CÁC MẠNG WDM NỘI THỊ

Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương II. Các mạng WDM nội thị CÁC MẠNG WDM NỘI THỊ Các mạng nội thị nằm giữa các mạng truy nhập và mạng đường trục như được vẽ trên hình 1.3 chương I. MAN có một số đặc tính riêng cần phải xem xét khi thiết kế các giao thức và kiến trúc mạng nội thị: - Vùng phủ địa lí của MAN là có giới hạn. Thông thường, các MAN có đường kính từ 50 km tới 200 km, cung cấp đa dịch vụ tập trung ở khu vực đô thị. - Số lượng node trong một MAN phổ biến trong khoảng từ 10 tới 200 node. - So với các mạng đường trục, các MAN có hiệu quả chi phí hơn vì số lượng khách hàng ít hơn nhiều và lưu lượng trong MAN có tính bùng nổ hơn. - Trong khi tính chất lưu lượng trong các LAN và WAN đã được nghiên cứu, các kiểu lưu lượng trong MAN đang được nghiên cứu ở mức lý thuyết. - Trong khi các mạng lưới là khá phổ biến trong mạng đường trục, các mạng nội thị thường có mô hình sao, ring hoặc bus. Đồ án này sẽ tổng quan các mạng WDM nội thị khác nhau đã được giới thiệu một cách lí thuyết cho đến thời điểm hiện tại. Thông thường, các mạng WDM nội thị có cấu hình sao hoặc ring. 2.1 Các mạng WDM nội thị ring Hầu hết các mạng WDM nội thị ring được mô tả dưới đây hoạt động ở tốc độ đường là 2.5Gb/s. Vì các lí do thực tế nên hầu hết chúng được triển khai dạng các bộ thu cố định hơn là các bộ thu chuyển đổi được. 2.1.1 Mạng Komnet Mạng ba trường WDM nội thị Komnet bao gồm ba bộ kết hợp kênh xen/rẽ quang (OADM) được kết nối với nhau thông qua một mô hình ring hai hướng. Cấu trúc của một OADM được chỉ ra trên hình 3.1. Trên mỗi một sợi các bước sóng khác nhau có thể được lọc bằng cách dùng các lưới Bragg chuyển đổi được. Bằng cách sử dụng các bộ kết hợp bước sóng mật độ cao, các bước sóng các thể được xen vào mỗi sợi quang. Mỗi FBG có một tổn thất chèn tương đối nhỏ khoảng 0,1 dB. Các FBG có thể chuyển đổi cơ với dải ms. Do đó, Komnet rất thích hợp cho chuyển mạch kênh (Lambda), nhưng lại không hiệu quả cho chuyển mạch gói do thời gian chuyển đổi tương đối lớn đối với mỗi FBG. OADM OADM Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương II. Các mạng WDM nội thị OADM DEMUX DEMUX Receivers Transmitters Receivers Combiners Circulator Tunable FBGs . . . . . . . . Hình 3.1. Mạng WDM nội thị KomNet 2.1.2 RINGO Mạng nội thị RINGO chuyển mạch gói là một mạng ring sợi đơn hướng. Nó bao gồm N node trong đó N bằng với số bước sóng. Mỗi node được trang bị một dãy các bộ phát cố định và một bộ thu cố định hoạt động ở bước sóng cho trước tương ứng với node đó. Node Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương II. Các mạng WDM nội thị j tách bước sóng λ j từ vòng ring. Do vậy, để truyền thông với node j, một node cho trước phải truyền dữ liệu bằng cách sử dụng laser hoạt động ở bước sóng λ j , như được mô tả trên hình 3.2. Tất cả các bước sóng được chèn với chiều dài khe bằng với thời gian truyền của bói dữ liệu có kích thước cố định cộng với thời gian bảo vệ. Mỗi node kiểm tra trang thái của chiếm bước sóng (λ–giám sát) dựa