(Luận văn thạc sĩ) kỹ thuật hồi phục mạng thông tin quang WDM luận văn ths kỹ thuật điện tử viễn thông 2 07 00

Bởi vì việc đánh giá được độ tin cậy của một cấu trúc khối hệ thống và độ khả dụng của một tuyến dịch vụ trong điều kiện mạng hoạt động bình thường chưa thể đảm bảo được khả năng duy trì

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐOÀN ANH TUẤN

Kỹ thuật hồi phục mạng thông tin quang WDM

luËn v¨n th¹c sÜ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Hµ néi - 2006

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐOÀN ANH TUẤN

luËn v¨n th¹c sÜ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Cảnh Tuấn

Hµ néi - 2006

MỤC LỤC

Trang

 Lời cảm ơn ……… ……… i

 Lời cam đoan ……….……… ii

 Mục lục……… iii

 Danh mục các ký hiệu, các từ viết tắt ……… ……… vi

 Danh mục các bảng ……… ……… xiv

 Danh mục các hình vẽ, đồ thị ……… xv

 Mở đầu ……… xix

CHƯƠNG 1 : LÝ THUYẾT ĐỘ DUY TRÌ CỦA MẠNG VÀ DỊCH VỤ VIỄN THÔNG ……… 1

1.1 Giới thiệu ……… 1

1.1.1 Một số khái niệm liên quan đến chất lượng mạng …….…… 2

1.1.2 Khái niệm độ duy trì của mạng và dịch vụ viễn thông …… 4

1.2 Hồi phục mạng ……….… 7

1.2.1 Giới thiệu ……… 7

1.2.2 Các phương thức hồi phục mạng ……….… ….… 8

1.3 Khả năng duy trì tại các tầng mạng khác nhau ……… 15

1.3.1 Giới thiệu … ……… 15

1.3.2 Kỹ thuật duy trì của tầng WDM ……… 18

1.3.3 Kỹ thuật duy trì của tầng SONET/SDH ……… 22

1.3.4 So sánh khả năng duy trì của các tầng mạng khác nhau … 25

1.4 Các tham số đánh giá độ duy trì .……… 26

1.4.1 Các tham số độ duy trì của người sử dụng ……… 27

1.4.2 Các tham số độ duy trì kỹ thuật ……… 28

1.5 Độ duy trì trong mạng thông tin quang WDM ……… 34

1.5.1 Giới thiệu chung ……… 34

1.5.2 Các khả năng thực thi ……… 37

CHƯƠNG 2 : CÁC KỊCH BẢN HỒI PHỤC MẠNG THÔNG TIN QUANG WDM

……… ……… ……… ……… 41

2.1 Các kịch bản hồi phục trong một số cấu trúc tôpô mạng điển hình … 41 2.1.1 Hồi phục mạng WDM có cấu trúc tôpô line ……… 41

2.1.2 Hồi phục mạng WDM có cấu trúc tôpô ring ……… 42

2.1.3 Hồi phục mạng WDM có cấu trúc tôpô mesh ………… 50

2.1.4 Hồi phục trong kiến trúc liên kết giữa các miền quang … 58

2.1.5 Nhận xét ưu nhược điểm của các kịch bản hồi phục ….… 68

2.2 Phân tích độ tin cậy và độ khả dụng của các cấu trúc bảo vệ mạng 71

2.2.1 Các cấu trúc bảo vệ mạng cơ bản 71

2.2.2 Các cấu trúc ring và P-cycle 74

CHƯƠNG 3 : CÁC KỸ THUẬT THỰC THI HỒI PHỤC ……… ………… 81

3.1 Lỗi và tách lỗi trong mạng thông tin quang WDM 81

3.1.1 Các lỗi và quản lý lỗi 81

3.1.2 Các thông tin, cảnh báo giúp chuẩn đoán sự cố 85

3.1.3 Giới thiệu một thuật toán định vị sự cố đơn giản 88

3.2 Phân bổ lưu lượng hồi phục mạng 93

3.2.1 Các mẫu nhu cầu quang 93

3.2.2 Phân bổ lưu lượng trong các ring quang bảo vệ riêng 95

3.2.3 Phân bổ lưu lượng trong các ring quang bảo vệ chia sẻ 99

3.3 Vấn đề điều khiển và trao đổi thông tin hồi phục mạng 103

3.3.1 Các phương thức và chức năng OAM của tầng quang 103

3.3.2 Giao thức chuyển mạch bảo vệ quang (OAPS) 112

3.3.3 Tương tác tín hiệu trong quá trình hồi phục sự cố 115

CHƯƠNG 4 : MẠNG THÔNG TIN QUANG WDM ĐƯỜNG TRỤC QUỐC GIA .……… 120

4.1 Cấu trúc mạng thông tin quang quốc gia 120

4.1.1 Cấu hình mạng hiện tại ……… 120

4.1.2 Xu hướng phát triển 128

4.2 Khảo sát kỹ thuật hồi phục mạng DWDM hiện tại 130

4.2.1 Khả năng hỗ trợ của thiết bị mạng đường trục 130

4.2.2 Các kỹ thuật bảo vệ đang được áp dụng 132

4.3 Các giải pháp tăng cường độ duy trì của mạng WDM 135

4.1.1 Giải pháp nâng cấp mạng hiện tại 135

4.1.2 Xem xét một số cấu hình mạng tương lai 136

 Kết luận và kiến nghị ……… 147

 Danh mục các công trình của tác giả ……… 149

 Tài liệu tham khảo ……… 149

 Phụ lục

A Các công thức cơ bản tính độ tin cậy và độ khả dụng

B Các cấu hình bảo vệ mạng thiết bị DX-140 hỗ trợ

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT

ADM Add Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen/rẽ

AIS Alarm Indication Signal Tín hiệu chỉ thị cảnh báo

ANN Artificial Neural Network Mạng thần kinh nhân tạo

ANSI Americal National Standards

networks

Mạng quang chuyển mạch tự động

ATM Asynchronous Transfer Mode Phương thức chuyển giao

không đồng bộ AU-n Administrative Unit (level) n Khối quản lý n

BDI Backward Defect Indication Chỉ thị sư cố tải tin về phía sau BEI Backward Error Indication Chỉ thị lỗi về phía sau

BIP-n Bit Interleaved Parity Order - n Từ mã kiểm tra chẵn xen bit n CCU Central Control Unit Bộ phận điều khiển trung tâm CDC Cycle Double Covers Kỹ thuật phủ vòng kép

COMMS

OH

General management communications overhead

Mào đầu truyền thông quản lý chung

CPU Central Processing Unit Khối xử lý trung tâm

CRC-10 Cyclic Redundancy Check 10 Kiểm tra dư chu trình-10

DEG Degraded performance Phát hiện suy giảm hiệu năng

DLE Dynamic Lightpath

Establishment

Thiết lập tuyến quang động

DLP Dedecated line Protection Bảo vệ đoạn riêng

DPP Dedecated Path Protection Bảo vệ tuyến riêng

DS-n Digital Signal level n Tín hiệu số mức n

DXC Digital Cross Connect Bộ kết nối chéo số

EDFA Erbium Doped Fibre Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi

EMS Element Management System Hệ thống quản lý thành phần ETSI European Telecommunications

FERF Far End Receive Fail Mất thu đầu xa

FDI Forward Defect Indication Chỉ thị sư cố tải tin về phía

trước FMS Fault Management System Hệ thống quản lý sự cố

FOP Failure Of Protocol Sự cố giao thức

GTE Global Testing Equipment Thiết bị kiểm tra chung

GCC0 General Communication Channel

0

Kênh thông tin chung

ILP Integer Linear Program Chương trình tuyến tính

nguyên

IP Internet Protocol Giao thức Internet

ITE Individual Testing Equipment Thiết bị kiểm tra riêng

LCP Least-congested-path Tuyến it xung đột nhất

LOG Logging function Chức năng ghi nhật ký

LSA Link State Advertisement Thông báo trạng thái tuyến

LTP Line Terminal Point Điểm kết cuối đường dây

MFAS MultiFrame Alignment Signal Tín hiệu đồng chỉnh đa khung MIB Management Information Base (Cấu trúc cây) dựa trên thông

tin quản lý MPLS MultiProtocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao

thức MPS MultiProtocol Lambda Switching Chuyển mạch bước sóng đa

giao thức

MSTE Multiplex Section Terminating

Element

Thiết bị kết cuối phần ghép kênh

NEL Network Element Layer Tầng thành phần mạng

NEML Network Element Management

Layer

Tầng quản lý thành phần mạng

NMI Network Management Interface Giao diện quản lý mạng

NML Network Management Layer Tầng quản lý mạng

NMS Network Management System Hệ thống quản lý mạng

NVS Network Visualisation Service (Tầng) dịch vụ mạng ảo

OA Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang

OADM Optical Add Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen/rẽ quang OA&M Operation, Administration and

