Điều khiển tắc nghẽn trong mạng vdm

Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh Trường Đại Học Bách Khoa -o0o - NGUYỄN TƯỞNG DUY ĐIỀU KHIỂN TẮC NGHẼN TRONG MẠNG WDM ( CONGESTION CONTROL IN WDM NETWORK ) CBHD: TS PHẠM HỒNG LIÊN Chun ngành: Kỹ thuật vơ tuyến điện tử Khóa : 14 Mã số ngành : 2.07.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP Hờ Chí Minh, tháng 07 năm 2005 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: Cán chấm nhận xét 1: Cán chấm nhận xét 2: Luận văn Thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC TPHCM, ngày tháng năm 2005 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SỸ Họ tên học viên: NGUYỄN TƯỞNG DUY Ngày tháng năm sinh: 01/01/1980 Chuyên ngành: KỸ THUẬT VÔ TUYẾN – ĐIỆN TỬ I TÊN ĐỀ TÀI : Phái: Nam Nơi sinh: Quảng Ngãi MSHV: 01403313 ĐIỀU KHIỂN TẮC NGHẼN TRONG MẠNG WDM II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Tìm hiểu giải pháp tối thiểu xác suất tắc nghẽn mạng WDM bao gồm : Các giải thuật định tuyến gán bước sóng Các kỹ thuật chuyển đổi bước sóng Thực mơ giải thuật kiến nghị III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 19-1-2005 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 30-6-2005 V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS.PHẠM HỒNG LIÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM NGÀNH BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH Nội dung đề cương luận văn Thạc sĩ Hội đồng Chuyên ngành thông qua Ngày tháng năm 2005 PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH KHOA QUẢN LÝ NGÀNH LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN HỌ VÀ TÊN: NGUYỄN TƯỞNG DUY NGÀY THÁNG NĂM SINH: 01 tháng 01 năm 1980 NƠI SINH: Quảng Ngãi ĐỊA CHỈ LIÊN LẠC: Phịng 302G c.c Bàu Cát 2-Tân Bình- Thành phố Hồ Chí Minh Q TRÌNH ĐÀO TẠO: Từ năm 1997 đến năm 2002: học Đại học trường Đại Học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh (ngành Điện – Điện tử) Điểm luận văn : 9.57 Tốt nghiệp loại Giỏi Từ năm 2003 đến năm 2005: học Cao học trường Đại Học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh (chun ngành Kỹ thuật vơ tuyến điện tử) Q TRÌNH CÔNG TÁC: Từ năm 2002 đến (07/2005): giảng viên Khoa Điện – Điện tử thuộc trường Đại học Bán cơng Tơn Đức Thắng – Thành phố Hồ Chí Minh CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ: “Nhận dạng tiếng nói Việt dùng Wavelets Neural network” – TS Lê Tiến Thường, KS Nguyễn Tưởng Duy, KS Lư Mỹ Linh – Hội nghị Khoa học Công nghệ lần thứ – Đại học Bách Khoa TPHCM Đang tham gia đề tài“Quản lý lưu lượng mạng thông tin”, đề tài nghiên cứu cấp TS Phạm Hồng Liên làm chủ nhiệm đề tài LỜI CẢM ƠN Trước tiên em xin gởi đến Phạm Hồng Liên kính trọng lịng biết ơn sâu sắc dìu dắt, dạy bảo, hướng dẫn tận tình Em xin chân thành cảm ơn đến thầy cô tận tình bảo truyền đạt cho em kiến thức quý báu suốt hai năm cao học ngành Kỹ Thuật Vơ Tuyến Điện Tử, Khóa 14, Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh Cuối cùng, chân thành cảm ơn đồng nghiệp, bạn bè giúp đỡ tạo điều kiện trình thực luận văn TP.Hồ Chí Minh, tháng năm 2005 Nguyễn Tưởng Duy ~ Chương Tổng quan mạng truyền dẫn quang CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN MẠNG TRUYỀN DẪN QUANG 1.1 Sơ lược mạng viễn thông Một mạng viễn thông bao gồm nút thiết bị viễn thông đầu cuối nút mạng liên kết nối liền nút với Một mạng truy cập nối thiết bị đầu cuối đến nút mạng; mạng đường trục nối nút mạng với Một mạng truy cập mạng điểm-điểm, mạng mơi trường dùng chung Hình trình bày mạng truy cập dùng chung dạng bus thiết bị đầu cuối phải tranh chấp tài nguyên môi trường dùng chung kỹ thuật truy cập song song cần thiết Trong phân cấp tự nhiên mạng truy cập mạng đường trục, mạng viễn thông cấu trúc kiểu level-by-level Thơng thường, mạng AT&T có sử dụng mức phân cấp, mạng viễn thông thời sử dụng mức, : Chuyển mạch Toll End-office Có kỹ thuật chuyển mạch mạng viễn thông: Chuyển mạch mạch Chuyển mạch gói Chuyển mạch tế bào Những mạng chuyển mạch mạch đề dịch vụ hướng tới kết nối, nơi mà kết nối thiết lập từ đầu cuối đến đầu cuối trước thông tin truyền giới hạn tài nguyên dành riêng cho toàn khoảng thời gian kết nối Trong