trên khe thời gian để tránh xung đột nhờ tạo ra đa kênh theo xu hướng khe rỗng (Trong xu hướng khe rỗng, một bit tại đầu mỗi khe thời gian chỉ ra trạng thái của khe thời gian tương ứng nghĩa là nó có rỗi hay không). Cơ chế truy nhập này dành sự ưu tiên cho truyền bằng cách cho phép một node giám sát sử dụng chỉ các khe thời gian rỗi. Hình 3.2 Mạng nộ thị WDM RINGO Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương II. Các mạng WDM nội thị Hình 3.3 Cấu trúc node RINGO Hình 3.3 thể hiện cấu trúc node một cách chi tiết hơn. Tại mỗi node tất cả các bước sóng đều được giải ghép kênh. Bước sóng cần tách được định tuyến tới một bộ thu trong khi trạng thái của các bước sóng khác được giám sát bởi khoảng trống 90/10 và một dãy các photodiode. Tiếp đó, các bước sóng được ghép kênh trong sợi ra. Với một bộ kết hợp 50/50 và một bộ điều chế ngoài, node tương ứng có thể gửi gói tin dữ liệu bằng cách kích hoạt một hoặc nhiều các bộ phát cố định. 2.1.3 HORNET HORNET là một mạng ring WDM đơn hướng. Tất cả các bước sóng được chèn vào khe với chiều dài khe bằng với thời gian truyền của một gói kích thước cố định (cộng với thời gian bảo vệ). Mỗi bước sóng được chia sẻ bởi một vài node để tiếp nhận dữ liệu. Tất cả các node được trang bị một bộ phát chuyển đổi nhanh và một bộ thu mode cố định. Cấu trúc node bao gồm một bộ quản lí khe thời gian, mọt bộ tách thông minh và một khối chèn thông minh như hình 3.4 Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương II. Các mạng WDM nội thị Hình 3.4 Cấu trúc node HORNET Truy cập tới tất cả các bước sóng được điều khiển nhờ giao thức MAC truy cập cảm nhận sóng mang tránh xung đột (CSMA/CA). Khi một node truyền một gói tin nó ghép sóng âm thứ cấp vào gói tin tại một tần số thứ cấp tương ứng với bước sóng mà gói tin chuẩn bị truyền. Do vậy, tất cả các gói tin trên vòng mang cùng với nó một sóng âm ghép kênh thứ cấp biểu thị bước sóng mà chúng chiếm. Để cảm nhận, bộ quản lí khe thời gian chỉ cần tách một lượng nhỏ công suất quang và xác định nó bằng một photodiode. Như được mô tả trên hình 3.5, dữ liệu trên tất cả các bước sóng xung đột tại băng gốc trong khi bỏ lại các tần số sóng mang thứ cấp (được điều chế ASK hoặc FSK) không bị ảnh hưởng. Sự vắng mặt của âm thứ cấp chỉ ra sự vắng mặt của bước sóng tương ứng. Điều này cho phép node đó xác định liệu bước sóng đó là rỗi hay bận. Nếu như bước sóng đó của node đích tương ứng là rỗi, node cảm nhận sẽ truyền gói tin bằng cách sử dụng khối chèn thông minh của nó. Mỗi khối sử dụng khỗi tách thông minh của nó (xem hình 3.4) để thu trên bước sóng gắn sẵn cố định của nó. Tần số sóng mang thứ cấp tương ứng được điều chế FSK và mạng địa chỉ đích của gói tin tương ứng. Nếu địa chỉ đích gói tin không phù hợp với địa chỉ node, node đó sẽ chuyển tiếp gói tin bằng cách sử dụng khối chèn thông minh. Giao thức MAC CSMA/CA có thể mở rộng để hỗ trợ các gói tin IP có kích thước thay đổi. Bằng cách bổ sung một ring sợi theo hướng ngược lại, HORNET có thể chống lại lỗi sợi/node. Hình 3.5: Cấu trúc của quản lý khe thời gian 2.1.4 IEEE 802.17 RPR Hiện nay IEEE 802.17 và IETF WG IPoRPR đang làm việc để có một chuẩn mới cho các mạng ring nội thị. Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương II. Các mạng WDM nội thị 2.2 Các mạng WDM nội thị hình sao Các mạng WDM nội thị hình sao có thể dựa trên PSC hoặc AWG. Trong các mạng hình sao dưới đây, truyền thông giữa hai cặp node bất kì - có thể chuyển mạch kênh hoặc chuyển mạch gói - xảy ra đơn chặng nghĩa là dữ liệu được truyền không phải xử lí và chuyển tiếp qua các node trung gian. 2.2.1 RAINBOW RAINBOW là một mạng WDM nội thị do IBM khởi xướng dựa trên một PSC. Như được mô tả trên hình 3.6 mạng này gồm 32 node. Mỗi node được trang bị với một bộ phát cố định với một bước sóng dành riêng và một bộ thu điều chỉnh được. Tất cả các bộ thu sử dụng một bộ lọc Fabry-Perot điều chỉnh được với tốc độ điều chỉnh là 1ms. RAINBOW hướng tới xu hướng chuyển mạch kênh song công. Các mạch giữa các node được thiết lập và loại bỏ bằng cách dùng giao thức tìm kiếm vòng. Để thiết lập một kết nối, một node liên tục quảng bá một bản tin yêu cầu kết nối trên một bước sóng được gán trước cho nó. Đích mong muốn, nếu rỗi, dò tìm bộ lọc điều chỉnh được của nó đối với tất cả các bước sóng để tìm kiếm một bản tin như vậy và khoá đối với một bước sóng nếu nó gặp một bước sóng như vậy. Sau đó nó gửi trở lại một bản tin chấp nhận kết nối mà phía khởi tạo tìm kiềm trong khi nó kiểm tra tất cả các bước sóng. Trong RAINBOW 1, mỗi node có khả năng gửi dữ liệu ở tốc độ 300Mb/s. Trong RAINBOW 2, ngược lại, tốc độ tại mỗi node là 1Gb/s. Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương II. Các mạng WDM nội thị Hình 3.6 Mạng nội thị sao RAINBOW của IBM 2.2.2 Telstra Mạng Telstra sử dụng một AWG trung tâm (mà không đi kèm với bất cứ bộ kết hợp và bộ chia nào) như là một bộ định tuyến bước sóng thụ động cho các mạng WDM liên kết với nhau trong một mô hình sao như được thể hiện trong hình 3.7. Hình 3.7 Mạng nội thị kết nối nhiều vòng dựa trên Telstra’s AWG Mỗi node dùng các bộ thu phát cố định. Bằng cách kích hoạt các bộ thu phát khác nhau, mỗi node có khả năng gửi dữ liệu tới các mạng ring khác thông qua AWG định tuyến theo bước sóng. Điều quan trọng trong kiến trúc này là thực ra hai ring bất kì kết nối trực tiếp với nhau thông qua một AWG trung tâm. 2.2.3 NTT NTT là một mạng WDM nội thị hình sao dựa trên một AWG kết nối 32 node lại với nhau. Như trong hình 3.8, mỗi node có 32 bộ thu phát cố định. Mỗi bộ thu phát hoạt động ở một bước sóng khác nhau sao cho mỗi cặp node bất kì có thể truyền thông qua đơn chặng duy nhất với tốc độ 10Gb/s. Với đường kính mạng 20km thì không cần một bộ khuyếch đại quang nào. Mạng có thể mở rộng tới 96 node cho phép dung lượng mạng lên tới 96x96x10Gb/s = 92Tb/s. Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương II. Các mạng WDM nội thị Hình 3.8 Mạng WDM nội thị hình sao dựa trên NTT’s AWG Một mạng biến đổi trong đó mỗi node được trang bị chỉ hai bộ phát cố định (và n bộ thu, trong đó n là số lượng node) được trình bày trong [OSS + 01]. Mỗi node truyền các gói dữ liệu ở cùng bước sóng 1,55µm và các tiêu đề gói tin tương ứng ở bước sóng 1,33µm. Để cho phép truyền thông đơn chặng giữa bất cứ cặp node nào, các bước sóng phải được chuyển đổi tại một AWG trung tâm. Hình 3.9 mô tả một tiêu đề và gói tin đến từ một node cho trước tới một AWG trung tâm. Một coupler WDM định tuyến gói tin phải truyền để đến được node đích tương ứng. Gói tin dữ liệu được khuyếch đại và chuyển tiếp tới bộ chuyển đổi bước sóng. Bộ này bao gồm nhiều nguồn quang mỗi cái hoạt động ở bước sóng khác nhau. Nhờ sử dụng các cổng khuyếch đại quang (SOA) và điều chế thu thập chéo (XGM), gói tin tới sẽ được chuyển đổi thành bước sóng đích. Sau khi vượt qua bộ kết hợp kênh AWG sẽ định tuyến gói tin theo bước sóng tới node đích tương ứng. Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương II. Các mạng WDM nội thị Hình 3.9 Cấu trúc của NTT’s AWG trung tâm với bước sóng chuyển đổi 2.3 Các mạng WDM đơn chặng Khái niệm của truyền thông đơn chặng không chỉ giới hạn trong các mạng WDM nội thị. Nó cũng được áp dụng trong các mạng WDM diện rộng, các mạng nội hạt, các chuyển mạch, và các kết nối tốc độ cao giữa các bộ vi xử lí và các bộ nhớ. Vài mạng WDM đơn chặng đã được làm và đang ở giai đoạn thử nghiệm. SONATA là một mạng đơn chặng quốc gia dựa trên AWG không gian tự do với các dãy được gắn lại với nhau của các bộ chuyển đổi bước sóng và một bộ điều khiển tài nguyên trung tâm. Các ví dụ cho các LAN WDM đơn chặng là Bellcore LAMBDANET, Fairnet, STARNET của đại học Stanford, SYMFONET. Các ví dụ về các chuyển mạch dựa trên WDM đơn chặng được cung cấp bởi chuyển mạch quang tử của phòng thí nghiệm AT&T Bell, Bellcore’FOX, BHYPASS và một chuyển mạch ATM quang tử. LIGHTNING là một ví dụ cho các hệ thống truyền thông đa vi xử lí WDM đơn chặng. Vì lí do chi phí, mỗi node trong các mạng WDM đơn chặng triển khai một số lượng bộ thu phát nhỏ mà thông thường là nhỏ hơn số lượng bước sóng có sẵn để truyền/nhận tin. Để tăng cường hiệu quả mạng tất cả các bước sóng phải luôn được sử dụng tại một thời điểm cho trước. Có thể đạt được điều này nếu mỗi bước sóng được sử dụng bởi các tập con các node khác nhau. Tuy nhiên, nếu các bộ thu của mỗi node là cố định thì mỗi node không thể nhận được tất cả các bước sóng vì số lượng giới hạn của các bộ thu phát trong mỗi node. Kết quả là các mạng đơn chặng với các bộ thu phát cố định trong mỗi node không có Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương II. Các mạng WDM nội thị khả năng cung cấp kết nối hoàn toàn. Vấn đề này có thể được giải quyết hoặc bằng cách trang bị cho mỗi node một bộ thu phát cố định cho mỗi bước sóng hoặc làm cho mỗi node chuyển tiếp gói tin tới node đích nghĩa là hình thành mạng đa chặng. Các mạng đơn chặng trong đó bất cứ kết nối nào cũng có thể hình thành nếu các bộ thu và/hoặc bộ phát ở mỗi node là chuyển đổi được. Để làm được như vậy, mỗi node truy nhập được tới tất cả các bước sóng và có khả năng gửi và/hoặc nhận