Maintenance

Vận hành, quản lý và bảo dƣỡng

OCG Optical Channel Group Nhóm kênh quang

Ring bảo vệ chia sẻ kênh quang

OCh-OH Optical Channel non-associated

O-E-O Optical-Electronical-Optical Biến đổi quang-điện-quang

OLT Optical Line Terminal Kết cuối đường dây quang

OMS Optical Multiplex Section Tầng ghép kênh quang

OOS OTM Overhead Signal Tín hiệu mào đầu OTM

OPS Operational State function Chức năng trạng thái vận hành OPUk-

OS Operation System Hệ thống khai thác

OSC Optical Supervisory Channel Kênh điều khiển và giám sát

quang OSNR Optical Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

quang OTM Optical Transport Module Mô-dul truyền tải quang

OTN Optical Transport Network Mạng truyền dẫn quang

OTS Optical Transport Section Tầng truyền tải quang

OTS-OH Optical Transmission Section

OULSR Optical unidirectional

PLM Payload Type Mýmatch Tín hiệu không tương thích

kiểu tải tin PMI Payload Missing Indication Chỉ thị mất tải tin

PRS Fault Cause Persistency function Chức năng lưu nguyên nhân

gây sự cố PSI Payload Structure Identifier Nhận diện cấu trúc tải tin

PSM Payload Structure Mismatch Mất cấu trúc tải tin

PTE Path Terminal Equipment Thiết bị kết cuối tuyến

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

RCL Relative Capacity Loss Tổn thất dung lượng liên quan RDI Remote Defect Indication Chỉ thị sự cố đầu xa

REI Remote Error Indication Chỉ thị lỗi khối đầu xa

REP Reportable Failure function Chức năng xử lý sự cố được

báo cáo RFI Remote Failure Indication Chỉ thị mất thu đầu xa

RFWA Routing Fiber and Wavelength

Assignment

Định tuyến sợi quang và cấp phát bước sóng

RSTE Regenerator Section Terminating

Element

Thiết bị kết cuối phần phát đáp

RSVP Resource Reservation Protocol Giao thức đăng ký trước tài

nguyên

SA Simulated Annealing Công cụ mô phỏng

SDH Synchronous Digital Hierarchy Phân cấp số đồng bộ

SLE Static Lightpath Establishment Thiết lập tuyến quang tĩnh

SLP Shared-line protection Bảo vệ đoạn chia sẻ

Bảo vệ kết nối mạng con

SNML Sub-network Management Layer Tầng quản lý mạng con

SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

SOA Semiconductor Optical Amplifier Bộ khuếch quang bán dẫn

SONET Synchronous Optical Network Mạng quang đồng bộ

SPP Shared-path protection Bảo vệ tuyến chia sẻ

SRG shared risk groups Nhóm chia sẻ hiểm hoạ

STM-n Synchronous Transport Module

level N

Mô-dun truyền tải đồng bộ mức n

TCM Tandem Connection Monitoring Giám sát nối chuyển tiếp

TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền tải

TDM Time Division Multiplex Ghép kênh phân chia theo thời

gian TIM Trace Identifier Mismatch Giám sát tín hiệu nhận diện

luồng TMN Telecommunications

Management Network

Mạng quản lý viễn thông

TTI Trail Trace Identifier Nhận diện bám luồng

TWP Tuneable Wavelength Path Cấp phát tuyến bước sóng có

khả năng thay đổi UNEQ Unequipped indication Chỉ thị không có thiết bị

VWP Virtual Wavelength Path (Cấp phát) tuyến bước sóng ảo WDM Wavelength Division

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 1.1: Phân loại các phương thức hồi phục mạng……… 8

Bảng 1.2: So sánh hai chiến lược định tuyến động và theo kế hoạch định trước… 11 Bảng 1.3: So sánh hai phương pháp phục hồi………13

Bảng 1.4: So sánh giữa các tầng mạng (dịch vụ, logic, hệ thống, vật lý) ………… 17

Bảng 1.5: So sánh giữa các kiến trúc hồi phục mạng SONET/SDH……… 23

Bảng 1.6: Các dịch vụ và thời gian gián đoạn cho phép………24

Bảng 2.1: Các kỹ thuật bảo vệ trong mạng thông tin quang WDM ……… 41

Bảng 2.2: So sánh các kỹ thuật phục hồi trong mạng lưới WDM ………70

Bảng 3.1: Các chức năng chính của các khối thiết bị khác nhau trong mối quan hệ với ba tầng quang OTS, OMS và Och……… 104

Bảng 3.2: Các cảnh báo phát ra từ ba tầng quang……… 105

Bảng 3.3: Liên hệ giữa dữ liệu bản tin TNM và tầng quang……… 109

Bảng 3.4: Các tham số giao diện kênh OSC ngoài băng……… 110

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Trang

Hình 1.1: Các vấn đề chung trong thiết kế mạng viễn thông ……… 6

Hình 1.2: Các bước cơ bản của một quá trình hồi phục ……… 8

Hình 1.3: Kiến trúc điều khiển……… 10

Hình 1.4: Các luồng lưu lượng được định tuyến lại……… 12

Hình 1.5: Cấu trúc bảo vệ tại tầng quang trong mô hình lớp kết nối ……… 19

Hình 1.6: Kiến trúc của một nút trong ring WDM bảo vệ chia sẻ kênh quang … 21

Hình 1.7: Kiến trúc của một nút trong mạng ring WDM sử dụng bảo vệ OMSP….22 Hình 1.8: Các kiến trúc chuyển mạch bảo vệ SDH ……… 23

Hình 1.9: Hàm mức độ duy trì mạng s(t) ……… 29

Hình 2.1: Cấu hình bảo vệ cho tuyến thông tin quang điểm - điểm ……… 42

Hình 2.2: OCh-DPRing hai sợi……… 42

Hình 2.3: Mô hình chức năng của một nút OCh-DPRing……….43

Hình 2.4: OCh-SPRing khi bình thường và trong điều kiện sự cố đoạn ………… 44

Hình 2.5: Miêu tả các nút quang (a) nút quang với SDH ADM ở điều kiện bình thường, (b) (c) các nút kế cận với sự cố thực hiện chuyển mạch bảo vệ để định tuyến lại lưu lượng, (d) các nút khác không chuyển mạch ……… 44

Hình 2.6: Mô hình chức năng của một nút OCh-SPRing kế cận với sự cố……… 45

Hình 2.7: OMS-DPRing hai sợi ở điều kiện bình thường và khi xảy ra sự cố đoạn 46

Hình 2.8: Mô hình chức năng của một nút OMS-DPRing hai sợi……… 46

Hình 2.9: OMS-2 SPRing……… 47

Hình 2.10: Mô hình chức năng của một nút OMS-SPRing hai sợi kế cận với sự cố

48

Hình 2.11: Cấu hình của một nút chuyển mạch quang 48

Hình 2.12: Cấu hình của một nút chuyển mạch quang cross-bar OMS-SPRing 49

Hình 2.13: OMS-4 SPRING phục hồi sự cố đoạn/nút 49

Hình 2.14: Thực thi hồi phục trong mạng meshbảo vệ chia sẻ kênh dự phòng 51

Hình 2.15: Mạng mesh bảo vệ chia sẻ đoạn 52

Hình 2.16: Phân tích cấu hình lưới sử dụng kỹ thuật phủ vòng 54

Hình 2.17: Ví dụ xây dựng ring cover sử dụng Spanning tree T 54

Hình 2.18: Hai trường hợp mạng lưới WDM sử dụng kỹ thuật phủ vòng kép 56

Hình 2.19: Ví dụ các vòng bảo vệ trên một đồ thị hai chiều 56

Hình 2.20: Thực thi bảo vệ trong kỹ thuật P-cycle 57

Hình 2.21: Kỹ thuật bảo vệ dựa trên nguyên lý tạo loop vòng 57

Hình 2.22: Liên kết dual-homing dựa trên kiến trúc ring ảo 59

Hình 2.23: Kiến trúc ring ảo cải tiến 60

Hình 2.24: Kiến trúc OMS-SPRing hai mức với nút liên kết kép 62

Hình 2.25: Kiến trúc OMS-SPRing hai mức đáp ứng phục hồi hoàn toàn sự cố nút sơ cấp trong ring 1 và đứt cáp trong ring 3 63

Hình 2.26: Kiến trúc hai mức OMS-SPRing/lưới quang 65

Hình 2.27: Kiến trúc hai mức lưới quang/OMS_SPRing 67

Hình 2.28: Hệ thống bảo vệ riêng 72

Hình 2.29: Sơ đồ khối độ tin cậy của một kết nối được thiết lập trong UPSR 73

Hình 2.30: Cấu trúc của hệ thống bảo vệ chia sẻ 1:N 74

Hình 2.31: Sơ đồ khối độ tin cậy của một kết nối 2terminal truyền qua straddling -span trong 1 p-cycle 80

