Các công nghệ truyền dẫn tín hiệu số

Các công nghệ truyền dẫn tín hiệu số

Đặng Thế Ngọc

CÁC CÔNG NGHỆ TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU SỐ

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn: TS Bùi Trung Hiếu

HÀ NỘI 4-2005

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ iv

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT vi

LỜI NÓI ĐẦU ix

Chương 1: Tổng quan về truyền dẫn số 1

1.1 Tổng quan về mạng viễn thông 1

1.2 Các công nghệ truyền dẫn số 1

1.3 Số hóa tín hiệu analog 3

1.3.1 Số hóa tín hiệu thoại 3

1.3.1.1 Điều xung mã PCM 4

1.3.1.2 Các phương thức mã hóa mới 4

1.3.1.3 Các khuyến nghị của ITU-T về mã hoá thoại 6

1.3.2 Số hóa tín hiệu video 6

1.3.2.1 Kỹ thuật mã hoá và nén video 7

1.3.2.2 Các tiêu chuẩn nén video 7

1.4 Tổng quan về mạng IP 9

1.4.1 Các giao thức IP 9

1.4.2 Hỗ trợ QoS trong IP 9

1.4.3 Các bộ định tuyến IP tốc độ cao 9

1.5 Công nghệ truyền dẫn PDH và SONET/SDH 10

1.5.1 Công nghệ truyền dẫn PDH 10

1.5.2 Công nghệ truyền dẫn SONET/SDH 10

1.6 Công nghệ ATM 13

1.6.1 Mô hình tham chiếu ATM 14

1.6.2 Một số đặc điểm của ATM 15

1.6.2.1 Ghép kênh thống kê 15

1.6.2.2 Truyền tải đa dịch vụ 16

1.7 Công nghệ truyền dẫn quang 17

1.7.1 Hệ thống DWDM 17

1.7.2 Các bộ định tuyến bước sóng 19

1.7 Kết luận 20

Chương 2: Các phương thức truyền tải IP trên mạng quang 21

2.1 Mở đầu 21

2.2 IP/ATM/SDH/WDM và IP/ATM trực tiếp trên WDM 22

2.2.1 IP/ATM/SDH cho truyền dẫn WDM 22

2.2.2 IP/ATM trực tiếp trên WDM 23

2.3 Truyền số liệu trên mạng SONET/SDH 24

2.3.1 IP/PDH/SDH cho truyền dẫn WDM 25

2.3.2 Truyền gói qua SONET/SDH (POS) 25

2.3.3 Giao thức đa truy nhập qua SONET/SDH (MAPOS) 26

2.3.4 Thủ tục truy nhập tuyến SDH (LAPS) 28

2.3.5 SONET/SDH thế hệ tiếp theo 29

2.4 IP/SDL trực tiếp trên WDM 31

2.5 IP/Gigabit Ethernet cho WDM 32

2.6 Các công nghệ truyền dẫn mới 34

2.6.1 Mạng vòng gói phục hồi RPR/SPR 34

2.6.2 DTM 36

2.7 Hạ tầng chuyển mạch quang 37

2.8 So sánh các công nghệ truyền tải IP trên mạng quang 39

2.8.1 Phân nhóm các công nghệ 39

2.8.2 So sánh băng tần hiệu dụng 41

2.8.2.1 Tính toán hiệu suất và tốc độ truyền dẫn 41

2.8.2.2 Kết quả so sánh 42

2.8.3 So sánh một số chỉ tiêu khác 44

2.8.3.1 Phẩm chất 44

2.8.3.2 Dịch vụ 44

2.8.3.3 Tính tương hợp 45

2.8.3.4 Tính năng 46

2.9 Kết luận 46

Chương 3: Công nghệ SONET/SDH thế hệ tiếp theo 48

3.1 Mở đầu 48

3.2 Thủ tục đóng khung chung (GFP) 48

3.2.1 Phần chung của GFP .50

3.2.1.1 Khung người sử dụng GFP 50

3.2.1.2 Khung điều khiển GFP 52

3.2.2 Phần đặc trưng tải trọng cho GFP sắp xếp khung .53

3.2.2.1 Tải trọng MAC Ethernet 53

3.2.2.2 Tải trọng IP/PPP 53

3.2.3 Phần đặc trưng tải trọng cho GFP trong suốt .54

3.2.3.1 Thích ứng tín hiệu client 8B/10B qua mã khối 64B/65B 54

3.2.3.1 Thích ứng khối mã 64B/65B vào GFP 55

3.3 Kết chuỗi các container ảo (VC) 56

3.3.1 Kết chuỗi kề nhau X VC-n (VC-n-Xc) 57

3.3.2 Kết chuỗi ảo X VC-n (VC-n-Xv, n=1 … 4) 58

3.3.2.1 Chỉ thị thứ tự và đa khung VC-3/4-Xv 60

3.3.2.2 Chỉ thị thứ tự và đa khung VC-1/2-Xv 61

3.3.3 So sánh kết chuỗi ảo và kết chuỗi kề nhau .63

3.4 Cơ chế điều chỉnh dung lượng tuyến LCAS 64

3.4.1 Gói điều khiển .64

3.4.2 Các chức năng chính của LCAS .67

3.4.2.1 Thêm thành viên (tăng dung lượng) 67

3.4.2.2 Loại bỏ tạm thời thành viên (giảm dung lượng) 68

3.4.2.3 Xóa thành viên (giảm dung lượng) 69

3.5 Kết luận 70

KẾT LUẬN 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Mô hình mạng SONET/SDH điển hình 11

Hình 1.2: Mô hình giới thiệu chức năng các lớp trong SONET/SDH 13

Hình 1.3: Mô hình tham chiếu ATM 15

Hình 1.4: Mạng ATM được xây dựng trên mạng SONET/SDH 16

Hình 1.5: Hệ thống DWDM điểm-điểm 18

Hình 1.6: Hệ thống vòng DWDM 19

Hình 2.1: Một số công nghệ truyền tải số liệu điển hình 22

Hình 2.2: Đóng gói IP/ATM/SDH để truyền tải qua mạng WDM 23

Hình 2.3 Ví dụ về mạng IP/SDH/WDM 26

Hình 2.4: Khung MAPOS phiên bản 1 và phiên bản 2 27

Hình 2.5: Ngăn xếp lớp/giao thức cho IP/STM-N sử dụng LAPS X.85 28

Hình 2.6: Định dạng khung LAPS theo X.85 29

Hình 2.7: Cấu trúc mào đầu SDL 32

Hình 2.8: Truyền tải IP trên vòng ring WDM bằng khung Gigabit Ethernet 33

Hình 2.9: Khung Gigabit Ethernet 34

Hình 2.10: Công nghệ RPR (IEEE 802.17) 35

Hình 2.11: Hiệu suất của các phương thức truyền dẫn truyền dẫn 43

Hình 3.1: SONET/SDH thế hệ tiếp theo 49

Hình 3.2: Quan hệ của GFP với các tín hiệu client và tuyến truyền tải 50

Hình 3.3 : Cấu trúc khung người sử dụng GFP 51

Hình 3.4 : Cấu trúc khung điều khiển GFP 52

Hình 3.5: Quan hệ giữa khung MAC Ethernet và khung GFP 53

Hình 3.6: Quan hệ giữa khung PPP/HDLC và khung GFP 54

Hình 3.7: Mã khối 64B/65B GFP-T 56

Hình 3.8: Cấu trúc nhóm mã trong khung GFP 56

Hình 3.9: Cấu trúc khung VC-4-Xc 57

Hình 3.10: Cấu trúc khung VC-2-Xc 58

Hình 3.11: Cấu trúc khung VC-3/4-Xv 59

Hình 3.12: Cấu trúc khung VC-1/2-Xv 59

Hình 3.13: Chỉ thị đa khung và thứ tự VC-3/4-Xv 61

Hình 3.14: Đa khung 32 bit 2 (byte K4) 62

Hình 3.15 Ví dụ so sánh hai phương thức kết chuỗi 63

Hình 3.16: Thêm nhiều thành viên 68

Hình 3.17: Giảm dung lượng do sự cố mạng 69

Hình 3.18 Loại bỏ thành viên 4 và 5 từ một VCG có n = 6 thành viên 70

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

AAL ATM Adaptation Layer Lớp thích ứng ATM

ADM Add-Drop Multiplexer Ghép kênh xen/rẽ

APS Automatic Protection Switching Chuyển mạch bảo vệ tự động ARP Address Resolution Protocol Giao thức phân giải địa chỉ

ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ chuyển giao không đ bộ

AU Administrative Unit Khối quản lý

BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit

CoS Class of Services Lớp dịch vụ

CRC Cyclic Redundancy Check Kiểm tra độ dư vòng

CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access/ Đa truy nhập cảm nhận sóng

Collision Detect mang/phát hiện xung đột DiffServ Differentiated Services Dịch vụ phân biệt

DPT Dynamic Packet Transport Truyền tải gói động

DTM Dynamic Transfer Mode Chế độ truyền tải động

DW Digital Wrapper

DXC Digital Cross-Connect Nối chéo số

FCS Frame Check Sequence Chuỗi kiểm tra khung

FDL Fibre Delay Line Đường trễ quang

FR Frame Relay Chuyển tiếp khung

GbE Gigabit Ethernet

HDLC High-level Data Link Control Đ khiển tuyến số liệu mức cao IEEE Institute of Electrical and Viện kỹ thuật điện-điện tử

Electronic Engineers IETF Internet Engineering Task Force

IP Internet Protocol Giao thức internet

ISDN Integrated Services Digital Network Mạng số tích hợp dịch vụ

ISP Internet Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ internet ITU International Telecommunication Union Liên minh viễn thông thế giới LAN Local Area Network Mạng cục bộ

LAPS Local Access Point-SDH Điểm truy nhập cục bộ SDH MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trường MAN Metro Area Network Mạng đô thị

MAPOS Multiple Access Protocol Over SONET Giao thức đa truy nhập qua SDH MPOA Multi Protocol Over ATM Đa giao thức qua ATM

MSP Multiplex Section Protection Bảo vệ đoạn ghép

ON Optical Network Mạng quang

OPS Optical Packet Switching Chuyển mạch gói quang

OSI Open System Interconnection Kết nối hệ thống mở

OTN Optical Transport Network Mạng truyền tải quang

OTS Optical Transmission Section Đoạn truyền dẫn quang

OXC Optical Cross-Connect Nối chéo quang

PDU Protocol Data Unit Đơn vị số liệu giao thức

POL Packet Over Lightwave

POP Point of Presence

POS Packet Over SONET/SDH Truyền gói qua SONET/SDH PPP Point-to-Point Protocol Giao thức điểm-điểm

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

SDH Synchronous Digital Hierarchy Phân cấp số đồng bộ

SDL Simple Data Link Tuyến số liệu đơn giản

SONET Synchronous Optical Network Mạng quang đồng bộ

SRP Spatial Reuse Protocol Giao thức tái sử dụng không gian STM Synchronous Transport Module Module truyền tải đồng bộ

TDM Time Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo t.gian VBR Variable Bit Rate Tốc độ bit thay đổi

VC Virtual Connection (in ATM) Kết nối ảo (trong ATM)

VC Virtual Container (in SDH) Container ảo (trong SDH)

VCAT Virtual Concatenation Kết chuỗi ảo

VPN Virtual Private Network Mạng riêng ảo

WAN Wide Area Network Mạng diện rộng

WC Wavelength conversion Chuyển đổi bước sóng

WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo b.sóng WXC Wavelength Cross Connect Nối chéo bước sóng

LỜI NÓI ĐẦU

Các công nghệ truyền dẫn tín hiệu số đóng vai trò hết sức quan trọng trong mạng viễn thông Để tạo ra được các kết nối giữa các đầu cuối đã có rất nhiều loại công nghệ truyền dẫn được sử dụng tùy thuộc vào loại hình dịch vụ (thoại, video, số liệu) Trong thời gian trước đây, lưu lượng truyền tải trên mạng chủ yếu là lưu lượng thoại được ghép kênh phân chia theo thời gian TDM, chính vì thế các công nghệ truyền dẫn ra đời vào thời điểm đó được thiết kế tối ưu cho lưu lượng TDM Các công nghệ truyền dẫn điển hình đó là công nghệ truyền dẫn PDH và SONET/SDH Các công nghệ này cũng có khả năng truyền tải số liệu nhưng đạt hiệu quả không cao

Từ cuối thế kỷ XX đã có những biến đổi rất lớn về bản chất lưu lượng trên mạng, lưu lượng phi thoại đang lấn lướt lưu lượng thoại truyền thống Nguyên nhân là do nhu cầu truyền tải lưu lượng internet ngày càng tăng Sở dĩ có sự gia tăng này là do số người dùng internet tăng đồng thời với sự ra đời của các công nghệ truyền tải thoại, video qua mạng IP (VoIP) Một số nhà cung cấp và tổ chức tiêu chuẩn như ITU-T, IEEE, IETF đã đề xuất một số giải pháp mới nhằm mục đích truyền tải lưu lượng số liệu, đặc biệt là IP một cách hiệu quả hơn.Các giải pháp này cố gắng giảm tối đa tính năng dư thừa, giảm mào đầu giao thức, đơn giản hóa việc quản lý để qua đó truyền tải IP trên lớp mạng quang một cách hiệu quả nhất.Các công nghệ điển hình trong số này đó là: truyền số liệu qua mạng SONET/SDH (DoS), Gigabit Ethernet (GbE) và mạng vòng gói phục hồi (RPR)

Đề tài “Các công nghệ truyền dẫn tín hiệu số” được thực hiện với mục tiêu cung cấp một bức tranh tổng thể về công nghệ truyền dẫn tín hiệu số, các giải pháp truyền tải IP qua mạng quang và các vấn đề cơ bản về công nghệ SONET/SDH thế hệ tiếp theo Nội dung đề tài gồm có 3 chương:

Chương 1: Trình bầy tổng quan về các công nghệ liên quan đến truyền dẫn tín hiệu số như: số hóa tín hiệu analog, các đặc trưng về IP, ATM Ngoài ra các nội dung cơ bản về công nghệ SONET/SDH và WDM cũng được đề cập.

Chương 2: Giới thiệu tổng quan về các giải pháp truyền tải IP qua mạng quang đã được các các nhà cung cấp đề xuất và được tiêu chuẩn hóa bởi một số các tổ chức Nội dung tiếp theo của chương là tiến hành so sánh giữa các giải pháp dựa trên một số các tham số quan trọng như hiệu suất truyền dẫn, tính năng

Chương 3: Hiện nay công nghệ SONET/SDH đã được triển khai rất rộng rãi trên mạng Công nghệ SONET/SDH thế hệ tiếp theo đã có những cải tiến nhằm mục đích thích ứng với sự thay đổi về lưu lượng trên mạng Nội dung chương này sẽ trình bày cụ thể hơn về những cải tiến này

Do nội dung của đề tài liên quan đến rất nhiều công nghệ và đề cập nhiều vấn đề nên mỗi mục được trình bầy một cách tóm lược các đặc điểm chính và có chú thích các tiêu chuẩn, khuyến nghị liên quan

Vì trình độ còn hạn chế đồng thời nội dung nghiên cứu của đề tài tương đối rộng nên chắc chắn đề tài không thể tránh khỏi những hạn chế và thiếu sót Rất mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy và các bạn

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Bùi Trung Hiếu đã định hướng nghiên cứu và giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình thực hiện đề tài này

Hà nội 4/2005

Chương 1: Tổng quan về truyền dẫn số

1.1 Tổng quan về mạng viễn thông

Hiện nay, để đáp ứng nhu cầu về các loại dịch vụ (thoại, video, số liệu) của khách hàng, các nhà cung cấp dịch vụ phải xây dựng các loại mạng khác nhau Ví dụ, mạng PSTN được thiết kế cho các dịch vụ thoại, mạng IP cho các dịch vụ internet (Web), mạng số liệu cho các dịch vụ ATM, Frame Relay (FR)

và thậm chí các mạng dành riêng cho các ứng dụng cụ thể Dịch vụ thoại được cung cấp qua mạng chuyển mạch kênh và công nghệ truyền dẫn được sử dụng là PDH, SONET/SDH (tương ứng với lớp 1 của mô hình OSI) Mạng số liệu bao gồm các mạng chuyển mạch khung, tế bào hoặc gói được thiết kế để cung cấp các chức năng lớp 2 và lớp 3 Mạng lớp 2 là các mạng chuyển mạch gói hướng kết nối (ATM/FR) Mạng lớp 3 là các mạng chuyển mạch gói không kết nối (IP, MPLS) Những mạng này được coi là những mạng không hội tụ Một trong những ưu điểm của mạng không hội tụ là khả năng nâng cấp một lớp mạng mà không làm ảnh hưởng tới lớp mạng trên hoặc lớp mạng dưới Độ tin cậy của mỗi lớp cũng có thể đo đạc một cách riêng rẽ: ví dụ tỉ lệ tổn thất gói ở lớp mạng IP được xác định độc lập với tỷ lệ lỗi bit (BER) trong lớp truyền tải Tuy nhiên, chi phí để vận hành, bảo dưỡng những mạng này là rất lớn và các nhà cung cấp đang nhanh chóng triển khai mạng NGN đa dịch vụ

