luận văn thạc sĩ thiết kế topo logic mạng quang wdm sử dụng phần mềm matplanwdm

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Nguyễn Xuân Lập THIẾT KẾ TOPO LOGIC MẠNG QUANG WDM SỬ DỤNG PHẦN MỀM MATPLANWDM Chuyên ngành: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Mã số: 60.52.02.08 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI - 2014 Luận văn được hoàn thành tại: HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: Ts Vũ Tuấn Lâm Phản biện 1: Ts. Hoàng Văn Võ Phản biện 2: Ts.Vũ Văn San Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Vào lúc: giờ ngày 15 tháng 02 năm 2014 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông 1 MỞ ĐẦU Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các dịch vụ viễn thông, đồng thời các nhu cầu đòi hỏi cần có một băng thông lớn, tốc độ cao và ổn định để có thể đáp ứng một cách tốt nhất cho những nhu cầu đó. Sợi quang với băng thông lớn, cùng với sự ra đời của công nghệ ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM đã mở ra giải pháp cho các nhà cung cấp mạng. Sự ra đời của các bộ khuếch đại quang, các bộ xen rẽ kênh quang OADM, các bộ chuyển đổi cùng với bộ kết nối chéo quang OXC, đã phần nào đem lại sự mềm dẻo và tính linh hoạt cho các mạng thông tin quang hiện tại. Cấu trúc liên kết của các sợi quang đảm bảo truyền thông trong một mạng cáp quang gọi là “topo mạng”. Việc thiết kế topo mạng tốt sẽ mang lại hiệu quả sử dụng tài nguyên mạng cao hơn. Hiện tại đã có nhiều các tài liệu và báo cáo nghiên cứu về vấn đề Thiết kế topo logic mạng quang với nhiều các giải thuật khác nhau. Nhưng hầu hết các báo cáo đó đều chỉ đề cập, đánh giá được một vấn đề cụ thể của hệ thống topo mạng. Nếu ta muốn đánh giá nhiều thông số và có cái nhìn tổng thể cả topo mạng hay để so sánh giữa các topo mạng khác nhau thì có rất ít tài liệu, báo cáo đã thực hiện được. Trong luận văn này tôi xin trình bày một phương pháp “Thiết kế topo logic mạng quang WDM sử dụng phần mềm MatplanWDM” mà qua đó chúng ta có thể thực hiện được: các báo cáo dạng thông số của mạng, các sơ đồ biểu thị mối quan hệ giữa các thông số, cũng như theo dõi từng bước cấu trúc topo logic của cả quá trình định tuyến trong mạng CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ MẠNG QUANG WDM 1.1 Giới thiệu hệ thống WDM 1.1.1. Nguyên lý cơ bản của công nghệ WDM Trong các hệ thống thông tin quang điểm - điểm thông thường, mỗi sợi quang chỉ có thể truyền tín hiệu từ một nguồn phát tới một bộ tách quang ở đầu thu. Để truyền các tín hiệu từ các nguồn quang khác nhau đòi hỏi phải có các sợi quang khác nhau. Trong thực tế thì nguồn quang có độ rộng phổ tương đối hẹp, vì vậy phương pháp này chỉ sử dụng một phần rất nhỏ băng tần vốn rất rộng của sợi quang. Về mặt lý thuyết có thể làm tăng dung lượng truyền dẫn của hệ thống lên nhiều lần bằng cách truyền đồng thời nhiều tín hiệu 2 quang trên cùng một sợi quang nếu các nguồn phát có phổ cách nhau một đoạn hợp lý và ở đầu thu có các bộ tách bước sóng quang. Đây chính là cơ sở của kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng WDM. Hình 1.1 : Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật ghép bước sóng WDM 1.1.2. Hệ thống WDM * Cấu trúc hệ thống WDM Một hệ thống WDM bao gồm các thành phần chính dưới đây tạo thành: máy phát quang, bộ khuếch đại chuyển tiếp quang, máy thu quang, kênh tín hiệu điều khiển giám sát quang và hệ thống quản lý. * Vị trí của hệ thống WDM trong mạng truyền dẫn: 1.1.3. Đặc điểm chính của hệ thống WDM - Hệ thống WDM tận dụng tài nguyên dải tần rất rộng của sợi quang. - Hệ thống WDM truyền dẫn đồng thời nhiều tín hiệu và sử dụng các bước sóng độc lập với nhau. - Hệ thống WDM với công nghệ có nhiều ứng dụng như: mạng xương sống, mạng quảng bá, mạng cục bộ nhiều đường, nhiều địa chỉ. - Hệ thống WDM ghép kênh những bước sóng truyền dẫn trong sợi đơn mode, khi truyền đường dài dung lượng lớn có thể tiết kiệm số lượng lớn sợi quang. - Sử dụng hệ thống WDM làm giảm bớt yêu cầu xử lý tốc độ cao đối với linh kiện điện tử, đồng thời có thể truyền dẫn dung lượng lớn. - Có thể thực hiện công nghệ IP trên WDM. 3 1.2. Cấu trúc mạng WDM 1.2.1. Cấu trúc mạng WDM điểm nối điểm 1.2.2. Cấu trúc mạng WDM có định tuyến bước sóng quang 1.3. Cấu trúc mạng toàn quang WDM M ạng toàn quang phân thành 3 lớp con: lớp 0, lớp 1, lớp 2. Mỗi lớp con là một vùng toàn quang có khả năng hoạt động. Lớp 0: Biểu diễn mạng nội hạt (LAN) có số lượng rất lớn các mạng truyền tải quang. Lớp 1: Biểu diễn mạng đô thị (MAN) lấy thành phố hay khu vực hành chính làm đơn vị, thường có cự ly vài Km đến vài chục Km. Lớp 2: Biểu diễn mạng diện rộng (WAN) là mạng đường trục trong phạm vi quốc gia, cự ly thường vài trăm đến vài nghìn Km. Hai đặc điểm quan trọng của sợi trong mạng này là suy hao thấp và dải thông rộng. 1.4. Mạng truy nhập toàn quang WDM Về cấu trúc mạng truy nhập quang có thể được chia thành 2 loại: mạng truy nhập thụ động WDM và mạng truy nhập tích cực WDM. 1.4.1. Mạng truy nhập toàn quang thụ động WDM 1.4.2. Mạng truy nhập toàn quang tích cực WDM 1.5. Mạng định tuyến bước sóng 1.6. Cấu trúc phân lớp của mạng quang 1.7. Lớp quang 1.7.1. Định nghĩa 1.7.2. Các đường quang 4 Lớp quang cung cấp các đường quang đến lớp cao hơn [7]. Đường quang là một kênh thông tin quang tạm thời được thiết lập trên mạng. Ngoài ra, nó cũng có nghĩa cung cấp đường truyền điểm tới điểm xuyên qua một mạng quang. Tính linh hoạt của đường quang có thể làm cho lớp quang cung cấp sử dụng đầy đủ dải thông của mạng. 1.7.3. Dịch vụ 1.7.4. Cấu trúc của lớp quang 1.8. Ứng dụng của WDM trong mạng viễn thông Kết luận chương (*) Ta nhận thấy động lực để thúc đNy mạng WDM phát triển chính là nhờ vào các ưu điểm vượt trội của WDM như: - Tăng dung lượng kênh truyền trên một sợi quang mà không cần tăng tốc độ bít của đường truyền và cũng không dùng thêm sợi cáp quang. - Tính trong suốt: do công nghệ WDM thuộc kiến trúc lớp mạng vật lý nên nó có thể hỗ trợ các định dạng số liệu như: ATM, IP…. - Khả năng mở rộng: những tiến bộ trong công nghệ WDM hứa hẹn tăng băng thông truyền trên sợi quang lên đến hàng Tbs để đáp ứng nhu cầu mở rộng mạng ở nhiều cấp độ khác nhau. - Hiện tại chỉ có công nghệ WDM là cho phép xây dựng mô hình mạng truyền tải quang OTN giúp truyền tải trong suốt nhiều loại hình dịch vụ, quản lý mạng hiệu quả, định tuyến linh động. (*) Qua chương này, luận văn đi sâu nghiên cứu về lý thuyết mạng quang WDM để từ đó làm dõ cơ sở căn cứ khoa học cho bài toán thiết kế topo logic mạng quang WDM tại chương 3. 