Hình 3.1: Hệ thống quản lý sự cố (FMS) 84

Hình 3.2: Mô hình phân cấp tầng SDH thành ba mức tuyến, MS và RS 87

Hình 3.3: Một mô hình mạng truyền dẫn ultra long haul WDM 89

Hình 3.4: Mô hình lược giảm của mạng ultra long haul WDM 89

Hình 3.5: Cây nhị phân 91

Hình 3.6: Cây nhị phân để định vị đa sự cố không lý tưởng 92

Hình 3.7: Đồ hình kết nối và ma trận nhu cầu của mẫu nhu cầu lưới toàn phần 94

Hình 3.8: Đồ hình kết nối và ma trận nhu cầu của một mẫu nhu cầu hub đơn 94

Hình 3.9: Đồ hình kết nối và ma trận nhu cầu của mẫu nhu cầu điều khiển kép 95

Hình 3.10: Đồ hình kết nối và ma trận nhu cầu của một mẫu nhu cầu nút kề nút 95

Hình 3.11: Định tuyến các kênh hoạt động và bảo vệ 96

Hình 3.12: Các ring đơn hướng (a) và hai hướng (b) bảo vệ riêng kênh quang sử dụng mẫu nhu cầu lưới toàn phần Các bước sóng bảo vệ được in nét mảnh 97

Hình 3.13: OMS-DP Ring đơn hướng ở trạng thái hoạt động (a) và bảo vệ (b) sử dụng mẫu nhu cầu lưới toàn phần Các bước sóng bảo vệ được in nét mảnh 97

Hình 3.14: Các ring đơn hướng (a) và hai hướng (b) bảo vệ riêng kênh quang sử dụng mẫu nhu cầu đơn hub Các bước sóng bảo vệ được in nét mảnh 98

Hình 3.15: Ring đơn hướng bảo vệ riêng sử dụng mẫu nhu cầu điều khiển kép 98

Hình 3.16: Ring hai hướng bảo vệ riêng kênh quang sử dụng mẫu nhu cầu điều khiển kép với nút hub được đặt ở hai vị trí khác nhau 99

Hình 3.17: Ring đơn hướng (a) và hai hướng (b) bảo vệ riêng kênh quang sử dụng mẫu nhu cầu nút kề nút Các bước sóng bảo vệ được in nét mảnh 99

Hình 3.18: OMS-SPRing hai hướng với mẫu nhu cầu lưới toàn phần, ở điều kiện hoạt động (a) và bảo vệ (b) Các bước sóng bảo vệ được in nét mảnh 100

Hình 3.19: Mô tả phương thức tính tải trên các chặng (đoạn sợi) của ring N nút 102

Hình 3.20: OMS-SPRing hai hướng với mẫu nhu cầu hub đơn Các bước sóng bảo vệ được in nét mảnh, các chấm miêu tả các bước sóng dành cho bảo vệ 102

Hình 3.21: Tổng quan về khả năng thực thi tín hiệu quản lý 107

Hình 3.22: Nguyên lý hoạt động của kênh OSC , EMF: chức năng quản lý phần tử, MCF: chức năng trao đổi bản tin 108

Hình 3.23: Thực thi của nút OXC xử lý mào đầu quang được truyền tải trong các byte mào đầu SOH chưa cấp phát của tín hiệu SDH 111

Hình 3.24: Cấu trúc gói OAPS 114

Hình 3.25: Báo hiệu và tương tác giữa các thực thể bảo dưỡng và các tầng trong trường hợp bị đứt cáp trên một đoạn liên kết WDM giữa các bộ khuyếch đại đường dây 117 Hình 3.26: Báo hiệu và tương tác giữa các thực thể bảo dưỡng và các tầng trong trường hợp bị đứt cáp trên một đoạn liên kết WDM giữa một bộ khuyếch đại đường dây và một OADM 118 Hình 3.27: Báo hiệu và tương tác giữa các thực thể bảo dưỡng và các tầng trong trường hợp bị đứt cáp trên một đoạn liên kết WDM sử dụng OLA, OXC, và OADM

119

Hình 4.1: Sơ đồ các tuyến cáp quang liên tỉnh và đường trục quốc gia 122Hình 4.2: Cấu trúc phân cấp của mạng truyền dẫn đường trục và liên tỉnh quốc gia

123Hình 4.3: Cấu hình mạng truyền dẫn đường trục của VTN 125Hình 4.4 : Các bước sóng sử dụng trong mạng đường trục 20 Gbit/s của VTN 126

Hình 4.5 : Đường đi của tín hiệu trong mạng DWDM 127

Hình 4.6: Chế độ bảo vệ chuyển mạch SNCP trong mạng 134 Hình 4.7: Cấu hình mạng đường trục hai lớp, lớp trục chính gồm hai mạng chuỗi, lớp khu vực gồm 14 ring con 140 Hình 4.8: Cấu hình mạng đường trục hai lớp, lớp trục chính gồm một mạng lưới sáu nút (áp dụng bảo vệ đồng thời cả hai phương pháp SNCP 1:1 và kỹ thuật phủ

con 141 Hình 4.9: Lớp mạng trục chính cấu hình lưới kết hợp cả bảo vệ SNCP 1+1 và bảo

vòng 142 Hình 4.10: Miêu tả việc sử dụng các thiết bị ADM, hoặc OPS tại các nút mạng đối với từng trường hợp kênh ảo cụ thể 143

Hình 4.11: Miêu tả bảo vệ riêng cho trường hợp kênh ảo Hà Nội-Hồ Chí Minh 144 Hình 4.12: Phục hồi mạng khi xảy ra sự cố đơn chặng Hà Nội-Vinh 145 Hình 4.13: Phục hồi mạng khi xảy ra sự cố kép chặng Hà Nội-Vinh, chặng Đà Nẵng-BMT, và chặng Qui Nhơn-HCM 146

MỞ ĐẦU

Trong vài thập kỷ gần đây, Công nghệ viễn thông đã có sự phát triển bùng

nổ về dung lượng với nhiều loại hình dịch vụ phong phú đáp ứng mọi nhu cầu truyền thông của xã hội ở nhiều cấp độ khác nhau Xu hướng phát triển các công nghệ và dịch vụ viễn thông băng rộng yêu cầu nâng cấp các đường truyền dung lượng cao Nhu câu đó đã thúc đẩy việc triển khai các hệ thống truyền tải thông tin quang dựa trên công nghệ WDM rộng khắp trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng Do những ưu điểm nổi bật mà công nghệ này mang lại như tăng dung lượng truyền tải thông tin trên sợi quang và là nên tảng để hướng tới mạng toàn quang tương lai

Tuy nhiên, một vấn đề cần phải đặt ra khi triển khai mạng WDM là sự tiềm

ẩn những hiểm hoạ khôn lường khi xảy ra sự cố tại tầng quang làm mất liên lạc rất nhiều lưu lượng, gây hậu quả nghiêm trọng cho hoạt động thông tin của toàn doanh nghiệp và xã hội Do vậy người ta cần có các giải pháp bảo vệ và phục hồi mạng lưới hữu hiệu nhằm duy trì hoạt động liên tục của mạng trước các sự cố

Song song với việc mở rộng dịch vụ thì vấn đề chất lượng dịch vụ (Quanlity

of Service - QoS) ngày càng được quan tâm nhiều hơn Nhà cung cấp dịch vụ có

trách nhiệm phải tổ hợp các tham số chất lượng mạng khác nhau thành một bộ chỉ tiêu để vừa đảm bảo các lợi ích kinh tế của mình đồng thời thoả mãn một cách tốt nhất cho người sử dụng dịch vụ Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng mạng được sử dụng phổ biến như: độ tin cậy, độ khả dụng, hiệu suất sử dụng, độ duy trì

Thông thường người ta có thể ước lượng thống kê được độ tin cậy của các thành phần thiết bị rồi từ đó tính được độ tin cậy của một khối chức năng hay một cấu trúc khối hệ thống Thống kê được độ khả dụng của các nút và các chặng rồi từ

đó tính được độ khả dụng của một tuyến dịch vụ cụ thể Nhưng rất khó đánh giá chính xác độ tin cậy hay độ khả dụng của toàn mạng Bởi vì việc đánh giá được độ tin cậy của một cấu trúc khối hệ thống và độ khả dụng của một tuyến dịch vụ trong điều kiện mạng hoạt động bình thường chưa thể đảm bảo được khả năng duy trì các dịch vụ cho khách hàng trong những điều kiện mạng bị sự cố Do vậy cần thiết phải chuyển sang phép đo độ duy trì để phân tích đánh giá khả năng duy trì chức năng cung cấp dịch vụ của mạng thì phù hợp với thực tiễn hơn [2, 3, 7, 11, 19, 21, 22]

“Độ duy trì của mạng được xác định bằng tỷ lệ lưu lượng (traffic), dung lượng (capacity) hoặc số lượng các kết nối (connections) còn giữ lại được, được duy trì và hồi phục khi xảy ra sự cố so với trước khi xảy ra sự cố hỏng hóc.”