1.2 Các công nghệ truyền dẫn số

Theo góc nhìn từ đầu cuối đến đầu cuối (end-to-end), mạng viễn thông bao gồm ba vùng chính như hình 1.1: mạng truy nhập, mạng đô thị (MAN) và mạng đường trục Ba vùng mạng này tạo thành một tuyến truyền dẫn hoàn chỉnh

từ đầu cuối đến đầu cuối cho số liệu của người sử dụng, mỗi loại mạng đều có một đặc tính riêng

Mạng truy nhập chịu trách nhiệm tập hợp lưu lượng từ những người dùng đầu cuối, các ví dụ về mạng truy nhập bao gồm: mạng ethernet và các mạng cáp nội hạt Giải pháp mạng băng rộng được triển khai rộng rãi nhất hiện nay là mạng đường dây thuê bao số (DSL) và modem cáp Mặc dù đã được cải thiện về mặt tốc độ nhưng các công nghệ này vẫn không cung cấp đủ băng thông cho các dịch vụ như: video theo yêu cầu, trò chơi tương tác, hội nghị truyền hình hai chiều Yêu cầu đặt ra đối với các công nghệ mới là phải đơn giản, chi phí thấp và

có khả năng truyền tải tích hợp các dịch vụ thoại, số liệu và video tới các thuê bao đầu cuối qua một mạng duy nhất Tiêu chuẩn IEEE 802.3ah EFM (Ethernet

in the First Mile) đã đưa ra giải pháp sử dụng công nghệ ethernet cho mạng truy nhập Công nghệ DSL trên mạng cáp đồng điểm-điểm và điểm-đa điểm đang được tiêu chuẩn hóa với các tiêu chuẩn như: G.SHDSL (G.991.2), ADSL2 (G.992.3 và G.992.4) và ADSL2+ (G.992.5) Các mạng quang thụ động sử dụng hai công nghệ chính là ehternet và ATM Mạng quang thụ động ethernet (EPON) yêu cầu chi phí thấp hơn mạng PON dựa trên cơ sở ATM (APON) EPON tỏ ra

là một ứng cử viên sáng giá cho mạng truy nhập thế hệ tiếp theo

Mạng đô thị MAN chịu trách nhiệm truyền tải số liệu giữa các mạng truy nhập khác nhau và định tuyến một phần lưu lượng tới mạng đường trục Trong mạng MAN, khách hàng là các mạng truy nhập khác nhau và các người dùng đầu cuối tốc độ cao Hiện nay, các mạng MAN nói chung đều đang sử dụng công nghệ SONET/SDH Các kết nối được thiết lập nhờ sử dụng các ADM và các DXC trong trường hợp mạng vòng Gần đây một số công ty đã sản xuất các bộ nối chéo quang OXC cho phép thực hiện chuyển mạch bước sóng mà không cần

phải tách theo thời gian các số liệu truyền trên bước sóng đó Hiện nay đã xuất hiện một số công nghệ mới có khả năng ứng dụng tốt trong mạng MAN như công nghệ mạng vòng gói phục hồi RPR và Gigabit Ethernet.

Mạng đường trục làm nhiệm vụ kết nối giữa các mạng MAN với nhau Công nghệ truyền dẫn đóng vai trò quan trọng trong mạng đường trục là công nghệ truyền dẫn quang Các tuyến quang tốc độ cao là các tuyến logic chủ yếu để tạo ra các kết nối cho mạng đường trục Để nâng cấp mạng đường trục, phần lớn các nhà cung cáp đã triển khai công nghệ WDM với cấu hình mạng lưới

1.3 Số hóa tín hiệu analog

Điều kiện tiên quyết đối với các hệ thống truyền dẫn số là thông tin phát đi phải được chuyển sang dạng tín hiệu số Mức độ chính xác của chuyển đổi tương

tự số (A/D) là yếu tố cốt yếu quyết định chất lượng dịch vụ cung cấp cho thuê bao Yêu cầu đặt ra đối với chuyển đổi A/D là ở phia thu phải có thể khôi phục được tín hiệu thoại (video) analog mà không bị méo hoặc nhiễu Bên cạnh đó, một mục tiêu đặt ra là làm giảm lượng thông tin số để có thể sử dụng tốt hơn dung lượng sẵn có của mạng

1.3.1 Số hóa tín hiệu thoại

Các bộ số hóa tín hiệu thoại được chia làm hai lớp chính: các bộ mã hóa dạng sóng và các bộ mã hóa thoại (vocoder) Ngoài ra còn có các bộ mã hóa lai ghép kết hợp đặc tính của cả hai loại trên

Trong mã hóa dạng sóng, những sự thay đổi về biên độ của tín hiệu analog được mô tả bới một số các giá trị đo được Những giá trị này sau đó được mã hóa thành các xung và gửi tới phía thu Ở phía thu, tín hiệu analog được khôi phục từ

các giá trị trung bình của các giá trị thu được Phương thức này cho phép nhận được mức chất lượng thoại rất cao

Bộ mã hóa thoại là một bộ mã hóa tham số Thay vì phát đi mô tả trực tiếp đường cong thoại, bộ mã hóa thoại phát đi một số các tham số mô tả phương thức tạo ra đường cong đó Bộ mã hóa thoại chỉ đạt chất lượng ở mức trung bình nhưng bù lại các tín hiệu có thể phát đi với tốc độ bit rất thấp

Bộ mã hóa lai ghép gửi đi một số các tham số cùng một lượng thông tin về dạng sóng đã được mã hóa Kiểu mã hóa thoại này tạo ra một sự thỏa hiệp hợp lý giữa chất lượng thoại và hiệu quả mã hóa Các hệ thống thông tin di động số ngày nay đang sử dụng phương thức mã hóa này

1.3.1.1 Điều xung mã PCM

Điều xung mã PCM là một phương thức chuyển đổi tín hiệu analog thành tín hiệu số thuộc loại mã hóa dạng sóng và được tiêu chuẩn hóa cho mạng điện thoại Tốc độ bit tạo ra cho một kênh thoại là 64 kbit/s đã trở thành hệ số quyết định trong thiết kế hệ thống chuyển mạch và truyền dẫn

Quá trình chuyển đổi A/D bằng phương thức PCM bao gồm ba bước: lấy mẫu, lượng tử hóa và mã hóa Tần số lấy mẫu đối với tín hiệu thoại là 8 kHz Số mức lượng tử hóa là 256 mức Quá trình mã hóa sẽ gán cho mỗi mức lượng tử một từ mã nhị phân 8 bit ITU-T gọi kiểu mã hóa này là mã hóa thoại “64 kbit/s PCM”

1.3.1.2 Các phương thức mã hóa mới

Một số phương thức mã hóa mới cho phép tạo ra các luồng tín hiệu thoại

số ở tốc độ 32 và 16 kbit/s đã được phát triển Thậm chí, các vocoder chỉ yêu cầu tốc độ bit 4,8 kbit/s hoặc thấp hơn Các phương thức mã hóa này nhận được rất nhiều sự quan tâm vì chúng cho phép các nhà cung cấp tăng dung lượng truyền

dẫn thoại trong mạng của họ mà không cần lắp đặt thêm các thiết bị truyền dẫn mới Một trong số các phương thức đó là điều xung mã vi sai thích nghi (ADPCM) ADPCM cho phép truyền dẫn tín hiệu thoại ở tốc độ 32 kbit/s với sự suy giảm chất lượng ở mức thấp nhất ADPCM được chuẩn hóa theo khuyến nghị G.726 của ITU-T.