5 CHƯƠNG 2: TOPO MẠNG QUANG WDM 2.1. Topo mạng 2.1.1. Topo là gì? Topo tức là hình thù mạng, bất kì mạng thông tin nào cũng có 2 loại kết cấu topo: topo vật lý và topo logic (hay topo ảo). 2.1.2. Topo vật lý Topo vật lý của mạng là một tập các nút đầu cuối, nút định tuyến và các liên kết sợi quang kết nối các nút với nhau về mặt vật lý mà trên đó, người ta có thể thiết lập đường quang giữa các nút đầu cuối. Topo vật lý thực hiện trên bộ ghép/ tách quang (OADM) và bộ kết nối chéo quang (OXC). Ngoài phương thức kết nối đơn giản điểm nối điểm, các topo vật lý sử dụng trong mạng quang còn có mấy loại dưới đây : 2.1.2.a Hình tuyến tính 2.1.2.b Hình sao 2.1.2.c Hình vòng 2.1.2.d Hình cây 2.1.2.e Hình lưới 2.1.3. Topo logic Topo logic là sự phân bố dịch vụ giữa các điểm nút của mạng và quan hệ mật thiết với topo vật lý, thường có các loại sau : 2.1.3.a Hình sao 2.1.3.b Topo kiểu cân bằng 2.1.3.c. Topo hình lưới 6 2.1.4. So sánh topo vật lý với topo logic Bảng 2.1: So sánh topo vật lý với topo logic Topo vật lý Topo logic Có liên quan trực tiếp với việc định tuyến khi đặt đường cáp quang, tuy nhiên topo vật lý không thể theo kịp sự phát triển của dịch vụ vì topo vật lý có thể xem là topo “cứng”. Có liên quan đến khái niệm kênh quang với sự phân bố dịch vụ giữa các điểm nút, có thể thay đổi topo logic từ chương trình phần mềm nên có thể xem topo logic là topo “mềm”. Cơ sở của topo vật lý là kết nối vật lý giữa các điểm nút. Cơ sở thiết kế của topo logic là quan hệ kết nối logic giữa các điểm nút. Phản ánh quan hệ kết nối trong lớp vật lý, mức độ phức tạp của topo vật lý phụ thuộc vào số lượng đầu dây của điểm nút mạng. Phản ánh các kết nối trong lớp kênh quang của mạng. Chất lượng truyền dẫn và xử lí, độ phức tạp của kết nối logic phụ thuộc vào số lượng đầu dây của điểm nút mạng, số lượng bước sóng ghép kênh, chức năng và kết cấu của mạng. Mục đích thiết kế topo vật lý là để đáp ứng nhu cầu dịch vụ mạng, do đó yêu cầu thiết kế các kết nối sao cho tối ưu giữa các điểm nút mạng. Mục đích thiết kế topo logic là để nâng cao khả năng vận hành và kinh doanh của mạng, tối ưu hoá chức năng mạng của lớp kênh quang dựa trên topo vật lý. 2.2 Bài toán thiết kế topo logic thông thường Bài toán thiết kế topo logic đã được mô tả ở dạng công thức là một bài toán tối ưu loại MILP 7 a) Các giả định chung: b) Thông số đầu vào c) Thông số đầu ra d) Các điều kiện ràng buộc có thể e) Mục tiêu bài toán thiết kế Bài toán thiết kế mạng tối ưu thường được xây dựng theo một trong các mục tiêu sau: tối thiểu độ nghẽn, tối thiểu độ trễ, tối thiểu số nút trung bình Để giảm độ phức tạp của bài toán người ta chọn lựa phương án thực hiện ý tưởng phân tích bài toán thiết kế lớn, phức tạp thành 3 bài toán con: Thiết kế topo logic đơn thuần, định tuyến cho traffic, định tuyến cho đường quang. Hình 2.5 Bài toán thiết