mạng chuyển mạch mạch, trì hỗn xuất trước sau thông tin truyền, khơng có trì hỗn thêm khơng có mào đầu suốt thời gian thông tin truyền Những mạng chuyển mạch gói đề dịch vụ hướng tới khơng kết nối khơng có thiết lập kết nối khơng có hạn chế tài ngun Nó đề cho dịch vụ hướng tới kết nối mà kết nối ảo thiết lập từ đầu cuối đến đầu cuối thông tin truyền nơi khơng có hạn chế tài ngun dành riêng Dữ liệu truyền gói riêng biệt với chiều dài khác Chuyển mạch gói hướng tới không kết nối yêu cầu mang thông tin địa nơi đến, chuyển mạch gói hướng tới kết nối chi sử dụng địa mạng cục Điều khiển tắc nghẽn mạng WDM ~ Chương Tổng quan mạng truyền dẫn quang Trong mạng chuyển mạch gói hướng tới khơng kết nối, nơi khơng có trì hỗn trước liệu truyền, suốt thời gian truyền gói phải mang mào đầu nó, bị trễ chờ đợi việc xử lý gói trải qua thời gian trễ xếp hàng (khi mà gói tranh chấp cho tài ngun nối với nhau) Hình 1.1 Mạng viễn thơng Chuyển mạch tế bào yêu cầu dịch vụ hướng tới kết nối, nơi mà kết nối ảo thiết lập từ đầu cuối đến đầu cuối trước liệu truyền, nơi tài nguyên dành riêng không bắt buộc Dữ liệu truyền tế bào, tế bào có chiều dài cố định địa cục Trong mạng chuyển mạch tế bào, cell mang thông tin mào đầu phải chờ đợi xử lý thông tin gói trải qua trì hỗn xếp hàng (nếu tài ngun khơng có sẵn trước thực kết nối) Chuyển mạch mạch Sử dụng tài nguyên mạng Toàn vẹn liệu Đảm bảo thời gian thực Linh hoạt Các dạng lưu lượng khác Ứng dụng Chuyển mạch gói khơng kết nối Chuyển mạch gói định hướng kết nối Chuyển mạch tế bào Không hiệu Rất hiệu Hiệu Hiệu Đảm bảo Không đảm bảo Đảm bảo Có thể Có Khơng Khơng Có thể Rất Có Rất tốt Khơng Tốt Có Tốt Có PSTN IP,SS7 X25, Frame Relay ATM Bảng 1.1 : Các loại chuyển mạch đặc tính Điều khiển tắc nghẽn mạng WDM ~ Chương Tổng quan mạng truyền dẫn quang Bảng 1.1 trình bày tóm tắt chuyển mạch mạch chuyển mạch gói khơng hướng tới kết nối, chuyển mạch gói hướng tới kết nối, chuyển mạch tế bào Sự khác kiểu chuyển mạch mạch so sánh với việc sử dụng tài nguyên mạng, toàn vẹn liệu, đảm bảo thời thời gian thực, tính linh hoạt, kiểu kênh lưu lượng khác nhau, ứng dụng thực tế Mạng viễn thông mạng PSTN mạng hoàn tương tự, mạng ISDN GSM mạng hoàn toàn số bao gồm thiết bị đầu cuối phần tử truy cập mạng Những mạng chuyển mạch gói chuyển mạch tế bào mạng hoàn số 1.2 Sơ lược truyền thông quang học 1.2.1 Các khái niệm Chúng ta xét liệu truyền qua sợi quang mục suốt thời gian truyền dẫn sợi quang, ánh sáng phát từ nguồn quang ghép vào lõi sợi quang nhựa hay thuỷ tinh hình trụ, sau lan truyền dọc theo sợi quang đến đầu thu khác Có hai loại nguồn sáng Led (light-emitting diode) ILD (injection laser diode), vật liệu bán dẫn mà tạo chùm ánh sáng điện áp Led tương đối rẻ thời gian hoạt động dài Led hoạt động mức nhiệt độ cao ILD hoạt động nguyên tắc tia laser khả sinh liệu tốc độ cao với độ rộng phổ tần nhỏ bị sắc Mạng quang đánh dấu đời laser điều chỉnh bước sóng hoạt động vùng bước sóng 1,55um “Tuneable” thiết bị tạo nhiều ánh sáng với bước sóng khác Hình 1.2 : Các dãi bước sóng có suy hao thấp cho truyền thông WDM Một máy thu quang thiết bị bán dẫn mà tách sóng ánh sáng tạo dịng điện Như làm việc ngược với LED Thiết bị nhận quang mô tả giới hạn ba tham số: hiệu suất máy thu, khoảng bước sóng quang, thời gian đáp ứng, mức nhiểu máy thu Điều khiển tắc nghẽn mạng WDM ~ Chương Tổng quan mạng truyền dẫn quang Ba vùng băng thông với mức suy hao thấp chọn sử dụng truyền dẫn quang, chúng có tâm nằm vùng: 0.85; 1.3; 1.55 um Băng thông không sử dụng nhiều, cung cấp liệu tốc độ thấp cho khoảng cách giới hạn Hai vùng băng sóng khác sử dụng hệ thống truyền dẫn WDM tốc độ cao Hình 2.2 trình bày vùng băng thông sử dụng hệ thống WDM với mức suy hao thấp, cung cấp dải thông 50THz Trong hệ thống thông tin liên lạc, liệu tương tự/số truyền phương pháp tín hiệu trình bày ví dụ tín hiệu liên tục, tín hiệu sóng since, mà đại diện ba tham số: biên độ (A); tần số (f); phase ( ϕ ) Biên độ giá trị đỉnh lớn tín hiệu thời gian Tần số tốc độ mà tín hiệu lặp lại Một tham số nửa liên quan chu kì tín hiệu T mà đo khoảng thời gian chu kỳ Pha đại lượng đo lường vị trí tương đối từ điểm