Điều xung mã vi sai DPCM

Tín hiệu sau khi lấy mẫu cho thấy có sự tương quan rất lớn giữa hai mẫu cạnh nhau Chính vì vậy sẽ rất có lợi về mặt băng thông nếu mã hóa sự khác nhau giữa các mẫu cạnh nhau thay vì mã hóa giá trị tuyệt đối của mỗi mẫu Đây chính là cách thức thực hiện của phương thức DPCM giúp ta duy trì được mức

độ chính xác trong khi giảm được độ rộng băng yêu cầu

Điều xung mã vi sai thích nghi ADPCM

ADPCM kết hợp phương thức DPCM và PCM thích nghi có nghĩa là các mức lượng tử được thích ứng với dạng của tín hiệu đầu vào Độ lớn của các bước lượng tử tăng khi sườn dốc của tín hiệu tồn tại đủ dài, điều này cho phép giảm số bước lượng tử

Trong ADPCM diễn ra các quá trình như sau Khi tín hiệu analog đầu vào được đưa qua bộ mã hóa PCM thông thường, luồng các mẫu 8 bit được đưa tới

bộ mã hóa ADPCM Trong bộ mã hóa này, một thuật toán chỉ với 15 mức lượng

tử được sử dụng để giảm chiều dài từ mã từ 8 bit xuống còng 4 bit Bốn bit này không còn biểu diễn biên độ của mẫu nhưng nhờ mã hóa vi sai nó vẫn chứa đủ thông tin để cho phép phía thu khôi phục lại tín hiệu ban đầu

Mức của một mẫu được dự đoán dựa trên cơ sở mức của mẫu trước đó Sự khác nhau giữa mẫu dự đoán và mẫu thực tế là rất nhỏ và do đó có thể mã hóa

chỉ với 4 bit Nếu nhiều mẫu liên tiếp có sự thay đổi lớn, các bước lượng tử được thích nghi như đã mô tả ở trên

1.3.1.3 Các khuyến nghị của ITU-T về mã hoá thoại

ITU-T đã đưa ra một số các khuyến nghị về mã hoá và nén tín hiêu thoại, các khuyến nghị này được tổng kết trong bảng 1.1

Bảng 1.1 Các khuyến nghị về mã hoá và nén thoại

G.729 Sử dụng dự đoán tuyến tính mã đại số kích thích cấu trúc liên hợp 8 8

1.3.2 Số hóa tín hiệu video

Truyền dẫn hình ảnh động rất nhậy với sai trễ Nếu độ sai trễ quá lớn, mắt không chấp nhận được, thì phải tiến hành bù ở phía thu Truyền dẫn video chất lượng cao yêu cầu sai trễ cỡ vài ms Dịch vụ video thông thường có thể cho phép giá trị này cao hơn Trong tuyền thông video tương tác trễ yêu cầu không được vượt quá 150 ms

Mục đích của mã hoá tín hiệu video là cho phép truyền dẫn và lưu trữ tín hiệu video dưới dạng số với băng tần nhỏ nhất và chất lượng tốt nhất có thể

được Thông thường bộ mã hoá tín hiệu video được đặt ở nơi phát của hệ thống truyền dẫn, tuy nhiên khi sử dụng kết hợp công nghệ số và analog nó có thể được đặt tại các nút chuyển mạch

1.3.2.1 Kỹ thuật mã hoá và nén video

Một bức ảnh HDTV không nén với 2,2 triệu pixel và mã hóa 24 bit cho một pixel (8 bit dành cho thành phần mầu) yêu cầu tốc độ 1,5 - 3 Gbit/s tùy thuộc vào tần số ảnh Vì lý do đó cần có các phương thức mã hóa phức tạp hơn

để giảm băng tần yêu cầu sau khi mã hóa Một phương thức giúp thực hiện việc này là gửi đi thông tin về sự khác nhau giữa các bức ảnh liền nhau (tương tự như ADPCM của tín hiệu thoại) Công việc này được thực hiện nhờ sử dụng các bộ

mã hóa tốc độ bit thay đổi (VBR) để mã hóa sự khác nhau giữa các bức ảnh

Phương thức thứ hai được phát triển đó là tận dụng các điểm yếu của mắt

để giảm lượng thông tin và do đó giảm được số bit truyền đi Một trong những điểm yếu của mắt đó là không có khả năng theo kịp những chuyển động rất nhanh và do đó không phát hiện được méo trong những phần đó của bức ảnh

Chúng ta cũng có thể sử dụng một hiện tượng khác đó là: sự chuyển động đôi khi giống nhau trên một vùng lớn của bức ảnh Điều đó có nghĩa là ta có thể giảm lượng thông tin bằng cách gửi đi các vectơ chuyển động cho các vùng con

Một phương thức nữa để giảm lượng thông tin là mã hóa có độ dài thay đổi (VLC): các từ mã ngắn vài bit được phát đi cho các sự kiện thông thường trong bức ảnh, các từ mã dài nhiều bit được phát đi cho các sự kiện bất thường

1.3.2.2 Các tiêu chuẩn nén video

Rất nhiều phương các phương thức nén video đã được ra đời, mỗi phương thức được thiết kế cho một ứng dụng cụ thể Các tiêu chuẩn cơ bản được sử dụng hiện nay là H.263, MPEG-1 và MPEG-2 Tất cả các tiêu chuẩn này đều được

phát triển từ tiêu chuẩn H.261 Quá trình phát triển của các phương thức nén video được tóm tắt như sau:

H.261 kỹ thuật mã hóa, nén video tốc độ thấp được giới thiệu năm 1984 bởi ITU cho các dịch vụ âm thanh-hình ảnh H.261 có tốc độ truyền dẫn tăng từng bước từ 64 kbit/s đến 1,92 Mbit/s (30 x 64 kbit/s) H.261 phù hợp với các ứng dụng thời gian thực như hội nghị truyền hình vì nó gây ra thời gian trễ ngắn

MPEG-1 là tiêu chuẩn của ISO, được tạo ra trên cơ sở hiệu chỉnh H.261

để ghi tín hiệu video trên đĩa CD ở tốc độ bit thấp

MPEG-2/H.262 sử dụng cho video quảng bá với mức nén thấp để cho phép truyền tải video chất lượng cao Tốc độ truyền dẫn được định nghĩa là 5 –

60 Mbit/s và được sử dụng để truyền dẫn qua mạng vệ tinh và cáp

H.263 thích ứng với MPEG-2, sử dụng mức nén cao hơn trong khi vẫn duy trì chất lượng hình ảnh cao H.263+ và H.263++ là các phiên bản nâng cấp của H.263

MPEG-4 được phát triển song song với H.263, là phương thức nén tốc độ bit thấp tốt hơn MPEG-1

H.323 là một hệ thống truyền thông đa phương tiện hoàn chỉnh trong đó thành phần video sử dụng H.261/H263

JPEG 2000 là tiêu chuẩn JPEG mới nhất dựa trên cơ sở biển đổi wavelet rời rạc (DWT), nguyên bản được sử dụng để nén ảnh tĩnh, hiện nay đang được ứng dụng cho video động

H.264 thích ứng với H.263, hiện nay đang được phát triển

1.4 Tổng quan về mạng IP

1.4.1 Các giao thức IP

IP định nghĩa đơn vị dữ liệu cơ bản (datagram) có thể gửi qua mạng internet Các phần mềm IP thực hiện các chức năng định tuyến dựa trên cơ sở các địa chỉ IP Căn cứ vào các quy định trong giao thức IP, các host và các bộ định tuyến sẽ thực hiện các công việc xử lý, loại bỏ các datagram và tạo các bản tin lỗi Hiện nay có hai phiên bản giao thức IP là: IP phiên bản 4 (IPv4-RFC

791 ) và IP phiên bản 6 (IPv6-RFC 1883-1887) Sự phát triển của IPv6 được thúc đẩy chủ yếu là do sự cạn kiệt về không gian địa chỉ trong IPv4 Ngoài ra, việc định nghĩa lại tiêu đề trong IPv6 để đạt được hiệu quả định tuyến cao hơn cũng là một lý do

1.4.2 Hỗ trợ QoS trong IP

Internet truyền thống chỉ hỗ trợ dịch vụ best effort, trong đó tất cả các gói đều có quyền truy nhập như nhau tới tài nguyên mạng Lớp mạng chỉ quan tâm tới việc truyền tải các gói từ nguồn tới đích nhờ sử dụng địa chỉ đích trong phần mào đầu gói và bảng định tuyến Gần đây, IETF đã đưa ra nhiều giải pháp nhằm

hỗ trợ QoS trong mạng internet Trong số các giải pháp này có các mô hình IntSerrv/RSVP và DiffServ/QoS-agent Hai mô hình này còn đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp thông tin lớp dịch vụ (CoS) cho các nút biên của mạng WDM