kế topo logic thông thường 2.2.1 Thiết kế topo logic 2.2.2 Định tuyến cho lưu lượng trên topo logic 2.2.3 Định tuyến cho các đường quang trên topo vật lý Kết luận chương Qua chương này, cơ bản ta hiểu được lý thuyết topo mạng và phân biệt rõ các khái niệm về topo logic, topo vật lý. Mô hình topo mạng đã chỉ ra các đường kết nối quang từ nút này đến nút khác và qua các nút mạng trung gian. Một đường quang gồm có một kênh thông 8 tin quang, bước sóng giữa hai nút mạng và được định tuyến qua các nút trung gian. Tại các nút trung gian có thể chuyển mạch và chuyển đổi bước sóng. Bài toán thiết kế topo mạng là một bài toán rất phức tạp, đặc biệt là với các mạng có số nút lớn. Để giảm độ phức tạp của bài toán người ta chọn lựa phương án thực hiện ý tưởng phân tích bài toán thiết kế lớn, phức tạp thành nhiều bài toán con. Lúc đó thay vì giải bài toán lớn người ta lần lượt giải các bài toán con. Lời giải của các bài toán trước là dữ liệu đầu vào cho các bài toán con kế tiếp. Một cách chặt chẽ mà nói thì các bài toán con không hoàn toàn độc lập nhau nên phương pháp tìm lời giải lần lượt qua các bài toán con này có thể chỉ đưa ra kết quả gần đúng. Tuy nhiên phương pháp phân tích này giúp người ta có cái nhìn trực tiếp vào từng vấn đề cụ thể và là cơ sở cho việc áp dụng các thuật toán được lựa chọn khi giải quyết những bài toán phức tạp. Sự kết hợp giữa lý thuyết topo mạng với kiến thức về công nghệ WDM để tạo nên bài toán thiết kế topo mạng quang WDM. [...]... THEO 1 KẾT LUẬN ĐỀ TÀI Luận văn đã mở ra một hướng mới trong việc thiết kế topo mạng quang WDM sử dụng phần mềm MatPlanWDM Đây là một phần mềm giúp thiết kế tuyến ảo và định tuyến mạng WDM, nó chạy trên nền Matlab cho phép người dùng có thể thiết kế mạng quang WDM một cách trực quan và hiệu quả với các báo cáo rất chi tiết Vì vậy, ứng dụng này sẽ được sử dụng rất nhiều trong công việc thiết kế mạng WDM. .. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÔ PHỎNG TOPO LOGIC MẠNG QUANG WDM SỬ DỤNG PHẦN MỀM MATPLANWDM 3.1 Giới thiệu tổng quát về MatPlanWDM: - MatplanWDM là phần mềm giúp thiết kế tuyến ảo và định tuyến trong WDM Nó chạy trên nền nền Matlab cho phép người dùng có thể thiết kế mạng quang WDM một cách trực quan và chi tiết Ứng dụng này được dành riêng cho nghiên cứu cũng như giảng dạy tại các khóa học về thiết mạng quang 3.2... và giảng dạy về thiết kế topo mạng trong các trường đại học MatPlanWDM giúp ta tính toán các tham số đầu vào trong vấn đề quy hoạch mạng và đưa ra những cấu trúc liên kết mạng vật lý, lưu lượng ma trận, và tối ưu về công nghệ như số lượng các thiết bị phát, thu và chuyển đổi bước sóng quang MatplanWDM gồm có một thư viện các thuật toán để thực hiện các kế hoạch thiết kế cấu trúc liên kết ảo, định tuyến... đầu ra ( topo logic, các báo cáo về những thông số của mạng ở dạng Bảng số liệu và dạng Biểu đồ, các dạng topo logic tại từng thời điểm trong quá trình định tuyến trong chế dộ phân tích nhiều giờ) Ứng dụng MatPlanWDM để thiết kế mô phỏng mạng quang 9 nút, sau đó thực hiện báo cáo ở dạng Bảng số liệu, Biểu đồ và hình dạng của topo logic tại từng thời điểm