Để đảm bảo khả năng hồi phục các sự cố mạng, ta phải áp dụng các kỹ thuật duy trì mạng được thực hiện ở hai pha: pha một thiết kế mạng có khả năng duy trì, pha hai thực hiện hồi phục mạng và dịch vụ khi xảy ra sự cố Thiết kế mạng có khả năng duy trì là sự kết hợp các chiến lược duy trì trong pha thiết kế mạng nhằm chống lại sự tác động của các kịch bản sự cố giả thiết xảy ra ở mức hệ thống Hồi phục mạng là định tuyến lại các luồng lưu lượng bị ảnh hưởng bởi sự cố để truyền trên các tuyến dự phòng đã được dự trữ đủ dung lượng dự phòng ở pha thiết kế mạng

Luận văn sử dụng lý thuyết độ duy trì của mạng và dịch vụ làm cơ sở khoa học cho các kỹ thuật hồi phục mạng thông tin quang WDM Mục tiêu của luận văn nhằm nghiên cứu các kịch bản hồi phục trên các cấu trúc tôpô mạng WDM điển hình, và các kỹ thuật liên quan để thực thi các kỹ thuật hồi phục trên mạng thông

tin quang WDM Sau đó áp dụng vào mạng thông tin quang WDM đường trục quốc gia nhằm tìm ra những giải pháp phù hợp tăng cường khả năng hồi phục cho mạng

Cấu trúc luận văn được chia thành bốn chương:

– Chương 1: trình bày lý thuyết độ duy trì của mạng và dịch vụ viễn thông bao gồm các vấn đề cơ bản của độ duy trì, các kỹ thuật duy trì mạng, các tham số đánh giá độ duy trì; sau đó xem xét độ duy trì trong mạng thông tin quang WDM

– Chương 2: trình bày các kịch bản hồi phục trong những cấu trúc tôpô mạng WDM điển hình, sau đó phân tích độ tin cậy và độ khả dụng của các cấu trúc mạng – Chương 3: trình bày các kỹ thuật liên quan để để thực thi các kỹ thuật hồi phục trên mạng thông tin quang WDM bao gồm các kỹ thuật chuẩn đoán và tách lỗi, kỹ thuật phân bổ lưu lượng hồi phục mạng, kỹ thuật điều khiển và trao đổi thông tin hồi phục mạng

– Chương 4: trình bày về mạng thông tin quang đường trục quốc gia nhằm tìm

ra những giải pháp phù hợp tăng cường khả năng hồi phục cho mạng

Các kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ là tài liệu tham khảo hữu ích cho những người làm công tác quy hoạch thiết kế và vận hành khai thác mạng WDM

C hương 1: Lý thuyết độ duy trì của mạng và dịch vụ viễn thông

1.1 GIỚI THIỆU

Nhằm giảm chi phí đầu tư ban đầu và tăng hiệu suất sử dụng các phương tiện truyền thông đắt đỏ, các mạng viễn thông được xây dựng trên nguyên tắc chia

sẻ tài nguyên để đáp ứng mọi nhu cầu khai thác các dịch vụ truyền thông của xã hội

ở nhiều cấp độ khác nhau Song song với việc mở rộng dịch vụ thì vấn đề chất lượng dịch vụ (Quanlity of Service – QoS) ngày càng được quan tâm nhiều hơn và trở thành một vũ khí cạnh tranh thiết yếu của các nhà cung cấp dịch vụ

QoS được xác định bằng các chỉ tiêu định tính và định lượng Chỉ tiêu định tính thể hiện mức độ hài lòng của khách hàng, còn chỉ tiêu định lượng được thể hiện bằng các số liệu đo cụ thể Mức độ hài lòng của người sử dụng dịch vụ là những cảm nhận của khách hàng về thực hiện dịch vụ ở các mặt: hỗ trợ dịch vụ, khai thác dịch vụ, mức độ an toàn dịch vụ, và khả năng phục vụ Trong đó khả năng phục vụ là phần phụ thuộc vào đặc tính mạng nhiều nhất và bao gồm: khả năng truy nhập tới dịch vụ, khả năng duy trì dịch vụ, và mức độ hoàn hảo của dịch vụ

Mặt khác, khách hàng luôn mong muốn nhà cung cấp dịch vụ có sự công nhận cụ thể về chất lượng của các dịch vụ mà họ cung cấp Theo quan điểm của nhà cung cấp dịch vụ, khái niệm chất lượng mạng là một chuỗi tham số mạng có thể được xác định, được đo và được điều chỉnh để đạt mức độ hài lòng của người

sử dụng về chất lượng dịch vụ Nhà cung cấp dịch vụ có trách nhiệm tổ hợp các tham số chất lượng mạng khác nhau thành một bộ chỉ tiêu để vừa đảm bảo các lợi ích kinh tế của mình đồng thời thoả mãn một cách tốt nhất cho người sử dụng dịch

vụ

Ta có thể hiểu việc đánh giá chất lượng mạng chính là đánh giá các chỉ tiêu, các thông số kỹ thuật có liên quan tới khả năng truyền thông tin của mạng với các chủng loại thiết bị thuộc mạng đó Các chỉ tiêu được sử dụng phổ biến như: độ tin cậy, độ khả dụng, hiệu suất sử dụng, độ duy trì Luận văn sử dụng lý thuyết độ

duy trì của mạng và dịch vụ làm cơ sở khoa học cho các kỹ thuật hồi phục mạng thông tin quang WDM

1.1.1 Một số khái niệm liên quan đến chất lượng mạng

1.1.1.1 Độ tin cậy (reliability)

Khái niệm về độ tin cậy gồm có: độ tin cậy thành phần, độ tin cậy dịch vụ,

độ tin cậy đầy đủ; chúng được đặc trưng bằng các tham số mang tính thống kê và được tính toán bằng phương pháp ước lượng gần đúng

Theo ITU-T (E.800) định nghĩa “độ tin cậy của một đối tượng là xác suất

mà đối tượng có thể thực hiện chức năng yêu cầu trong một khoảng thời gian nhất định dưới những điều kiện làm việc xác định” [7] Hay R(t) là xác suất để không có

sự cố nào xảy ra trong khoảng thời gian [0,t) Nếu T là thời gian thực hiện thì:

Các tham số cơ bản để đánh giá độ tin cậy gồm có: hàm tin cậy hay xác suất

làm việc không hỏng R(t), xác suất hỏng Q(t), mật độ xác suất hỏng f(t), tỷ lệ hỏng

(t), thời gian trung bình giữa các sai hỏng MTBF, thời gian trung bình dành cho

sửa chữa MTTR (phụ lục A.1) Người ta thường áp dụng các tham số này để tính độ

tin cậy của một khối chức năng Trong luận văn này tôi áp dụng tính độ tin cậy của một số cấu trúc bảo vệ mạng (mục 2.2)

Nếu xét trên quan điểm dịch vụ thì độ tin cậy được định nghĩa như sau: “độ

tin cậy dịch vụ R S là xác xuất có điều kiện để hệ thống thực sự có khả năng tích luỹ

đủ thời gian để thực hiện r đơn vị thời gian mà dịch vụ s yêu cầu, với giả thiết hệ thống đã khởi động dịch vụ s ở thời điểm t”

Độ tin cậy đầy đủ được định nghĩa như sau: “độ tin cậy đầy đủ là xác xuất

có điều kiện của một kết nối c yêu cầu r đơn vị thời gian để hoàn tất việc lưu

chuyển thông tin, được mạng hoàn tất ở thời điểm t’ t+r, với giả thiết kết nối c được mạng chấp nhận ở thời điểm t”

Nói chung ta rất khó đánh giá cụ thể độ tin cậy dịch vụ và độ tin cậy đầy đủ nên phải sử dụng các công cụ tính toán khác như độ khả dụng của dịch vụ, độ duy trì của mạng, hiệu suất sử dụng thiết bị [2, 7]

Ý nghĩa thực tế của việc đánh giá độ tin cậy nhằm xây dựng bộ chỉ tiêu kỹ thuật trong các tài liệu chào thầu, đấu thầu cung cấp thiết bị để đánh giá chất lượng và giá thành thiết bị; lập kế hoạch đầu tư, quản lý khai thác: xác định thời gian trung bình cho sửa chữa và chu kỳ bảo dưỡng phù hợp, thời gian khấu hao cho mỗi thiết bị cần nhỏ hơn hoặc bằng MTBF, số lượng dự trữ thiết bị [2]