1.4.3 Các bộ định tuyến IP tốc độ cao

Các bộ định tuyến thông thường hiện có không có khả năng đáp ứng nhu cầu truyền tải lưu lượng ngày càng tăng Hiện nay, đã xuất hiện các tiêu chuẩn

giao thức và các sản phẩm mới có khả năng đáp ứng được nhu cầu về lưu lượng

IP hiện tại và trong tương lai Các nghiên cứu mới này chủ yếu đi theo hai hướng Hướng thứ nhất, nâng cấp các kỹ thuật và kiến trúc định tuyến thông thường để giải quyết tắc nghẽn Hướng thứ hai đưa ra ý tưởng kết hợp định tuyến lớp 3 truyền thống với chuyển mạch lớp 2 Các giải pháp được đặt ra bao gồm:

Chuyển các chức năng như tìm kiếm địa chỉ, xử lý tiêu đề từ CPU điều khiển bởi phần mềm sang phần cứng dựa trên cơ sở vi mạch tổ hợp ứng dụng (ASIC)

Sử dụng các trường chuyển mạch để chuyển giao gói từ đầu vào tới đầu ra thay cho các bus dùng chung

Chức năng chuyển tiếp, đệm và lập lịch IP được thực hiện bằng phần cứng trên card đường truyền sẽ không làm quá tải bộ xử lý trung tâm trên board điều khiển

1.5 Công nghệ truyền dẫn PDH và SONET/SDH

1.5.1 Công nghệ truyền dẫn PDH

Trước đây các nhà cung cấp dịch vụ sử dụng hệ thống truyền dẫn PDH để truyền tải các loại tín hiệu dịch vụ: thoại, video, số liệu Tuy nhiên, hệ thống truyền dẫn PDH có nhiều điểm hạn chế như tốc độ ghép kênh bị giới hạn ở 139,264 Mbit/s Hơn thế, sự tương thích hoạt động giữa các thiết bị của các nhà sản xuất khác nhau rất khó khăn do mới chỉ có phần ghép kênh được tiêu chuẩn hóa trong khi phần truyền dẫn chưa được tiêu chuẩn hóa

1.5.2 Công nghệ truyền dẫn SONET/SDH

SONET và SDH đã khắc phục được những nhược điểm của PDH và cho phép cung cấp được các kết nối tốc độ cao trên 155 Mbit/s Những kết nối tốc độ

cao này nói chung đã đáp ứng được nhu cầu truyền tải số liệu ngày càng tăng SONET/SDH được các nhà cung cấp dịch vụ sử dụng để xây dựng mạng TDM trên mạng quang

Mạng truyền tải SONET/SDH

Mạng SONET/SDH cơ bản bao gồm 4 phần tử mạng khác nhau: thiết bị ghép kênh xem/rẽ (ADM), thiết bị ghép kênh đầu cuối (TM), thiết bị nối chéo số (DXC) và thiết bị lặp (REG) Bốn lọai phần tử này được kết nối với nhau bằng sợi quang để tạo ra một mạng SONET/SDH điển hình như minh họa trong hình 1.1

Các thiết bị ghép kênh được trang bị hai loại giao diện, giao diện tổng và giao diện nhánh Các giao diện tổng có tốc độ từ OC-3/STM-1 đến OC-192/STM-64 theo như khuyến nghị hiện nay về SONET/SDH Các giao diện nhánh được sử dụng để kết nối các thiết bị client như các bộ định tuyến IP, các chuyển mạch ATM hoặc các chuyển mạch tín hiệu thoại với thiết bị ghép kênh

Hình 1.1: Mô hình mạng SONET/SDH điển hình

Ring B

ATM switch

ATM switch

IP router

IP router DXC

P-t-P C

Các giao diện nhánh

Các giao diện tổng

Để chuyển mạch một kết nối từ một mạng này tới một mạng khác ta phải

sử dụng các DXC Thiết bị ghép kênh được gắn với DXC thông qua các giao diện nhánh Tùy thuộc vào mức phân cấp TDM của kết nối cần nối chéo mà sử dụng loại DXC và các luồng nhánh thích hợp

Các tiêu chuẩn SONET/SDH đã đưa ra một mô hình tham chiếu mạng để định nghĩa một cách chính xác cấu trúc của tất cả các cơ chế trong mạng Có 3 lớp mạng được định nghĩa trong hình 1.2 Mỗi phần tử mạng có thể là một thành phần của một hoặc nhiếu lớp tùy thuộc vào các nhiệm vụ và yêu cầu của nó

Lớp thấp nhất là lớp đoạn (trong SONET) hay lớp đoạn lặp (trong SDH)

kết hợp chặt chẽ với truyền dẫn quang và tái tạo tín hiệu Tất cả các phần tử mạng đều là một phần của lớp này

Lớp thứ hai được gọi là lớp đường (SONET) hay lớp đoạn ghép kênh

(SDH) Tại lớp này, nhiều tín hiệu tốc độ thấp được ghép vào hoặc tách ra từ thành/từ một tín hiệu tốc độ bit cao của các giao diện tổng Các thiết bị ghép kênh và DXC thuộc lớp này

Lớp thứ ba chịu trách nhiệm chuyển tải tín hiệu từ đầu cuối đến đầu cuối

và được gọi là lớp tuyến (SONET và SDH) Các thiết bị client đặt tại các điểm đầu cuối của kết nối nằm trong lớp này

Các thông tin điều khiển thích hợp được yêu cầu tại mỗi lớp để báo hiệu, giám sát chất lượng hoặc chuyển mạch bảo vệ Những thông tin điều khiển này được mang trong phần mào đầu của mỗi lớp Do đó, một thiết bị ghép kênh sẽ thêm một vài phần mào đầu tuyến (POH) vào tín hiệu đến từ các luồng nhánh Sau đó nhiếu tín hiệu được ghép cùng với nhau và thêm mào đầu đoạn (SONET) hoặc mào đầu đoạn ghép (SDH) Cuối cùng, trước khi phát đi phần mào đầu đường (LOH) trong SONET hay mào đầu đoạn lặp trong SDH sẽ được thêm vào

Hình 1.2: Mô hình giới thiệu chức năng các lớp trong SONET/SDH

và số liệu một cách hiệu quả hơn SONET/SDH

Một mạng ATM cơ bản bao gồm tập hợp các chuyển mạch ATM được kết nối bởi các tuyến hoặc các giao diện ATM điểm – điểm Chuyển mạch và truyền dẫn trong ATM thực hiện với các gói nhỏ có kích thước cố định được gọi

là tế bào với kích thước 53 byte Các chuyển mạch ATM thường được kết nối với các giao diện quang qua SONET/SDH Các chỉ tiêu kỹ thuật được lấy từ các khuyến nghị SONET/SDH để đảm bảo phối hợp họat động và khả năng kết nối trực tiếp các chuyển mạch ATM với các phần tử mạng SONET/SDH

ADM hoặc TM

ADM hoặc TM hoặc DXC

ADM hoặc TM

Lớp tuyến (SONET/SDH) Lớp đường (SONET) Lớp đoạn ghép kênh (SDH)

Lớp đoạn (SONET) Lớp đoạn lặp (SDH) Lớp đoạn lặp (SDH)Lớp đoạn (SONET)

Thiết bị lặp

1.6.1 Mô hình tham chiếu ATM

Kiến trúc ATM sử dụng một mô hình logic để mô tả các chức năng mà nó

hỗ trợ Các chức năng của ATM tương ứng với lớp vật lý và một phần lớp tuyến

số liệu của mô hình tham chiếu OSI Mô hình tham chiếu ATM gồm có 3 mặt phẳng bao trùm tất cả các lớp Mặt phẳng điều khiển chịu trách nhiệm tạo và quản lý các yêu cầu báo hiệu Mặt phẳng người sử dụng chịu trách nhiệm quản

lý và chuyển giao số liệu Cuối cùng là mặt phẳng quản lý bao gồm hai thành phần là quản lý lớp và quản lý mặt phẳng

Các lớp trong mô hình tham chiếu ATM được minh họa trong hình 1.3 bao gồm:

- Lớp vật lý: tương tự như lớp vật lý của mô hình OSI, chịu trách nhiệm quản lý phần truyền dẫn

- Lớp ATM: tương tự như lớp tuyến số liệu của mô hình OSI, chịu trách nhiệm thiết lập kết nối và chuyển các tế bào qua mạng ATM Để thực hiện việc này nó sử dụng thông tin trong phần tiêu đề của mỗi tế bào ATM

- Lớp thích ứng ATM (AAL): được đồng bộ một cách chặt chẽ với lớp ATM Lớp này chịu trách nhiệm cách ly các giao thức lớp cao khỏi các chi tiết xử lý ATM