quy chiếu bên chu kì đơn tín hiệu Hình 1.3 : Tín hiệu A sin(2πft + ϕ ) Bước sóng tín hiệu đại diện cho chiều dài chu kì, khoảng cách hai điểm pha tương ứng hai chu kì liên tiếp Bởi bước sóng định nghĩa là: v λ = v.T = (1.1) f Mặt khác, tín hiệu số riêng gồm mức Tín hiệu số khơng mang liệu số mà mang liệu liên tục mã hố Một tín hiệu số tuần hồn sóng vng, mà đại diện : A, f ϕ Hình 1.4 Một xung vuông ( A, f , ϕ ) 1.2.2 Sự suy hao truyền dẫn quang: Hiện tượng mà công suất tín hiệu giảm dần khoảng cách xa tín hiệu truyền biết suy giảm Khi có suy giảm, tín hiệu phải đủ mức cho phép để máy thu tách tín hiệu phải giữ cho mức tín hiệu ln cao tín hiệu nhiễu kênh Điều khiển tắc nghẽn mạng WDM Chương ~ Tổng quan mạng truyền dẫn quang Cơng suất tín hiệu làm tăng cách sử dụng khuếch đại trường hợp khoảng cách truyền dẫn xa Cộng vào đó, suy giảm hàm tăng theo tần số Hình trình bày mức nhiễu thấp sợi quang 0.2dB/Km xuất vùng 1.55um bên cạch điểm mà gia tăng băng thơng lên, suy hao tăng lên cách nhanh chóng Sự suy hao sợi quang biểu thị công thức: p' N db = −10 log10 (1.2) p P P’ biểu thị cho suy hao tính theo dB/Km, cơng suất tín hiệu đo đạt đầu sợi quang/1Km, đầu vào cơng suất tín hiệu tương ứng 1.2.3 Sự tán sắc Sự tán sắc hiệu ứng mà thành phần tần số khác tín hiệu truyền dẫn truyền với vận tốc khác sợi quang Có nhiều kiểu tán sắc khác truyền thông sợi quang Bao gồm tán sắc sợi quang đa mốt, tán sắc phân cực tán sắc thể Tán sắc đa mốt xuất sợi quang đa mốt, tín hiệu trải khoảng thời gian vận tốc truyền tín hiệu quang phát không giống cho tất mốt Sự phân cực mô tả định hướng sóng ánh sáng Những phân cực khác ánh sáng truyền tốc độ khác xuyên qua sợi quang nguyên nhân tán sắc phân cực Sự tán sắc sắc thể định rõ bước sóng lệ thuộc vào vận tốc phát yếu tố vật liệu chế tạo làm sợi quang Số lượng tán sắc phụ thuộc vào bước sóng Sự tán sắc vấn đề, dẫn đến kết giao thoa tín hiệu sợi quang dài Một cách khác để giảm bớt tán sắc gia tăng thêm khoảng cách xung ánh sáng, cách làm giảm vận tốc tín hiệu làm giảm tốc độ liệu 1.2.4 Những hiệu ứng phi tuyến Một hệ thống phi tuyến mô tả đầu hàm tuyến tính đầu vào Khi mà cơng suất nguồn quang bên sợi quang nhỏ hệ thống tốc độ bit thấp, sợi quang bị xem mơi trường tuyến tính có nghĩa tổn hao số khúc xạ (RI) sợi quang độc lập với cơng suất tín hiệu RI thuộc tính lõi sợi quang xác định ánh sáng truyền sợi quang nhanh Đáp ứng gia tăng ngày cao tốc độ bit hệ thống WDM , công suất quang sợi quang phải tăng lên Khi mà công suất đạt đến mức cao hệ thống, tác động hệ thống phi tuyến xuất hiện, tổn hao RI độc lập với cơng suất quang tín hiệu sợi quang Hiệu ứng phi tuyến bao gồm hiệu ứng Kerr hiệu ứng Scattering Hiệu ứng Kerr quan hệ số khúc xạ độ nhạy ánh sáng tín hiệu Điều dẫn đến kết quả: Tự điều chế pha, nơi mà bước sóng trải vào bước sóng kế bên Điều chế xuyên pha, nơi bước sóng khác trải vào lẫn Trộn bốn bước sóng, nơi mà vài bước sóng tương tác tạo bước sóng Những hiệu ứng tán xạ liên quan đến tổn hao kích thích tín hiệu liên quan ánh sáng sợi Hiệu ứng tán xạ bao gồm hiệu ứng Raman hiệu ứng Brillouin Nguồn phát lại bước sóng dài tùy vào suy hao Những hiệu ứng phi tuyến nói chung khơng tốt chúng làm cho tín hiệu khó thu, điều giải thích cho sai Điều khiển tắc nghẽn mạng WDM ~ Chương Kết luận hướng phát triển đề tài CHƯƠNG 7 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 7.1 Kết luận Luận văn thực nghiên cứu lý thuyết tổng quan mạng WDM định tuyến bước sóng bao gồm chế hoạt động, thiết bị mạng WDM Nhằm mục đích điều khiển tắc nghẽn, giải thuật định tuyến gán bước sóng, đặc biệt phương pháp chuyển đổi bước sóng thảo luận luận văn Phương pháp chuyển đổi bước sóng phần phân bố giải pháp tốt cho việc giảm thiểu tắc nghẽn dùng chuyển đổi bước sóng mạng WDM Luận văn thực mô với điều kiện giả lập nghiêm ngặt phần mềm NS2, phần mềm mô mạng tốt nay.Tất hệ thống khảo sát mô cách đầy đủ nhằm đem lại kết gần với mạng thực tế Kết mô kiểm chứng lại toàn đánh giá phần lý thuyết Chúng ta giải tắc nghẽn tăng số lượng bước sóng khả đường truyền, điều xác nhận qua kết phần 6.3.3 Việc đánh giá giải thuật định tuyến dựa vào xác suất tắc nghẽn