1.1.1.2 Độ khả dụng (availability)

Theo khuyến nghị M.60 (1988) và G.911 (1993) của ITU-T định nghĩa “độ

khả dụng của một đối tượng là trạng thái thực hiện chức năng yêu cầu tại thời điểm bất kỳ trong khoảng thời gian quy định” Độ khả dụng (A) phụ thuộc vào độ tin cậy

của thiết bị và hoạt động bảo dưỡng thiết bị [7]

A = P {hệ thống đang ở trạng thái hoạt động tại thời điểm t} (P.1.3) Giả sử trong chu kỳ quan sát có N lần bị sự cố, TTF(i) là khoảng thời gian giữa hai sự cố liên tiếp thứ i-1 và thứ i, TTR(i) là khoảng thời gian để sửa chữa sự

cố thứ i, MTTR là thời gian trung bình dành cho sửa chữa,  = 1/MTTR là tốc độ

sửa chữa và  = 1/MTTF là cường độ hỏng (phụ lục A.1)

MTTF i

TTR i

TTF

i TTF T

i TTF

i

N i

N i obs

N i

1 1

1

Các tham số cơ bản để đánh giá độ khả dụng như: hàm độ khả dụng A(t), độ không khả dụng U = 1 - A, độ tổn thất liên lạc trung bình ELT (expected loss of traffic), xác suất để bị n lần ngừng chạy trong 1 năm (phụ lục A.1)

Khi xem xét vấn đề độ khả dụng trong mạng viễn thông, ta rất khó đánh giá

từ quan điểm của khách hàng thì sẽ có những đối tượng gần gũi hơn Ví dụ khách hàng muốn thuê một kết nối từ một mạng có độ khả dụng là 0,95 hay 0,999 thì độ khả dụng của dịch vụ được cung cấp sẽ tiến tới độ đo mức khả dụng của tuyến dịch

vụ đó; nó phụ thuộc vào chiều dài của tuyến hay cụ thể là các chặng và các nút mà tuyến đó đi qua

1.1.1.3 Sự cần thiết của phép đo độ duy trì

Phần trên đã nêu lên các khái niệm độ tin cậy và độ khả dụng, chúng có liên

hệ gần gũi với nhau nhưng không bị trùng lặp Trong một khoảng thời gian nhất định, dưới điều kiện làm việc xác định, độ tin cậy đặc trưng cho khả năng có thể thực hiện chức năng yêu cầu của đối tượng; độ khả dụng đặc trưng cho trạng thái thực hiện chức năng yêu cầu của đối tượng [2, 7]

Thông thường người ta có thể ước lượng thống kê được độ tin cậy của các thành phần thiết bị rồi từ đó tính được độ tin cậy của một khối chức năng hay một cấu trúc khối hệ thống Thống kê được độ khả dụng của các nút và các chặng rồi từ

đó tính được độ khả dụng của một tuyến dịch vụ cụ thể Nhưng rất khó đánh giá chính xác độ tin cậy hay độ khả dụng của toàn mạng Bởi vì việc đánh giá được độ tin cậy của một cấu trúc khối hệ thống và độ khả dụng của một tuyến dịch vụ trong điều kiện mạng hoạt động bình thường chưa thể đảm bảo được khả năng duy trì các dịch vụ cho khách hàng trong những điều kiện mạng bị sự cố Do vậy cần thiết phải

có một phép đo khác để phân tích đánh giá khả năng duy trì chức năng cung cấp dịch vụ của mạng thì phù hợp với thực tiễn hơn [2, 3, 7, 11, 19, 21, 22]

Cùng với sự ra đời của các công nghệ và dịch vụ viễn thông băng rộng, với các đường truyền dung lượng cao, thì sự cố hỏng hóc của chỉ một liên kết đơn thôi

là đã có thể dẫn đến những hậu quả rất nghiêm trọng, trong các trường hợp như vậy người ta cần quan tâm đến khả năng duy trì, bảo vệ và hồi phục thông tin của mạng lưới Từ nhu cầu đó việc đánh giá độ duy trì (survivability) đã được nhiều tổ chức nghiên cứu viễn thông khác nhau trên thế giới quan tâm và nhanh chóng trở thành một trong những vấn đề quan trọng nhất của mạng viễn thông hiện đại

1.1.2 Khái niệm độ duy trì của mạng và dịch vụ viễn thông

Theo các tài liệu của Viện tiêu chuẩn quốc gia Hoa kỳ ANSI [8] thì độ duy trì của mạng được định nghĩa như sau:

“Độ duy trì của mạng là khả năng duy trì hoặc phục hồi hoạt động ở mức có thể chấp nhận được khi mạng có sự cố do áp dụng các kỹ thuật hồi phục khác nhau

và giảm nhẹ hoặc ngăn ngừa việc mất dịch vụ từ các sự cố mạng do áp dụng các kỹ thuật phòng ngừa.”

“Độ duy trì của mạng được xác định bằng tỷ lệ lưu lượng (traffic), dung lượng (capacity) hoặc số lượng các kết nối (connections) còn giữ lại được, được duy trì và hồi phục khi xảy ra sự cố so với trước khi xảy ra sự cố hỏng hóc.”

Trong một khoảng thời gian nhất định dưới những điều kiện làm việc bị sự

cố, độ duy trì đặc trưng cho khả năng duy trì việc thực hiện chức năng yêu cầu Đứng từ góc độ của người sử dụng, ta có thể đánh giá độ duy trì dịch vụ dựa trên các chỉ tiêu cơ bản như: sự mất dịch vụ, khoảng thời gian mất dịch vụ, và mức độ ảnh hưởng Đứng từ góc độ kỹ thuật, ta có thể đánh giá độ duy trì của mạng dựa trên các chỉ tiêu cơ bản như: mức độ duy trì mạng, chất lượng bảo vệ dịch vụ, thời gian hồi phục, sử dụng tài nguyên mạng, mức độ điều khiển phức tạp (mục 1.4)

Nguyên nhân gây sự cố trong các mạng rất đa dạng, bao gồm sự hỏng thiết

bị phần tử mạng, lỗi phần mềm, các hoạt động bảo dưỡng/kiểm tu không thích đáng/sai, các thảm hoạ thiên nhiên (sét đánh, bão tố, động đất, lũ lụt), các tai nạn (tự gẫy vỡ, cháy nổ, mất nguồn, tai nạn giao thông) và sự phá hoại của con người (trộm cắp, phá hoại các công trình, thiết bị, hệ thống viễn thông)

Để đảm bảo khả năng đề phòng và hồi phục các sự cố mạng, ta phải áp dụng các kỹ thuật duy trì mạng được thực hiện ở hai pha: pha một thiết kế mạng có khả năng duy trì, pha hai thực hiện hồi phục mạng và dịch vụ khi xảy ra sự cố

Công việc thiết kế mạng được miêu tả trên hình 1.1 bao gồm: thiết kế cấu trúc tôpô mạng, thiết kế dung lượng và cấp phát luồng Thiết kế mạng có khả năng duy trì là sự kết hợp các chiến lược duy trì trong pha thiết kế mạng nhằm chống lại

sự tác động của các kịch bản sự cố giả thiết xảy ra ở mức hệ thống

Đối với mỗi cấu trúc tôpô mạng được đề xuất, cấp phát dung lượng dự phòng (SCA) là công việc chính trong việc định cỡ một mạng có khả năng duy trì SCA phải đảm bảo đủ dung lượng dự phòng cho mạng vật lý hoặc mạng ảo để hồi phục bằng cách định tuyến lại lưu lượng khi xảy ra một sự cố (như mất bất kỳ một liên kết nào) Ví dụ khi đưa ra một cấu trúc tôpô mạng SONET/SDH kiểu lưới, bảng nhu cầu lưu lượng và cấp phát luồng cho chúng, thì vấn đề là phải dự trữ bao nhiêu dung lượng dự phòng ở những đâu để mạng chịu được các kịch bản sự cố giả thiết [23]

Hồi phục mạng là định tuyến lại các luồng lưu lượng bị ảnh hưởng bởi sự cố

để truyền trên các tuyến dự phòng đã được dự trữ đủ dung lượng dự phòng ở pha thiết kế mạng Có thể thực hiện hồi phục phân tán tại các nút mạng có chức năng chuyển mạch bảo vệ tự động (APS), hoăc sử dụng các chương trình quản lý lưu lượng trong các trung tâm điều khiển mạng để tìm và định hướng lại tải mạng sao