- Các lớp cao hơn: nằm phía trên lớp AAL, nhận số liệu người sử dụng

và chuyển nó cho lớp AAL

Hình 1.3: Mô hình tham chiếu ATM

1.6.2 Một số đặc điểm của ATM

1.6.2.1 Ghép kênh thống kê

Thay vì ghép kênh TDM thuần túy, các giao diện của các chuyển mạch ATM có thể sử dụng tải trọng của khung SONET/SDH như một container lớn

Chức năng này được gọi là kết chuỗi trong SONET/SDH Ví dụ với giao diện

ATM 622 Mbit/s, tương đương với tốc độ truyền dẫn STM-4 trong SDH, 4

VC-4 được gắn lại với nhau và container lớn được gọi là VC-VC-4c Nhờ sử dụng toàn

bộ băng tần của giao diện như một đơn vị tuyền tải lớn, các tế bào ATM có thể sắp xếp linh động vào trong đó Phương thức này còn được gọi là ghép kênh thống kê và đạt hiệu quả cao hơn so với phương thức TDM thuần túy trong việc truyền tải lưu lượng số liệu có tính chất động và mềm dẻo Hình 1.4 minh họa một mô hình mạng được hình thành từ việc xây dựng một mạng lưới ATM ở phía trên mạng SONET/SDH Các chuyển mạch ATM được kết nối bởi các giao diện SONET/SDH

Lớp thích ứng ATM Lớp ATM Lớp vật lý

Các lớp Cao hơn

Các lớp Cao hơn

Mặt phẳng điều khiển người sử dụng Mặt phẳng

Mặt phẳng quản lý Quả

Hình 1.4: Mạng ATM được xây dựng trên mạng SONET/SDH

1.6.2.2 Truyền tải đa dịch vụ

Lớp thích ứng ATM làm nhiệm vụ biến đổi tín hiệu client thành các tế bào ATM Các kiểu AAL khác nhau được định nghĩa để truyền tải các kiểu lưu lượng khác nhau như thoại, số liệu và lưu lượng internet AAL nhận các gói từ các giao thức mức cao hơn và chia chúng thành các đoạn 48 byte nhằm tạo ra phần tải trọng của tế bào ATM Các loại AAL được sử dụng để hỗ trợ một dải rộng các yêu cầu lưu lượng được chỉ ra trong bảng 1.2

Bảng 1.2 Các loại AAL trong ATM

Yêu cầu đồng bộ giữa

nguồn và đích

kết nối

Hướngkết nối

Hướng kết nối và không kết nối

Hướngkết nối

Loại lưu lượng Thoại và mô

phỏng kênh

Gói thoại và video

Chuyển mạch ATM

Chuyển mạch ATM

Cấu hình ATM logic

Kết nối vật lý tới mạng SONET/SDH

1.7 Công nghệ truyền dẫn quang

Mạng truyền dẫn quang đã trở thành cơ sở hạ tầng dịch vụ đóng vai trò hết sức quan trọng trong việc truyền tải lưu lượng trên mạng Dung lượng truyền dẫn trên một sợi quang đã có thể đạt tới cỡ terabit/s nhờ sử dụng công nghệ ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) Nhờ sử dụng các bộ khuếch đại quang,

cự ly truyền dẫn của các hệ thống thông tin quang có thể đạt tới hàng trăm km

mà không cần bất kỳ một sự chuyển đổi quang/điện/quang nào

1.7.1 Hệ thống DWDM

Hệ thống WDM thực hiện kết hợp nhiều tín hiệu, mỗi tín hiệu ở một bước sóng khác nhau để tăng dung lượng truyền dẫn của sợi quang Các hệ thống WDM ban đầu đã triển khai, ghép hai bước sóng, một trong cửa sổ 1310 nm và một trong cửa sổ 1550 nm Ngày nay, các hệ thống WDM sử dụng 16, 32, 128 hoặc nhiều hơn các bước sóng trong cửa sổ 1550 nm và được gọi là hệ thống ghép kênh phân chia theo bước sóng mật độ cao (DWDM)

Các kênh bước sóng trong hệ thống DWDM đóng vai trò như các “sợi quang ảo” và có thể sử dụng để truyền bất cứ một loại tín hiệu nào như: lưu lượng SDH, ATM hoặc IP Các nguồn lưu lượng này được kết nối qua các giao diện quang tiêu chuẩn Hai loại cấu hệ thống DWDM điển hình là hệ thống DWDM cấu hình điểm -điểm và hệ thống cấu hình DWDM vòng Cả hai loại hệ thống này đều có thể là các hệ thống đơn hướng hoặc song hướng Hệ thống DWDM đơn hướng sử dụng sử dụng tất cả các bước sóng của một sợi quang để phát hoặc thu tín hiệu Các hệ thống song hướng sử dụng một số bước sóng cho hướng phát và một số bước sóng cho hướng thu trên cùng một sợi quang

Hệ thống DWDM điểm-điểm thường được sử dụng để tăng dung lượng cho các tuyến cự ly dài (mạng đường trục) Hình 1.5 minh họa một hệ thống DWDM điểm–điểm song hướng Như đã thấy trên hình vẽ, có hai giao diện trung kế đa bước sóng được sử dụng để cung cấp khả năng dự phòng và bảo vệ tuyến Một số các giao diện đơn bước sóng được sử dụng để kết nối với các bộ định tuyến IP, các bộ chuyển mạch ATM hoặc thiết bị SONET/SDH Tại các cổng vào đơn bước sóng có các bộ điều chế để chuyển đổi tín hiệu vào tới bước sóng DWDM thích hợp Bộ kết hợp quang ghép các bước sóng này với nhau và sau đó phát đi qua trung kế đa bước sóng Ở phía thu, mỗi kênh bước sóng được tách ra nhờ một bộ lọc quang Các khối tái tạo thực hiện tái tạo dạng và khuếch đại tín hiệu sau khi lọc Các hệ thống điểm-điểm thường sử dụng cơ chế bảo vệ 1 + 1 khi đứt sợi quang hoặc xảy ra sự cố với các kênh bước sóng Hai đầu cuối DWDM được kết nối với nhau qua hai sợi quang, mỗi bước sóng được phát đi trên cả hai sợi, phía thu so sánh hai tín hiệu quang thu được và lựa chọn tín hiệu

có chất lượng tốt hơn

Hình 1.5: Hệ thống DWDM điểm-điểmĐối với các ứng dụng cho mạng đô thi (MAN), các hệ thống DWDM vòng với chức năng xen/rẽ thường được sử dụng Những hệ thống này có bốn giao

SONET/SDH

diện trung kế đa bước sóng để tạo ra các mạng vòng hai sợi nhằm tăng cường chức năng bảo vệ Một số lượng lớn các giao diện đơn bước sóng đóng vai trò như các cổng xen/rẽ và được kết nối tới các bộ định tuyến IP và chuyển mạch ATM hoặc tới các thiết bị kết nối chéo.

Như minh họa trong hình 1.6, các mạng vòng DWDM có thể cung cấp bất

kỳ một kiểu cấu hình ảo nào Có thể triển khai các mạng điểm-điểm, vòng, cây hoặc lưới nhờ việc thiết lập cấu hình kết cuối cho các bước sóng

Hình 1.6: Hệ thống vòng DWDM

1.7.2 Các bộ định tuyến bước sóng

Khi triển khai các một mạng quang “thông minh” cần phải sử dụng các bộ định tuyến bước sóng Bộ định tuyến bước sóng, thường được gọi là bộ nối chéo quang (OXC) hoặc bộ nối chéo bước sóng (WXC) Thực chất bộ định tuyến bước sóng là một bộ nối chéo chuyển mạch bước sóng được trang bị các giao diện quang Chức năng định tuyến thông minh được tăng cường cho khối quản lý

IP

ATM SONET/SDH

phần tử mạng nhờ các bộ định tuyến bước sóng Khối quản lý phần tử mạng chịu trách nhiệm điều khiển và quản lý việc chuyển mạch các kênh bước sóng.