đạt thực chi tiết phần 6.3.4 Cuối nhằm xây dựng hệ thống chuyển đổi bước sóng đảm bảo mặt chống tắc nghẽn lẫn tính khả thi, hệ thống chuyển đổi bước sóng phần, phân bố, phần phân bố đánh giá dựa xác suất tắc nghẽn Bên cạnh số thơng số khác để đánh giá hệ thống đề cập như: độ trễ gói trung bình, hiệu suất đường truyền nhằm mang lại đánh giá toàn diện hệ thống mô 7.2 Ứng dụng đề tài Kết đề tài dùng để đánh giá mạng WDM định tuyến bước sóng mặt tắc nghẽn Tồn q trình phân tích hệ thống chuyển đổi bước sóng dùng để thiết kế mạng WDM có chuyển đổi bước sóng tối ưu mặt kỹ thuật lẫn kinh tế Điều khiển tắc nghẽn mạng WDM 123 Chương ~ Kết luận hướng phát triển đề tài Chương trình cịn phục vụ cho mục đích nghiên cứu tìm hiểu mạng WDM cho sinh viên đại học 7.3 Hướng phát triển Thực tất giải thuật định tuyến gán bước sóng có nhằm có đánh giá toàn cục ảnh hưởng giải thuật định tuyến gán bước sóng lên tắc nghẽn mạng Nghiên cứu kỹ thuật ghép kênh bước sóng dày đặc nhằm mục đích tăng dung lượng kênh truyền tối thiểu hóa tắc nghẽn Nghiên cứu kỹ thuật chuyển mạch chuyển mạch gói quang, chuyển mạch chùm quang nhằm tận dụng tối đa tài nguyên mạng từ giảm thiểu tắc nghẽn Giải thuật định tuyến giải thuật đường dẫn ngắn tĩnh phần khảo sát hệ thống chuyển đổi bước sóng Ta biết có nhiều giải thuật định tuyến thích nghi có khả làm giảm xác suất nghẽn, sử dụng chúng cấu trúc chuyển đổi bước sóng phần phân bố đề cập Các vấn đề bố trí chuyển đổi bước sóng gán bước sóng với giải thuật định tuyến vấn đề đáng để nghiên cứu Điều khiển tắc nghẽn mạng WDM 124 ~ Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Mukherjee, Optical Communication Networks, McGraw-Hill, New York, 1997 [2] Rajiv Ramaswami & Kumar N.Sivarajan, Optical Networks, Acadamic Press, ISBN 1558606556, 1998 [3] Andrea Borella & Giovanni Cancellieri, Wavelength Division Multiple Access Optical Networks, Artech House, ISBN 0890066574 [4] Regis J.”bud” Bates, Optical Switching &Networking Handbook, McGraw-Hill, 2001 [5] Stamatios V.Kartalopoulos, DWDM, John Wiley & Sons Inc, ISBN 047126905,2003 [6] The Hand Book of Optical communication Network, CRC Press LLC, 2003 [7]Greg Bernstein-Bala Rajagopalan-Debanjan Saha, Optical Network Control, Addison Wesley, ISBN 0201753014, 2004 [8] Kevin H Liu, IP over WDM, John Wiley & Sons, ISBN: 0-470-84417-5, 2002 [9] Esa Hyytóa, “Dynamic Control of All-Optical WDM Networks” [10] Jason P Jue-Vinod M Vokkarane, Optical Burst Switched Networks, Springer, ISDN 0387237569, 2005 [11] Asuman E Ozdaglar and Dimitri P Bertsekas, “Routing and wavelength assignment in optical network”, IEEE/ACM Trans on Networking, vol 11, no.12, April 2003 [12] Hao Quin, Shi Zhang and Zengji Liu, “Dynamic routing and wavelength assignment for limited-range wavelength conversion”, IEEE Commun Letters, vol 7, no 3, March 2003 [13] Lu Shen, Jing Fu and Mingtian Ni, “Routing and Wavelength Assignment Problem in WDM Optical Networks”, CSE923 Project Progress Report, 2003 [14] C M Assi, A A Shami, M A Ali, Z Zhang, and X Liu, “Impact of Wavelength Converters on the Performance of Optical Networks,” SPIE/Kluwer Optical Networks Magazine, Vol 3, No 2, pages 22-30, March/April 2002 [15] X W Chu, B Li, and I Chlamtac, “Wavelength Converter Placement under Different RWA Algorithm in Wavelength-Routed All-Optical Networks,” IEEE Transactions on Communications, Vol 51, No 4, pages 607-617, April 2003 [16] Xiaowen Chu, Bo Li and Zhensheng Zhang, “A dynamic RWA Algorithm in a wavelength-routed all-optical network with wavelength converters”, IEEE Commun Letters, Feb 2003 [17] Rolland Mewanou, “Heuristic Algorithms for Dynamic Optical Routing”, Optical Network, March 2004 [18] Li-Wei Chen and Eytan Modiano, “Efficient Routing and Wavelength Assignment for Reconfigurable WDM Networks with Wavelength Converters”, IEEE INFOCOM, 2003 [19] VINT Project, “The ns Manual”, Dec, 2004 Điều khiển tắc nghẽn mạng WDM 125 Mục lục MỤC LỤC PHẦN THỨ NHẤT : LÝ THUYẾT TỔNG QUAN TỔNG QUAN MẠNG TRUYỀN DẪN QUANG 1.1 Sơ lược mạng viễn thông 1.2 Sơ lược truyền thông quang học 1.2.1 Các khái niệm 1.2.2 Sự suy hao truyền dẫn quang: 1.2.3 