Thiết kế cấu trúc tôpô mạng

Hình 1.1: Các vấn đề chung trong thiết kế mạng viễn thông

Yêu cầu

lưu lượng tải

Cấu trúc tôpô mạng

Tổng hợp mạng

Cấp phát dung lượng

Cấp phát luồng

Định tuyến

Định

cỡ

Băng thông của liên kết

Chọn tuyến

cho một sự cố chỉ gây tổn hại tối thiểu khi nó xảy ra và các kết nối bị ảnh hưởng bởi sự cố được hồi phục trong khi vẫn duy trì sự ổn định của mạng

Mỗi cách thức hồi phục có ưu nhược điểm riêng, sự cấp phát dung lượng dự phòng hiệu quả có thể không phản ứng nhanh trước một sự cố bất ngờ, trong khi một phương thức hồi phục phân tán nhanh lại không thể sử dụng băng thông một cách hiệu quả Do đó phải sử dụng kết hợp cả hai tuỳ theo các trường hợp cụ thể

1.2 HỒI PHỤC MẠNG

1.2.1 Giới thiệu

Phần này sẽ trình bày các bước thực thi hồi phục mạng và các phương thức hồi phục mạng nói chung; ở phần tiếp theo (mục 1.3) sẽ giới thiệu các kỹ thuật hồi phục cụ thể được sử dụng trên các tầng mạng khác nhau Hình 1.2 mô tả các bước chính trong một quá trình thực hiện hồi phục mạng từ lúc phát hiện ra sự cố cho tới khi đưa được mạng trở về trạng thái làm việc bình thường

 Phát hiện sự cố (tách lỗi):

Các phần tử trên mạng thông qua việc giám sát các đặc tính kênh truyền (như công suất tín hiệu, BER, SNR) để xác định xem có xuất hiện sự cố nào trên mạng hay không

Tầng vật lý thường dựa trên kiểm tra công suất để phát hiện sự mất tín hiệu hoặc kiểm tra lỗi mã hoá vật lý Hai tầng SDH và ATM dựa trên các bit kiểm tra

mã hoá sai trong các luồng thông tin; đó là các bít kiểm tra chẵn lẻ trong phần mào đầu của khung STM-n và trường HEC trong các tế bào ATM

 Thông báo:

Chức năng này phát các cảnh báo tới tất cả các phần tử mạng bị ảnh hưởng bởi sự cố và khởi động quá trình hồi phục mạng với hai quá trình thực hiện song song (sửa chữa và cấu hình lại)

 Quá trình sửa chữa được thực hiện ở những nơi sự cố đã bị cô lập, tiến hành sửa chữa các bộ phận bị lỗi

 Quá trình cấu hình lại được thực hiện ở những nơi đã xác định được các luồng lưu lượng bị ảnh hưởng trong các nút mạng Các tuyến dự phòng cho các luồng bị mất được chọn và định tuyến lại

Khi quá trình sửa chữa kết thúc thì quá trình hồi phục sẽ đưa được mạng trở

về trạng thái bình thường một cách tự động hoặc dưới sự điều khiển nhân công của nhân viên điều hành mạng

1.2.2 Các phương thức hồi phục mạng

Các phương thức hồi phục mạng được phân loại dựa trên các đặc tính cụ thể (bảng 1.1) như: kiến trúc điều khiển, cấp phát tài nguyên, loại lưu lượng được định tuyến lại, sự phối hợp hồi phục giữa các tầng mạng, mỗi quan hệ giữa các hệ thống làm việc và dự phòng, cấu trúc chuyển mạch bảo vệ [12, 13]

sửa chữa

Đặc tính hồi phục Phân loại

Cấp phát tài nguyên dự phòng cấp phát trước cấp phát động

Định tuyến lại luồng lưu lượng tuyến một phần đoạn

Số lượng các tầng mạng tham gia 1 N > 1

Sự phối hợp giữa các tầng mạng độc lập có phối hợp

Quan hệ giữa hệ thống làm việc và

Bảng 1.1: Phân loại các phương thức hồi phục mạng

1.2.2.1 Phân biệt bảo vệ khác với phục hồi

Kỹ thuật bảo vệ (protection): là một phương thức hồi phục mạng sử dụng các tài nguyên bảo vệ được cấp phát trước để truyền lưu lượng tải hoạt động trên kênh bị ảnh hưởng bởi sự cố nhằm đảm bảo khả năng duy trì của mạng

Kỹ thuật phục hồi (recovery): là một phương thức hồi phục mạng sử dụng các tài nguyên dự phòng khả dụng để định tuyến lại lưu lượng được giả định sau khi xảy ra sự cố theo tình trạng hiện tại của mạng

Điểm phân biệt giữa chúng là các kỹ thuật bảo vệ dựa trên các kịch bản để xác định tuyến/đoạn bảo vệ cho mỗi tuyến/đoạn hoạt động cần bảo vệ trước khi xảy

ra sự cố, còn các kỹ thuật phục hồi sử dụng các thuật toán định tuyến lại để tìm một tuyến/đoạn dự phòng khả dụng thay thế tạm thời cho tuyến/đoạn hoạt động bị ảnh hưởng sau khi xảy ra sự cố Do đó các kỹ thuật bảo vệ thường đáp ứng thời gian hồi phục nhanh hơn nhưng bù lại các kỹ thuật phục hồi động cho phép sử dụng tài

1.2.2.2 Kiến trúc điều khiển

 Kiến trúc điều khiển tập trung:

Hoạt động xử lý phục hồi được điều khiển tập trung tại bộ phận điều khiển trung tâm (CCU), nơi quản lý tập trung thông tin trạng thái của mạng thông qua các liên kết điều khiển và cơ sở dữ liệu CCU có thể được tích hợp trên nhiều hệ OS để thực hiện hoạt động hồi phục và lập kế hoạch dung lượng Mặt khác kiến trúc điều khiển này không yêu cầu trao đổi thông tin giữa các bộ kết nối chéo nên cho phép thích nghi tốt với nhiều loại thiết bị mạng

 Kiến trúc điều khiển phân tán:

Hoạt động xử lý phục hồi được điều khiển phân tán tại một vài bộ phận điều khiển (CU) định vị ngay trong mỗi NE Thông tin trạng thái của mạng được phân tán thành nhiều cơ sở dữ liệu Mỗi NE chỉ quản lý thông tin mạng nội bộ về các kết nối với các nút lân cận và các tuyến đường dự phòng Do đó NE không thể nhìn thấy cấu trúc toàn mạng và tiến trình phục hồi đòi hỏi phải trao đổi nhiều bản tin điều khiển giữa các NE theo một vài qui tắc đơn giản

So sánh hai kiến trúc điều khiển trên:

 Kiến trúc điều khiển phân tán cho phép các tác vụ được thực hiện song song thay vì thực hiện tuần tự trong kiến trúc điều khiển tập trung, nên thời gian hồi phục của điều khiển phân tán ngắn hơn nhiều

Kết nối chéo CU

Kết nối chéo

CU

Kết nối chéo CU

Kết nối chéo

Kết nối

chéo

Kết nối chéo

CCU

Hình 1.3: Kiến trúc điều khiển

 Điều khiển tập trung thực hiện giám sát mạng dễ dàng hơn điều khiển phân tán nên nó giúp trở về trạng thái hoạt động bình thường sau khi khắc phục sự cố dễ dàng hơn Đồng thời giảm tối thiểu việc trao đổi thông tin giữa các NE trong quá trình hồi phục nên giảm mức phụ thuộc lẫn nhau giữa các NE

1.2.2.3 Chiến lược định tuyến

Tuỳ thuộc vào các tuyến hồi phục được tính toán và lựa chọn trước hay sau khi sự cố xảy ra mà ta phân biệt chiến lược định tuyến thành hai loại

 Định tuyến động: khi xuất hiện sự cố thì mạng được cấu hình lại, các tuyến

hồi phục được xác định “động” theo thông tin trạng thái của mạng ở thời điểm có yêu cầu hồi phục

 Định tuyến theo kế hoạch định trước: hoạt động cấu hình lại mạng được

thực thi theo các bảng định tuyến đã tính toán trước Tất cả các tuyến phục hồi và các tác nghiệp phục hồi đã được ghi sẵn trong các bảng định tuyến dựa trên các kịch bản khắc phục sự cố tiên đoán trước

Có một số phương thức phục hồi kết hợp cả hai chiến lược định tuyến trên Trong đó áp dụng định tuyến theo kế hoạch định trước cho một số kịch bản đã dự đoán trước, và áp dụng định tuyến động cho các trường hợp khác

So sánh hai chiến lược định tuyến trên:

 Toàn bộ thời gian hồi phục bằng tổng thời gian thực thi các pha của tiến trình hồi phục Sự khác biệt chính giữa hai chiến lược định tuyến này là chiến lược định tuyến động phải mất thêm thời gian để tìm các tuyến hồi phục nên định tuyến động sẽ mất nhiều thời gian hơn định tuyến theo kế hoạch định trước