Bộ định tuyến bước sóng có các cổng trung kế nối tới các bộ định tuyến bước sóng khác hoặc tới các bộ xen/rẽ quang (OADM) và các cổng cục bộ được

sử dụng để nối tới nguồn hoặc đích (các bộ định tuyến IP hoặc các bộ chuyển mạch ATM) Các thành phần chính của một bộ định tuyến bước sóng gồm có: trường chuyển mạch, hệ thống I/O và cơ chế định tuyến bước sóng Các bộ định tuyến bước sóng có thể phân loại thành: bộ định tuyến bước sóng điện, bộ định tuyến bước sóng lai ghép và bộ định tuyến bước sóng quang

Chương 2: Các phương thức truyền tải IP trên mạng quang

2.1 Mở đầu

Phương thức truyền số liệu, điển hình là lưu lượng IP, trên mạng quang đã thay đổi một cách cơ bản Nhờ việc loại bỏ các lớp trung gian ATM và SONET/SDH, các phương thức truyền tải mới có thể đạt được hiệu suất truyền tải cao hơn đồng thời tạo ra các mô hình kiến trúc mạng đơn giản và hợp lý hơn

Theo dự án nghiên cứu P918 của EURESCOM [4], hiện nay trên thế giới

đã có rất nhiều giải pháp được công bố liên quan đến vấn đề truyền tải số liệu trên mạng quang Các giải pháp này đi theo hai xu hướng, một là khai thác lợi điểm của các công nghệ hiện có trên mạng, thêm tính năng để thích ứng với lưu lượng IP Xu hướng kia là nghiên cứu ra các giao thức mới phù hợp với đặc tính lưu lượng IP (RPR, DTM…) Ngoài ra, việc xây dựng hạ tầng truyền tải dựa trên công nghệ chuyển mạch quang cho đến nay vẫn được xem là giải pháp “lý tưởng” nhất và đang được nghiên cứu và thử nghiệm

Hình 2.1 giới thiệu một số công nghệ truyền tải số liệu điển hình được thể

hiện trên mô hình phân lớp mạng Trong mô hình phân lớp này, lớp 3 (IP/ATM)

sẽ đóng vai trò cung cấp ứng dụng dịch vụ và chức năng định tuyến Lớp 2 được xây dựng dựa trên các công nghệ hiện đã trưởng thành như SDH, ATM, Ethernet… Một số giao thức như MPOA/LAPS, RSP, POS, SDL được phát triển trong lớp mạng này thực hiện bao gói IP trong các khung để truyền dẫn qua mạng quang Lớp 1, giao diện vật lý, là các tế bào ATM (theo giao diện STM-1 hoặc STM-4), khung truyền dẫn SDH, Ethernet, DTM Các bước sóng quang đóng vai trò tuyến kết nối điểm - điểm giữa các nút trong mạng Đôi khi người ta xem các bước sóng này tạo thành lớp quang đóng vai trò lớp 0,

nghĩa là nó thuần tuý chỉ là tuyến vật lý cung cấp kết nối giữa các phần tử trong mạng truyền tải.

Hình 2.1: Một số công nghệ truyền tải số liệu điển hình

2.2 IP/ATM/SDH/WDM và IP/ATM trực tiếp trên WDM

2.2.1 IP/ATM/SDH cho truyền dẫn WDM

Theo phương thức truyền thống các dịch vụ TDM, ATM và IP được cung cấp thông qua mô hình mạng gồm bốn lớp IP/ATM/SDH/WDM Để truyền tải trên các tuyến WDM, phần lớn các định dạng khung truyền dẫn chuẩn đều sử dụng khung SDH Ngăn xếp giao thức cho kiểu đóng khung này được mô tả tóm tắt trong bảng 2.1

Kiến trúc mạng IP/WDM sử dụng công nghệ đóng gói IP/ATM/SDH được minh họa trong hình 2.2 Trong kiến trúc mạng này, các gói IP được chia nhỏ vào các tế bào ATM và được gán các kết nối ảo khác nhau nhờ card đường truyền SDH/ATM trong bộ định tuyến IP Sau đó các tế bào ATM được đóng gói vào trong khung SDH rồi gửi tới bộ chuyển mạch ATM hoặc trực tiếp tới bộ thu phát WDM để truyền tải qua lớp mạng quang

Bảng 2.1 Ngăn xếp giao thức IP/ATM/SDH

IP Được đóng thành các gói kích thước 250 đến 65535 byte.

LLC/SNAP Điều khiển tuyến logic thêm 8 byte mào đầu vào gói IP để tạo

thành khối dữ liệu giao thức (PDU) ATM

AAL5 Lớp thích ứng ATM5 thêm 8 byte mào đầu (trường độ dài và 4

byte CRC) cộng với trường nhồi (0 đến 47 byte) để tạo thành một PDU AAL5 có kích thước bằng một số nguyên lần tải trọng ATM

48 byte,ATM Chia PDU AAL5 thành các tải trọng 48 byte và thêm 5 byte mào

đầu để tạo thành các tế bào ATM 53 byte

SDH Đặt các tế bào ATM vào tải trọng VC-4 hoặc VC-4 kết chuỗi

SDH Thêm mào đầu đoạn SDH (81 byte gồm cả con trỏ AU) và 9 byte mào đầu tuyến VC4 vào vùng tải trọng VC4 2340 byte Trường hợp kết chuỗi các VC4 một VC4-Xc

Hình 2.2: Đóng gói IP/ATM/SDH để truyền tải qua mạng WDM

2.2.2 IP/ATM trực tiếp trên WDM

Một giải pháp khác là truyền tải trực tiếp bào ATM bao gói IP trên kênh WDM Giải pháp này giống như phương thức trên theo quan điểm kiến trúc Sự khác biệt ở đây là các tế bào ATM không được đóng trong các khung SDH mà chúng được gửi trực tiếp qua môi trường vật lý bằng cách sử dụng tế

Giao diện STM16c/ATM

Giao diện STM16c/ATM

Giao diện STM16c

Giao diện

STM1/ATM

Định tuyến IP Định tuyến IP

Định tuyến IP

Chuyển mạch ATM

Ví dụ: WDM 32 λ

OADM OADM

bào ATM tạo trên lớp vật lý Tế bào dựa trên lớp vật lý được phát triển riêng cho giao thức ATM, kỹ thuật này không hỗ trợ cho bất kỳ giao thức nào ngoài những giao thức thiết kế cho ATM.

Ưu điểm của việc sử dụng tế bào dựa trên môi trường vật lý là: mào đầu lớp vật lý ít hơn so với SDH và ATM là cơ chế truyền tải không đồng bộ nên không đòi hỏi cơ chế định thời nghiêm ngặt

Tuy nhiên, nhược điểm của giải pháp này là phần mào đầu cũng lớn tương tự như đối với truyền tải SDH và công nghệ này không được các nhà công nghiệp phát triển rộng rãi do kỹ thuật truyền dẫn này chỉ có thể mang riêng các tế bào ATM

Tế bào ATM dựa trên các lớp vật lý được định nghĩa trong một số tổ

chức tiêu chuẩn, 155 Mbit/s và 622 Mbit/s của ITU [6], và hiện tại thì Diễn đàn ATM đã hoàn thành chỉ tiêu cho tốc độ 622 Mbit/s và 2.488 Mbit/s [7].

2.3 Truyền số liệu trên mạng SONET/SDH

Nhu cầu truyền tải các loại dịch vụ như IP, Ethernet, Fiber Channel, ESCON/FICON qua mạng SONET/SDH đã xuất hiện từ rất lâu Tuy nhiên chỉ đến khi lưu lượng số liệu bùng nổ trong những năm đầu thấp kỷ 90 người ta mới thực hiện nghiên cứu các giao thức nhằm sắp xếp lưu lượng số liệu vào trong tải đồng bộ SONET/SDH Từ đó cho đến nay đã có nhiều giao thức được công bố và chuẩn hoá trong các tổ chức tiêu chuẩn như ANSI, ITU-T, IETF, OIF Nội dung phần này sẽ trình bày những giao thức được sử dụng để truyền tải lưu lượng IP trên mạng SONET/SDH Những giải pháp này đã và đang được ứng dụng trong thực tế

2.3.1 IP/PDH/SDH cho truyền dẫn WDM

Truyền tải IP qua môi trường PDH có thể thực hiện dựa trên giao thức PPP và khung HDLC ở lớp 2 Hiện nay, ITU cũng đã chuẩn hoá giải

pháp đóng gói IP trong khung PDH qua giao thức LAPS (X.85/Y.1321[5]) Lớp

vật lý bao gồm các bước sóng WDM và sợi quang Để cải thiện chức năng bảo

vệ và khôi phục mạng cho PDH thì các khung của nó sau đó sẽ được đóng gói trong các khung SDH trước khi truyền sợi quang

Ngày này, do sự bùng nổ lưu lượng số liệu nên giới hạn tốc độ và phương pháp ghép kênh của PDH đã làm cho nó không thể tồn tại trong mạng truyền tải mới Đồng thời, sử dụng PDH sẽ làm giảm hiệu quả khai thác của mạng truyền tải quang Giải pháp kết nối này chỉ còn hiện diện trong những mạng số liệu mà dung lượng kết nối rất thấp