Sự tán sắc 1.2.4 Những hiệu ứng phi tuyến 1.2.5 Sự xuyên âm 1.3 Chuyển mạch quang 1.3.1 Chuyển mạch quang phân chia theo không gian 1.3.2 Chuyển mạch quang phân chia theo bước sóng 1.3.3 Chuyển mạch quang phân chia theo thời gian 1.3.4 Chuyển mạch quang phân chia theo mã 11 1.3.5 Đặc điểm chuyển mạch quang 13 1.4 Điều chế quang 14 TỔNG QUAN MẠNG WDM 15 2.1 Giới thiệu mạng WDM 15 2.1.1 Định nghĩa 15 2.1.2 Mục đích 15 2.1.3 Hệ thống WDM 15 2.1.4 Chức hệ thống WDM 16 2.1.5 Ưu nhược điểm công nghệ WDM 17 2.2 Các loại chuyển mạch quang 18 2.2.1 Giới thiệu 18 2.2.2 Chuyển mạch mạch quang 19 2.2.3 Chuyển mạch gói quang 20 2.2.4 Chuyển mạch chùm quang 21 2.3 Các kỹ thuật chuyển mạch quang 22 2.3.1 Chuyển mạch MEMS 22 2.3.2 Chuyển mạch bọt khí 23 2.3.3 Chuyển mạch ống dẫn sóng nhiệt-quang 24 2.3.4 Chuyển mạch tinh thể lỏng 25 2.3.5 Chuyển mạch âm-quang 25 2.3.6 Holograms 25 2.4 Các thành phần mạng quang 26 Mục lục 2.4.1 Giới thiệu 26 2.4.2 Bộ đầu cuối đường quang- OTL 27 2.4.3 Bộ khuếch đại đường quang OLA 29 2.4.4 Bộ ghép xen/rớt quang OADM 29 2.4.5 Bộ kết nối chéo quang OXC 35 2.5 Bộ chuyển đổi bước sóng 43 2.5.1 Giới thiệu 43 2.5.2 Bộ khuếch đại quang bán dẫn 44 2.5.3 Giao thoa kế 45 2.5.4 Bộ chuyển đổi bước sóng quang điện 47 2.5.5 Bộ chuyển đổi bước sóng cổng quang 48 2.5.6 Bộ chuyển đổi bước sóng trộn bốn bước sóng 53 CÁC PHƯƠNG PHÁP TRIỂN KHAI TRÊN MẠNG WDM 55 3.1 Giới thiệu 55 3.2 IP ATM SDH cho truyền dẫn WDM 56 3.3 IP qua ATM trực tiếp WDM 57 3.4 IP SDH; gói SONET 57 3.5 IP SDL trực tiếp qua WDM 58 3.6 IP GbE WDM 59 3.7 Mặt phẳng điều khiển tích hợp 60 3.8 Khung làm việc ASON/ASTN 60 PHẦN THỨ HAI : CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN TẮC NGHẼN ĐỊNH TUYẾN VÀ GÁN BƯỚC SÓNG TRONG MẠNG WDM 64 4.1 Giới thiệu 64 4.2 Định tuyến mạng quang 64 4.2.1 Phân biệt định tuyến mạng IP mạng quang 64 4.2.2 Các khái niệm thuật tốn tìm đường 65 4.2.3 Thuật toán Bellman-Ford 67 4.2.4 Thuật toán Dijikstra 69 4.3 Định tuyến gán bước sóng tĩnh 69 4.3.1 Sơ lược định tuyến gán bước sóng tĩnh 69 4.3.2 Định tuyến 71 4.3.3 Gán bước sóng 72 4.3.4 Các thuật tốn tơ màu đồ thị 72 4.3.5 Giải thuật thực 74 4.4 Định tuyến gán bước sóng động 77 4.4.1 Sơ lược định tuyến gán bước sóng động 77 4.4.2 Định tuyến 79 4.4.3 Gán bước sóng 81 4.4.4 Giải thuật thực 87 Mục lục CHUYỂN ĐỔI BƯỚC SÓNG TRONG MẠNG WDM 89 5.1 Giới thiệu 89 5.2 Phân tích hệ thống chuyển đổi bước sóng phần 91 5.2.1 Các giả thiết thích mạng 92 5.2.2 Tính tốn xác suất nghẽn toàn cục 92 5.2.3 Phân tích lưu lượng bypass node 94 5.2.4 Gán bước sóng 95 5.3 Hệ thống chuyển đổi bước sóng phần - phân bố 96 5.3.1 Hệ thống chuyển đổi bước sóng phần – phân bố 96 5.3.2 Mô hình phân tích 97 5.3.3 Vấn đề bố trí chuyển đổi bước sóng 99 PHẦN THỨ BA: CÁC KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ MÔ PHỎNG TẮC NGHẼN TRONG MẠNG WDM 102 6.1 Các công cụ 102 6.1.1 Linux Redhat 9.0 102 6.1.2 Network simulator 103 6.1.3 Cygwin 104 6.2 Cấu trúc chuơng trình mơ 104 6.2.1 Cấu trúc chuyển mạch 104 6.2.2 Các thành phần mạng WDM cần xây dựng 105 6.2.3 Các ý chương trình 106 6.3 Các kịch mô tắc nghẽn 107 6.3.1 Mô mạng WDM 107 6.3.2 Mô tắc nghẽn điều kiện mạng yêu cầu 111 6.3.3 Tắc nghẽn dựa số lượng bước sóng link 112 6.3.4 Tắc nghẽn với giải thuật định tuyến khác 113 6.3.5 Tắc nghẽn hệ thống có chuyển đổi bước sóng tồn phần 115 6.3.6 Tắc nghẽn hệ thống có chuyển đổi bước sóng phần 116 6.3.7 Tắc nghẽn hệ thống có chuyển đổi bước sóng phân bố 118 6.3.8 Tắc nghẽn hệ thống có chuyển đổi bước sóng phần phân bố 119 6.3.9 Một số thông số khác mạng WDM 121 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 123 7.1 Kết luận 123 7.2 Ứng dụng đề tài 123 7.3 Hướng phát triển 124 Tài liệu tham khảo Sơ yếu lý lịch khoa học Danh mục hình vẽ DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 1.1 Mạng viễn thơng 1.2 Các dãi bước sóng có suy hao thấp cho truyền thơng WDM 1.3 Tín hiệu A sin(2πft + ϕ ) 1.4 Một xung vuông ( A, f , ϕ ) 1.5 Tốc độ chuyển mạch phụ thuộc kích cỡ ma trận chuyển mạch 1.6 Chuyển mạch phân chia theo bước sóng quảng bá lựa chọn 1.7 Chuyển mạch định tuyến bước sóng 1.8 Chuyển mạch bước sóng 1.9 Chuyển