 Nếu áp dụng phương thức hồi phục theo kế hoạch định trước, cấu hình mạng sau khi khắc phục sự cố hoàn toàn đã biết trước nên nó sẽ giúp mạng trở về trạng thái bình thường dễ dàng hơn khi áp dụng phương thức định tuyến động phải giám sát và cập nhập sự thay đổi cấu hình

 Về khả năng mềm dẻo: hồi phục động sẽ tìm các tuyến đương phục hồi dựa trên trạng thái mạng tại thời điểm bị sự cố, nên chúng có khả năng thích nghi với

những thay đổi không dự đoán trước trong mạng Do đó khả năng mềm dẻo của nó tốt hơn các phương thức hồi phục theo kế hoạch định trước

Chiến lược định tuyến lại Theo kế hoạch định trước Động

Trở về trạng thái ban đầu Dễ hơn Khó hơn

Bảng 1.2: So sánh hai chiến lược định tuyến động và theo kế hoạch định trước

1.2.2.4 Luồng lưu lượng được định tuyến lại

Chúng ta có hai phương pháp: phục hồi tại các nút biên đối với luồng lưu lượng tuyến (path) hoặc một phần (fragment) và phục hồi tại các nút kế cận với sự

cố đối với luồng lưu lượng đoạn (link)

 Phục hồi tại các nút biên

Phương pháp này thực hiện định tuyến lại từ các nút đầu cuối của tuyến/đoạn thông tin trong phạm vi mạng được khoanh vùng xác định là có hư hỏng Tùy thuộc vị trí của các cặp nút giới hạn phạm vi khoanh vùng mạng hư hỏng

đó nằm ở vị trí nào trong mạng mà ta phân thành hai trường hợp: nếu cặp nút đó nằm ở biên (edge) của mạng tự trị thì thực hiện phục hồi đầu cuối đến đầu cuối, nếu cặp nút đó nằm trong phạm vi mạng tự trị (nút trung gian) thì thực hiện phục hồi tại nút trung gian:

(a) Phục hồi đầu cuối-tới-đầu cuối đối với sự cố đoạn, sự cố nút

– Phục hồi đầu cuối-tới-đầu cuối: định tuyến lại từ các nút đầu cuối của các kênh bị ảnh hưởng bởi sự cố Phương pháp phục hồi này đảm bảo hiệu quả như nhau đối với cả sự cố nút và sự cố đoạn liên kết

– Phục hồi tại nút trung gian: định tuyến lại các kênh bị ảnh hưởng bởi một sự

cố giữa bất kỳ cặp nút trung gian nào Phương pháp phục hồi này sử dụng dung lượng dự phòng rất hiệu quả vì nó cho phép định tuyến lại kết nối một cách tối ưu

mà không có các ràng buộc như hai phương pháp trên, nhưng yêu cầu thuật toán phức tạp hơn

 Phương pháp phục hồi tại nút kế cận sự cố

Phục hồi tại nút kế cận sự cố: định tuyến lại cho các kênh đi trên đoạn nối

giữa hai nút kế cận với sự cố đoạn, phương pháp phục hồi này không hồi phục được lưu lượng trong trường hợp sự cố nút

So sánh hai phương pháp phục hồi:

 Phương pháp phục hồi tại các nút biên thường cho kết quả tuyến phục hồi dài hơn so với phương pháp phục hồi tại nút kế cận sự cố Tuy vậy phương pháp thứ hai lại yêu cầu phải tập trung nhiều dung lượng dự phòng gần các vị trí dễ gặp

sự cố dẫn đến tổng dung lượng dự phòng mà nó yêu cầu cao hơn trong khi phương pháp đầu có thể lập kế hoạch dung lượng dự phòng vừa đủ để hồi phục các sự cố đơn phù hợp với qui mô mạng

 Về khả năng khắc phục sự cố: tất cả các phương pháp phục hồi đều áp dụng được cho một sự cố chặng (span) Riêng phương pháp phục hồi tại nút kế cận sự cố không có khả năng đối phó với sự cố nút

 Về thời gian phục hồi: phương pháp phục hồi tại nút kế cận sự cố có thể sử dụng ở mức đoạn ghép kênh quang (OMS), liên quan tới ít nút hơn và thường cho tuyến đường phục hồi ngắn hơn nên đáp ứng hồi phục nhanh hơn

Phương pháp phục hồi Nút kế cận sự cố Nút biên

Dung lượng dự phòng yêu cầu Nhiều hơn ít hơn

Khả năng khắc phục sự cố Tồi hơn Tốt hơn

Bảng 1.3: So sánh hai phương pháp phục hồi

1.2.2.5 Số lượng hệ thống làm việc và dự phòng

 Bảo vệ 1+1: dành riêng một hệ thống dự phòng bảo vệ cho mỗi hệ thống hoạt động Bình thường cả hai hệ thống cùng được sử dụng nhưng chỉ lấy kết quả của tuyến hoạt động, khi xảy ra sự cố thì chuyển mạch sang hệ thống dự phòng

 Bảo vệ M:N: chia sẻ M hệ thống dự phòng bảo vệ cho N hệ thống hoạt động cùng chủng loại Bình thường có thể sử dụng M hệ thống dự phòng này cho các mục đích khác như hoạt động thử nghiệm dịch vụ mới hoặc xử lý các công việc phụ

có mức ưu tiên thấp Khi xảy ra sự cố trên bất kỳ hệ thống hoạt động nào thì chuyển mạch bảo vệ sang một hệ thống dự phòng khả dụng

1.2.2.6 Cấu trúc hệ thống chuyển mạch bảo vệ

Ta có chuyển mạch bảo vệ đơn hướng hay cả hai hướng, loại trở về hay không trở về; chuyển mạch bảo vệ tuyến (PPS) hay bảo vệ đoạn (LPS)

 Chuyển mạch bảo vệ

– Chuyển mạch bảo vệ đơn hướng: Chỉ lưu lượng trên hướng truyền dẫn nào

có sự cố thì mới chuyển mạch bảo vệ sang kênh dự phòng, còn các hướng khác không có sự cố thì giữ nguyên

– Chuyển mạch bảo vệ hai hướng: Nếu có bất kỳ một hướng hoạt động nào bị

sự cố thì cả hai hướng cùng chuyển mạch bảo vệ sang kênh bảo vệ

 Loại có trở về hay không trở về

– Bảo vệ kiểu có trở về: sau khi chuyển mạch bảo vệ sang kênh dự phòng mà khôi phục lại được đường truyền sự cố thì lưu lượng tự động chuyển từ kênh bảo vệ

về kênh hoạt động đã được khôi phục Phương pháp bảo vệ này thường áp dụng cho bảo vệ chia sẻ M:N (điển hình là 1:N)

– Bảo vệ kiểu không trở về: sau khi chuyển mạch bảo vệ sang kênh dự phòng

mà khôi phục lại được đường truyền sự cố thì vẫn truyền lưu lượng trên kênh dự phòng Phương pháp bảo vệ này thường áp dụng cho bảo vệ riêng 1+1

1.3 KHẢ NĂNG DUY TRÌ TẠI CÁC TẦNG MẠNG KHÁC NHAU

1.3.1.1 Tầng vật lý

Tầng vật lý được chia thành hai lớp con: lớp địa lý bao gồm các nhà trạm và các công trình ngoại vi, lớp phương tiện truyền thông bao gồm các phương tiện truyền dẫn cáp và vô tuyến

Các sự cố thường xảy ra ở tầng vật lý như các thảm hoạ thiên nhiên, sự cố nguồn điện, điều kiện môi trường làm việc không đảm bảo (nhiệt độ, độ ẩm, bụi, điện từ trường), đứt cáp hoặc cáp xấu, đứt/nhiễu tuyến vô tuyến Để đảm bảo độ tin cậy của tầng vật lý ta phải đảm bảo các điều kiện dự phòng vật lý như sau:

– Xây dựng các công trình ngoại vi an toàn (nhà trạm, cống bể đỡ cáp, cột anten), thường xuyên tuần tra bảo vệ công trình, di chuyển công trình ra khỏi khu vực địa lý bị xâm phạm

– Cung cấp các hệ thống bảo vệ nguồn điện chống sét đánh và dự phòng nóng hai nguồn song song, phòng chống cháy nổ, các hệ thống điều hoà, quạt làm mát, lọc bụi đảm bảo điều kiện tản nhiệt và độ ẩm tốt, thường xuyên vệ sinh công nghiệp và bảo dưỡng theo định kỳ

– Không đặt tập trung nhiều thiết bị viễn thông trong cùng một khu vực hẹp – Thiết kế các tuyến cáp, tuyến vô tuyến dự phòng có dung lượng tương đương để ứng cứu thông tin khi tuyến thông tin đang hoạt động bị sự cố