trong quá trình định tuyến 22 KẾT LUẬN VÀ CÁC... kế cấu trúc liên kết ảo, định tuyến Ngoài ra, thực hiện các vấn đề quy hoạch mạng tuyến tính, mạng hỗn hợp từ đó có những giải pháp tối ưu của thiết kế hoàn chỉnh hệ thống Trong một chừng mực nào đó, luận văn đã cố gắng trình bày một cách đơn giản, cụ thể và có hệ thống về thiết kế topo mạng bằng cách sử dụng phần mềm MatplanWDM nhưng do sản phNm là thử nghiệm nên việc chạy tính năng của chương trình... một cách toàn diện phần mềm MatPlan WDM để phục vụ cho công việc thiết kế mạng cũng như giảng dạy topo mạng tại các trường đại học - Tiếp tục nghiên cứu cách lập trình để khởi tạo các tham số đầu vào của phần mềm gồm 3 file với các định dạng khác nhau: topo vật lý (.xml), ma trận lưu lượng (.traff), thuật toán (.m) để từ đó có thể thực hiện công việc thiết kế topo mạng một cách mềm dẻo hơn - Liên tục... báo cáo các thông tin về nút kết hợp với thời gian thì chương trình còn cung cấp cho ta những thông tin có liên quan như sự phát triển trong thời gian số lượng sử dụng thiết bị phát, thiết bị thu hoặc số bộ chuyển đổi bước sóng Kết luận chương Trong chương này, luận văn đi sâu vào việc nghiên cứu các tính năng ứng dụng phần mềm MatPLanWDM gồm có: • các tham số đầu vào (topo vật lý, ma trận lưu lượng,... của topo ảo và khả năng định tuyến luồng của thuật toán Chế độ này tự động đánh giá hiệu quả của các thuật toán động dùng để tối ưu hệ thống 3.2.3 Khởi tạo ma trận lưu lượng 3.2.4 Thư viện thuật toán: 3.3 Thiết kế mô phỏng topo logic mạng 9 nút WDM: 3.3.1 Thiết kế mạng ảo và định tuyến luồng cho mạng 9 nút WDM Chế độ này cho phép hiện thị một cách trực quan về topo vật lý, ma trận lưu lượng, topo logic. .. cáo, các topo logic, các lựa chọn về thời gian, các thông tin về các nút hoặc các liên kết… Tại mỗi thời điểm 0h, 1h, 2h, ……23h chương trình sẽ cho ta một điểm báo cáo về tiến trình của topo mạng 21 Tại thời điểm 23h: Hình 3.22: Định tuyến mạng 9 nút WDM tại thời điểm 23h Như vậy một lần nữa MatPlanWDM cho chúng ta thấy một cách rất rõ ràng cấu trúc topo logic tại từng thời điểm trong mạng theo kế hoạch... nút mạng và đường truyền trong mạng - Ma trận lưu lượng là tập tin (.traff) dùng để xác định lưu lượng ra vào ở mỗi cặp nút - Các thuật toán sử dụng là tập tin (.m) mã Matlab Các chế độ làm việc chính: Gồm có 4 chế độ 3.2.2.a Thiết kế mạng ảo và định tuyến luồng “Design Virtual Topology and Flow Routing” - Chế độ này cho phép hiện thị một cách trực quan về topo vật lý, ma trận lưu lượng, topo logic . 3: THIẾT KẾ MÔ PHỎNG TOPO LOGIC MẠNG QUANG WDM SỬ DỤNG PHẦN MỀM MATPLANWDM 3.1 Giới thiệu tổng quát về MatPlanWDM: - MatplanWDM là phần mềm giúp thiết kế tuyến ảo và định tuyến trong WDM. . THIẾT KẾ TOPO LOGIC MẠNG QUANG WDM SỬ DỤNG PHẦN MỀM MATPLANWDM Chuyên ngành: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Mã số: 60.52.02.08 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI - 2014 Luận văn. logic mạng quang WDM tại chương 3. 5 CHƯƠNG 2: TOPO MẠNG QUANG WDM 2.1. Topo mạng 2.1.1. Topo là gì? Topo tức là hình thù mạng, bất kì mạng thông tin nào cũng có 2 loại kết cấu topo: topo vật