mạch phân chia thời gian 10 1.10 Chuyển mạch quang T - S - T sử dụng WC-WGR-WC 10 1.11 Định dạng gói quang 11 1.12 Cấu tạo chuyển mạch OCDM 12 1.14 Các kiểu điều chế quang 14 1.15 Các phương pháp điều chế quang 14 2.1 Hệ thống ghép kênh bước sóng đơn hướng song hướng 16 2.2 Sơ đồ chức hệ thống WDM 16 2.3 Các hệ mạng quang 18 2.5 Chuyển mạch chùm quang 21 2.9 Mơ hình mạng WDM phần tử quan trọng 26 2.10 Sơ đồ khối đầu cuối đường quang OTL (Optical Line Terminal) 28 2.11 Sơ đồ khối khuếch đại đường quang OLA (Optical Line Amplifier) 29 2.12 Vai trò OADM mang WDM có nút 30 2.13 Các kiến trúc OADM 31 2.14 Ảnh hưởng thay đổi lưu lượng mạng sử dụng OADM nối tiếp 33 2.15 Cấu trúc OADM cấu hình lại 34 2.16 Cấu hình OXC trọng mạng quang 36 2.17 Các cách triển khai OXC 38 2.18 Minh hoạ cần thiết phải chuyển đổi bước sóng 40 2.19 Nút mạng kết nối chéo 40 2.20 Mơ hình OXC úng dụng mặt phẳng bước sóng 41 2.21 Các thiết bị đầu cuối chuyển mạch quang 42 2.22 Mạng tồn quang định tuyến bước sóng 43 3.1 Các phương pháp triển khai IP xuống WDM 55 3.2 Một hệ thống IP ATM SDH WDM 56 3.3 Hệ thống IP SDH WDM 58 3.4 Cấu trúc mào đầu SDL 59 3.5 IP truyền mạng vòng WDM với cấu trúc khung GbE 59 Danh mục hình vẽ 3.6 Hệ thống GMPLS 61 3.7 Cấu trúc ASON ( mặt luận lý ) 62 4.1 IGPs and EGP internet 66 4.2 Đồ thị mơ tả cấu hình mạng minh họa thuật tốn tìm dường ngắn 68 4.3 Tuyến lightpath đồ thị chuyển đổi tương ứng 72 4.4 Tô màu theo largest first 73 4.5 Tô màu theo smallest first 74 4.6 Lưu đồ giải thuật S_RWA 74 4.7 Lưu đồ giải thuật chọn đường ngắn cho lightpath 75 4.8 Lưu đồ giải thuật gán bước sóng cho lightpath 75 4.9 Lưu đồ giải thuật tìm đường ngắn 76 4.10 Lưu đồ giải thuật largest first 76 4.11 Lưu đồ giải thuật Tuyến nhiều liên kết trước tiên 77 4.12 Lưu đồ giải thuật tuyến liên kết sau 77 4.13 Gán bước sóng First Fit 82 4.14 Gán bước sóng Longest First 83 4.15 Gán bước sóng Random 83 4.16 Gán bước sóng Least Use 83 4.17 Yêu cầu lightpath cho gán bước sóng Least Use 84 4.18 Yêu cầu lightpath cho gán bước sóng Least Use 84 4.19 Yêu cầu lightpath cho gán bước sóng Min Product 84 4.20 Ví dụ gán bước sóng Max Sum 86 4.21 Lưu đồ thực D_RWA 87 4.22 Lưu đồ thực RWA 88 4.23 Lưu đồ thực định tuyến cố định 88 4.24 Lưu đồ thực định tuyến luân phiên 88 5.1 Một định tuyến bước sóng với chuyển đổi đầy đủ 90 5.2 Một định tuyến bước sóng với chuyển đổi phần 90 5.3 Một định tuyến bước sóng với chuyển đổi phần 94 5.4 Một định tuyến bước sóng với chuyển đổi phần 94 5.5 Phân bố xác suất số lượng đường bypass 94 5.6 Đường dẫn quang phân đoạn 96 6.1 Giao diện Nam 103 6.2 Nam editor 103 6.3 Cấu trúc chuyển mạch 104 6.4 Cơ cấu tổ chức tương tác mô đun 105 6.5 Topo mạng 20 node 110 6.6 Topo mạng 20 node 111 6.7 Xác suất tắc nghẽn mạng 20 node 111 6.8 Xác suất tắc nghẽn mạng 25 node 112 6.9 Mạng bước sóng bước sóng 113 Danh mục hình vẽ 6.10 Mạng 64 bước sóng 32 bước sóng 113 6.11 So sánh giải thuật định tuyến mạng 16 bước sóng 114 6.12 So sánh giải thuật định tuyến mạng 64 bước sóng 114 6.13 Chuyển đổi tồn phần khơng chuyển đổi mạng 64 bước sóng 115 6.14 Chuyển đổi tồn phần khơng chuyển đổi mạng 16 bước sóng 116 6.15 Chuyển đổi phần bước sóng 116 6.16 Chuyển đổi phần 16 32 bước sóng 117 6.17 Chuyển đổi phần 4, 8, 16 32 bước sóng 117 6.18 Chuyển đổi phân bố 16 bước sóng 20% - 50% - 80% 118 6.19 Chuyển đổi phân bố 64 bước sóng 20% - 50% - 80% 119 6.20 Chuyển đổi phần phân bố 64 bước sóng 120 6.21 Chuyển đổi phần phân bố 16 bước sóng 120 6.22 Độ trễ gói trung bình dựa vào chuyển đổi 121 6.23 Độ trễ gói trung bình dựa vào giải thuật định tuyến 122 Danh mục bảng DANH MỤC CÁC BẢNG 1.1 1.2 2.1 2.2 4.1 4.2 4.3 5.1 Các loại chuyển mạch đặc tính Sự phân chia bước sóng So sánh kỹ thuật chuyển mạch WDM 22 So sánh cấu chuyển mạch 25 Số lần lặp thuật toán Bellman-Ford 68 Số lần lặp thuật toán Dijikstra 69 Bảng ma trận l-w 85 Độ hữu dụng bước sóng theo lưu lượng 93 5.2 β n F(n) mạng NSFNET với tổng lưu lượng 208 Erlangs 95 Phần trăm đường dẫn quang bypass thiết lập thành công mà không dùng chuyển đổi bước sóng 96 5.4 Các thống kê chuyển đổi mạng NSFNET 100 5 Sơ đồ bố trí tỷ lệ cho mạng NSFNET với M = 