh hoạ của ví dụ, phổ băng rộng được coi là trải rộng trên tất cả 6 bước sóng. Hình 5.1. cho thấy, theo chu kỳ thì AWG định tuyến mọi bước sóng chẵn tới cùng cổng đầu ra AWG. AWG cắt lát phổ băng rộng theo cách mà mỗi FSR, một lát được định tuyến tới một trong hai cổng đầu ra AWG. Sau đó, bằng cách sử dụng một nguồn quang băng rộng, điều khiển để có thể được phát quảng bá tới tất cả các cổng ra của AWG và đến các bộ thu vì thế sẽ có phổ dạng lát. Nói chung, dùng R.FSRs của AWG cơ bản, sẽ có R lát cắt tại mỗi cổng ra AWG, trong đó R1. Tất cả các lát này đều mang cùng thông tin điều khiển. Do đó, bên nhận gắn với cổng ra AWG được tự do chọn 1 trong R lát để nhận thông tin điều khiển. Như trong hình 3.1, mô tả các bước sóng và chồng lấn phổ của các tín hiệu băng rộng. Điều này cho phép báo hiệu trong băng, tức là một bộ thu là đủ để thu cả bước sóng và các lát cắt tương ứng của tín hiệu băng rộng ban đầu. Không cần thêm một bộ thu để giảm chi phí cho mạng. Tuy nhiên, cả hai tín hiệu phải được phân biệt ở bộ thu. 2x2 AWG  T ín hi ệ u b ă ng r ộ ng   FSR FSR FSR 1 2 5 1 3 4 6 Hình 3.1. Lát phổ vủa 1 tín hiệu băng rộng Có thể thấy trong hình 3.2. rằng tất cả các bước sóng và tín hiệu băng rộng có thể cùng vào cả hai cổng vào AWG đồng thời mà không dẫn tới xung đột kênh tại cổng ra AWG. Vì thế, các node tham gia vào các cổng vào AWG khác nhau có thể sử dụng đồng thời cùng một tập các bước sóng. Kết quả của việc tái sử dụng các Hình 3.2. Tái s ử d ụ ng các b ư ớ c sóng và tín hi ệ u b ă ng r ộ ng 2x2 AWG  TÝn hiÖu b¨ng réng   FSR FSR FSR 1 2 5 1 3 4 6  bước sóng trong không gian làm tăng mức độ đồng bộ và cải thiện hiệu quả của mạng. Tuy nhiên cần chú ý rằng có thể xảy ra xung đột trong bộ thu. Một máy thu nào đó có thể cùng 1 lúc nhận cả hai tín hiệu dữ liệu và điều khiển, nhưng cả hai phải cùng bắt nguồn từ một cổng vào AWG. Nếu như hạn chế theo 1 lát ở phía thu cho các bước sóng mà xuất phát từ cùng cổng vào AWG thì có thể mất hoàn toàn tất cả bước sóng và lát còn lại. 3.2.1.2. Trải phổ điện Sự lan rộng phổ điện tử M¹ng dùa trªn AWG LD Nguån quang b¨ng réng Bé tr¶i phæ PD Bé d¶i tr¶i phæ §iÒu khiÓn D÷ liÖu D÷ liÖu §iÒu khiÓn D÷ liÖu §iÒu khiÓn f C«ng suÊt §iÖn Quang §iÖn Sơ đồ khối trong hình 3.3 mô tả sự truyền và nhận đồng thời một bước sóng cho trước và lát tương ứng trong cùng khoảng băng thông. Để truyền dữ liệu, chúng ta sử dụng một đi-ốt laze (LD). Điều khiển phát quảng bá bằng việc sử dụng một nguồn quang băng rộng. Như mô tả trên hình vẽ, dữ liệu điều biến bởi LD, trong khi tín hiệu điều khiển được trải ra trước khi điều biến với nguồn quang băng rộng. Tín hiêuh điều khiển được trải rộng trong một vùng điển tử bằng phương pháp kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS). Cả dữ liệu và tín hiệu điều khiển được kết hợp và sau đó được định tuyến qua mạng dựa vào AWGtiết hơn. Ở đầu ra của mạng dựa vào AWG, một đi-ốt quang (PD) được chỉnh tới cùng bước sóng như LD. PD tách bước sóng và lát tương ứng của tín hiệu băng rộng gốc và chuyển đổi tín hiệu quang kết hợp sang miền điện. Kết quả có được phổ điện từ như hình vẽ. Tốc độ điều biến và công suất đưa vào của tín hiệu băng rộng phai phù hợp sao cho tín hiệu điều khiển có (i) một bước sóng nhỏ hơn và (ii) công suất nhỏ hơn công suất tín hiệu dữ liệu. Tín hiệu điều khiển đã trải phổ coi như một tín hiệu nhiễu băng hẹp trong miền thời gian, trong miền mà mức công suất nhỏ thấp hơn mức công suất của dữ liệu. Vì mức công suất nhỏ hơn và băng thông