1.3.1.2 Tầng chuyển tải

Hiện nay hai tầng chuyển tải và quản lý đang đan xen vào nhau Tầng chuyển tải có hai chức năng truyền dẫn và chuyển mạch, mỗi mạng truyền dẫn, chuyển mạch có hệ thống quản lý riêng chưa có hệ thống quản lý tích hợp Các công nghệ được sử dụng ở tầng chuyển tải: WDM, SDH, PDH, MPLS, ATM, IP

 Truyền dẫn: trong phạm vi đề tài này tôi chỉ đề cập tới truyền dẫn thông tin

quang nên tầng này chia thành hai tầng WDM và SDH Tầng quang WDM bao gồm các thiết bị: lặp và biến đổi bước sóng quang (WT), ghép/tách kênh quang, khuếch đại quang, đấu nối chéo quang (OXC), xen/rẽ luồng quang (OADM), server quản lý Tầng điện SDH bao gồm các thiết bị: đấu nối chéo số (DXC) với các cấu hình chức năng xen/rẽ (ADM) hay hub; ghép kênh SDH với các cấu hình chức năng lặp, đầu cuối, hay ADM; server quản lý…

Các sự cố thường xảy ra ở tầng truyền dẫn gồm có: các sự cố cứng như sự

cố tầng vật lý tác động lên tầng truyền dẫn, sự cố phần cứng thiết bị truyền dẫn (sự

cố card nhánh ảnh hưởng một phần liên lạc, sự cố card tổng, card thực hiện đấu nối chéo hoặc card CPU điều khiển làm mất toàn bộ liên lạc qua thiết bị); các sự cố mềm như lỗi phần mềm quản lý và điều khiển (mức độ nhẹ chỉ xuất hiện các cảnh báo giả và không mất liên lạc, nặng có thể làm mất liên lạc như các lỗi cấu hình, lỗi chuyển mạch, lỗi thuật toán ) Để đảm bảo độ duy trì của tầng truyền dẫn ta phải thiết kế cấu trúc tôpô mạng truyền dẫn có khả năng duy trì và áp dụng các phương thức hồi phục mạng sẽ được trình bày ở phần sau

 Chuyển mạch: bao gồm các thiết bị như các tổng đài, router, switch,

gateway… Các sự cố thường xảy ra ở tầng chuyển mạch gồm có: các sự cố cứng như sự cố tầng vật lý, hay truyền dẫn tác động lên tầng chuyển mạch, sự cố phần cứng thiết bị chuyển mạch làm đứt các kết nối, sự cố nghẽn mạch do lưu lượng tải vượt quá dung lượng trường chuyển mạch; các sự cố mềm như lỗi định tuyến, lỗi chuyển mạch, lỗi phần mềm quản lý và điều khiển… Để đảm bảo độ duy trì của tầng chuyển mạch trước tiên ta phải đảm bảo độ duy trì của các tầng vật lý và truyền dẫn ở dưới, thiết kế cấu trúc hệ thống mạng chuyển mạch có khả năng duy trì và áp dụng các phương thức hồi phục mạng sẽ được trình bày ở phần sau

Bảng 1.5 thống kê một số đặc điểm phân biệt chính quy định khả năng cung cấp chức năng hồi phục giữa các tầng mạng WDM, SDH, ATM, IP/MPLS

VP/VC có băng thông thay đổi được, các AALs

IntServ, DiffServ, các lớp tài nguyên Kiến

trúc

Phẳng,

ch/mạch cứng Phẳng, kết nối chéo

Kết nối ảo ở các mức VP/VC Stackable LSPs Tách

lỗi

Tầng vật lý,

nhanh

Tầng vật lý hoặc các bit OAM trong khung tín hiệu

Các tế bào OAM Keep-alive, các

chuẩn mới

SPVC, zero-BW

VP

CR-LDP, RSVP extension

Bảng 1.5: So sánh giữa các tầng mạng chuyển tải

1.3.1.3 Tầng dịch vụ

Tầng dịch vụ bao gồm các server dịch vụ, các thiết bị đầu cuối mạng và đầu cuối khách hàng Các sự cố thường xảy ra ở tầng dịch vụ như: mất khả năng cung cấp dịch vụ/mất dịch vụ do sự cố ở các tầng vật lý, truyền dẫn, chuyển mạch tác động lên tầng dịch vụ, sự cố nguồn điện, sự cố phần cứng thiết bị đầu cuối mạng/khách hàng hoặc thiết bị bị treo; chất lượng dịch vụ không được đảm bảo đúng yêu cầu về băng thông, thời gian thực do bị nghẽn đường truyền …

Để đảm bảo độ tin cậy của tầng dịch vụ ta có thể thực hiện các biện pháp sau: thiết kế máy chủ dịch vụ có khả năng chống lỗi cao (có các tính năng như khả năng quản trị từ xa mọi thiết bị đầu cuối, điều khiển từ xa khởi động lại phần cứng trong trường hợp bị treo, có hệ điều hành hỗ trợ thay đổi cấu hình mà không cần khởi động lại máy, có nguồn nuôi dự phòng linh hoạt) Đo khả năng chịu lỗi của mạng (tỷ lệ % lưu lượng bị gián đoạn bởi một sự cố, thời gian xảy ra sự cố, xác xuất xảy ra sự cố…), xác định các điểm thắt cổ chai và xác suất mà băng thông tại nút thắt cổ chai của liên kết đó lớn hơn ngưỡng yêu cầu  định cỡ lại nút mạng để

mở rộng/nâng cấp thiết bị, đường truyền dự phòng, định tuyến lại để cân bằng tải…

1.3.2 Kỹ thuật duy trì của tầng WDM

Hiện nay các mạng truyền tải mới sử dụng công nghệ truyền dẫn quang WDM ở mức phương tiện vật lý, các kỹ thuật hồi phục tuyến lưu lượng truyền thống được thực thi trên tầng điện có một số ưu điểm Tuy vậy việc đề xuất kỹ thuật hồi phục tuyến trên tầng quang WDM - phương tiện truyền dẫn chung cho nhiều lưu lượng tải khác nhau (SDH, ATM, IP) mang ý nghĩa đặc biệt quan trong đối với hồi phục mạng và hứa hẹn khả năng ứng dụng rộng rãi

Tầng WDM có ba đặc điểm chính: một là không có kênh báo hiệu trong băng nên phải thiết lập kênh báo hiệu ngoài băng cho mục đích quản lý và điều

khiển mạng, hai là sử dụng giao thức MPS hoặc GMPLS để điều khiển các bước sóng tầng quang, ba là một sự cố sợi quang sẽ gây mất tất cả các bước sóng truyền trên sợi quang đó nên tuyến dự phòng và hoạt động phải được thiết lập trên các tuyến sợi quang tách biệt nhau

Các kỹ thuật hồi phục tuyến quang được phân loại dựa trên hai đặc tính sau: một là đối tượng chịu tác động, hai là phạm vi ảnh hưởng của hồi phục

Sự phân biệt các đối tượng chịu tác động hồi phục dựa trên việc cấp phát bước sóng trên mạng quang Dựa trên việc có sử dụng chức năng biến đổi bước sóng hay không mà ta phân ra thành các trường hợp cấp phát bước sóng sau:

 Cấp phát tuyến bước sóng (Wavelength Path - WP): chỉ cấp phát một bước sóng duy nhất dọc theo tuyến đường từ nút nguồn tới nút đích Trường hợp này dẫn đến nguy cơ xung đột bước sóng giữa hai tuyến chia sẻ cùng một sợi quang

 Cấp phát tuyến bước sóng ảo (Virtual Wavelength Path - VWP): bước sóng được cấp phát có thể thay đổi trên tuyến đường tới nút đích Trường hợp này tương

tự như hoạt động cấp phát tài nguyên trong các mạng SDH

Sự phân biệt phạm vi ảnh hưởng - tức nơi thực thi chức năng chuyển mạch bảo vệ dựa trên việc phân chia các lớp con trên tầng quang, người ta đã dựa vào hai đặc tính chính của tầng quang: một là đơn vị thông tin nhỏ nhất của một mạng quang ghép bước sóng là kênh bước sóng, hai là mối quan hệ khách/chủ (client/server) giữa các tầng kế cận nhau trong một mô hình mạng để phân chia Mô hình thứ nhất tương tự như trong SDH dựa trên sự phân chia lớp các kết nối để chia tầng quang thành ba lớp con (đoạn lặp quang, đoạn bước sóng quang, tuyến quang) dùng khi phân tích tổng quát; mô hình thứ hai dựa trên sự phân cấp chức năng để chia tầng quang thành ba lớp con (kênh quang, ghép kênh quang, truyền tải quang) dùng khi phân tích chi tiết trong các cấu trúc tôpô mạng cụ thể

 Hình 1.5.a mô tả ba lớp con của một tầng quang theo mô hình lớp kết nối [6]