50 100 Danh mục từ viết tắt DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ADM Add / Drop Multiplexer Bộ ghép tách kênh DEMUX Demultiplexer Bộ phân kênh D-RWA Dynamic Routing and Wavelength Assignment Định tuyến gán bước sóng động DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh theo bước sóng dày đặc DPR Dedicated Protection Ring Vòng Ring bảo vệ dành riêng EDFA Erbium Droped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại sợi quang trộn Erbium MAN Metropolitan Area Network Mạng đô thị MUX Multiplexer Bộ ghép kênh MSOH Multiplexer Section Overhead Từ mão vùng ghép kênh MPLS Multi Protocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức LAN Local Area Network Mạng nội IP Internet Protocol Giao thức mạng Internet OTDM Optical Time Division Multiplexing Ghép kênh theo thời gian miền quang OTN Optical Transport Network Mạng truyền tải quang OADM Optical Add/Drop Multiplexer Danh mục từ viết tắt Bộ ghép kênh xen/rẽ quang OXC Optical Cross Connect Bộ kết nối chéo quang OLT Optical Line Terminal Thiết bị kết cuối đường quang OPP Optimal Path Pair Cặp đường dẫn tối ưu OSW Optical Switch Chuyển mạch quang OBS Optical Burst Switching Chuyển mạch chùm quang RSOH Regenerator Section Overhead Từ mão vùng lặp RWA Routing and Wavelength Assignment Định tuyến gán bước sóng S-RWA Static Routing and Wavelength Assignment Định tuyến gán bước sóng tĩnh SPR Shared Protection Ring Vịng Ring bảo vệ chia sẻ SONET Synchronous Optical Network Mạng quang đồng SDH Synchronous Digital Hierarchy Phân cấp số đồng SPWC Sparse Partial Wavelength Conversion Chuyển đổi bước sóng phần phân bố TDM Time Division Multiplexing Ghép kênh theo thời gian WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh theo bước sóng WCR Wavelength-convertible router Bộ định tuyến bước sóng khả chuyển WRN Wavelength Routed Network Mạng định tuyến bước sóng Lời mở đầu LỜI MỞ ĐẦU Ngày dịch vụ viễn thông ngày phát triển chất lẫn lượng, điều bắt buộc mạng xương sống phải tăng nhanh chóng dung lượng nhằm đáp ứng nhu cầu băng thông dịch vụ Mạng WDM tồn quang định tuyến theo bước sóng xem lựa chọn thích hợp cho mạng backbone diện rộng hệ mới, nhằm tận dụng tối đa dung lượng đường dẫn quang cách ghép nhiều bước sóng lên sợi quang Mạng quang WDM hứa hẹn đáp ứng nhu cầu mặt băng thông cho dịch vụ tương lai Nhằm mục đích sử dụng hiệu tài nguyên mạng, tức giảm tối thiểu tắc nghẽn mạng quang WDM, giải thuật định tuyến gán bước sóng, kỹ thuật chuyển đổi bước sóng thảo luận Đây nội dung luận văn : “ Điều khiển tắc nghẽn mạng WDM “ Kỹ thuật chuyển đổi bước sóng khẳng định kỹ thuật chủ đạo để cải thiện chất lượng nghẽn mạch mạng tồn quang định tuyến bước sóng Do giá thành chuyển đổi bước sóng cao, nên vấn đề làm cách để sử dụng có hiệu số lượng giới hạn chuyển đổi bước sóng vấn đề quan tâm Trong luận văn đề cập cấu trúc mạng chuyển đổi bước sóng phần - phân bố (SPWC – Sparse-Partial Wavelength Conversion) có tính linh hoạt giúp cho người vận hành mạng thay đổi dần hệ thống để nâng cấp hệ thống chuyển đổi bước sóng Chúng ta chứng tỏ cấu trúc mạng tiết kiệm đáng kể số lượng chuyển đổi bước sóng mà đạt chất lượng chống nghẽn tốt Luận văn chia làm ba phần : phần 1: đề cập đến kiến thức mạng quang WDM bao gồm chế hoạt động, kỹ thuật chuyển mạch; phần 2: kiến nghị giải pháp giảm tắc nghẽn, bao gồm giải thuật định tuyến đặc biệt đưa kỹ thuật chuyển đổi bước sóng tối ưu mặt kỹ thuật lẫn kinh tế chuyển đổi bước sóng phần phân bố; phần 3: thực mô tắc nghẽn mạng WDM điều kiện khác nhằm đánh giá kết lý thuyết Preface PREFACE Nowadays, the telecommunication services have been developing more and more in both quality and quantity This forces the backbone networks to rapidly increase their capacity so that they can satisfy the bandwidth demand of the services Wavelength-routed all-optical WDM networks are considered to be candidates for the next generation wide-area backbone networks These networks fully salvage the capacity of a n optical link by combining many wavelengths on one fiber Optical WDM networks are promising ones that will meet the bandwidth requirements of present and future services