các gói tin ở bất kì bước sóng nào (trong dải chuyển đổi của bộ thu phát). Theo những cấu trúc node khác nhau, các mạng WDM đơn chặng có thể được phân loại như sau: - Bộ thu cố định và bộ phát cố định (FT-FR) - Bộ phát cố định và bộ thu điều chỉnh được (FT-TR) - Bộ phát điều chỉnh được và bộ thu cố định (TT-FR) - Bộ phát điều chỉnh được và bộ thu điều chỉnh được (TT- TR) Hầu hết tất cả các mạng WDM đơn chặng được báo cáo trong lí thuyết đều dùng một cấu trúc node là phát chuyển đổi được và/hoặc thu chuyển đổi được thay vì một dãy các bộ thu phát cố định (một bộ cho mỗi bước sóng). Trong các mạng như thế các gói tin có thể gặp phải xung đột kênh và xung đột bộ thu. Xung đột kênh xảy ra khi hai hay nhiều node truyền đồng thời cùng một bước sóng. Xung đột bộ thu xảy ra khi một gói tin được truyền không xung đột ở một bước sóng cho trước tới một node đích mà bộ thu của nó đã được bật sang một bước sóng khác. Do đó, gói tin không được thu bởi node đích, dẫn đến xung đột bộ thu (còn được gọi là xung đột phía thu). Để làm giảm hoặc loại bỏ hoàn toàn các xung đột này, truy nhập bước sóng phải được phân xử bởi một giao thức MAC. Như hình 3.10 chỉ ra các giao thức MAC cho các mạng WDM đơn chặng có thể được chia làm phân bổ trước, truy nhập ngẫu nhiên, đặt trước trong đó nhóm các giao thức đặt trước có thể được chia nhỏ hơn thành các giao thức báo và truyền và các giao thức thử và chờ. Ngoài ra còn có các giao thức là lai giữa các giao thức đã đề cập ở trên. Trong các phần kế tiếp hoạt động cơ bản và các ví dụ của các loại giao thức MAC khác nhau sẽ được trình bày. Các giao thức MAC đơn hop Phân phối trước Truy nhập ngẫu nhiên Dành trước Lai (hỗn hợp) Tell- and- go Attempt-and-defer [...]... ỏn tt ngip i hc Chng II Cỏc mng WDM ni th Hỡnh 3.10 Phõn loi cỏc giao thc MAC ca mng WDM n chng Phn cũn li ca chng s ch ra bỏo cỏo trc õy v cỏc giao thc MAC cho cỏc mng WDM n chng i vi mi loi giao thc MAC cn phõn loi giao thc v giao thc khụng xung t b thu 2.3.1 Cỏc giao thc phõn b trc Cỏc giao thc cú... truyn v khong iu chnh b thu phỏt Nú ó ch ra rng vn ti thiu hoỏ c hai khong trờn c tớnh toỏn tng tỏc v do ú c chia lm hai vn con Mt c ch gỏn TDMA/WDMA vũng kớn c nh cho cỏc bn tin thi gian thc da trờn mt PSC v cu trỳc node l FT-TR, TT-FR hoc TT-TR Xp lch TDMA/WDMA l hon ton khụng xung t v cung cp bo m thi gian xỏc nh trc cho cỏc bn tin vi mt gii hn phõn phỏt cho trc trong khi ti thiu hoỏ s lng bc súng... liu nh Lớ do l, ti mc ti thp, hu ht cỏc gúi kờnh iu khin v kờnh d liu u c gi thnh cụng Khi ti tng thỡ nghn kờnh trờn cỏc bc súng d liu chim ch yu v kh nng ỏn tt ngip i hc Chng II Cỏc mng WDM ni th thụng bt u gim, các gói điều khiển tơng ứng phải đợc truyền lại Khi ti tng hn na thụng lng kờnh iu khin cng gim s dn ti gim ti trờn cỏc bc súng d liu Kt qu l thụng lng kờnh d liu li tng v s lng cỏc gúi tin... trờn ú b thu ca node ớch tng ng ang hot ng v bt u gi d liu ngay khi b thu ớch sn sng  ỏn tt ngip i hc Chng II Cỏc mng WDM ni th Kt qu l b thu ớch khụng phi iu chnh sang mt bc