hẹp của tín hiệu điều khiển (trải phổ),tín hiệu dữ liệu không bị truyền sai và có thể được thu mà không yêu cầu bất kì quá trình xử lí nào (trừ khi từ một số bộ phận lọc thông cao đơn giản). Để lấy được thông tin điều khiển, một phần dữ liệu kết hợp và tín hiệu điều khiển (trải phổ) được lọc thông thấp và sau đó giải trải phổ chuỗi trực tiếp. Việc trải phổ trực tiếp được thực hiện bằng cách ghép các tín hiệu được lọc với chuỗi trải phổ tương ứng, sau đó là sự kết hợp và lấy mẫu. Theo cách này, công suất của tín hiệu điều khiển được nâng lên cao hơn công suất của tín hiệu dữ liệu, vì vậy cho phép tách thông tin điều khiển. Sự trải phổ của thông tin điều khiển có 2 ưu điểm.Thứ nhất, tín hiệu trải phổ xuất hiện như nhiễu và chỉ có các node có chuỗi trải phổ đúng mới có thể gửi và nhận thông tin điều khiển. Điều này tránh được tin tặc tham gia vào lưu lượng điều khiển, dẫn đến an ninh mạng được cải thiện. Thứ hai, bằng việc dùng nhiều hơn một chuỗi trải phổ, tức là truy nhập phân chia theo mã (CDMA), các node mới có thể dễ dàng nhập vào mạng. Điều này làm cho mạng có thể thay đổi bằng cách sử dụng thêm các chuỗi trải phổ phụ thêm khi số node tăng lên. Hơn nữa, bằng việc kết hợp CDMA và WDMA, mức độ trùng hợp nên hiệu quả mạng tăng lên. 3.2.2 Kiến trúc mạng và node mạng Cấu trúc mạng đề xuất có dạng biểu đồ như trong hình 3.4. Có N node mỗi node gắn với mạng dựa vào AWG qua hai sợi cáp quang, trong đó N  2. Mỗi node dùng một sợi để truyền và sợi kia để thu. M ạ ng dự a trên AWG Node 1 Node 2 Node 3 Node N Hình 3.4. Kiến trúc mạng Sx1 1xS Node S Node 1 Node S R x T x Node 1 1 1 Bé chia Bộ kết h ợ p Hình 3.5. mô tả mạng và cấu trúc node chi tiết hơn. Mạng dựa vào một AWG D  D, trong đó D  2. Ở mỗi cổng vào AWG có gắn một bộ kết hợp Sx 1 không nhạy với bước sóng, trong đó S  1. Tại mỗi cổng ra AWG, các tín hiệu được phân phối bởi một bộ tách Sx1 không nhạy với bước sóng. Ngoài yêu cầu về bộ khuếch đại quang, mạng không bao gồm thiết bị họat động nào (ví dụ công tác và bộ chuyển bước sóng) vì vậy nó hoàn toàn thụ động. Như vậy, ta có mạng tin cậy và các họat động vận hành quản lý và bảo dưỡng mạng (OAM) được đơn giản hóa rõ rệt vì tất cả các thành phần tích cực (node) được đặt ở ngoại vi mạng. Thêm vào đó, việc hỗ trợ truyền trong suốt với các bước sóng tạo ra mạng quang linh hoạt và phù [...]... trải phổ của tín hiệu đầu vào trong miền điện 3.2.3 So sánh kiến trúc mạng Trong chương phần trước đã chỉ ra các mạng WDM nội thị thường có cấu hình vòng hoặc sao Các mạng hình sao có rất nhiều lợi ích Cấu hình sao dễ lắp đặt, cấu hình, quản lí, và hiệu chỉnh Với ưu điểm ở khả năng lắp đặt, hiệu chỉnh, cấu hình lại, nên giảm chi phí cài đặ hơn mạng ring Hơn thế, một mạng hình sao dựa trên một PSC... hưởng của suy hao rẽ Suy hao mạng hình sao tăng tuyến tính với số lượng node (theo dB) Chú ý rằng các mạng hình sao khi hub trung tâm bị lỗi thì toàn bộ kết nối trong mạng đều bị mất Do đó nên hub trung tâm phải được bảo vệ Các mạng WDM nội thị hình sao thường dựa trên một PSC hoặc một AWG Trong phần này sẽ có sự so sánh về các mạng AWG hình sao đơn chặng và đa chặng và các mạng đơn chặng sử dụng AWG... nhìn thấy ưu điểm của mạng đơn chặng sử dụng AWG Các mạng AWG hoặc PSC được xem xét sẽ có N≥2, và giả thiết rằng các gói tin các kích thước cố định và lưu lượng là đơn hướng không đồng nhất Kết quả so sánh cho thấy tại sao mạng WDM đơn chặng dựa trên AWG lại được đề xuất sử dụng trong mạng nội thị 3.2.3.1 Các mạng dựa trên AWG