For the purpose of using network resources effectively, that is, minimizing congestion in optical WDM networks, routing and wavelength assignment algorithms, wavelength conversion methods are discussed here It is also the main topic of this thesis, namely, “Congestion control in WDM networks” Wavelength conversion has been shown as one of the key techniques that can improve the blocking performance in a wavelength-routed all-optical network Given that wavelength converters nowadays are still very expensive, how to make effective use of the limited number of wavelength converters becomes an important issue In this thesis, we propose a novel sparse-partial wavelength conversion (SPWC) architecture with the inherent flexibility that can facilitate network carriers to migrate the optical backbone to support wavelength conversion We demonstrate that this architecture can significantly save the number of wavelength converters while still achieving excellent blocking performance The thesis is divided into three parts Part one introduces the fundamentals of optical WDM networks, include of operation mechanism and switching methods Part two proposes some solutions to reduce congestion, involve routing algorithms, especially, a wavelength conversion technology that is optimum in both technical and economic aspects, called the Sparse-Partial Wavelength Conversion Finally, part three performs simulation of congestion in WDM networks with different conditions to verify the theoretical analysis Thesis outline PHÁC HỌA LUẬN VĂN Trước tiên điểm khác biệt luận văn so với luận văn trước phân tích bên nhằm đảm bảo tính kế thừa phát huy luận văn Thứ nhất, mặt mô phỏng, luận văn trước không thực mô môi trường mô nghiêm ngặt khơng dùng chương trình mô mạng chuyên nghiệp Do vậy, chương trình mơ đạt tới mức độ mơ tả giải thuật Tồn chương trình mơ luận văn viết NS2 ( Network Simulator ), phần mềm mô mạng tốt với mơ hình giả lập nghiêm ngặt, kết thu gần giống thực mạng thực Thứ hai, mặt giải thuật, luận văn trước không đề cập kỹ đến kỹ thuật chuyển đổi bước sóng, chưa khảo sát khảo sát không giải việc cân đối giá thành chuyển đổi bước sóng hiệu mà đem lại Luận văn thực nghiên cứu kỹ thuật chuyển đổi bước sóng hầu đưa hệ thống chuyển đổi bước sóng đảm bảo mặt kỹ thuật lẫn kinh tế Với phân tích luận văn cấu trúc thành ba phần trình bày sau Phần thứ : Lý thuyết tổng quan, thảo luận tất lý thuyết liên quan mạng quang, mạng WDM…làm sở cho tìm hiểu Gồm có ba chương Chương : Tổng quan mạng quang, trình bày khái niệm mạng truyền dẫn quang, sở để xây dựng mạng WDM Chương : Tổng quan mạng WDM, phân tích cấu họat động thành phần mạng WDM Chương : Các phương pháp triển khai WDM, bàn tất phương pháp triển khai gói IP xuống WDM, nhấn mạnh kỹ thuật triển khai trực tiếp gói IP xuống WDM IP over WDM Phần thứ hai : Các giải pháp điều khiển tắc nghẽn, đưa giải pháp nhằm tổi thiểu xác suất tắc nghẽn bao gồm giải thuật định tuyến gán bước sóng, kỹ thuật chuyển đổi bước sóng Gồm hai chương Chương : Định tuyến gán bước sóng, thảo luận giải thuật định tuyến gán bước sóng, đưa giải thuật thực Chương : Chuyển đổi bước sóng, kỹ thuật chuyển đổi bước sóng phân tích dựa mạng nhỏ ví dụ hầu kết luận tính chất kỹ thuật chuyển đổi bước sóng Phần thứ ba : Kết đánh giá, gồm hai chương Chương : Mô tắc nghẽn mạng WDM, tồn kịch mơ thực nhằm đưa nhận xét chi tiết cho trường hợp cần khảo sát Chương 7: Kết luận hướng phát triến, nhận định kết thu được, đưa ứng dụng dựa kết này, sau kiến nghị hướng nghiên cứu cho đề tài ... cấu hình lại, có khả điều khiển từ xa phần mền không ? Khả điều khiển từ xa cần thiết cho chế quản lý mạng tương lai Điều khiển tắc nghẽn mạng WDM 30 ~ Chương Tổng quan mạng WDM Các kiến trúc... đến, chuyển mạch gói hướng tới kết nối chi sử dụng địa mạng cục Điều khiển tắc nghẽn mạng WDM ~ Chương Tổng quan mạng truyền dẫn quang Trong mạng chuyển mạch gói hướng tới khơng kết nối, nơi khơng... Phương pháp định tuyến Điều khiển tắc nghẽn mạng WDM ~ Chương Tổng quan mạng truyền dẫn quang bước sóng có suy hao cơng suất thấp địi hỏi điều khiển chuyển đổi bước sóng xác Trong hai phương pháp