súng khỏc m vn cú th bt u thu d liu khụng lm ngt dn ti tng tn dng kờnh Mt giao thc t trc khụng ch tn dng WDMA v TDMA m cũn s dng a truy nhp phõn chia theo mó (CDMA) Mt vi node chia s bc súng bng cỏch trin khai cỏc mó khỏc nhau... cỏc phn trờn, cỏc bỏo cỏo trc õy ó c tng quan li theo thit k v ỏnh giỏ hiu nng ca cỏc giao thc MAC cho cỏc mng n chng WDM Phn tng quan ny c gng nhn mnh cỏc úng gúp cú liờn quan v cỏc cỏi nhỡn bờn trong trong cỏc bỏo cỏo lớ thuyt Cũn rt nhiu bỏo cỏo liờn quan cp ti cỏc giao thc MAC WDM n chng Mt mng n chng da trờn hai PSC Cu trỳc ny cho phộp tỏi s dng bc súng theo khụng gian phõn cp dn n truyn dn ng... khin no khỏc t trc cho cựng bc súng trong khong thi gian (L-1) khe lin trc ú, trong ú L1 biu th chiu di gúi tin v mt khe tng ng vi thi gian truyn dn ca gúi tin iu khin  ỏn tt ngip i hc Chng II Cỏc mng WDM ni th Hiu nng tr-thụng lng trong cỏc kt hp giao thc ALOHA gỏn khe c nõng lờn nh vic chia nh thi gian thnh cỏc chu kỡ tun hon v cho phộp trong mi khe ca cỏc t trc kờnh iu khin vo cỏc bc súng d liu khỏc... thc ngha l s lng khe trong mi vũng c tng lờn mt lng (N-1) so vi giao thc phõn b ngun Bng cỏch phõn b mt khe riờng cho mi cp ớch ngun trong mi vũng, c xung t kờnh v b thu ỏn tt ngip i hc Chng II Cỏc mng WDM ni th u c loi b Nhng s tn dng kờnh li gim v tr ln hn cho lu lng khụng cú tớnh bựng n hay ti lu lng t thp ti trung bỡnh Mt giao thc TDMA vũng kớn khụng xung t khỏc c s dng trong mng PSC v mi node cú... truyn li li gim Tuy nhiờn n mt ti lu lng nht nh xung t trờn kờnh iu khin xy ra nhiu n ni m thụng lng kờnh d liu s li gim Trong giao thc t trc s dng a truy nhp phõn chia theo bc súng - thi gian ng (DT-WDMA) hon ton giỳp trỏnh c xung t kờnh i vi c gúi tin d liu v iu khin õy l mng hỡnh sao da trờn mt PSC Mi node cú mt b thu phỏt c nh vi kờnh iu khin, mt b phỏt c nh iu chnh v mt b thu iu chnh c cho d liu... khe iu khin th i vo kờnh ca node j Sau khi nhn c gúi tin iu khin node j s la chn mt hoc nhiu node ngun S dng cỏc khe thụng tin node j s gi s cho phộp ca mỡnh ti cỏc node ỏn tt ngip i hc Chng II Cỏc mng WDM ni th ngun c la chn Vỡ s cho phộp cha lc truyn dn nờn s khụng xy ra xung t kờnh i vi gúi tin d liu Mt giao thc t trc hon ton khụng xung t khỏc cú kh nng t c thụng lng xp x 100% c gii thiu trong mng... thỳc quỏ trỡnh truyn dn d liu Mt giao thc t trc trỏnh c c xung t b thu v xung t kờnh i vi cỏc gúi tin d liu m ch ũi hi mt b thu phỏt vi mi node c trỡnh by trong mng da ỏn tt ngip i hc Chng II Cỏc mng WDM ni th trờn mt PSC v mi node cú cu trỳc TT-TR Giao thc ny cú th a chuyn i thi gian v chuyn i tr ca b thu v 0 Thi gian c chia thnh cỏc khe d liu vi chiu di ca mt khe bng vi thi gian truyn dn ca mt gúi . chuẩn mới cho các mạng ring nội thị. Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương II. Các mạng WDM nội thị 2.2 Các mạng WDM nội thị hình sao Các mạng WDM nội thị hình sao. án tốt ngiệp Đại học Chương II. Các mạng WDM nội thị CÁC MẠNG WDM NỘI THỊ Các mạng nội thị nằm giữa các mạng truy nhập và mạng đường trục như được vẽ trên