đơn chặng và đa chặng Chúng ta sẽ xem xét hai loại mạng này dựa trên khoảng... điều chỉnh, mỗi node dùng một nguồn quang băng rộng cho phát quảng bá gói điều khiển Như thấy trên hình 3.5, thông tin điều khiển được trải phôr trong miền điện trước khi được điều biến nguồn quang băng rộng Chúng ta đã thấy ở phần 3.2.1 việc trải phổ cải thiện an ninh mạng Tín hiệu quang băng rộng đã được điều biến được cắt lát phổ bởi AWG sao cho một lát tín hiệu quang băng rộng được phát quảng bá... thu phát đối với tất cả các node trong một mạng đơn chặng Do vậy, mạng đơn chặng có thể được thiết lập bằng cách trang bị cho mỗi node hoặc là N-1 các bộ thu và bộ phát cố định hoạt động ở các bước sóng khác nhau (1) hoặc là một bộ phát và bộ thu chuyển đổi được trên dải N1 bước sóng (2) Lựa chọn (1) có thể được coi là trường hợp đặc biệt của mạng đa chặng Mạng đơn chặng trong đó node dùng một hoặc nhiều... cứ node nào trong (N-1) node đích còn lại với xác suất là 1/(N-1) Tính liên tục bước sóng: Các gói tin phải xuất phát và đến từ 1 node trung gian chuyển tiếp cho trước ở cùng bước sóng Nghĩa là các node không thể thực hiện chuyển đổi bước sóng Rõ ràng là trong mạng đơn chặng mỗi node nguồn sẽ tiếp cận một node đích bất kỳ chỉ với đơn chặng duy nhất do đó khoảng cách chặng trung bình của mạng đơn chặng... 2( N  1) 4 ( N 1) / 2 hM (4.3) Trong đó một node nguồn cho trước tiếp cận hai node đích khác nhau đối với mỗi giá trị tăng của chặng với rM≥3 thì sự lựa chọn bước sóng để bổ sung không phải là duy nhất Điều này luôn luôn xuất hiện khi thiết kế một mạng WDM đa chặng logic Đôi khi nó còn được gọi là bài toán xếp đặt node hoặc bài toán gán bước sóng Như được chỉ ra trong trường hợp này không phải luôn... tính toán khoảng cách chặng trung bình trong mạng đa chặng thì phức tạp hơn thế Để dễ hiểu chúng ta bắt đầu từ trường hợp đơn giản rM=1 trong đó chúng ta lựa chọn một bước sóng sao cho đạt được một vòng ring đơn hướng kết nối tất cả N node lại với nhau Khoảng cách chặng trung bình sẽ được cho bởi: hM  1 N 1 N ( N  1) N  i  2( N  1)  2 N  1 i 1 (4.2) Trong đó khoảng cách giữa một node nguồn... đa (đường kính) của mạng là nhỏ nhất Sử dụng hai chú ý này chúng ta sẽ được phương trình 4.4 ở trên Vì một ndoe nguồn cho trước gửi trên tối đa rM bước sóng nên rM node đích khác nhau có thể được tiếp cận chỉ với 1 chặng Mỗi lần chính xác rM node đích khác nhau được tiếp cận thì giá trị đếm chặng sẽ là [(N-1)/rM] Nó tương ứng với vế đầu của phương trình 4.4 Phần thứ hai của phương trình này xuất hiện... một khoảng trống kênh cho trước thì số lượng node N có ảnh hưởng lớn tới trễ chuyển đổi A E A l2 B D C A B E E l3 B D C AWG A E l4 D B D C C A E l5 B D C Hình 3.6 Các ring ảo trong một chặng đơn hop dựa trên AWG A B AWG l2 Trong mạng đa chặng các bộ thu phát chuyển đổi được không được sử dụng Thay vào đó mỗi node dùng rM≥1 các bộ thu phát cố định với các bước sóng khác nhau Tuy nhiên nói chung, nếu 1≤rM≤(N-1) . TỐT NGHIỆP BỘ MÔN THÔNG TIN QUANG ĐỀ TÀI: DUY TRÌ TRONG MẠNG QUANG WDM CHƯƠNG III. MẠNG MAN ĐƠN CHẶNG LỰA CHỌN BƯỚC SÓNG DỰA TRÊN AWG 3. 1. Các yêu cầu mạng Mạng phải đạt được một số.                      M r N i MM M r N N rN i N r h M 1 1 mod )1( 1 1 1 (4.4)                                                    M M MM M r N rN r N r N r N 1 .mod1 2 1 11 1 1 (4.5). (N -1) /2 chặng cho mỗi hướng. Khoảng cách chặng trung bình lúc này sẽ được biểu diễn bằng: 4 1 )1( 2 2 1 1 2 1 2 1 2 2/ )1( 1                   N N NN i N h N i M (4 .3) Trong