2.3.2 Truyền gói qua SONET/SDH (POS)

POS cho phép đặt lớp IP trực tiếp trên lớp SONET/SDH, trong khi đó vẫn đảm bảo QoS và loại bỏ được mào đầu sử dụng để truyền IP/ATM/SDH Vì IP là giao thức lớp mạng phi kết nối, trong khi đó SONET/SDH là giao thức lớp vật lý nên kẽ hở giữa lớp 3 và lớp 1 phải được lấp nhờ giao thức điểm-điểm (PPP) PPP được sử dụng để đóng các gói IP vào một luồng số liệu sau đó sắp xếp vào vùng tải trọng của SONET hoặc SDH PPP bao gồm hai phần: giao thức điều khiển tuyến (LCP) làm nhiệm vụ thiết lập và kiểm tra kết nối tuyến số liệu, phần thứ hai là các giao diện giao thức điều khiển mạng (NCP) cho giao thức lớp 3 Chi tiết về POS được trình bầy trong bảng 2.2

Hình 2.3 đưa ra một ví dụ về mạng truyền tải gói IP qua SDH qua WDM Card đường truyền trong bộ định tuyến IP thực hiện chức năng tạo khung

PPP/HDLC Sau đó tín hiệu quang được truyền dẫn qua sợi quang tới phần tử mạng SDH, bộ định tuyến IP lân cận hoặc tới bộ thu phát WDM để truyền đi xa hơn

Bảng 2.2 Công nghệ POS

IP Gói số liệu có độ dài cực đại 65535 byte

PPP Đóng gói PPP (RFC 1661) Thêm 1 hoặc 2 byte “trường giao thức” và

thực hiện nhồi ( tuỳ c h ọ n ) PPP cũng cung cấp giao thức thiết lập tuyến nhưng không phải là quyết định trong IP/SDH.

HDLC Tạo khung (RFC 1662) Thêm 1 byte cờ để chỉ thị điểm bắt đầu của

khung, 2 byte cho mào đầu và 2 byte kiểm tra khung (FCS) tạo ra khung

có độ dài tới 1500 byte Cùng với PPP, HDLC tạo thêm 7 hoặc 8 byte mào đầu vào gói IP.

SDH Đặt các khung HDLC vào tải trọng VC4 hoặc VC4 kết chuỗi (RFC 1619)

Thêm mào đầu đoạn SDH (81 byte gồm cả con trỏ AU) và 9 VC4 byte

m ào đầu tuyến vào 2340 byte tải VC4 SDH Đối với VC4 kết chuỗi, tải V4-Xc có độ dài X*2340.

Hình 2.3 Ví dụ về mạng IP/SDH/WDM

2.3.3 Giao thức đa truy nhập qua SONET/SDH (MAPOS)

Giao thức MAPOS là giao thức lớp tuyến số liệu hỗ trợ IP trên SDH Giao thức MAPOS cũng được gọi với một tên khác là Packet Over Lightwave (POL) Đây là một giao thức chuyển mạch gói phi kết nối dựa trên việc mở rộng

WDM MUX SDH ADM

OLA

IP router

IP router

Transponder STM-16

khung POS (PPP- HDLC) Trước đây MAPOS được phát triển với mục đích ứng dụng khả năng tốc độ cao của SONET cho LAN nhưng hiện nay sự hiện diện của Gigabit Ethernet đã làm cho MAPOS không còn được lựa chọn

Trong hình hình 2.4 biểu diễn khung MAPOS phiên bản 1 và 2 Cấu trúc khung của MAPOS bao gồm các trường:

• Dãy cờ: sử dụng cho đồng bộ khung

• Địa chỉ: chứa địa chỉ HDLC đích (8 bit trong phiên bản 1 và 16 bit trong phiên bản 2)

• Điều khiển: có giá trị 0x03, thuật ngữ chuyên môn trong HDLC nghĩa

là khung thông tin không đánh

• Giao thức: chỉ thị giao thức đóng gói số liệu trong trường thông tin

• Thông tin: chứa gói số liệu tối đa 64 Kbyte

• Dãy kiểm tra khung: được tính trên tất cả các bit của trường địa chỉ, giao thức, và trường tin

C ờ

Địa chỉ đíc h

Điề

u khi ển

Giao thức

Trường thông tin FCS

0 x 7 E

8 bit 0x0 3 (16bit) (0-65280 bytes) (16/32 bit)

C

ờ Địa chỉ đích Giao thức Trường thông tin FCS0

x 7 E

16 bit (16bi

t) (0-65280 bytes) (16/32 bit)

Hình 2.4: Khung MAPOS phiên bản 1 và phiên bản 2

Có thể thực hiện dễ dàng giao thức MAPOS trong một bộ định tuyến IP tiêu chuẩn với các giao diện POS Chỉ có hai chức năng mới cần thêm vào giao

thức POS là giao thức chuyển mạch node (NSP) và giao thức phân giải địa chỉ (ARP).

2.3.4 Thủ tục truy nhập tuyến SDH (LAPS)

Giao thức truy nhập tuyến SDH (LAPS) là một giao thức tuyến số liệu được thiết kế cho mục đích truyền tải IP/SDH và Ethernet/SDH được ITU-T

chuẩn hoá lần lượt trong khuyến nghị X.85, X.86 [7][8] IP/SDH sử dụng LAPS

là một kiến trúc thông tin số liệu kết hợp giao thức internet hoặc các giao thức khác với mạng SDH Lớp vật lý, lớp tuyến số liệu và lớp mạng hoặc các giao thức khác được hiện diện tuần tự gồm SDH, LAPS và IP hoặc PPP Hình 2.5

mô tả ngăn xếp lớp/ giao thức cho IP/STM-N

Hình 2.5: Ngăn xếp lớp/giao thức cho IP/STM-N sử dụng LAPS X.85

(Ngăn TCP/UDP/IP được thay bằng Ethernet đối với X.86)

Định dạng khung của LAPS được minh họa trong hình 2.6 bao gồm:

• Trường cờ: chỉ điểm bắt đầu và kết thúc khung (từ mã cố định 01111110) Cờ đứng trước trường địa chỉ được gọi là cờ mở Trường đứng sau trường FSC được định nghĩa là cờ đóng,

TCP/UDP IP LAPS

VC bậc thấp

VC bậc cao Đoạn ghép kênh Đoạn lặp Đoạn điện/quang

• Trường địa chỉ: liền ngay sau trường cờ có kích thước một byte

• Trường điều khiển và SAPI: Trường điều khiển có giá trị hexa 0x03

và lệnh thông tin không đánh số với giá trị Poll/Final là 0 SAPI chỉ ra điểm tại

đó dịch vụ tuyến số liệu cung cấp cho giao thức lớp 3

• Trường thông tin: chứa thông tin số liệu có độ dài tối đa 1600 byte

• Dãy kiểm tra khung (FCS-32): đảm bảo tính nguyên dạng của thông tin truyền tải

0x7E 0x04 0x03 SAPI Thông tin LAPS, gói IP 32 bit 0x7E

Hình 2.6: Định dạng khung LAPS theo X.85

2.3.5 SONET/SDH thế hệ tiếp theo

SONET/SDH thế hệ tiếp theo cho phép truyền tải một cách hiệu quả lưu lượng số liệu qua mạng SONET/SDH Ba công nghệ nền tảng của SONET/SDH thế hệ tiếp theo bao gồm: Thủ tục đóng khung chung (GFP), kết chuỗi ảo (VCAT) và cơ chế điều chỉnh dung lượng tuyến (LCAS)

Thủ tục đóng khung chung GFP

Thủ tục đóng khung chung (GFP) được ANSI thảo luận đầu tiên trong

T1X1.5 và hiện nay đã được ITU-T chuẩn hoá trong khuyến nghị G.704.1 [9]

GFP là một thủ tục đóng khung tạo nên tải có độ dài thay đổi theo byte từ các tín hiệu client mức cao hơn và sắp xếp tín hiệu client vào trong luồng tín hiệu đồng bộ SONET/SDH

GFP bao gồm hai lớp: lớp phía dưới liên quan đến dịch vụ truyền tải sử dụng GFP và lớp phía trên liên quan đến việc sắp xếp các dịch vụ cung cấp bởi GFP Lớp GFP phía dưới cho phép sử dụng bất cứ kiểu công nghệ truyền tải nào, mặc dù hiện chỉ chuẩn hoá cho SONET/SDH và OTN (Digital